譚 錦， 吳秀芹， 阮永健， 張 歡， 馮夢馨， 莎日娜

（1.北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083；2.寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，寧夏 鹽池 751500）

土壤風蝕是我國干旱與半干旱地區(qū)風沙區(qū)農田生產力下降的主要影響因素，每年多達9.1×107hm2的農田因此而棄耕［1］。土壤風蝕不僅會導致土壤結構破壞，使土壤質地粗化，還導致土壤肥力下降，可持續(xù)生產力降低［2-3］。因此，許多學者對如何抑制農田風蝕，以保護農田生產力進行了深入研究。這些研究表明，殘茬覆蓋、留茬、免耕等保護性耕作措施能夠有效降低風速，截留沙粒，消耗風能，提高土壤抗蝕性，保護農田土壤［4-6］。Gao 等［7］對內蒙古奈曼旗的農田風蝕監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，留茬保護性耕作農田的土壤風蝕量顯著低于傳統(tǒng)耕作農田；楊彩紅等［8］對比了保護性耕作和傳統(tǒng)耕作2種模式下的輸沙量，發(fā)現(xiàn)保護性耕作的風蝕量明顯低于傳統(tǒng)耕作；Pi 等［9］以美國西北地區(qū)的土壤和常見作物為研究對象進行風洞實驗，發(fā)現(xiàn)作物殘茬覆蓋對土壤表面提供了不同程度的保護，減輕了風蝕。可見，在風沙區(qū)農田進行耕作時，可以采用多種耕作措施和留茬覆蓋措施，以達到減輕土壤風蝕目的。

內蒙古自治區(qū)地處我國干旱與半干旱區(qū)，囊括了八大沙漠中的4個及其全部沙地。干燥、少雨、風沙活動強烈的惡劣環(huán)境，嚴重影響著農業(yè)的生產發(fā)展［10］。習近平主席在內蒙古考察時指出，對于內蒙古生態(tài)和農業(yè)發(fā)展，要探索出一條符合戰(zhàn)略定位、體現(xiàn)內蒙古特色，以生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展為導向的高質量發(fā)展新路子［11］。在全球氣候變化及經濟快速發(fā)展的背景下，農業(yè)種植結構急需探索一條新路子以適應復雜多變的氣候。內蒙古種植的主要傳統(tǒng)作物，包括小麥（Triticum sativum）、玉米（Zea mays）、馬鈴薯（Solanum tuberosum）、大豆（Glycine max）及向日葵（Helianthus annuus）等，已不能完全滿足科技化、生態(tài)化的種植結構［12-14］。被農業(yè)部認定為無公害有機農產品的油莎豆（Cyperus esculentus）（公告2012 年第2 號），不但具有耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿等特性，還可以從中提取優(yōu)質的植物油［15］。所以，油莎豆適合在沙區(qū)進行種植，并且能夠起到減輕土地壓力，改善環(huán)境作用，具有巨大的開發(fā)潛能，其也因此被科技部納入《全國種植業(yè)結構調整規(guī)劃（2016—2020 年）》［16-17］。2019 年內蒙古自治區(qū)與科技部啟動實施了“科技興蒙”行動，現(xiàn)代農業(yè)和生態(tài)環(huán)境建設是行動中非常重要的一環(huán)，油莎豆的推廣種植及其經濟價值、生態(tài)價值的研究則是實現(xiàn)生態(tài)產業(yè)化和產業(yè)生態(tài)化的重要舉措［18］。

油莎豆的主要經濟來源是其地下塊莖，若以獲取經濟收益為主進行種植，采收時勢必會對農田進行擾動，致使農田的土壤裸露，風蝕危害大大增加。而若以防治風蝕為主，過多的留茬必然會浪費油莎豆豐富的油脂資源。目前已有學者提出一些油莎豆的種植和采收方式來增強其防風固沙效益，包括帶狀間隔留茬、間輪作和立體種植等［19］，但是這些模式的防風固沙效益到底能達到何種程度還不是非常明確。本研究以內蒙古磴口縣烏蘭布和農場種植的油莎豆為研究對象，旨在明確油莎豆不同留茬模式對農田風蝕的影響，為該地油莎豆種植區(qū)的土壤風蝕防治工作提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏蘭布和農場油莎豆種植示范區(qū)，歸屬于內蒙古巴彥淖爾市磴口縣，地理坐標介于106°33′28″～106°34′19″E，40°27′32″～40°27′44″N 之間（圖1）。該地氣候為溫帶大陸性氣候，降雨稀少，晝夜溫差大，但光熱源豐富，無霜期長。年平均降水量僅有139.2 mm，且主要集中在7—8 月，年平均蒸發(fā)2387.6 mm，年平均氣溫7.5 ℃，最高氣溫35.5 ℃，最低氣溫-23.7 ℃，全年日照時數(shù)3263 h，6月甚至能夠達到319.3 h，無霜期可達130 d［20-21］。自然植被以灌木為主，包括白刺（Nitraria tangutorum）、霸王（Zygophyllum xanthoxylon）、梭梭（Haloxy-lon ammodendron）、沙拐棗（Calligonum mongolicum）等，還包括沙蓬（Agriophyllum squarrosum）、蘆葦（Phragmites australis）、甘草（Glycyrrhiza uralensis）等草本。土壤以風沙土為主，局部地區(qū)還分布灰漠土、灌淤土［22］。

