砾石覆盖下的农田土壤环境效应:研究进展与展望

砾石覆盖是旱区特有的一种保护性耕作模式。长期的农业生产实践已经证明,地表覆砂能够很好地适应旱区严酷、恶劣的自然环境,并为当地农业发展和效益提升带来极大助力。然而,砾石覆盖农田退化所带来的一系列负面效应愈加凸显,成为当地农业发展的障碍因子。文章以砾石覆盖的土壤环境效应为脉络,归纳总结了砾石覆盖对土壤水热环境、土壤盐分、土壤有机质、土壤微生物和酶活性,以及水土保持等方面的影响效应和相关机制。同时,进一步指明旱区砂田当前所面临的问题与挑战,并提出该领域未来可持续深化和拓展的方向,主要包括:(1)砾石覆盖农田退化过程中土壤环境的综合演变机制;(2)“砾石-土壤-作物”系统间的协同作用机制;(3)应对砂田退化的农业修复模式及可持续发展路径;(4)砾石覆盖对局部区域气候的影响机制。

砾石覆盖下土壤侵蚀过程中有机碳转移数量特征

青藏高原对气候变化响应敏感,且具有提前的征兆,由于全球变暖的原因,冻土的融化会使冻土中所含的碳化合物以温室气体的形式排到大气中,从而进一步加剧全球变暖,本研究利用野外实地调查和采挖土壤侵蚀区的土壤到室内实验室采用模拟径流冲刷法对土壤进行实验,主要得到:(1)当坡面土壤无砾石覆盖时,随着坡度的增加,有机碳的流失量也随之增加;(2)相比没有砾石覆盖的坡面土壤,砾石覆盖度为40%和70%时的土壤有机碳流失量显著大于裸坡的有机碳流失量;(3)随着砾石覆盖度的增加,砾石体积对土壤的破坏力增强,最终使有机碳失去物理保护而迁移流失,造成土壤有机碳流失量增加。由以上结论得出,在今后的裸坡地带进行水土流失预防和治理时应注重削减坡度的方式来减缓土壤侵蚀的发生和有机碳的流失。

沟垄集雨结合砾石覆盖对沙棘生长的影响

为了解沟垄集雨结合覆盖措施在高寒半干旱地区生态环境保护和恢复中的应用效果,该文以青海湖流域为例,基于野外试验分析了高寒半干旱地区沟垄集雨结合砾石覆盖对沙棘生长的影响。结果表明:试验区所在地2009年膜垄(窄垄)、土垄(窄垄)和平地3种处理产流后的集流效率分别为62%、33%和23%;沟垄栽植沙棘成活率平均为49%,比平地栽植的成活率高27%,同等条件下窄垄的沙棘成活率(59%)高于宽垄(40%),垄上覆膜和沟内覆砾石处理的沙棘成活率较低;相对于平地栽植而言,沟垄集雨结合砾石覆盖可以有效促进沙棘生长,但丰水年宽垄结合砾石覆盖条件下沟内贮存的水分过多则可能抑制其生长;小雨条件下砾石覆盖的雨水拦截作用和保墒作用在一定程度上相互补偿并导致其对沙棘叶片水势的影响不明显。因此,沟垄集雨结合砾石覆盖可以促进沙棘成活和生长,但应结合各地降水特征并根据植被的需水规律确定合适的处理措施。

砾石覆盖紫色土坡耕地水文过程

紫色土中砾石分布广泛,地表常为砾石覆盖,砾石覆盖对土壤水文过程有着重要影响。试验小区(2 m×1 m)为坡度23°的坡耕地,试验降雨强度为(53.9±2.8)mm/h、(90.8±6.1)mm/h和(134.3±14.9)mm/h,砾石覆盖度为0%,11%,20%,33%和42%。通过原位人工模拟降雨试验,定量研究了不同降雨强度下砾石覆盖对降雨入渗、地表产流及壤中流产流的影响。结果表明:砾石覆盖对入渗过程影响显著,稳定入渗速率及稳定入渗系数与砾石覆盖度呈正相关关系,3种降雨强度下,稳定入渗系数分别为47.70%～86.59%,30.61%～82.83%、17.76%～77.44%,42%砾石覆盖度小区的稳定入渗速率分别是裸露小区的1.95～4.94倍;地表砾石覆盖延迟地表产流、减少地表径流量,地表产流时间随着砾石覆盖度的提高呈增加趋势,地表径流速率及地表径流系数随砾石覆盖度的增加而降低,相对地表径流系数与地表砾石覆盖度呈指数负相关关系;地表砾石覆盖促进壤中流的发生、增加壤中流量,壤中流产流时间随着砾石覆盖度的增加逐渐缩短,壤中流径流速率及壤中流径流系数随地表砾石覆盖度的增加而提高,相对壤中流径流系数与地表砾石覆盖度呈指数正相关关系。

