陰山北麓農(nóng)牧交錯區(qū)農(nóng)田土壤抗風蝕效應(yīng)研究

陰山北麓農(nóng)牧交錯區(qū)農(nóng)田土壤抗風蝕效應(yīng)研究

作物殘茬覆蓋農(nóng)田風蝕是一個全面的自然地理過程，受到氣候、土壤、植被和其他因素的共同限制。目前,農(nóng)田土壤風蝕的防治主要采取免耕、留茬和秸稈覆蓋等保護性耕作措施,以降低近地表風速,削弱氣流對土壤表面的剪切力,降低土壤風蝕強度。國外研究已證實,植被覆蓋可以有效抑制土壤風蝕,且直立植被覆蓋減少風蝕的效果更好。國內(nèi)許多學者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[9,10,11,12,13,14,15]。目前,有關(guān)保護性耕作防治風蝕的研究以免耕留茬、秸稈覆蓋、壟作與傳統(tǒng)耕作的對比為主,對作物留茬降低近地面風速,控制土壤風蝕的機制研究較少。此外,由于多數(shù)研究是采用室內(nèi)風洞模擬試驗與野外觀測進行的,缺乏磨蝕作用和一般性。針對保護性耕作防治風蝕研究中存在的局限,本文以內(nèi)蒙古武川縣上禿亥鄉(xiāng)保護性耕作項目區(qū)不同地表為研究對象,利用移動式風蝕風洞及相關(guān)測試設(shè)備對傳統(tǒng)耕作農(nóng)田與作物殘茬覆蓋農(nóng)田進行試驗。分析不同類型和蓋度下殘茬覆蓋農(nóng)田近地表風蝕模數(shù)的變化特征,探討殘茬覆蓋地表的抗風蝕機制,確定保護性耕作帶的合理寬度,期望為農(nóng)牧交錯區(qū)的土壤風蝕防治提供依據(jù)。1氣候、水文條件研究區(qū)位于陰山北麓農(nóng)牧交錯區(qū),該區(qū)地處東經(jīng)107°17′~117°30′,北緯40°13′~43°28′。陰山北麓農(nóng)牧交錯區(qū)大部分土壤為栗鈣土,氣候為中溫帶溫涼、溫和半干旱偏潤區(qū)和半干旱偏旱大陸性季風氣候。年降水量250~400mm,自東向西遞減,7~8月降水量占全年降水量的70%左右,冬春雨雪很少,而且春季一次10mm以上作物可利用的降水稀少,4~5月連續(xù)無降水日數(shù)一般在30~50d以上,加之春風大,干旱機率達64.7%。干旱持續(xù)時間長,地域范圍廣,風沙危害嚴重,全年8級以上大風日45~84d,以3~5月最強。春季植被蓋度最低,地表裸露面積大,易形成風沙天氣,平均每年出現(xiàn)沙塵暴日數(shù)9.8~14.6d。2保護性耕作帶與間作翻耕帶設(shè)置2.1試驗條件試驗在武川縣上禿亥鄉(xiāng)保護性耕作項目區(qū)進行。該區(qū)屬陰山北麓旱作耕地。代表性土壤為栗鈣土,多孔隙、沙性,由于氣候干燥,地表覆蓋少,加之土壤結(jié)構(gòu)性差,極易產(chǎn)生風蝕。項目區(qū)的保護性耕作帶與間作翻耕帶寬度均為8m,保護性耕作帶殘茬高度27~37cm,行距20cm。保護性耕作帶連續(xù)4年交替種植油菜與小麥,傳統(tǒng)耕作帶4年均種植馬鈴薯。對照秋翻地緊臨項目區(qū)東側(cè),多年采用傳統(tǒng)耕作方式實施秋翻,保護性耕作農(nóng)田位于項目區(qū)西側(cè),連續(xù)4年實施保護性耕作種植小麥和莜麥。