北方農(nóng)牧交錯帶校園土壤風蝕防護作用研究

北方農(nóng)牧交錯帶校園土壤風蝕防護作用研究

0作物農(nóng)田土壤風蝕近年來，中國北方沙漠天氣給人們的生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大的破壞。中國科學院“關(guān)于我國華北沙塵天氣的成因與治理對策”報告得出沙塵暴的源區(qū)主要是旱作農(nóng)田,而不是沙漠的結(jié)論,致使科學界對沙塵暴發(fā)生源區(qū)的認識產(chǎn)生了轉(zhuǎn)變,人們逐漸意識到保護農(nóng)田對防治土壤風蝕的重要性,研究的重心開始向旱作農(nóng)田轉(zhuǎn)移。沙漠中塵粒較少,顆粒較大的砂粒只能近地蠕動或躍遷;能夠大量懸浮在空中并漂移到內(nèi)地的是塵粒,主要來自被風蝕的農(nóng)田土壤。北方農(nóng)牧交錯帶,由于馬鈴薯種植面積的不斷增加,致使冬春季節(jié)地表大面積裸露、造成表土疏松,而同期風大風多,降雪和降雨稀少,造成土壤嚴重風蝕,成為沙塵暴發(fā)生發(fā)展的主要源區(qū)之一,因此加強馬鈴薯等根莖類作物農(nóng)田土壤風蝕沙化及防治技術(shù)研究尤為迫切。國外研究表明,植被覆蓋可以有效抑制土壤風蝕,而且直立植被覆蓋減少風蝕的效果更好。借鑒國外的研究經(jīng)驗,國內(nèi)眾多學者在探索農(nóng)牧交錯帶旱作農(nóng)田風蝕規(guī)律的基礎(chǔ)上研究認為作物殘茬覆蓋可以大幅度減輕裸露農(nóng)田的土壤風蝕,不少學者以生物籬為研究對象,得出生物籬是能夠改變小氣候、植物和土壤環(huán)境,以致改變周圍氣流從而減輕風蝕的一種風障形式。筆者多年來在內(nèi)蒙古陰山北麓的風蝕研究認為,寬度控制在10m以內(nèi)的殘茬帶與等寬秋翻裸地間作對防治農(nóng)田土壤風蝕效果較好,帶寬大于10m后土壤風蝕率呈直線遞增,作物殘茬的防蝕作用將大大降低,本文針對這種情況以油用向日葵(以下簡稱油葵)稈為生物籬,并與草谷子茬為研究對象,采用風蝕圈和野外移動式風洞試驗的方法來探究冬春風蝕季節(jié)作物殘茬與油葵稈生物籬組合對間作裸露秋翻地的防護作用。1氣候變化對馬鈴薯生長的影響本試驗在內(nèi)蒙古武川縣境內(nèi)的內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院旱作農(nóng)業(yè)研究中心(41°08′22.8″N,111°17′43.6″E)進行。研究區(qū)域位于北方農(nóng)牧交錯帶的中段,是中國典型的半干旱偏旱農(nóng)業(yè)區(qū)。多年平均降水量僅有350mm左右,全年平均溫度2.6℃,年積溫2241~2900℃·d,無霜期90~120d,土壤為栗鈣土,質(zhì)地偏砂,無論氣候條件和土壤類型都適合馬鈴薯生長。由于土壤砂粒含量大,氣候干燥以及每年20d左右的大風和沙塵暴天氣,使這里面臨著嚴重的土壤侵蝕和荒漠化威脅,加上馬鈴薯種植和收獲需要深層翻耕,使大面積土壤長期呈疏松狀態(tài),加重了該地區(qū)的土壤風蝕沙化。2材料和方法2.1稻田各層土壤理化性質(zhì)為保證試驗區(qū)土壤質(zhì)地和粒級等理化性狀的一致性,盡可能減小試驗誤差,在試驗前一年春季作物播種前將整塊試驗田0~25cm耕層土壤全部用推土機推起,充分混勻后回填,馬鈴薯田塊收獲后耕翻整平,試驗區(qū)土壤為砂質(zhì)栗鈣土,利用ASI法測得的土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為8.6g/kg,比重法測定的土壤機械組成結(jié)果見表1。2.2土壤風蝕模數(shù)的原位測定主要采用在田間放置風蝕圈的方法來測定土壤風蝕量的變化,為進一步驗證田間試驗的結(jié)果,應(yīng)用野外移動式風洞裝置進行土壤風蝕模數(shù)的原位測定,由此定量分析油葵稈和草谷子茬及其組合對減輕土壤風蝕的作用。2.2.1田間布局特征田間試驗設(shè)4個處理:大面積秋翻裸地(裸地)、油葵稈生物籬+草谷子留茬+秋翻裸地(籬+茬+裸)、油葵稈生物籬+秋翻裸地(籬+裸)、草谷子留茬+秋翻裸地(茬+裸)。