砾石覆盖对土壤吹蚀的抑制效应

在风洞实验室模拟测定了不同砾石覆盖密度和覆盖方式的土壤吹蚀速率。结果表明，砾石覆盖对吹蚀速率的抑制作用可表达为砾石铺压的密度效应和空间排列效应。在一定的风力条件下，吹蚀速率随砾石覆盖密度的增加呈现指数递减变化；在一定的铺压密度下，不同铺压方式表现出不同的吹蚀抑制效应，从小到大依次是：平行条带铺压＜簇状铺压＜斜交条带铺压＜垂直条带铺压＜随机铺压。

砾石覆盖量对农田水分与作物耗水特征的影响

通过大田试验,研究夏玉米-冬小麦轮作条件下砾石覆盖量对土壤水分动态、作物耗水特征、产量及水分利用效率的影响。结果表明,砾石覆盖量的增加提高了土壤对降水的保蓄能力,且主要体现在0~40 cm土层,100~200 cm土壤贮水量变化不明显。在夏玉米-冬小麦各生育期,砾石覆盖措施提高土壤贮水量主要体现在作物苗期和拔节期,其中,S8（砾石覆盖量8 kg/m2）处理提高土壤贮水量效果最好,较无覆盖处理（CK）分别增加12.77%和6.63%。作物耗水系数随着砾石覆盖量的增加而减小。砾石覆盖夏玉米、冬小麦WUE和PUE分别较CK处理最大提高了33.05%、26.65%和12.68%、20.00%,差异显著。此外,作物经济产量和生物产量得到显著提高,夏玉米生长季,各处理其经济产量和生物产量分别较CK处理提高了4.45%~26.66%和5.81%~25.78%,冬小麦生长季,其经济产量和生物产量分别较CK处理提高了2.06%~15.34%和2.32%~26.49%。

砾石覆盖对土壤水蚀过程影响的研究进展

土壤中砾石的存在对水蚀过程有着重要的影响,有关砾石特别是表土砾石覆盖对土壤水蚀影响的研究结果表明,表土砾石对溅蚀分散、细沟间及细沟侵蚀等坡面侵蚀过程有重要影响:1)泥沙溅蚀分散量与砾石覆盖度呈负相关关系;2)砾石覆盖与细沟间侵蚀的关系较为复杂,这取决于表土的结构、砾石的位置和大小以及坡度等因素,当砾石嵌入结皮表土时,二者呈负相关关系,当砾石置于表土之上或嵌入具有结构孔隙的表土时,二者呈正相关关系;3)砾石覆盖对细沟间侵蚀产沙的作用效率与砾石粒径呈负相关关系,砾石置于表土之上的表土产沙量总低于砾石嵌入表土的产沙量;4)表土砾石覆盖能抑制细沟的形成,增加细沟糙度,降低细沟径流速率以及径流的侵蚀速率。鉴于砾石对水蚀过程的重要影响,RUSLE、WEPP和EUORSEM等土壤侵蚀模型预报含砾石土壤流失量时对相关参数做了修正。

砾石覆盖年限对连作农田土壤微生物和酶活性的影响

以中国科学院皋兰试验站的连续砾石覆盖2,7,11,15和20a的连作西瓜农田为对象,对不同覆盖年限连作西瓜农田土壤中微生物数量、过氧化氢酶、淀粉酶、蔗糖酶、多酚氧化酶、脱氢酶酶活性进行了研究。结果表明,随着砾石覆盖年限的增加,土壤微生物数量逐渐降低,在覆盖7～11a时最为稳定,此后微生物多样性指数和均匀度指数持续降低。在0～20a范围内,砾石覆盖下多数土壤酶活性随着覆盖年限的延长呈抛物线变化趋势,在砾石覆盖10～11a之前呈上升趋势,随后呈下降趋势。总体而言,在砾石覆盖11a左右的农田中,土壤酶活性最高,砾石覆盖超过15a的农田土壤酶活性较低,作物减产,需要停耕堆肥,重新换沙来维持产量。这一结果可为砾石覆盖农田土壤的持续利用与科学管理提供基础依据。

