河西绿洲灌区保护性耕作防风蚀效应的风洞试验研究

李菁菁，李 毅，李银科，周兰萍，张进虎，郑庆钟，刘光武，张芝萍(.甘肃农业大学 林学院，甘肃 兰州 730070； .甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070)

河西绿洲灌区保护性耕作防风蚀效应的风洞试验研究

李菁菁1,2，李 毅1，李银科2，周兰萍2，张进虎2，郑庆钟2，刘光武2，张芝萍2

(1.甘肃农业大学 林学院，甘肃 兰州 730070； 2.甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070)

保护性耕作；风洞试验；风蚀；河西绿洲灌区

通过对河西地区民勤县绿洲春小麦生产田实施保护性耕作，采用风洞试验，以传统耕作为对照，从风蚀量、风速廓线、风蚀速率和地表粗糙度等方面比较分析了不同保护性耕作措施(免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖、残茬压倒处理)的防风蚀效应。结果表明：与传统耕作相比，保护性耕作土壤风蚀量减少，地表风速减小，土壤风蚀速率降低，地表粗糙度增大，土壤风蚀速率与地表粗糙度呈负相关关系。不同保护性耕作措施抑制风蚀的程度不同，4种耕作方式的风蚀速率从大到小依次为传统耕作、残茬压倒、免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖，其中免耕秸秆覆盖处理的防风蚀效应最佳。

土壤风蚀是导致干旱、半干旱和部分半湿润地区土地沙漠化与沙尘暴灾害的首要因素，也是世界上许多国家和地区的主要环境问题之一。甘肃河西绿洲地区深处内陆腹地，光热、土地资源丰富，是甘肃省最主要的产粮区，但该区风大沙多、气候干旱、水资源有限，同时也是沙尘暴的重灾区和我国三大沙尘源区之一[1]。河西绿洲大面积种植春小麦，农民长期采用传统耕作技术，土壤表土细碎，冬春裸露休闲，在西北季风的强劲作用下，农田土壤风蚀严重，成为制约该地区农业生态环境建设的因素之一。农田土壤是沙尘的主要来源[2-3]，而保护性耕作是防止农田风蚀的有效方法[4]。本研究以不同保护性耕作措施种植春小麦为试验对象，以传统耕作为对照进行风洞试验，比较研究保护性耕作的防风蚀效应，以期为甘肃河西绿洲地区有效控制农田风蚀提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于巴丹吉林沙漠东南缘的民勤治沙综合试验站，地理位置103°51′E、38°38′N，海拔1 378 m。该区域属于典型的温带大陆性荒漠气候区，冬季寒冷，夏季酷热，昼夜温差大，年平均气温7.6 ℃，极端低温-30.8 ℃，极端高温40.0 ℃，无霜期175 d；降水量小，蒸发量大，气候干燥，年均降水量113.2 mm，年均蒸发量2 604.3 mm，干燥度平均5.1、最高达18.7，相对湿度47%；光热充足，年均日照时数2 799.4 h，≥10 ℃活动积温3 036.4 ℃；冬季盛行西北风，全年风沙日可达83 d，多集中在2—5月份，年均风速2.5 m/s，最大风速23.0 m/s；土壤为碱性沙土，沙层深厚，肥力很差，含盐量0.146%，有机质为0.197 5%，全氮0.007 9%，全磷0.116 0%，pH值为8.3；潜水埋深16 m以下。

1.2 试验设计

在甘肃省民勤治沙综合试验站设计以下几种保护性耕作方式进行试验：①传统耕作处理(CT)，前茬作物收获后深耕灭茬，耙耱整平，不覆盖。②免耕不覆盖处理(NT)，前茬作物收获后免耕，不覆盖。③免耕秸秆覆盖处理(NTS)，前茬作物收获后免耕并将秸秆切成5 cm长度覆盖，调查秸秆还田量和覆盖度。④残茬压倒处理(SO)，前茬作物收获后免耕，留茬高度20 cm，并压倒，另不覆盖，调查留茬覆盖度。试验地分为12个样方，样方大小为6.7 m×60.0 m，样方的长边与主风向一致，这样可以保证样方之间不受风的影响。每个处理3个重复样方，随机排列，这样就形成了传统耕作、免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖和残茬压倒4个处理、每个处理3个重复的试验设计。

