李銀科, 李菁菁, 周蘭萍, 劉光武, 張進(jìn)虎, 張芝萍, 鄭慶鐘

河西綠洲灌區(qū)保護(hù)性耕作對(duì)土壤風(fēng)蝕特征的影響*

李銀科, 李菁菁, 周蘭萍, 劉光武, 張進(jìn)虎, 張芝萍, 鄭慶鐘

(甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地/甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站/甘肅省治沙研究所 蘭州 730070)

為研究河西綠洲灌區(qū)保護(hù)性耕作對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響, 通過春小麥田間試驗(yàn), 設(shè)置免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋、立茬和殘茬壓倒4種保護(hù)性耕作處理, 以傳統(tǒng)耕作為對(duì)照, 分析了河西綠洲灌區(qū)不同保護(hù)性耕作措施對(duì)田間輸沙量、風(fēng)蝕深度、風(fēng)蝕物粒徑組成、風(fēng)速的影響。結(jié)果表明: 0~30 cm高度輸沙量能敏感地反映不同耕作措施之間輸沙量的差異。與傳統(tǒng)耕作相比, 免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋、立茬和殘茬壓倒處理0~30 cm高度輸沙量分別減少17.4%~46.7%、21.7%~45.2%、24.7%~48.2%和10.7%~42.4%。風(fēng)蝕深度傳統(tǒng)耕作為1.22~1.44 mm, 4種保護(hù)性耕作處理均為0 mm。與傳統(tǒng)耕作相比, 保護(hù)性耕作處理風(fēng)蝕物粒徑組成無顯著變化, 但<0.063 mm細(xì)粒占比有減小趨勢(shì)。立茬處理20 cm高度風(fēng)速顯著降低24.1%~39.5%, 其他保護(hù)性耕作措施風(fēng)速降低不顯著。綜上所述, 河西綠洲灌區(qū)不同保護(hù)性耕作措施能不同程度地抑制土壤風(fēng)蝕, 立茬處理是相對(duì)較優(yōu)的保護(hù)性耕作措施, 適宜該地區(qū)推廣應(yīng)用。

保護(hù)性耕作; 土壤風(fēng)蝕; 輸沙量; 風(fēng)蝕深度; 風(fēng)蝕物; 河西綠洲灌區(qū)