砾石覆盖对农田土壤有机碳、微生物和土壤酶活性的影响

研究不同土地利用条件及不同砾石覆盖年限对农田土壤有机碳含量、微生物数量和土壤酶活性的影响。结果表明,砾石覆盖下,农田土壤有机碳含量基本介于未覆盖农田和撂荒地之间;随着砾石覆盖年限增加,土壤有机碳含量逐年降低,并且在15 a时达到较低。砾石覆盖下,土壤微生物数量处于较稳定的状态;农田中大多数土壤酶活性介于未覆盖农田和撂荒地之间。相关分析表明,砾石覆盖下农田土壤酶活性与土壤有机碳含量,土壤微生物数量存在显著或极显著的相关性,因而可用某些土壤酶活性表示土壤有机碳或肥力的变化情况。砾石覆盖超过15 a的农田,有机碳含量过低,多种土壤酶活性不再适合作物生长,需要停耕堆肥,重新换砂来维持产量。

直立植物—砾石覆盖组合措施的防风蚀作用

在干旱、半干旱地区 ,由于气候条件的限制和出于经济方面的考虑 ,直立植物—砾石覆盖组合措施常被用来防治地表风蚀和风沙危害。为了给这种措施提供设计方面的参考依据 ,应用直立植物和砾石模型及其不同组合 ,在风洞测定了不同风力条件下的拖曳力 ,进而得出阻力系数 ,以评价其对地表风蚀的防治作用。结果表明 ,阻力系数取决于地表状况和风速 ,在各种地表状况下 ,阻力系数随风速的增大呈指数减小。在分别应用时 ,直立植物和砾石覆盖均可以有效地增大阻力系数。阻力系数的平方随直立植物侧影盖度平方根的增加呈线性增大 ,随砾石盖度的增加呈幂函数增大。当二者组合应用时 ,阻力系数主要取决于直立植物 ,砾石覆盖对阻力系数的贡献有所削弱 ,其作用随植物侧影盖度的增大而减小 ,直至对阻力系数的产生没有任何作用。据此 。

华北土石山区砾石覆盖对土壤溅蚀的影响

为探讨降雨强度和砾石覆盖度与土壤溅蚀的关系,通过野外人工模拟降雨,采用自主设计的圆形溅蚀板定量研究不同砾石覆盖度(0、5%、10%、15%、20%)、不同降雨强度(40、80和120 mm/h)对土壤溅蚀量的影响。结果表明:在相同的砾石覆盖度下,溅蚀量与降雨强度成线性正相关;在相同降雨强度下,溅蚀量随砾石覆盖度的增加呈指数递减趋势;随着降雨强度的增大,土壤溅蚀量受砾石覆盖度影响的程度减小;土壤溅蚀量随溅蚀距离的增加先增大后减小;土粒飞溅距离与降雨强度呈正相关;砾石覆盖对抑制溅蚀具有重要影响。

不同粒径砾石覆盖对土壤水分蒸发的影响

2007年在水利部水土保持监测中心采用花盆整体称重法，对5种不同粒径砾石覆盖下的土壤水分蒸发效应进行了研究。结果表明，不同粒径砾石覆盖可以有效减少土壤蒸发，与CK相比，2～4mm粒径的土壤日蒸发量降低最多，降幅可达44％，粒径越大，土壤蒸发越多。蒸发过程中，日均蒸发量2～4mm〈4～6mm〈6～8mm〈8～10mm〈CK，砾石覆盖对土壤累积蒸发量影响显著（P=0．01）。砾石覆盖后土壤蒸发分为两个阶段，第一阶段蒸发速度由覆盖物的特性决定；第二阶段对蒸发速度起主要影响的是土壤含水量，土壤蒸发总体上表现出前期快、后期慢的趋势。不同粒径砾石覆盖可以降低土壤温度的变幅，2～4mm砾石覆盖地表温差降低幅度最大，为对照的66％，砾石覆盖的降温速率整体上低于CK。

