民勤绿洲不同耕作方式农田表层土壤风蚀规律的风洞模拟研究

赵宇浩, 王 立, 杨彩红, 王军强

(1.甘肃农业大学 林学院, 甘肃 兰州 730070; 2.甘肃省农业工程技术研究院, 甘肃 武威 733007)

土壤风蚀是指松散的土壤物质被风吹起、搬运和堆积的过程以及地表物质受到风吹起的颗粒的磨蚀过程，其实质是风力作用下，表层土壤中细颗粒与营养物质的吹蚀、搬运和沉积自然地理过程[1]。土壤风蚀强度乃至方向的变化受气候、植被、土壤、地形、地貌等多种因子的综合影响[2]。风速是影响风蚀强弱的首要因素，风蚀量随风速的变化而改变，通常风速愈大，风蚀作用愈强[2]。人为因素也会影响土壤风蚀，主要表现为土壤表层的扰动和破环[3]。

中国是世界上土地荒漠化最为严重的国家之一，全国1/2以上的面积受土壤风蚀或土地沙化影响，主要分布于北方的干旱、半干旱地区，而旱作农田土壤风蚀尤为严重[4]。民勤绿洲盆地位于内蒙古自治区阿拉善左旗和阿拉善右旗之间，东、西、北三面被腾格里和巴丹吉林两大沙漠包围，避免了中国第3、第4大沙漠连成一片。同时，民勤绿洲是发生荒漠化的敏感地带，在全国生态战略格局中占有举足轻重的地位[5]。这些地区耕地长期采用铧式犁翻耕等传统耕作技术，导致土壤结构遭到破坏，土壤表土细碎，冬春裸露休闲，在西北季风的强劲作用下，极易扬尘，成为沙尘暴的重要源头[6]。随着耕作活动的频繁进行，该地区生态环境不断恶化，土壤风蚀现象持续加重。导致土壤质量下降甚至发生不可逆的退化，给当地社会经济和生态环境带来持续危害[7]。多年以来，大批学者[8]以不同的角度和深度对土壤风蚀进行了研究，发现各种保护性耕作措施对风蚀都能起到抑制的作用，而且有利于改善环境状况。对防风作物的研究发现，一定程度的植被覆盖度可以有效抵抗土壤风蚀[9-11]。对外部防风蚀措施的研究发现，使用抗风蚀材料对土壤进行覆盖可以降低土壤风蚀量[12-16]。对作物收获后留茬的研究发现，留茬可以有效较少风蚀[17-21]。由于不同地域农田各种条件的限制，如经济作物的限制，经济条件限制，自然条件限制等，许多防风蚀措施无法顺利实施推广。所以本试验从农田土壤翻耕方式入手，研究其风沙运动规律，分析各个处理的防风蚀情况，比较分析不同保护性耕作对农田的防风蚀机理和防风蚀效果，开发土壤自身的抗风蚀能力，达到既减少投入，又减少土壤风蚀的目的。

1 试验设计、材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点在民勤绿洲区的民勤县苏武乡泉水村，平均海拔1 400 m。为温带大陆性气候，冬冷夏热，昼夜温差大，年均温7.8 ℃，最高可达25.2 ℃。年均日照时数2 799.4 h，光热充足，年均无霜期162 d。该地降水稀少，年均降水量113.2 mm，年蒸发量2 000～2 600 mm，是降水量的24倍，该地区干燥度大于5。当地常年盛行西北风，全年风沙日83 d，多集中在2—5月份，年均风速2.5 m/s，最大风速23.0 m/s。该区耕作土壤为灌淤土，开垦种植早、熟化程度高，厚度可达30—60 cm，耕层质地轻，土性热，保肥、保水性差。供试农田土壤有机质含量9.8 g/kg，全氮含量为4.84 g/kg，土壤ph值为8.63，电导率值为0.29 mS/cm，有效磷含量为0.4 ug/ml，速效钾含量为144.14 mg/kg，碳水化合物含量为0.41 mg/ml。

试验田在2015年以前均采用秋翻耕作，试验于2015年玉米播种前，共设计免耕、少耕、秋翻和深松等4种耕作方式处理，每个处理设置3个重复，各处理小区面积介于533.34～1 100.01 m2之间，随机区组排列。试验设计的4个处理分别为： ①免耕。对土地不做翻耕，地膜一直到试验结束才更换； ②少耕。收获后到播种前不搅动土壤，播种前1周左右进行旋耕整地7.5～10.0 cm，覆膜和播种； ③秋翻。包括每年秋收后耕翻土地，翻动土层深度大约为20 cm，春季旋耕7.5～10 cm整地、覆膜、播种等田间作业； ④深松。秋收后利用深松铲对耕地进行翻耕30 cm，春季旋耕整地、覆膜、播种。

