陰山北麓干旱區(qū)不同種植模式對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕的影響

陰山北麓干旱區(qū)不同種植模式對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕的影響

土地沙漠是一個(gè)全球問(wèn)題。由于沙漠的發(fā)展，每年損失600萬(wàn)hm600萬(wàn)人，最嚴(yán)重的是荒漠化。隨著土地荒漠化的蔓延,人類(lèi)可耕種的土地日益減少,糧食生產(chǎn)受到了嚴(yán)重威脅。中國(guó)是荒漠化危害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一,荒漠化土地面積為267.4萬(wàn)hm2,占國(guó)土面積的27.3%,其中由于土壤風(fēng)蝕導(dǎo)致土地荒漠化的面積達(dá)到61.3%。根據(jù)《聯(lián)合國(guó)防治荒漠化公約》規(guī)定的指標(biāo),中國(guó)可能發(fā)生荒漠化地區(qū)分布在29~49°N,73~123°E,總面積331.7萬(wàn)hm2,囊括了中國(guó)所有的旱地面積。土壤風(fēng)蝕是指土壤及其母質(zhì)在風(fēng)力作用下發(fā)生的侵蝕、分選和搬運(yùn)的過(guò)程。它一方面會(huì)造成表層大量富含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的細(xì)微顆粒的損失,導(dǎo)致土壤表層粗化,土壤肥力下降和土地生產(chǎn)力的衰退;另一方面將導(dǎo)致沙塵危害,甚至沙塵暴。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)高煥文等研究表明,北京沙塵暴70%的沙塵來(lái)自于北京外圍的冬季裸露休閑的農(nóng)田。中國(guó)科學(xué)院地學(xué)部“風(fēng)沙問(wèn)題專家組”對(duì)沙塵暴成分和來(lái)源進(jìn)行了分析研究,結(jié)果表明對(duì)京津造成嚴(yán)重危害的沙塵暴的沙塵源主要來(lái)自于內(nèi)蒙古中部和河北省壩上地區(qū)約25萬(wàn)km2的退化草地、撂荒地及旱作農(nóng)田。來(lái)自于農(nóng)田風(fēng)蝕的細(xì)微顆粒是大氣沙塵源的一部分,但同時(shí)也是通過(guò)人類(lèi)精心管理可以減少的一部分。對(duì)農(nóng)田耕作的風(fēng)蝕問(wèn)題,由于美國(guó)30年代的“黑風(fēng)暴”引起了科學(xué)界的高度重視。國(guó)際上(主要是美國(guó))對(duì)土壤風(fēng)蝕的研究主要集中在對(duì)風(fēng)蝕影響因子,風(fēng)蝕評(píng)價(jià)和風(fēng)蝕防治模式與機(jī)理的研究和發(fā)展,取得了較大的進(jìn)展,形成了比較完善的科學(xué)體系。我國(guó)對(duì)土壤風(fēng)蝕的研究起步比較晚,但近年來(lái)也有了一定的進(jìn)展,對(duì)影響土壤風(fēng)蝕的因子進(jìn)行了定量研究,對(duì)風(fēng)蝕程度分級(jí)指標(biāo)進(jìn)行了探索,尤其在風(fēng)沙防治措施方面以開(kāi)發(fā)出了許多成動(dòng)的模式。但還存在許多不足的地方,特別在研究對(duì)象上,研究多集中在沙漠及其邊緣地帶,對(duì)北方干旱半干旱地區(qū)大面積裸露農(nóng)田風(fēng)蝕狀況缺乏系統(tǒng)的深入研究。