第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

全球的土壤正面临着逐渐减少的危境，土地荒漠化是导致这一现象最直接的原因之一。地球表层肥沃的土壤需要花费几千年时间才能形成，在风力或水力作用下只需几个生长季便可被侵蚀殆尽。土地荒漠化被公认为是当今世界的头号环境问题，联合国大会确定2006年为“国际沙漠与荒漠化年” 。目前，全球荒漠化的面积已经达3600万km2，占地球陆地面积的1/4。它已影响了世界6大洲100多个国家和地区，全球1/6的人口受到危害，1/3人口的生活受到影响，全世界因荒漠化而遭受的损失达420亿美元，而且荒漠化正以每年5万～7万km2的速度扩大，严重威胁着人类的生存和发展 。

我国已经成为受荒漠化危害最为严重的国家之一。已有的研究表明，20世纪50年代以来我国荒漠化土地一直在加速扩展，并且正以每年2460km2的速度扩展，每年造成的经济损失达540亿元。根据第三次全国荒漠化和沙化监测的最新数据，截至2004年全国荒漠化土地总面积为263.62万km2，占国土总面积的27.46％，其中，全国沙化土地面积173.97万km2，占国土总面积的18.12％。

我国北方农牧交错区生态极其脆弱，是我国荒漠化扩展最快、危害最严重的地区，已经成为荒漠化研究的热点地区之一。朱震达在1998年就已经从区域层面上指出了我国北方农牧交错区和旱农区荒漠化最严重。最新的研究表明，我国北方农牧交错区的农田土壤风蚀是沙尘暴发生的重要来源。

因此，以防治北方农田土壤侵蚀为重点的土地荒漠化研究，愈来愈受到关注。可持续农业发展的提出就是对常规现代化农业高投入、高产出的反思。人们逐渐意识到高投入、高产出的翻耕会对土壤进行剧烈扰动和翻转，破坏土壤结构，使土壤很容易受到风蚀的影响，导致农田土壤沙化，肥力下降，其结果造成农田土壤沙漠化。农田土地沙漠化防治的核心就是提高冬春季农田覆盖，减少风蚀。从广义来看，把保护性耕作可以理解为减少土壤耕作次数或不扰动表层土壤，并保留一定地表保护物（如作物残茬、秸秆等）的耕作措施，包括免耕、少耕、覆盖及其他不翻动表层土壤的耕作措施。引用兼顾产量和环境两重功能的保护性耕作技术，是防治农田土壤侵蚀，实现当地农业生产可持续发展的重要途径之一 。除保护性耕作外，另一主要防治农田沙漠化的方法就是冬季作物栽培。在治理沙漠化土地，发展生态农业项目中，农业部明确提出了“要扩大冬小麦种植面积”，认为冬小麦是防治冬春季沙尘暴的生态作物。在北方地区应当给予高度重视，要积极推行冬麦北移计划，在春季风沙严重的地方，利用冬小麦保护土壤的作用，既增加粮食产量，又保护自然生态。

鉴于此，本研究以属于我国北方农牧交错过渡区的毛乌素沙地南缘的陕北长城沿线靖边县北部风沙区为研究对象，开展了玉米保护性耕作的野外田间定位观测试验以及冬小麦引种试验，研究了保护性耕作措施下农田土壤水、肥特性的变化规律及其经济效益，并利用风洞模拟试验研究了不同耕作措施的防风效益。为探寻适合本区的保护性耕作技术提供一定的理论依据。对传统耕作制度的改革、保护性耕作的推广、改善生态环境和农业可持续发展有一定的现实意义。

1.2 研究现状概述

1.2.1 我国北方农牧交错区的研究现状

北方农牧交错区位于温带，原为古欧亚大草原东端植被类型区。从生产方式来看，它处于农业和牧业的交错接壤地带，是系统主体行为和结构特征发生“突发转换”的空间域。由于其所处的地理位置的重要性及生态系统结构的特殊性，历来受到学术界的重视。

1.2.1.1 农牧交错区的概念

早在20世纪50年代赵松乔先生研究了内蒙古察北、察盟及锡盟农牧交错区，当时的提法是“农牧过渡地区”。他认为“研究区域是一个典型的农牧过渡带，年降水量在400mm左右，这里不仅是自然条件和农业生产的过渡带，也是汉族和少数民族交错居住的地区”。最后定性地给出了农牧交错区的定义，即集约农业地带向游牧区的过渡带，范围的界定以年降水量400mm为重要指标。后来一些学者从不同的角度来定义和理解农牧交错区，从而产生了若干特殊的称呼，如“生态危急带”“生态环境脆弱带（ecotone）”“生态环境敏感带”以及“生态受损带”。

迄今国内生物学、地学界对农牧交错区已有多种不同的定义。史培军等从农业区划的角度认为农牧交错区是指北方半湿润农业区与半干旱草原牧区接壤过渡处的半农半牧区。总体来看，这些定义一般认为农牧交错区是一种典型的气候、生态、植被乃至地形的过渡带，从自然科学的观点看，它们无疑都反映了一定的客观规律。后来程序在研究我国北方农牧交错区发现，“农牧交错区在中国北方的形成完全是一种以人文因素起主要作用的独特现象，主要是人类活动干预下的产物，更多地带有经济、社会等方面的属性，而并不主要表现为生态过渡带的特征”。为此对农牧交错区重新进行了定义，更确切地表达了“人为生态学”及“生态—经济学”在农牧交错区中的重要性。周涌把“农牧交错区”定义为以草地（或林地）和农田的大面积交错出现的典型景观特征的自然群落与人工群落相互镶嵌的生态复合体，在这一生态复合体所在区域里，并存着以农业、草业、林业和畜牧业生产为主体的多种生产方式。农牧交错区不是一个纯粹的自然体，而是带有强烈的人为干扰的痕迹。程序认为农牧交错区是在独特的历史和人文背景下逐渐形成的一种动态区域，是一种发生在半干旱地区且带有从森林草原向典型草原群落类型过渡的特征，主要受人类长期农耕活动的干预和影响形成边际性种植业和草地畜牧业并存的特殊生态—经济—社会复合生态系统。

