秦王川灌区种植春小麦与披碱草对耕地风蚀的影响差异

李 昂, 吴应珍，葛承暄

(1.兰州城市学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省耕地质量建设管理总站，甘肃 兰州 730000)

1 引言

西北地区干旱少雨、冬春季多风，致使浮尘、扬沙等灾害频繁发生[1]，在此期间受到的风蚀不仅损坏地表和造成细颗粒物流失，而且还影响当地及周边地区生态环境；为此，防治风蚀危害就成了该区农业和环保工作者关注的焦点问题[2,3]。如秦红灵等研究发现[4]，麦田留茬免耕可降低耕地风蚀危害；李昂等研究发现[5]，种植甘草可显著降低耕地风蚀及减少表土的细颗粒物流失；孙铁军等研究发现[6]，在荒坡地种植生态草可显著提高其地表粗糙度及抗风蚀能力；李昂等研究还发现[7]，种植混播牧草可降低耕地风蚀危害，其中地表细颗粒物流失量降幅可达57%。

地处西北的秦王川灌区属一年一熟农业区域，耕地每年有近7个月裸露；再加上从土壤解冻到作物出苗期间表土疏松、干燥，农田风蚀危害非常严重。据肖红浪研究显示[8]，秦王川灌区耕地因风蚀危害造成的表土细颗粒物流失量就高达106 t/hm2，并严重威胁该区生态环境建设。为了探寻防治耕地风蚀危害的可行措施，试验以裸地为对照(CK)，以种植春小麦(Triticum aestivum)和披碱草(Elymus nutans)的耕地为研究对象，通过测定和比较其风蚀量间的差异，为该灌区治理耕地风蚀危害及改善周边环境质量提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 实验区概况

秦王川灌区位于甘肃省永登县境内，这里年均温度6.2 ℃，年均降雨仅为287 mm，而蒸发年均高达1950 mm，春季多风、风速平均为2.5 m/s，最大风速可达7.7 m/s，年均沙尘暴天数为3 d，为典型干旱大陆性气候[9]。该区土壤以碱性灰钙土为主，以种植玉米、春小麦、胡麻等粮食作物为主。

2.2 实验设计及测定

由于兰州新区位于秦王川灌区南部，且该区风蚀季节主要刮西北风，故试验选址灌区北部的上川镇下古山村(海拔1950 m，36°45′N，103°33′E)。实验设小麦、披碱草(Elymus nutans)、裸地(CK)3个处理，各处理重复4次，随机区组排列，共12小区。小区选择4 m×6 m样方，小区间间隔为0.5 m。2016年3月播种小麦和牧草，翌年春季在原小麦样方内再次播种小麦。根据当地小麦田间管理要求，于当年5月上旬、6月中旬灌水，并采取人工清除杂草。根据牧草及作物长势，于当年7月上旬刈割披碱草(离地10cm)，8月初收获小麦(离地10cm)，9月中旬和10月中旬再次刈割披碱草。

8月底在每个小区中间放置装满土壤的风蚀盘，每月月末测定风蚀盘重以计算该小区当月风蚀量[2]。10月中旬日和翌年5月初，首先用温湿仪进行地表湿度测定；然后用风速仪测定风速以计算地表粗糙度[1]；小麦、牧草植被的盖度、高度和地表生物量按文献[10]方法测定；最后取表层土样，带回室内进行土壤水分测定[1]。

3 结果与分析

3.1 地上植被特征指标比较

就植被盖度而言(图1a)，秋季小麦根茬盖度仅10.3%，而披碱草根茬盖度高达56.3%, 披碱草的盖度比小麦高4.5倍；翌年5月初，新种小麦盖度为15%，而多年生披碱草盖度达31.3%，披碱草盖度比小麦盖度高1.1倍；方差分析显示，二者间差异均极显著(P<0.01)。就植被高度而言(图1b)，秋末披碱草根茬高为10 cm，而小麦高度仅为8 cm；翌年5月初，新长的小麦株高为7.3 cm，而披碱草株高达10.3 cm,二者间差异显著(P<0.05)。对于植被地表生物量而言(图1c)，秋末小麦根茬量仅102.9 g/m2，而披碱草的量比小麦高近28.6%；翌年5月初，新长的小麦生物量仅为8.9 g/m2，而新长的披碱草量比小麦高近2.9倍。综合以上，种植披碱草耕地的地表盖度、高度和地表生物量均大于小麦，且二者间差异显著。

3.2 地表微环境相关指标比较

就粗糙度而言(图2a)，裸地秋末仅1.5 cm，而小麦和披碱草地分别为2.2 cm和3.5 cm；翌年5月，裸地仍最小、仅为0.5 cm，而小麦和披碱草地分别比裸地提高近2.6倍和7.1倍。就地表湿度而言(图2b)，秋末披碱草地最高、达44.9%，其次分别为小麦地28.6%、裸地26.2%；翌年5月，裸地仅35%，而小麦和披碱草地分别比裸地提高近18%和17%。就地表土壤含水量而言(图2c)，秋末披碱草地最高、达9.5%，小麦地次之为8.3%，裸地最小为8.1%；翌年5月，裸地仍最小，而小麦和披碱草地分别比裸地提高近17%和38%。综上，种植披碱草耕地的地表粗糙度、湿度和土壤含水量均最大，小麦地次之，裸地最小，且它们之间差异显著。