圖1 油莎豆種植示范區(qū)Fig.1 Demonstration area of Cyperus esculentus planting

2 材料與方法

2.1 作物殘茬類型

油莎豆種植示范區(qū)以條播種植方法為主，每壟2排油莎豆，平均寬度約為0.7 m。由于不同地表特征的殘茬防風固沙能力不同［23］，加之使用的自走式油莎豆收割一體機（專利號：CN201811584002.4）以3壟為單位進行采收，結合示范區(qū)實際情況，示范區(qū)作物殘茬類型主要分為以下3 種（圖2b～d）：油莎豆純作留4 壟采收6 壟（留4 采6）；油莎豆純作留6 壟采收6壟（留6采6）；及油莎豆與梭梭的間作未采收（1 壟油莎豆搭配1 排梭梭進行間作，油莎豆和梭梭均不采收），調查時梭梭已枯萎且周圍長滿了以沙蓬為主的自然植被。前2種殘茬類型的油莎豆為東—西走向，間作未采收的油莎豆為南—北走向。同時，對全采收的裸耕地進行風蝕監(jiān)測以作對照（圖2a）。不同留茬地表特征參數(shù)見表1，土壤基本理化性質見表2。

表1 不同殘茬類型地表特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of different residue types

表2 土壤基本理化性質Tab.2 Soil basic physical and chemical properties

圖2 殘茬類型示意圖及集沙儀布設Fig.2 Schematic diagram of residue types and layout of sand collectors

2.2 輸沙通量及風沙流結構特征

在全采收地塊和不同殘茬類型的地塊中布設集沙儀進行輸沙通量的測定。集沙儀類型為組合式多通道集沙儀，共16 個梯度，分別為0～3 cm、3～6 cm、6～9 cm、…、39～42 cm、42～45 cm、45～48 cm，各通道進口寬1.5 cm，高3.0 cm，通道長度為20.0 cm（圖2e）。為能夠充分利用7 個集沙儀，并且使3 種殘茬類型中的集沙儀在大致相同的距離（以迎風距離最短的間作來參照確定）內能夠同時集沙，將1個集沙儀布設在全采收地塊作為參照，另外6 個布設在3 種不同殘茬類型的地表，每種類型布設2 個集沙儀，具體布設位置及集沙儀編號見圖2a～d。為能夠收集足夠稱量的沙，根據(jù)風力大小，風向是否能長時間穩(wěn)定及地表起沙起塵強度確定集沙時長，風速以該段時間內200 cm高度的平均風速進行記錄，監(jiān)測日期、主風向及平均風速見表3。所采集的樣品采用萬分之一精度電子秤進行稱量，并計算不同高度的輸沙通量和總集沙通量，計算公式如下［24］：

表3 不同監(jiān)測時段的平均風速和風向Tab.3 Average wind speed and direction in different monitoring periods

式中：Qk為第k個梯度輸沙通量（g·cm-2·h-1）；Q總為總輸沙通量（g·cm-2·h-1）；W為集沙量（g）；S為通道口橫截面積（cm-2）；ΔT為集沙時間（h）。

2.3 近地表風場特征

在不同殘茬類型的地塊采用手持風速儀（Smart AS8336）測定風速廓線，測量高度分為6 層，即5 cm、25 cm、50 cm、100 cm、150 cm和200 cm。在全采收地塊中，為滿足邊界層充分發(fā)育所需條件，需要保證風速儀所處位置周圍50 m以內沒有作物［25］。風速測定頻率為1/60 Hz，選取某5 min 內200 cm 高度的平均風速達到5 m·s-1時的風速梯度繪制風速廓線。3種不同殘茬類型的風速測定位置距離集沙儀2 m，集沙儀與風速測定位置連線與油莎豆種植方向平行，位置標記字母數(shù)字同集沙儀記號。

為深刻了解地表對風沙活動的影響，基于風速廓線對地表空氣動力學粗糙度和摩阻速度進行計算，粗糙度和摩阻速度越大表明地表削減風速作用越強，其計算公式如下（公式3為風速與高度對數(shù)的回歸模擬方程）［26］：

式中：uz為高度為z處的風速（m·s-1）；a、b為回歸系數(shù)；k為馮·卡曼常數(shù)，取0.4；z0為空氣動力學粗糙度（cm）；u*為摩阻速度（m·s-1）。