砾石覆盖条件下土壤水热效应对冬小麦田CO_2排放的影响

通过2年田间试验,采用静态暗箱-气象色谱法监测冬小麦田CO_2排放速率和通量,并计算了生态系统净交换和收获指数。试验设置无覆盖对照(CK)、无覆盖补灌对照(WCK)、砾石覆盖(GM)和砾石覆盖补灌(WGM)4个处理。结果表明:2个生长季内砾石覆盖补灌处理各阶段土壤含水率和温度平均最高,其次为砾石覆盖处理,说明砾石覆盖的保水保温效果明显;土壤温度的变化规律与CO_2排放规律相同,土壤含水率变化规律与CO_2排放规律相反,土壤温度和含水率变化对CO_2排放具有显著的交互作用(P<0.05);对影响农田生态系统CO_2排放的冬小麦生长参数和土壤理化特性进行相关矩阵和主成分分析,CO_2排放的分布与CK和WCK对照处理分布相似度较高,与GM和WGM砾石覆盖处理则完全相反;产量、收获指数、生态系统净交换的分布与WGM处理最为接近,其次为GM处理,说明砾石覆盖处理提高了产量,促进了生态系统净交换,降低了CO_2排放量。砾石覆盖结合关键生育期补充灌水的田间管理方式能有效改善土壤水热状况,减少农田生态系统CO_2排放。

砂田砾石覆盖对土壤大孔隙特征及其土壤水文过程的影响研究进展

砂田是利用砾石覆盖地表的典型节水范例,砾石覆盖对土壤大孔隙的半径、数量、连通性和密度都有重要影响。大孔隙的研究方法可分为直接观测法和间接描述法,并讨论其适用性和局限性。因为大孔隙及优先流的成因复杂,应将大量的野外实验和室内实验相结合,同时改进观测方法。土壤大孔隙研究的最终目的是调控它,为减少地下水污染、控制养分和水分的流失提供一条新途径。砾石覆盖土壤能增加大孔隙并促进降水入渗,加快壤中流的发生,减少径流和抑制蒸发,改变了土壤水文循环过程,土壤水文生态功能也随之改变。并指出了砾石覆盖下土壤优先流研究中存在的问题和今后应该加强的研究领域。

砾石覆盖量对夏玉米作物系数及水分利用效率的影响

为评价半湿润易旱地区砾石覆盖对土壤贮水量、作物生长与产量及水分利用效率的影响,利用杨凌地区夏玉米2014年实测数据及气象数据,基于Penman-Monteith公式计算了砾石不同覆盖量下全生育期内参考作物蒸发蒸腾量,并根据FAO推荐的分段单值平均法,计算夏玉米各生育期作物系数,以及砾石不同覆盖量下作物水分利用效率。结果表明：砾石覆盖的保水效果主要体现在作物生长初期,拔节期最大砾石覆盖处理0~200 cm土壤贮水量较对照增大12.8%,后期由于冠层覆盖影响其效果减弱;夏玉米全生育期作物系数与覆盖量呈线性关系;覆盖量越大,不同生育阶段的作物系数也相应增加;叶面积和株高与作物系数有着较好的回归关系,可以对生育期内的玉米蒸散量进行预报;砾石覆盖可以缩短夏玉米生育期的天数,最大可缩短19 d;砾石覆盖能促进作物生长,提高作物产量,且在该试验覆盖量范围内,覆盖量越大,增产增效越明显,随覆盖量增加,各处理分别较对照提高4.65%~38.17%;作物水分利用效率随覆盖量的增大分别较对照提高2.94%~32.99%。

砾石覆盖度测量方法研究

地表砾石是各种水文和侵蚀等过程综合作用的产物，是土壤退化和生态系统恶化的一个标志；反过来这些砾石也影响到侵蚀的各个过程。分别利用视点框架法和照相法对不同粒径样本下（2～6mm，6～20mm，20～60ram）的砾石覆盖度进行了测量，对比分析了不同砾石覆盖度测量方法对其精度的影响。结果表明，采用两种测量方法观测砾石覆盖度均能达到一定精度，视点框架法测量的砾石覆盖度相对误差变化范围为-7．84％～80．86％，平均相对误差为15．69％，照相法测量的砾石覆盖度相对误差变化范围为-48．35％～9．89％，平均相对误差为-11.69％。随着砾石覆盖度的增加，视点框架法测量的相对误差绝对值表现为减小。视点框架法测量的最大相对误差均值的绝对值随着抽样次数的增加而减少，当抽样次数达到约30，相对误差减小的趋势减缓。

