土壤风蚀与干旱半干旱地区农田土地退化

土壤风蚀与干旱半干旱地区农田土地退化

0农田土壤风蚀农田风蚀是中国北方干旱半干旱地区土地退化的主要原因之一。当风吹过干旱的农田地表时,在风力作用下土壤颗粒脱离地表进入气流中而被搬运,产生风沙运动,出现风沙流。风蚀越严重,则风沙流的强度就越大,由土壤颗粒输送与堆积引发的风沙流危害也越严重。因此,研究农田地表风沙流特性,对于防治农田土壤风蚀,消除农田风沙危害具有重要的意义。国内外学者对农田风蚀中植被效应、土壤性质、耕作模式、气候因子等进行了大量研究,取得了许多有意义的成果。Wolfe等研究认为植被覆盖能提高地表空气动力学粗糙度、降低风速和阻挡沙尘,对地表起到保护作用;董治宝等通过风洞研究发现,随着植被覆盖度的增加,土壤风蚀率急剧下降;刘晓冰等研究显示农作物秸杆覆盖不仅可以减少风蚀,还可以增加土壤养分。研究的重点多数放在农田的抗风蚀效果上,对农田地表特别是保护性耕作农田地表风沙流特性的研究还十分少见。尽管一些学者对风沙流颗粒跃移轨迹参数、颗粒的垂向浓度分布、跃移颗粒受力分析、风沙活动层的风速廓线等方面进行了研究,但研究对象主要集中于荒漠地表。本文利用移动式风蚀风洞对保护性耕作农田地表和对照秋翻地进行原位测试,对比分析保护性耕作农田地表风沙流特性,探讨保护性耕作对土壤风蚀的影响机理,为防治农田土壤风蚀提供理论依据。1田间试验设备及测点布置研究区位于内蒙古自治区武川县保护性耕作项目区,海拔1600m左右,年平均气温2.5℃。降水量360mm左右,无霜期105d左右,年积温2100℃。全年月平均风速达4.5m/s,4-5月风速最大,月均风速可达6m/s。在这种干旱多风的沙质地表条件下,由于人为活动的加剧,加之每年40d以上的大风天气,导致了以风蚀为主要标志的土壤退化格局。近年来,该项目区经过数年的保护性耕作试验,土壤质量已经有所恢复和改善,土壤风蚀沙化得到初步控制。本次试验是在内蒙古农业大学移动式风蚀风洞中完成的。该风洞由过渡段、整流段(包括开孔板、蜂窝器、阻尼网和非均匀网格)、收缩段和试验段组成。该风洞全长10.9m,试验段为矩形无底截面,长为7.2m,断面1m×1.2m,湍流度≤1.5%,横向均匀性指数≤1%,风速范围为0~20m/s,风速控制采用无级调速。野外测试时由柴油发电机组提供动力。经中国科学院寒区旱区环境与工程研究所测定,该风洞结构符合低速风洞的设计要求,在试验段能够模拟自然风,产生自由旋涡气流和稳定流动的气流场,其风速廓线与真实地表自然风速廓线一致。待测地表为保护性耕作莜麦留茬覆盖地,留茬高度为30cm,行距为20cm,经6次测得的平均植被覆盖度(各植物单体在所测地表的投影面积总和与土壤表面总面积的比)为70%。选择相邻的秋翻地进行同样设计的测试作为对照。留茬地与对照秋翻地距地表5cm内土壤机械组成及含水率如表1所示。试验时,将风洞直接放置在保护性耕作莜麦留茬地表,风洞轴线与垄向垂直。选定风洞中心风速分别为7、9、11、14、17m/s的不同风速进行吹蚀,吹蚀时间10min。设计集沙仪置于风洞轴线上距风洞出口1.2m处,测量集沙仪20、60、120、180、240、300、400、500、600、700mm共10个高度的风蚀物并称质量。风速廓线仪置于距风洞出口1.8m,距洞壁0.3m处,选距地表25、50、200、398、600mm5点作为风速采集点(图1)。2结果与分析2.1近地表风速廓线的确定研究近地表风沙流特性,风速廓线是一个重要指标。