试验田全部种植玉米，品种为甘鑫2818，每年4月20日播种，株距20 cm，行距30 cm，定植7.2×104株/hm2。采用统一的施肥措施，所施用化肥为尿素、磷酸二铵、普钙、氯化钾，各处理化肥用量统一为每年施用N 180 kg/hm2，P2O595～98 kg/hm2。整个生育期灌水34.1～36.3 m3/hm2。免耕、少耕、秋翻和深松4种不同耕作方式的玉米地的施肥、灌水、管理方式等均相同，仅在耕作方式上有差异。本试验中铺设的地膜，少耕、秋翻、深松田每年更换一次，免耕则从试验开始一直到试验结束。

1.2 试验设计

采样时间在2017年5月23日，从4种耕作方式的3个重复样地中各选择一片样地，随机选择取样点，小心去掉地膜，用铁锨挖去样点周围多余的土，使用面积30.5 cm×20.5 cm的无盖铁盒采集原状土，期间避免对土样结构的破坏。采样后用硬纸板封口。试验时再打开。

风洞试验在中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室沙坡头沙漠试验站土壤风洞中进行。

对每种样品，选取6，10，14，18和22 m/s这5种风速值进行吹蚀试验，吹蚀时间分别为15，12，10，8和5 min，样品与风口距离为11.5 m，感应高度60 cm。试验前用精度为1/100的电子天平称出吹蚀前样品重量w1，经过一个风速的吹蚀后再称出吹蚀后样品的重量w2，每个风速的吹蚀量用w0表示(w0=w1-w2)，利用公式计算风蚀速率：

R1=w0/(S1·T)

式中：S1——样品截面面积(30.5 cm×20.5 cm=625.25 cm2)；T——每种样品的吹蚀时间。

在距土样末端下风向57 cm处，用高20 cm，单格为2 cm×2 cm的积沙仪收集不同高度的风蚀物，用1/1 000的电子天平称重，获取每种耕作方式风蚀物的收集量w3，利用公式计算单位面积的输沙率：

R2=w3/(S2·T)

式中：S2——样品截面面积(2 cm×2 cm=4 cm2)。

1.3 数据分析

各测定数据经Excel初处理，所有数据测定结果均以平均值表示，采用SPSS 19.0进行双因素方差分析(two-way ANOVA)和回归分析。统一采用Excel做图。

2 结果与分析

2.1 不同处理风蚀速率与风速的关系

不同风速水平、耕作措施下的风蚀速率如图1所示。从图1可以看出，4种耕作方式下土壤风蚀速率与风速呈正相关关系，风蚀速率随着风速的增大而增大。当风速小于14 m/s时，4种耕作方式的土壤风蚀速率随风速的增加而缓慢增加，4种土壤的风蚀速率随风速变化的趋势线几乎重合。在风速大于14 m/s后，少耕、秋翻、深松3种耕作方式的土壤的风蚀速率随风速的增长速度加快，当风速大于18 m/s后几乎呈线性增加，三种耕作方式的风蚀速率在风速为14 m/s时，表现为：深松<秋翻<少耕，在风速为22 m/s时，表现为：少耕<秋翻<深松，但风蚀速率差值不大，趋势线近乎重合。而免耕耕作方式的土壤风蚀速率在风速大于14 m/s后，随风速的增长速度变化相对不明显，土壤风蚀速率与其他3种耕作方式的差距逐渐增大。免耕耕作方式的土壤风蚀速率与风速呈幂函数关系(y=0.145 8x1.739 1，R2=0.992 5)，而少耕、秋翻、深松耕作方式的土壤风蚀速率与风速呈指数函数关系(y=aeb)。