農(nóng)田是沙塵的重要來源, 土壤傳統(tǒng)耕作中的地表結(jié)構(gòu)破損導(dǎo)致的土壤風(fēng)蝕一直是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)境問題[1]。保護(hù)性耕作是人類在遭受嚴(yán)重土壤侵蝕危害后, 從保護(hù)耕地和治理沙塵暴角度出發(fā)逐漸研究和發(fā)展起來的一項(xiàng)水土保持耕作技術(shù)[2]。傳統(tǒng)耕作與保護(hù)性耕作的最大區(qū)別在于使用鏵式犁翻耕, 研究表明, 翻耕和未翻耕土壤在7級(jí)風(fēng)以下時(shí)風(fēng)蝕量差別較小; 在7級(jí)風(fēng)以上時(shí), 翻耕地風(fēng)蝕量是未翻耕地的14.8倍[3]。保護(hù)性耕作技術(shù)以作物秸稈根茬覆蓋地表、少耕和免耕為中心內(nèi)容, 是一項(xiàng)有效防止風(fēng)蝕、保持水土、增加土壤肥力的新型耕作方式, 可以有效遏制土壤風(fēng)蝕、減少農(nóng)田沙塵被帶入大氣, 已被廣泛應(yīng)用于北方旱區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)[4-6]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于保護(hù)性耕作防治土壤風(fēng)蝕的研究主要圍繞其對(duì)風(fēng)速和地表物理性質(zhì)的影響進(jìn)行, 研究表明保護(hù)性耕作能增大地表粗糙度, 有效降低地表風(fēng)速, 減少土粒運(yùn)動(dòng); 減少土壤水分蒸發(fā), 增強(qiáng)表層土壤之間的吸附力; 改善團(tuán)粒結(jié)構(gòu), 使可風(fēng)蝕顆粒含量減少, 從而有效減少土壤風(fēng)蝕[7-9]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要集中在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)[10-14], 綠洲灌區(qū)相關(guān)研究很少[15-17]。研究表明, 不同保護(hù)性耕作模式能不同程度地減少土壤風(fēng)蝕[18-21]。不同保護(hù)性耕作措施的土壤環(huán)境效應(yīng)不同, 不同農(nóng)業(yè)區(qū)由于氣候、管理不同, 同一保護(hù)性耕作措施的土壤環(huán)境效應(yīng)也存在差異[22]。土壤環(huán)境是影響土壤風(fēng)蝕的重要因素之一[23], 因此不同農(nóng)業(yè)區(qū)土壤風(fēng)蝕特征可能存在較大差異。河西綠洲灌區(qū)是甘肅省主要的產(chǎn)糧區(qū), 也是北方主要的沙塵源區(qū)之一。已有少量有關(guān)該區(qū)保護(hù)性耕作對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響研究, 但大都主要以室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)為手段, 缺少田間觀測(cè)研究。本文以傳統(tǒng)耕作為對(duì)照, 對(duì)比分析了該區(qū)保護(hù)性耕作農(nóng)田的土壤風(fēng)蝕特征, 探討了保護(hù)性耕作的防風(fēng)蝕效應(yīng), 為評(píng)估研究區(qū)保護(hù)性耕作在防風(fēng)蝕中的作用及控制農(nóng)田土壤風(fēng)蝕提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于巴丹吉林沙漠東南緣的民勤治沙綜合試驗(yàn)站, 地理位置為103°51′E、38°38′N, 海拔1 378 m。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶曰哪畾夂騾^(qū), 冬季寒冷, 夏季酷熱, 晝夜溫差大, 年平均氣溫7.6 ℃, 極端低溫-30.8 ℃, 極端高溫40.0 ℃, 無霜期175 d; 降水量小, 蒸發(fā)量大, 氣候干燥, 年均降水量113.2 mm, 年均蒸發(fā)量2 604.3 mm, 干燥度平均5.1, 最高達(dá)18.7, 相對(duì)濕度47%; 光熱充足, 年均日照時(shí)數(shù)2 799.4 h, ≥10 ℃年活動(dòng)積溫3 036.4 ℃; 冬季盛行西北風(fēng), 全年風(fēng)沙日可達(dá)83 d, 多集中在3—5月, 年均風(fēng)速2.5 m?s-1, 最大風(fēng)速為23.0 m?s-1; 地帶性土壤為灰棕荒漠土, 試驗(yàn)地土壤為灌漠土, 潛水埋深16 m以下。試驗(yàn)地質(zhì)地為砂壤, 位于沙地邊緣, 上風(fēng)向200 m以外為半流動(dòng)沙地。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以傳統(tǒng)耕作為對(duì)照, 設(shè)置4個(gè)保護(hù)性耕作處理: ①傳統(tǒng)耕作處理(CT), 前茬作物收獲后深耕滅茬、耙耱整平, 不覆蓋。②免耕不覆蓋處理(NT), 前茬作物收獲后免耕, 不覆蓋。③免耕秸稈覆蓋處理(NTS), 前茬作物收獲后免耕并將秸稈切成5 cm長(zhǎng)度覆蓋。④立茬處理(SS), 前茬作物收獲后免耕, 留茬高度20 cm, 不覆蓋。⑤殘茬壓倒處理(SO), 前茬作物收獲后免耕, 留茬高度20 cm, 并壓倒, 不覆蓋。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù), 共15個(gè)樣方, 隨機(jī)排列, 樣方大小為6.7 m×60.0 m, 樣方的長(zhǎng)邊與主風(fēng)向一致, 這樣可以保證樣方之間不受風(fēng)的影響。

