莎日娜，于明含,2*，丁国栋,2，吴叶礼，李嘉珞，谭 锦

1. 北京林业大学水土保持学院，水土保持国家林业和草原局重点实验室，北京 100083

2. 宁夏盐池毛乌素沙地生态系统国家定位观测研究站，宁夏 盐池 751500

土壤风蚀是影响我国北方沙区农田生产力和土壤肥力的重要因素[1-4]，冬春季休耕期由于农田地表裸露，土壤风蚀现象尤为严重. 因此，合理调整种植结构、抑制休耕期农田风蚀，是保护沙区农田地力、提高作物生产力的关键[5-7]. 油沙豆(Cyperus esculentus)是一种优质、高产、利用价值高的多用型经济作物，在油、粮、饲、药等多方面具有极大的开发潜力，因其地下块茎含油量高，被称为“油料之王”，近年来被我国纳入《全国种植业结构调整规划(2016−2020年)》方案中，未来有望成为大豆的替代作物. 油沙豆根系发达，可改善土壤环境、沃土培肥，还具有耐盐、耐碱、耐干旱、适应性广的生态学特性，适宜在沙区种植[8-9]. 然而，油沙豆块茎的采收易导致表层土壤结构破坏，采收后在10月到翌年3月间的休耕期地表土壤极易发生风蚀，严重影响当地生态环境，也成为油沙豆在沙区种植推广的重要障碍. 因此，调整油沙豆种植结构，建立沙区防风减蚀种植模式，抑制油沙豆农田土壤风蚀，是油沙豆在沙区大面积种植以保护生态的前提.

国内外针对农田保护性耕作模式已多有探讨，如常用的免耕、少耕技术等，其中针对地下块茎类作物的保护性耕作模式以间作方式为主. 间作是采用秸秆类作物与地下块茎类作物实施带状相间种植，通过间作作物地上秸秆形成降低风速、拦截沙粒、减少风蚀的生态屏障[10-12]. 陈智等[13]对麦薯带状间作农田的土壤抗风蚀能力进行研究时表明，翻耕带中有88.46%~98.56%的土壤风蚀颗粒能够被小麦间作带截留；赵彦军[14]研究也表明，秸秆作物间作是解决马铃薯农田土壤风蚀的最有效途径. 虽然间作模式的防风减蚀效果已经被广泛认可，但是，不同间作物种的选择以及配置模式对裸露地表的保护能力存在显著差异. 赵举等[15]对不同带间距下小麦间作带的地表保护效果进行研究，发现输沙量随带间距的增加而增大；高捷等[16]的研究表明，风速及输沙量随燕麦间作带高度的增加而降低；妥德宝等[17]在研究麦薯类、油菜薯类、玉米豆类带状间作时发现，密植作物间作带的防护蚀效果最优. 由此可知，若要实现较好的防风减蚀效果，需综合考量间作作物种类、高度、配置模式等多项因素.

该研究以乌兰布和沙漠内油沙豆与玉米、向日葵间作农田为研究区，通过风洞试验的手段，模拟两种作物的多种间作配置模式对油沙豆种植区近地表风速的影响，阐明油沙豆不同间作种植对农田风蚀影响的机理，并提出最优间作模式，为该地区油沙豆防风阻沙保护性耕作措施的制定提供理论依据及实践指导.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于乌兰布和沙漠东北缘(106°09′E~106°10′E、40°09′N~40°57′N)，属温带荒漠大陆季风性气候，昼夜温差大，年均气温为7.5~8.5 ℃，最高气温为38.2 ℃，最低气温达−34.2 ℃，降雨量少，蒸发量大，降雨多集中在7−8月，年均降雨量为139.2 mm，年均蒸发量为2 387.6 mm，全年日照时数3 209.5 h，无霜期可达130 d. 土壤类型为风沙土. 该区域风多风大，主害风向为西北风，多集中在3−5月，年均风速为4.1 m/s，起沙风速为6.0 m/s，最大瞬时风速可达24.0 m/s，年均大风天数为20~40 d，扬沙天数为30.2 d，沙尘暴天数为10.9 d. 该地区主要农作物有小麦(Triticum sativum)、大 豆(Glycine max)、马 铃薯(Solanum tuberosum)、玉 米(Zea mays)、向 日葵(Helianthus annuus)等.