1.3 试验方法

取样选在春季地表解冻后，春小麦播种前。用土样箱在不破坏土壤结构的情况下在田间试验的每个地块同时取体积为30 cm×30 cm×10 cm的土样，用于室内风洞试验。风洞试验在甘肃省治沙研究所/甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室培育基地风洞实验室进行。风洞为直吹下吹式，全长45.78 m，其中试验段长20.00 m，内壁截面积1.2 m×1.2 m，风速在3～40 m/s范围内可调。根据试验时的气压和气温，用数字式微压差计系统调节进口风速。样品采回后完好保存所带麦茬并将其自然风干至表层(0～5 cm)含水量为5%左右，试验时将土样置于风洞试验段入口下风向7.68 m处，土壤样品表面与风洞底部齐平，在土样盒中间放置多路风速廓线仪。设8、12、16、20、22 m/s共5个风速水平，测定10、30、50、80、130、200、300、400 mm不同高度的风速。试验过程中使洞体内土样表面与风速廓线仪的底部处于同一高度。先用感量为0.1 g的电子天平称量土样最初质量，再由低到高调整风速至设定风速下吹蚀10 min，待风速稳定后进行风速采集，采集时间为2 min。每次吹蚀后将土样取下称量，用土样最初质量减去某个风速下吹蚀后的土样质量即为该风速下的土壤风蚀量，土壤风蚀速率为土壤风蚀量(g/m2)除以吹蚀时间(min)。

地表粗糙度一般采用各观测点两个高度的风速测定值计算，计算公式为

式中：K为地表粗糙度，mm；Z1、Z2为两个测风点距地表的高度，mm；u1、u2分别为Z1、Z2高度处的风速，m/s。

本试验在风洞内12 m/s风速下用风速多路皮托管测定各处理距地表30、300 mm处的2 min平均风速，每个处理分别测量10组风速取平均值，重复3次再平均，将每次测量结果按上述公式推算出地表粗糙度。

2 结果与分析

2.1 不同处理对风蚀量的影响

风是土壤侵蚀的直接源动力，风速的大小直接影响风蚀的强度。不同风速水平、耕作措施下的风蚀量见表1。从表1可以看出：风速越大，风蚀量越大，风蚀作用越强烈；免耕不覆盖、免耕秸秆覆盖、残茬压倒处理风蚀量均小于传统耕作；免耕秸秆覆盖处理风蚀量最小，说明从抑制土壤风蚀量来看，免耕秸秆覆盖保护性耕作措施的防风蚀效果最佳。

表1 不同风速下的风蚀量

2.2 不同处理对风速廓线的影响

各处理不同风速下的风速廓线见图1。在距离土样表面10～200 mm范围内，不同处理在5组风速下风速随高度变化趋势不同：与传统耕作相比，免耕不覆盖处理将风速廓线略微抬高，近地面风速有所减小；免耕秸秆覆盖处理风速廓线在50～130 mm高度出现明显折皱，风速减小幅度较大；残茬压倒处理风速廓线与传统耕作相似。距离土样表面200～400 mm范围内，各处理风速均不随高度的变化而变化。地表的残茬、秸秆会不同程度地改变风的方向，其所引起的地表粗糙度增加对风速具有消减作用：与传统耕作相比，免耕不覆盖处理有8 cm的残茬，对风速有消减作用；免耕秸秆覆盖处理对风速的消减作用最为明显，但对20 m/s以上大风的消减作用较小；残茬压倒后对风速的影响很小，所以残茬压倒处理的风速廓线与传统耕作相似。

