秦王川灌区种植牧草抗风蚀及减少养分流失效应研究
2019-11-19肖艳荣王娟景晨异李昂
肖艳荣 王娟 景晨异 李昂
摘要:为了探究种植牧草对秦王川灌区土壤风蚀和养分的影响,试验以种植春小麦和无芒雀麦地及裸地(CK)为研究对象,通过测定植被地表的盖度、高度、地上生物量以及地表湿度、粗糙度、土壤含水率和地表风蚀量,比较了不同处理对地表土壤细颗粒物和土壤养分流失的差异。结果表明:裸地风蚀量最大、迭1.7kg/m2,小麦地次之,雀麦地最小、仅为0.8kg/m2;小麦和雀麦地土壤有机质分别比裸地提高近5.5%和7.3%,土壤有机质损失量大小顺序为裸地>小麦地>雀麦地;植被盖度、地表湿度、地表粗糙度和土壤含水率等指标的大小顺序均为:雀麦地>小麦地>裸地。在风蚀季节,秦王川灌区裸地的风蚀量和有机质流失量均为最大,种植雀麦可显著减少耕地土壤风蚀危害,减少土壤有机质流失。
关键词:秦王川灌区;土壤风蚀;土壤有机质;无芒雀麦
中图分类号:$157文献标识码:A 文章编号:1674-9944(2019)14-0008-03
1引言
随着人类对环境的破坏及土地的大面积耕种,土壤风蚀危害越来越严重,在干旱少雨、深居内陆的西北地区尤为明显。西北地区为典型温带大陆性气候,土壤粘合度较差,昼夜温差及年温差都很大。在这种恶劣气候条件和人为因素的影响下,造成西北地区土壤结构被破坏,从而使土壤风蚀问题加剧。土壤经风蚀作用,地表表层土壤细颗粒减少、表土粗化;同时,营养物质及有机质大量输移,导致土壤养分和土地的生产力也随之发生变化。这种风蚀现象也大大危害了周边地区的农业发展及周围的生态环境。因此,土壤的抗风蚀及减少养分流失已成为该区一个亟待解决的问题。王岩研究发现,通过少耕、免耕等耕作措施,将农作物的根茬和秸秆留在地表,利用农作物根茬来固土、秸秆挡土,可以显著减少土壤细颗粒的输移和提高土壤保水保肥效果。秦红灵等研究发现,与传统农田翻耕相比,农田免耕留茬不仅可以降低土壤风蚀,还可提高表层土壤的有机质含量。
位于永登县与皋兰县之间的秦王川地区,属半干旱气候,全年蒸发量远远大于降水量,农作物主要以春播小麦、油菜、胡麻为主。由于受到气候条件限制,该区耕地全年仅有5个月时间可被利用。另外,秦王川地区临近腾格里沙漠,地势平坦,冬春季节又多风,腾格里沙漠的风沙也会对该区产生一定影响。为此,为了探究秦王川地区土壤风蚀及养分流失情况,试验以裸地为对照(CK),以无芒雀麦(Bromu sjaponicus Thunb)和春小麦(Triticum estivum)作为主要研究对象,通过分析各处理间风蚀量与养分流失的差异,来比较种植无芒雀麦对改善土壤质量的效应,为该地区抗风蚀和减少土壤养分流失提供科学依据.
2材料与方法
2.1试验区概况
秦王川灌区(36°41N,103°33E)是兰州最平坦的一块高原盆地,年平均气温为6.2℃,冬春季多风,土壤以碱性的灰钙土为主。
2.2试验设计及测定
试验设置裸地(CK)、小麦(Triticum estivum)地和雀麦(Bromus japonicas Thunb)地3个处理,各处理随机区组排列,重复4次,这样共为12个小区。每个小区均为4m×6m大小样方,小区间隔均为0.5m。小麦和雀麦的播种量分别均为30g/m2和3g/m2。试验于2016年3月下旬播种植物,所播种植物的行间距均为20cm,种植深度为3cm。农田常规管理,样地中的杂草由人工进行去除,并定期对试验区进行灌水。7月末收获小麦,根据牧草长势在9月上旬刈割,10月末收获雀麦完成当年实验。为了测定各样方中的土壤细颗粒物流失量,于2016年9月初在各样方内放入装满该样地土壤的风蚀盘(风蚀盘大小为23cm×16cm,盘内装土约为500g),翌年年6月末测定所放风蚀盘重量,以此计算各小区地表土壤风蚀量。
试验期间,分别测定裸地、小麦地和无芒雀麦地的盖度、高度、地面粗糙度、地表温度和地面湿度等指标;地表试验完成后,再利用土钻和环刀采集各处理0~5cm深度土样,带回实验室进行土壤有机质及土壤含水率的测定。
2.3试验数据处理
实验中测得数据均用Excel及SPSS软件进行作图分析,文中各指标均进行单因素方差分析,并进行多重比较。
3结果与分析
3.1地面植被特征指标比较
由测定结果显示,就植被盖度来看(图1a),雀麦的盖度达90.3%,而同期小麦的盖度仅有10.3%。就植被高度而言(图lb),收获后的小麦残茬高度为8.2cm,雀麦约是它的2倍。由图1c可以看出,小麦的地上生物量与雀麦接近,分别为4.1g/m2和3.6g/m2.