试验样地在内蒙古自治区磴口县油沙豆种植示范区内，间作种植模式主要有油沙豆间作玉米(间作带间距分别为8、16、24 m)、油沙豆间作向日葵(间作带间距分别为8、16、24 m)共6种间作模式. 间作带种植方式为品字形种植，每个间作带种植2垄，每垄2行(见图1，侧视图). 玉米间作带株距25 cm，行距35 cm，垄间距75 cm，平均株高(200±23.6) cm. 向日葵间作带株距50 cm，行距50 cm，垄间距100 cm，平均株高(150±11.8) cm(见图1). 种植方向均垂直于主害风向.

图 1 间作玉米、向日葵野外模式鸟瞰图和间作带模型示意Fig.1 Aerial view of the corn and sunflower intercropping modes in the field and schematic diagram of the intercropping zone mode

1.2 试验设计

1.2.1风洞试验设备

该试验于2021年10−12月在北京林业大学西山校属鹫峰试验林场内风沙物理实验室的风洞(116.11°E、40.06°N)中进行，该风洞为直流式风洞，由驱动系统、洞体和测控系统组成，洞体总长24.5 m，包括风扇段、过渡段、稳定段、收缩段和扩散段5个部分，主要试验段长12 m，其横截面积为0.6 m×0.6 m，风速在3~40 m/s范围内连续可调，有效试验截面风速脉动小于1.5%，雷诺数(Re)为105~106，该风洞试验段的内壁两侧边界层厚度约为0.05 m，底板边界层厚度约为0.25 m，满足试验模型在风洞边界层内可包容的要求. 试验中主要试验段铺设3 mm厚ABS板作为床面以固定模型. 测控系统主要有变频电机、控制柜、三维移测系统以及KIMO热线风速仪，其中KIMO热线风速仪利用热平衡原理，通过感测空气流动所流失的热量计算风速，精度为±0.1 m/s，该试验将风速测定设为1 s记录一次风速数据，每个测点测量30 s，该测点的最终风速值取其平均值.

1.2.2试验模型设计

根据乌兰布和沙漠油沙豆种植样地现有间作模式的野外调查，按照1∶25的几何相似比设计，确定玉米秸秆模型高度8 cm、径粗0.14 cm，向日葵秸秆模型高度6 cm、径粗0.16 cm. 间作作物玉米、向日葵秸秆2垄(4行)为一带，带间距分别为32、64、96 cm.试验以油沙豆单作模式为对照. 6种不同间作模式的模型配置参数如表1所示.

表 1 不同间作模式模型配置参数Table 1 Model configuration parameters for different intercropping modes

1.2.3风速观测

为探究休耕期不同间作模式在各类强度风事件下的防护效果，该试验依据当地起沙风速(6 m/s)及多年风速发生的频率统计，将试验风速设置为6、8、12、16 m/s四种梯度，对应实际风力4~7级.

在4组风速下，测定不同间作模式带间距内位于风洞垂纵剖面上10个高度的风速变化情况，垂直测点高度分别为0.8、1.6、2.4、3.2、4、6、8、12、16、20 cm.水平方向测点按作物模型高度(H)的倍数来布设，具体布设点如表2所示.

表 2 不同间作模式水平测点设计Table 2 Design of horizontal measuring points in different intercropping modes

1.3 数据处理

1.3.1风速廓线模拟

该试验在对照条件下测得的风速廓线满足对数分布律，计算公式[18]：

式中：u(z)为高度z处的风速，m/s；u*为摩阻风速，m/s；z为观测点的高度，cm；z0为地表粗糙度，表示风速为0时的高度，cm；k为卡门常数，通常取0.4.

根据各模式实际测得的风速数据绘制风速廓线图，并进行对数拟合计算，得到各模式的摩阻风速，并与单作全采收模式进行对比. 该试验以无模型情况下测定的风速作为对照(CK)，经计算得到对照条件下的摩阻风速为0.341 m/s.

