春、秋整地对吉林省西部农田风蚀、土壤含水量、土壤温度的影响研究

靳英华,周道玮,彭 菲,肖 荣,贺欣欣

(1.东北师范大学城市与环境科学学院,吉林长春130024; 2.中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林长春130012)

春、秋整地对吉林省西部农田风蚀、土壤含水量、土壤温度的影响研究

靳英华1,周道玮2,彭 菲1,肖 荣1,贺欣欣1

(1.东北师范大学城市与环境科学学院,吉林长春130024; 2.中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林长春130012)

对比研究了春、秋整地对吉林省西部农田风蚀、土壤含水量、土壤温度的影响.结果表明:由于西部地区春季的大风天气和很少的降水量,春天整地导致土壤含水量减少、风蚀加剧;对比春整地,秋整地的苗床土壤可风蚀率和风蚀数量都较小,土壤含水量较高,土壤温度略低.因此,在该地区应以秋整地代替春整地;如果不能进行秋整地,春整地也要延迟到4月25日以后进行.

春、秋整地;风蚀;土壤含水量;土壤温度

春整地是吉林西部农民广泛采用的生产活动,然而,春季的大风天气和很少的降水,使春整地可能导致土壤蒸发加大、土壤含水量减少和风蚀加剧;而秋整地仅被很有限的具有一定科学知识的农民所使用.本文对比研究了春、秋整地对农田风蚀、土壤水分和土壤温度的影响,目的是根据该地区的气候和实际生产状况,探讨调整整地时间能否减少该地区农田整地过程中存在的风蚀和散墒问题.具体内容是:①春整地比秋整地产生更严重的土壤风蚀;②秋整地无论是播种深度还是深层土壤含水量都比春整地高;③秋整地的地温低于春整地,但是对出苗和幼苗定居无显著影响.

1 材料与方法

1.1 实验地点

2003-2004年,2006-2007年在东北师范大学草地科学研究所松嫩草地生态研究站(44°40′N, 123°44′E,海拔167 m)开展本实验.该地区农田土壤类型为风沙土,粗砂占61%,粉砂占18%,黏粒占21%,田间持水量24.3%,永久萎蔫点3.6%.土壤的有机质含量相对较低(见表1).研究区年平均温度5.2℃,活动积温2920℃,无霜期140～160 d,年平均降水量453 mm,大约70%的降水都集中在5-9月份,为387.3 mm.年平均蒸发量1600 mm,大约是降水量的3.5倍.年平均风速3.5 m/s,春季平均风速最大,春季风速在10.8～13.8 m/s之间的天数有21 d,在17.2～20.7 m/s之间的天数有14.4 d, 4月份最大风速达28 m/s.春季的干旱(3-5月)和大风(17.2～20.7 m/s)是该地区气候的典型特征.

表1 地下0～30 cm深农田土壤的特性

1.2 实验设计和测定指标及方法

实验布置于两个相邻的地块,一个小区为秋整地处理,另一个小区为春整地处理.每个小区长400 m,宽40 m,两个相邻的小区中间设置20 m的缓冲区.

春、秋整地时,不翻地,直接用四轮拖拉机牵引三铧犁打垄,然后镇压.垄距65 cm,垄高18～20 cm.秋整地分别在2003和2006年的10月29日进行,春整地在2004年4月22日和2007年4月13,22日进行.

2004年4月23日在两个小区分别取土壤样品,测定土壤容重.用环刀在每个小区随机选择的5个地点的垄台、垄沟由地表到地下60 cm,每10 cm取一个土壤样品.

2004年4月23日～4月30日测定土壤含水量.用土钻在每个小区随机选择的5个地点的垄台、垄沟从地表到地下60 cm,每10 cm取一个土壤样品.将土壤样品放置在封口袋里带回室内;部分土样1 h后装入土壤铝盒中,密封、称重,然后在105°C的烘箱中烘干至恒重.计算重量含水量,并根据每层的土壤容重把重量含水量转化成容积含水量.

2004年4月23～30日和5月5日,每天在2:00,8:00,14:00和20:00,用曲管地温表测量每个小区垄台和垄沟5,10 cm深度的土壤温度.

