刘振东，王飞，2†，赵云，严丽

(1.西北农林科技大学，712100，陕西杨凌;2.中国科学院 水利部 水土保持研究所，712100，陕西杨凌)

对土壤风蚀现象和保护性耕作措施的关注和研 究自19 世纪30 年代发生在美国西部“黑风暴”起，已经有80 余年了，其中国内外关于各种保护性措施对土壤风蚀、土壤理化性状以及作物产量等影响的室外大田研究或者室内模拟研究都已有所展开和深入［1－7］，通过对风蚀治理的前后状况进行对比，不难看出，对风蚀重视和治理不仅有利于农田的可持续生产力的维护和保持，而且有利于环境状况(水体、大气等)的改善。

这些年来，众多学者在不同广度和深度上对土壤风蚀进行了研究，认为各种保护性耕作措施在不同程度上都能起到抑制风蚀的作用［8－10］;但是之前的研究大都基于单一的保护性措施防风蚀效益研究，如单一留茬措施的防风蚀效果研究，或是单一覆盖措施的防风蚀效果研究等，对2 种保护性措施的综合防风蚀效益研究相对较少。该试验通过室内风洞模拟试验，模拟不同覆盖物的覆盖措施以及覆盖与作物直立留茬组合措施的防风蚀效果，通过测定风蚀发生过程中风蚀量、抗风蚀效率与覆盖度、风速以及留茬密度和高度的关系，达到探索砾石覆盖和秸秆覆盖以及覆盖与留茬组合措施对旱作农田的防风蚀效果的目的，探讨更多样的农田防风蚀措施的抗风蚀效果，从而为防治旱作地区农田土壤风蚀采取更为合理适宜的防护措施提供可靠的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验土样采集

该模拟试验所用土样采自延安市安塞县境内的马家沟流域水土流失治理研究区附近。土样采取的是0 ～20 cm 深度范围内的土壤耕层。采样点所属地区——安塞县地处西北黄土高原腹地，地形地貌是典型的黄土高原丘陵沟壑区，地理位置为E108°51'～109°26'，N36°31'～37°19'，南北跨幅92 km，东西跨幅36 km。安塞县属于典型的大陆性半干旱季风气候，年日照时间2 415.5 h，无霜期160 ～180 d，辐射总量480.06 kJ/cm2，年均温8.8 ℃，年均降水量500 mm 左右，年蒸发量是年均降水量的3 倍有余。根据土壤种类划分，该地区总面积95%左右的土壤种类为黄绵土，根据土壤质地(国际制土壤质地分类)划分，该地区的土壤属于粉砂质壤土。

1.2 试验设备与方法

模拟试验是在中国科学院水利部水土保持研究所的室内风蚀实验室进行。风洞全长24 m，主要由风机段、调风段、整流段、试验段、收集段和导流段等6 部分组成，其中实验段截面为1.2 m×1.0 m，其他各组段尺寸见图1。该风洞风速为0 ～20 m/s 范围内连续可调。风洞内气流的均匀性系数与稳定系数在不同的扰流器(位于调风段)组合下有所差异。在该试验所采用的扰流器组合情况下，稳定系数和均匀性系数分别为0.25%和0.09%，符合相关的空气动力学要求［11］。

将野外采集土样进行风干并过0.5 mm 筛以备填装土槽所用，粒径＜0.001、0.001 ～0.005、0.005 ～0.01、0.01 ～0.05、0.05 ～0.25 和0.25 ～1 mm 分别占总量的9.4%、3.1%、4.2%、60.6%、22.57%和0.13%。风干后土样含水量为2%左右。土槽的长宽深分别为125、100 和12.5 cm。填装好的土槽推进风洞的实验段后统一进行10 min 的吹蚀。为方便试验，所采用的风速档为控制风机转速的通用变频器的4 个额定频率，即25、32、39 和45 Hz，分别对应8.0、10.1、12.5 和14.3 m/s。

图1 室内风蚀风洞结构示意图Fig.1 Structure of indoor wind erosion tunnel

1.3 试验设计和数据采集

模拟试验进行了不同的保护性措施处理:不同覆盖度的秸秆覆盖处理(30%、60%、90%);不同覆盖度的砾石覆盖处理(30%、60%、90%，即990、1 980和2 970 kg/hm23 种覆盖量);不同高度留茬(30、20、10 cm)分别与30%覆盖度的秸秆和砾石覆盖组合处理。为方便描述，这里设定了各种处理的缩写，见表1。

