玉米秸稈殘茬高度對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響

玉米秸稈殘茬高度對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響

植被在預(yù)防和控制土壤風(fēng)蝕方面的作用已經(jīng)被認(rèn)識(shí)到。國(guó)內(nèi)外許多農(nóng)業(yè)科學(xué)家和氣候?qū)W家對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行了研究，得出了一致的結(jié)論。但關(guān)于作物的秸稈殘茬減少農(nóng)田土壤風(fēng)蝕及揚(yáng)沙效果的研究并不多見(jiàn)。本文使用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞,通過(guò)對(duì)不同殘茬高度的農(nóng)田地表進(jìn)行原位試驗(yàn),測(cè)量不同殘茬高度地表的起沙風(fēng)速、風(fēng)蝕量、風(fēng)蝕產(chǎn)物的空間分布等,定量化地研究作物的殘茬高度在防治土壤風(fēng)蝕方面的效果,揭示土壤風(fēng)蝕量隨殘茬高度的變化規(guī)律,提出防治土壤風(fēng)蝕的秸稈殘茬高度的參數(shù)指標(biāo)。1材料和方法1.1試驗(yàn)區(qū)地區(qū)概況在保護(hù)性耕作防治土壤風(fēng)蝕和沙塵暴效應(yīng)試驗(yàn)區(qū)的選擇上,應(yīng)充分考慮以下三個(gè)條件:一是當(dāng)?shù)卮嬖趪?yán)重的農(nóng)田土壤風(fēng)蝕;二是在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)具有能夠滿足防治土壤風(fēng)蝕及沙塵暴試驗(yàn)研究的不同地表;三是從應(yīng)用的角度,應(yīng)具有經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展兩方面的現(xiàn)實(shí)意義?；谝陨峡紤],本研究的試驗(yàn)區(qū)選在內(nèi)蒙古自治區(qū)武川縣。該試驗(yàn)區(qū)是多個(gè)保護(hù)性耕作和風(fēng)蝕試驗(yàn)的場(chǎng)所,各種資料較為齊全,便于比較。武川縣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部、陰山山脈的北麓,土地面積4885km2,海拔1500～2000m,地處冷涼風(fēng)沙農(nóng)牧交錯(cuò)帶。氣候特點(diǎn)為春季干燥、季風(fēng)強(qiáng)烈,夏季短促、降雨少,冬季寒冷漫長(zhǎng);年均氣溫2.5℃,降水量360mm左右,無(wú)霜期110d左右,年積溫2100℃。土壤以栗鈣土、灰褐土、石質(zhì)土為主,沙性較重;主要農(nóng)作物有小麥、莜麥、馬鈴薯、菜籽等,適宜栽培一年一熟小日期農(nóng)作物。全縣總?cè)丝?7.1萬(wàn)人,其中農(nóng)業(yè)人口14.4萬(wàn)人,農(nóng)民人均年收入1200元左右,是典型的國(guó)家級(jí)貧困縣。經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)是以農(nóng)為主、農(nóng)牧結(jié)合;有耕地14.32萬(wàn)hm2,其中旱地13.6萬(wàn)hm2,是典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)1。1.2殘茬高度與試驗(yàn)風(fēng)速試驗(yàn)地表為麥茬地,土壤以栗鈣土為主,沙性較重。保護(hù)性耕作的殘茬高度分別取10、20、30cm,試驗(yàn)風(fēng)速分別取6、9、12、15、18m/s。覆蓋率均為30%,風(fēng)洞與壟向垂直布置。傳統(tǒng)對(duì)照組為秋翻麥茬地,殘茬高度為0,覆蓋率為0。