北京冬春覆盖作物对农田土壤风蚀扬尘的影响

李琳　石颜通　杨林　聂紫瑾

摘    要：为了确定北京主要越冬作物对农田土壤风蚀及扬尘排放的影响，通过野外观测的方法，对比研究了春季玉米根留茬地、金银花地、越冬油菜地的近地表风速、风蚀量及颗粒物排放量的差异。结果表明：（1）冬春季地表绿色覆盖能够显著降低农田近地表风速（P<0.05），金银花地的平均风速比玉米根留茬地低15.86%;（2）油菜地的月平均输沙量比玉米根留茬地低67.06%;（3）金银花地与玉米根留茬地相比，TSP和PM10浓度降低35.18%和35.42%，差异显著（P<0.05），冬油菜地的PM2.5浓度比玉米根留茬地低11.63%，差异显著（P<0.05）。因此，可以通过推广冬春覆盖作物来减少北京或华北地区的农田土壤风蚀扬尘，提高土地生产力。

关键词：冬春覆盖作物;近地表风速;农田土壤风蚀;颗粒物特征

中图分类号：S157          文献标识码：A         DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.01.020

Effect of Winter and Spring Cover Crops on Soil Wind Erosion and Dust Emission in  Farmlands of  Beijing

LI Lin，SHI Yantong，YANG Lin，NIE Zijin

（Beijing  Agricultural Technology Extension Station，Beijing 100096，China）

Abstract： In order to determine the influence of winter and spring cover crops on soil wind erosion and dust emission in farmland of Beijing， the difference of near-surface wind speed， wind erosion and particulate matter emission in corn stubble fields， honeysuckle fields and winter rapeseed fields in several wind erosion events were comparatively studied by field observation. The results indicated that：（1）The green cover could significantly reduce the wind speed near  surface（P<0.05）. and the average wind speed in honeysuckle fields was 15.86% lower than that in corn stubble fields.（2）Monthly mean values of soil wind erosion in winter rapeseed fields was  67.06% lower than that in corn stubble fields. （3）Compared to corn stubble fields， the concentrations of total particulate matter （TSP） and PM10 in honeysuckle fields decreased by 35.18% and 35.12%with significant difference（P<0.05） and PM2.5 concentrations of winter  rapeseed fields decreased by 11.63% with significant difference（P<0.05）. Therefore， winter and spring cover crops could be promoted to control soli wind erosion and dust emission in farmlands to improve land productivity in Beijing or Northern China.

Key words： winter and spring cover crops; near-surface wind speed; farmland soil wind erosion; particle characteristics

近年来，多次发生严重的灾害性沙尘天气，给首都市民的生产、生活造成严重影响，引起社会各界的广泛关注[1-2]。有研究表明，北京大气沙尘颗粒物既有外来源，也有本地源，浮尘和尘暴颗粒物以外来源为主，而扬沙颗粒物主要产生于本地源。北京市近50 a的沙尘天气中，浮尘和沙尘暴分别占20%和9%，其余71%均为扬沙。可见，北京本地风蚀起沙问题也是比较严重，北京周边农田是北京沙尘暴的重要沙源[3-4]。冯晓静等[5]利用可移动野外风蚀风洞对北京周边典型农田进行了农田风蚀的研究，考察了耕作制度等因素对风蚀的影响规律。李晓娜等[6]应用风蚀圈方法测定了延庆县康庄不同土地利用方式下的风蚀量，王升堂等[7]利用集沙仪对玉米留茬地的地表风蚀量进行了野外观测，但以往研究大多局限于保护性耕作和土地利用方式，也有学者对北京冬季覆盖作物农田风蚀问题进行了研究[8-9]，但是针对北京农业结构调整后发展起来的冬季景观覆盖作物对北京市农田风蚀问题的研究还很不充分，尤其缺乏深入地实地观测。为此，于2019-2020年春季针对北京主要越冬作物对农田风蚀的影响进行了研究，以期为北京都市农业发展提出合理的冬春景观覆盖作物依據。

1  材料和方法

1.1 样地选择与仪器布设

研究区位于顺义区大孙各庄镇人工种草示范区。京郊农田冬春季节覆盖作物除冬小麦外，主要以越冬油菜、多年生药材和花卉为主。本研究选择冬春季冬油菜地（冬油菜-油葵一年两熟）和多年生中药材金银花地进行观测实验，以冬春季玉米根留茬地（一年一熟）作为对照。每块观测地顺着风向的方向分别布设三台BSNE固定集沙仪、三台便携式粉尘测试仪、两台手持气象站进行风蚀量、颗粒物浓度、气象数据的观测。

1.2 观测时间

选择该区域大风天气频发的时间段进行观测，观测时间为2019年4月10日—2019年4月30日，每5 d收集一次风蚀沙粒。每5 d进行一次颗粒物浓度的观测，每次观测历时6～8 h，遇到大风扬尘天气进行加测，共收集7次风蚀量，进行7次颗粒物浓度的观测。

1.3 观测仪器及方法

采用手持气象站（Kestrel 5500）进行气象要素的观测，包括风速和风向，同步观测的还有空气温度、空气相对湿度等其他气象要素。将数据采集频率设置为1 min，实现了不同样地不同观测点气象要素的自动同步记录。风速测量范围为0.3～30 m，分辨率为 0.1 m·s-1。以2 m高度处风速作为野外观测风速。

地表风蚀起沙（尘）收集仪器为BSNE集沙仪，该仪器总高度230 cm，沙尘采集高度 35 cm，65 cm，160 cm，200 cm ，进沙口尺寸为2 cm×5 cm，采集效率大于80%。

空气颗粒物收集仪器为Dustmate颗粒物采集器，能同时记录TSP、PM10、PM2.5、PM1。采样频率是5 min，以1.5 m高度处颗粒物浓度作为野外观测颗粒物浓度值。