表1 各种试验处理的缩写Tab.1 Abbreviation of all treatment

每次吹蚀采集的试验数据包括0 ～62 cm 高度内5 层集沙仪收集的风蚀物量，集沙仪间距为3 cm，各层高度依次为0 ～10、13 ～23、26 ～36、39 ～49 和52 ～62 cm;利用位于集沙段末端的尾沙收集装置收集每次吹蚀的全沙量。集沙仪的收集量用精度为0.001 的电子天平称量，全沙量用精度为0.01 的电子天平称量。测取风速的风速仪型号为衡欣AZ8912，其测量范围为0.3 ～35 m/s，解析度为0.1，准确度为±5%，叶轮直径为70 mm。风速值的确定方式为用位于试验段前端20 cm，高度20 cm 的1 个叶轮式风速仪等间距测取裸土处理情况下垂直风向上横向的8 个测点的风速值的均值。

2 结果与分析

2.1 各种处理下的土壤风蚀情况

通过试验模拟，表明各种保护性措施都在不同程度上对风蚀量有有效的抑制作用［12］，其方法或是直接地增加空气动力学的地表粗糙度，或是隔离开相互作用的气流和土壤表层，达到减少二者的作用面积。总之，随着对风速的抑制作用与对土壤颗粒保护强度的增加，土壤颗粒可以获得的动能逐渐减少，风蚀量也就随之减少。

在8.0 m/s 的风速条件下，所有处理的抗风蚀效率曲线的波动性较其他3 个风速档下的抗风蚀效率曲线更为突出并靠下(图2)，且小于相应的抗风蚀效率值(平均减蚀率)。其他3 个风速档上各种处理的抗风蚀率较为一致，其值也都在8.0 m/s 时各对应值的上方。也就是说，所有的12 种设定处理在8.0 ～10.1 m/s 风速范围内的抗风蚀率各有优差，在10.1 ～14.3 m/s 风速范围内的抗风蚀效率趋于一致，且变化幅度都小于前者，随着风速的增加，保护性措施的抗风蚀效率的增加量趋于稳定，并没有随着风速值的增加呈现出相同幅度的增加。这里的抗风蚀效率指的是设定处理的风蚀量和相同情况下对照组(参照处理)的风蚀量的差值所占对照组风蚀量的比例，又可以称为减蚀率。

图2 各种处理在4 个风速下的抗风蚀效率Fig.2 Anti－erosion efficiency under conditions of four grades of wind velocity

留茬与覆盖组合措施的平均减蚀能力在70%～78%之间，平均为74%左右;砾石覆盖的减蚀能力在26%～72%之间，平均为49%左右;秸秆覆盖的减蚀能力在54%～92%之间，平均为73%左右，与留茬与覆盖组合措施的平均减蚀能力的平均值近似，只是减蚀效果的组内差异较大，跨幅达到了92%－54%=38%，远大于留茬与覆盖组合措施的78%－70%=8%。

2.2 砾石覆盖和秸秆覆盖措施下的土壤风蚀情况

无论是砾石覆盖还是秸秆覆盖都可以在一定程度上减少近地表气流和土壤表层的直接接触面积，即风力的有效作用面积，达到保护土壤表层的目的和作用，还有就是覆盖物可以提高空气动力学粗糙度，吸收并分解部分近地表的气流流速，降低了土壤表面上的剪切力。

不同覆盖度对土壤表层的保护效果定然不同，并且呈现出一定的规律性。随着覆盖度的增加，抗风蚀效率随之增加［13－14］，而风蚀量则呈现出减少的趋势(图3)，而且，秸秆覆盖的效果明显优于砾石覆盖的效果。8.0 m/s 的风速下，砾石覆盖处理的风蚀量是同覆盖度的秸秆覆盖处理的风蚀量的1.92、2.26 和11.25 倍(分别对应30%、60%和90%的覆盖度);10.1 m/s 的风速下，风蚀量比值分别是16.03、15.07 和10.11;12.5 m/s 的风速下，风蚀量比值分别是2.48、5.57 和24.84;14.3 m/s 的风速下，风蚀量比值分别是1.81、3.47 和8.89，都呈现出风速越大，秸秆覆盖抑制风蚀的效果的优越性较之砾石覆盖越明显的规律。

图3 砾石覆盖和秸秆覆盖对风蚀量的影响Fig.3 Impact of gravel cover and straw cover on the mass of wind erosion

