玉米秸稈殘茬高度對土壤風蝕的影響

玉米秸稈殘茬高度對土壤風蝕的影響

植被在預防和控制土壤風蝕方面的作用已經(jīng)被認識到。國內(nèi)外許多農(nóng)業(yè)科學家和氣候?qū)W家對這一點進行了研究，得出了一致的結(jié)論。但關(guān)于作物的秸稈殘茬減少農(nóng)田土壤風蝕及揚沙效果的研究并不多見。本文使用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學研制的移動式風蝕風洞,通過對不同殘茬高度的農(nóng)田地表進行原位試驗,測量不同殘茬高度地表的起沙風速、風蝕量、風蝕產(chǎn)物的空間分布等,定量化地研究作物的殘茬高度在防治土壤風蝕方面的效果,揭示土壤風蝕量隨殘茬高度的變化規(guī)律,提出防治土壤風蝕的秸稈殘茬高度的參數(shù)指標。1材料和方法1.1試驗區(qū)地區(qū)概況在保護性耕作防治土壤風蝕和沙塵暴效應試驗區(qū)的選擇上,應充分考慮以下三個條件:一是當?shù)卮嬖趪乐氐霓r(nóng)田土壤風蝕;二是在試驗區(qū)內(nèi)具有能夠滿足防治土壤風蝕及沙塵暴試驗研究的不同地表;三是從應用的角度,應具有經(jīng)濟建設和社會發(fā)展兩方面的現(xiàn)實意義?；谝陨峡紤],本研究的試驗區(qū)選在內(nèi)蒙古自治區(qū)武川縣。該試驗區(qū)是多個保護性耕作和風蝕試驗的場所,各種資料較為齊全,便于比較。武川縣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部、陰山山脈的北麓,土地面積4885km2,海拔1500～2000m,地處冷涼風沙農(nóng)牧交錯帶。氣候特點為春季干燥、季風強烈,夏季短促、降雨少,冬季寒冷漫長;年均氣溫2.5℃,降水量360mm左右,無霜期110d左右,年積溫2100℃。土壤以栗鈣土、灰褐土、石質(zhì)土為主,沙性較重;主要農(nóng)作物有小麥、莜麥、馬鈴薯、菜籽等,適宜栽培一年一熟小日期農(nóng)作物。全縣總?cè)丝?7.1萬人,其中農(nóng)業(yè)人口14.4萬人,農(nóng)民人均年收入1200元左右,是典型的國家級貧困縣。經(jīng)濟結(jié)構(gòu)是以農(nóng)為主、農(nóng)牧結(jié)合;有耕地14.32萬hm2,其中旱地13.6萬hm2,是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)1。1.2殘茬高度與試驗風速試驗地表為麥茬地,土壤以栗鈣土為主,沙性較重。保護性耕作的殘茬高度分別取10、20、30cm,試驗風速分別取6、9、12、15、18m/s。覆蓋率均為30%,風洞與壟向垂直布置。傳統(tǒng)對照組為秋翻麥茬地,殘茬高度為0,覆蓋率為0。1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換和測試系統(tǒng)本文所使用的0FDY-1.2移動式風蝕風洞是由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學研制的(見圖1)。風洞的全長為11.8m,其中試驗段長7.2m;截面寬為1.0m,高為1.2m;配套風機為出風口直徑1.4m的軸流風機,由40kW發(fā)電機組驅(qū)動;配套的測試裝置包括由皮托管、微差壓變送器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和計算機所組成的壓力、風速測試系統(tǒng)、風速廓線儀和旋風式集沙儀;配置的輔助功能部件有加沙器和人工大氣邊界層模擬裝置。風洞的風速在0～20m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。風洞各段之間易于連接和分離,實現(xiàn)了野外測試時便于移動和運輸?shù)墓δ?。該風洞的人工大氣邊界層調(diào)節(jié)裝置能將邊界層厚度從10cm增厚至96cm左右,并能將風速廓線調(diào)節(jié)至所需的形狀,實現(xiàn)了氣流邊界層的層厚和風速廓線的調(diào)節(jié)功能;旋風式集沙儀對于0.076mm以上粒徑的土壤懸浮顆粒的收集效率可達97%以上。本文中風速與風蝕量關(guān)系的野外風洞觀測主要是通過觀測不同風速下的風蝕量(10min內(nèi)單位寬度上的風蝕量)來實現(xiàn)的。