图1 土壤风蚀速率与风速的关系

2.2 土壤风沙流结构垂直分布特征

由图2可以看出，不同处理在风速小于14 m/s时输沙率都很低。免耕的单位面积输沙率曲线明显区别于其他3种处理，在风速大于14 m/s时，输沙率相对少很多，且高度分布杂乱，有较明显的随机性特征。观察少耕、秋翻、深松3种耕作方式的单位面积输沙率曲线发现，在相同风速下，高度越低，输沙率越大，随着高度提高输沙率逐渐减少；各个处理的土壤，输沙率随着风速的增加而增加，高度越低，增长幅度越大。当风速大于14 m/s时，少耕、秋翻、深松3种耕作方式，开始出现较明显的风蚀物，风蚀物出现的高度略有不同，随着风速增加，发现较明显的风蚀物的高度也会提高。在风速14 m/s以上时，收集到的风蚀物绝大部分集中在0—10 cm高度范围内，低高度风蚀物所占比例还会随着风速增加而增大，而高于16 cm的高度范围内，几乎没有收集到风蚀物。在风速为18 m/s时，3种耕作方式的输沙率表现为：秋翻<深松<少耕，在风速为22 m/s时，表现为：少耕<深松<秋翻，且输沙率差值较大。

2.3 耕作和风速对风蚀速率和输沙率的影响

由表1可知，耕作方式、风速以及这两个变量的交互作用对该地区土壤风蚀速率和输沙率产生极显著的影响(p<0.001)。其中风速的影响高于耕作方式的影响，高于两者的交互作用的影响。各变量对风蚀速率的影响高于对输沙率的影响。

图2 不同耕作方式下单位面积输沙率与高度的关系表1 风蚀速率和输沙率的双因素方程分析

变 量风蚀速率/(g·m-2·min-1)dfFp单位面积输沙率/(g·m-2·min-1)dfFp耕作(A)340.406<0.001334.411<0.001风速(B)4272.458<0.0014126.591<0.001A×B1225.071<0.0011218.677<0.001

注：A×B表示耕作方式和风速之间的交互效应。

3 结 论

(1) 土壤的风蚀速率随风速的增大而增大。各个处理的土壤在风速小于14 m/s时，风蚀速率都较慢，这是因为在低风速时处于微风蚀阶段，土壤的可蚀性物质充沛，但风速的挟沙能力不足。大于14 m/s的风力才是造成土壤风蚀的主要因素，在风速大于14 m/s时，少耕、秋翻、深松3种耕作土壤的风蚀速率迅速增大且变化曲线近乎重合，说明3种不同的耕作方式对土壤结构造成了相近程度的破坏，试验地区土壤的表层结构已经相当脆弱，继续采用传统耕作方式极不利于当地农田土壤的可持续发展。免耕耕作方式在14 m/s的风速条件下的土壤风蚀速率低于其它耕作方式，且风速越高，抗风蚀效果越明显，说明免耕耕作方式对土壤的扰动小，能够大幅度减轻土壤风蚀，有利于对当地农田土壤的保护。由于当地常年风力较大，从减少土壤风蚀角度出发，建议当地尽量推广免耕耕作方式。

(2) 少耕耕作方式的风蚀速率和输沙率在14 m/s风速时高于其他3种耕作方式，在22 m/s风速时低于深松和秋翻，可能是因为少耕耕作方式造成土壤表层的可蚀性颗粒粒径较小，在低风速下更易被吹蚀；而更大粒径的可蚀性颗粒相对少，在风速提高时，风蚀速率和输沙率变化相对小。风蚀物运动形式分为跃迁、蠕动、悬浮，其中跃迁颗粒集中分布在0—10 cm高程内，是产生风蚀危害的主要形式[22]。本研究中，同一风速下，气流中的风蚀物随高度升高而逐渐减少。当风速高于14 m/s，在0—10 cm 高度范围内风蚀物总风沙量的绝大部分，有明显的风沙流，大于14 cm的高度范围内，风蚀物极少。由此可见，蠕移和跃移沙占风蚀物运行方式的绝大部分，而悬移沙土所占的量极少，风蚀物的上扬现象不明显，绝大多数的风蚀物是在近地面运行的[23]，与前人研究结果一致。免耕耕作相比其他耕作方式能够有效的控制风沙流的强度，少耕耕作相对于秋翻、深松能够一定程度上限制高风速下风沙流的强度。

(3) 风速是影响土壤风蚀和输沙率的最主要因素，耕作方式能够对该地区土壤风蚀速率和输沙率产生极显著的影响。康玉梅[24]研究表明，风蚀速率随风速增大呈规律性增大，且相关性较大。秦红灵[25]研究表明，不同耕作条件下土壤风蚀率都随风速的增加而增加，但风蚀速率与风速呈现不同的函数关系。

(4) 本研究的结果对以往研究的成果的补充体现在风速和耕作方式的交互作用也对风蚀速率和输沙率有影响，且影响效果极显著。本试验仅研究了耕作方式的影响，没有涉及到土壤含水量及地表粗糙度等问题，有待进一步研究。