甘肃河西地区保护性耕作对土壤风蚀的影响

严长庚，王立，杨彩红，伏星舟

(甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070)

风蚀(wind erosion)是由于风的作用使地表土壤物质脱离地面被搬运的过程以及气流中的颗粒物对地面的磨蚀作用，其过程复杂，且受诸多因素影响，包括自然因素和人为因素，其风况、植被盖度、地表粗糙度以及土壤质地为主要自然因素，人为因素中土地翻耕、过度放牧及樵采最为主要[1]，发生区域主要集中在地球表面的干旱、半干旱地区.国内外对风蚀的研究，也经历了不同的时期，国外对风蚀的研究，可以追溯到20世纪30年代以前，此阶段对风蚀的研究，多以考察为主，其研究较为简单，但却为以后的研究提供了依据.1911年Free[2]对风在土壤中的移动用“跃移”和“蠕移”来表述；到20世纪30年代至50年代，科学家对风蚀开了定量的研究，Bagnold运用流体力学原理，促使了“风沙和荒漠沙丘物理学”理论体系[3-8]形成，并进一步促进了风蚀的研究；到20世纪70年代，Woodruff和Siddoway建立了第一个田间风蚀量的模型WEQ[9-11]，到20世纪80年代，研究形成的风蚀模型及预测系统，主要有：WEPS(风蚀预报系统)、RWEQ(修正风蚀方程)、TEAM(得克萨斯侵蚀分析模型)等[12].我国土壤风蚀的研究于20世纪50年代，从50年代至70年代，对风蚀的研究结果最具代表性的属《中国沙漠概论》[13]等著作的发表；20世纪80年代以后，我国对风蚀的研究从定性到风洞试验的定量及半定量转变，并形成了北方干旱、半干旱地区土地荒漠化的指标体系[14-16].

在我国土壤风蚀的面积占国土总面积的50%以上，且主要集中在北方地区，旱作农田区尤为严重[17].以防止农田土壤风蚀的保护性耕作也随之出现，而对于保护性耕作的定义，在国际上却有所差异.在国外以作物秸秆覆盖的多少来判定是否为保护性耕作，只有秸秆覆盖度超过30%即为保护性耕作，如：免耕、覆盖耕作等，在15%～30%(少耕)之间，则不属于保护性耕作[18].我国幅员辽阔，种植方式多样化，保护性耕作技术应用较为广泛，其概念并不完全相同，张海林[19]依据我国国情重新定义了保护性耕作，主要内容包括少耕、免耕等一系列配套措施,以减轻农田土壤侵蚀,保护农田生境为目的,进而获得生态效益、经济效益及社会效益协调发展的可持续农业技术.对于保护新耕作对农田土壤风蚀的研究，其结果不尽相同，杨彩红等[20]的研究表明，保护性高耕作措施相较于传统耕作可平均降低土壤风蚀速率20%～40%；赵云等[21]的研究表明，直立残茬对农田土壤风蚀有减弱作用；刘振东等[22]的研究表明，在同等覆盖条件下，秸秆覆盖的防风效果优于砾石覆盖；王丽学等[23]的研究表明，保护性耕作对减少土壤风蚀量具有重要作用,其中全覆盖留茬5 cm下的防风蚀效果最佳；范清成等[24]的研究表明，小麦留茬和小麦秸秆覆盖对土壤风蚀具有减弱作用.

第1次全国地理国情普查公报中显示，全国99.20%的荒漠与裸露地分布在西部地区，而地处中国西北内陆的河西走廊，54%以上的土地上是沙漠、戈壁以及荒漠化土地，其生态环境脆弱，农田土壤风蚀也尤为严重.该地区春小麦种植面积较大，以传统的铧式犁耕作为主，经过春季机械整地，细碎的土壤表土在西北风的作用下，极易形成风沙天气.本试验，采用免耕及免耕留茬30 cm的保护性耕作措施，在风洞实验室模拟不同耕作措施下土壤风蚀状况，揭示了保护性耕作措施的防风蚀效益，同时为该地区如何防止农田土壤风蚀提供依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

甘肃河西地区，位于祁连山以北，合黎山以南，乌鞘岭以西，主要地貌类型为绿洲、戈壁、沙漠.该地区降水稀少，年降水量仅为36～180 mm，年蒸发量高达1 500～3 360 mm，气候干燥，属于典型的温带大陆性荒漠气候；主要风向为西北风，年均风速1.8～5.1 m/s，风沙活动集中在 3～5月份；土壤以棕漠土、灰棕漠土、灰漠土为主，农田土壤为灌漠土；该地区保护性耕作措施较为单一，主要为覆膜留茬免耕.试验区位于甘肃省武威市凉州区黄羊镇甘肃农业大学武威绿洲试验站，该地区地处河西走廊东端(N 37°23′～38°12′，E 101°59′～103°23′)，属典型的温带大陆干旱气候，具有干旱少雨、日照充足、昼夜温差大等特点.区域年平均气温7.7℃左右，年均降水量100 mm，年蒸发量2 020 mm；平均昼夜温差7.9 ℃，气温以7月最高，为29 ℃，1月最低，为-14.9 ℃，主害风为西北风，静风率26%，无霜期150 d左右，日照时数2 873.4 h，日照百分比为67%,太阳辐射量为138.45 kcal/cm2，属太阳辐射量高值区.试验区田间土壤类型为沙壤土，有机质含量13.75 mg/kg,全氮含量0.73 mg/kg,有效磷含量12.8 mg/kg,起沙风7.9 m/s.

