阴山北麓不同地表土壤抗风蚀效果的对比研究

阴山北麓不同地表土壤抗风蚀效果的对比研究

0坝上地区农田土壤风蚀的研究土壤风暴是干旱、半干旱和部分半湿润地区最重要的环境问题之一。由风蚀造成的草地、农田退化,不仅使土地生产力急剧下降,而且还严重破坏当地及周边地区的生态环境。中国科学院对沙尘暴的成分和来源进行分析研究表明,造成沙尘暴的主要原因是退化的耕地和草地,而不是沙漠;报告还显示,对京津造成沙尘暴的沙尘源主要来自于内蒙古中部和河北省坝上地区约25万km2的退化草地、撂荒地及旱作农田。自20世纪30年代美国开垦草地种粮发生黑风暴以来,国际上关于农田土壤风蚀防治的研究就己开始,认为农田地表残茬可以有效地降低风蚀,植被覆盖度(简称盖度)是控制风蚀的重要参数。国内学者在土壤风蚀方面也作了大量工作,并取得一些重要研究成果,但仍然存在许多不足之处:由于大多研究是采用野外观测和室内风洞模拟试验进行的,使得理论分析、模拟试验和野外观测、应用脱节,这是土壤风蚀研究目前存在的突出问题之一。其原因是由于实验室风洞气流和下垫面性质相对简单,与野外实际地表有较大的差异,导致试验结果与野外实际应用之间尚存在较大的距离。针对中国土壤风蚀研究存在的不足和阴山北麓农牧交错带风蚀荒漠化严重制约该区农业可持续发展瓶颈的现状。选择北方干旱、半干旱地区的典型风蚀沙化区-内蒙古武川县不同地表为研究对象,利用可移动式风蚀风洞及相关测试设备对旱作农田和草地分别进行风洞原位测试,获得了不同地表土壤的风蚀模数和抗风蚀效率。为评价不同地表土壤的抗风蚀效应提供量化依据,对于制定区域生态恢复的防治措施、实现农牧业可持续发展具有重要意义。1沙源地天气概况及年8级以上大风本区位于内蒙古自治区中部,东起锡林郭勒盟的多伦县,西至包头的固阳县,南靠阴山山脉,北接蒙古高原,位于中国三大生态脆弱带之一的北方农牧交错带中段。总人口389万,耕地151.3万hm2,天然草地是耕地的3.5倍,土地退化严重,是中国农牧交错带中经济最贫困区,又是受荒漠化威胁最严重的地区之一。处于北京和华北的上风向,是京津地区沙尘暴天气的主要沙源地。大部分土壤为栗钙土,属于典型草原向荒漠草原过渡的土壤类型。气候属中温带大陆性季风气候,海拔1500～1700m。年降水量250～400mm,自东向西递减,7～8月降水量占全年降水量的70%左右,且多以阵雨形式集中在夏季。年蒸发量高达1848.3mm,约为降水量的5倍多。冬春雨雪很少,4～5月连续无降水日数一般在30～50d以上,加之春风大,干旱持续时间长,地域范围广,风沙危害严重,全年8级以上大风日45～84d,以3～5月最强。春季植被盖度最低,地表裸露面积大,易形成风沙天气,平均每年出现沙尘暴日数9.8～14.6d。以武川县为例,日定时风速大于等于8m/s的天数年平均为63d,大于等于17m/s的大风日数为30d,最多年达76d。60%以上的大风集中在冬春季节,尤其是春季,风蚀极为严重。2设备和方法2.1实验段和缺失段主要研究设备为内蒙古农业大学自行研制的0FDY-1.2型直流吹气式可移动风蚀风洞,由过渡段,整流段,收缩段和实验段组成。实验段长7.2m,为矩形无底截面,宽1m、高1.2m,风速范围0～20m/s连续可调。风速由风速廓线仪采集,风蚀物用旋风分离式集沙仪收集,其高840mm,沿高度方向分布10个气流管,通过气流管收集垂直方向上10个高度的风蚀物。2.2土壤类型、风蚀时间的影响根据赵永来等对本旋风分离式集沙仪的标定结果:集沙仪标定系数δ为0.508%,且不随土壤类型、风洞中心风速、风蚀时间的不同而改变。对不同类型地表土壤进行野外风洞原位测试,由试验结果和集沙仪标定系数δ计算实际土壤在单位面积、单位时间内发生的风蚀量,即风蚀模数,由此定量地分析不同类型地表土壤的抗风蚀能力。