北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶校園土壤風(fēng)蝕防護(hù)作用研究

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶校園土壤風(fēng)蝕防護(hù)作用研究

0作物農(nóng)田土壤風(fēng)蝕近年來(lái)，中國(guó)北方沙漠天氣給人們的生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的破壞。中國(guó)科學(xué)院“關(guān)于我國(guó)華北沙塵天氣的成因與治理對(duì)策”報(bào)告得出沙塵暴的源區(qū)主要是旱作農(nóng)田,而不是沙漠的結(jié)論,致使科學(xué)界對(duì)沙塵暴發(fā)生源區(qū)的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生了轉(zhuǎn)變,人們逐漸意識(shí)到保護(hù)農(nóng)田對(duì)防治土壤風(fēng)蝕的重要性,研究的重心開始向旱作農(nóng)田轉(zhuǎn)移。沙漠中塵粒較少,顆粒較大的砂粒只能近地蠕動(dòng)或躍遷;能夠大量懸浮在空中并漂移到內(nèi)地的是塵粒,主要來(lái)自被風(fēng)蝕的農(nóng)田土壤。北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶,由于馬鈴薯種植面積的不斷增加,致使冬春季節(jié)地表大面積裸露、造成表土疏松,而同期風(fēng)大風(fēng)多,降雪和降雨稀少,造成土壤嚴(yán)重風(fēng)蝕,成為沙塵暴發(fā)生發(fā)展的主要源區(qū)之一,因此加強(qiáng)馬鈴薯等根莖類作物農(nóng)田土壤風(fēng)蝕沙化及防治技術(shù)研究尤為迫切。國(guó)外研究表明,植被覆蓋可以有效抑制土壤風(fēng)蝕,而且直立植被覆蓋減少風(fēng)蝕的效果更好。借鑒國(guó)外的研究經(jīng)驗(yàn),國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者在探索農(nóng)牧交錯(cuò)帶旱作農(nóng)田風(fēng)蝕規(guī)律的基礎(chǔ)上研究認(rèn)為作物殘茬覆蓋可以大幅度減輕裸露農(nóng)田的土壤風(fēng)蝕,不少學(xué)者以生物籬為研究對(duì)象,得出生物籬是能夠改變小氣候、植物和土壤環(huán)境,以致改變周圍氣流從而減輕風(fēng)蝕的一種風(fēng)障形式。筆者多年來(lái)在內(nèi)蒙古陰山北麓的風(fēng)蝕研究認(rèn)為,寬度控制在10m以內(nèi)的殘茬帶與等寬秋翻裸地間作對(duì)防治農(nóng)田土壤風(fēng)蝕效果較好,帶寬大于10m后土壤風(fēng)蝕率呈直線遞增,作物殘茬的防蝕作用將大大降低,本文針對(duì)這種情況以油用向日葵(以下簡(jiǎn)稱油葵)稈為生物籬,并與草谷子茬為研究對(duì)象,采用風(fēng)蝕圈和野外移動(dòng)式風(fēng)洞試驗(yàn)的方法來(lái)探究冬春風(fēng)蝕季節(jié)作物殘茬與油葵稈生物籬組合對(duì)間作裸露秋翻地的防護(hù)作用。1氣候變化對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響本試驗(yàn)在內(nèi)蒙古武川縣境內(nèi)的內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究中心(41°08′22.8″N,111°17′43.6″E)進(jìn)行。研究區(qū)域位于北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的中段,是中國(guó)典型的半干旱偏旱農(nóng)業(yè)區(qū)。多年平均降水量?jī)H有350mm左右,全年平均溫度2.6℃,年積溫2241~2900℃·d,無(wú)霜期90~120d,土壤為栗鈣土,質(zhì)地偏砂,無(wú)論氣候條件和土壤類型都適合馬鈴薯生長(zhǎng)。