陰山北麓不同地表土壤抗風(fēng)蝕效果的對(duì)比研究

陰山北麓不同地表土壤抗風(fēng)蝕效果的對(duì)比研究

0壩上地區(qū)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的研究土壤風(fēng)暴是干旱、半干旱和部分半濕潤地區(qū)最重要的環(huán)境問題之一。由風(fēng)蝕造成的草地、農(nóng)田退化,不僅使土地生產(chǎn)力急劇下降,而且還嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)丶爸苓叺貐^(qū)的生態(tài)環(huán)境。中國科學(xué)院對(duì)沙塵暴的成分和來源進(jìn)行分析研究表明,造成沙塵暴的主要原因是退化的耕地和草地,而不是沙漠;報(bào)告還顯示,對(duì)京津造成沙塵暴的沙塵源主要來自于內(nèi)蒙古中部和河北省壩上地區(qū)約25萬km2的退化草地、撂荒地及旱作農(nóng)田。自20世紀(jì)30年代美國開墾草地種糧發(fā)生黑風(fēng)暴以來,國際上關(guān)于農(nóng)田土壤風(fēng)蝕防治的研究就己開始,認(rèn)為農(nóng)田地表殘茬可以有效地降低風(fēng)蝕,植被覆蓋度(簡(jiǎn)稱蓋度)是控制風(fēng)蝕的重要參數(shù)。國內(nèi)學(xué)者在土壤風(fēng)蝕方面也作了大量工作,并取得一些重要研究成果,但仍然存在許多不足之處:由于大多研究是采用野外觀測(cè)和室內(nèi)風(fēng)洞模擬試驗(yàn)進(jìn)行的,使得理論分析、模擬試驗(yàn)和野外觀測(cè)、應(yīng)用脫節(jié),這是土壤風(fēng)蝕研究目前存在的突出問題之一。其原因是由于實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞氣流和下墊面性質(zhì)相對(duì)簡(jiǎn)單,與野外實(shí)際地表有較大的差異,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與野外實(shí)際應(yīng)用之間尚存在較大的距離。針對(duì)中國土壤風(fēng)蝕研究存在的不足和陰山北麓農(nóng)牧交錯(cuò)帶風(fēng)蝕荒漠化嚴(yán)重制約該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展瓶頸的現(xiàn)狀。選擇北方干旱、半干旱地區(qū)的典型風(fēng)蝕沙化區(qū)-內(nèi)蒙古武川縣不同地表為研究對(duì)象,利用可移動(dòng)式風(fēng)蝕風(fēng)洞及相關(guān)測(cè)試設(shè)備對(duì)旱作農(nóng)田和草地分別進(jìn)行風(fēng)洞原位測(cè)試,獲得了不同地表土壤的風(fēng)蝕模數(shù)和抗風(fēng)蝕效率。為評(píng)價(jià)不同地表土壤的抗風(fēng)蝕效應(yīng)提供量化依據(jù),對(duì)于制定區(qū)域生態(tài)恢復(fù)的防治措施、實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。1沙源地天氣概況及年8級(jí)以上大風(fēng)本區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部,東起錫林郭勒盟的多倫縣,西至包頭的固陽縣,南靠陰山山脈,北接蒙古高原,位于中國三大生態(tài)脆弱帶之一的北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶中段?？?cè)丝?89萬,耕地151.3萬hm2,天然草地是耕地的3.5倍,土地退化嚴(yán)重,是中國農(nóng)牧交錯(cuò)帶中經(jīng)濟(jì)最貧困區(qū),又是受荒漠化威脅最嚴(yán)重的地區(qū)之一。