1、农田土壤风蚀及其防控措施摘要 我国北方旱作农业区土壤风蚀问题十分严重，不仅使土地资源退化，影响当地的农田生态环境，而且严重影响经济作物的收成。因此，加强北方旱作农田土壤风蚀防治工作显得尤其重要。根据土壤风蚀发生的机制，针对风蚀发生与发展的因素，借助风洞试验、数学模型模拟、遥感和 GIS 等科学技术，采取有效的防治技术措施，如实行保护性耕作，建设农田防护林，实行覆盖、留茬措施等，进行土壤风蚀的防治。关键词 农田土壤风蚀 机制 影响因子 防控措施土壤风蚀是在风力的作用下使表层土壤中细小颗粒和营养物质吹蚀、搬运与沉积过程。土壤风蚀的发生是一个非常复杂的过程，是包括地理、气候和土壤性状等多因子综合作用
2、的结果。这一过程的直接生态后果是表土层大量富含营养元素的细微颗粒损失，致使农田表土层粗化、土壤肥力下降和土地生产力衰退。土壤风蚀引起的土壤营养元素的损失一般需要四、五十年，有的甚至上百年才能恢复。此外，在土壤风蚀过程中会产生大量的气溶胶颗粒悬浮于大气中，是造成所在地区乃至周围地区沙尘天气出现的重要尘源。因此，研究农田土壤风蚀机理和成因，探讨防止风蚀对策，对提高农田土壤抗风蚀能力，促进农业可持续发展具有重要意义。1 国内外研究现状风蚀研究是伴随着风沙现象有关研究领域（风沙物理、风沙地貌、风沙沉积物等）与土壤侵蚀研究而发展起来的。自二十世纪三十至四十年代美国大平原地区遭遇灾害性的“黑风暴”侵袭后，
3、土壤风蚀研究得到前所未有的重视，以致系统地研究风蚀应运而生，并且风蚀研究已经成为地理科学、环境保护、农业、林业以及气象等诸多方面科学工作者重点研究的现代自然过程之一。Bagnold(1941)通过野外调查和风洞实验，确定了引起沙粒移动的力学机制，标志着土壤风蚀科学研究的开始。切皮（Chepil ）及其合作者对农田问题进行了长达 25 年的系统研究，深入研究了风蚀动力机制。在同一时期还有许多研究者，利用风洞或进行区域试验，从事了大量的研究，并提出了风蚀方程（WEQ） ，这标志着系统的土壤风蚀理论体系已初步形成 4。从二十世纪六十年代中期至今农田土壤风蚀研究不断完善。七十年代初期袭击非洲撒哈拉地区
4、及部分亚洲地区的持续干旱，激发了人们对全球沙漠化问题的极大关注，使风蚀在沙漠化动力机制方面得以充分研究。八十年代以来，人们又致力于发展综合性的、基于物理过程的风蚀模型。由此可见，国际上土壤风蚀已经经历了定性描述、动力学实验分析和定量模型阶段，在土壤风蚀机理及其防治机理与技术方面取得了突破性进展，形成了比较完整的科学体系。我国对土壤风蚀研究起步较晚，二十世纪五六十年代才开始对风蚀、风沙活动的自然条件、风蚀地形发育以及风沙运动规律开展了系统研究。但是，我国对风蚀缺乏系统的研究，传统的风蚀研究对象基本局限于农业科学和林业科学研究中有关土壤夹带起沙以及林草阻滞降尘过程。有关风蚀的论述散见于沙漠学（以朱
5、震达和吴正为代表） 、水土保持（以中国科学院西北水土保持研究所为代表） 、和林学（以北京林业大学及内蒙古林学院为代表）研究中 1-3。总的来说，我国的土壤风蚀研究起步较晚，与国际研究水平尚有一定的差距，这与我国风蚀问题的广泛存在不相适应，而且和国际上综合治理沙尘暴的经验相比，过去治理思路和手段不够全面。最重要的一点由于人们没有认识到沙尘暴的尘源大部分是来自农田，而过去错误地认识其根源是沙漠。所以说，我国的土壤风蚀与国外研究相比，对土壤风蚀缺乏系统性、理论性、模型化的研究，这需要我们加强对农田土壤风蚀机理和合理防治措施的认识，需要不断提高土壤风蚀机理研究水平，造福于国家、社会与人民。2 农田土壤