1.2.1.2 北方农牧交错区的界定

1959年，赵松乔首次将农牧交错区的认识范围从北方延伸到西南地区，从而将我国农牧交错区的范围完整地勾勒出来，即从内蒙古高原东南缘，经辽西、冀北、晋陕北部和宁夏中部，在甘青交界处转而南北走向，到川西、滇西北，包括南、北两段。后来关于北方农牧交错区的界限，一直是科学界研究的重点问题之一。不同专业领域对农牧交错区的定义和认识不同，对农牧交错区界定的方法也不尽相同。众多关于北方农牧交错区的界定研究总结起来主要分布在经济地理及农业区划、农业气候、生态学和宏观地理学4类专业领域 。吴传钧、郭焕成等在农业经济领域里，通过分析区域土地利用特征，以农业用地的组成比例（耕地∶草地∶林地为1∶0.5∶1.5）作为划分标准，把我国北方农牧交错区范围界定为内蒙古东南部、辽西、冀北、晋陕北部和宁夏中部。朱震达、刘恕和赵哈林等人在北方农牧交错沙漠区的研究中，用农业气候特征指标，将我国北方农牧交错区界定在年降水量为300～450mm、年降水变率为15％～30％、干燥度为1.2～2.0的范围内。王静爱在总结了前人多种具有代表性的研究结论之后，提出不同研究领域学者尽管分析的角度不一致，但对农牧交错区的分布范围核心基本是一致的，即我国北方农牧交错区大致沿北方400mm降水等值线走向的干旱半干旱地区，主要分布在内蒙古、辽宁、吉林、河北、陕西、山西及宁夏等几个省内，核心区域是内蒙古高原东南缘和黄土高原北部。总的来看，我国北方农牧交错区位于我国东部季风区向西北干旱地区的过渡带，水分是造成农牧业地域差异的一个重要因素，以降水量等气候指标划分北方农牧交错区是较为适用的，也是当前使用最为普遍的方法。

一般认为，我国北方农牧交错区北起大兴安岭南麓呼伦贝尔市，向西南延伸，经冀北、晋北至陕北、宁夏北部，直至鄂尔多斯高原，是由半湿润区向半干旱区过渡的广阔地带。北方农牧交错带是指我国北方半湿润农区向干旱半干旱牧区的过渡地带，又称半农半牧区，大致沿400mm的降水等值线两侧分布，包括内蒙古、辽宁、河北、山西和陕西等省、自治区的205个县旗，土地面积72.58万km2，现有人口6053.61万 。

1.2.1.3 北方农牧交错区的特征

北方农牧交错区是经过长期演变形成的，是自然因素与人为干预因素共同作用的结果。首先，北方农牧交错区地处东亚季风与西北大陆气候的交汇带，而季风气候的特点之一是年际间波动性很大，因此，该地区降水量少，年际变化大，干旱和风沙天气频发。其次，从地理历史角度看，农牧交错区的主体位于长城沿线，长城既是政治上的军事分界线，也是历史上农、牧区的分界线，长城以北的少数民族从事畜牧业，长城以南的汉族则以农业为主。自秦、汉、唐代开始屯田戍边以来，迭经明、清朝大规模的军（屯）垦，以及东汉、晋、五代、宋辽、西夏时期游牧民族的南下，农耕与游牧交替消长，逐渐形成犬牙交错的格局，长城逐渐失去了农牧分界线的意义。程序在对北方农牧交错区再认识的基础上，认为农牧交错区在中国北方的形成完全是一种以人文因素起主要作用的独特现象，主要是人类活动干预下的产物，更多地带有经济、社会等方面的属性，而并不主要表现为生态过渡带的特征。

由以上的北方农牧交错区的形成可以看出，独特的气候环境和地域特征，形成了我国独特的、复杂的北方农牧交错区。

1. 北方农牧交错区的过渡性。总体来说，农牧交错区的过渡性主要表现在气候和文化的过渡。在气候方面，半湿润气候由中国北方地区南部向中、北部半干旱、干旱气候的过渡；在文化方面，农耕文化和游牧文化的相互进退和相互渗透。历史上由于汉族与游牧少数民族在该地区的势力对比反复消长，引发了种植业和（放）牧业的交替效应相叠加，导致了北方农牧交错区反复拉锯式的变迁、位移。这种过渡的特征体现了农牧交错区的边缘、对抗及融合等特征。

2. 北方农牧交错区的生态脆弱性。北方农牧交错区的过渡性和恶劣的生态环境决定了其生态的脆弱性。农牧交错区由于历史上农耕和游牧文化的冲突，外来人口剧增和大规模的强行垦荒，导致了资源环境水平和人畜承载量、土地生产力和人口压力之间的动态不平衡，人与生态之间的矛盾异常尖锐。这种特有的过渡性，形成了景观生态和系统层次结构简单、自我调节能力差的脆弱生态系统，极易受干旱、风沙、冷冻等自然灾害的袭击和人类活动的影响。同时，农牧交错区气候条件恶劣，风、旱、冻、雪等灾害频繁发生，生态环境严重恶化，主要表现在草地的退化、沙化、盐渍化，土地生产力下降，自然植被覆盖率低。由于其生态的脆弱性，以致被称为“生态环境脆弱带”和“生态危机带”。

3. 北方农牧交错区的土地荒漠化严重。生态环境的脆弱性是该区发生荒漠化的潜在因素。北方农牧交错区是我国土地荒漠化扩展最快、发生最严重的地区，荒漠化形式主要以风蚀荒漠化为主，即“沙漠化”。史培军等利用美国地球资源观测系统数据中心的NDVI数字影像进行研究，认为我国荒漠化土地面积扩展主要发生在农牧交错区，近20年我国北方农牧交错区的土地荒漠化面积年扩展率达到9.05％。