本試驗(yàn)以北方旱作農(nóng)田為重點(diǎn),根據(jù)內(nèi)蒙古陰山北麓自然環(huán)境與種植方式,通過(guò)野外觀測(cè)并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,深入探討不同的種植模式對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響,進(jìn)一步創(chuàng)建風(fēng)蝕荒漠化農(nóng)田治理模式。1農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的季節(jié)和季節(jié)試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科學(xué)院武川旱作試驗(yàn)站(N41°08.344′,E111°17.580′)旱地進(jìn)行,海拔1555m,是我國(guó)典型的半干旱偏旱農(nóng)業(yè)區(qū)。該區(qū)年降水量?jī)H有250~400mm,且主要集中夏季。全年月平均風(fēng)速達(dá)4.5m/s,5月份風(fēng)速最大,月均風(fēng)速可達(dá)6m/s,盛行西北風(fēng)或西風(fēng),全年8級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)平均在23d。全年積溫2241~2900℃,無(wú)霜期90~120d,只能滿足一季作物的生長(zhǎng),每年1~3月份和10~12月份農(nóng)田沒(méi)有作物的覆蓋,處于裸露狀況,是風(fēng)蝕經(jīng)常發(fā)生的季節(jié)。試驗(yàn)區(qū)土壤為栗鈣土,0~20cm土壤含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(表1),風(fēng)蝕季節(jié)被風(fēng)吹走的土壤流失了大量的N、P、K和有機(jī)質(zhì),給土壤肥力造成了很大的損失。2材料和方法2.1茬口、茬口和草間作試驗(yàn)在2003年10月到2005年4月,設(shè)計(jì)土壤翻耕和免耕留茬兩種土壤耕作措施,通過(guò)野外觀測(cè)和室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn),考察不同耕作方式對(duì)土壤風(fēng)蝕量及其相關(guān)影響因子的影響。為了進(jìn)一步考察不同作物茬口對(duì)土壤風(fēng)蝕量的影響,選擇帶狀留茬間作輪作的油菜、莜麥、草谷子和草玉米四種茬口,分析風(fēng)蝕季節(jié)不同作物種植條件對(duì)土壤風(fēng)蝕的影響。茬口帶寬6m,長(zhǎng)120m。播種時(shí)施用磷酸二銨150kg/hm2,尿素75kg/hm2,氯化鉀60kg/hm2作種肥。2.2指標(biāo)和方法的測(cè)量2.2.1基土及干土質(zhì)量比(1)農(nóng)田土壤風(fēng)蝕量采用風(fēng)蝕圈法,在秋季作物收獲后埋下風(fēng)蝕圈(直徑25cm),使風(fēng)蝕圈上緣與農(nóng)田地表一致高。為便于取土,風(fēng)蝕圈底部放置與其高度相同的透水透氣較好的自制尼龍?zhí)?內(nèi)部放置1.6kg與放置地點(diǎn)基本質(zhì)地相同土壤。埋前測(cè)定風(fēng)蝕圈中土壤的含水量,折算土壤干土重。翌年4月份(基本在作物播種前)取出風(fēng)蝕圈中土壤稱重并測(cè)定其水分含量,擇算干土重。比較兩次干土重量差值,得出土壤損失量,單位面積土壤損失量即為這一段時(shí)間土壤風(fēng)蝕量。(2)土壤風(fēng)蝕量。采用自制的簡(jiǎn)易沙塵收集器,在大風(fēng)天氣收集不同高度風(fēng)蝕輸沙量。收集器高20cm,由4個(gè)外徑5cm,長(zhǎng)50cm的微化管階梯式排列而成,在微化管的出口處用紗布封口。