由于土壤砂粒含量大,氣候干燥以及每年20d左右的大風(fēng)和沙塵暴天氣,使這里面臨著嚴(yán)重的土壤侵蝕和荒漠化威脅,加上馬鈴薯種植和收獲需要深層翻耕,使大面積土壤長(zhǎng)期呈疏松狀態(tài),加重了該地區(qū)的土壤風(fēng)蝕沙化。2材料和方法2.1稻田各層土壤理化性質(zhì)為保證試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地和粒級(jí)等理化性狀的一致性,盡可能減小試驗(yàn)誤差,在試驗(yàn)前一年春季作物播種前將整塊試驗(yàn)田0~25cm耕層土壤全部用推土機(jī)推起,充分混勻后回填,馬鈴薯田塊收獲后耕翻整平,試驗(yàn)區(qū)土壤為砂質(zhì)栗鈣土,利用ASI法測(cè)得的土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.6g/kg,比重法測(cè)定的土壤機(jī)械組成結(jié)果見表1。2.2土壤風(fēng)蝕模數(shù)的原位測(cè)定主要采用在田間放置風(fēng)蝕圈的方法來(lái)測(cè)定土壤風(fēng)蝕量的變化,為進(jìn)一步驗(yàn)證田間試驗(yàn)的結(jié)果,應(yīng)用野外移動(dòng)式風(fēng)洞裝置進(jìn)行土壤風(fēng)蝕模數(shù)的原位測(cè)定,由此定量分析油葵稈和草谷子茬及其組合對(duì)減輕土壤風(fēng)蝕的作用。2.2.1田間布局特征田間試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理:大面積秋翻裸地(裸地)、油葵稈生物籬+草谷子留茬+秋翻裸地(籬+茬+裸)、油葵稈生物籬+秋翻裸地(籬+裸)、草谷子留茬+秋翻裸地(茬+裸)。油葵種植帶寬約1m,共3行,株行距均為30cm,秋季收獲葵餅后保留油葵稈,平均高度68.6cm。秋翻裸地在馬鈴薯收獲后形成,草谷子收獲后留茬高度20cm,草谷子茬和秋翻裸地帶寬均為6m,長(zhǎng)40m,呈帶狀分布。大面積秋翻裸地在100m范圍內(nèi)無(wú)任何遮擋物。該地區(qū)盛行西北風(fēng),所以作物種植方向?yàn)槟媳毕?采用裂區(qū)設(shè)計(jì),3次重復(fù),田間布局如圖1。土壤風(fēng)蝕量于2007年10月21日-2008年4月19日利用風(fēng)蝕圈法測(cè)定,重復(fù)3次。田間風(fēng)速在大面積秋翻裸地和籬+裸地兩個(gè)處理利用PC-3型自動(dòng)氣象站(錦州陽(yáng)光科技發(fā)展有限公司生產(chǎn))每10s記錄1個(gè)數(shù)據(jù),測(cè)定時(shí)長(zhǎng)為3min,然后取平均值作為測(cè)定風(fēng)速。2.2.2油葵稈生物籬+裸地模式為證明油葵稈生物籬對(duì)間作秋翻裸地的保護(hù)作用,2008年4月27日利用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的OFDY-1.2型野外移動(dòng)式風(fēng)洞進(jìn)行原位測(cè)試,受風(fēng)洞試驗(yàn)段長(zhǎng)度限制,試驗(yàn)時(shí)只設(shè)計(jì)了有油葵稈生物籬保護(hù)的裸地(籬+裸地)和無(wú)生物籬保護(hù)的裸地(裸地)兩個(gè)處理,所用油葵稈取自內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究中心帶田生物籬營(yíng)建技術(shù)長(zhǎng)期定位試驗(yàn)田,按照大田實(shí)際播種密度在風(fēng)洞中設(shè)計(jì)3行油葵稈,株、行距均為30cm,貼近風(fēng)洞氣流入口處按三角狀錯(cuò)位插入地表,株高約70cm,裸地寬度為3m。按照風(fēng)洞中心風(fēng)速大小設(shè)計(jì)5個(gè)風(fēng)速進(jìn)行歷時(shí)10min吹蝕,即5、6、9、12和15m/s,各風(fēng)速吹蝕下的土壤風(fēng)蝕模數(shù)利用MATLAB7.4.0(R2007)軟件采用三次樣條插值擬合法將風(fēng)洞中旋風(fēng)式集沙儀收集的垂直方向上10個(gè)不同高度的風(fēng)蝕物沙蝕量進(jìn)行積分,通過(guò)換算計(jì)算得出,單位為g·(m2·min)-1。