保護(hù)性耕作試驗(yàn)在2014—2017年進(jìn)行, 試驗(yàn)作物為春小麥(), 試驗(yàn)地前茬為葵花()。小麥播種使用人工手推式點(diǎn)播機(jī)穴播, 春小麥生育期灌溉5次, 年底冬灌1次, 每次約1 500 m3?hm-2, 均為漫灌。2014年3月在所有樣方用傳統(tǒng)耕作種植小麥, 7月收割時(shí)按上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)設(shè)置試驗(yàn)。2015—2017年按試驗(yàn)設(shè)置種植春小麥, 每年春季于播種后至澆頭水前、冬季于風(fēng)季來臨前后至澆冬水前, 在每個(gè)樣方中間安裝1 m高50孔(每孔口徑為2 cm×2 cm)階梯式集沙儀觀測(cè)田間風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。將集沙儀收集的田間風(fēng)蝕物采用粒度儀法(儀器型號(hào): APA2000; 產(chǎn)地: 英國(guó))進(jìn)行粒徑組成分析。于2016年春和2017年春風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)觀測(cè)時(shí)段內(nèi), 用標(biāo)桿法同步測(cè)定各處理地塊的田間風(fēng)蝕深度。2016年4月, 用風(fēng)向風(fēng)速自記儀測(cè)定田間20 cm高度處的風(fēng)速。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件, 以耕作方式為變量因素分別對(duì)土壤風(fēng)蝕參數(shù)進(jìn)行方差分析, 用最小顯著性差異LSD(<0.05)法進(jìn)行處理間差異顯著性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同耕作處理田間風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)(輸沙量)變化

從圖1可以看出, 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的整體形態(tài)呈傾斜的“L”形, 0~10 cm高度, 隨著高度增加, 輸沙量迅速減小; 10~100 cm高度, 隨著高度增加, 輸沙量逐漸增大, 上層輸沙量大于下層; 輸沙量越大, 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)形態(tài)的斜度越大。2015年春觀測(cè)時(shí)段, 只有在0~10 cm高度, 保護(hù)性耕作輸沙量明顯小于對(duì)照傳統(tǒng)耕作; 2015年冬觀測(cè)時(shí)段, 0~20 cm高度, 保護(hù)性耕作輸沙量明顯小于對(duì)照傳統(tǒng)耕作; 2016年春、冬和2017年春的觀測(cè)時(shí)段里, 保護(hù)性耕作地輸沙量明顯地小于傳統(tǒng)耕作; 2017年冬觀測(cè)時(shí)段, 只有近地面保護(hù)性耕作輸沙量明顯小于傳統(tǒng)耕作。這說明保護(hù)性耕作能減少田間輸沙量, 而且輸沙量與有風(fēng)天數(shù)和風(fēng)速有直接關(guān)系(表1): 有風(fēng)天數(shù)多, 輸沙量大; 大風(fēng)天數(shù)多, 風(fēng)蝕強(qiáng)烈, 輸沙量也大。輸沙量與土壤含水量也有很大關(guān)系, 2016年冬觀測(cè)時(shí)段比2016年春觀測(cè)時(shí)段有風(fēng)天數(shù)和大風(fēng)天數(shù)都要少, 但輸沙量2016冬是2016春的2倍多(圖1), 是因?yàn)?015年底有冬灌, 春天觀測(cè)時(shí)段土壤剛解凍, 水分含量高, 冬天觀測(cè)時(shí)段土壤已經(jīng)4個(gè)月無灌水, 且早已過了雨季, 水分含量低。土壤中水分子與土壤顆粒之間的拉張力能增加顆粒間的內(nèi)聚力, 提高土壤風(fēng)蝕的臨界風(fēng)速, 從而增強(qiáng)土壤的抗風(fēng)蝕能力[24-25]。

從圖1來看, 2015年和2017年的4次觀測(cè)時(shí)段內(nèi), 不同保護(hù)性耕作處理之間輸沙量無明顯差異; 2016年春, 殘茬壓倒輸沙量明顯大于其他3種保護(hù)性耕作措施; 2016年冬, 立茬處理輸沙量明顯小于其他3種保護(hù)性耕作措施。這與2016年的觀測(cè)時(shí)段內(nèi)大風(fēng)較多有關(guān), 大風(fēng)情況下, 不同保護(hù)性耕作處理之間輸沙量的差異能明顯顯現(xiàn)出來。