2003年10月29日在秋整地的小区垄台、垄沟和2004年4月23日春整地的垄台随机选择5个点,从地面向下0～2,2～5和5～10 cm分3层分别收集0.5 kg的土壤样品,土样放入塑料袋带回室内,用离心式粒度分析仪(Japan SA-CP3)分析粒径分布.

用标杆法测量两个小区垄台和垄沟的土壤风蚀数量[1].在每个小区用60根25 cm长的木杆插入垄台20 cm和垄沟10 cm处,在齐地表的位置做标记.秋整地在2003,2006年10月29日插杆;春整地在2004年4月22日和2007年4月13,22日插杆.最后在2004和2007年的4月30日记录杆与地面的接触位置.前一次减去后一次,负值代表吹蚀,正值代表堆积.春、秋整地平均吹蚀和堆积数量是垄沟和垄台吹蚀和堆积的和.

1.3 土壤可风蚀率

土壤可风蚀率计算公式为:Ef=(29.09+0.31Sa+0.17Si+0.33Sa/Cl-2.59OM-0.95Ca)/100.式中:Ef为土壤可风蚀率;Sa为砂的含量;Si为粉砂含量;Sa/Cl为砂/黏粒含量比;OM为有机质含量; Ca为碳酸钙含量.

在这个公式中矿质土的潜在可风蚀率可以用它的物理和化学性质来定量评估[2].用这个公式可以评价小区里由于种植、耕作、天气和其他实践造成的土壤可风蚀率的变化.理论上,只要土壤表面覆盖可蚀性物质,当风速高于临界值,风蚀就会发生.可风蚀的部分是位于地表向下5 cm的土层中直径小于0.84 mm的土壤颗粒.

1.4 统计分析

用SPSS13.0统计分析软件分析土壤含水量差异.在对数据进行了常态和同质性检验后,采用单因素方差分析检验不同实验处理对土壤含水量的影响.

1.5 气象资料

本文选用了1951-2007年吉林省西部5个气象台站的逐日风速、降水量资料.台站包括白城、通榆、乾安、前郭、长岭,并将各站的逐日风速、降水量数据处理成月、年系列.

2 结果与讨论

2.1 吉林西部整地期风速、降水分布特征

该区在1951—2007年间的年平均风速为3.45 m/s.春季(3—5月)平均风速最大,达到4.37 m/s;秋季(9—11月)风速比较大,平均为3.37 m/s;冬季(12,1,2月)风速比较小,平均为3.06 m/s;夏季(6—8月)风速最小,平均为2.99 m/s.

图1 风速的年内变化 (1951-2007年平均值)

一年中风速的变化曲线呈双峰型,一个高峰和一个次高峰.1月份风速开始上升,到4月份达到全年的最高值4.76 m/s;5月份风速开始下降,8月份达到最小值2.67 m/s;9月份风速又开始增加,到11月份达到全年的次高值3.54 m/s,12月份风速又有所下降(见图1).4月份6级大风天数为8.9 d,8级大风天数为6.2 d;11月份6级大风天数为2.3 d,8级大风0.8 d.4月上、中、下旬的风速在逐渐增大, 4月下旬达到最大值.10月下旬和11月上旬风速达到了次高值,而后风速减小(见图2).

图2 一年中各月各旬风速变化(1951-2007年平均值)

吉林西部降水量少且分布不均匀(见图3).春季降水量为44.7 mm,3,4,5月分别为3.5,11.8,29.4 mm.57年中三分之二的年份4月份的降水量在10 mm以下,四分之一的年份少于5 mm.表2是4月1日到5月5日每5 d的平均降水量和平均无雨天数.在4月20日前连续无雨天数多,如果有降水,降水量也极少,甚至少于2 mm.

图3 降水量的年内变化(1951-2007年平均值)

吉林西部农民整地多从4月上旬开始,持续到4月下旬,此时正值春季风速最大、降水较少的时期.在生产习惯上,由于秋收后到封冻前的时间较短,农民忙于晾晒粮食、卖粮和准备过冬的薪柴,以及让牲畜在农田里溜茬等原因,使吉林西部农民很少在秋季整地.11月份风速处在全年的次高值时期,但是11月从上旬到下旬风速是逐渐减小的,且12月份大地封冻,风速明显减小.因此从风和降水的季节特征看:11月初到封冻前是适合进行秋整地的时期,而春季不适合整地.4月下旬风速最大,不适合整地,但已到了播种期,4月25日以后降水略有增加,因此可在4月25日以后进行春整地.