1.3.2防风效能计算

防风效能是体现保护性耕作措施防护能力的一项重要指标，防风效能值用实测点风速与相同位置对照风速减小的百分比表示，计算公式[19]：

式中：Ehz表示间作带后距离为h处z高度的防风效能；Vhz表示间作带后距离h处z高度的平均风速；Vcz表示空风洞内对应测点在z高度的平均风速.

1.3.3数据分析与制图

采用Origin 2018软件绘制风速及防风效能点线图；利用Surfer 13.0软件绘制流场结构及防风效能等值线图，运用SPSS 17.0软件对各模式近地表防风效能进行ANOVA单因素方差分析，运用LSD进行多重比较分析.

2 结果与分析

2.1 不同间作模式的风速廓线特征

不同间作模式的风速廓线特征如图2所示. 由于不同轴心风速下的风速廓线相似，现以12 m/s的风速为例进行分析. 各模式的风速廓线均符合对数函数分布规律，决定系数均在0.8以上. 玉米、向日葵间作模式均能增加地表粗糙度，降低近地表风速. 玉米和向日葵间作模式带后不同距离处的风速显著低于对照(见图2). 玉米间作带0~4 cm近地表风速随带间距的增大而增大，表现为带间距8 m模式<带间距16 m模式<带间距24 m模式. 4~8 cm高度范围内风速逐渐增大，但远小于对照风速. 在间作带高度以上(> 8 cm)风速随高度增速减缓，且逐渐接近对照风速.

向日葵间作模式的近地表风速显著高于玉米间作模式，0~4 cm高度范围内各带间距模式中不同带后距离的风速差异较小，且显著低于对照风速. 4~6 cm高度范围内的风速随高度升高而趋于对照风速. 在间作带高度以上(> 6 cm)风速接近于对照风速.

向日葵间作模式种植密度小于玉米，故风速始终大于玉米间作模式. 各模式中，间作带高度以上的风速均逐渐增大并高于试验风速，由此反映了间作带对气流的抬升作用.

2.2 不同间作模式的流场结构分布特征

以12 m/s的试验风速为例分析各间作模式在垂直纵剖面上的流场结构特征. 由图3可知，玉米间作中不同带间距模式的近地表风速均低于向日葵间作各模式. 在玉米间作模式中，带间距8 m和16 m模式的近地表风速均低于起沙风速(6 m/s)，而带间距24 m模式中，在带后约6倍株高范围内(6 H)风速明显低于起沙风速，但超过该范围后风速逐渐高于起沙风速. 向日葵间作中不同带间距模式近地表风速均高于起沙风速，为9 m/s，且随间作带间距的增加，风速最低值范围减小，带间距为8 m模式的最低风速范围明显大于16 m和24 m模式.

图 3 12 m/s模拟风速下不同间作模式的风速流场Fig.3 Wind speed and flow field of the different intercropping modes under a simulated wind speed of 12 m/s

当试验风速为6、8、16 m/s时，玉米、向日葵不同带间距间作模式的风速流场分布特征与12 m/s时的流场结构基本相同，均为与风向走势平行且较为整齐的风速等值线. 各模式中近地表风速均有不同程度的降低，由此说明间作玉米、向日葵对减少风蚀具有一定作用.

玉米、向日葵不同带间距下近地表风速方差分析结果(见表3)表明，作物种类和带间距在4种风速下对近地表风速均存在显著影响(P<0.05)，在16 m/s风速下，间作作物及带间距双因素对近地表风速存在显著交互作用(P<0.05)，而6、8、12 m/s的风速均无显著影响(P>0.05).

2.3 不同间作模式的防风效能

以12 m/s的试验风速为例，玉米、向日葵不同带间距的防风效能在垂直纵剖面上的分布特征如图4所示. 玉米不同带间距模式在整个带间距内0~5 cm高度范围的防风效能均大于40%，其中带间距为8 m和16 m模式近地表的防风效能可达50%. 向日葵3种带间距模式0~5 cm高度范围的防风效能值在9.83%~28.60%的范围内，整体防风效能值均低于玉米各模式.