風速為0.6m高程處的平均風速,集沙時間為10min。每次試驗結(jié)束后,分別取出每個集沙盒,采用0.01g靈敏度的電子天平對收集到的土樣稱重,計算每個集沙盒單位面積上的風蝕量,通過非線性回歸,分析0～70cm高度內(nèi)土壤風蝕量隨風速的變化規(guī)律。2結(jié)果與分析2.1風蝕量與高度的關(guān)系風蝕量與殘茬高度之間進行對數(shù)、冪函數(shù)、線性函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)的相關(guān)分析,結(jié)果表明,在不同殘茬高度以及不同的風速情況下,所測得的風蝕量隨高度的變化均遵循指數(shù)函數(shù)曲線,風蝕量與高度的指數(shù)函數(shù)關(guān)系的相關(guān)指數(shù)R2達到0.87以上,說明這一關(guān)系式能夠反映該高度范圍內(nèi)風蝕量垂直分布的實際狀況。如表1所示,其關(guān)系式如下:q=aebz(1)式中:q為各高度層風蝕量(g/cm2),z為氣流管中心距地表高度(cm),a、b為回歸系數(shù)。該方程是通過對不同殘茬高度以及不同風速采集的樣品進行分析的結(jié)果。表中風蝕量Q為采樣期間穿過1cm寬、從地表到70cm高垂直面吹蝕10min的風蝕量,其值是將q從0～70cm積分計算得出,積分式為:Q=∫700070qdz(2)2.2保護性耕作與土壤風蝕從表1和圖3、4可以看出,無論有無秸稈,在各個風速情況下,風蝕量均按照指數(shù)規(guī)律分布,說明沙量主要集中在近地表層內(nèi)。土壤風蝕量和揚起沙塵的高度隨風速的增加而增加,隨著作物秸稈殘茬高度的增加而降低。秸稈高度為0的傳統(tǒng)耕作,起沙風速為5.65m/s。當秸稈高度為10cm時,起沙風速為8.60m/s。風速分別為9、12、15和18m/s時,保護性耕作的土壤風蝕量分別為傳統(tǒng)耕作土壤風蝕量的54.5%、66.8%、65.5%和66.1%。當秸稈高度為20cm時,起沙風速為8.84m/s。風速分別為9、12、15和18m/s時,保護性耕作的土壤風蝕量分別為傳統(tǒng)耕作土壤風蝕量的25.8%、45.3%、47.2%和45.4%。當秸稈高度為30cm時,起沙風速為9.78m/s。風速分別為12、15和18m/s時,保護性耕作的土壤風蝕量分別為傳統(tǒng)耕作土壤風蝕量的29.5%、20.5%和21.1%。從上述數(shù)據(jù)可以看出,當秸稈高度一定時,降低風蝕量的程度與風速的大小關(guān)系不明顯。對不同風速下,殘茬高度與土壤風蝕量的關(guān)系進行進一步的分析,繪制如下圖形(圖5),其最佳的擬合曲線為線性(表2)。Q=az+b(3)由圖5和表2可以看出,當風速大于12m/s時,擬合直線與x軸相交于40cm附近,而當風速為12m/s以下時,只有微弱的土壤風蝕出現(xiàn),因此不作為研究的重點。由此可以推論:當作物的殘茬高度達到40cm時,土壤幾乎不發(fā)生風蝕。因此,在許可的情況下,應盡可能地保留40cm以上的作物秸稈殘茬。如果僅考慮降低風蝕量,那么留茬越高越好,但是,當?shù)匦←溋舨邕€需要考慮以下兩個實際問題。一是農(nóng)田肥力薄,小麥長勢較差,留茬太高會造成小麥收獲時漏穗;二是麥秸稈在當?shù)赜袑嶋H用途,可以用做牲畜飼料和燒火炕使用,因此農(nóng)民不習慣留高茬。綜上所述,本文認為在干旱、半干旱寒冷易沙化農(nóng)業(yè)區(qū)實施保護性耕作,在保留30%的植被覆蓋率時,農(nóng)田地表保留30cm高的秸稈殘茬,不僅可以有效地控制土壤風蝕及大風條件下的農(nóng)田地表起沙揚塵現(xiàn)象的發(fā)生,而且也照顧了當?shù)貙嶋H情況。30cm麥茬地表的風蝕量在風速超過12m/s時,平均風蝕量相當于傳統(tǒng)耕作地表的1/4左右。因此,建議在寒冷干旱易沙化的農(nóng)業(yè)區(qū)推行保護性耕作過程中,當植被覆蓋率為30%時,應使作物秸稈殘茬高度不低于30cm。3減少近地表土壤風蝕量的技術(shù)措施1)在距地表0～70cm高度范圍內(nèi),不同耕作體系土壤風蝕量和揚起沙塵的高度隨風速的增加而增加,隨著作物秸稈殘茬高度的增加而降低。且風蝕量與高度變化符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系,土壤顆粒主要集中在近地表層內(nèi)運動。2)保留作物秸稈殘茬的保護性耕作可以明顯地提高