表21951-2007年4月1日-5月5日各候的降水量和无雨天数

2.2 春、秋整地对土壤风蚀的影响

2.2.1 春、秋整地对土壤可风蚀率的影响

利用土壤可蚀率计算公式,根据春整地以后春、秋整地苗床的理化性质(见表3)可以评估春、秋整地苗床土壤潜在的可蚀性.E春-E秋=0.008,说明春整地苗床的潜在可蚀性大于秋整地.

过去的研究表明土壤表面的性质例如湿度、容重也影响风蚀[3].土壤越湿润,风蚀越小,结果显示春季里秋整地苗床的土壤容重高于春整地苗床(见表3),因此在春季里秋整地的农田由于土壤容重大,也可以减少土壤风蚀.

表3 春、秋整地苗床的理化性质

2.2.2 春、秋整地对风蚀数量的影响

对于春整地吹蚀发生在垄台上,堆积发生在垄沟里,垄台的吹蚀数量高于垄沟的堆积数量,所以春整地的农田总体上发生了吹蚀.秋整地垄沟的堆积数量略高于垄台的吹蚀,所以秋整地的农田总体上有较少的堆积.在春季4月份,越早整地,风蚀数量越大(见表4).

表4 春、秋整地的风蚀量 cm

在秋整地后形成的垄台顶部粒径小于0.5 mm的土粒大约占90%,并且向深层有减少的趋势;1～0.5 mm粒径的土壤颗粒在顶部超过5%,向下层有增加的趋势;粒径大于1 mm的土壤颗粒在表层很少,向下比例略有增加(见表5).

表5 秋整地后苗床垄台、垄沟的土壤粒径分布 %

当土壤粒径大于1 mm时,不发生土壤风蚀.高于临界风速,粗粒(粒径1～0.5 mm)一般不会被风吹离地面,只会在大风吹动下沿地面滚动.细粒(粒径0.5～0.1 mm)会被风吹离地面,但不能升上高空,而是在近空跃动前进,一般在0～1.5 m的高度内,风大时跃起,风小时落下.粗粒和细粒都只能移动几十米、几百米或几千米的短距离,不能长途移动.只有微粒(粒径小于0.1 mm)才能被风吹到高空,移动到远方.该区域农田多为风沙土,在秋整地的垄台上0～5 cm顶层可蚀性土壤颗粒的比例大,将增大风蚀的可能性.但是这种风蚀可能性在一定范围内会因为冬天土壤被冻结和风速较小而被减少.

研究表明,垄作系统通过把跳跃的土粒捕获进垄沟,有助于减小风蚀[4-7];也有研究表明,如果垄高大约10 cm,土壤疏松并且垄的顶部可蚀性土粒增加,土壤风蚀会更严重[5].春天较晚整地的垄高(18～ 20 cm)显著高于较早整地的(10～12 cm),因此晚整地的潜在可蚀性低.同时在晚春降水有增加趋势,因此在春天较晚整地有助于减少土壤风蚀.

秋整地的土壤,在秋季被疏松,其后在冬季和春季再次被紧实;而春整地的土壤在春季被疏松,由于春季多大风天气,因此吉林西部农田春整地比秋整地将存在更高的风蚀风险.在土壤风蚀方面,该区域农民进行春天整地可能带来严重的农田生态问题.

2.3 春、秋整地对土壤含水量的影响

图4a是在早春大地土壤已经融化尚未进行春整地前的土壤含水量,结果显示:在0～10 cm深度,秋整地垄台和春整地前垄台的土壤含水量基本相同,但是秋整地垄沟土壤含水量显著低于春整地前的垄沟.在10～20 cm深度,秋整地的垄台和垄沟的土壤含水量都高于春整地的,并且无论春、秋整地垄沟含水量都高于垄台.对于20～60 cm深度,春、秋整地的土壤含水量差异不大.

春整地的第二天,在0～10 cm深度春整地的垄台和垄沟土壤含水量都高于秋整地的.然而10～60 cm深度春整地垄台和垄沟土壤含水量都显著低于秋整地的(见图4b).