2 结果与分析

2.1 研究区风况特征

利用中国气象数据网下载的气象数据，（数据时间尺度为日尺度，数据采集时间段为：2019年4月5日—2019年5月4日，数据精度：2 min平均风速和2 min平均风向）作出2019年 4—5月顺义区风速风向分布情况如下图1所示。

研究表明，顺义区2019年4—5月风向以偏南风为主。24小时平均风速为2.32±0.76 m·s-1，最大风速为8.8 m·s-1，出现在2019年4月24日。其中4月上旬日均风速为2.33±0.84 m·s-1，日最大风速为6.1 m·s-1，中旬日平均风速为2.37±0.92 m·s-1，日最大风速为8.8 m·s-1，下旬日平均风速为2.19±0.91 m·s-1，日最大风速为6.7 m·s-1。可以看出，顺义区2019年4月份风速呈现先增大后减小的趋势，4月中旬日均风速明显大于上旬和下旬。

2.2 冬春覆盖作物对近地表风速的影响

分别于2019年4月10日，4月15日，4月20日，4月25日及4月30日早上8：00—下午18：00对玉米根留茬地、金银花地、冬油菜地距地表2 m高度处风速进行监测，如图2所示。研究结果表明，玉米根留茬地4月日间近地表风速为4.35±1.39 m·s-1，金银花地近地表风速为3.66±1.29 m·s-1，冬油菜地近地表平均风速为4.01±2.68 m·s-1。冬春季绿色覆盖能够降低农田近地表风速，多年生中药材金银花地与玉米根留茬地相比，降低风速度15.86%。

2.3 冬春覆盖作物对土壤风蚀排放的影响

将三个处理不同时间段不同高度集沙仪中采集的沙尘样品称重分析，结果如下图3所示。研究结果表明，玉米根留茬地月平均输沙量为0.008 5±0.002 4 g·cm-2，金银花地月平均输沙量为0.008 1±0.004 3 g·cm-2，而冬油菜地月平均輸沙量为0.002 8±0.000 7 g·cm-2。冬春覆盖作物能够降低土壤风蚀排放，冬油菜地风蚀量显著小于玉米留茬地和金银花地（P<0.05），与玉米根留茬地相比冬油菜地降低土壤风蚀排放量67.06%。

2.4 不同冬春覆盖作物下颗粒物特征分析

2019年4月30日对各农田类型距地表1.5 m高度上的颗粒物浓度动态变化过程进行监测，监测结果如下图4所示。研究结果表明，玉米根留茬地日均总颗粒物（TSP）排放浓度为71.66 ±23.49 ug·m-3，日均可吸入颗粒物（PM10）排放浓度为30.04±20.12 ug·m-3，日均可入肺颗粒物（PM2.5）排放浓度为2.58 ±0.62 ug·m-3，日均可入肺颗粒物（PM1）排放浓度为0.51±0.26 ug·m-3;金银花地日均TSP排放浓度为46.45±23.06 ug·m-3，日均PM10排放浓度为19.40±16.53 ug·m-3，日均PM2.5排放浓度为4.67±2.15 ug·m-3，日均PM1排放浓度为1.57±0.19 ug·m-3;油菜地日均TSP排放浓度为55.09±23.09 ug·m-3，日均PM10排放浓度为22.21±12.73 ug·m-3，日均PM2.5排放浓度为2.28±1.63 ug·m-3，日均PM1排放浓度为0.51±0.13 ug·m-3。

对研究结果分析可以看出，冬春绿色覆盖冬油菜和多年生药材金银花均能显著降低TSP和PM10的排放（P<0.05），与玉米根留茬相比金银花和冬油菜分别降低TSP排放量 35.18%和23.12%，与玉米根留茬相比金银花和冬油菜分别降低PM10 排放量35.42%和26.07%，差异显著。

但是，在可入肺颗粒物（PM2.5和PM1）排放方面，与玉米根留茬地相比冬油菜降低了PM2.5排放量11.63%，差异显著（P<0.05），但没有降低PM1的排放量;但是与玉米根留茬地相比多年生中药材金银花却增加了排放量，PM2.5和PM1排放量分别增加了81.01%和207.84%。

3 结论与讨论

冬春季绿色覆盖能够增加空气动力学粗糙度，故能有效的削弱地表风速，进而减少土壤风蚀和扬尘的发生[8]，这与前人研究结果相同。吴珊珊等[8]的研究发现留茬覆盖能显著降低农田近地表风速，同时也能改变近地表风速随高度变化的对数规律。而相比冬油菜，多年生中药材金银花更能降低近地表风速，这可能与测定时期金银花株高（55 cm）比冬油菜高（25 cm）有关。冬春覆盖作物能够降低土壤风蚀排放量，这也与前人研究结果相同[9]。而相比多年生中药材金银花，冬油菜更能降低土壤风蚀排放量，这可能与测定时期冬油菜的覆盖度高有关，据前人研究冬油菜4月份田间覆盖度可高达98.3%[10]，而多年生金银花由于是小灌木，行间距和株距均较大，覆盖度比冬油菜低。

冬春绿色覆盖作物与玉米根留茬相比能降低TSP和PM10排放量，这主要与地表覆盖度相关;但是在可入肺颗粒物（PM2.5和PM1）排放方面，除冬油菜降低了PM2.5排放量外，多年生金银花反而增加了可入肺颗粒物排放量，这可能与作物生长、土壤物理性状等有关，有待于进一步研究。下一步将对覆盖量、作物高度等对土壤风蚀扬尘产生影响的因子进行定量分析，将野外观测与风洞实验相结合，研究覆盖措施对风蚀扬尘的防治效果及机制。

参考文献：

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