3 結果與分析

3.1 不同殘茬類型總輸沙通量差異

4 次不同時段的監(jiān)測中，間作未采收總輸沙通量均為最小，且顯著小于留4采6和留6采6的輸沙通量（P<0.05）。留4 采6 總輸沙通量在第1 次監(jiān)測中小于留6采6（圖3a），而后3次監(jiān)測的總輸沙通量均大于間作未采收和留6采6，甚至后2次監(jiān)測超過全采收（圖3b～d）。留6 采6 除了第1 次監(jiān)測總輸沙通量大于間作未采收和留4采6外，其他3次數(shù)值均在兩者之間（圖3）。

間作未采收和留6 采6 在4 次監(jiān)測中第1 集沙儀的總輸沙通量總是大于第2 集沙儀的總輸沙通量，表明在這2 種模式下多帶殘茬能夠較好的阻擋外來風沙。留4 采6 的總輸沙通量僅在前2 次監(jiān)測表現(xiàn)為該趨勢（圖3a～b），后2 次的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明留4 采6 已喪失防風固沙能力（圖3c～d）?？傮w來看，間作未采收的殘茬類型較其他2種殘茬類型表現(xiàn)出更好的阻沙能力。

圖3 不同留茬模式下總輸沙通量Fig.3 Total sand flux under different stubble retention modes

3.2 不同殘茬類型風沙流結構差異

不同殘茬類型的風沙流特征如圖4所示。全采收沙塵輸移高度集中在12～15 cm以下，間作未采收的集中在6 cm以下，留4采6在前2次監(jiān)測中沙塵輸移高度主要集中在12 cm 以下（圖4a～b），而后2 次監(jiān)測中12 cm以下的輸沙通量近似甚至遠超全采收相同高度下的輸沙通量（圖4c～d），留6 采6 模式輸沙通量則基本集中在9 cm 以下。結果表明間作未采收沙塵輸移高度最低，較于其他模式有更好的固沙效果，留6 采6 沙塵輸移高度較間作未采收高但是較留4采6低，而留4采6的沙塵輸移高度最高。

從不同輸沙高度的輸沙通量來看，在4 次監(jiān)測中，間作未采收中J2集沙儀各高度的輸沙通量均小于J1集沙儀，留6采6中L2集沙儀各高度的輸沙通量則小于或接近于L1集沙儀。留4采6中僅在前2次監(jiān)測表現(xiàn)出C2 集沙儀各高度的輸沙通量小于或接近于C1集沙儀（圖4a～b），后2次監(jiān)測甚至表現(xiàn)出C2集沙儀大于C1集沙儀的結果（圖4c～d）。

圖4 不同殘茬類型下風沙流特征Fig.4 Characteristics of wind-sand flow under different residue types modes

從輸沙通量與高度最優(yōu)擬合的結果可以發(fā)現(xiàn)（表4），間作未采收J1 集沙儀中輸沙通量與高度擬合關系均呈指數(shù)函數(shù)，J2集沙儀中輸沙通量與高度擬合關系均呈冪函數(shù)。其他殘茬類型中各個位置的輸沙通量與高度的擬合關系隨時間推移表現(xiàn)出不規(guī)律的變化。通常若沙粒運動集中于地面表層，輸沙通量隨高度變化更趨向于冪函數(shù)，隨著躍移沙粒含量的增加，輸沙通量隨高度變化逐漸趨向于指函數(shù)［27-29］。結果表明間作未采收相較于其他殘茬類型能夠在休耕期持續(xù)減少躍移沙粒的數(shù)量。

表4 不同殘茬類型輸沙通量（Q）與高度（H）擬合關系式Tab.4 Optimal fitting relations between sand flux and height under different residue types

3.3 近地表風場特征

為更深入了解不同模式經歷長久的風沙蝕積過程后是否還具備削弱風速能力，于2021 年3 月4日，對不同殘茬類型不同高度的風速進行測定，繪制風速廓線并計算空氣動力學粗糙度和摩阻速度。從風速廓線（圖5）可知，風速隨高度增加而增加，風速與高度的對數(shù)呈線性相關（P<0.05）。空氣動力學粗糙度和摩阻速度結果（表5）均表現(xiàn)為間作未采收最大，留6 采6 模式次之，留4 采6 和全采收模式最小。其中全采收模式和留4采6的粗糙度幾乎為0。間作未采收和留6采6中J2和L2集沙儀處的粗糙度和摩阻速度分別大于J1和L1集沙儀的，表明在觀測距離內，這2 種模式中多條防護帶能夠對風能進行持續(xù)削弱。

表5 2021年3月4日不同殘茬類型空氣動力學粗糙度及摩阻速度Tab.5 Aerodynamic roughness and friction velocity under different residue types on March 4,2021