為定量比較保護(hù)性耕作與傳統(tǒng)耕作輸沙量的差異, 以及各保護(hù)性耕作措施之間的差異, 分別對(duì)0~100 cm、0~50 cm和0~30 cm高度輸沙量總和進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表2)。

從表2可知, 0~100 cm高度輸沙量, 保護(hù)性耕作處理均小于傳統(tǒng)耕作處理, 只有立茬處理在2015年冬、2016年春和2016年冬觀測(cè)時(shí)段顯著小于對(duì)照傳統(tǒng)耕作, 所有觀測(cè)時(shí)段內(nèi)其他保護(hù)性耕作處理與對(duì)照沒有顯著差異, 4種保護(hù)性耕作處理之間也沒有顯著差異。與對(duì)照傳統(tǒng)耕作處理相比, 0~100 cm高度輸沙量免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋、立茬和殘茬壓倒處理分別減少9.1%~32.1%、13.1%~30.8%、12.8%~36.4%和1.2%~26.9%, 減少幅度為立茬>免耕秸稈覆蓋>免耕不覆蓋>殘茬壓倒。

0~50 cm高度輸沙量, 保護(hù)性耕作與傳統(tǒng)耕作的差異比較明顯, 在2015年春和2017年冬觀測(cè)時(shí)段內(nèi)耕作處理之間均無差異, 其余觀測(cè)時(shí)段內(nèi)所有保護(hù)性耕作處理均顯著小于對(duì)照傳統(tǒng)耕作, 而且立茬處理輸沙量最小。與對(duì)照傳統(tǒng)耕作處理相比, 0~50 cm高度輸沙量免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋、立茬和殘茬壓倒處理分別減少12.9%~40.6%、20.3%~40.1%、19.0%~39.5%和5.5%~37.9%, 減少幅度為立茬≈免耕秸稈覆蓋>免耕不覆蓋>殘茬壓倒。

0~30 cm高度輸沙量, 保護(hù)性耕作與傳統(tǒng)耕作的差異最為明顯, 除輸沙量很小的2017年冬觀測(cè)時(shí)段外, 其他5次觀測(cè)時(shí)段內(nèi)立茬處理輸沙量均顯著小于傳統(tǒng)耕作, 立茬輸沙量最小。與對(duì)照傳統(tǒng)耕作處理相比, 0~30 cm輸沙量免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋、立茬和殘茬壓倒處理分別減少17.4%~46.7%、21.7%~45.2%、24.7%~48.2%和10.7%~42.4%, 減少幅度為立茬>免耕秸稈覆蓋>免耕不覆蓋>殘茬壓倒。

本研究試驗(yàn)地上風(fēng)向200 m以外為半流動(dòng)沙地。試驗(yàn)地0~100 cm高度風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)中, 就地起的沙塵主要集中在下層, 上層沙塵主要來源于上風(fēng)向異地沙塵源, 所以0~30 cm高度輸沙量比0~ 50 cm高度和0~100 cm高度輸沙量更為敏感地反映了各耕作處理之間的輸沙量差異, 因此, 本研究以0~30 cm高度輸沙量來說明各處理之間土壤風(fēng)蝕情況的差異。

圖1 不同耕作處理2015—2017年春、冬觀測(cè)時(shí)段田間風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)

CT: 傳統(tǒng)耕作處理; NT: 免耕不覆蓋處理; NTS: 免耕秸稈覆蓋處理; SS: 立茬處理; SO: 殘茬壓倒處理。CT: conventional tillage; NT: no-tillage with no stubble mulching; NTS: no-tillage with stubble mulching; SS: standing stubble; SO: stubble overwhelm.