1.2 试验设计

该实验由田间试验和室内风洞模拟试验2个部分组成，开始于2015年9月，时长为4 a.

田间试验设置如下：设置2种耕作模式(传统耕作、免耕)，且每年施行轮作制度，共有8各处理，每个处理3个重复,具体设置如下：CT-W/C(传统单作小麦/玉米)、NT-W-30 cm/C(免耕单作小麦留茬30 cm/玉米)，面积391 m2；CT-W/C(WR)(传统单做小麦/玉米,作物收获后复种冬油菜)、NT- W/C(WR)(免耕单作小麦留茬30cm/玉米,作物收获后复种冬油菜)，面积391 m2；CT-In-W*C/C*W(传统间作小麦/玉米)，其中小麦带长34 m,宽1 m，共5条；玉米带长34 m,宽1.2 m，共5条；NT-In-W-30 cm *C/C* W-30 cm(免耕间作小麦留茬30 cm/玉米)，其中小麦带长34 m,宽1 m，共5条；玉米带长34 m,宽1.2m，共5条.试验田总面积为68 m×36 m=2 448 m2(3.7亩)，传统耕作深度为30 cm，免耕模式下的小麦在收获后留茬30 cm，次年每个处理作物进行轮作(如：C/W→W/C)，第1次试验于2016年3月开始.种植作物小麦品种为‘永良4号’，玉米品种为‘先云335号’，冬油菜品种为‘陇油6号’，小麦播种时间为3月28号，玉米播种时间为4月15号，冬油菜播种时间为作物收获后，试验田均采用滴灌模式，地膜宽度为1.2 m.

本次风洞试验取样在来年春季返青之前(2017年3月18)，取体积为30.5 cm×20.5 cm×10.5 cm(长×宽×高)的原状土带至实验室测定.

1.3 试验方法

3～5月份是河西地区风力侵蚀的主要发生时间段，故本次土壤样品在2017年3月18号采集，采集的每个样品均保存于纸箱之中，尽可能的减少原状土及作物残茬的破坏，风洞试验于2017年3月20号在中国科学院沙漠与沙漠化重点实验室进行，该风洞是直吹闭口式，风洞洞体全长38 m，试验段长度为21 m，截面积1.2 m×1.2 m，边层厚度为50 cm，由动力段、整流段、供沙装置、试验段及扩散段组成，其结构如图1所示：

图1 风洞示意图Figure 1 Schematic diagram of the wind tunnel

试验时，进风口风速，依据气压和气温,用数字式微压差计系统进行调节.土样的位置距实验段入口下风向11.5 m，集沙仪放置于样品后57 cm处，样品表面与风洞底部齐平,集沙仪底端也与风洞齐平.模拟风速依次为6、10、14、18、22 m/s，吹蚀时间依次为15、12、10、8、5 min，吹蚀前及吹蚀后样品质量均用感量为0.1 g的电子天平称质量，然后计算出风蚀量.

1.4 统计与分析

采用SPSS 23.0对风蚀数据进行回归模拟，确定函数模型；用Origin2016进行作图.

2 结果与分析

2.1 不同处理对风蚀量的影响

由图2可知，总体变化为，8个处理下的，风蚀量随风速增大而增大，且CT-W(WR)风蚀量最高，达到了51.1 g，NT-W-30 cm最低，二者相差42.2 g.NT-W-30 cm、NT-W-30 cm(WR)、NT-In-W-30 cm风蚀量均低于相应的传统耕作，依次为1.5、87.8、59.3 g，且NT-W-30 cm(WR)最低，而NT-In-C结果却与之相反，较比传统耕作高1.5 g.当风速在6～14 m/s内，除CT-W(WR)外，其他处理风蚀量增加缓慢；当风速超过14 m/s(等同于自然界7级疾风)，除NT-W-30 cm、NT-W-30 cm(WR)、NT-In-W-30 cm外，其他处理，随风速增大，风蚀量急剧增大，且逼近于线性增加；在同等风速条件下，吹蚀时间相同，除NT-In-C风蚀量高于传统耕作模式外其他处理均为免耕低于传统耕作.为进一步探索风蚀量(Q)与风速(V)的关系，利用非线性回归方程对每个处理的风蚀量与风速进行拟合,得到表1的结果，发现风蚀量与风速呈幂函数关系，这一结果与哈斯[25]等人在河北坝上地区的研究结果相同.

