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北方农牧交错带不同农作制度对土壤风蚀因子的影响_图文

第 22 卷第 5 期 2008 年 10 月

水土保持学报 Jour nal of Soil and W ater Conserv ation

Vo l. 22 No . 5 Oct. , 2008

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北方农牧交错带不同农作制度对土壤风蚀因子的影响
安萍莉1 , 琪 赫1 , 潘志华1, * , 龚 晨1 , 潘学标1 , 妥德宝2 , 赵沛义2
( 1. 中国农业大学资源与环境学院 , 北京 100094; 2. 内蒙古农牧业科学院植物营养与分析研究所 , 呼和浩特 010031) 摘要 : 不合理的农作制度是引发北方农牧交错带土壤风 蚀的重要 原因。以 内蒙古武 川旱农 试验区 为基地 , 研究 了撂荒制、 压青休闲制、 粗放轮 作制、 保护性耕作制 4 种农作 制度对风 速、 土壤 紧实度、 地表粗 糙度、 地表覆 盖度、 土壤有机质含量、 表层土壤含水率、 土壤 风蚀量等因子的影响。结果表明 , 保护性耕作能够显著降低土 壤风蚀 , 有 效防止土地荒漠化。当前 , 北方农牧交错带应重点推广保护性耕作制 , 促进农业生产的可持续发展。 关键词 : 北方农牧交错带 ; 不同 农作制度 ; 土壤风蚀因子 中图分类号 : F301. 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1009 2242( 2008) 05 0026 04

Influence of Different Farming Systems on Affecting Factors of Soil Wind Erosion in the Ecotone Between Agriculture and Animal Husbandry of North China
AN Ping li , QI H e , P AN Zhi hua
1 1 1, *

, GONG Chen , PAN Xue biao , T U O De bao , Z H AO Pei y i

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( 1 . College of Resour ces and E nv ironmental S cience , China A g ricultur al Univer sity , Beij ing 100094; 2. I nner M ongo lia A cademy of A g ricultur al and A nimal H us bandr y Sciences , H ohhut 010031)

Abstract: Farming system is an impo rt ant w ay to af fect t he eco logical environment in the ecot one bet w een ag r iculture and animal husbandr y of nort h China, and the irrat io nal f arming syst em has m ade the local environ m ent det eriorat ed. Charact erist ics of soil phy sical properties chang e, including w ind speed, soil t ight ness, soil org anic mat ter, soil mo ist ur e, so il roughness, t he r at io of veget at ion coverage, and so on, w ere st udied under dif ferent farming sy st em s, including abandoning cropping sy st em , fallo w cropping sy st em, rot at ional cro pping sy st em, and conservat io n cropping syst em w it h Wuchan count y as case study . T he result show ed that dif f erent f ar ming system had obvious inf luence on w ind speed, soil t ig htness, so il o rganic mat t er, soil moisture, so il r oug hness, t he rat io of v eg et at ion coverage and the mass of w ind erosio n, and t he conservat io n cro pping sy st em could decrease soil erosio n obviously and prevent land desert if icat ion ef fect ively. T he con servatio n cropping system should be ex t ended in order t o pr omot e t he sust ainable development o f ag ricult ural pro duct ion in t he ecot one bet w een agr iculture and animal husbandry. Key words: t he ecot one bet w een agr iculture and animal husbandry of nort h China; diff erent farming sy st em; aff ect ing f act ors of soil w ind erosion 近几十年来 , 北方农牧交错带土地荒漠化严重 , 土壤风蚀是重要原因。土壤风蚀是一个复杂的风沙物理过 程, 是自然因素和社会因素相互叠加作用的综合表现 。就自然因素而言, 土壤风蚀的发生与发展依赖于侵蚀 因子 ( 气候 ) 与可蚀性因子 ( 地形、 土壤特性、 植物等 ) 之间的相互作用 水分以及植被因子等
[ 3, 4] [ 2] [ 1]

