趙 云,穆興民,2,3,王 飛,2,3,蔣 沖,劉振東,李 銳,2,3
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌712100;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌712100;3.中國(guó)科學(xué)院 研究生院,北京100049)
土壤風(fēng)蝕是指松散的土壤物質(zhì)被風(fēng)吹起、搬運(yùn)和堆積的過(guò)程以及地表物質(zhì)受到風(fēng)吹起的顆粒的磨蝕等,是風(fēng)成過(guò)程的全部結(jié)果[1]。農(nóng)田風(fēng)蝕是中國(guó)北方干旱半干旱地區(qū)土地退化的主要原因之一。土壤風(fēng)蝕是土地沙漠化過(guò)程的重要組成部分和首要環(huán)節(jié)[2]。中國(guó)是世界上土地荒漠化最為嚴(yán)重的國(guó)家之一,全國(guó)荒漠化土地面積263.62萬(wàn)km2,占國(guó)土總面積的27.46%,其中沙化土地面積173.97萬(wàn)km2,占國(guó)土總面積的18.12%[3]。在黃土高原的西部地區(qū)和北部地區(qū)由于氣象條件和土壤狀況等因素的影響,土壤風(fēng)蝕較為嚴(yán)重[4]。許多研究[5-9]表明 保護(hù)性 耕作(特別是秸稈覆蓋、留茬、免耕少耕)可以提高地表空氣動(dòng)力學(xué)粗糙度、分解風(fēng)對(duì)地表的剪切應(yīng)力,消耗一定的風(fēng)能、降低風(fēng)速和阻擋沙塵,同時(shí)還可以保持土壤水分,能有效的防止土壤風(fēng)蝕,保護(hù)農(nóng)田土壤。本文在前人研究基礎(chǔ)上,以陜西省安塞縣黃綿土為例進(jìn)行室內(nèi)風(fēng)洞模擬實(shí)驗(yàn),研究不同作物留茬、不同秸稈覆蓋量對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響,定量分析在不同處理下土壤風(fēng)蝕規(guī)律,為有效防治土壤風(fēng)蝕提供依據(jù)。
實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。風(fēng)洞全長(zhǎng)19m,該風(fēng)洞由風(fēng)機(jī)段、調(diào)風(fēng)段、整流段、試驗(yàn)段、收集段、導(dǎo)流段構(gòu)成。風(fēng)洞主要截面寬1m,高1.2m,風(fēng)機(jī)出口段截面直徑1.4m。通過(guò)配套的變頻儀0~50Hz調(diào)節(jié)風(fēng)速,風(fēng)速可在0~20m/s內(nèi)連續(xù)均勻地調(diào)節(jié),見(jiàn)圖1。
在試驗(yàn)段前30cm處設(shè)置不同高度的渦輪式風(fēng)速儀,集沙段設(shè)置集沙儀收集不同高度的風(fēng)蝕物。本實(shí)驗(yàn)風(fēng)速以30cm高度為基準(zhǔn),共設(shè)4個(gè)風(fēng)速,分別為7.5,10,12.5,14.5m/s。集沙儀總共為5層,每次吹蝕時(shí)間為10min。
圖1 風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖 (標(biāo)注單位:mm)
試驗(yàn)土樣采集于安塞境內(nèi),安塞位于東經(jīng)108°05′44″—109°26′18″,北緯36°30′45″—37°19′3″,該地區(qū)四季長(zhǎng)短不等,干濕分明,屬中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候。年平均氣溫8.8℃,年平均降水量505.3 mm,年日照時(shí)數(shù)為2 395.6h,日照百分率達(dá)54%,全年無(wú)霜期157d。主要自然災(zāi)害有:干旱、大風(fēng)、冰雹、霜凍等。
試驗(yàn)土樣為耕地表層0—20cm黃綿土,其母質(zhì)為黃土性物質(zhì),疏松多孔,容量小,透水性良好,蓄水能力強(qiáng),耕性性好,屬壤土,顆粒組成為中粉粒(0.002~0.05mm)約占60%,黏粒含量(<0.002mm)為30%左右。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,該土樣的含水量為1%。