1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換和測(cè)試系統(tǒng)本文所使用的0FDY-1.2移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞是由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的(見(jiàn)圖1)。風(fēng)洞的全長(zhǎng)為11.8m,其中試驗(yàn)段長(zhǎng)7.2m;截面寬為1.0m,高為1.2m;配套風(fēng)機(jī)為出風(fēng)口直徑1.4m的軸流風(fēng)機(jī),由40kW發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng);配套的測(cè)試裝置包括由皮托管、微差壓變送器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和計(jì)算機(jī)所組成的壓力、風(fēng)速測(cè)試系統(tǒng)、風(fēng)速廓線儀和旋風(fēng)式集沙儀;配置的輔助功能部件有加沙器和人工大氣邊界層模擬裝置。風(fēng)洞的風(fēng)速在0～20m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。風(fēng)洞各段之間易于連接和分離,實(shí)現(xiàn)了野外測(cè)試時(shí)便于移動(dòng)和運(yùn)輸?shù)墓δ堋Ｔ擄L(fēng)洞的人工大氣邊界層調(diào)節(jié)裝置能將邊界層厚度從10cm增厚至96cm左右,并能將風(fēng)速廓線調(diào)節(jié)至所需的形狀,實(shí)現(xiàn)了氣流邊界層的層厚和風(fēng)速廓線的調(diào)節(jié)功能;旋風(fēng)式集沙儀對(duì)于0.076mm以上粒徑的土壤懸浮顆粒的收集效率可達(dá)97%以上。本文中風(fēng)速與風(fēng)蝕量關(guān)系的野外風(fēng)洞觀測(cè)主要是通過(guò)觀測(cè)不同風(fēng)速下的風(fēng)蝕量(10min內(nèi)單位寬度上的風(fēng)蝕量)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。風(fēng)速為0.6m高程處的平均風(fēng)速,集沙時(shí)間為10min。每次試驗(yàn)結(jié)束后,分別取出每個(gè)集沙盒,采用0.01g靈敏度的電子天平對(duì)收集到的土樣稱重,計(jì)算每個(gè)集沙盒單位面積上的風(fēng)蝕量,通過(guò)非線性回歸,分析0～70cm高度內(nèi)土壤風(fēng)蝕量隨風(fēng)速的變化規(guī)律。2結(jié)果與分析2.1風(fēng)蝕量與高度的關(guān)系風(fēng)蝕量與殘茬高度之間進(jìn)行對(duì)數(shù)、冪函數(shù)、線性函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)的相關(guān)分析,結(jié)果表明,在不同殘茬高度以及不同的風(fēng)速情況下,所測(cè)得的風(fēng)蝕量隨高度的變化均遵循指數(shù)函數(shù)曲線,風(fēng)蝕量與高度的指數(shù)函數(shù)關(guān)系的相關(guān)指數(shù)R2達(dá)到0.87以上,說(shuō)明這一關(guān)系式能夠反映該高度范圍內(nèi)風(fēng)蝕量垂直分布的實(shí)際狀況。如表1所示,其關(guān)系式如下:q=aebz(1)式中:q為各高度層風(fēng)蝕量(g/cm2),z為氣流管中心距地表高度(cm),a、b為回歸系數(shù)。該方程是通過(guò)對(duì)不同殘茬高度以及不同風(fēng)速采集的樣品進(jìn)行分析的結(jié)果。表中風(fēng)蝕量Q為采樣期間穿過(guò)1cm寬、從地表到70cm高垂直面吹蝕10min的風(fēng)蝕量,其值是將q從0～70cm積分計(jì)算得出,積分式為:Q=∫700070qdz(2)2.2保護(hù)性耕作與土壤風(fēng)蝕從表1和圖3、4可以看出,無(wú)論有無(wú)秸稈,在各個(gè)風(fēng)速情況下,風(fēng)蝕量均按照指數(shù)規(guī)律分布,說(shuō)明沙量主要集中在近地表層內(nèi)。