, 具体来说包括地表粗糙度、 风速、 土壤

。农作制度对以上因素有着直接的影响 , 是影响土壤风蚀的重要原因。阴山北麓农

牧交错区农作制度经历了撂荒制、 压青休闲制、 粗放轮作制、 保护性耕作制等 4 个主要发展阶段, 每一阶段对环 境产生的作用是不同的。前期农作制度研究主要以充分高效利用光、 热、 水、 土等自然资源, 提高土地生产力为 主要内容 [ 5 13] , 其核心是资源的有效与充分利用。随着农作制度的发展, 环境问题( 如水土流失、 土地沙化、 土 壤肥 力下降、 水 资源减 少等 ) 不断出 现并日 趋严重 , 人 们开始 反思农 作制度 的环境 影响 与可持 续发展 问 题
[ 5, 9, 13 16]

。基于此背景, 本文以内蒙古武川县为例 , 研究不同农作制度对土壤风蚀因子的影响 , 以期为当地选

择适宜的农作制度及生态建设提供科学依据。
*收稿日期 : 2008 04 01 * 通讯作者 E mail : panzh ihua@ cau. edu. cn 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 30370824) ; 国家自然科学基金资助项目 ( 30771261) ; 国家支撑计划 ( 2006BA D29B01) ; 国家 支撑计划 ( 2006BA D29B09) 作者简介 : 安萍莉 ( 1969- ) , 博士 , 研究方向为土地利用覆盖变化及其机理、 土地利用规划。 E m ail : anpingli@ cau. edu. cn

第5期

安萍莉等 : 北方农牧交错带不同农作制度对土壤 风蚀因子的影响

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1. 1

材料与方法
试验区概况 试验以内蒙古自治区武川旱农试验区为研究基地。该基地位于农牧交错带的中间地带 , 是农牧交错带的

典型代表地区。地貌以缓坡丘陵为主, 农业耕地主要是旱坡地 , 占全部耕地的 96% ; 土壤以栗钙土为主, 主要 植被有针茅、 羊草、 冷蒿等 ; 多年平均降水量 350 m m 左右 , 主要集中在 7- 8 月份, 占年降水量的 57% 左右, 并 且雨量集中, 强度较大, 是水蚀发生的主要季节; 11 月至翌年 4 月, 降水量少 , 仅占全年降水量的 7% 左右 ; 年平 均气温 2. 7 1. 2 , 无霜期 90~ 120 d; 年平均风速 3 m/ s 左右 , 大于 17 m/ s 的大风日数在 30 d 左右, 风大沙多是该 地区冬春季的典型特征。 试验设计 该地区农作制度经历了撂荒制、 压青休闲制、 粗放轮作制、 保护性耕作制等 4 个主要发展阶段。目前 , 这几

种农作制度以不同比例存在着。为此, 试验选择具有代表性的撂荒制、 压青休闲制、 粗放轮作制、 保护性耕作制 4 种农作制度 , 以当地的本底植被天然草地为对照, 在 2005 年 4 月至 2006 年 4 月进行连续采样, 测定风速、 土 壤紧实度、 地表粗糙度、 地表覆盖度、 土壤有机质、 表层土壤 ( 0- 10 cm ) 含水率及土壤风蚀量。每个样地分别选 取 3 个样点, 在每一个取样点重复 3 次取样。其中 : 天然草地 : 选取未开垦的纯放牧草地。 撂荒制: 分别选 压青休闲 取撂荒 10 年、 2 年的地块, 其中撂荒 10 年植被覆盖以羊草居多, 撂荒 2 年植被覆盖以杂草为主。