處于北京和華北的上風(fēng)向,是京津地區(qū)沙塵暴天氣的主要沙源地。大部分土壤為栗鈣土,屬于典型草原向荒漠草原過渡的土壤類型。氣候?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,海拔1500～1700m。年降水量250～400mm,自東向西遞減,7～8月降水量占全年降水量的70%左右,且多以陣雨形式集中在夏季。年蒸發(fā)量高達(dá)1848.3mm,約為降水量的5倍多。冬春雨雪很少,4～5月連續(xù)無降水日數(shù)一般在30～50d以上,加之春風(fēng)大,干旱持續(xù)時(shí)間長,地域范圍廣,風(fēng)沙危害嚴(yán)重,全年8級(jí)以上大風(fēng)日45～84d,以3～5月最強(qiáng)。春季植被蓋度最低,地表裸露面積大,易形成風(fēng)沙天氣,平均每年出現(xiàn)沙塵暴日數(shù)9.8～14.6d。以武川縣為例,日定時(shí)風(fēng)速大于等于8m/s的天數(shù)年平均為63d,大于等于17m/s的大風(fēng)日數(shù)為30d,最多年達(dá)76d。60%以上的大風(fēng)集中在冬春季節(jié),尤其是春季,風(fēng)蝕極為嚴(yán)重。2設(shè)備和方法2.1實(shí)驗(yàn)段和缺失段主要研究設(shè)備為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)自行研制的0FDY-1.2型直流吹氣式可移動(dòng)風(fēng)蝕風(fēng)洞,由過渡段,整流段,收縮段和實(shí)驗(yàn)段組成。實(shí)驗(yàn)段長7.2m,為矩形無底截面,寬1m、高1.2m,風(fēng)速范圍0～20m/s連續(xù)可調(diào)。風(fēng)速由風(fēng)速廓線儀采集,風(fēng)蝕物用旋風(fēng)分離式集沙儀收集,其高840mm,沿高度方向分布10個(gè)氣流管,通過氣流管收集垂直方向上10個(gè)高度的風(fēng)蝕物。2.2土壤類型、風(fēng)蝕時(shí)間的影響根據(jù)趙永來等對(duì)本旋風(fēng)分離式集沙儀的標(biāo)定結(jié)果:集沙儀標(biāo)定系數(shù)δ為0.508%,且不隨土壤類型、風(fēng)洞中心風(fēng)速、風(fēng)蝕時(shí)間的不同而改變。對(duì)不同類型地表土壤進(jìn)行野外風(fēng)洞原位測(cè)試,由試驗(yàn)結(jié)果和集沙儀標(biāo)定系數(shù)δ計(jì)算實(shí)際土壤在單位面積、單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的風(fēng)蝕量,即風(fēng)蝕模數(shù),由此定量地分析不同類型地表土壤的抗風(fēng)蝕能力。2.3土壤風(fēng)蝕能力測(cè)試基于本區(qū)風(fēng)蝕主要發(fā)生在春季的氣候特征,故試驗(yàn)安排在2006年4月進(jìn)行。將移動(dòng)式風(fēng)洞分別放置在傳統(tǒng)耕作農(nóng)田(0蓋度)、小麥殘茬高為30cm的保護(hù)性耕作農(nóng)田(30%蓋度和70%蓋度)、退化草地(22%蓋度)、無退化草地(60%蓋度和86%蓋度)6種不同地表上用凈風(fēng)進(jìn)行吹蝕測(cè)試。其中,植被覆蓋度是指植被垂直投影面積占地表面積的百分比,它是刻畫陸地表面植被數(shù)量的一個(gè)重要參數(shù),本試驗(yàn)植被蓋度是通過壓線法實(shí)際測(cè)定各地表得出的。對(duì)每一地表分別在6,9,12,15,18m/s5個(gè)風(fēng)洞中心風(fēng)速下連續(xù)吹蝕10min測(cè)定土壤風(fēng)蝕量。