图2 不同处理下的风蚀量Figure 2 Wind erosion under different treatments

处理Treatments回归方程Regression equationR2CT-WQ=0.085V1.7501.0NT-W-30 cmQ=0.226V1.4060.906 1CT-W(WR)Q=1.863V1.0701.0NT-W-30 cm(WR)Q=0.737V1.0660.999 1CT-In-WQ=0.294V1.5440.979 1NT-In-W-30 cmQ=0.006V2.3420.983 2CT-In-CQ=0.683V1.2290.998 1NT-In-CQ=0.577V1.3270.997 2

2.2 不同处理风蚀速率与风速的关系

土壤风蚀速率作为划分土壤风蚀强度的唯一指标，对该值的测定具有重要意义.由图3可知，除NT-In-C外，土壤风蚀速率随风速的变化均为免耕低于传统耕作当风速由6 m/s增加至14 m/s，8个处理风蚀速率增加较为缓慢；当风速超过14 m/s，NT-In-C及传统耕作处理下的风蚀速率急剧增加.从平均风速来看，CT-W(WR)风蚀速率最高，NT-In-W-30 cm最低，二者相差48.67 g/(m-2·min)，除NT-In-C风蚀速率较免耕模式下高4.64 g/(m-2·min)，其他处理CT-W、CT-W(WR)及CT-In-W均高于相应的免耕模式，其值依次为：1.26、41.19、32.38 g/(m2·min).由此可看出，风蚀是一个复杂的过程，受诸多因素影响.

图3 风蚀速率与风速的关系Figure 3 Relationship between wind erosion rate and wind speed

2.3 不同处理下的防风蚀效益

由表3可知，6 m/s风速条件下，保护性耕作较传统耕作防风蚀效果非常显著，其中NT-In-W-30 cm最高，达到了1 380.0%，NT-In-W-30 cm最低；随风速增大，各个处理变化不一，其中NT-W(WR)、NT-In-W-30 cm较相应的传统耕作，风蚀效果降低明显，且免耕间作模式效果较NT-W(WR)效果更优；NT-W-30 cm较CT-W，防风蚀效益随风速增大先降低后升高；而NT-In-C较CT-In-C，随风速增大，风蚀效果愈显著.

3 讨论

土壤风蚀的大小，主要取决于2个方面：风力和下垫面抗风蚀能力[26].自然界风力是不可控因素，减轻土壤的风蚀，只能依靠提高下垫面的抗蚀能力，而下垫面抗蚀能力主要有土壤理化性质、地表粗糙度等组成.在旱作农田区，通过提高地表粗糙度的方式，来影响风速廓线，进而减轻农田土壤风蚀的方法显得尤为重要.不同的耕作方式，防风蚀效应也不同，较传统耕作，保护性耕作措施减轻了对土壤表层土的扰动，进而抑制风蚀，同时，作物残茬可减弱风速.杨彩红等[20]的研究表明，14 m/s是农田土壤风蚀加剧转折点，当超过该风速，风蚀速率降低明显，这一结论与本文研究结果相一致.赵永来等[27]的研究结果表明,作物残茬对风蚀有减缓作用；李菁菁等[28]的研究表明，免耕秸秆覆盖较传统耕作，防风蚀效益更优；杨阳[29]的研究表明,农田留茬可显著改变近地表(0～20 cm)处风场结构，防风蚀效能提升10～20%.本研究中，由于免耕模式下小麦有留茬30 cm、冬油菜也存在一定的残茬，其对风速有一定的减缓作用，因而风蚀量也随之减小，其防风蚀效应自然加强，风蚀速率，也随之降低，与上述观点相吻合.包洪涛等[30]的研究表明，种植作物不同，防风蚀效果不同.本文中，免耕间玉米与留茬小麦相比，其风蚀量及风蚀速率结果相反，原因之一便是种植作物不同.高婕等[31]的研究表明，带状间作留茬可增加土壤有机碳含量，其作物秸秆也增加了土壤碳源.对间作玉米而言，免耕间作玉米风蚀量高于传统间作玉米，其原因可能是，由于施行轮作制度，免耕间作玉米是在前一年留茬30 cm的免耕小麦基础上进行种植，其小麦秸秆的分解会增加土壤里有机质的含量，风蚀量也随之增加，加之玉米在生长季需要人工锄草，由于人为因素对增加了对土壤的扰动，进而使风蚀量增加.

表3 保护性耕作的防风蚀效益

综上所述，保护性耕作措施在减轻了对土壤表层土的扰动的同时，增加了下下垫面粗糙度，同时提高土壤抗蚀性；免耕留茬，通过改变近地表风场结构，进而降低风速，风蚀量随之间小，风蚀速率亦如此，相比传统耕作，防风蚀效益也随之提高.

4 结论

1) 土壤风蚀量随风速增大而增大，且二者为幂函数关系.风速在14 m/s以内，风蚀处于缓增区，当风速超过14 m/s，土壤风蚀量增加，风蚀也愈烈，因此14 m/s是随风速增加，风蚀量急剧增加的转折点.

2) 风速在14 m/s以内，风蚀速率处于缓增区，当风速超过14 m/s，风蚀速率急剧增加，较免耕，传统耕作增加更快.

3) 6风速条件下，保护性耕作较传统耕作防风蚀效果非常显著；随风速增大，NT-W(WR)、NT-In-W-30 cm较相应的传统耕作，风蚀效果降低明显.