图1 不同处理植被特征指标

图2 不同处理地表特征指标

3.3 地表风蚀量比较

就整个风蚀季节期间耕地表层土壤细颗粒物损失量而言(图3a)，裸地损失量最大、达1.7 kg/m2，而小麦地和披碱草地分别为1.4 kg/m2和0.9 kg/m2，分别比裸地降低近20%和43%；方差分析显示，它们之间差异显著。就各月风蚀量而言(图3b)，各处理的地表风蚀均表现为：秋末地表细颗粒物损失量逐渐增大，10月份达到最大；进入冬季表土的风蚀量逐渐减弱，至1、2月份降为最低；到春季来临，地表细颗粒物损失量又明显加大，4月份达到最大；随着夏季来临，地表风蚀损失又显著减弱；即灌区耕地的风蚀表现为：先逐渐增大，然后又减弱，翌年又再次加重的“U”形曲线模式。就两次风蚀高峰期相比，裸地10月份的风蚀量占总风蚀量的12%，4月份风蚀量占总风蚀量的26%。对于小麦和披碱草地，它们表土的风蚀规律与裸地类似。就风蚀最严重的3～5月份分析，小麦地与裸地风蚀相近，而披碱草地与裸地差异显著，从防治风蚀角度看，该灌区不适合种植春小麦等春播作物。综上，秦王川灌区风蚀季节地表风蚀表现为：秋季较强，冬季减弱，春季又加重的特点；就整个风蚀季节地表细颗粒物损失而言，裸地>小麦地>披碱草地；种植披碱草有利于减弱耕地的地表风蚀，而种植春小麦将加剧地表细颗粒物的流失。

图3 不同处理土壤风蚀量

4 讨论与结论

风蚀季节秦王川灌区耕地的风蚀表现为：秋末冬初风蚀较大，冬季较小，春季增强的“U”形曲线模式。这主要是由于秦王川灌区地处温带半干旱大陆性季风气候带，秋末冬初降雨稀少，再加上冷空气频繁南侵、经常刮西北风，从而造成耕地风蚀较大；冬季，该区温度较低、地表冻结，同期大风天气也相对较少，故耕地风蚀危害相对较轻；到春季，温度快速升高土壤解冻，由于蒸发强烈使得地表含水量降低，再加上邻近腾格里沙漠，有风天气较多，从而使耕地风蚀再一次加剧。就风蚀总量分析，风蚀季节该灌区耕地风蚀量可达1.7 kg/m2，即一个风蚀季节耕地被风刮走的表土细颗粒物就可达1.3 mm厚(土壤容重按1.3 g/cm3计算)；就风蚀最严重月份看，3～5月份的风蚀量较大，其风蚀量之和占到总风蚀量的54%。与肖红浪早期测定结果相比[8]，灌区耕地风蚀有了明显降低，现在耕地风蚀损失量仅为原来16%；而且，风蚀最严重时间也从冬季改变到春季。其原因可能是：随着灌区内防风林网树木长大、长粗，耕地上方风速被显著减弱；再加上通过多年的灌溉耕地，土壤含水量有了显著提高，从而提高了耕地表土的抗风蚀能力。

地表植物强烈地影响着土壤圈和大气圈间的能量传递，从而也显著地影响着耕地表层细颗粒物的流失。农田中作物或牧草的存在增大了耕地地表的粗糙度，吸收和分散了地表的风动量，减弱了耕地表层细颗粒物与气流间的能量传递[11]，从而减弱了耕地的风蚀危害。如秦红灵等研究发现[12]，翻耕地的土壤风蚀量是免耕地的3～8.2倍，不同作物残茬保护农田免受风蚀影响的大小顺序为：草谷子>莜麦>玉米>油菜。本实验结果也显示，在风蚀季节，由于耕地中生长有小麦和披碱草(或其根茬)，使得地表粗糙度比裸地提高近0.5～7.1倍，相应也提高了其地表湿度和土壤含水量，从而使得耕地细颗粒物损失降低近20%～43%。从风蚀总量看，尽管小麦地的表土风蚀量比裸地有一定下降；但从风蚀最严重的3～4月份看，春小麦地和裸地的风蚀量差异不明显，而种植披碱草耕地的表土细颗粒物损失量与裸地相比，有了明显下降。这主要是由于3～4月份期间，春小麦的长势还比较弱，无法抵抗风蚀危害；而多年生牧草披碱草春季发芽较早、长势较快，此时已有相当数量的地表植被，从而可抵抗一定的风蚀危害，这也是春季披碱草耕地风蚀危害远小于小麦地的主要缘由[7]。

综上，秦王川灌区耕地在风蚀季节表现为：秋末冬初风蚀较大，冬季减弱，春季又明显加重的“U”形模式，风蚀最严重时间段为3～5月份；种植春小麦不利于减弱耕地风蚀，而种植多年生牧草披碱草可显著降低耕地风蚀危害，下降幅度可达43%。为了减轻秦王川灌区耕地的风蚀危害，相关部门应指导农民减少以春播为主的农作物种植模式，大力推广种植多年生牧草(如披碱草)，或实行草田轮作，以实现“藏粮于地”的国家战略。