收集完畢把管中的沙塵倒出來(lái),用1/10000的電子天平稱重,即得風(fēng)蝕量。2.2.2地表團(tuán)聚體及顆粒組成近地面平均風(fēng)速減少到0的某一高度,它表征地表的粗糙程度,可以反應(yīng)地表風(fēng)速的減弱作用以及對(duì)風(fēng)沙流的影響,取決于地形的起伏、植被覆蓋、地表團(tuán)聚體及顆粒組成等。可由下式計(jì)算:K=exp[(U1lnZ2-U2lnZ1)/(U1-U2)]式中:K——地表粗糙度,cm;Z1,Z2——地表以上兩個(gè)不同高度,cm;U1和U2——Z1和Z2高度處的風(fēng)速本試驗(yàn)風(fēng)速變化采用QDF-3型熱球電風(fēng)速計(jì)測(cè)定,計(jì)數(shù)采用長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)采集器,計(jì)數(shù)步長(zhǎng)為1min。試驗(yàn)中采用2m和0.5m處的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)算,計(jì)算不同茬口的地表粗糙度。2.2.3土壤水分的測(cè)定考慮到表層土的含水量影響土壤風(fēng)蝕量較大,且在4月份之前,10cm以下土層沒(méi)有完全化凍,我們?nèi)?~5cm,5~10cm兩個(gè)土層的土壤水分,采用烘干法測(cè)定。2.2.4土壤體積采用環(huán)刀法。2.2.5土壤重量采用浙江大學(xué)研制GT-1型土壤堅(jiān)實(shí)度計(jì)測(cè)定。2.2.6殘茬覆蓋度測(cè)定本實(shí)驗(yàn)作物收獲后的留茬地殘茬覆蓋度利用“樣線法”來(lái)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)中取兩根長(zhǎng)6m且?guī)в锌潭鹊睦K子,沿農(nóng)田對(duì)角線的方向垂直放置。觀測(cè)兩根繩子0~1m和2~3m處殘茬截取繩子的長(zhǎng)度。兩根繩子4個(gè)區(qū)間繩子截取長(zhǎng)度的平均值即為殘茬覆蓋度。茬高利用多點(diǎn)取平均值的方法得出。3結(jié)果與分析3.1氣候侵蝕力指數(shù)面Chepil等認(rèn)為氣候條件決定著年土壤風(fēng)蝕水平,通過(guò)風(fēng)速、降雨和溫度等因子可以綜合體現(xiàn)氣候條件對(duì)風(fēng)蝕的作用。關(guān)于風(fēng)蝕氣候侵蝕力的估算,國(guó)外已經(jīng)提出了許多公式,本文中風(fēng)蝕氣候侵蝕力的計(jì)算采用1979年聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的修正公式:CWE=1100∑i=1nU3DETPi?PiETPCWE=1100∑i=1nU3DEΤΡi-ΡiEΤΡ式中:CWE——風(fēng)蝕氣候侵蝕因子指數(shù);U——月平均風(fēng)速(m/s);Pi——月降雨量(mm);D——月天數(shù);ETPi——月潛在蒸發(fā)量(mm);其中,潛在蒸發(fā)量采用程文天等人(1980)的氣溫,月相對(duì)濕度公式:ETPI=0.19(20+TI)2(1-RI)式中:TI——月平均氣溫(℃);RI——月相對(duì)濕度(%)。利用近10年的武川縣氣象資料,得出其氣候侵蝕力指數(shù)。如圖1所示,春季(3~5月份)氣候侵蝕力指數(shù)最大,這一階段降雨少,氣溫回升快,早晚溫差較大,空氣十分干燥,表層土壤由于凍融交替變得十分松散,由于風(fēng)多風(fēng)大,土壤極易發(fā)生風(fēng)蝕。由此也可以說(shuō)明,該地區(qū)具有發(fā)生風(fēng)蝕危害的潛在氣候條件。