保护性耕作对土壤风蚀的影响

范清成，王飞，穆兴民，刘振东，李锐

(1.中国科学院水利部水土保持研究所，712100，陕西杨凌;2.中国科学院研究生院，100049，北京;3.西北农林科技大学水土保持研究所，712100，陕西杨凌)

土壤风蚀是土地沙漠化过程的重要组成部分和首要环节［1］。在黄土高原的西部地区和北部地区由于气象条件和土壤状况等因素的影响，土壤风蚀较为严重［2］。黄土高原北部风蚀水蚀交错区冬春季地表植被覆盖率低，并且同期风速较大，易发生风蚀［3］。许多研究［4-9］表明保护性耕作措施能够有效减少风蚀，秸秆覆盖能够保护覆盖区域免受风的吹蚀，而留茬能够降低近地面风速，阻挡沉积风蚀物。垄作也能够减少风蚀，垄向、垄高和垄间距等垄作结构影响着土壤风蚀速率。笔者采用室内风洞模拟实验，研究秸秆覆盖、留茬和垄作对土壤风蚀的影响，通过对土壤风蚀定量分析研究不同保护性耕作措施的防风蚀效应，并以此为根据探索有效减少农田风蚀的方法。

1 材料与方法

1.1 实验土样采集

实验样品采自黄土高原北部神木县六道沟流域附近，该区位于黄土高原北部水蚀风蚀交错区，多年平均降水量437.4 mm，年均温度8.4℃，无霜期169 d，盛行风向NW，年蒸发量785.4 mm，属半干旱气候。该区土壤以绵沙土、沙黄土和坝堤淤土为主，主要种植玉米(Zea mays L)、谷子(Setaria italica)和小麦(Triticum aestivum Linn)等作物，种植制度为一年一熟，耕地以旱作坡耕地为主。

实验土壤样品为缓坡耕地表耕作层0～20 cm土壤，土壤类型为盖沙黄土，粒径 ＜0.001 mm、0.001～0.05 mm和＞0.05 mm分别为15.19%、36.90%和47.91%，风干后平均土壤含水量为1.0%左右。

1.2 实验风洞与风速处理

实验在中国科学院水利部水土保持研究所室内风洞实验室进行。风洞(图1，省略支架)全长19 m，分为动力段、调节段、整流段、实验段和集沙段。主要截面宽1 m、高1.2 m，风机出口截面直径1.4 m，通过配套变频器(0～50 Hz)调节风速，风速在0～15 m/s范围内连续可调，风洞内风速截面风速均匀性良好，σ≤±0.25%(σ为截面任一点气流速度与气流平均速度相对偏差的均方根)。

在实验段前设置风速仪测定不同高度的风速，在集沙段设置集沙仪收集不同高度风蚀物，并在集沙段末端设置拦挡装置收集全沙。实验风速以风洞上风向高程30 cm处风速为基准，分别设定6、8、10和12 m/s 4种风速，每次吹蚀时间为15 min。

1.3 实验设计与土样处理

图1 实验风洞结构示意图Fig.1 Wind tunnel structure

将实验土壤按照野外农田耕地密度设计称量并装入土槽(尺寸为1.25 m×1.00 m×0.12 m)，将土槽推入实验段使土壤表面与风洞底部表面持平。模拟实验设计(表1)包括1个土壤表面裸露对照处理(CK)和3种保护性耕作措施的7个处理:小麦留茬处理茬高分别为20、10和5 cm，行距15 cm;秸秆覆盖包括4 210和2 105 kg/hm22种覆盖量;垄作处理土垄高7 cm，垄间距为35 cm，垄沟比为1∶5，垄向设置横垄(垄向和风向垂直)和顺垄(垄向和风向平行)。