图1 不同处理地表风速廓线

2.3 不同处理风蚀速率与风速的关系分析

图2为土壤风蚀速率与风速的关系。由图2可以看出，不同耕作方式下，土壤风蚀速率均随风速的增大而增大。吹蚀风速由低到高变化过程中，风蚀速率最大的始终是传统耕作，残茬压倒次之，之后是免耕不覆盖，免耕秸秆覆盖处理最小。在风速小于16 m/s情况下，残茬压倒处理风蚀速率较小，与传统耕作差异大；风速大于16 m/s时，残茬压倒处理风蚀速率变大，与传统耕作差异变小。这与残茬被压倒时采用机械破坏了土壤表层结构有关。

图2 土壤风蚀速率与风速的关系

2.4 土壤风蚀速率与地表粗糙度的关系分析

地表粗糙度是指影响地表风速及土壤风蚀强度的植被、地表形态诸要素的总和，可以反映地表对风速的减弱作用和对风沙流的影响[5]。利用12 m/s风速下不同处理的风蚀速率与地表粗糙度进行线性拟合(R2=0.941 4)，如图3。由图3可以看出，风蚀速率与地表粗糙度之间存在显著相关关系，土壤风蚀速率随地表粗糙度的增加呈线性降低趋势。

图3 土壤风蚀速率与粗糙度的关系

3 结论与讨论

保护性耕作一方面减少了对表层土壤的扰动，使土壤不易被吹蚀；另一方面残茬和秸秆增大了地表粗糙度，从而降低了风速。因此，保护性耕作可以抑制风蚀，减小土壤风蚀量，降低土壤风蚀速率，即地表粗糙度越大，风蚀速率越小。不同保护性耕作措施抑制风蚀的程度不同：传统耕作对土壤进行翻动，地表土壤松散，加之地表没有作物残茬，地表粗糙度小，所以在相同风速条件下，传统耕作的风蚀量最大，风蚀速率最快；免耕不覆盖和免耕秸秆覆盖处理地表的人为扰动很小，残茬和秸秆覆盖增大了地表粗糙度，土壤风蚀大幅降低，尤其免耕秸秆覆盖处理地表粗糙度最大，土壤风蚀最弱；作物残茬压倒后对增加地表粗糙度的贡献相对较小，风速小于16 m/s时，风蚀速率较慢，在风速大于16 m/s的大风吹蚀下，风蚀速率较快。本研究中，无论多大风速下，4种耕作方式的风蚀速率从大到小均为传统耕作>残茬压倒>免耕不覆盖>免耕秸秆覆盖，其中免耕秸秆覆盖处理的防风蚀效果最佳。

[1] 康尔泗,李新,张济世,等.甘肃河西地区内陆河流域荒漠化的水资源问题[J].冰川冻土,2004,26(6):3-13.

[2] 藏英,高焕文,周建忠.保护性耕作对农田土壤风蚀影响的实验研究[J].农业工程学报,2003,19(2):56-60.

[3] 常旭红,赵广才,张雯,等.作物残茬对农田土壤风蚀的影响[J].水土保持学报,2005,19(1):29-32.

[4] 包兴国,舒秋萍,李全福,等.小麦/玉米免耕处理对产量及土壤水分和风蚀的影响[J].中国水土保持科学,2010,10(2):78-82.

[5] 黄高宝,于爱忠,郭清毅,等.甘肃河西冬小麦保护性耕作对土壤风蚀影响的风洞试验研究[J].土壤学报,2007,44(6):10-15.

(责任编辑 李杨杨)

国家自然科学基金(41361059)资助项目

S157

A

1000-0941(2017)01-0045-03

李菁菁(1989—)，女，甘肃兰州市人，助理工程师，硕士，主要从事荒漠化防治方面的研究工作；通信作者李毅(1962—)，男，甘肃兰州市人，教授，博士生导师，主要从事林木遗传育种方面的研究工作。

2016-03-20