对于砾石覆盖，防风蚀的效果明显低于秸秆覆盖的防风蚀效果，且由图3 可知，随着风速的增加，30%砾石覆盖处理下的风蚀量在10.1 m/s 左右就开始发生了突变，即该覆盖度的砾石覆盖处理对10 m/s 左右以下的气流的侵蚀力具有很好的抑制效果;60%的覆盖度情况下，则推迟到了12.5 m/s 左右的风速值处;对于90%的覆盖度，直到风速达到14.3 m/s 左右时，风蚀量仍然处于较为平缓的增长趋势，没有明显的突变点，可以起到抑制全年绝大多数风况对农田的风蚀现象。在8.0 m/s 风速的情况下，60%覆盖度风蚀量较30%覆盖度风蚀量减少了12.81%;90%覆盖度风蚀量较60%覆盖度风蚀量减少幅度为40.27%～82.11%。其他的3 种风速下，60%覆盖度风蚀量比30%覆盖度风蚀量的减少量的最大值为35.18%，最小值为18.53，90%覆盖度风蚀量较60%覆盖度风蚀量减少的幅度为35.5%～63.05%，见表2。

表2 相邻覆盖度下的风蚀量减幅Tab.2 Decrease proportion of mass of wind erosion under contiguous coverage

对于秸秆覆盖，当覆盖度为30%时，突变点出现在10.1 m/s 以下;当覆盖度为60%时，突变点延缓到12.5 m/s 左右;当覆盖度为最大覆盖度，即90%时，风蚀量的增长趋势和砾石覆盖有一致之处，没有明显的突变点。4 种风速下，60%覆盖度风蚀量比30%覆盖度风蚀量的减少的幅度为29.21%～55.39%，90%覆盖度风蚀量较60%覆盖度风蚀量减少的幅度为58.65%～82.11%。

砾石覆盖处理的风蚀量在同风速下随着覆盖量的逐渐增加，其风蚀量的环比减幅小于同样条件下的秸秆覆盖处理，差值的最小值为6.73%，是10.1 m/s 时的λ3与λ1之差，最大值则为38.47%，是14.3 m/s 时的λ4与λ2之差。

2.3 留茬与覆盖组合措施下的土壤风蚀情况

相同覆盖物和覆盖度情况下，各处理对风蚀量的影响呈现明显规律:随着留茬高度的增加，风蚀量逐渐减少，即风蚀速率和留茬高度和茬高成显著负相关，见图4;在其他情况一定的条件下，风蚀量和风速成正相关，且都呈现出显著的指数相关关系，这与之前一些学者［15－16］的研究结果一致，相关系数也都在0.98 以上，且对于同一种覆盖物而言，随着茬高的增加，相关水平逐渐增加，见表3。

图4 不同组合措施对风蚀量的影响Fig.4 Impact of different combined measures on the mass of wind erosion

表3 组合措施风蚀量(Q)与风速(v)的拟合曲线Tab.3 Curve－fitting equation between mass of wind erosion and wind velocity

在8.0 m/s 风速下条件，30%覆盖度砾石覆盖的风蚀量是同覆盖度秸秆覆盖风蚀量的1.70、1.60和1.22 倍(分别对应30、20 和10 cm 茬高);10.1 m/s 时，倍数依次为3.90、2.84 和1.79 倍;12.5 m/s时，则为5.78、3.28 和2.89 倍;到风速增大至14.3 m/s 时，倍数变为5.00、3.57 和2.90 倍。随着风速的增加，倍数依次增大，且随着茬高的增加，倍数也呈现增大的趋势。也就是说，随着茬高的增加，砾石覆盖的防风蚀效果越显得弱于秸秆覆盖。

覆盖与留茬组合措施下，同茬高和同覆盖度，秸秆覆盖与留茬组合的抑制风蚀效果明显优于砾石覆盖与留茬组合的抑制风蚀效果。在单一覆盖处理情况下，砾石覆盖和秸秆覆盖的抗风蚀效果差异并没有和其与留茬相组合的措施下的抗风蚀效果差异大。

2.4 覆盖处理的风沙流结构

图5 不同覆盖度下的风沙流结构Fig.5 Sandstorm flow structure of different coverage

通过称量风洞集沙段0 ～62 cm 范围内各层集沙仪的风蚀物收集量，分析可得出各种处理措施下的风沙流分布规律，即风沙流结构，也就是气流搬运风蚀物在搬运层中随高度的分布情况［17］。