制: 选择二犁压青地 , 即在 7 月中旬耕头一犁 , 立秋前后耕第二犁 , 上一茬作物为小麦。 粗放轮作制 : 选择传 统粗放的轮作旱地, 茬口为小麦, 小麦单产 1 125 kg / hm 2 , 上几茬作物分别是油菜和马铃薯。施肥很少, 秸秆 不还田, 一般实行春翻、 秋翻。 保护性耕作制 : 选择实行留茬免耕的小麦地, 茬高 15~ 20 cm, 行间距 20 cm, 带长 50 m, 利用机器播种及收割。 1. 3 测定方法 土壤水分采用烘干法测定 , 土壤紧实度采用 GT - 1 型土壤紧实度计测定 , 有机质采用铬酸氧还滴定的外 热源法测定, 地表覆盖度采用计算机图像判别法确定 , 地表粗糙度由 200 cm 和 5 cm 处的风速计算获得 , 风速 的测定采用 AVM- 07 型叶轮式风速仪, 风蚀量由风蚀圈实地观测获得。

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2. 1

结果与分析
不同农作制对风速的影响

表 1 不同农作制度对 12 m 高度处平均风速的影响 农作制度 草 地 撂荒制 5. 822 - 17. 18 压青休闲制 5. 817 - 17. 25 粗放轮作制 4. 529 - 35. 58 保护性耕作 2. 823 - 59. 84

表 1 表 明, 各种农作制度对 风速的 风速/ ( m s- 1 ) 影响明显。与天然草地相比 , 撂荒制、 压 与草地相比/ % 青休闲制、 粗放轮作制、 保护性耕作的风 2. 2 不同农作制度对土壤紧实度的影响

7. 03

速分别减小了 17. 18% , 17. 25% , 35. 58% , 59. 84% , 其中保护性耕作减小风速的效果最显著 , 达到一半以上。
表 2 2004 年武川县不同农作制度下表层土壤紧实度 农作制度 草地 撂荒制 采样类型 5月 天然草地 10 年撂荒 2 年撂荒 土壤紧实度 / ( kg 7月 8月 5. 32 3. 33 3. 28 cm - 2 ) 次年 4 月 4. 53 1. 72 4. 67 2. 95 0 1. 65

表 2 表明 , 不同农作制度对土壤紧实度影响 明显。天然草地由于没有人 工翻耕等措施, 土壤 较为硬实 , 所以其土壤紧实度总体上要高于其它 地块。撂荒地由旱耕地废弃 而来, 由于没有人工 的翻耕 , 其紧实度增大。压青休闲地和粗放轮作 地由于人 为耕作 措施的 影响 , 土壤 紧实度 较小。

9月 8. 88 8. 00 9. 97

1. 76 3. 31 2. 97 4. 01 2. 03 1. 84

由于二犁压青地在 7, 8 月 间有两次翻地压青, 导 压青休闲制 二犁压青旱地 4. 09 0 0 4. 67 致土壤紧实度较低; 粗放轮作由于进行春翻, 土层 粗放轮作制 传统粗放旱地 0. 09 0. 35 0. 22 0. 70 松, 紧实度小。保护性耕作的地面覆盖比较稳定 , 所以土壤紧实度变化不大。各地块土壤紧实度在 保护性耕作 8 月末均有一个大的增加, 主要原因是雨季来临、
留茬旱地 0. 18 0. 38 0. 38 4. 89

降雨增多 , 导致表土塌实而使紧实度升高。 春季( 3- 5 月 ) 各种农作制度下表层土壤紧实度基本上都处于一年中最低的时期, 但不同农作制度又有差 别, 在整个观测期内表现为草地> 撂荒 2 年> 撂荒 10 年> 压青休闲 > 保护性耕作> 粗放轮作旱地。从这个意 义上来说 , 天然草地是最不易发生风蚀的, 其次是撂荒地, 粗放旱地最易发生风蚀。