2.2 不同耕作處理田間風(fēng)蝕物粒徑組成

將田間風(fēng)蝕物分為1.0~0.5 mm、0.5~0.1 mm、0.1~0.063 mm和<0.063 mm進(jìn)行粒徑組成分析(圖2)。由圖可見, 田間風(fēng)蝕物基本上由粒徑<0.5 mm的沙塵組成。0~2 cm高度近地面沙塵粒徑0.1~0.063 mm的占比傳統(tǒng)耕作處理大, 殘茬壓倒處理和傳統(tǒng)耕作相近, 免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋和立茬處理則0.5~0.1 mm的占比較大, 0.1~0.063 mm的占比較小; 各處理粒徑<0.063 mm的沙塵占比與0.1~0.063 mm的占比相似。10 cm高度處沙塵粒徑傳統(tǒng)耕作處理0.5~0.1 mm的占比較大, 各保護(hù)性耕作處理的占比較小。傳統(tǒng)耕作10 cm高度以上、各保護(hù)性耕作15 cm高度以上, 風(fēng)蝕物粒徑組成比較穩(wěn)定, 變化較小; 這個(gè)轉(zhuǎn)折高度以下, 隨著高度的增加, 越細(xì)的沙塵占比明顯減少。這個(gè)轉(zhuǎn)折高度傳統(tǒng)耕作較各保護(hù)性耕作地約低5 cm, 說明傳統(tǒng)耕作地表細(xì)粒土粒占比較多。將各高度層沙塵的粒徑組成進(jìn)行多重比較分析, 各處理相互之間均無顯著差異。傳統(tǒng)耕作近地面風(fēng)蝕物粒徑組成中較小粒徑的沙塵占比較大, 說明傳統(tǒng)耕作地表細(xì)粒較多, 容易被風(fēng)蝕; 傳統(tǒng)耕作風(fēng)蝕物粒徑組成與保護(hù)性耕作的差異未達(dá)顯著水平, 可能與保護(hù)性耕作實(shí)施年限較短有關(guān)。

表1 2015—2017年春、冬觀測(cè)時(shí)段不同日均風(fēng)速下的有風(fēng)天數(shù)

風(fēng)速數(shù)據(jù)來自于甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站。Wind data come from Gansu Minqin National Studies Station for Desert Steppe Ecosystem.

表2 2015—2017年春、冬觀測(cè)時(shí)段不同耕作處理田間0~100 cm、0~50 cm和0~30 cm高度輸沙量

CT: 傳統(tǒng)耕作處理; NT: 免耕不覆蓋處理; NTS: 免耕秸稈覆蓋處理; SS: 立茬處理; SO: 殘茬壓倒處理。不同小寫字母表示相同觀測(cè)時(shí)段內(nèi)相同高度不同處理之間差異顯著(<0.05)。CT: conventional tillage; NT: no-tillage with no stubble mulching; NTS: no-tillage with stubble mulching; SS: standing stubble; SO: stubble overwhelm. Different lowercase letters represent significant differences (< 0.05) among different treatments in the same observation time and for the same height.

2.3 不同耕作處理田間風(fēng)蝕深度和風(fēng)速

2016年春和2017年春兩個(gè)觀測(cè)時(shí)段內(nèi), 傳統(tǒng)耕作處理的田間風(fēng)蝕深度分別為(1.44±0.19) mm、(1.22±0.69) mm, 保護(hù)性耕作各處理田間風(fēng)蝕深度均為0 mm。

將20 cm高度處田間風(fēng)速按時(shí)間段分為低風(fēng)速、中風(fēng)速和高風(fēng)速3個(gè)梯度。不同風(fēng)速下, 立茬處理風(fēng)速均顯著小于其他處理, 隨著風(fēng)速的增大, 這種差異也越大; 不同風(fēng)速下除立茬以外的其他處理之間無顯著差異, 只有在高風(fēng)速下, 殘茬壓倒處理風(fēng)速顯著小于傳統(tǒng)耕作(圖3)。低風(fēng)速、中風(fēng)速和高風(fēng)速情況下, 與傳統(tǒng)耕作相比, 立茬田間風(fēng)速分別顯著降低24.1%、27.9%、39.5%。

圖2 不同耕作處理不同高度的田間風(fēng)蝕物粒徑組成

CT: 傳統(tǒng)耕作處理; NT: 免耕不覆蓋處理; NTS: 免耕秸稈覆蓋處理; SS: 立茬處理; SO: 殘茬壓倒處理。CT: conventional tillage; NT: no-tillage with no stubble mulching; NTS: no-tillage with stubble mulching; SS: standing stubble; SO: stubble overwhelm.

