农田土壤风蚀防治技术研究进展

杨 宇，高 永，袁立敏，张 帆，石国青，陈家欢

(1. 内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特010011； 2. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古 呼和浩特010010； 3. 内蒙古自治区林业和草原局综合保障中心，内蒙古 呼和浩特 010010； 4. 内蒙古自治区林业监测规划院，内蒙古 呼和浩特010020)

土壤风蚀主要是指在风力作用下土壤表层发生剥蚀、分选、搬运，造成风蚀地块土壤细颗粒物流失，并导致土壤沙化、肥力下降、结构性差等土地退化现象[1]。土壤风蚀在我国北方沙质草原、沙地沙漠、农田经常发生，其中，农田土壤风蚀不但造成耕地质量下降，还会导致土壤中肥料、农药、重金属等残余及土壤细颗粒物质直接进入大气、水体等，严重污染周边生态环境。对此，我国出台了一系列耕地风蚀防护政策，并成立了耕地保护专家组，强化农田保护性耕作技术研究和应用，并以政府补贴的方式扩大实施面积[2]。因此，开展农田风蚀防治技术的研究对农业高质量发展、环境保护等具有重要的现实意义。目前，我国农田土壤风蚀防治技术的研究还在发展上升阶段，学者们利用风洞试验、野外原位监测等手段，对影响农田土壤风蚀防治的主要因素、防治技术效果等进行相关研究。本文总结了我国当前农田风蚀防治技术的研究进展，阐述了保护性耕作措施、机械措施、生物措施、化学措施4种类型的固沙效果、应用局限与使用前景，综合分析了在防治过程中存在的问题与今后的重点研究方向。

1 风蚀防治相关内容文献统计分析

1.1 数据来源

基于中国知网数据库，分别以“农田”并含“风蚀”并含“防治”、“耕地”并含“风蚀”并含“防治”、“保护性耕作”并含“风蚀”、“农田防护林”并含“风蚀”等为关键词检索农田土壤风蚀防治技术研究公开发表的文献，对检索结果去重、整理、删除期刊、书评、科研机构介绍等内容，最终得到文献452篇。文献检索截止时间为2019年12月。基于CiteSpace软件与Excel对关键词、文献数量等数据整理分析并进行归纳总结。

1.2 技术研究热点发展情况

通过CiteSpace软件统计文献关键词的分布情况，将出现频次较高的关键词定为每年的重点词汇，其频次是由关键词出现最早年份开始累加而得。从关键词分析结果可以看出，我国农田土壤风蚀防治的研究地区主要为农牧交错带、沙漠化地区、河北坝上、旱作农田等地区。从2000年起开启了保护性耕作措施治理农田风蚀的热潮，2000—2005年间主要基于农牧交错带沙漠化、风蚀、沙尘暴、土壤风蚀、沙尘源的保护性耕作技术等内容，该时期有关农田风蚀的关键词较少，但对后期具有重要的指导意义；2006—2012年间研究内容逐渐增多，研究区有河北坝上、旱作农田、农牧交错区，农田风蚀防治措施逐渐增多，主要包括带状间作、秸秆覆盖、农业机械、植被覆盖、秸秆残茬覆盖、砾石覆盖、留茬、带状留茬间作、农田防护林及种植冬油菜等，研究方式主要为室内实验、风洞试验，研究指标有风蚀量、输沙量、粗糙度、抗风蚀效率、土壤性质等；2013年至今主要的指标关键词为土壤养分、风蚀速率等。

通过表1中的关键词可以看出，对于农田土壤风蚀防治技术的研究绝大多数是从保护性耕作技术演变而来，衍生而来的防治技术多具备操作简便、就地取材、节能环保等特点，如基于地形、气候与实际生产关系的风障、环保型生物措施的结皮及种植冬作物等措施，化学固沙措施在农田的实施较为少见。

表1 农田土壤风蚀防治技术研究关键词Tab.1 Key words of soil wind erosion control technology in farmland

2 农田土壤风蚀防治技术研究

我国农田土壤风蚀区主要分布在干旱、半干旱地区，风蚀时间多发生在农田休耕期，除了与当地降水、风速等气象因子有较大相关性外，不同的耕作方式也是土壤风蚀差异的主要原因[3]。所以，结合荒漠化防治技术等相关理论，将农田土壤风蚀防治技术分为保护性耕作措施、机械措施、生物措施、化学措施等4类[4]。