試驗選擇保護性耕作農(nóng)田地表與傳統(tǒng)耕作農(nóng)田地表進行試驗與分析(圖1)。2.2武川縣傳統(tǒng)耕作農(nóng)田耕地自然情況保護性耕作農(nóng)田的殘茬為:油菜留茬蓋度45%,茬高30cm;小麥留茬蓋度65%,茬高20cm;小麥留茬蓋度76%,茬高30cm;莜麥留茬蓋度90%,茬高30cm。植株平均密度為400株/m2,行距為20cm,各留茬地距地表以下5cm深度的土壤平均含水率分別為8.65%、9.87%、11.48%、12.03%。傳統(tǒng)耕作農(nóng)田位于武川縣保護性項目區(qū)東側(cè),耕作方式為犁翻耕并耙碎,土壤以栗鈣土為主,其逐年翻耕使地表土始終裸露越冬,地表蓋度幾乎為零。距地表以下5cm深度的土壤平均含水率為5.38%。由于研究區(qū)域起沙風速均在6m/s左右,故試驗時風洞中心風速設(shè)計為6、9、12、15、18m/s5個等級,這5個風速對應(yīng)于自然界4~8級風,與試驗區(qū)的自然風速具有很好的一致性。集沙儀的位置距風洞試驗段進口3.00、3.75、4.50、5.25、6.00m共5個測點處,以T1~T5表示,收集并稱量集沙儀20、60、120、180、240、300、400、500、600、700mm10個高度的風蝕物。為完成測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠采集,且能收集到滿足進一步分析的土壤風蝕物,風蝕物與風速數(shù)據(jù)采集時間為10min,最終用于分析的風速與風蝕量是10min內(nèi)采集結(jié)果的平均值。2.3試驗地層和試驗點高度風速測定試驗設(shè)備為0FDY-1.2型直流吹氣可移動式風蝕風洞和與風洞配套的風速、集沙儀測試系統(tǒng),1/1000電子天平。試驗時將移動式風蝕風洞分別放置在傳統(tǒng)耕作農(nóng)田與保護性耕作帶的留茬地表上進行試驗,放置時使洞體縱向與地表壟向垂直。利用風速采集系統(tǒng)測試風洞中心風速與洞體內(nèi)流場各高度風速。風洞中心風速U,由置于洞體內(nèi)試驗段入口處皮托管測速裝置來測定。將風速廓線儀安放在風洞洞體內(nèi)且距集沙儀600mm,距風洞內(nèi)側(cè)壁300mm處,選距地表50、100、200、400、600mm5點作為風速采集點進行試驗。采用與風洞配套的排沙器模擬挾沙風。集沙儀分別安置在風洞軸線上距風洞試驗段進口5個位置處,取10個測試高度的風蝕物。2.4土壤風蝕能力測量方法利用Matlab7.0軟件對挾沙風吹蝕下集沙儀收集的風蝕量隨高度變化在0~70cm之間進行積分,得出移動式風蝕風洞吹蝕10min通過1cm寬、距地表0~70cm高度垂直面的土壤風蝕量Q=∫700070qdx(1)式中Q——1cm寬、0~70cm高度范圍內(nèi)的土壤風蝕量,gq——各高度的土壤風蝕物含量,g/cm2x——距地表高度,cm風速數(shù)據(jù)是在大氣層接近中性穩(wěn)定的條件下試驗所得,運用Matlab7.0軟件,由最小二乘法擬合得到的風速廓線方程為Uz=A+BlnZ式中A、B——回歸系數(shù)Z——測點高度,cm根據(jù)空氣動力學粗糙度的定義,令Uz=0可求出Z0=e-A/B(2)式中Z0——空氣動力學粗糙度,cm每次試驗結(jié)束后用電子天平稱出集沙儀內(nèi)風蝕物總質(zhì)量,計算不同地表土壤在不同風速吹蝕下的風蝕模數(shù),以分析和評價土壤的抗風蝕能力。