6、风蚀发生机理及影响因子我国广大北方地区属于干旱、半干旱大陆性季分气候，主要分布在 16 个省、市、自治区。其地貌的总体特征是以高原型地貌为基础，地形起伏较大，干旱少雨，风大沙多，土地贫瘠，自然灾害频繁，风蚀沙化严重，水资源匮乏，年降雨量为 200-550mm，旱地面积达 2000 万公顷左右，占全国总耕地面积的 50%以上。这些地区的土地虽然具有一定的生产能力，但支撑着众多的人口，生态环境十分脆弱。故为实现农业的可持续发展，保持和提高耕地的生产能力，研究的重点应放在提高农田土壤的抗风蚀能力上。2.1 风蚀发生机理 风蚀的发生是外在条件和内在条件共同作用的结果。外在条件是指具有足够风力的作用，内
7、在条件是土壤自身抗风蚀能力不足以抵抗风力对土壤产生的剥离和推移作用。风蚀过程一般可分为三个阶段:沙粒起动，沙粒输送和沙粒沉积。当风吹过没有保护的裸露、松散、干燥的地表时，只有风速大于临界风速时，才能诱导地表土壤可蚀性沙粒随风移动，从而发生风蚀现象。引起土壤颗粒在风流中的临界风速大小取决于地表及土壤的实际状况 5-6。大量的研究已经证实，土壤可蚀性颗粒在风力作用下脱离地表起动后，以三种运动形式进行输送，即:悬移、跃移和蠕移。悬移的颗粒最细，其直径一般0.05mm，被搬运的高度最高，距离也最远，风蚀过程中，一般占移动土壤颗粒的 3%-40%，它是沙尘暴的主要构成部分，土壤损失最明显。由于悬移颗粒小
8、，其运动将受到大气湍流起伏的影响，这种影响具有随机性。跃移的颗粒直径多为 0.1-0.5mm，多数在近地表 30cm 高度内连续跳跃，它们很容易升离地面，但不能呈悬浮状，其跳跃高度小于 120cm，跃移颗粒占移动土壤颗粒的 50%-80%，构成了地表风沙流，被搬运的距离较小。蠕移的土壤颗粒直径为 0.5-2.0mm，一般不离开地表，在受到风沙流的冲击下开始移动，其移动的速度和距离最小，蠕移颗粒占总移动颗粒的 7%-25%。更大粒径的土壤颗粒难以被风力搬运而保留下来，这种侵蚀过程造就了干旱、半干旱地区特有的风蚀风积地貌。一般情况下，在每次风蚀现象中这三种运动形式是同时发生的，并以跃移为最主要的模
9、式。这是因为升入空中的跃移颗粒在自身重力的作用下，颗粒不能保持悬浮状态，在达到一定高度后便逐渐下降并返回地面。在返回地面过程中，若风力不足，便会中止其运动，但大部分跃移颗粒会冲入地表并重新分配它们在跃移过程中从气流中获得的大量能量，一部分用于促使其它静止颗粒进入运动状态，使仅靠风力而无法起动的颗粒发生撞击蠕动或者升离地面形成悬移或跃移;而另一部分能量则可以造成土壤团聚体破碎磨蚀，使难蚀或不可蚀性颗粒物质变为可蚀性颗粒，增加了可蚀性颗粒的供给量。因此，也可以说，没有跃移就不可能出现大量的悬移和蠕移。2.2 风蚀影响因子 土壤风蚀的发生和发展依赖于侵蚀因子（气候）和可蚀性因子（地表状况如地形、植被
10、盖度、土壤特性等)之间的相互作用，在研究土壤风蚀及其防治方面，还应考虑人类活动的因素，并利用有些因素的可控性，使土壤风蚀降低到最低限度。土壤风蚀的规模、程度与大气边界层内气体对土壤颗粒的作用力大小紧密相关，这不仅取决于风力的大小和方向，还取决于土壤的抗风蚀能力。因此，影响土壤抗风蚀能力的因素主要包括气候因子、地表粗糙度、植被类型和盖度、土壤理化性质和人类活动等。2.2.1 气候因子 风力是引起风蚀的主要因素，气候条件对风蚀的作用与影响，不仅仅表现在风力的作用上，而是风速、风向、降水、温度、蒸发和空气湿度等因子综合作用的结果。研究表明，土壤颗粒的飘移速率与平均风速的立方成正比，而土壤可蚀性与土壤
11、近地表层当量含水量成反比。因此，风蚀气候因子是一个受平均风速和表土颗粒含水量影响的因子，是评价土地潜在风蚀的主要指标。2.2.2 地表粗糙度 地表粗糙度是地表上平均风速减小到零的高度，也就是水平风速为零的高度，可以反映地表对风速减弱作用和对风沙流的影响，它取决于地表的起伏、植被类型及组成、作物播种方向。地表粗糙度的值越大意味着土壤表面气流愈接近地表降低愈迅速的趋势，也就是说地表粗糙度越大，对地表风速的削弱作用越明显。由于风速大小是土壤风蚀主要动力因素，削弱风速必然会降低风蚀率。土壤风蚀率与地表粗糙度存在着显著的相关关系，随地表粗糙度增大呈非线性降低趋势。其对风蚀率的显著影响表明，地表粗糙度对评