2.1 保护性耕作措施防治技术

保护性耕作是指通过少耕、免耕、地表微地形改造技术及地表覆盖、合理种植等综合配套措施，从而达到减少农田土壤侵蚀、改良土壤、增产创收的效果。在农田土壤风蚀防治技术检索的基础上对“保护性耕作”并含“风蚀”进行二次检索共得文献302篇，通过关键词聚类分析可知，保护性耕作防护措施围绕作物秸秆的不同处理方式进行了不同层次的探索，其研究热点频次依次为：秸秆覆盖、带状间作、残茬覆盖、免耕等。

留茬是农作物收割后在地表留下的短茎和根，具有较好的防治土壤风蚀作用。在留茬设置时，其密度、高度、种类等参数是影响抗风蚀能力的重要指标。不同密度、高度的留茬会对过境风沙流产生不同的抑制效果。相关研究结果表明，随着留茬高度的增加地表粗糙度随之增大，风蚀量、近地表风速随之降低[5]；随着留茬密度(即留茬生物量)的增加其防护作用也增强，通过回归模型计算得出玉米留茬高度为 33.9 cm、留茬密度为 4 255.7 kg·hm-2时风蚀量最小，仅为 0.42 t·hm-2[6]，作物留茬高度与密度两者作用相辅相成，缺一不可[7]。同时，在相同的留茬模式下，不同的留茬作物其抗风蚀能力也各不相同，小麦留茬抗风蚀效率要优于玉米留茬[8]；防风蚀能力是草谷子大于油菜，油菜大于莜麦[9]。另外，地下根系与土壤接触部分增强了地表的紧实度，增加了土壤抗冲击力，随着土壤中根系的增加风蚀速率随之减小[10]。

间作指在同一生长期内按行或带方式种植有留茬和无留茬作物，采收后形成留茬带进行风蚀防治。主要是通过留茬带对裸地进行保护，赵沛义等[11]研究认为留茬带宽5 m对风蚀的降低效果最好；不同留茬带宽均对周围3 m内的裸地有较好的防护效果，且留茬带的高度、密度应遵循前文留茬地的设置，留茬带设置的高度过低、密度过小均会削弱带间裸地的防护效果。妥德宝等[12]研究表明留茬带间距控制在 8.4 m内风蚀量可降低 42.2%～68.3%。留茬带方向与主害风方向垂直，防风蚀效果更好[13]。

垄作改变地表微地形，增加地表粗糙度，有效抑制土壤风蚀[14]。最早Donald[15]的研究表明利用耕作措施形成垄高63～254 mm的粗糙垄沟和地表可以减少 90% 的土壤损失。刘目兴等[16]通过对比几种不同结构垄作的抗风蚀速率，得出：在相同风速下垄脊高度与垄顶距的比值越大抗风蚀速率越强。微地形的改变直接影响着近地表气流的运动，进而减小风蚀。杨秀春[17]通过翻耕、深松、起垄等不同耕作技术，得出：地表微地形的改变使得 0.05 m处风速脉动较弱，在风沙流经过时与传统耕作比较其抗剪切力有所提高并且垂直于主风向的土垄可以有效地降低土壤风蚀，平行于主风方向的土垄则加速土壤风蚀。

秸秆覆盖是指将有机物直接覆盖于农地上形成土地保护层，从而起到保护作用。Fryrear[15]分析证明了秸秆覆盖对风蚀的削弱效果主要与其覆盖度息息相关，随着覆盖度的增加能有效地减少风蚀。孙乐乐[18]研究得出 20% 的玉米秸秆覆盖度在12 m·s-1风速下，抗风蚀效率可达 64.43%，40% 的覆盖度抗风蚀效率可达 74.59%，60% 的覆盖度抗风蚀效率可达 79.67%。

保护性耕作在抑制农田风蚀的同时更是保护土地肥力、改善环境的有效方法。冯晓静等[19]在研究保护性耕作抑制土壤风蚀过程中发现，在有效抑制土壤风蚀的同时减少了土壤中有机质、全氮、全磷、全钾的流失，并对细颗粒物质PM10的释放也有较好的抑制作用。这与闫小丽等[20]研究得出的保护性耕作具有防风固土、蓄水保墒、培肥地力、节本增收的结论一致。