2.3土壤风蚀能力测试基于本区风蚀主要发生在春季的气候特征,故试验安排在2006年4月进行。将移动式风洞分别放置在传统耕作农田(0盖度)、小麦残茬高为30cm的保护性耕作农田(30%盖度和70%盖度)、退化草地(22%盖度)、无退化草地(60%盖度和86%盖度)6种不同地表上用净风进行吹蚀测试。其中,植被覆盖度是指植被垂直投影面积占地表面积的百分比,它是刻画陆地表面植被数量的一个重要参数,本试验植被盖度是通过压线法实际测定各地表得出的。对每一地表分别在6,9,12,15,18m/s5个风洞中心风速下连续吹蚀10min测定土壤风蚀量。集沙仪安置在距风洞出口1200mm处的风洞轴线上,收集20,60,120,180,240,300,400,500,600,700mm共10个高度的风蚀物。测试仪器设备布置如图1所示。每次试验结束后用电子天平称出集沙仪内风蚀物总质量q,按式(1)计算不同地表土壤在不同风速吹蚀下的风蚀模数E,以分析和评价土壤的抗风蚀能力。E=q/(S·t·δ)(1)式中E——风蚀模数,g·(m2·min)-1;q——集沙仪收集的风蚀物质量,g;S——风洞内被吹蚀的土壤面积,m2;t——吹蚀时间,min;δ——集沙仪标定系数。3结果与分析3.1风速一定时草地盖度对风蚀模数的影响草地退化是指不合理的管理与超限度的利用以及不利的生态地理条件所造成的草地生产力衰退与环境恶化的过程。其中,植被退化、盖度下降是退化草地的主要表现之一。经测试,得出退化草地(22%盖度)、无退化草地(60%盖度和86%盖度)风蚀模数曲线如图2所示。由图2可知,随风速的增加3种草地的风蚀模数均有不同程度的增加;在风速一定时,随草地盖度的降低风蚀模数呈增加的趋势,其规律为:退化草地>60%盖度无退化草地>86%盖度无退化草地。风洞中心风速为18m/s时,退化草地(22%盖度)的风蚀模数是无退化草地(86%盖度)的6.75倍。从图2还发现,退化草地(22%盖度)的风蚀模数在约11m/s的风速时具有明显的变化:风速小于11m/s时,风蚀模数曲线随风速增加变化平缓;在风速大于11m/s时,风蚀模数随风速增加而激增,即约11m/s的风速为其风蚀模数转变的临界点。60%盖度的无退化草地风蚀模数临界点风速值提高到约14m/s,对14m/s以下的风具有较强的抗蚀能力;而86%盖度的无退化草地风蚀模数没有明显的临界点风速值,且风蚀模数曲线斜率很小,基本按线性规律增加,各风速下风蚀模数均很低对不同风速都具有很强的抗风蚀能力。可见,采取围栏圈养、封地等措施恢复草地植被,可大大降低风蚀模数、提高风蚀模数临界点风速值。增强草地的抗风蚀能力,尤其是对本区春季经常出现的8级大风具有很好的抗风蚀效果,这是治理该区草地荒漠化的一项十分有效措施。3.2农田地表风蚀模数与风速的关系传统耕作农田和不同盖度下的保护性耕作农田的风蚀模数测试结果如图3所示。其中,传统耕作是用犁把表层土壤翻开后埋在底下,让深层土壤翻到表面,冬春季节,地表裸露缺少覆盖的传统农耕技术。而保护性耕作是对农田实行免耕、少耕,尽可能减少耕作,用作物秸秆残茬覆盖地表,减少风蚀和水蚀,提高土壤肥力和抗旱能力的一项先进的农业耕作技术。由图3知,不同农田地表土壤风蚀模数随风速的增加均呈不同程度的增加,传统耕作农田风蚀模数随风速增加程度表现极为剧烈。在风速为18m/s时,传统耕作农田与保护性耕作农田(70%盖度)的风蚀模数之比高达10.85。传统耕作农田风蚀模数随风速的增加类似于退化草地存在着风蚀模数临界点,该点风速值约为12m/s。风速大于12m/s时,风蚀模数随风速增加而激增,曲线斜率很大,说明传统耕作农田对12m/s以上的大风抗蚀能力很弱。