1.2.1.4 北方农牧交错区的地位

北方农牧交错区在我国社会、经济发展和生态环境建设中具有重要的战略地位。

从社会发展的角度来看，北方农牧交错区作为多民族聚居区，地处边远穷苦地区，它的发展关系着民族团结和社会稳定。同时，也是国家西部大开发成败、实现可持续发展的关键。

从生产力角度来看，北方农牧交错区一直是农牧区之间物质交换和贸易最活跃的区域，是农区和牧区之间的物流、能流和信息流通道，也是产业基地。它是联系和沟通农区与牧区的重要纽带。北方农牧交错区又处在我国重要的能源和矿产分布地带，是我国重要矿产和能源的基地之一，被视为中华民族经济发展的第二条黄金带。

从生态学的角度来看，北方农牧交错区是东、中部平原农区天然的生态屏障和水源涵养地，北方农牧交错区是我国多数江河的发源地。同时是阻隔荒漠化扩展、南侵的前沿阵地和我国北方的重要生态防线。

1.2.2 风蚀荒漠化的研究现状

1.2.2.1 土地荒漠化的概念

1927年法国人Louis Lavauden最早在一篇科学论文中使用荒漠化（desertification）来描述非洲撒哈拉地区荒漠化的景观，并指出这一地区的荒漠化是由于人类对环境的破坏活动造成的。后来有很多学者对荒漠化下过定义，最普遍的表述为“荒漠化及环境的恶化，是地球上任何一个生态系统形成荒漠化景观的过程”。1977年8月在联合国第一次荒漠化会议（UNCOD）上，将荒漠化定义为：“荒漠化是土地具有的生物生产力减退乃至破坏并最终导致出现类似荒漠景观的现象。它是生态系统普遍退化的一个方面，是为了多方面的用途和目的而在一定的时间谋求发展、提高生产力，以维持人口不断增长的需要，从而削弱或破坏了生物的潜能，即动植物生产力。”为区别“荒漠化”和气候波动引起的沙漠扩张和收缩造成的沙漠边缘植被生产力的周期性变化，1990年2月联合国环境署于内罗毕召开了荒漠化评估特别咨询会议，会上通过了修订后的荒漠化定义：“荒漠化是在干旱、半干旱和干旱的湿润区由于人为影响造成的土地退化。”

20世纪90年代以前，我国沙漠化学者只认为在沙质地表叠加干旱多风和不合理的人为因素下形成的荒漠化过程才是荒漠化。朱震达、吴波认为“土地荒漠化是在脆弱的生态条件下由于人为强度活动，经济开发，资源利用与环境不协调下出现了类似荒漠化景观的土地生产力下降的环境退化过程” 。为了统一对荒漠化的认识，1994年联合国《关于在发生严重干旱或荒漠化的国家特别是在非洲防治荒漠化的公约》中对荒漠化做了更加明确的规定：“荒漠化是指包括气候变异和人类活动在内的种种因素造成的干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的土地退化。”

1.2.2.2 农田土壤风蚀发生机理及危害

农田土壤风蚀是干旱、半干旱以及半湿润地区土地沙漠化的首要环节。土壤风蚀是土地沙漠化的发生过程，而土地沙漠化是土壤风蚀的最终结果。土壤风蚀是指土壤及其母质在一定风力作用下的剥蚀、分选、搬运的过程，包括气流和气固二相流对土壤颗粒及地表物质的吹蚀和磨蚀过程。土壤风蚀过程主要包括土壤团聚体和基本颗粒的分离、输移和沉积。引起土壤颗粒在风流中开始移动的风速值叫临界风速。已知农田没有固定的临界风速值，而是取决于土壤耕作与作物状况。风力作用下土壤颗粒主要有三种运动类型：悬移、跃移和滚动。直径在100～500μm的中等颗粒一般以跃移为主，占总土壤颗粒运动的50％～80％。直径＜100μm的小颗粒以悬移为主，占总土壤粒运动的3％～40％。直径在500～1000μm的大颗粒和团聚体以滚动的方式运动，占总土壤颗粒运动的7％～25％。

土壤风蚀过程中，在微观上表现为以中、小粒径颗粒跃移和悬移的运动形式为主，在宏观上则表现为土壤表层大量富含营养物质的细微颗粒的损失，导致土壤表层粗化，土壤肥力下降和土地生产力的衰退。1934年5月美国发生的一场典型的沙尘暴，横扫美国2/3的国土，许多农场犁底层以上的土壤全部被刮走，使土壤彻底失去了生产能力。风蚀使大平原地区的土壤结构不断粗化。Leys与Mctainsh在澳大利亚东南部的威尔士地区通过测量农田土壤养分的流失量来定量说明土地退化，结果表明，风仅能搬走耕地内粒径小于90μm的土壤颗粒，一周内移走的尘土量达4200kg。侵蚀土的总含氮量和有机质分别比原土壤多16倍和11倍。经过20周后，耕地表层细颗粒变得很少。Chepil等对比分析了堪萨斯州西部地区1948～1984年36年间由于土壤风蚀土壤质地及肥力的变化规律，发现经过36年该区土壤由于风蚀大多数都发生粗化，1984年的土壤有机质含量仅为1948年的1/5。在我国，土壤风蚀对土地生产力也造成了严重的危害，据董光荣等研究，1949～1994年间我国共有6.67×105hm2的耕地沦为沙丘和沙地，每年丧失的耕地1480hm2，每年为此损失的粮食在3.712×107kg以上，相当于9.3万人口的年口粮。每年由于风蚀损失土壤有机质、氮素和磷素高达5.598×107t，相当于价值170亿元的各类化肥。