集沙儀安置在距風(fēng)洞出口1200mm處的風(fēng)洞軸線上,收集20,60,120,180,240,300,400,500,600,700mm共10個(gè)高度的風(fēng)蝕物。測(cè)試儀器設(shè)備布置如圖1所示。每次試驗(yàn)結(jié)束后用電子天平稱出集沙儀內(nèi)風(fēng)蝕物總質(zhì)量q,按式(1)計(jì)算不同地表土壤在不同風(fēng)速吹蝕下的風(fēng)蝕模數(shù)E,以分析和評(píng)價(jià)土壤的抗風(fēng)蝕能力。E=q/(S·t·δ)(1)式中E——風(fēng)蝕模數(shù),g·(m2·min)-1;q——集沙儀收集的風(fēng)蝕物質(zhì)量,g;S——風(fēng)洞內(nèi)被吹蝕的土壤面積,m2;t——吹蝕時(shí)間,min;δ——集沙儀標(biāo)定系數(shù)。3結(jié)果與分析3.1風(fēng)速一定時(shí)草地蓋度對(duì)風(fēng)蝕模數(shù)的影響草地退化是指不合理的管理與超限度的利用以及不利的生態(tài)地理?xiàng)l件所造成的草地生產(chǎn)力衰退與環(huán)境惡化的過程。其中,植被退化、蓋度下降是退化草地的主要表現(xiàn)之一。經(jīng)測(cè)試,得出退化草地(22%蓋度)、無退化草地(60%蓋度和86%蓋度)風(fēng)蝕模數(shù)曲線如圖2所示。由圖2可知,隨風(fēng)速的增加3種草地的風(fēng)蝕模數(shù)均有不同程度的增加;在風(fēng)速一定時(shí),隨草地蓋度的降低風(fēng)蝕模數(shù)呈增加的趨勢(shì),其規(guī)律為:退化草地>60%蓋度無退化草地>86%蓋度無退化草地。風(fēng)洞中心風(fēng)速為18m/s時(shí),退化草地(22%蓋度)的風(fēng)蝕模數(shù)是無退化草地(86%蓋度)的6.75倍。從圖2還發(fā)現(xiàn),退化草地(22%蓋度)的風(fēng)蝕模數(shù)在約11m/s的風(fēng)速時(shí)具有明顯的變化:風(fēng)速小于11m/s時(shí),風(fēng)蝕模數(shù)曲線隨風(fēng)速增加變化平緩;在風(fēng)速大于11m/s時(shí),風(fēng)蝕模數(shù)隨風(fēng)速增加而激增,即約11m/s的風(fēng)速為其風(fēng)蝕模數(shù)轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)。60%蓋度的無退化草地風(fēng)蝕模數(shù)臨界點(diǎn)風(fēng)速值提高到約14m/s,對(duì)14m/s以下的風(fēng)具有較強(qiáng)的抗蝕能力;而86%蓋度的無退化草地風(fēng)蝕模數(shù)沒有明顯的臨界點(diǎn)風(fēng)速值,且風(fēng)蝕模數(shù)曲線斜率很小,基本按線性規(guī)律增加,各風(fēng)速下風(fēng)蝕模數(shù)均很低對(duì)不同風(fēng)速都具有很強(qiáng)的抗風(fēng)蝕能力?？梢?采取圍欄圈養(yǎng)、封地等措施恢復(fù)草地植被,可大大降低風(fēng)蝕模數(shù)、提高風(fēng)蝕模數(shù)臨界點(diǎn)風(fēng)速值。增強(qiáng)草地的抗風(fēng)蝕能力,尤其是對(duì)本區(qū)春季經(jīng)常出現(xiàn)的8級(jí)大風(fēng)具有很好的抗風(fēng)蝕效果,這是治理該區(qū)草地荒漠化的一項(xiàng)十分有效措施。3.2農(nóng)田地表風(fēng)蝕模數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系傳統(tǒng)耕作農(nóng)田和不同蓋度下的保護(hù)性耕作農(nóng)田的風(fēng)蝕模數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。