无直立植被的农田地表其近地表风速随垂直高度呈对数规律变化。由于不同下垫面对气流紊动性影响不同,导致土壤颗粒在风沙流高度上的分布也有差异。而近地表风的运动几乎都是湍流的,各点的流速大小和方向都随时间脉动。因此,讨论近地表风速廓线,是用一定时间间隔内的平均风速来代替瞬时风速。风沙活动层中风速随高度的分布一般遵循对数规律,但由于保护性耕作地表对气流紊动性的影响,使气流的能量分布发生明显变化(图2a)。与对照秋翻地表风速廓线(图2b)相比,保护性耕作地表在残茬高度内改变了风速随高度变化的对数规律。研究表明,在保护性耕作地表的残茬高度内,风速随高度的减小而急剧减小。以风洞中心风速7和17m/s为例,当风速为7m/s时,保护性耕作地表和对照秋翻地表在25mm处的风速较之600mm处分别降低98.71%和84.21%;当风速为17m/s时,分别降低89.21%和60.62%。由此可见,由于直立残茬对气流的阻挡和削弱作用,保护性耕作降低近地表风速的效果十分明显。2.2地表沙活动层与地形风蚀的联系风沙流结构是气流中输沙率随高度的分布,其结构特征受风速、可风蚀颗粒含量及下垫面等因子的影响。前人对沙漠和戈壁地表的风沙流结构进行了深入研究,而农田土壤比沙漠、戈壁粒度范围更广,不同耕作措施下地表可风蚀物质含量和表面粗糙度差异较大,进而增大了风沙流结构的变异。研究表明,保护性耕作农田地表对风沙流的影响不同于对照秋翻地,呈现出独有的特征(图3a)。总体来看,输沙率随风速的增大而增加,特别是当风速超过14m/s后,输沙率的增幅更加显著。在240mm高度以下,输沙率基本上是随高度与风速的增加而增加。在240mm高度以上,输沙率随高度的增加而递减,最大输沙率在240mm高度上。这是由于直立残茬对气流的抬升作用,把风速廓线抬高了23.44cm,使风蚀物的运动轨迹发生了改变。在直立残茬内,风受到残茬的阻挡也消耗了风能,降低了风速,因而最大输沙率发生在240mm高度上是可信的。在地表500mm高度以下的输沙量占总输沙量的98.15%~98.90%,而在距地表180~400mm高度范围内的输沙量已占总输沙量的67.94%~69.28%,这就是说,留茬高度为30cm的保护性耕作农田地表风沙活动层主要集中在180~400mm高度范围内,与传统耕作方式的对照秋翻地形成鲜明对比(图3b)。对照秋翻地表土壤风蚀表现出更多的是近地表的风沙活动,距地表180mm以下的输沙量占总输沙量的88.21%~95.64%。以180mm为界,随风速的增加,上、下层输沙量均在增加,但上层的输沙量占总输沙量的比例却在减小。从图3还可以看出,保护性耕作农田地表由于直立残茬的作用,不仅改变了风沙流结构,而且在风速为7和17m/s吹蚀时,其最大输沙率分别是对照秋翻地的52.61%和33.46%,明显小于传统耕作农田地表。3动态沙沙流残茬高度变化的影响不同性质的下垫面对气流的紊动性影响很不相同。由于直立残茬的作用,保护性耕作农田地表能迅速降低近地表风速,特别是在残茬高度内,风速随高度的减小而急剧减小,极大地削弱了对地表土壤的风蚀能量。与对照秋翻地相比,保护性耕作农田地表风沙流在输送过程中其结构发生了明显变异。随着高度的增加,在残茬高度内的输沙率分布虽然杂乱,但整体还是呈增加趋势。风沙活动层主要集中在180~400mm高度范围内,占总输沙量的67.94%~69.28%。其最大输沙率出现在距地表240mm高度上,