砾石覆盖处理下的风沙流结构(图5)呈现出如下规律:不同风速下，0 ～10 cm 高度范围的输沙量在各种风速下都占各层集沙仪收集的输沙总量的比例最大［18］;而23 cm 高度以上(23 ～62 cm 高度范围)的集沙仪收集的输沙量所占比例在各种风速下都很少，说明风蚀物的上扬现象不明显;随着风速的增加，各高度上的输沙量随之增加，其中尤以0 ～10和13 ～23 cm 高度范围最为明显，随着高度的增加，不同风速下输沙量的差异越来越不明显，即随高度的增加，其输沙量与风速的相关性越来越差，而23 cm 左右高度是输沙量与风速相关性程度的临界高度;不同风速下，26 ～36 cm 高度内的输沙量变化量微乎其微，就是说单一覆盖处理(单一砾石覆盖或秸秆覆盖)情况下，风蚀物运动高度基本上集中分布于距地表26 cm 以内。随着覆盖度的增加，砾石覆盖措施0 ～10 cm 的输沙量在4 个风速下占13 ～23，26 ～36 和39 ～49 cm 高度上输沙总量的平均比例依次为88%、80.48%和72.65%，而秸秆覆盖措施依次为58.1%、54.46%和44.52%，都有减少的趋势，这是因为随着风速的增加，更多较大粒径的土壤颗粒获得了足够的动力，其运移方式逐渐从蠕移转向跃移，从而被更高的集沙仪所捕获。

秸秆覆盖处理下的风沙流结构呈现的规律有所不同:随着风速的增加，特别是当风速增至14.3 m/s时，0 ～10 cm 输沙量的增幅快于其他各高度层;随着覆盖度增加，13 ～23 cm 输沙量的增幅逐渐缩短。

图6 覆盖与不同茬高的留茬组合措施的风沙流结构Fig.6 Sandstorm flow structure of cover combined with different height stubble

2 种处理相比而言，砾石覆盖处理下的输沙总量比相同条件下的秸秆覆盖处理下的集沙仪输沙总量要多，随着覆盖度的增加(覆盖度依次从30%增加到90%)，砾石覆盖下的输沙总量分别是相同条件下秸秆覆盖措施对应的输沙总量18、7 和10 倍左右。

2.5 留茬与覆盖组合处理的风沙流结构

在有留茬处理的保护性措施下，各高度上的输沙量随风速的增加而增加，见图6。此外，留茬与覆盖组合措施下的风沙流结构和单覆盖措施的风沙流结构相比，发生了明显的变化。13 cm 高度以上的输沙量占输沙总量的比例都有所增加，即留茬在一定程度上助长了风蚀物的上扬现象，改变了部分风蚀物的运动轨迹［19－20］，且较为明显的是，砾石覆盖与留茬组合措施情况下，13 cm 高度以上的输沙量的增幅随着风速的增加逐渐增大，尤其是在14.3 m/s 的高风速时，增幅尤为明显。不同的是，砾石覆盖与留茬组合措施下，13 cm 高度以上的集沙仪收集量的最大增幅出现在茬高30 cm 的情况下，而对于秸秆覆盖与留茬组合措施下，13 cm 高度以上输沙量的增幅随留茬高度的降低而增加，成负相关关系。

此外，在设定的所有措施下，距地表52 ～62 cm范围内的输沙量都微乎其微，占输沙总量的比例非常小，也就是说风沙运动的高度基本上处于距地表60 cm 左右范围以内。

3 结论

1)各种保护性措施都在不同程度上对风蚀量起到了有效的抑制作用。各种保护性措施的抗风蚀效率在8 ～10 m/s 的风速值范围内时大于10 ～14 m/s 的风速范围时的值，且随着风速的增加，抗风蚀效率趋于平稳。

2)不同措施整体上的防风蚀效果排序为:留茬与覆盖组合措施＞秸秆覆盖措施＞砾石覆盖施;特别是当砾石覆盖和秸秆覆盖分别与留茬组合时，秸秆覆盖加留茬措施的防风蚀效果骤然提升，明显地要比砾石覆盖加留茬措施有效。

3)单一的覆盖措施下，风沙流大都集中在了26 cm 高度范围以内;覆盖与留茬组合措施下，风沙流大都集中于60 cm 左右范围以内，因为留茬助长了风蚀物的上扬现象:所以，0 ～10 cm 的输沙量占输沙总量的比例降低，而23 ～36 cm 高度上的输沙量占输沙总量的比例有所增加。但是对于所有措施，0 ～10 cm 高度范围的输沙量都占据总输沙量的最大比例。

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