3.2降低地表粗糙度和土壤水分利用風(fēng)蝕圈法測(cè)定留茬免耕地和秋翻裸地農(nóng)田土壤風(fēng)蝕量的結(jié)果表明(見(jiàn)表2),與秋耕裸地相比,留茬免耕地的風(fēng)蝕量減少了66.67%。這表明留茬免耕的保護(hù)性耕作可以明顯減輕農(nóng)田土壤的風(fēng)蝕。分析其原因可以歸納為以下幾點(diǎn):(1)免耕留茬,由于地表殘茬的作用,降低了地表風(fēng)速,增加了地表粗糙度。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明,翻耕地地表粗糙度為1.22cm,免耕地地表粗糙度6.92cm,比翻耕地增加了5.70cm。(2)增加了土壤表層水分含量。土壤表層水分含量是土壤風(fēng)蝕的重要影響因子。多點(diǎn)測(cè)定表明,與傳統(tǒng)翻耕地相比,實(shí)行保護(hù)性耕作可明顯增加土壤表層水分含量。與翻耕地相比,免耕地表層0~5cm土壤水分含量增加了2.66%,5~10cm增加了3.16%。(3)增加地表堅(jiān)實(shí)度,增強(qiáng)土壤的抗風(fēng)蝕能力。免耕避免了土層結(jié)構(gòu)的破壞,維持了土層較高的土壤堅(jiān)實(shí)度。由表2可見(jiàn),免耕增加了表層平均硬度,翻耕地為0.108kg/cm3,免耕地為1.462kg/cm3,增加了1.354kg/cm3。3.3土壤養(yǎng)分和水分的應(yīng)用各有制不同農(nóng)作物由于自身的生理特性和種植制度、田間管理的特性,對(duì)土壤養(yǎng)分和水分的消耗各異。本試驗(yàn)選擇研究區(qū)種植面積最大的5種作物:馬鈴薯、莜麥、油菜、草谷子和草玉米,考察作物收獲后不同作物茬口對(duì)土壤風(fēng)蝕量的影響。3.3.1馬鈴薯風(fēng)蝕減少率測(cè)定作物留茬可以明顯降低農(nóng)田土壤風(fēng)蝕量,由表3可見(jiàn),各種茬口的風(fēng)蝕量大小依次為馬鈴薯>草玉米>油菜>莜麥>草谷子。與馬鈴薯裸地相比,各種留茬作物風(fēng)蝕減少率分別為草玉米茬73.1%,油菜茬74.8%,草谷子茬91.6%,莜麥茬80.5%。總的來(lái)看,條播作物(留茬作物)風(fēng)蝕減少率大于穴播作物(馬鈴薯),殘茬密度越大,減少風(fēng)蝕的程度越明顯。3.3.2殘茬高度與風(fēng)蝕量的關(guān)系對(duì)殘茬高度、密度和蓋度與風(fēng)蝕量之間分別作相關(guān)分析,結(jié)果表明殘茬高度、密度和蓋度與風(fēng)蝕量均成負(fù)相關(guān)關(guān)系,分別為-0.96,-0.57和-0.82,其中殘茬高度與風(fēng)蝕量相關(guān)系數(shù)最高。這說(shuō)明對(duì)于作物殘茬,高度是影響風(fēng)蝕最重要因素,其次是蓋度,然后才是殘茬密度。在研究區(qū),由于飼料緊張,除油菜秸稈幾乎被全部從地里移走,造成土地裸露面積大,農(nóng)田風(fēng)蝕嚴(yán)重。因此,在秸稈無(wú)法全部保留的情況,對(duì)作物進(jìn)行高留茬處理,可以起到很好的防風(fēng)蝕效果。3.4土壤水分與風(fēng)蝕的關(guān)系對(duì)土壤表層0~5cm水分含量、土壤堅(jiān)實(shí)度和地表粗糙度與風(fēng)蝕量之間分別作相關(guān)分析(表4),結(jié)果表明土壤表層0~5cm水分含量、土壤堅(jiān)實(shí)度和地表粗糙度與風(fēng)蝕量均成負(fù)相關(guān)關(guān)系,地表粗糙度與風(fēng)蝕量相關(guān)系數(shù)最高。這說(shuō)明對(duì)于土壤表層特性來(lái)說(shuō),粗糙度是影響風(fēng)蝕最重要的因素,其次是表層0~5cm水分含量,然后才是土壤堅(jiān)實(shí)度。