3結(jié)果與分析3.1試驗(yàn)結(jié)果和風(fēng)速地表粗糙度(簡(jiǎn)稱粗糙度)是近地面風(fēng)速廓線上平均風(fēng)速等于零的高度,用于衡量地表的粗糙狀況,一般用Z0表示。Z0可由拉依哈特曼公式進(jìn)行計(jì)算式中V1、V2——距地表Z1、Z2高度上的水平風(fēng)速,所以Z0可由任意兩個(gè)已知高度上的水平風(fēng)速測(cè)定值計(jì)算出。按照公式要求一般Z1取50cm(或30cm),Z2取200cm,測(cè)定和計(jì)算時(shí)分別對(duì)兩個(gè)高度的風(fēng)速測(cè)定10次左右,不得低于5次,然后取其平均值,帶入公式計(jì)算Z0,本試驗(yàn)為了解距地表較近距離的風(fēng)速變化,選擇Z1高度為30cm。試驗(yàn)結(jié)果表明(表2),生物籬下風(fēng)向地表粗糙度隨著與生物籬距離的增加而減小,在測(cè)定范圍內(nèi),粗糙度在距離生物籬0.2m處最大,在0.2~1m之間迅速降低,到距離生物籬1m處時(shí)減小了40.8%,之后變化平緩,在1~5m之間又減少了僅0.8%。裸地粗糙度最小,僅為最大值的9.2%?？梢?生物籬的保留明顯增大了地表粗糙度,有利于降低風(fēng)速,減少地表風(fēng)蝕的發(fā)生。從200cm高度風(fēng)速測(cè)定結(jié)果看,在距離生物籬0.2~0.3m之間風(fēng)速迅速增加,可能是由于油葵稈生物籬的阻擋使氣流抬升所致,在距離生物籬0.3~5m范圍內(nèi)呈減小趨勢(shì),其中0.3~1m之間降低速度較快,1~5m之間降低緩慢。最大風(fēng)速出現(xiàn)在距離生物籬0.3m處(6.1m/s),接近大面積裸地的風(fēng)速(6.31m/s),最小風(fēng)速在5m處,為2.1m/s。所以在一定范圍內(nèi),油葵稈生物籬對(duì)其附近地面風(fēng)速有明顯的削弱作用。30cm高度的風(fēng)速和200cm高度風(fēng)速變化趨勢(shì)一致,在距離生物籬0.2~0.3m之間迅速增加,在距離生物籬0.3~5m范圍內(nèi)呈緩慢減小趨勢(shì)。最大風(fēng)速出現(xiàn)在距離生物籬0.3m處(3.2m/s),遠(yuǎn)小于大面積裸地的風(fēng)速(4.93m/s),最小值在5m處,為1.2m/s?？梢?與大面積裸地相比,油葵稈生物籬對(duì)間作農(nóng)田土壤有很好的保護(hù)作用。3.2油葵稈生物籬和草東南角茬間作的裸地防蝕效果差異表3數(shù)據(jù)顯示,大面積秋翻裸露農(nóng)田風(fēng)蝕量最大,多點(diǎn)平均值為2.875t/hm2,草谷子殘茬與油葵稈生物籬保護(hù)下的裸地不同位置風(fēng)蝕量平均值最小,為0.496t/hm2,“茬+裸”和“籬+裸”處理中裸地風(fēng)蝕量平均值分別為0.932和1.258t/hm2,可見,無(wú)論是油葵稈生物籬還是草谷子茬對(duì)間作裸地都有明顯的降低風(fēng)蝕作用。從有籬和無(wú)籬保護(hù)的兩個(gè)草谷子茬中央的風(fēng)蝕圈測(cè)定結(jié)果看,有籬時(shí),風(fēng)蝕量為0.304t/hm2,無(wú)籬為0.888t/hm2,因此不論在間作裸地還是殘茬中都表明油葵稈有很好的防蝕效果。從圖2所示結(jié)果看,與油葵桿或草谷子茬間作的裸地中土壤風(fēng)蝕量隨著與生物籬或殘茬距離增大呈單峰曲線變化,在4m處達(dá)到最大值,各處理的變化趨勢(shì)一致,其中僅由3行油葵稈生物籬保護(hù)的裸地風(fēng)蝕量最大,在20cm高的草谷子殘茬保護(hù)下的裸地次之,而在油葵稈生物籬和草谷子殘茬雙重保護(hù)下的裸地風(fēng)蝕量最小,甚至在距離保護(hù)帶5m處出現(xiàn)了“風(fēng)積”現(xiàn)象,說(shuō)明籬與茬組合不僅顯著減小了土壤風(fēng)蝕,還在一定范圍內(nèi)有截留風(fēng)蝕量的作用。由于油葵稈生物籬和草谷子茬的存在,其下風(fēng)向秋翻裸地距籬或茬不同位置土壤風(fēng)蝕量降低率基本呈“V”字型分布,距離籬或茬越近,土壤風(fēng)蝕量降低率越大,然后逐漸減小,臨近下一生物籬時(shí)土壤風(fēng)蝕量降低率又增大。