目前保护性耕作措施是农田风蚀防治技术的研究热点。作物秸秆有机废弃物数量较多，秸秆还田技术并无普适作用，在生产实践中间作留茬难收割并影响经济收益也是其存在的问题。与此同时，秸秆抑制种子生长并易引发各类病虫害。因此，优化保护性耕作措施迫在眉睫。

2.2 机械措施防治技术

机械措施主要通过物理措施降低风速、增加地表粗糙度、提高临界起动风速来防治风蚀，是风蚀防治的基础措施，适用范围广，可选用材料多，方法多样。在农田土壤风蚀防治技术检索的基础上对“砾石覆盖”并含“风蚀”、“地膜覆盖”并含“风蚀”、“砒砂岩”并含“风蚀”进行二次检索共得文献75篇。通过关键词聚类分析可知，机械措施防治技术围绕着物理覆盖、风障等进行了不同层次的探索。其研究热点频次依次为：砒砂岩、砾石覆盖、生物篱、地膜覆盖等。

砒砂岩覆盖，其原理在于运用难蚀性颗粒对易蚀性颗粒的遮掩、保护作用。赵宣等[21]研究结果表明1∶1的复配土粘聚力最大，能有效降低风蚀量并改良沙质土壤增加耕地面积、增强土壤肥力。

砾石覆盖。孙悦超[22]通过风洞试验研究得出：砾石覆盖度是影响风蚀的主导因素，随机铺设的砾石，当覆盖度达到 28% 时可有效抑制风蚀，在铺设过程中可忽略砾石大小的影响[23-24]。

生物篱是风障的一种形式，主要采用农田作物的根茬、树木等。高矮搭配种植的作物篱能有效地降低风速，产生涡旋，消耗气流能量，改变气流特性。赵沛义[25]研究得出生物篱可以有效防治l～5 m左右距离的裸地。生物篱与留茬、高矮作物间作双重作用会起到更好的防护效果。刘晓光等[26]试验结果表明，在近地面(距地面5 cm)生物篱可降低 81.25% 的风速、减少 53.96% 的风蚀量，可有效防治篱高5倍的范围，随着距离的增加保护效果也随之增加，超过5倍范围后保护效果则下降。

地膜覆盖。王晓光等[27]研究得出与主风向垂直的地膜覆盖比平行地膜覆盖更有助于防治风蚀。地膜覆盖缺点在于其材质容易破损，破损后会加速风蚀的形成，进而会污染环境[28]。

葡萄枝条风障是葡萄冬剪后枝条悬挂在铁丝上形成的风障。此防护措施疏透度均为通风型(0.58)，在1 m高度处途经风障后的风速较旷野风速值减小 84.20%，防风效能达 80.72%[29]。

综上所述，机械措施实施过程较为繁琐，特别是在春耕时对农田的整理。对于材料的选择较为多样性，但为了防止在治理风蚀的同时对土地产生二次污染，建议选择环保型材料。

2.3 生物措施防治技术

生物措施主要是通过植物治沙，利用地上部分阻拦沙粒，再通过植物本身特性使地表生成结皮，改变土壤性质，从而起到防风治沙效果。在农田土壤风蚀防治技术检索的基础上对“农田防护林”并含“风蚀”、“冬作物”并含“风蚀”进行二次检索共得文献82篇。通过关键词聚类图谱分析可知，生物措施防治技术围绕农田防护林与种植冬季作物等进行了不同层次的探索。其研究热点频次依次为：农田防护林、冬小麦、冬油菜、防风固沙林等。

防护林措施。农田防护林具有改善农田小气候、农作物增产和防风阻沙的作用。影响防护林效果的主要因素有疏透度、树种类型、配置等。杨阳[30]通过研究不同疏透度防护林的防风效能，得出疏透型防护林防风效能可达 17.64%，通风型防护林阻挡不住气流起不到防风作用，紧密型防护林会将气流抬高，风得不到有效的削弱。封斌等[31]通过试验得出对于风速不大的灌溉区适合建设通风结构的乔木防护林。狄伟佳等[32]主要研究树种的选择与配置问题，研究得出乔灌木混交林带防风效果最好并选择生长稳定、经济价值高的树种为主要造林树种。任中兴等[33]研究得出林网内3H～5H处的防风固沙和增产效应最好。农田防护林始终处于三北防护林体系最优先发展的地位，足以看出农田防护林的有效性和重要性。