圖3 不同耕作處理下的田間風(fēng)速

CT: 傳統(tǒng)耕作處理; NT: 免耕不覆蓋處理; NTS: 免耕秸稈覆蓋處理; SS: 立茬處理; SO: 殘茬壓倒處理。不同小寫字母表示差異顯著(<0.05)。CT: conventional tillage; NT: no-tillage with no stubble mulching; NTS: no-tillage with stubble mulching; SS: standing stubble; SO: stubble overwhelm. Different lowercase letters mean significant differences at 0.05 level.

3 討論

本試驗(yàn)中, 河西綠洲灌區(qū)農(nóng)田0~100 cm高度風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的整體形態(tài)呈傾斜的“L”形, 0~10 cm高度, 隨著高度增加, 輸沙量迅速減小; 10~100 cm高度, 隨著高度增加, 輸沙量逐漸增大; 上層輸沙量大于下層。有研究表明保護(hù)性耕作農(nóng)田風(fēng)沙活動(dòng)層主要集中在18~40 cm高度范圍內(nèi), 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出類似象鼻形狀的“象鼻效應(yīng)”[26]; 另有研究表明輸沙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(yùn)動(dòng)[27]。這都與本研究結(jié)果不同。本研究中由于試驗(yàn)地上風(fēng)向200 m以外為半流動(dòng)沙地, 上層輸沙量主要來自于上風(fēng)向異地沙塵源, 所以風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)由類似指數(shù)函數(shù)變?yōu)閮A斜的“L”形, 風(fēng)速越大的情況下, 輸沙量越大, 來自上風(fēng)向的沙塵越多, 所以風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)形態(tài)的斜度越大; 下層輸沙量主要來自于就地起沙(塵), 所以下層輸沙量主要反映了各處理的風(fēng)沙活動(dòng)。若不考慮上層異地沙塵, 輸沙量就主要集中在近地表, 風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)形態(tài)接近指數(shù)函數(shù)。

從3個(gè)不同高度輸沙量總和的定量分析來看, 0~30 cm高度輸沙量比0~50 cm高度和0~100 cm高度輸沙量更為敏感地反映了各耕作處理之間的輸沙量差異, 因此, 本研究以0~30 cm高度風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)(輸沙量)來反映各處理的風(fēng)沙活動(dòng)及其各處理之間土壤風(fēng)蝕情況的差異更為合理。研究表明保護(hù)性耕作可以明顯減少低于25 cm高度的土壤輸沙量, 隨著高度的增加, 保護(hù)性耕作減少農(nóng)田土壤顆粒運(yùn)動(dòng)的數(shù)量相對(duì)減少[28]; 也有研究表明保護(hù)性耕作地風(fēng)蝕物主要活動(dòng)在近地表40 cm高度范圍內(nèi)[29], 這都與本研究結(jié)果相似。與傳統(tǒng)耕作相比, 本研究0~30 cm高度輸沙量免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋、立茬和殘茬壓倒處理分別減少17.4%~46.7%、21.7%~45.2%、24.7%~48.2%和10.7%~42.4%, 減少幅度為立茬>免耕秸稈覆蓋>免耕不覆蓋>殘茬壓倒。輸沙量的減少表明了風(fēng)沙流強(qiáng)度的降低, 從而反映了風(fēng)蝕量的減少。研究表明黑龍江省玉米()免耕留茬20 cm保護(hù)性耕作比傳統(tǒng)耕作輸沙量減少54.4%~94.0%, 平均為81.1%[27]; 河北小麥免耕留茬20 cm和免耕無覆蓋與傳統(tǒng)耕作相比, 輸沙量分別減少63.1%~77.4%和21.6%[30]。半干旱區(qū)的黑龍江省、河北省與本研究的干旱區(qū)河西綠洲灌區(qū)相比, 相同的保護(hù)性耕作措施免耕不覆蓋減少輸沙量的程度相近, 而免耕留茬20 cm(本研究為立茬)措施黑龍江省、河北省要比河西地區(qū)減少的多, 這可能與不同地區(qū)的土壤、氣象、農(nóng)田管理不同有關(guān)。