28 2. 3

水土保持学报

第 22 卷

不同农作制度对地表粗糙度的影响 地表粗糙度是指水平风速为零的高度, 用来衡量地表的粗糙状况 , 它可以反映地表对风速减弱作用以及对 A= 1 n

风沙流的影响。根据杨明元[ 17] 的研究, 地表粗糙度可由如下公式计算: Ai K = exp[ ( ln Z 2 - A ln Z1 ) / ( 1- A ) ] 地表以上两个不同高度 测量次数。

式中: K

地表粗糙度; Z1 , Z2

地表以上两个不同高度测风点距地面的距离; A i Z1 和 Z2 高度处的风速; A
表3 农作制度 草 地 采样类型 天然草地 10 年撂荒

处风速之比值, 即 A i = u1 / u2 ; u1 , u2

n 次测量值的平均值 ; n
各种农作制度的地表粗糙度

粗糙度 K 可由任意两个已知高度上的 水平风速测定值计算出。一般取风速变化 明显的高度计算比 较理想。试验中 取 200 cm 和 5 cm 处的风速测算不同农作制度的

地表粗糙度 / cm 5月 0. 61 0. 97 7月 1. 83 0. 50 2. 63 1. 83 4. 35 0. 54 8月 1. 77 1. 56 1. 75 2. 81 3. 76 2. 89 9 月 10 月 次年 4 月 0. 99 0. 71 0. 09 4. 57 1. 21 4. 30 4. 20 3. 69 1. 10 1. 93 2. 76 0. 20 1. 25 0. 61 3. 07

撂荒制 粗糙度。 2 年撂荒 2. 50 表 3 表明, 各种农作制度对地表粗糙度 压青休闲制 二犁压青旱地 1. 53 的影响明显。从时间来看 , 由于植物生长的 粗放轮作制 传统粗放旱地 0. 27 季节性特征 , 当农作物处于播种或出苗阶段 保护性耕作 留茬旱地 0. 97

( 5 月) 时 , 地表粗糙度表现为撂荒地高于其 它类型的农作制度, 在随后的几个月中 , 粗放轮作制、 保护性耕作制的地表粗糙度不断提高, 而草地变化不大 ; 在全年中 , 撂荒制的地表粗糙度随着放牧强度的变化表现出一定的波动性。从冬季保护土壤免受风蚀的角度 看, 保护性耕作的地表粗糙度要远远高于其它农作制度。 2. 4 不同农作制度对地表覆盖的影响 表 4 表明, 草地与撂荒地的覆盖度相差不 大, 与压青休闲地和粗放轮作地相 差较大, 这 主要是因为压青休 闲和粗放轮作 在秋末以及
农作制度 植被覆盖度 相比草地 / % 表4 不同农作制度对植被覆盖度的影响 撂荒制 压青休闲制 粗放轮作制 保护性耕作 0. 526 0. 280 0. 228 0. 484 - 17. 9 - 56. 3 - 64. 4 - 24. 5

草地 0. 641

春初进行翻地致使覆盖度急剧下降的原因。相比较草地, 4 种农作制度的覆盖度均较小, 粗放轮作制最低, 其 次是压青休闲制。即使是保护性耕作制 , 其覆盖度也要低 24. 5% 。 根据赵彩霞的研究
[ 18]