圖5 2021年3月4日不同殘茬類型風速廓線Fig.5 Wind velocity profile under different residue types on March 4,2021

4 討 論

4.1 作物殘茬的防風作用

通過作物殘茬來對近地表風速進行削弱是保護性耕作的主要目的之一。氣流在通過障礙物時，可以分為遇阻抬升區(qū)、集流加速區(qū)、減速沉降區(qū)和消散恢復區(qū)4 個功能分區(qū)［30］，增加減速沉降區(qū)和減少消散恢復區(qū)是削弱近地表風速的關鍵。間作未采收中的油莎豆和梭梭的殘茬形成高低穿插的防護體系，相較于其他殘茬類型，可以較好的防止消散恢復區(qū)的擴大，并且存在更長更高的減速沉降區(qū)。其空氣動力學粗糙度遠大于其他2 種殘茬類型，且其J2集沙儀處的空氣動力學粗糙度是J1集沙儀處的2 倍，說明直立植物對風速的逐層削減具有重要的作用，這在之前的研究中已被多次證明［31-32］。

留4 采6 和留6 采6 可能并不能使減速沉降區(qū)完全覆蓋住帶間裸露地。前人的研究表明，風的剪

應力恢復距離為粗糙元高度的4.8～10.0 倍［33］，所以即使在油莎豆殘茬高度最高的時候，風的剪應力也會在2種殘茬類型帶間地的某處恢復。一旦超過顆粒起動的臨界風速，新一輪的風沙流形成，再次遭遇下一條殘茬帶時便會發(fā)生沉積。隨著沉積沙粒的累積，殘茬帶中開始產生沙埋，進而降低殘茬的高度和蓋度，這也是留4 采6 較早損失防風能力的重要原因，其空氣動力學粗糙度已基本為0［34］。前人的研究結果也同樣表明了高度和蓋度低的殘茬削風效果相對較差［23,33］。因此，單一的寬條帶式油莎豆殘茬削減風速的作用不如高低穿插搭配的作物殘茬。

4.2 作物殘茬結構對風蝕的影響

從總輸沙通量和風沙流特征來看，隨著時間的推移，具有更寬殘茬帶的留6采6較于留4采6表現(xiàn)出更好的固沙作用，這與蔡福等［35］對帶寬與風蝕量關系的研究結果表現(xiàn)一致。但是僅僅只考慮殘茬的寬度是不夠的，土壤風蝕的過程是風蝕和風積的機械疊加，能否使殘茬在漫長的休耕期保持足夠的高度和蓋度也是至關重要的［36］。間作未采收中，作為直立植物的梭梭和草本植物的油莎豆高低搭配，加之帶間距相對更窄，具有良好的屏蔽功能，不僅能沉降外來風沙，同時也能夠抑制帶間起沙。間作未采收的固沙優(yōu)勢從總輸沙通量和各高度的輸沙通量小于其他2 種殘茬類型的可以看出，有研究也表明了合適的帶間距和殘茬高度對風蝕具有重要的抑制作用［37-38］。同時，不可忽視的一點是，在梭梭林帶下出現(xiàn)了以沙蓬為優(yōu)勢種的自然植被群落，調查發(fā)現(xiàn)某些梭梭帶下自然植被的覆蓋度甚至能達到5%以上，這對于抑制帶間地的沙粒起動有非常大的幫助。這種帶間地出現(xiàn)自然植被的現(xiàn)象也在之前的研究中出現(xiàn)，其發(fā)現(xiàn)合適的帶間距能夠幫助自然植被定居，加強區(qū)防風固沙效果［39-40］。所以，選擇合適的采收間距及搭配合適的直立植物進行間作，會有益于在油莎豆采收后漫長的休耕期更好地減輕農田風蝕。

5 結論

（1）在油莎豆耕作區(qū)休耕期中，間作未采收模式防風固沙效能最為突出，其更強地削弱了近地表風速，具有更穩(wěn)定持久的固沙作用。油莎豆種植可以考慮選擇合適的采收間距及搭配合適的直立植物進行間作，以在油莎豆采收后漫長的休耕期通過留茬來減輕風蝕，保護農田。

（2）留6采6雖然具有削風的能力，并能夠減少一定的輸沙通量，但是防風固沙作用不如間作未采收。留4 采6 則會過早的損失防風固沙能力，不足以達到控制整個休耕期農田風蝕的目的。總體而言，單一的寬條帶式油莎豆殘茬削減風速的作用不如高低穿插搭配的作物殘茬。

（3）殘茬保留時間長，防風固沙效果穩(wěn)定，結構搭配合適的殘茬類型是減輕土壤風蝕的關鍵措施之一，這對于干旱區(qū)農田的可持續(xù)發(fā)展有重要作用。