試驗(yàn)將土樣按照實(shí)際情況進(jìn)行處理后放進(jìn)土槽(1m×1.25m×0.25m)內(nèi),將土槽推入實(shí)驗(yàn)段使土壤表面與風(fēng)洞底部表面持平進(jìn)行吹蝕。風(fēng)速取風(fēng)速儀在1min內(nèi)的平均值。實(shí)驗(yàn)包括(表1)兩種秸稈覆蓋量(2 105kg/hm2,4 210kg/hm2,覆蓋量的設(shè)定通過(guò)當(dāng)?shù)孛?hm2秸稈產(chǎn)量的30%及60%換算得到)和裸土、30cm的玉米留茬、30cm小麥留茬在4種風(fēng)速(7.5,10,12.5,14m/s)下的風(fēng)蝕情況。集沙儀共有5層(0—10cm,13—23cm,26—36cm,39—49cm,52—62cm),每層2個(gè)集沙儀收集風(fēng)蝕物,收集的風(fēng)蝕物用1/1 000的天平精確稱量。本文中用到的風(fēng)蝕總量是指12個(gè)集沙儀收集風(fēng)蝕物的總量,是一個(gè)相對(duì)總量。集沙儀進(jìn)風(fēng)口為3m×10cm的長(zhǎng)方形,末端為10m×10cm的正方形。每次吹蝕完以后,需將土樣重新裝入土槽,因?yàn)槊看未滴g后由于氣流的分選作用使得土槽表面粗?;淖兞送敛郾韺油寥李w粒的機(jī)械組成,因此需重新裝槽消除這種影響。在每一次重新裝槽時(shí)都通過(guò)天平稱量土樣,保持土壤容重一致。
表1 不同保護(hù)性耕作措施設(shè)計(jì)
由于不同耕作方式的保護(hù)性耕作對(duì)土壤具有不同程度的抗風(fēng)蝕作用,風(fēng)蝕量會(huì)有一定的減少。將風(fēng)蝕量的減少量占基準(zhǔn)風(fēng)蝕量的比率稱為保護(hù)性耕作農(nóng)田的抗風(fēng)蝕效率[10]。計(jì)算公式為:
式中:Q1——CK的風(fēng)蝕量(g);Q2——保護(hù)性耕作措施的風(fēng)蝕量(g);n——保護(hù)性耕作農(nóng)田的抗風(fēng)蝕效率(%)。
由表2分析表明,與CK相比,小麥留茬、玉米留茬以及秸稈覆蓋4種耕作方式都可以不同程度地減少風(fēng)蝕,特別是T4抗風(fēng)蝕效率最高,達(dá)到了95.9%,T3和T1也都能有效地抗風(fēng)蝕,抗風(fēng)蝕效率分別達(dá)到了95.5%和94.4%。T2的抗風(fēng)蝕效率比較低,只有62.4%。對(duì)比各個(gè)處理的風(fēng)蝕量發(fā)現(xiàn):在7.5m/s風(fēng)速時(shí),T1<T2<T4<T3<CK,當(dāng)風(fēng)速大于7.5m/s時(shí),T4的風(fēng)蝕量始終處于最小,T4<T3<T1<T2<CK。分析得到:與裸土CK相比,通過(guò)秸稈高覆蓋處理(T4)在各個(gè)風(fēng)速下風(fēng)蝕量最小,抗風(fēng)蝕效率最高。30cm玉米留茬(T2)在各個(gè)風(fēng)速下風(fēng)蝕量最大,抗風(fēng)蝕效率最低。
表2 不同耕作方式的風(fēng)蝕量及抗風(fēng)蝕效率
2.2.1 不同作物留茬風(fēng)蝕量與風(fēng)速的關(guān)系 風(fēng)是土壤風(fēng)蝕的直接動(dòng)力來(lái)源,風(fēng)速的大小直接影響風(fēng)蝕的輕重。圖2表明,風(fēng)蝕量與風(fēng)速成正相關(guān)關(guān)系,即土壤風(fēng)蝕量隨著風(fēng)速的增加而增加。將各個(gè)風(fēng)速下風(fēng)蝕量相比,CK為1∶8∶50∶146,T2為1∶9∶126∶260,T1為1∶4∶25∶119,表明:T1,T2和CK都出現(xiàn)了風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的變化均存在突然增大的轉(zhuǎn)折點(diǎn),與CK、T2相比,T1的轉(zhuǎn)折點(diǎn)明顯滯后,CK,T2的轉(zhuǎn)折風(fēng)速大約是7.5m/s,T1的轉(zhuǎn)折風(fēng)速大約是10m/s。CK,T2從風(fēng)速7.5m/s開(kāi)始,風(fēng)蝕量就隨著風(fēng)速的增加突然增大,而T1存在當(dāng)風(fēng)速小于轉(zhuǎn)折風(fēng)速時(shí),隨著風(fēng)速的增加,它們的風(fēng)蝕量增加緩慢,當(dāng)風(fēng)速超過(guò)轉(zhuǎn)折風(fēng)速時(shí),風(fēng)蝕量會(huì)急劇增大。通過(guò)對(duì)風(fēng)蝕量對(duì)比(表2),當(dāng)風(fēng)速為7.5m/s時(shí),T1∶T2∶CK=0.13∶0.24∶1,風(fēng)速為10m/s時(shí),T1∶T2∶CK=0.07∶0.26∶1,當(dāng)風(fēng)速為12.5m/s時(shí),T1∶T2∶CK=0.07∶0.60∶1,當(dāng)風(fēng)速為14.5m/s時(shí),T1∶T2∶CK=0.05∶0.41∶1,得出:隨著風(fēng)速的增加,T1的風(fēng)蝕量與CK比值逐漸變小,T2風(fēng)蝕量與CK的比值逐漸變大,T1的風(fēng)蝕量與T2的比值也逐漸增大。即隨著風(fēng)速的增加,風(fēng)蝕量增加速率關(guān)系上:CK>T2>T1。分析得出,30cm小麥留茬的抗風(fēng)蝕能力要好于30cm玉米留茬。