图 4 12 m/s模拟风速下不同间作模式的防风效能Fig.4 Shelter efficiency of the different intercropping modes under simulated wind speed of 12 m/s

表 3 玉米、向日葵不同带间距对近地表风速影响的双因素方差分析结果(F值)Table 3 Two-way ANOVA results (F values) of the influence of the different belt spacing of Zea mays and Helianthus annuus on the near-surface wind speed

在6、8、12、16 m/s风速下，对比分析油沙豆不同间作模式的近地表防风效能差异(见表4、5)可知，玉米间作模式中，带间距为24 m模式在6、8 m/s风速下的防风效能与16 m/s风速的防风效能均存在显著差异(P<0.05)；向日葵间作模式下，带间距16 m模式和带间距24 m模式在6 m/s风速下的防风效能与12、16 m/s风速下的防风效能均存在显著差异(P<0.05).该结果说明，一方面防风效能受到风速的显著影响；另一方面，风速对防风效能的影响依赖于带间距大小，带间距较大模式下，间作带的防风效能更容易受到风速变化的影响.

表 4 不同风速下各间作模式近地表防风效能的差异Table 4 Differences in the near-surface shelter efficiency of each intercropping mode under the different wind speeds

表 5 间作作物、带间距及风速对防风效能影响的多因素方差分析结果Table 5 Multivariate ANOVA of the effects of intercropping,band spacing and wind speed on the shelter efficiency

3 讨论

土壤风蚀的强度主要取决于风动力的大小，在农业生产中通常采用改变下垫面性质的方法，以实现提高地表粗糙度、降低风速的效果[20-23]. 相比传统的耕作方式，间作通过将裸露农田分割为条田，形成挡风拦土的屏障，以保护裸露地表. 该研究表明，在油沙豆农田中，间作玉米和向日葵均能有效降低近地表风速，实现了间作模式的防风减蚀效果.

研究表明，间作玉米模式对风速的削弱能力大于间作向日葵模式，这与作物本身特征及间作带种植方式均有关. 以往研究证明，具有较高覆盖度、密度和植株个体的间作带防风阻沙效果更显著[24-29]. 玉米秸秆与向日葵秸秆相比具有更高更密的特征，形成了较高的地表覆盖度，故其增加地表粗糙度，削减风速效果较好.

防风效能不仅受限于间作物种及其种植密度，间作带间距也对防风效能有显著影响. 多项研究表明，间作带的防风效果随带后距离的增加逐渐减弱，且间作对裸露地表的保护作用具有距离阈值[30-32]，该研究结论也佐证了这一规律. 该研究证明间作作物种类与带间距对防风效能的影响没有交互效应，说明带间距对防风效能的影响规律具有广泛适用性.

风速对间作带防风效能的影响在该研究中得到证明，风速越大间作带的防风效能越低，这与李雪琳等[33]对防护林的研究结果一致. 然而，风速对间作带防风效能的影响依赖于间作模式，带间距越大，风速对防风效能的影响越显著. 在以往农田保护性耕作研究中，风速的影响鲜有探讨，该研究结果是对农田保护性耕作模式效果评价的一个重要补充. 研究结果表明，带间距8 m或16 m的玉米间作模式防风效能最高，且风速对这两种模式的防风效能无显著影响，即这两种模式的间作种植可以有效地防护较高风力的侵蚀，因此，可选用带间距8 m或16 m的玉米间作模式来达到防风阻沙的目的，考虑到有效防护距离最大化的原则，应将玉米间作带间距确定为16 m，该模式是兼顾生态效益与经济效益的最优间作模式，可有效遏制休耕期大风对油沙豆农田地表的吹蚀作用.

4 结论

a) 油沙豆不同间作模式中，风速均随高度的增加呈对数增长，且地表粗糙度显著增加，近地表风速降低. 地表粗糙度随带间距的增加而减小.

b) 玉米带间距8 m及16 m模式近地表风速均低于当地起沙风速，带间距24 m模式在带后6倍株高处的近地表风速高于起沙风速；向日葵各带间距模式近地表风速均高于起沙风速.

c) 玉米间作带防护效果优于向日葵，玉米带间距为16 m的间作模式是油沙豆农田防风减蚀的最佳模式，可在乌兰布和沙漠油沙豆农田中予以推广.