地表粗糙度增大,對(duì)風(fēng)的阻力就越大,可以有效的減弱風(fēng)速對(duì)風(fēng)沙流的影響,降低近地表風(fēng)速,從而減輕地表風(fēng)蝕危害程度。從表4可見(jiàn),不同作物茬口,其地表粗糙度程度大小不同,田間測(cè)定結(jié)果為草谷子>莜麥>油菜>草玉米,作物茬口密度越大,粗糙度越大。土壤水分是影響土壤風(fēng)蝕的重要因子,不同作物茬口其春季土壤水分含量也不一樣,表層0~5cm水分含量表現(xiàn)為莜麥>草谷子>草玉米>油菜。在土壤不同層次中,0~5cm這一層次的土壤水分對(duì)風(fēng)蝕的影響程度最大,總的看來(lái),農(nóng)田表層土壤水分含量在春季普遍偏低(小于5%),這也是造成春季土壤風(fēng)蝕嚴(yán)重的一個(gè)原因。土壤表層的堅(jiān)實(shí)程度,可以從一定程度來(lái)反映其抗風(fēng)蝕能力的高低,由表4可見(jiàn),不同茬口土壤堅(jiān)實(shí)度表現(xiàn)為油菜>莜麥>草谷子>草玉米。3.5農(nóng)田高度變化對(duì)農(nóng)田增沙效果的影響傳統(tǒng)的農(nóng)事操作如播種、整地、除草等由于直接與土壤接觸,使土壤懸空,加快了土壤表層的干燥速度,創(chuàng)造了更多的可蝕性小顆粒,增大了土壤風(fēng)蝕的潛在危險(xiǎn)。試驗(yàn)采用自制的簡(jiǎn)易沙塵收集器對(duì)秋翻地未播種和播種后的農(nóng)田不同高度(5cm,10cm,15cm,20cm)大風(fēng)天氣風(fēng)蝕沙塵量同時(shí)間收集,通過(guò)稱重確定風(fēng)蝕情況。結(jié)果見(jiàn)表5,與未播種的秋翻農(nóng)田相比,作物的播種環(huán)節(jié)明顯增加了土壤的風(fēng)蝕作用,播種后一次大風(fēng)使農(nóng)田地表20cm內(nèi)的輸沙量平均增加了71.90%。距地表5cm處增加了225.17%,10cm處增加58.21%,15cm處增加了42.63%,20cm處增加了9.82%,增沙的效果隨著高度的增加呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì),這與土壤風(fēng)蝕在空間的梯度變化有關(guān)。土壤風(fēng)蝕輸沙活動(dòng)主要集中在近地面運(yùn)動(dòng),當(dāng)高度大于4cm以后,隨著集沙儀高度的增加,集沙量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)。4農(nóng)田種植模式對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕的影響農(nóng)田土壤風(fēng)蝕是氣候、土壤和植被等多個(gè)風(fēng)蝕影響因子的綜合作用,氣候是產(chǎn)生風(fēng)蝕的動(dòng)力因素,研究區(qū)多風(fēng)少雨的干旱氣候條件決定了其強(qiáng)烈的氣候侵蝕能力,但同時(shí)農(nóng)田不同的種植模式對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕的影響也很大。分析農(nóng)田風(fēng)蝕影響因子(見(jiàn)表6)可見(jiàn),農(nóng)田土壤風(fēng)蝕可以通過(guò)人類(lèi)的精心管理有效的防治。本試驗(yàn)分析陰山北麓干旱區(qū)不同的種植模式對(duì)農(nóng)田風(fēng)蝕的影響,可以得出結(jié)論:(1)土壤不合理的翻耕是造成農(nóng)田風(fēng)蝕的重要因素,通過(guò)實(shí)行保護(hù)性的免耕留茬耕作措施,可以有效減小農(nóng)田土壤的風(fēng)蝕作用。與秋耕裸地相比,免耕留茬地的風(fēng)蝕量減少了6