12、价耕作土壤抗风蚀能力具有重要意义。2.2.3 植被盖度 植被因子表征植被的种类、数量和排列方式对风蚀的作用效能。植被覆盖多少决定着土壤风蚀的强弱。土壤内部植物的根系对土壤有很好的穿插、缠绕和固结作用，可增强土壤抗蚀力;土层上面的植物可以吸收一部分侵蚀性风能，从而削弱风力，土壤表面受到保护，减少了风蚀的可能性。2.2.4 土壤理化性质 土壤理化性质及表面特征决定着地表物质的抗蚀性。土壤的结构和颗粒组成是土壤重要的物理性质，直接影响土壤的抗风蚀能力。不同粒度的土壤颗粒具有不同的抗剪切力，粘质土壤易形成团聚体，抗剪切能力增强。一般而言，土壤颗粒越细，胶结密实度越高，其抗风蚀能力也越强。我国干旱半干旱
13、地区土壤颗粒间粘结力小、稳定性差，遇风遇水容易分散、崩解，随着风蚀的发生和发展，土壤中物理性沙粒含量相对增加，物理性粘粒相对减少，土壤机械组成变粗，有机质含量下降，耕地生产潜力随着其理化性质的恶化而降低甚至丧失。2.2.5 人类活动 我国北方传统的秋翻和春翻使农田在冬春大风季节里呈裸露状态。土壤疏松，表土干燥是引起农田土壤风蚀的重要原因。翻耕与未翻耕土地的风蚀量在 7 级风以下相差不大，在7 级风以上相差悬殊，翻耕地的风蚀量为未翻耕地的 15 倍。因此，过度的开垦是人类活动加剧土壤风蚀的又一重要因素。3 农田土壤风蚀的危害土壤风蚀造成的后果，在于引起整个干旱半干旱地区生态系统失衡，生态环境日趋
14、恶化，土地退化，肥力锐减，土地生产力下降。主要表现为 7:1) 破坏土地资源，农田生态环境恶化。我国受土壤风蚀的地区主要分布在北方干旱、半干旱区，尤以旱作农田最为严重。研究结果表明，我国干旱、半干旱地区的许多农田土壤处于中度和强度风蚀的影响下，内蒙古后山地区农田年风蚀量为 1-3mm，北京平原为 0.9mm，陕西六道沟流域年风蚀深度可达 1.20mm，山西右玉县为 0.4-1.43mm，山东夏津县黄河故道风沙化土地 1.40mm。根据Zachar 的研究，当风蚀深度为 1.5mm 时，仅由土壤风蚀所造成的土壤有机质损失量就大于植物吸收量，上述地区的风蚀深度超过或接近了这一界限，已经成为农业可持
15、续发展的严重障碍。2) 降低土壤肥力，制约粮食生产。风蚀破坏了表土层，耕层变薄，沃土被吹蚀，土壤肥力大幅下降，土地生产力降低，严重制约粮食增产。与此同时，土地越贫瘠，农民对化肥农药的使用量越大，随之进入水体的各种化学污染物质也越多，严惩污染水资源环境。因此，有大量的旱作农田如果不采取有效的防治措施，按现在的风蚀程度和速度，再过几十年甚至十几年就无法种植了，而旱作农田是我国干旱半干旱地区的主要耕地。3) 沙尘暴频繁发生，灾害损失严重。我国人多地少，森林覆被率仅 18.21%。林草退缩破坏了水源涵养条件，水资源污染和短缺，气候恶化，土地风蚀沙化严重，自然灾害频繁发生。据资料显示，产生沙尘的地表物质
16、以粉尘为主，其主要来自农田；沙尘暴的真正祸首是冬季翻耕后裸露休闲的农田，并且一些干旱农田较易产生扬沙。 1993 年席卷我国西北大部分地区的 “5.50”特大风沙尘暴造成直接经济损失达 5.6 亿元，其中受害最重的是农田， 37 万公顷耕地被毁，风蚀深度达 10-50cm，平均风蚀量为 100 立方米/亩。2000 年 4 月 6 日的沙尘暴使空气中的沙尘含量上升了 9 倍，水平能见度小于 300m，造成严惩的环境污染。 2002 年 3 月 18-22 日发生的沙尘暴影响范围波及全国 17 个省(市 )自治区，是 20 世纪 90年代以来范围最广、强度最大、影响最严重、持续时间最长的沙尘暴过