沙尘暴是土壤风蚀强烈发生的又一重要表现形式。沙尘对交通、通信和水利等设施也会构成危害，沙尘降低空气能见度，极易造成交通事故，建筑物、公路、铁路、沟渠、栅栏、草地、灌木和树木也会受到浮尘的损害。沙尘特别是沙尘暴还会造成严重的大气污染，土壤风蚀过程会产生大量的气溶胶颗粒，从而导致大范围的粉尘污染和其他的风沙问题，人和牲畜受沙尘的影响，易患呼吸道病和眼疾。对一次强沙尘暴研究表明，平均每立方英里大气中约含有1290t尘埃。

1.2.2.3 土壤风蚀的影响因子

自20世纪50年代开始系统地研究土壤风蚀因子，Chepil与Woodruff经过二十多年对风蚀系统变量的鉴别和估算，提出了通用风蚀方程。方程表达式如下：

E=f（I，C，K，L，V）

式中，E为土壤年风蚀量［t/（hm2·a）］，I为土壤可蚀性（t/hm2），C为气候因子，K为土壤粗糙度因子，L为田块裸露长度（m），V为植被因子。土壤风蚀是一个综合的自然地理过程，受到气候、土壤、植被及人类因素等诸多因子的综合影响。我们把众多因子分为影响气流对土壤作用力的侵蚀性因子（包括气候因子、粗糙度因子等）和与土壤特性有关的可蚀性因子两大类。

1. 土壤风蚀的动力因子。风是土壤风蚀的最直接动力，风速越大，其风蚀能力越强。Chepil等很早就通过风洞和田间实验，研究了土壤风蚀的动力机制问题，确立了关于风蚀的基本原理。Chepil还发现促使田间最易侵蚀颗粒移动的最小速度，并称这一速度为“最小气体起动风速”，而随着风力的增加，越来越大的颗粒被吹动，直到风速大到所有的颗粒都被吹动，这时的风速称为“最大气体起动风速”。同时，Chepil还得出风蚀速率和风蚀量与风的摩阻速率的量化关系式，即风蚀速率随着摩阻速率的三次幂而增加，而风蚀量则按照摩阻速率的五次幂而变化。

2. 土壤粗糙度。Chepil研究了植被覆盖与土壤风蚀之间的关系，发现直立的小麦残茬地上的风蚀量是560kg/hm2，仅仅为裸地风蚀量的17.5％，而同分量的平卧麦秆地上的风蚀量却占裸地风蚀量的53％，这一差异主要是由于直立茬的表面粗糙度较大的原因引起的，所以，残茬覆盖和最少耕作法可以用于减少风蚀的危害。刘连友等利用风洞实验模拟测定了不同砾石覆盖密度与覆盖方式对土壤风蚀率的影响，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与空间排列效应。董治宝等人研究了直立植物覆盖度和砾石覆盖度与风蚀的关系，在理论上发现0.72的植物侧影盖度或0.225的砾石覆盖度的措施的防风蚀效果最佳。黄福祥等通过野外实地观测，建立了毛乌素沙地植被覆盖与风蚀输沙率之间的定量模型，并确定了不同风速条件下的有效植被覆盖度。

3. 土壤可蚀性。Chepil在1950～1951年对影响风蚀的土壤性质进行了一系列实验研究，结果表明土壤质地对土壤可蚀性有很大影响，土壤可蚀性随土壤中直径＜0.42mm和＞0.84mm土粒的百分数而变化，随土壤中沙粒、黏粒与粉粒的比率而变化，其中土壤中细粉粒的含量对土壤可蚀性影响比较大，在其他因子相同时，风蚀量随土壤中所含易蚀颗粒与不易蚀颗粒的比值而成正比例变化；土壤可蚀性主要取决于土壤中干团聚体结构和块状结构，可以通过土壤干团聚体大致估算风蚀量，在其他因素保持不变时，风蚀量随易蚀颗粒或团聚体容重的平方根而变化 。随后他又通过风洞实验研究了不同粒径土壤团粒与风力的关系问题，他发现大多数侵蚀风对直径＞0.84mm的结构单位基本上难以移动，而具有显著抗风蚀性的团聚体则是＞1mm的团聚体。在Chepil等进行大量土壤风蚀研究的同时，其他学者也进行了土壤风蚀的研究，苏联的雅库布夫研究了土壤机械组成等因素对风蚀的影响，发现了易受风蚀的土壤中含有相当数量的直径在0.05～0.25mm的水稳性聚合物，抗风蚀的土壤中则含有相当数量的＞0.5mm和＜0.05mm的颗粒和水稳性聚合物；同时他认为腐殖质含量高的土壤未必就是抗风蚀强的土壤等系列结论。朱震达等认为土壤性质的差异会影响土壤风蚀的强度，而风蚀作用的结果也会改变土壤粒度的组成。陈广庭通过研究发现土粒起动风速的大小与土壤团聚体平均直径之间存在着重要的关系。董治宝等以典型风沙土为实验材料，通过风洞模拟实验研究了土壤水分与土壤风蚀量的关系，其结果表明风沙土临界风蚀风速随含水量的增加呈线性增大，而风蚀率随含水率的增加呈二次幂函数减少。

1.2.2.4 风蚀荒漠化的成因及分布特征

荒漠化表征着人地矛盾的关系。由于前述荒漠化定义中把荒漠化发展限定在干旱、半干旱和半湿润地区，并提到了“人为活动的种种因素”和“土地经济特性”的退化。可以看出自然条件和人为因子是影响荒漠化的两大因素，荒漠化过程与人类生存和发展活动是密不可分的。自然条件是土地退化的基础和潜在因子，而人为因素是土地退化的动力和诱因。由此可以把荒漠化总结为北方干旱、半干旱和半湿润地区脆弱的生态环境系统在人为不合理的活动下造成的。1992年联合国环境规划署进行了全球荒漠化新的评估，荒漠化土地化从1984年的34.75亿hm2增加到1991年的35.92亿hm2。其中退化的草场和旱作农田居首位。侵蚀营力以风蚀水蚀为主，占全部侵蚀营力构成的86.8％。我国著名学者朱震达教授把荒漠化成因总结如下：