油葵種植帶寬約1m,共3行,株行距均為30cm,秋季收獲葵餅后保留油葵稈,平均高度68.6cm。秋翻裸地在馬鈴薯收獲后形成,草谷子收獲后留茬高度20cm,草谷子茬和秋翻裸地帶寬均為6m,長40m,呈帶狀分布。大面積秋翻裸地在100m范圍內(nèi)無任何遮擋物。該地區(qū)盛行西北風,所以作物種植方向為南北向,采用裂區(qū)設(shè)計,3次重復(fù),田間布局如圖1。土壤風蝕量于2007年10月21日-2008年4月19日利用風蝕圈法測定,重復(fù)3次。田間風速在大面積秋翻裸地和籬+裸地兩個處理利用PC-3型自動氣象站(錦州陽光科技發(fā)展有限公司生產(chǎn))每10s記錄1個數(shù)據(jù),測定時長為3min,然后取平均值作為測定風速。2.2.2油葵稈生物籬+裸地模式為證明油葵稈生物籬對間作秋翻裸地的保護作用,2008年4月27日利用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學研制的OFDY-1.2型野外移動式風洞進行原位測試,受風洞試驗段長度限制,試驗時只設(shè)計了有油葵稈生物籬保護的裸地(籬+裸地)和無生物籬保護的裸地(裸地)兩個處理,所用油葵稈取自內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院旱作農(nóng)業(yè)研究中心帶田生物籬營建技術(shù)長期定位試驗田,按照大田實際播種密度在風洞中設(shè)計3行油葵稈,株、行距均為30cm,貼近風洞氣流入口處按三角狀錯位插入地表,株高約70cm,裸地寬度為3m。按照風洞中心風速大小設(shè)計5個風速進行歷時10min吹蝕,即5、6、9、12和15m/s,各風速吹蝕下的土壤風蝕模數(shù)利用MATLAB7.4.0(R2007)軟件采用三次樣條插值擬合法將風洞中旋風式集沙儀收集的垂直方向上10個不同高度的風蝕物沙蝕量進行積分,通過換算計算得出,單位為g·(m2·min)-1。3結(jié)果與分析3.1試驗結(jié)果和風速地表粗糙度(簡稱粗糙度)是近地面風速廓線上平均風速等于零的高度,用于衡量地表的粗糙狀況,一般用Z0表示。Z0可由拉依哈特曼公式進行計算式中V1、V2——距地表Z1、Z2高度上的水平風速,所以Z0可由任意兩個已知高度上的水平風速測定值計算出。按照公式要求一般Z1取50cm(或30cm),Z2取200cm,測定和計算時分別對兩個高度的風速測定10次左右,不得低于5次,然后取其平均值,帶入公式計算Z0,本試驗為了解距地表較近距離的風速變化,選擇Z1高度為30cm。試驗結(jié)果表明(表2),生物籬下風向地表粗糙度隨著與生物籬距離的增加而減小,在測定范圍內(nèi),粗糙度在距離生物籬0.2m處最大,在0.2~1m之間迅速降低,到距離生物籬1m處時減小了40.8%,之后變化平緩,在1~5m之間又減少了僅0.8%。裸地粗糙度最小,僅為最大值的9.2%。可見,生物籬的保留明顯增大了地表粗糙度,有利于降低風速,減少地表風蝕的發(fā)生。從200cm高度風速測定結(jié)果看,在距離生物籬0.2~0.3m之間風速迅速增加,可能是由于油葵稈生物籬的阻擋使氣流抬升所致,在距離生物籬0.3~5m范圍內(nèi)呈減小趨勢,其中0.3~1m之間降低速度較快,1~5m之間降低緩慢。最大風速出現(xiàn)在距離生物籬0.3m處(6.1m/s),接近大面積裸地的風速(6.31m/s),最小風速在5m處,為2.1m/s。所以在一定范圍內(nèi),油葵稈生物籬對其附近地面風速有明顯的削弱作用。30cm高度的風速和200cm高度風速變化趨勢一致,在距離生物籬0.2~0.3m之間迅速增加,在距離生物籬0.3~5m范圍內(nèi)呈緩慢減小趨勢。最大風速出現(xiàn)在距離生物籬0.3m處(3.2m/s),遠小于大面積裸地的風速(4.93m/s),最小值在5m處,為1.2m/s?？梢?與大面積裸地相比,油葵稈生物籬對間作農(nóng)田土壤有很好的保護作用。