17、程，损失极其残重。因此，沙尘暴不仅给人民的生命财产造成严重损失，而且还进一步加快了农田退化的速度。4) 促进土地沙漠化，可利用农田面积减少。北方旱作农田土层干燥，质地疏松，加之剧烈的人类活动，最容易促进土壤沙漠化。特别是春季气温回升快、没有降水、风力强劲，翻耕后的农田逐渐解冻，处于干燥疏松的状态，在大风季节就越容易发生风蚀。由于细粒土壤被不断吹蚀，地面只留下沙砾，形成土地沙漠化。一方面土地沙漠化使可利用农田面积减少，作物产量下降;另一方面为满足不断发展的人口需求，必须依靠开垦土地，增加土地数量来补充，形成了沙化与开垦的恶性循环。研究表明，在各种人类经济活动中，土地翻耕对风蚀及土地沙漠化的影响最
18、为强烈，可使土壤风蚀量增加 11.9-132 倍。因此，防止土地沙漠化蔓延必须防治土壤风蚀，特别是要把防治重点放在农田土壤风蚀上。4 农田土壤风蚀的防治对策风沙活动是风力与地表物质相互作用的产物，风蚀是产生风沙危害的首要环节。治理风沙灾害的关键在于控制沙质地表风蚀过程的发展，削弱风沙流的强度，固定沙丘。防沙工程包括固、阻、输、导等方面的内容，从力学角度分析，主要有隔断，增阻、减速、转向和减阻等方法，采取的措施可分为工程治沙、植物治沙和化学固沙。其中，在沙区种植固沙植物，不仅能够对其附着的地面有活沙障、隔离大气层及固着土壤等作用外，还能通过其茎叶的强烈呼吸和光合作用，增加空气的水分，吸收二氧化碳
19、，增加氧气，从而改变小气候环境；枯枝落叶能增加土壤的腐殖质含量，改良土壤 5-8。(1)实行保护性耕作任何能保证在播种后地表作物残留物覆盖率不低于 30的耕作管理措施都称为保护性耕作，其核心内容一是通过深松、浅松等少耕、免耕措施，免除了传统的秋翻春耕的耕作作业，避免了土壤表层结构的破坏，使地表下松上紧，抗风雨侵蚀能力大为提高。在尽量不翻转土壤的前提下播种施肥，尽可能减少对土壤耕层的破坏，从而减少水分蒸发；二是将秸秆直接粉碎还田，保持尽可能多的茎叶残茬覆盖地表，用化学药剂除草、防治病虫害。同时，由于作物残留物覆盖地表既阻隔了气流对地表的直接作用，又增大了地表空气动力粗糙度，显著地降低了地表风速，
20、有效减少土粒运动和飞扬，也有利于抑制风蚀。因此，保护性耕作法是一种最大限度地减少土壤耕作和将作物残茬留于地表的耕作法，也是一种改良的、集约的防治水蚀和风蚀的作物栽培方法。总之，农田缺乏植被的疏松表土是风蚀的主要原因，而作物残茬秸秆覆盖就相当于自然条件下的植被覆盖，起到了保护农田的作用，能有效地防止土壤风蚀发生。我国应有计划有步骤地在北方旱作农业区推广保护性耕作，建立以保护耕作技术为核心的农田新种植体系。免耕并保留农作物残茬可以对农田起到有效的防风蚀作用。(2)营造农田防护林农田防护林是最主要的防控土壤风蚀的生物措施，兼有改善农田小气候以及为动物提供良好生境之功效，但有争地、争水、遮阴之不足。防
21、护林带按透风孔隙的大小、数量和分布的状况分紧密、疏透和通风等 3 种基本结构类型。就防风蚀的效果而言，在 3 种基本结构林带中，疏透结构和带灌木的通风结构林带较好，不带灌木的通风结构和紧密结构较差。(3)实行覆盖、留茬措施地表覆盖就是用一定的材料覆盖地表，从而避免地表风蚀的一种方法。其作用机理主要是：减小地表风速，避免可蚀性颗粒裸露，固定土壤颗粒。早春使用地膜覆盖种植，也是减少农田风蚀的有效办法。苏培玺等对河西走廊绿洲的对比实验结果表明，早春地膜覆盖种植不仅可以有效地防止土壤风蚀，而且可以保持土壤水分。相对普通春耕地而言，地膜覆盖可以增加土壤含水量 35.6%。刘汉涛等研究认为，在距地表 0-
22、70cm 高度范围内，不同耕作体系土壤风蚀量和扬起沙尘的高度随风速的增加而增加，随着作物秸秆残茬高度的增加而降低，且当秸秆高度为 30cm 时，风蚀量仅为传统耕地的 1/4 左右。综上所述，建立完善的防护林体系，实行于保护性耕作，种植覆盖植物等是理想的防止农田土壤风蚀的技术措施。总之，应千方百计地采取各种措施，有效地防止或减弱农田土壤风蚀，防止沙尘暴与土地沙化，改善生态环境，促进区域经济可持续发展。 95 结语综上所述,目前 ,随着各种实验和观测设备与技术的发展，如便携式风洞设备、先进的激光和雷达设备以及网络监测系统的不断完善，它们极大地提高了我们在各种时空尺度上展开对风蚀过程进行观测的准确性