北京山区砾石覆盖度和砾石含量的关系研究

砾石是各种水文和侵蚀等过程综合作用的产物,是土壤退化和生态系统恶化的一个标志,反过来土壤中的砾石和地表砾石也影响到各种各样的侵蚀过程。研究基于北京山区3块农用地地表砾石覆盖度和分层(0-2,2-5,5-10,10-15,15-20 cm)砾石重量百分含量数据,对地表砾石覆盖度和砾石重量百分含量的关系进行了研究。结果表明:地表砾石覆盖度和砾石重量百分含量之间的相关系数随采样深度的增加而减小,相关系数和采样深度存在负相关,表层砾石百分含量和地表砾石覆盖度之间的相关性较底层好;梯田和自然坡两种不同状态下,砾石覆盖度同表层砾石重量百分含量都存在一定的相关性,砾石覆盖度与大粒径(6～20,20～60 mm)砾石百分含量的相关系数较小粒径(2～6 mm)好,砾石覆盖度与粒径>2 mm的砾石重量百分含量显著正相关。

砾石覆盖防风蚀风洞实验

利用风洞实验开展了2 cm粒径砾石覆盖防风蚀效果研究。实验结果表明:砾石覆盖的存在可大幅降低沙床输沙率;同一风速下,输沙率随覆盖度的增加而降低,砾石覆盖率高于35%时床面不发生明显风蚀;同一砾石覆盖度下,输沙率随风速的增加而增加,风速超过18 m/s时输沙率迅速增加。采用风蚀防护率指标评价了砾石覆盖的防风蚀效果,当覆盖度不低于35%、风速不超过26 m/s时,风蚀防护率均大于90%。研究结果对采用砾石覆盖进行某数百平方公里的场地防风固沙工程设计具有参考价值。

砾石覆盖沙床防风蚀效果风洞实验

利用风洞实验测量不同风速、不同砾石覆盖度、不同砾石粒径等条件下砾石覆盖流沙床面的防风蚀效果。研究结果表明:裸露沙床的风蚀速率随风速的增大呈指数规律变化;当覆盖度大于15%时,砾石覆盖对沙床能起到很好的防风蚀效果,在26m/s风速下,不同粒径砾石的风蚀防护率均超过60%;随着覆盖度的增加风蚀防护率逐渐增加,当覆盖度大于55%时,风蚀防护率基本稳定;同一覆盖度和砾石粒径条件下,风蚀防护率随风速的增加而降低,当风速超过18m/s时,变化幅度比较明显;同一覆盖度和风速条件下,风蚀防护率随着砾石粒径的增加而逐渐降低。

不同厚度砾石覆盖对土壤蒸发的影响

[目的]为了探求宁夏中部干旱地区最适宜的硒砂瓜覆砂厚度。[方法]采用蒸发器整体称重法,以宁夏中卫南山台地区天然砂石为试材,研究了不同厚度砾石覆盖对土壤蒸发的影响。[结果]砾石覆盖处理的土壤日蒸发量的大小顺序为CK>H1(5 cm)>H2(8cm)>H3(10 cm)>H4(15 cm)。同时,随着试验天数的增加,H3(10 cm)和H4(15 cm)处理的累积蒸发量的差别逐渐减小。土壤总蒸发量随碎石覆盖厚度的增加呈现幂函数减少的变化趋势,拟合曲线的决定系数达到0.925 5。[结论]随着砂石覆盖厚度的增加,土壤日蒸发量逐渐减少,土壤含水量逐渐增加。覆盖可以有效减小蒸发,且覆盖厚度越厚,对蒸发的抑制效果越明显。在实施砾石覆盖处理时,应该适量增加覆盖厚度,阻止大量水分因蒸发而造成的水分损失。当砾石覆盖厚度达10 cm以上时,砾石抑制蒸发的效果差别不大,因此10 cm的砾石覆盖厚度最适宜当地区域的自然条件。幂函数方程Y=atb可以用来模拟土壤总蒸发量随碎石覆盖厚度的变化。