其中,傳統(tǒng)耕作是用犁把表層土壤翻開后埋在底下,讓深層土壤翻到表面,冬春季節(jié),地表裸露缺少覆蓋的傳統(tǒng)農(nóng)耕技術(shù)。而保護(hù)性耕作是對(duì)農(nóng)田實(shí)行免耕、少耕,盡可能減少耕作,用作物秸稈殘茬覆蓋地表,減少風(fēng)蝕和水蝕,提高土壤肥力和抗旱能力的一項(xiàng)先進(jìn)的農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)。由圖3知,不同農(nóng)田地表土壤風(fēng)蝕模數(shù)隨風(fēng)速的增加均呈不同程度的增加,傳統(tǒng)耕作農(nóng)田風(fēng)蝕模數(shù)隨風(fēng)速增加程度表現(xiàn)極為劇烈。在風(fēng)速為18m/s時(shí),傳統(tǒng)耕作農(nóng)田與保護(hù)性耕作農(nóng)田(70%蓋度)的風(fēng)蝕模數(shù)之比高達(dá)10.85。傳統(tǒng)耕作農(nóng)田風(fēng)蝕模數(shù)隨風(fēng)速的增加類似于退化草地存在著風(fēng)蝕模數(shù)臨界點(diǎn),該點(diǎn)風(fēng)速值約為12m/s。風(fēng)速大于12m/s時(shí),風(fēng)蝕模數(shù)隨風(fēng)速增加而激增,曲線斜率很大,說明傳統(tǒng)耕作農(nóng)田對(duì)12m/s以上的大風(fēng)抗蝕能力很弱。而保護(hù)性耕作農(nóng)田地表,沒有明顯的風(fēng)蝕模數(shù)臨界點(diǎn),且風(fēng)蝕模數(shù)曲線斜率很小;風(fēng)速>9m/s時(shí)風(fēng)蝕模數(shù)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)耕作農(nóng)田,具有很強(qiáng)的抗風(fēng)蝕能力,尤其是對(duì)12m/s的大風(fēng)的抗蝕能力更強(qiáng)。由此可見,針對(duì)陰山北麓半干旱區(qū)春季多大風(fēng)干旱少雨的氣候特點(diǎn),實(shí)行保護(hù)性耕作代替?zhèn)鹘y(tǒng)耕作可大大降低風(fēng)蝕模數(shù),有效抑制風(fēng)蝕荒漠化的擴(kuò)展。3.3生態(tài)法上的風(fēng)蝕模數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,用式(1)計(jì)算出不同地表土壤的風(fēng)蝕模數(shù),進(jìn)行單位換算整理后如表1所示。無退化草地(86%蓋度)、保護(hù)性耕作農(nóng)田(70%蓋度)的風(fēng)蝕模數(shù)很小,具有較好的抗風(fēng)蝕效果。容易發(fā)現(xiàn),保護(hù)性耕作農(nóng)田(70%蓋度)的風(fēng)蝕模數(shù)明顯低于無退化草地(86%蓋度),這恰恰與植被蓋度增加風(fēng)蝕模數(shù)下降的規(guī)律相悖,其原因是二者屬于兩種截然不同的地表類型,不能僅從植被蓋度和風(fēng)速因素的角度分析。土壤含水率測(cè)定結(jié)果表明:保護(hù)性耕作農(nóng)田(70%蓋度)平均含水率為10.08%,無退化草地(86%蓋度)平均含水率為2.67%,可見保護(hù)性耕作農(nóng)田具有很強(qiáng)的保水能力,這是除植被蓋度因素之外其具有較低風(fēng)蝕模數(shù)的另一個(gè)主要原因。3.4抗風(fēng)蝕效率比較分別以退化草地(22%蓋度)、傳統(tǒng)耕作農(nóng)田(0蓋度)在試驗(yàn)各級(jí)風(fēng)速下的風(fēng)蝕模數(shù)為基準(zhǔn),由于無退化草地和保護(hù)性耕作農(nóng)田具有不同程度的抗風(fēng)蝕作用,風(fēng)蝕模數(shù)有一定的減少。將風(fēng)蝕模數(shù)的這種減少量占基準(zhǔn)風(fēng)蝕模數(shù)的比率稱為土壤的抗風(fēng)蝕效率。