3.2油葵稈生物籬和草東南角茬間作的裸地防蝕效果差異表3數(shù)據(jù)顯示,大面積秋翻裸露農(nóng)田風蝕量最大,多點平均值為2.875t/hm2,草谷子殘茬與油葵稈生物籬保護下的裸地不同位置風蝕量平均值最小,為0.496t/hm2,“茬+裸”和“籬+裸”處理中裸地風蝕量平均值分別為0.932和1.258t/hm2,可見,無論是油葵稈生物籬還是草谷子茬對間作裸地都有明顯的降低風蝕作用。從有籬和無籬保護的兩個草谷子茬中央的風蝕圈測定結(jié)果看,有籬時,風蝕量為0.304t/hm2,無籬為0.888t/hm2,因此不論在間作裸地還是殘茬中都表明油葵稈有很好的防蝕效果。從圖2所示結(jié)果看,與油葵桿或草谷子茬間作的裸地中土壤風蝕量隨著與生物籬或殘茬距離增大呈單峰曲線變化,在4m處達到最大值,各處理的變化趨勢一致,其中僅由3行油葵稈生物籬保護的裸地風蝕量最大,在20cm高的草谷子殘茬保護下的裸地次之,而在油葵稈生物籬和草谷子殘茬雙重保護下的裸地風蝕量最小,甚至在距離保護帶5m處出現(xiàn)了“風積”現(xiàn)象,說明籬與茬組合不僅顯著減小了土壤風蝕,還在一定范圍內(nèi)有截留風蝕量的作用。由于油葵稈生物籬和草谷子茬的存在,其下風向秋翻裸地距籬或茬不同位置土壤風蝕量降低率基本呈“V”字型分布,距離籬或茬越近,土壤風蝕量降低率越大,然后逐漸減小,臨近下一生物籬時土壤風蝕量降低率又增大。與大片裸地相比,單純的油葵稈生物籬降低土壤風蝕量的效果不及草谷子殘茬,基本都在距籬或茬4m的地方風蝕量降低率達到最小值,在距籬或茬5m,也就是距下一帶油葵稈生物籬1m的地方風蝕降低率提升,這一位置土壤風蝕量的降低率大致與距籬或茬3m的位置相當。油葵稈生物籬和草谷子茬雙重保護下的秋翻裸地與只有草谷子茬保護的秋翻裸地進行比較,發(fā)現(xiàn)籬降低風蝕率在距茬3m左右最小,5m處最大,在距茬5m處由于土壤風蝕量小或有富集,降低土壤風蝕率高于100%;如果再與籬+裸地比分析草谷子茬的保護作用,發(fā)現(xiàn)草谷子茬降低風蝕率趨勢與籬相似,只是在降低風蝕的作用上更好,而且在4m左右最低。因此從這個角度分析認為,草谷子殘茬和油葵稈生物籬對間作秋翻裸地都具有很好的保護作用,草谷子茬防風蝕效果更好,貢獻率更大,如果將二者組合起來對間作秋翻裸地進行雙重保護,會起到非常好的防護效果。3.3不同生物籬保護下的裸地風蝕模數(shù)為進一步證實油葵稈生物籬對減輕間作裸地土壤風蝕的作用,利用野外移動式風洞進行了模擬測試,結(jié)果表明(表4),風蝕模數(shù)隨風速的增大而增加,當風速從5m/s增加到15m/s時,裸地風蝕模數(shù)增加幅度較大(1.35g·(m2·min)-1),生物籬保護下的裸地增加較小(1.26g·(m2·min)-1)。兩個處理相比,有油葵稈生物籬保護的裸地風蝕模數(shù)均小于無油葵稈生物籬裸地,風速為5、6、9、12和15m/s時油葵稈生物籬降低土壤風蝕率分別為10.26%、20.53%、16.68%、5.03%和6.60%,證明油葵稈生物籬對間作裸地具有保護作用。4不同種類土壤風蝕和降低率1)風速測定結(jié)果表明,油葵稈生物籬的保留可以使下風向裸地地表粗糙度增大,近地面風速降低,可以減少地表風蝕的發(fā)生。2)野外觀測結(jié)果表明:草谷子殘茬和油葵稈生物籬對間作裸地均具有防護作用,而且前者的防風蝕效果優(yōu)于后者,二者組合起來防風蝕效果更好;在距油葵稈生物籬或草谷子殘茬下風向的裸地不同位置處,土壤風蝕量基本呈現(xiàn)先增加后減小的單峰曲線變化趨勢,大致在距油葵稈生物籬或草谷子茬4m左右土壤風蝕量達到最大,在油葵稈生物籬和草谷子茬的雙重保護下,在距草谷子茬5m處發(fā)生了風積現(xiàn)象;在有油葵稈生物籬或草谷子殘茬保護時裸地土壤風蝕量的降低率大體呈“V”字型變化。3)風洞試驗表明:土壤風蝕模數(shù)隨風速增大而增加,油葵稈生物籬具有降低間作裸地土壤風蝕的作用,在油葵稈生物籬的保護下5~15m/s風速吹蝕時土壤風蝕降低率為5.03%~20.53%。4)通過本文的試驗及其他學者研究結(jié)果,認為向日葵是陰山北麓農(nóng)牧交錯帶比較適宜的生物籬種類,但在冬春季節(jié),由于葵餅被收獲,葉片全部脫落,和其他灌木如檸條、沙棘等相比沒有灌幅,因此在消減風速上還存在局限,而檸條、沙棘等灌木由于根系擴展面大,根扎的深,在旱