傳統(tǒng)耕作田間風(fēng)蝕深度為1.22~1.44 mm, 保護(hù)性耕作田間風(fēng)蝕深度為0 mm。有研究表明玉米地倒稈、立稈和翻耕風(fēng)蝕深度分別為0.2 mm、0.2 mm和3 mm[31]。這都表明保護(hù)性耕作能有效減小風(fēng)蝕深度, 本研究風(fēng)蝕深度小是由于觀測(cè)時(shí)間短, 各保護(hù)性耕作處理的田間風(fēng)蝕深度小至用標(biāo)桿法沒能測(cè)量出來, 但并不代表土壤沒有發(fā)生風(fēng)蝕。留茬對(duì)地表(20 cm高度以下)風(fēng)速有明顯的減弱作用, 其減弱程度與留茬高度無明顯關(guān)系, 僅與有無留茬有關(guān)[32]。本研究中, 立茬比傳統(tǒng)耕作20 cm高度風(fēng)速顯著降低24.1%~39.5%, 在高風(fēng)速下殘茬壓倒風(fēng)速也顯著降低。

本研究中, 與保護(hù)性耕作相比, 傳統(tǒng)耕作近地面風(fēng)蝕物粒徑組成中較小粒徑的沙塵占比較大, 表明傳統(tǒng)耕作地表細(xì)粒較多, 容易被風(fēng)蝕, 風(fēng)蝕物容易被風(fēng)吹到更遠(yuǎn)的地方, 造成較嚴(yán)重的沙塵危害, 但本研究中傳統(tǒng)耕作與保護(hù)性耕作的風(fēng)蝕物粒徑組成差異不顯著, 可能與保護(hù)性耕作實(shí)施的年限較短有關(guān)。

不同保護(hù)性耕作措施均能抑制土壤風(fēng)蝕。本研究中, 立茬抑制土壤風(fēng)蝕的效果最好。保護(hù)性耕作一方面減少了對(duì)表層土壤的人為擾動(dòng), 土壤不易被吹蝕; 另一方面殘茬和秸稈留田增加了地表粗糙度, 降低了地表風(fēng)速。因此, 保護(hù)性耕作抑制了土壤風(fēng)蝕, 降低田間輸沙量, 減小田間風(fēng)蝕深度。不同保護(hù)性耕作措施抑制風(fēng)蝕的程度不同, 傳統(tǒng)耕作對(duì)土壤進(jìn)行翻動(dòng), 土壤松散, 加之地表沒有作物殘茬阻擋, 近地表風(fēng)速大, 田間風(fēng)蝕深度較大、輸沙量也大; 立茬處理作物殘茬高, 對(duì)地表風(fēng)速減弱能力最大, 所以輸沙量也最小; 免耕不覆蓋和免耕秸稈覆蓋處理地表的人為擾動(dòng)很小, 殘茬和秸稈覆蓋減弱了地表風(fēng)速, 輸沙量也小; 殘茬壓倒處理由于在壓倒作物殘茬的過程中對(duì)表層土壤結(jié)構(gòu)有一定的破壞, 表土較易被風(fēng)蝕, 所以輸沙量也較大, 近地表風(fēng)蝕物細(xì)粒占比也接近傳統(tǒng)耕作。