表1 不同保护性耕作措施设计Tab.1 Treatments of tests

1.4 实验数据测定和处理

用15 cm高、5 cm宽的集沙仪收集0～60 cm(0～15、15～30和45～60 cm)高度的风蚀物，并在末端挡网下端收集风蚀物，在105℃烘箱内烘干至质量不变，用精度1/100的电子天平称量，并在土槽上风向处安置风速仪测定风速变化。实验结果数据用Excel和SPSS软件进行处理，分析不同耕作方式的土壤风蚀速率及其之间的差异性，拟合风蚀速率与风速变化曲线方程。

2 结果与分析

2.1 不同耕作方式的风蚀速率

实验结果表明，留茬和秸秆覆盖都能够有效减少风蚀，而垄作处理时的风蚀速率与垄向和风向关系很大。与CK相比(表2)，除T7的平均风蚀速率增加外(增幅约为41.26%)，其余耕作方式均可以减少风蚀速率，其中高覆盖处理T4减蚀能力最大，平均风蚀速率减幅达到62.78%，T6减蚀能力较小(29.91%)，其余处理减蚀能力在38% ～49%之间。当垄向与风向平行时，土壤风蚀加剧，主要可能因为垄间风速增加会吹蚀垄沟以及两侧的松散土壤，而当风向垂直于垄向时，近地面风速会因为垄的存在而降低，从而降低风蚀速率。

2.2 风蚀速率与风速关系

不同风速对各耕作方式下土壤侵蚀的程度不同(表2)，风速为6 m/s时T1～T7的风蚀速率差异不大，其中T6风蚀速率较小与其他处理差异较大，主要是因为此时风速较小，土壤风蚀能量也较小，因此，各个处理间土壤风蚀速率差异不明显，而垄作能够起到阻挡作用有效地减少风蚀。风速大于8 m/s时不同处理方式间的风蚀速率差异变大，如当风速为8 m/s时T5的风蚀速率小于T2和T3，但当风速大于10 m/s时T5风蚀速率与T2、T3差异减小，反映出风蚀的复杂特点。

表2 不同耕作方式下的土壤风蚀速率Tab.2 Wind erosion rates of different tillage and wind speeds

国内外许多风蚀风洞研究［5-9］表明风蚀速率与风速呈现非线性相关，本文通过SPSS软件分析实验结果，对不同耕作方式下土壤风蚀速率(Q)和风速(v)进行曲线模拟(表3)，由于实验条件的差异，CK风蚀速率与风速呈显著性线性相关，R2达到0.98。其他耕作方式下的土壤风蚀速率与风速都呈现幂函数关系，R2都大于0.9，呈显著相关。

表3 风蚀速率(Q)与风速(v)拟合曲线方程Tab.3 Curve-fitting equation between wind erosion rate and wind velocity

2.3 土壤风蚀速率与耕作方式的关系

2.3.1 与留茬高度的关系 相同风速下土壤风蚀速率随着留茬高度的升高而降低(图2)，在风速小于10 m/s时留茬高度5 cm与留茬高度10 cm的风蚀速率相差不大，留茬高度达到20 cm时风蚀速率明显降低，此时留茬减少土壤风蚀的效果最好。当风速达到12 m/s时，留茬高度20 cm的风蚀速率略微较高，这可能是由于大风作用秸秆发生倾斜使阻挡作用降低，但总体上风蚀速率随着茬高的增加还是呈现降低趋势。

图2 不同留茬高度与土壤风蚀速率Fig.2 Wind erosion rates with stubble heights

2.3.2 与秸秆覆盖量的关系 不同秸秆覆盖量下的土壤风蚀速率研究结果(图3)表明:在相同风速下土壤风蚀速率随着秸秆覆盖量的增加而降低。风速小于8 m/s，秸秆覆盖量大于2 105 kg/hm2时土壤风蚀速率几乎为0。当覆盖量达到4 210 kg/hm2时，