E=m/(Stδ)(3)式中E——風蝕模數(shù),g/(m2·min)m——集沙儀收集到的風蝕物總質(zhì)量,gS——風洞內(nèi)被吹蝕的土壤面積,m2t——吹蝕時間,minδ——集沙儀標定系數(shù)集沙儀標定系數(shù)δ為0.508%,且不隨土壤類型、風洞中心風速、風蝕時間的不同而改變。3地表風蝕量與低風速時殘茬蓋度的關(guān)系3.1殘茬蓋度對土壤風蝕量的影響5種蓋度地表在不同風速下的土壤風蝕量與風蝕總量試驗結(jié)果如表1所示。由表可知,5種蓋度地表風蝕量都隨風速的增大而迅速加大。相同風速下,隨著殘茬蓋度的增加風蝕量呈現(xiàn)下降趨勢。同一風速下,莜麥茬蓋度90%的地表風蝕量最小,油菜茬蓋度45%的地表風蝕量較小,傳統(tǒng)耕作農(nóng)田地表風蝕量最大。傳統(tǒng)耕作農(nóng)田地表的總風蝕量明顯大于具有殘茬覆蓋農(nóng)田地表的總風蝕量。油菜茬蓋度45%地表、小麥茬蓋度65%地表、小麥茬蓋度76%地表與莜麥茬蓋度90%地表的總風蝕量較傳統(tǒng)耕作農(nóng)田地表分別降低了39.58%、37.28%、52.99%和61.79%。說明增加地表殘茬蓋度可以明顯降低土壤風蝕量。在低風速下,風蝕量隨殘茬蓋度變化的增量不太明顯,隨著風速的加大,增加地表殘茬蓋度對抑制風蝕的效果尤為顯著。其主要原因是殘茬蓋度可以有效地隔離風力對土壤的直接作用。其次,具有直立殘茬覆蓋的地表,由于直立殘茬可通過吸收地表風動量來降低對下墊面的剪切力,從而迅速降低近地表的風速,達到有效抑制風蝕的效果。3.2水平風速下風蝕顆粒變化趨緩不同蓋度下風速與風蝕模數(shù)關(guān)系如圖2所示。由圖可知,傳統(tǒng)耕作農(nóng)田與保護性耕作農(nóng)田地表的風蝕模數(shù)均隨風速的增加呈不同程度的增加,傳統(tǒng)耕作農(nóng)田風蝕模數(shù)的增加幅度較保護性耕作農(nóng)田大。傳統(tǒng)耕作農(nóng)田,當風速達到9m/s時風蝕模數(shù)變化明顯,且隨著風速的加大,其加大趨勢增強;當風速大于15m/s時其增加趨于平緩。這是因為土壤表面要受到風的剪切力作用并且貼地表運動的沙粒會磨蝕地表,使風蝕模數(shù)相應(yīng)增加。挾沙風中含有大量的沙塵,在速度相同的條件下其能量比凈風要大得多,挾沙能力也遠遠大于凈風。在大風速下風蝕模數(shù)變化趨緩說明隨著風速的加大,更多的土壤顆粒開始運動,對下墊面的磨蝕作用加強,風蝕量急劇增加,同時部分顆粒得到更大的動能,互相碰撞并產(chǎn)生躍移,一些細小顆粒出現(xiàn)懸移運動。單位顆粒在一定范圍撞擊地表的次數(shù)就會減少,其運行的高度有所提升,導致貼地表層的沙通量減少。吹蝕顆粒對地表的影響作用趨于減弱,因而出現(xiàn)風蝕模數(shù)在高風速段趨緩的現(xiàn)象。在12、15、18m/s3個風速下,小麥茬蓋度76%的保護性耕作農(nóng)田與傳統(tǒng)耕作農(nóng)田相比,風蝕模數(shù)分別降低了77.42%、63.41%、40.42%。