土壤風(fēng)蝕量和揚(yáng)起沙塵的高度隨風(fēng)速的增加而增加,隨著作物秸稈殘茬高度的增加而降低。秸稈高度為0的傳統(tǒng)耕作,起沙風(fēng)速為5.65m/s。當(dāng)秸稈高度為10cm時(shí),起沙風(fēng)速為8.60m/s。風(fēng)速分別為9、12、15和18m/s時(shí),保護(hù)性耕作的土壤風(fēng)蝕量分別為傳統(tǒng)耕作土壤風(fēng)蝕量的54.5%、66.8%、65.5%和66.1%。當(dāng)秸稈高度為20cm時(shí),起沙風(fēng)速為8.84m/s。風(fēng)速分別為9、12、15和18m/s時(shí),保護(hù)性耕作的土壤風(fēng)蝕量分別為傳統(tǒng)耕作土壤風(fēng)蝕量的25.8%、45.3%、47.2%和45.4%。當(dāng)秸稈高度為30cm時(shí),起沙風(fēng)速為9.78m/s。風(fēng)速分別為12、15和18m/s時(shí),保護(hù)性耕作的土壤風(fēng)蝕量分別為傳統(tǒng)耕作土壤風(fēng)蝕量的29.5%、20.5%和21.1%。從上述數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)秸稈高度一定時(shí),降低風(fēng)蝕量的程度與風(fēng)速的大小關(guān)系不明顯。對(duì)不同風(fēng)速下,殘茬高度與土壤風(fēng)蝕量的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的分析,繪制如下圖形(圖5),其最佳的擬合曲線為線性(表2)。Q=az+b(3)由圖5和表2可以看出,當(dāng)風(fēng)速大于12m/s時(shí),擬合直線與x軸相交于40cm附近,而當(dāng)風(fēng)速為12m/s以下時(shí),只有微弱的土壤風(fēng)蝕出現(xiàn),因此不作為研究的重點(diǎn)。由此可以推論:當(dāng)作物的殘茬高度達(dá)到40cm時(shí),土壤幾乎不發(fā)生風(fēng)蝕。因此,在許可的情況下,應(yīng)盡可能地保留40cm以上的作物秸稈殘茬。如果僅考慮降低風(fēng)蝕量,那么留茬越高越好,但是,當(dāng)?shù)匦←溋舨邕€需要考慮以下兩個(gè)實(shí)際問(wèn)題。一是農(nóng)田肥力薄,小麥長(zhǎng)勢(shì)較差,留茬太高會(huì)造成小麥?zhǔn)斋@時(shí)漏穗;二是麥秸稈在當(dāng)?shù)赜袑?shí)際用途,可以用做牲畜飼料和燒火炕使用,因此農(nóng)民不習(xí)慣留高茬。綜上所述,本文認(rèn)為在干旱、半干旱寒冷易沙化農(nóng)業(yè)區(qū)實(shí)施保護(hù)性耕作,在保留30%的植被覆蓋率時(shí),農(nóng)田地表保留30cm高的秸稈殘茬,不僅可以有效地控制土壤風(fēng)蝕及大風(fēng)條件下的農(nóng)田地表起沙揚(yáng)塵現(xiàn)象的發(fā)生,而且也照顧了當(dāng)?shù)貙?shí)際情況。30cm麥茬地表的風(fēng)蝕量在風(fēng)速超過(guò)12m/s時(shí),平均風(fēng)蝕量相當(dāng)于傳統(tǒng)耕作地表的1/4左右。因此,建議在寒冷干旱易沙化的農(nóng)業(yè)區(qū)推行保護(hù)性耕作過(guò)程中,當(dāng)植被覆蓋率為30%時(shí),應(yīng)使作物秸稈殘茬高度不低于30cm。3減少近地表土壤風(fēng)蝕量的技術(shù)措施1)在距地表0～70cm高度范圍內(nèi),不同耕作體系土壤風(fēng)蝕量和揚(yáng)起沙塵的高度隨風(fēng)速的增加而增加,隨著作物秸稈殘茬高度的增加而降低。且風(fēng)蝕量與高度變化符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系,土壤顆粒主要集中在近地表層內(nèi)運(yùn)動(dòng)。2)保留作物秸稈殘茬的保護(hù)性耕作可以明顯地提高