世界上受风蚀影响的耕地主要在北非，中东，亚洲中部、南部、东部，澳大利亚，南美南部和北美的部分地区。我国风蚀荒漠化表现出分布面积广、发展速率快的特征，荒漠化潜在发生范围约为331.7万km2，其中风蚀荒漠化土地面积达160.7万km2，占48.45％，已超出全国耕地的总和，主要分布在干旱、半干旱地区。从行政区划上看，主要包括了新疆、内蒙古、陕西北部长城沿线等18个省（自治区、直辖市）的471个县（旗、市）。

1.2.2.5 风蚀荒漠化评价方法

风蚀荒漠化评价从根本上属于土地资源评价或土地质量评价的范畴，是为土地利用服务的。风蚀荒漠化评价的对象是土地的质量，说明土地目前的质量状况，远离未退化状态的程度，研究退化土地的空间分布规律，指出造成土地退化的原因和总体危险程度。风蚀荒漠化评价过程是按照一定的评价指标体系，对所利用的土地的质量进行分级划等，确定各级退化土地的分布范围，并且说明目前土地利用的合理性，经营措施是否得当，为合理利用土地、提高生产力服务。根据风蚀荒漠化评价的目的和任务，可将风蚀荒漠化评价类型划分为风蚀荒漠化现状评价、发展速率评价和危险性评价三种。风蚀荒漠化现状评价是其他两类评价过程的基础。

1. 风蚀荒漠化现状评价。风蚀荒漠化现状评价是指在特定时间和地域条件下，土地评价单元退化的程度。目前进行的风蚀荒漠化评价大部分是风蚀荒漠化现状的评价。风蚀荒漠化现状评价的核心：一是以选定的风蚀荒漠化指标为基础确定风蚀荒漠化等级的数量；二是等级划分的方法。风蚀荒漠化现状评价的最后结果是风蚀荒漠化现状分布图。

2. 风蚀荒漠化发展速率评价。风蚀荒漠化发展速率评价是指风蚀荒漠化向同一方向发展的速度，即反映风蚀荒漠化发展的快慢程度。地区之间风蚀荒漠化现状相同，也许发展速度不同。比如草场荒漠化发展速度一般较慢，几十年的周期，而交通建设所引起的风蚀荒漠化发展速度非常快，几年内就可发展到极严重程度的风蚀荒漠化。发展速率不同，风蚀荒漠化的危险性不同，预防和治理的措施也就不同。风蚀荒漠化发展速率评价，一般不能用简单的两次测定的直线来表示，应该由数次测定所判定的连续发展趋势来获得。

3. 风蚀荒漠化危险性评价。风蚀荒漠化危险性评价是在前两类评价的基础上，对土地风蚀荒漠化的综合评价。在风蚀荒漠化现状和发展速率的基础上，考虑自然条件的脆弱性、环境压力等。自然条件也叫风蚀荒漠化内在危险性，包括土壤的易风蚀性、降水变率等。环境压力主要指人口压力和牲畜压力，用人口超载率和牲畜超载率来表示。

1.2.2.6 农田土壤风蚀荒漠化的防治对策

农田风蚀受许多因素的影响，其中气候因素不容易被人们改变，在农田土壤风蚀防治过程中首先应该考虑人为可控性因素。土壤风蚀的严重性主要由风速、地表土壤物理特性和地表覆盖及粗糙度状况决定的。鉴于此，农田风蚀控制也相应的基于两个原则：（1）减小直接作用于土壤颗粒上的风力；（2）改善土壤表面抵抗风蚀作用或限制土壤颗粒的运动。可以看出这两个原则主要是对耕作处理、土壤的改善及增加农田地表粗糙度的技术运用。在农田土壤风蚀荒漠化防治过程中要走农业耕作技术措施与生物、工程措施相结合的途径，实现发展生态农业治理风蚀荒漠化土地。生态农业体现了农田土壤风蚀防治中的“防”“治”“用”的理念。生物工程措施主要指农田防护林体系建设以及设置一些临时的机械风障等措施。保护性耕作技术是当前极力推荐的改变农田微地形、增加地表覆盖度、改良土壤结构、增加作物产量和提高土壤抗蚀性的农业耕作技术，它是当前实施生态农业防治风蚀荒漠化的重要手段。建立完善的农田防护林体系、实行保护性耕作，再辅助一些工程措施是理想的防治农田土壤风蚀的技术措施。

1.2.3 保护性耕作研究现状

1.2.3.1 保护性耕作的概念

保护性耕作是相对于传统翻耕的一种新型耕作技术。但是纵观国内外，迄今为止，对于保护性耕作的概念还没有形成较为统一的认识。最初有人以较为狭隘的角度将免耕、少耕视为保护性耕作，将其定义为：“不引起土壤全面翻转的耕作方法。它与传统的耕作方法不同，要求大量的作物残茬留在地表，将耕作减少到能保证种子发芽即可，它要求使用农药来控制杂草和害虫。”后来随着对保护性耕作研究的深入，有人将原来单纯的土壤耕作技术与土壤侵蚀结合起来，将保护性耕作定义为“用少、免耕将作物残茬尽量保持在地表以保持水分和减少土壤流失的耕作方法”和“保护性耕作就是指能比传统耕作法减少土壤流失的耕作方法” 。

1984年，美国保护性耕作信息中心（CTIC）给出了目前被普遍使用的保护性耕作定义：“保护性耕作是指播种后地表残茬覆盖面积在30％以上，免耕或播前进行一次表土耕作，用除草剂控制杂草的耕作方法。”全球气候、土壤类型多样，种植制度变化大，保护性耕作技术类型繁多，可以看出美国以秸秆覆盖度为标准的保护性耕作定义难以概美国全貌。