随后,春、秋整地土壤表层(0～10 cm)的含水量都快速下降,但是春整地土壤含水量下降的比秋整地的迅速(见图4c).在10～20 cm深度,春、秋整地土壤含水量没有显著差异;在20～60 cm的深层,春整地的土壤含水量显著低于秋整地的.

图4d表明,雨后春、秋整地的土壤含水量都迅速增加,但是秋整地高于春整地.

直到播种前春整地的土壤含水量下降的都比秋整地的快,0～30 cm深度的土壤含水量春整地显著低于秋整地(见图4e).

春整地与秋整地的土壤含水量对比结果显示,仅在春整地的第二天,春整地表层土壤含水量较高,这可能是由于在春整地起垄时,把下层湿土翻到了表层,增加了土壤湿度.之后由于春整地苗床更加疏松,在多大风天气情况下,使土壤蒸发加剧,造成了春整地表层土壤含水量快速下降.

除表层外,秋整地苗床的土壤含水量高于春整地,可能的原因是:经过一冬天,在秋整地的垄沟、垄台表面形成了干土层,这个干土层截断了毛管水的上升,成为水分蒸发的障碍,所以在秋整地的深层积累了更多的早春冻融水,以至于秋整地深层更湿润.另外秋整地苗床土壤的持水能力高于春整地,可能的原因是:秋整地的苗床经过一冬一春形成了很好的土壤结构.

图40～60 cm土壤剖面上的土壤容积含水量

2.4 春、秋整地对土壤温度的影响

春整地苗床的垄台和垄沟5 cm和10 cm深度的土壤温度均高于秋整地的.在5 cm深度秋整地垄台上的土壤温度与春整地的差异很小,但是在垄沟里5 cm深度土壤温度差异较大,低1℃～1.5℃(见图5a);垄沟和垄台10 cm深度春、秋整地的土壤温度的差异与5 cm深度的差异正好相反(见图5b).

图52004年春、秋整地垄台和垄沟在5 cm(a)和10 cm(b)深度的地温

春、秋整地苗床土壤温度不同的原因可能是秋整地的土壤含水量高于春整地,所以导致秋整地苗床土壤温度低.

该地区在4月末5月初播种,无论是春整地苗床还是秋整地苗床的垄台和垄沟5 cm和10 cm深度的土壤温度均高于10℃.

3 结论

基于以上分析,我们的三个假设都是正确的,建议在吉林西部农民应以秋整地代替春整地.如果不能秋天整地,在春天整地也要延迟到4月25日以后.由于土壤含水量垄沟高于垄台,垄沟的土壤温度比垄台略低,垄沟又可以减小风蚀,在该地区可探讨垄沟播种代替垄台播种.

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(责任编辑:方 林)

Effects of spring/autumn seedbed preparation on wind erosion,soil water and soil temperature of cropland in the western of Jilin Province

J IN Ying-hua1,ZHOU Dao-wei2,PENG Fei1,XIAO Rong1,HE Xin-xin1
(1.College of Urban and Environmental Sciences,Northeast Normal University,Changchun 130024,China; 2.Northeast Institute of Geography and Agroecology,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130012,China)

The aim of this study is compare to effects of spring and autumn seedbed preparation on wind erosion,soil water and soil temperature of cropland in the western of Jilin Province.Results showed that:spring seedbed preparation increases soil evaporation because of the occurrence of gale and low precipitation in this season,resulting in decreased soil water content and serious wind erosion.In comparison with spring seedbed preparation,the soil erodible fraction and the amount of soil erosion was less,soil water content was significantly higher and soil temperature was lowish for autumn seedbed preparation.Based on these results,spring seedbed preparation should be replaced by autumn seedbed preparation.The date of seedbed preparation should be postponed after 25thApril in spring,if seedbed preparation could not be conducted in autumn.

spring/autumn seedbed preparation;wind erosion;soil water content;soil temperature

S 281[学科代码]210·2050

A

1000-1832(2010)04-0126-06

2010-06-13

吉林省科技发展计划项目(20070559).

靳英华(1968—),女,博士,副教授,主要从事区域气候变化、农田生态学研究;通讯作者:周道玮(1963—),男,博士,教授,博士研究生导师,主要从事恢复生态学、草地农业研究.