23、和时效性；而各种资源环境数据的共享也为多学科联合研究大区域尺度的土壤风蚀提供了研究基础，各种基于统计数据以及物理过程的模型研究则为我们提供了理解和预测宏观、微观风蚀过程及其效果的新手段。考虑到风蚀作用自身物理机制的极端复杂以及在时空上的巨大变异, 在未来很长一段时间内，对土壤风蚀进行实验、观测、评价和模拟仍将是一项极具挑战性的任务。但可以相信，随着更加深入风洞实验( 包括计算机风洞模拟) 的开展、网络观测能力的建设以及数学模拟模型的完善，在遥感、GIS 以及计算机模拟技术加入之后，风蚀研究将进一步走向定量化、数字化的新阶段。参考文献1 陈渭南,董光荣, 董治宝. 中国北方土壤风蚀问题研究的进展
24、与趋势J地球科学进展. 1994,9(5):6-122 哈斯 . 坝上高原土壤不可蚀性颗粒与耕作方式对风蚀的影响J. 中国沙漠,1994.14(4):92-973 董光荣. 中国北方半干早半湿润地区沙漠化的成因J. 第四纪研究,1998(2):136-1444 宋阳,刘连友,严平等. 土壤可蚀性研究述评J. 干旱区地理，2006,29(1):124-1315刘宝元,张科利,焦菊英. 土壤可蚀性及其在侵蚀预报中的应用J.自然资源学报,1999,14(4):345-3506 史培军,刘宝元, 张科利等. 土壤侵蚀过程与模型研究J. 资源科学,1999,21(5):9-187 郑东旭. 农田保护措施
25、防治沙尘暴效果及土壤风蚀模型的研究M. 河北农业大学 ,20048 刘目兴,刘连友, 王静爱等. 农田休闲期不同保护性耕作措施的防风效应研究J. 中国沙漠 . 2007,27(1):46-519 李永平. 黄土高原不同防护类型农田土壤风蚀防控效应研究M. 西北农林大学,2009.Research on harzard and control measuresof farming soil wind erosionWang GuoyuAbstract Soil wind erosion is very serious on the norther of China, which cause th
26、e degradation of land resources and the decline of local farmland ecological environment ,but also seriously affect the economic crop harvest. Therefore, it is particularly important to strengthen the prevention work of Northern Arid Soil erosion. According to the mechanism of soil wind erosion and
27、taking full account of the factors for wind erosion ,we should take effective preventive measures, for instance the implementation of conservative tillage, the construction of farmland shelterbelts and keeping coverage and stubble etc. with the wind tunnel tests, the mathematical model simulation, remote sensing and GIS,to prevent and control the soil wind erosion.Keys Farming soil wind erisson Mechanism Effects Control measures