我国学者在多年科学研究的基础上，把保护性耕作定义为：以水土保持为中心，保持适量的地表覆盖物，尽量减少土壤耕作，并用秸秆覆盖地表，减少风蚀和水蚀，提高土壤肥力和抗旱能力的一项先进农业耕作技术。它是以减少土壤体系被破坏为原则，考虑以较低能耗和物质投入来维持作物相对高产并可获取较高利润，是一种具有生态保护意义的持续性农业形式。在已有研究的基础上，2005年在成都召开的全国保护性耕作研讨会上进一步提出了保护性耕作制（conservation farming system，CFS）的概念，即以保护农田水土资源和环境健康为核心，以建立土壤轮耕技术体系和多元化覆盖技术体系为关键，减少水土侵蚀。在我国，一般认为，减少了耕作次数，从而减少或控制了风蚀、水蚀等水土流失的耕作方式都属于保护性耕作范畴。

1.2.3.2 保护性耕作的起源

保护性耕作技术的起源可追溯到20世纪30～40年代美国两次“黑风暴”事件及50年代中期，苏联在中亚地区开垦荒地，破坏草原植被，引起的“沙尘暴”事件。美国中部平原是典型的干旱地区，19世纪末，大批移民到此垦荒，他们沿用湿润地区铧式犁翻耕方式，并烧掉或放牧啃食残茬秸秆，翻耕后多次耙压碎土，几十年取得不错的收成。草原植被被破坏后，土壤侵蚀增加，有机质含量下降，结构变差，到1930年新一轮干旱开始的时候，终于爆发了举世震惊的“黑风暴”。大风在裸地上横扫，刮走约10cm干透的表土，30多万hm2良田被毁，城市上空尘埃数日不散。“黑风暴”提醒了人们，推动了旱地耕作方式的变更，以保水保土为主的保护性耕作应运而生。经过半个多世纪的发展，已成为美国的主体耕作方法，95％的土地已取消铧式犁耕作。随后，澳大利亚、英国、苏联以及以色列先后发展了保护性耕作法。到20世纪70年代初，Phillips等人在多年实践研究的基础上，出版了No-tillage Farming一书。长期试验研究证明，使用作物残茬覆盖和减少翻耕，是控制水土流失的两项最有效措施。

目前世界上已有40多个国家和地区建立了300多个旱农科研机构，其分布为非洲43个，亚洲69个，澳洲45个，北美洲73个，南美洲23个。叙利亚、印度、尼日利亚、埃及、美国等国家分别有旱农研究中心。

1.2.3.3 保护性耕作的主要技术环节及原理

保护性耕作不是单纯的土壤处理技术，而是一个减少侵蚀、改善农田理化性质及节源增效的综合性可持续农业技术，它逐步走向规范化和标准化。概括起来讲，保护性耕作主要包括五大技术环节：一是少耕、免耕土壤处理技术。改变原来传统的铧犁式翻耕方式，实行少耕、免耕，减少土壤的破坏和翻动，基本不破坏土壤结构和地表植被，可提高水分入渗率，增加土壤含水量。二是作物残茬、秸秆及其他覆盖物的覆盖技术。利用残茬及其他覆盖物（如秸秆、牧草及冬小麦等）覆盖地表，保护土壤，减少土壤侵蚀和水分损失，提高水分利用率。三是机械配套技术。免耕技术的实施需要有相配套的秸秆处理机械及免耕播种机等机械，同时配有旋耕和深松的机械。四是除草技术。利用化学除草剂配合覆盖、种植制度（休闲、间作和轮作等）来控制杂草。五是技术目标。通过实施保护性耕作，实现保护土壤和环境，节本增效，增加经济收益，达成生态经济“双赢”的目标。

由上文提及的保护性耕作概念及技术内容可知，保护性耕作技术的基本原理就是通过少耕、免耕，减少对土壤的扰动，以“生物代耕”，充分调动土壤的自我调节能力，从而实现“三少两高”的目标，即少动土、少裸露、少污染、高保蓄、高效益。

1. 减少无效的耕作次数，充分发挥土壤自调作用。传统机械翻耕凭借机械的作用，通过一系列耕作措施来完成作物种床的准备工作，导致了一系列生态经济问题，如工序繁多，生产成本高以及破坏土壤结构，使土壤易受侵蚀等。而通过保护性耕作，减少对土壤的机械扰动或不扰动，尊重土壤本身自我调节的客观自然规律。

2. 通过土壤自身的冻融和干湿等变化的自然力及生物活动来疏松耕层土壤，即“生物代耕”原理。土壤中有活动的生物种群，耕作措施对土壤的生物种类、数量及活性都有很重要的影响。由于保护性耕作减少土壤扰动，为土壤中的生物创造了适宜的生存条件，因此保护性耕作能够增加土壤生物的多样性。Lal发现，在种植玉米3年后的免耕区，土壤中的蚯蚓数量比翻耕地高20倍。免耕地蚯蚓活动的频繁，不仅改善土壤结构，而且形成土壤中上下连通的大孔隙，有利于土壤通气。在冬季较寒冷的温带区，经过冬季土层结冻和春季土层化冻，使耕层土壤孔隙度增加，达到自然疏松。同样，在干湿交替下，胀缩作用也就有类似的效应。

3. 发挥覆盖的作用。覆盖措施减少土壤水分损失，能够蓄水保墒、增强土壤抗旱能力。此外，秸秆覆盖措施能够促成土壤表层有机质的积累。还有人发现，覆盖措施能够抑制杂草的发生。但是此论点尚未形成公认。覆盖措施一般可分为地膜覆盖、秸秆覆盖、残茬覆盖、沙石覆盖、植被覆盖等。