4 結(jié)論

本研究中, 與傳統(tǒng)耕作相比, 0~30 cm高度輸沙量免耕不覆蓋、免耕秸稈覆蓋、立茬和殘茬壓倒處理分別減少17.4%~46.7%、21.7%~45.2%、24.7%~ 48.2%和10.7%~42.4%。田間風(fēng)蝕深度傳統(tǒng)耕作為1.22~1.44 mm, 保護(hù)性耕作為0 mm。傳統(tǒng)耕作10 cm高度以上、各保護(hù)性耕作15 cm高度以上, 風(fēng)蝕物粒徑組成比較穩(wěn)定, 變化較小; 這個(gè)轉(zhuǎn)折高度以下, 隨著高度的增加, 越細(xì)的沙塵占比有明顯減少的趨勢(shì), 但各保護(hù)性耕作與傳統(tǒng)耕作之間風(fēng)蝕物粒徑組成無顯著差異; 與傳統(tǒng)耕作相比, 各保護(hù)性耕作<0.063 mm細(xì)粒占比有減小趨勢(shì)。立茬20 cm高度田間風(fēng)速顯著降低24.1%~39.5%, 其他保護(hù)性耕作措施風(fēng)速降低不顯著。

本研究試驗(yàn)結(jié)果表明, 河西綠洲灌區(qū)不同保護(hù)性耕作措施能不同程度地減少土壤風(fēng)蝕, 立茬處理是相對(duì)較優(yōu)的保護(hù)性耕作措施, 適宜該地區(qū)推廣應(yīng)用。

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Effects of conservation tillage on soil wind erosion characteristics in the Hexi oasis irrigational area*

LI Yinke, LI Jingjing, ZHOU Lanping, LIU Guangwu, ZHANG Jinhu, ZHANG Zhiping, ZHENG Qingzhong

(State Key Laboratory Breeding Base of Desertification and Aeolian Sand Disaster Combating / Gansu Minqin National Studies Station for Desert Steppe Ecosystem / Gansu Desert Control Research Institute, Lanzhou 730070, China)

In arid areas, conservation tillage has the important advantage over conventional tillage reduction of soil erosion. Up to now, there have been few reports on effects of conservation tillage on soil wind erosion in the Hexi oasis irrigational area of China. A spring wheat field experiment was conducted to investigate the effects of different conservation tillage measures on field sediment discharge, wind erosion depth, wind erosion sediment granulometric composition, and wind speed in the Hexi oasis irrigational area, Gansu Province, Northwest China. The conservation tillage measures adopted in this study over three years included no-tillage with no stubble mulching (NT), no-tillage with stubble mulching (NTS), standing stubble (SS), and stubble overwhelm (SO), with conventional tillage (CT) as the control. The results showed that a sediment discharge of 0-30 cm could sensitively reflect the differences in sediment discharge among different tillage measures. Compared with CT, the sediment discharge of 0-30 cm decreased by 17.4%-46.7% in NT, 21.7%-45.2% in NTS, 24.7%-48.2% in SS, and 10.7%-42.4% in SO. The wind erosion depth was 1.22-1.44 mm for conventional tillage, and zero for each conservation tillage. Compared with CT, the wind erosion sediment granulometric composition of conservation tillage was no significant change, but the proportion of size of fine-grained soil (< 0.063 mm) had a decreasing tendency. The wind speed at 20 cm depth was significantly reduced by 24.1%-39.5% in SS and non-significantly reduced under other conservation tillage measures. In summary, different conservation tillage measures can control soil wind erosion to different extent in the Hexi oasis irrigational area; standing stubble was the most optimal conservation tillage measure and proved suitable for application in this area.

Conservation tillage; Soil wind erosion; Sediment discharge;Wind erosion depth; Wind erosion sediment; Hexi oasis irrigational area

, LI Yinke, E-mail: lyk819@163.com

Nov. 30, 2018;

Apr. 23, 2019

S157.2

2096-6237(2019)09-1421-09

10.13930/j.cnki.cjea.181038

2018-11-30

2019-04-23

李銀科, 主要從事荒漠化防治方面的研究工作。E-mail: lyk819@163.com

* This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41361059).

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41361059)資助

李銀科, 李菁菁, 周蘭萍, 劉光武, 張進(jìn)虎, 張芝萍, 鄭慶鐘. 河西綠洲灌區(qū)保護(hù)性耕作對(duì)土壤風(fēng)蝕特征的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(9): 1421-1429

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