與大片裸地相比,單純的油葵稈生物籬降低土壤風(fēng)蝕量的效果不及草谷子殘茬,基本都在距籬或茬4m的地方風(fēng)蝕量降低率達(dá)到最小值,在距籬或茬5m,也就是距下一帶油葵稈生物籬1m的地方風(fēng)蝕降低率提升,這一位置土壤風(fēng)蝕量的降低率大致與距籬或茬3m的位置相當(dāng)。油葵稈生物籬和草谷子茬雙重保護(hù)下的秋翻裸地與只有草谷子茬保護(hù)的秋翻裸地進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)籬降低風(fēng)蝕率在距茬3m左右最小,5m處最大,在距茬5m處由于土壤風(fēng)蝕量小或有富集,降低土壤風(fēng)蝕率高于100%;如果再與籬+裸地比分析草谷子茬的保護(hù)作用,發(fā)現(xiàn)草谷子茬降低風(fēng)蝕率趨勢(shì)與籬相似,只是在降低風(fēng)蝕的作用上更好,而且在4m左右最低。因此從這個(gè)角度分析認(rèn)為,草谷子殘茬和油葵稈生物籬對(duì)間作秋翻裸地都具有很好的保護(hù)作用,草谷子茬防風(fēng)蝕效果更好,貢獻(xiàn)率更大,如果將二者組合起來(lái)對(duì)間作秋翻裸地進(jìn)行雙重保護(hù),會(huì)起到非常好的防護(hù)效果。3.3不同生物籬保護(hù)下的裸地風(fēng)蝕模數(shù)為進(jìn)一步證實(shí)油葵稈生物籬對(duì)減輕間作裸地土壤風(fēng)蝕的作用,利用野外移動(dòng)式風(fēng)洞進(jìn)行了模擬測(cè)試,結(jié)果表明(表4),風(fēng)蝕模數(shù)隨風(fēng)速的增大而增加,當(dāng)風(fēng)速?gòu)?m/s增加到15m/s時(shí),裸地風(fēng)蝕模數(shù)增加幅度較大(1.35g·(m2·min)-1),生物籬保護(hù)下的裸地增加較小(1.26g·(m2·min)-1)。兩個(gè)處理相比,有油葵稈生物籬保護(hù)的裸地風(fēng)蝕模數(shù)均小于無(wú)油葵稈生物籬裸地,風(fēng)速為5、6、9、12和15m/s時(shí)油葵稈生物籬降低土壤風(fēng)蝕率分別為10.26%、20.53%、16.68%、5.03%和6.60%,證明油葵稈生物籬對(duì)間作裸地具有保護(hù)作用。4不同種類土壤風(fēng)蝕和降低率1)風(fēng)速測(cè)定結(jié)果表明,油葵稈生物籬的保留可以使下風(fēng)向裸地地表粗糙度增大,近地面風(fēng)速降低,可以減少地表風(fēng)蝕的發(fā)生。2)野外觀測(cè)結(jié)果表明:草谷子殘茬和油葵稈生物籬對(duì)間作裸地均具有防護(hù)作用,而且前者的防風(fēng)蝕效果優(yōu)于后者,二者組合起來(lái)防風(fēng)蝕效果更好;在距油葵稈生物籬或草谷子殘茬下風(fēng)向的裸地不同位置處,土壤風(fēng)蝕量基本呈現(xiàn)先增加后減小的單峰曲線變化趨勢(shì),大致在距油葵稈生物籬或草谷子茬4m左右土壤風(fēng)蝕量達(dá)到最大,在油葵稈生物籬和草谷子茬的雙重保護(hù)下,在距草谷子茬5m處發(fā)生了風(fēng)積現(xiàn)象;在有油葵稈生物籬或草谷子殘茬保護(hù)時(shí)裸地土壤風(fēng)蝕量的降低率大體呈“V”字型變化。3)風(fēng)洞試驗(yàn)表明:土壤風(fēng)蝕模數(shù)隨風(fēng)速增大而增加,油葵稈生物籬具有降低間作裸地土壤風(fēng)蝕的作用,在油葵稈生物籬的保護(hù)下5~15m/s風(fēng)速吹蝕時(shí)土壤風(fēng)蝕降低率為5.03%~20.53%。4)通過(guò)本文的試驗(yàn)及其他學(xué)者研究結(jié)果,認(rèn)為向日葵是陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)帶比較適宜的生物籬種類,但在冬春季節(jié),由于葵餅被收獲,葉片全部脫落,和其他灌木如檸條、沙棘等相比沒有灌幅,因此在消減風(fēng)速上還存在局限,而檸條、沙棘等灌木由于根系擴(kuò)展面大,根扎的深,在旱