, 阴山北麓地区的潜在风蚀量与覆盖度呈 反相位 的动态变化 , 这种相反的变化主

要发生在两个时间段 : 3- 4 月土壤潜在风蚀量最大 , 而植被覆盖度最小 ; 7- 8 覆盖度达到最大值时 , 土壤潜在 风蚀量最小。在风蚀季节( 3- 5 月) 各种农作制度的覆盖度均处于较低水平 , 其潜在风蚀量必然达到较高水 平。表 4 同时表明, 由于农作物的收获性特征 , 其地表覆盖全年要低于草地及撂荒农作制。 2. 5 不同农作制度对土壤有机质含量的影响 表 5 表明, 有机质含量的高低与休耕时间有很大关系。在撂荒地中, 撂荒年限影响着有机质含量的高低。 粗放轮作旱地由于连年耕种, 加上有机肥施用量很少, 有机质损耗很大, 输出大于输入, 土壤有机质含量为各农 作制度中最低。压青休闲地由于有一个压青休闲期, 有助于有机质的恢复和储存, 因此土壤有机质含量高于撂 荒制及传统轮作制。 从表 5 也可以看出, 不同农作制度下土壤有机质含量存在显著差异 , 以草地最高。相比较草地 , 粗放轮作 制的有机质含量最低 , 为草地的 52. 0% , 其次是保护性耕作 48. 0% 。
表5 农作制度 有机 质含量/ % 相比天然草地 / % 天然草地 2. 59 不同农作制度对有机质含量的影响 撂荒 2 年 1. 27 50. 97 压青休 闲制 1. 63 - 37. 07 粗放轮作制 1. 22 - 52. 90 保护性耕作 1. 32 - 49. 03 撂荒 10 年 1. 95 - 24. 71

2. 6

不同农作制度对土壤水分含量的影响 不同农作制度下 0- 10 cm 表层土壤含水量普遍较低 ( < 5% ) , 这是造成春季土壤风蚀的一个重要原因。

但不同农作制度的水分含量差异较大, 总体上看, 保护性耕作 ( 5. 91% ) 和天然草地 ( 7. 35% ) 的表层含水量较 高, 依次是撂荒 10 年地( 7. 35% ) 、 压青休闲地 ( 4. 72% ) 和粗放轮作地 ( 3. 90% ) 。天然草地由于没有开垦 , 有机 质常年积累, 土壤含水量最高 ; 保护性耕作由于实行留茬免耕 , 保护了土壤水分 , 土壤含水率也较高 ; 压青休闲

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安萍莉等 : 北方农牧交错带不同农作制度对土壤 风蚀因子的影响

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地是二犁翻耕地 , 虽然易于接收降水, 但由于该地区蒸发量是降水量的 5~ 11 倍 , 所以含水量相对较低; 粗放轮 作旱地由于地表裸露面积大, 再加上人为的耕作措施等影响 , 含水量不高。 2. 7 不同农作制度对土壤风蚀量的影响 表 6 表明不同农作制度的年风蚀量差异显著 , 主要表现有 : ( 1) 粗放轮作旱地和压青休闲地在秋末春初进 行翻耕, 由于彻底破坏了表层土壤结构和地表植被状况 , 大大降低了其抗风蚀能力, 所以风蚀量较大, 分别是天 然草地的 1. 8 倍和 1. 67 倍。 ( 2) 10 年、 2 年撂荒地和保护性留茬地不进行翻耕 , 基本上终年都有覆盖物, 相比 较天然草地, 风蚀量分别减少了 26. 81% , 66. 56% , 49. 84% , 27. 44% 。
表6 农作制度 风蚀量 / ( kg hm - 2 ) 天然草地 3. 17 不同农作制度对风蚀量的影响 撂荒 2 年 1. 59 - 49. 84 压青休闲制 5. 30 67. 19 粗放轮作制 5. 71 80. 13 保护性耕作 2. 30 - 27. 44 撂荒 10 年 2. 32 - 26. 81

相比天然草地 / %

3

结 论
本文研究了撂荒制、 压青休闲制、 粗放轮作制、 保护性耕作制等 4 种农作制度对风速、 土壤紧实度、 地表粗

糙度、 地表覆盖度、 土壤有机质含量、 表层土壤含水率及土壤风蚀量的影响。结果表明, 保护性耕作比其它农作 制度能够显著地减小风速 , 降低土壤紧实度, 提高地表覆盖度, 增加地表粗糙度 , 提高土壤有机质含量和土壤水 含量 , 从而有效减轻土壤风蚀 , 防止土壤荒漠化。当前 , 北方农牧交错带应重点推广保护性耕作制 , 促进农业生 产的可持续发展。
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