风速小于12 m/s时防风效果显著。

图3 不同秸秆覆盖量与土壤风蚀速率Fig.3 Wind erosion rates with mulching weights

2.3.3 与垄向之间的关系 垄向与风向的角度影响着风蚀速率，实验结果(图4)表明垄向与风向垂直可以有效的减少风蚀，垄向与风向平行则加剧风蚀作用的发生。风速≤8 m/s时顺垄(垄向与风向平行)的风蚀速率与CK相差不大，大于8 m/s时风蚀速率则明显大于CK。而风速达到12 m/s时，横垄(垄向与风向垂直)的风蚀速率与CK相差不大，可能是由于大风作用破坏土垄从而加剧风蚀。

2.4 风洞模拟土壤风蚀风沙流结构

通过不同风速下不同耕作方式0～60 cm高度范围内输沙量的观测结果(表4)分析，风洞内风蚀风沙流结构特征体现在以下4方面。

图4 不同垄向与土壤风蚀速率Fig.4 Wind erosion rates in various ridge direction

表4 不同耕作方式和风速下输沙量垂直分布特征Tab.4 Sand discharges of different heights from 0 to 60 cm of each tillage

1)同一风速下，T1～T5处理的0～60 cm总输沙量均小于CK，T4的总输沙量最小，其次是T5，T1～T3之间的总输沙量差异不大。T6和T7在风速≥10 m/s时0～60 cm总输沙量大于CK。

2)各个处理的风蚀输沙量主要集中在0～15 cm高度，其中T6(横垄)45～60 cm的输沙量所占比例较高，可能是由于垄向与风向垂直而起到抬升的作用，使得风蚀物质也随之抬升。

3)随着风速的增加，0～15 cm高度的输沙量比例逐渐升高，45～60 cm高度的输沙量比例降低，说明近地表输沙强度增加。

4)留茬处理方式0～15 cm高度输沙量比例随着留茬高度的降低而减少，15～30 cm输沙量比例则随着留茬高度的降低而增加。秸秆覆盖下0～15 cm输沙量比例随着覆盖量的增加而降低;但由于秸秆覆盖下的总输沙量较小，因此，防风蚀效果较好。垄作不同高度的输沙量比例因垄向与风向的角度不同而差异很大，T7(顺垄)输沙量高度分布与CK一致，T6(横垄)输沙量高度分布与之相反。

3 结论与讨论

1)不同保护性耕作措施对土壤风蚀防治效果不同。留茬和秸秆覆盖与裸土对照相比均能减少土壤风蚀，垄作防风蚀效应则受到垄向的影响，垄向与风向垂直能够减少风蚀，垄向与风向平行则加剧风蚀。相同风速下土壤风蚀速率随着留茬高度的升高而降低，随着秸秆覆盖量的增加而降低。横垄在低风速下能够减少风蚀，当风速较高时阻挡效果并不明显。

不同保护性耕作下的土壤风蚀速率与风速呈现显著性幂函数关系，裸土对照则呈现显著性线性相关。

2)秸秆覆盖和留茬处理0～60 cm总输沙量小于垄作和裸土对照。垄作在风速较低时总输沙量小于裸土对照，风速较高时输沙量则大于裸土对照。横垄输沙量主要集中在45～60 cm高度，而其他处理方式的输沙量主要集中在0～15 cm。0～15 cm高度的输沙量比例随着风速的增加而升高。

综上所述，秸秆覆盖和留茬都能够有效减少风蚀危害，而垄作则可以在低风速条件下有效地防治风蚀，同时垄向要根据当地盛行风向进行选择。本研究中留茬高度20 cm防治风蚀效果较好，但秸秆不宜过高，会对农业生产带来不便。秸秆覆盖量越大对风蚀防治效果越好，但风速越大覆盖的秸秆会产生损失;因此，秸秆覆盖应与留茬结合使用，可以更有效的防治风蚀。

以上结论基于室内风洞模拟实验，还应该结合野外田间风蚀实验研究进行一步研究。

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