由此計(jì)算出各類地表土壤的抗風(fēng)蝕效率如表2所示。定量的反映出了無退化草地和保護(hù)性耕作農(nóng)田在不同風(fēng)速下的抗風(fēng)蝕效果?？梢钥闯?隨風(fēng)速的增加各植被蓋度下的草地和農(nóng)田的抗風(fēng)蝕效率均增加,當(dāng)風(fēng)速為18m/s時(shí),無退化草地(86%蓋度)、保護(hù)性耕作農(nóng)田(70%蓋度)的抗風(fēng)蝕效率分別達(dá)85.1%和90.8%。由此可見,全面實(shí)行草地恢復(fù)和保護(hù)性耕作對(duì)該區(qū)8級(jí)左右大風(fēng)的抗蝕效果是十分理想的。3.5土壤年風(fēng)蝕量陰山北麓干旱半干旱區(qū)屬于顯著的大陸性季風(fēng)氣候,風(fēng)蝕氣候侵蝕力(是對(duì)影響風(fēng)蝕的可能程度的量度)具有很強(qiáng)的季節(jié)性差異。王永等采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)公布的公式對(duì)本區(qū)風(fēng)蝕氣候侵蝕力計(jì)算得出:風(fēng)蝕氣候侵蝕力基本上以秋季(9～10月)最弱,平均為16.6,依次為夏季(6～8月)18.9,冬季(11月～翌年2月)38.7,春季(3～5月)達(dá)到最強(qiáng)為80.3。因此春季是土壤風(fēng)蝕的主要季節(jié),其次為冬季。故近似認(rèn)為本區(qū)土壤年風(fēng)蝕量基本上是冬春季的風(fēng)蝕量。本區(qū)冬春季8級(jí)以上風(fēng)速(以8級(jí)計(jì)算)按32d計(jì)算,農(nóng)田和草地按陰山北麓半干旱區(qū)實(shí)際面積計(jì)算,根據(jù)18m/s(接近8級(jí)風(fēng)風(fēng)速)的風(fēng)蝕模數(shù)按式(2)計(jì)算出本區(qū)不同狀態(tài)下旱作農(nóng)田和草地土壤的年風(fēng)蝕量Q,結(jié)果見表3。Q=E·S·d(2)式中Q——土壤年風(fēng)蝕量,t;E——風(fēng)蝕模數(shù),t·d-1·km-2;S——實(shí)際土地面積,km-2;d——8級(jí)風(fēng)天數(shù),d。由表3可知,若陰山北麓半干旱區(qū)151.3萬hm2農(nóng)田全部由傳統(tǒng)耕作改為70%蓋度的保護(hù)性耕作,年減少土壤風(fēng)蝕40.5×108t,風(fēng)蝕量降低率可達(dá)90.8%。529.7萬hm286%蓋度的草地發(fā)生退化至22%后年風(fēng)蝕量增加約92.1×108t,86%蓋度的無退化草地風(fēng)蝕量降低率為85.2%。由以上數(shù)據(jù)可見,陰山北麓半干旱區(qū)全面推行保護(hù)性耕作和草地生態(tài)恢復(fù)治理,可大大提高地表土壤的抗風(fēng)蝕能力,是防治風(fēng)蝕荒漠化危害的有效措施。4植被蓋度對(duì)農(nóng)田抗風(fēng)蝕效率的影響1)在相同的風(fēng)速下,退化草地、傳統(tǒng)耕作農(nóng)田的風(fēng)蝕模數(shù)明顯高于相應(yīng)的無退化草地和保護(hù)性耕作農(nóng)田。傳統(tǒng)耕作農(nóng)田、退化草地存在較低的風(fēng)蝕模數(shù)臨界點(diǎn),對(duì)11m/s以上大風(fēng)的抗蝕能力非常脆弱。無退化草地和保護(hù)性耕作農(nóng)田土壤的風(fēng)蝕模數(shù)臨界點(diǎn)隨植被蓋度的增加而升高甚至不存在,且風(fēng)蝕模數(shù)曲線相對(duì)平坦,對(duì)8級(jí)以上大風(fēng)具有很強(qiáng)的抗蝕能力。2)隨風(fēng)速和植被蓋度的增加無退化草地和保護(hù)性耕作農(nóng)田的抗風(fēng)蝕效率均增加。風(fēng)速為1