而保护性耕作农田地表,没有明显的风蚀模数临界点,且风蚀模数曲线斜率很小;风速>9m/s时风蚀模数远低于传统耕作农田,具有很强的抗风蚀能力,尤其是对12m/s的大风的抗蚀能力更强。由此可见,针对阴山北麓半干旱区春季多大风干旱少雨的气候特点,实行保护性耕作代替传统耕作可大大降低风蚀模数,有效抑制风蚀荒漠化的扩展。3.3生态法上的风蚀模数据试验结果,用式(1)计算出不同地表土壤的风蚀模数,进行单位换算整理后如表1所示。无退化草地(86%盖度)、保护性耕作农田(70%盖度)的风蚀模数很小,具有较好的抗风蚀效果。容易发现,保护性耕作农田(70%盖度)的风蚀模数明显低于无退化草地(86%盖度),这恰恰与植被盖度增加风蚀模数下降的规律相悖,其原因是二者属于两种截然不同的地表类型,不能仅从植被盖度和风速因素的角度分析。土壤含水率测定结果表明:保护性耕作农田(70%盖度)平均含水率为10.08%,无退化草地(86%盖度)平均含水率为2.67%,可见保护性耕作农田具有很强的保水能力,这是除植被盖度因素之外其具有较低风蚀模数的另一个主要原因。3.4抗风蚀效率比较分别以退化草地(22%盖度)、传统耕作农田(0盖度)在试验各级风速下的风蚀模数为基准,由于无退化草地和保护性耕作农田具有不同程度的抗风蚀作用,风蚀模数有一定的减少。将风蚀模数的这种减少量占基准风蚀模数的比率称为土壤的抗风蚀效率。由此计算出各类地表土壤的抗风蚀效率如表2所示。定量的反映出了无退化草地和保护性耕作农田在不同风速下的抗风蚀效果。可以看出,随风速的增加各植被盖度下的草地和农田的抗风蚀效率均增加,当风速为18m/s时,无退化草地(86%盖度)、保护性耕作农田(70%盖度)的抗风蚀效率分别达85.1%和90.8%。由此可见,全面实行草地恢复和保护性耕作对该区8级左右大风的抗蚀效果是十分理想的。3.5土壤年风蚀量阴山北麓干旱半干旱区属于显著的大陆性季风气候,风蚀气候侵蚀力(是对影响风蚀的可能程度的量度)具有很强的季节性差异。王永等采用联合国粮农组织(FAO)公布的公式对本区风蚀气候侵蚀力计算得出:风蚀气候侵蚀力基本上以秋季(9～10月)最弱,平均为16.6,依次为夏季(6～8月)18.9,冬季(11月～翌年2月)38.7,春季(3～5月)达到最强为80.3。因此春季是土壤风蚀的主要季节,其次为冬季。故近似认为本区土壤年风蚀量基本上是冬春季的风蚀量。本区冬春季8级以上风速(以8级计算)按32d计算,农田和草地按阴山北麓半干旱区实际面积计算,根据18m/s(接近8级风风速)的风蚀模数按式(2)计算出本区不同状态下旱作农田和草地土壤的年风蚀量Q,结果见表3。Q=E·S·d(2)式中Q——土壤年风蚀量,t;E——风蚀模数,t·d-1·km-2;S——实际土地面积,km-2;d——8级风天数,d。由表3可知,若阴山北麓半干旱区151.3万hm2农田全部由传统耕作改为70%盖度的保护性耕作,年减少土壤风蚀40.5×108t,风蚀量降低率可达90.8%。529.7万hm286%盖度的草地发生退化至22%后年风蚀量增加约92.1×108t,86%盖度的无退化草地风蚀量降低率为85.2%。由以上数据可见,阴山北麓半干旱区全面推行保护性耕作和草地生态恢复治理,可大大提高地表土壤的抗风蚀能力,是防治风蚀荒漠化危害的有效措施。4植被盖度对农田抗风蚀效率的影响1)在相同的风速下,退化草地、传统耕作农田的风蚀模数明显高于相应的无退化草地和保护性耕作农田。传统耕作农田、退化草地存在较低的风蚀模数临界点,对11m/s以上大风的抗蚀能力非常脆弱。无退化草地和保护性耕作农田土壤的风蚀模数临界点随植被盖度的增加而升高甚至不存在,且风蚀模数曲线相对平坦,对8级以上大风具有很强的抗蚀能力。2)随风速和植被盖度的增加无退化草地和保护性耕作农田的抗风蚀效率均增加。风速为1