說明傳統(tǒng)耕作農(nóng)田在風速大于9m/s時,抗風蝕能力很弱。保護性耕作農(nóng)田風蝕模數(shù)隨風速的變化始終較平緩?？梢娫陉幧奖甭崔r(nóng)牧交錯干旱半干旱地區(qū)實施保護性耕作可以有效降低風蝕模數(shù)從而達到抑制風蝕荒漠化的擴展。3.3風蝕模數(shù)隨風速的變化試驗分析了小麥茬蓋度76%的保護性耕作農(nóng)田在18m/s風速下距風洞試驗段進口5個測點處的風蝕模數(shù)和空氣動力學粗糙度,其結(jié)果如圖3所示。由圖可知,各測點處的空氣動力學粗糙度逐漸增大,即隨著距風洞試驗段氣流進口距離越近,空氣動力學粗糙度越小;反之,空氣動力學粗糙度越大。說明隨著保護性耕作農(nóng)田殘茬行數(shù)的增加,殘茬覆蓋地表對風的阻抗作用加大,從而有效提高了抵抗風蝕的能力。風蝕模數(shù)受地表空氣動力學粗糙度的影響非常明顯,地表空氣動力學粗糙度越小,風蝕模數(shù)越大。其中,測點T4處的空氣動力學粗糙度比T5處大2.41%,相應(yīng)的風蝕模數(shù)較T5處小0.4%。由此可見,在T4、T5兩測點處的抗風蝕效果幾乎一致。以小麥殘茬覆蓋農(nóng)田為研究對象對保護性耕作帶合理帶寬進行試驗與分析,其結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出,各測點處的風蝕模數(shù)均隨著風速的增大而增大,同一風速下風蝕模數(shù)由大到小順序為T1、T2、T3、T4、T5。說明保護性耕作帶寬越小,其抗風蝕效應(yīng)越弱。隨著保護性耕作帶帶寬的加大,可將大量的風蝕物截留下從而達到有效抑制風蝕的效果。同一風蝕模數(shù)下,各測點處風速由小到大順序為vT1、vT2、vT3、vT4、vT5,且風蝕模數(shù)越小,相應(yīng)測點對應(yīng)的風速只有在T4和T5處最大。充分說明保護性耕作帶的帶寬越大,其風蝕模數(shù)越低;在T4或T5測點處,達到同一風蝕模數(shù),其能夠抵抗的風蝕風速也很大。殘茬蓋度越大,風蝕模數(shù)越小。風速為18m/s條件下,小麥茬蓋度76%和小麥茬蓋度65%時T1~T5的5個測點相比,風蝕模數(shù)分別下降了22.63%、4.12%、28.32%、37.27%、28.72%。說明殘茬覆蓋仍是有效控制風蝕的主要因素之一,殘茬蓋度的大小決定著土壤風蝕的強弱。殘茬覆蓋的地上部分通過增加氣固界面粗糙度而減小作用在地表的侵蝕風力,而殘茬覆蓋的地下部分通過固結(jié)土壤改善了土壤的結(jié)構(gòu),從而增強土壤的抗風蝕能力。對比圖4a和4b中T4和T5兩個測點的風蝕模數(shù)變化曲線,不難發(fā)現(xiàn)這兩條曲線非常接近,T4和T5兩測點風蝕模數(shù)平均差值分別為0.684g/(m2·min)和0.858g/(m2·min)。可見當距風洞試驗段進口位置增加到5.25m以后,即保護性耕作帶寬度達到5.25m以后,無論在低風速還是在高風速下,風蝕模數(shù)的變化曲線已趨于一致。說明經(jīng)過26行、5.25m寬度的保護性耕作帶留茬地表后,風蝕模數(shù)的變化已基本達到平衡狀態(tài)。4農(nóng)田土壤風蝕模數(shù)隨風速的變化而存在的