种植小麦、苜蓿和油菜等越冬覆盖作物，是农田闲置时期免受风蚀危害的优选作物。冯瑞[34]测试了在秋收之后种植冬小麦的抗风蚀能力，结果表明冬小麦的种植使起动风速增加到了10 m·s-1，较旷野地区的起动风速增大了 38.9%，防风效果显著。后有研究者发现种植冬油菜也具有防治农田风蚀的效果[35]。种植冬作物的缺点在于对于温度和水分都有较高要求，Lewis等[36]在试验中指出由于小麦在生长中吸收了土壤部分的营养物质，进而导致有小麦保护的农田收入低于传统耕作的农田收入。

综上所述，生物防治技术具有经济、持久的防治风蚀效果。但其对物种与地域环境都有较高的要求，并且很难在较短时间内见到成效。

2.4 化学措施防治技术

化学措施是将化学制剂喷洒到土壤表面，形成保护层或结壳从而固定风蚀物。主要运用无污染、低成本、有黏着力的物质使土壤颗粒物更具有团聚性，并形成硬壳、结皮，从而减少土壤风蚀。在农田土壤风蚀防治技术检索的基础上对“化学固沙”并含“农田”进行二次检索共得文献20篇。通过关键词聚类图谱可知，化学措施防治技术围绕高分子材料固沙液为材料等进行了不同层次的探索。其研究热点频次依次为：固沙剂、高分子材料等。

化学固沙材料十分丰富，而多数固沙材料具有污染性，不利于植物生长，不宜在农田内实施。而沙蒿胶是一种从植物中提取的高分子材料，有溶于水、可食用的安全性。刘军[37]的研究结果表示喷洒质量分数为 0.2% 的沙蒿胶固沙效果较好。李玉领[38]研究表明喷洒质量分数为 0.1% 沙蒿胶与浓度为20 mg·L-1微藻的混合溶液具有比单一喷洒沙蒿胶更好的固沙效果与更优的出苗率。

化学措施防治技术逐渐向环保型固沙方向转变，功能多样化。为此，效果快、性能好、环保型、适宜耕种的经济型农田固沙剂指日可待。

3 农田土壤风蚀防治技术存在的问题

近年来农田土壤风蚀问题备受重视，农村农业部、科学技术部、国家自然科学基金委员会等相继启动了保护性耕作计划与农田土壤风蚀防治项目，大大促进了农田土壤风蚀防治技术的发展。但是，在我国农田土壤风蚀与防治技术中尚存在如下问题：

(1)我国土壤风蚀监测方法较为基础，难以满足国家及区域风蚀长期监测的需求。对于农田土壤风蚀程度的判定缺少较成熟的监测标准，不利于国家及地区差异化管理，导致防治技术实施过于保守或过于宽松。

(2)农田土壤风蚀防治技术发展存在明显局限性。如保护性耕作措施较适用于东北地区有留茬作物，机械措施现场实施操作性难，生物措施对温度和水分要求高，化学措施材料的安全性有待考量。对于作物种、材料、气候以及实施方式均缺乏普适价值，难以有效地对农田进行保护。

(3)农田土壤风蚀防治技术的推广与应用环节薄弱，国家应从生态环境、生产健康、经济效益等多方面综合能力进行宣传，确保风蚀防治技术的有效推广。

4 研究展望

防治农田土壤风蚀，保证粮食产量，提升生态环境是我国生态文明建设的重大战略需求。我国农田土壤风蚀防治应针对风蚀的不同程度进行治理，并提高防治理论和技术创新，建立多学科融合治理技术。

建议未来重点研究方向如下：

(1)提升土壤风蚀监测技术，为防治技术应用提供有利依据与保障。开展基于智能拍照和互联网相结合快速处理风蚀情况的方法、土壤风蚀对生态与健康多领域的风险评估、土壤风蚀与土壤环境安全指标的结合、土壤风蚀智能监测系统的创建等相关方面的研究。

(2)环境友好型、低成本、高效性的土壤风蚀防治技术亟待增加。加强农田风蚀防治新材料的优化及研发；基于多学科、多领域交叉的综合防治技术研发与应用；保护性耕作与生物措施综合配套实施等。

(3)加强相关政策落实，是农田风蚀防治的根本保障。增强耕地保护及风蚀治理的政策宣传；提高生产经营能手帮扶力度；提升风蚀防治的机械能力；以宣传、指导、使用相结合的手段对重点风蚀区域开展治理。