4. 减轻或避免机械作业的副作用。田间机械作用造成土壤耕层的破坏，使土壤下沉变紧和田间土壤紧实度不均。保护性耕作减少田间作用，在一定程度上减轻机械作业的副作用。

1.2.3.4 国内外研究进展

从国际上来看，保护性耕作的研究大体经历了3个阶段。

一是保护性耕作技术迅速兴起的阶段（20世纪30～40年代）。在美国“黑风暴”的教训和警示后，美国率先成立了土壤保持局。主要针对传统机械化翻耕措施在水蚀和风蚀方面存在的弊端，对土壤耕作农机具和耕作方法进行改良，提出少免耕和深松等保护性耕作法。随后被世界各国所采纳，成为当时主导的耕作技术。

二是机械化免耕技术与保护性植被覆盖技术同步发展的阶段（20世纪50～70年代）。在免耕技术大面积应用的过程中，许多研究证实了各种类型的机械化保护性耕作措施对减少土壤侵蚀方面有显著效果，但也出现不少因杂草蔓延或者秸秆覆盖造成低温而使作物严重减产的例子，使得该项技术推广进程较慢。

三是保护性耕作技术完善提高和推广普及的阶段。20世纪80年代以来，随着耕作机械的改进、除草剂的使用以及作物种植结构调整，保护性耕作的应用发展较快，在全世界范围内推广应用。此阶段保护性耕作面积每年呈持续增加的趋势，据统计，经过15年时间，2004年保护性耕作面积比1987年增加了16倍之多。种植作物涉及大豆、玉米、棉花、高粱等。

我国的农业素以“精耕细作”闻名于世，但是在我国传统的农业中，历来有与国外类似的少免耕方法。如南、北方很多地方夏季换茬时，实行留茬播种，甘肃的沙田栽培都属于保护性耕作。我国现代保护性耕作技术研究有30多年的历史，概括起来可分为3个阶段。

第一阶段，20世纪50～70年代试验探索阶段。50年代初，黑龙江国营农场开展了免耕种植小麦试验，江苏开展稻茬免耕播种小麦试验；70年代末，西南农业大学研究水稻自然免耕法。这一阶段由于机械、政策等多方面原因，保护性耕作基本处于研究阶段，发展缓慢。

第二阶段，20世纪80～90年代试验示范阶段。1983年起，农业部把保护性耕作列入全国农业重点推广项目，促进了保护性耕作技术的研究和推广应用，全国保护性耕作面积日益扩大。这一时期，北京农业大学、陕西省农业科学院、山西省农业科学院、河北省农业科学院等，开展了覆盖或少耕、免耕的试验研究，取得显著的增产效果。但是由于免耕机具的缺陷和农民认识观念上的误区，导致这一阶段保护性耕作推广速度比较缓慢。

第三阶段，20世纪90年代至今完善推广阶段。随着人们对生态环境的日益重视，保护性耕作技术的研究与应用得到了农业部、科技部等有关部委的高度重视。农业部1999年成立了保护性耕作研究中心，将保护性耕作列为“十五”期间重点推广的技术之一。目前，我国已经建成可以开展保护性耕作技术的试验基地，在种植地区上不仅在山区、丘陵区和风沙区，还在平原地区开展保护性耕作研究。2002年，农业部召开全国保护性耕作现场会，启动保护性耕作示范工程，在北京等5个省（市）区启动建设38个保护性耕作示范县，至2004年又增至90余个县、场。各地政府也先后出台了促进保护性耕作农业发展地方性的政策，保护性耕作技术的推广、应用方兴未艾。中国作物学会路明理事长从2002年开始，组织实施了农业部“发展生态农业，治理荒漠化土地”项目，在全国13个省区25个县开展保护性耕作试验和监测工作，建立了保护性耕作网站，保护性耕作研究取得重要进展 。

1.2.3.5 国内外保护性耕作的推广应用

20世纪80年代以来，保护性耕作逐步推广应用到70多个国家。目前，保护性耕作已成为世界上应用最广、效果最好的一项旱作农业技术，一般的增产幅度在5％～10％；保护性耕作可减少水土流失量60％～80％，减少来自农田的扬尘量60％以上，减少冲入河流中的泥土、营养元素（特别是磷元素）和化学药剂50％以上，可将更多的碳元素固定在土壤中，减少排放到大气中的二氧化碳数量，改善大气质量。据联合国粮农组织2004～2005年统计报告，全世界保护性耕作面积接近1亿hm2，约占世界总耕地面积的11％，占全球旱地的1/3，主要分布在北美洲和南美洲，南美洲的一些国家和澳大利亚应用面积均已超过本国耕地面积的70％。其中排在前五名的分别是美国、巴西、阿根廷、澳大利亚、加拿大。主要在旱作农业区小麦、大麦、玉米、苜蓿、豆类、油菜、棉花、小杂粮等十多种作物的生产上应用。英国、法国、德国、意大利、葡萄牙和西班牙成立了欧洲保护性耕作联盟，对保护性耕作的发展起到了促进作用 。主要国家的情况如下：

1. 美国。从20世纪40年代开始研究保护性耕作技术，60年代开发成功免耕播种机和除草剂后，开始在全国大面积推广，2002年保护性耕作应用面积达到6769万hm2，已占到总耕地面积的60％。据美国保护性耕作信息中心（CTIC）的最新资料，美国2004年实行免耕、垄作、覆盖耕作和少耕的耕地占美国耕地面积的62.2％，而常规耕作面积为37.7％，传统耕作比例呈下降趋势，免耕比例逐年上升，美国保护性耕作应用面积已经接近适宜耕种区域总面积，除了收获时必须翻耕土壤的马铃薯、甜菜以及无法保留秸秆覆盖的蔬菜等作物之外，所有的谷物生产都采用了保护性耕作技术。

2. 加拿大。20世纪60年代以前，加拿大普遍采用铧式犁翻耕方式，土壤过度翻耕，地表残茬稀少，难以有效抵抗风蚀和水蚀，而且干旱严重。加拿大从60年代开始引进、试验保护性耕作技术，70～80年代研制成功配套机具和除草剂。1985年，开始在三个农业省大面积推广，截至2002年，保护性耕作应用面积达到1300万hm2，占加拿大耕地的30％。近几年，加拿大举办的全国性农机展会上，传统耕作机具已经消失，几乎全是保护性耕作机具。