3.2地表微环境相关指标分析
就地表的粗糙度而言,裸地和小麦地的粗糙度分别为1cm和1.3cm,而雀麦地的粗糙度是裸地的3倍。就地表湿度而言(图2b),雀麦是裸地的2倍之多,为54.4%,而小麦与裸地的地表湿度相差无二,分别为28.6%和26.2%。地表含水率对抵抗土壤风蚀有很强的作用,从图2c来看,种植小麦和雀麦地的土壤含水率分别比裸地的含水率提高2.4%和12.3%。综合以上,雀麦在保特地表微环境湿度方面有很强的优势,其地表粗糙度和含水率均为最大,小麦次之,裸地最小。
3.3地表风蚀量比较
从2016年9月到2017年6月,就土壤的风蚀量来说(图3a),在整个风蚀季节内,种植雀麦地的土壤风蚀程度最小,仅为0.8kg/m2,小麦次之,为1.4kg/m2,而裸地风蚀量最高、达1.7kg/m2。由图3b可以看出,由于裸地没有植被覆盖,地表裸露,风蚀吹蚀了地表富含有机质的细颗粒物,裸地的土壤有机质仅有16.5g/kg,而小麦和雀麦地分别为17.4g/kg、17.7g/kg,分别比裸地提高近5.5%和7.3%。多重比较分析,裸地、小麦地和雀麦地的土壤风蚀量和土壤有机质含量间均存在显著差异。综合以上,种植雀麦对于抵抗土壤风蚀和提高土壤养分具有很好的效果。
4讨论与结论
秦王川地区四季气候变化起伏较大,风蚀危害主要表现为秋末较强,冬季较小,春季又增强的模式,这一现象已成为制约当地农业发展的一大重要因素。造成这一现象的原因主要是由于秦王川地区气候干旱,秋末冬初时蒸发量远远大于降水量,地表干燥,且秋末冬初时当地常刮西北风;进入冬季后,气温逐渐降低,土壤被冻结,大风天气减少;春季,随着温度升高,土壤解冻,表层土壤干燥度增加,加之农田耕作需要,对耕地翻松种植作物,以及秦王川地区地势平坦,春季多风,致使扬沙、浮尘等自然灾害使表层土壤在春季更易风蚀化。彭佳佳等在研究川西北沙化草地时发现,植被的盖度和高度会随着生态修复年限的增加而明显提高。就风蚀总量来看,该试验区未种植作物的裸地风蚀量可達1.7kg/m2,即在耕地裸露的情况下,一个风蚀季节就会刮走近1.3mm的表土(土壤容重按1.3g/m3计算),说明该地区的风蚀危害是很严重的。
土壤作为陆地生态系统重要的组成部分,植物强烈地影响着大气圈与土壤圈之间的能量传递和转换,因而也成为影响土壤风蚀最活跃的因素之一。以往研究发现,植物覆盖可减少土壤风蚀,且这种有效、经济的措施很早就被重视。从本试验研究可以发现,种植雀麦可以增大对地面的盖度,大大提高地表粗糙度,有效减少风对地面的直接吹蚀,在此种优势下,雀麦所在的样地可以充分保持土壤湿度,进一步提高了土壤含水率,增大了水分子与土壤颗粒之间的拉张力、颗粒之间的内聚力,同时也使位于地表的沙粒启动风速有了明显提高,从而提高了土壤对风蚀的抵抗作用,由图3b可以看出,随着风蚀量的减少,土壤有机质含量呈上升趋势,尽管此次试验只测定了一年的土壤风蚀量与有机质含量的变化,可以预见随着种植牧草时间的延长,这种效果将会越加明显。
综合以上,在风蚀季节,秦王川灌区裸地的风蚀量和有机质流失量均为最大,种植雀麦可显著减少耕地土壤风蚀危害,减少土壤有机质流失。