毛乌素沙地南缘保护性耕作试验研究

论文摘要

近年来,由于沙尘暴的频繁发生,以防治北方农田土壤风蚀为重点的风蚀荒漠化研究日益被重视起来。研究表明,干旱地区农田是风蚀和沙尘暴形成的主要策源地之一,也是我国防沙治沙的薄弱环节。因此,它已成为现今风蚀防治的主要研究对象和前沿领域。靖边县北部风沙区属农牧交错过渡区,生态环境脆弱,加之传统的农业耕作技术措施,导致冬春季节农田土壤裸露,农田土壤干燥,很容易发生土壤风蚀。因此,寻求合理的保护性耕作技术,来改变传统的耕作方式,以达到高产和防治土壤风蚀“双赢”的目的,是发展生态农业治理土地沙漠化、实现区域农业生产持续发展和改善当地生态环境的有效途径。本文在对靖边县北部风沙区20年气候因子及土壤养分变化特征调查研究分析的基础上,以靖边县杨桥畔乡示范农场为依托,开展了保护性耕作的野外田间定位观测试验,选用了玉米免耕、秸秆覆盖、覆膜和传统翻耕4种耕作措施的田间试验研究;在冬小麦引种成功的基础上,开展了冬小麦免耕、覆膜和翻耕的田间试验研究。并利用风洞模拟试验研究了不同耕作措施的防风效益。采用野外试验、室内风洞模拟分析的方法及室内统计分析的方法,对保护性耕作措施下土壤特性、水肥利用率、经济效益及防风效益进行了系统的观测分析。得出以下主要结论:（1）研究区大风与干旱、寒冷同步,加之冬春季节地表裸露,很容易发生土壤风蚀。多年平均气候侵蚀力因子值为92.8,土壤风蚀的潜在危险性极高。通过1983和2003年两期土壤采样分析的结果证实, 5级和6级农田面积所占比例增加了5-6个百分点。因此,风蚀仍然相当严重。（2）玉米保护性耕作能改善土壤性质、水肥利用率及经济效益。覆膜、免耕、秸秆覆盖表现为对气温的变化反应不敏感,在整个生长期内覆膜、免耕、秸秆覆盖措施下的土壤温度变化相对平稳,而翻耕对气温的变化相当敏感。相对于传统翻耕,免耕和秸秆覆盖措施降低了表层0-20cm的土壤容重,覆膜增加了表层0-20cm土壤容重。但是,免耕和秸秆覆盖增加了底层20-40cm的土壤容重。覆膜、秸秆覆盖和免耕措施下0-60cm土壤贮水量分别比传统翻耕提高了10.88mm、6.26mm和5.08mm。免耕增加土壤养分分层率,土壤有机质、全氮和速效钾在各措施下随着耕作年限的增加而增加,免耕增加速率高于其它措施,而碱解氮、全磷随着耕作年限增加而下降,免耕延缓下降速率。免耕、秸秆覆盖和覆膜分别比传统翻耕提高水分利用率13.3%、8%和22.0%,分别提高N、P肥料的利用率61%、23%和60%。免耕、秸秆覆盖和覆膜分别比传统翻耕增加作物产量4.44%、13.14%和19.26%。经济收益由高到低为:免耕>秸秆覆盖>翻耕>覆膜。用覆膜和免耕措施种植的冬小麦在出苗期和越冬期土壤温度高于翻耕。有利于冬小麦安全越冬。与传统翻耕相比,免耕降低了表层0-20cm土壤容重,但是增加了20-40cm土壤容重,覆膜增加了表层土壤容重。二者的土壤含水量都高于翻耕。而土壤有机质、全氮和速效钾随耕作时间的增加呈增加趋势,且增加速率远远高于翻耕;碱解氮和全磷呈下降趋势,但是减缓了下降速率。覆膜水分利用率和N、P肥料利用率最高,免耕居中,翻耕最低。冬小麦产量表现为:覆膜>免耕>翻耕,产投比则为:免耕>覆膜>翻耕。（3）保护性耕作明显增加地表粗糙度,提高土壤颗粒起动风速。冬小麦下垫面粗糙度最大,其次分别为免耕和覆膜,翻耕最小。相应地,起动风蚀也表现为:冬小麦>覆膜>免耕>翻耕。保护性耕作减少农田土壤风蚀速率。同一风速下,翻耕措施下的风蚀速率明显高于其他三种保护性耕作措施,风蚀速率由高到低的排列顺序为:翻耕>覆膜>免耕>冬小麦。（4）通过选择不同措施下土壤水肥指标、经济效益指标和防风效益指标,构建了保护性耕作综合评价的指标体系,应用TOPSIS法对保护性耕作进了综合评价,结果表明,秸秆覆盖措施综合效益最优,翻耕措施最差。不同耕作措施的综合效益由高到低的顺序为:秸秆覆盖>免耕>覆膜=冬小麦>翻耕。综上所述,保护性耕作是风沙区农田农业生产过程中防治土壤风蚀、改善生态环境的有效途径。冬小麦虽然经济收益相对较低,但是由于其增加冬春季节风沙区农田地表覆盖度,有效防治土壤风蚀,不失为一种很好的防治农田风蚀的农业措施。建议采用政府补偿的方式激励冬小麦的种植。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 研究现状概述