圖2 不同作物留茬的風(fēng)蝕量
2.2.2 不同覆蓋度下的抗風(fēng)蝕效率與風(fēng)速的關(guān)系由表3表明,在各個(gè)風(fēng)速下隨植被蓋度的增加土壤抗風(fēng)蝕效率增強(qiáng)。在T3,T4中,在同一風(fēng)速下,抗風(fēng)蝕效率關(guān)系為T(mén)4>T3;當(dāng)風(fēng)速為7.5m/s時(shí),兩者的土壤抗風(fēng)蝕效率分別51.05%,74.61%,分別為各個(gè)處理的最低水平;在風(fēng)速大于10m/s時(shí),它們的抗風(fēng)蝕效率都大于93%;當(dāng)風(fēng)速為14.5m/s時(shí),兩者的土壤抗風(fēng)蝕效率分別為95.84%,96.47%,為各個(gè)處理的最高,即隨著風(fēng)速的增加土壤的抗風(fēng)蝕效率也會(huì)逐漸增強(qiáng)。
沙流結(jié)構(gòu)是氣流中輸沙率隨高度的分布,其結(jié)構(gòu)受風(fēng)速、可風(fēng)蝕顆粒含量及下墊面等因子的影響[11]。風(fēng)土壤顆粒運(yùn)動(dòng)形式可以分為3種:躍遷、蠕動(dòng)、懸浮,其中躍遷物質(zhì)在風(fēng)沙流中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì),也是產(chǎn)生風(fēng)蝕危害的主要形式[12],躍遷顆粒機(jī)械組成主要是中砂和細(xì)砂,分布高度集中在0~10cm高程內(nèi)。
通過(guò)對(duì)不同耕作方式0~62cm高度共5層范圍內(nèi)輸沙量的觀測(cè)結(jié)果(表4)分析表明:風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)蝕沙流結(jié)構(gòu)特征體現(xiàn)在以下3方面:
(1)同一風(fēng)速下,各種耕種方式的風(fēng)蝕量隨著高度的增加而減少。大部分風(fēng)蝕量都集中在0~10cm高度,而52~62cm的風(fēng)蝕量最小。超過(guò)90%的風(fēng)蝕量都集中在0~36cm高度范圍內(nèi),這與賀寶根等人[13]的研究中認(rèn)為土壤風(fēng)蝕過(guò)程中風(fēng)沙活動(dòng)屬于近地面運(yùn)動(dòng),且在風(fēng)沙流中90%沙物質(zhì)高度低于31cm的結(jié)論一致。
(2)隨著風(fēng)速的增大,0~10cm風(fēng)蝕量所占比例會(huì)逐漸增加,52~62cm風(fēng)蝕量所占比例會(huì)逐漸減少。這說(shuō)明近地表的風(fēng)蝕明顯加強(qiáng),躍遷物質(zhì)量也明顯增多。
(3)與CK,T1,T2相比,T3和 T4在0~10cm高度的風(fēng)蝕量所占比例始終較高,而且秸稈覆蓋量越高,這種趨勢(shì)越明顯。這說(shuō)明秸稈覆蓋可以有效的阻止風(fēng)蝕物上揚(yáng),讓風(fēng)沙在近地表活動(dòng)。
(1)小麥留茬、玉米留茬以及秸稈覆蓋都可以有效的減少風(fēng)蝕。抗風(fēng)蝕效率方面:小麥秸稈覆蓋量4 210kg/hm2>小麥秸稈覆蓋量2 105kg/hm2>裸土、30cm小麥留茬>30cm玉米留茬>裸土。總的來(lái)說(shuō),小麥秸稈覆蓋越高,土壤抗風(fēng)蝕效果越好;小麥留茬比玉米留茬抗風(fēng)蝕效果好。
表4 不同耕作方式和風(fēng)速下輸沙量垂直分布特征
(2)風(fēng)蝕量與風(fēng)速成正相關(guān)關(guān)系,隨著風(fēng)速的增加,各個(gè)處理的風(fēng)蝕量都會(huì)增加。風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的變化均存在突然增大的轉(zhuǎn)折點(diǎn),30cm小麥留茬會(huì)明顯滯后于30cm玉米留茬和裸土。當(dāng)風(fēng)速一定時(shí),隨秸稈蓋度的增加土壤抗風(fēng)蝕效率增強(qiáng);風(fēng)速越高,秸稈覆蓋土壤的抗風(fēng)蝕效率越強(qiáng)。
(3)隨著高度的增加風(fēng)蝕量逐漸減小。隨著風(fēng)速的增加,0~10cm高度的輸沙量比例逐漸升高,52~62cm高度的輸沙量比例降低,說(shuō)明近地表輸沙強(qiáng)度增加。超過(guò)90%的風(fēng)蝕量都集中在0~36cm高度范圍內(nèi)。
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