• 1.2.1 概念的回顾
• 1.2.2 我国北方农牧交错区的研究现状
• 1.2.3 风蚀荒漠化的研究现状
• 1.2.4 保护性耕作研究现状
• 1.2.5 冬小麦种植北界北移及保护性耕作研究现状
• 1.2.6 我国保护性耕作技术存在的问题及研究方向
• 1.2.7 毛乌素沙地南缘土地沙漠化治理现状
• 1.3 研究内容与方法
• 1.3.1 区域概况
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 研究方法
• 1.3.4 技术路线
• 第二章 土壤风蚀因子的动态变化特征及现状评价
• 2.1 研究内容与方法
• 2.1.1 查阅收集资料
• 2.1.2 野外调查及土壤样品采集
• 2.1.3 土壤样品分析方法
• 2.2 影响土壤风蚀的气候因素
• 2.2.1 降雨量变化特征
• 2.2.2 风速的变化特征
• 2.2.3 气温变化特征
• 2.2.4 风蚀气候侵蚀力变化特征
• 2.3 土壤
• 2.4 人为因素
• 2.5 农田土壤风蚀特点
• 2.6 土壤风蚀对土壤养分变化的影响
• 2.6.1 土壤养分的含量特征
• 2.6.2 土壤养分空间变化特征
• 2.6.3 土壤养分时间变化特征
• 2.7 小结
• 第三章 保护性耕作试验研究
• 3.1 试验方法
• 3.1.1 玉米保护性耕作试验设计
• 3.1.2 冬小麦引种及保护性耕作试验设计
• 3.2 玉米保护性耕作
• 3.2.1 保护性耕作对土壤温度的影响
• 3.2.2 保护性耕作对土壤容重的影响
• 3.2.3 保护性耕作对土壤水分的影响
• 3.2.4 保护性耕作对土壤养分的影响
• 3.2.5 保护性耕作对作物产量及水、肥利用率的影响
• 3.2.6 经济效益分析
• 3.3 冬小麦引种试验研究
• 3.3.1 引种试验环境适宜性评价
• 3.3.2 引种试验结果验证
• 3.3.3 保护性耕作种植冬小麦对土壤环境的影响
• 3.3.4 保护性耕作对冬小麦产量及水肥利用率的影响
• 3.3.5 经济效益分析
• 3.4 小结
• 3.4.1 玉米保护性耕作试验
• 3.4.2 冬小麦引种试验研究
• 第四章 保护性耕作防风蚀效益的风洞模拟试验
• 4.1 研究方法
• 4.1.1 实验方案设计
• 4.1.2 野外采样
• 4.1.3 风洞模拟实验
• 4.1.4 实验模型尺度
• 4.1.5 观测项目与方法
• 4.1.6 数据处理与分析
• 4.2 风洞模拟试验结果
• 4.2.1 耕作措施对下垫面粗糙度及风速廓线的影响
• 4.2.2 不同耕作措施下起动风速的对比分析
• 4.2.3 耕作措施对农田土壤风蚀速率的影响
• 4.3 小结
• 第五章 不同耕作措施综合评价
• 5.1 综合评价的一般步骤及注意事项
• 5.2 TOPSIS（TECHNIQUE FOR ORDER PREFERENCE BY SIMILARITY TO IDEAL SOLUTION）法
• 5.2.1 TOPSIS 法原理
• 5.2.2 TOPSIS 法——评价步骤
• 5.3 应用TOPSIS 法对不同耕作措施进行综合评价
• 5.3.1 指标的选择
• 5.3.2 综合评价
• 5.4 靖边县种植冬小麦生态经济适应性评价
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介