3. 巴西。1971年，巴西引进并试验成功保护性耕作技术，由于缺少免耕播种机具，4年多的时间应用面积不足1000hm2。1975年开发成功免耕播种机后，应用面积逐步扩大，1985年达到40万hm2，1995年达到650万hm2，2002年达到1700多万hm2，17年的时间内，保护性耕作面积增加40多倍，是世界上保护性耕作应用面积增长最快的国家。截至2004年，巴西保护性耕作应用面积达2310万hm2，占巴西耕地总面积的近60％。

4. 阿根廷和巴拉圭。截至2002年，阿根廷保护性耕作面积2000多万hm2，巴拉圭170多万hm2，均超过阿根廷和巴拉圭总耕地面积的80％。南美洲在短短的20多年时间内，能够大面积应用保护性耕作技术的最主要因素是开发出适合当地经济条件、农民能够买得起的保护性耕作专用机具以及除草剂。目前，巴西生产的免耕播种机性能上与美国机器相近，但价格要低1/3。

5. 澳大利亚。澳大利亚是在土壤翻耕造成水土流失严重、导致土层快速变浅的情况下，从20世纪70年代开始保护性耕作试验，80年代开始大规模推广。澳大利亚谷物研究和发展委员会的调查报告显示，澳大利亚已经完全取消铧式犁，在1996～2002年间，保护性耕作应用面积由60％增加到73％。据澳大利亚粮食研究与发展中心介绍，澳大利亚近20年粮食产量增加一倍，其中保护性耕作的贡献率在40％以上。

6. 欧洲。欧洲在保护性耕作技术研究与应用方面起步相对较晚，但是发展较快，12个国家应用了此项技术，总应用面积与北美洲相差不大，和南美洲相当。欧洲大部分国家降雨充沛，土壤侵蚀并不严重，但是，为了简化农业生产工序，降低生产成本，德国、法国、瑞士等国家从20世纪80年代开始推广应用保护性耕作，近10年保护性耕作应用面积有了较大增长。年年翻耕土地的农民越来越少，16％～28％的耕地已经应用了保护性耕作技术。

7. 非洲。非政府国际组织Sasakawa Global 2000于1986年开始启动，帮助非洲穷困农民实施保护性耕作，通过引进介绍其他国家先进成功技术的基础上，形成了一套特有的保护性耕作技术——免耕覆盖技术（no-till with mulch），就是不采用传统翻耕准备苗床，在种植前15天喷洒除草剂，杀死的枯草和作物残茬一起覆盖地表，从而增加了他们的粮食产量，并经过长期的实施，增加了土壤有机质，减少土壤侵蚀，并使已退化土壤的肥力有所回升。先后在加纳、苏丹及印度北部城市（如萨哈兰普尔）都有成功的推广使用，被广大农民所接受。

8. 中国。中国是主要的干旱国家之一。干旱、半干旱及半湿润偏旱地区的面积占国土面积的52.5％，遍及昆仑山、秦岭、淮河以北的16个省、市、自治区，旱区农业持续发展的主要问题，一是降雨少、气温低、土壤贫瘠、自然条件恶劣、产量低而不稳，农民生活贫困；二是水土流失和风蚀沙化严重。水土流失不仅导致土壤肥力下降，而且蚕食可利用土地。为了抗旱增产、节本增效、保护生态环境、实现旱区可持续发展，从20世纪50年代开始，我国就已开展了相应的保护性耕作试验研究。直到1983年，农业部把保护性耕作技术列为全国农业重点推广项目，自此我国保护性耕作研究进入了系统深入的研究及大面积试点示范的研究阶段。保护性耕作在全国范围内的应用呈现出“面积逐步扩大”“应用范围不断增加”和“形式多样化”的特点。2003年农业部在北方13个省区的25个示范点组织进行了机械化保护性耕作技术示范项目。据初步统计，截至2005年全国粮食作物保护性耕作面积约占全国粮食总生产面积的15.4％。保护性耕作的种植作物也由最初单纯的种植粮食作物发展到大豆、棉花等经济作物的种植。同时，在长期的研究、示范过程中，形成适应不同区域特征、不同种植作物的保护性耕作模式，如陕北丘陵坡地水土保持耕作技术，山西旱作农田玉米秸秆覆盖耕作技术以及南方稻田自然免耕技术等。

1.2.3.6 保护性耕作对生态经济效益的影响研究

旱地农业要改变传统发展模式，实现可持续发展，其途径就在于保土、保水与保肥。国内外长期实验研究表明，保护性耕作技术具有控制农田水土流失、保墒蓄水、增产增收和改善生态环境等综合效益。

1. 保护性耕作是农田土壤风蚀防治的重要途径。

保护性耕作起源于“沙尘暴”的发生，保护性耕作技术起源与发展的根本目的是为了在一定的内外条件下达到最佳农田效益的一种新的耕作技术。其指导思想是在保护环境、减少污染和实现农业可持续发展，以保土、保水与保肥为目标。所以建立旱作农业区保护性耕作技术就成了当前促进农业持续发展的关键，也成为农田土壤风蚀防治的重要途径。美国农业部土壤保持局前任主任曾经很经典地评价了保护性耕作的功能和地位，他指出保护性耕作并非万能的耕作方式，但它却是美国水土保护的最好耕作方式。这些话证实了许多人的观点，即在许多国家，保护性耕作具有保护水土资源的能力。Chepil在20世纪50年代就已经提出了地表粗糙度是风蚀控制的重要因子。大量研究表明建立防护林带和增加地表覆盖度是防治土壤风蚀的有效措施 。Hillel和Durr等研究认为传统耕作增加土壤侵蚀，加速土地退化，相比而言，保护性耕作减轻土壤侵蚀，提高土地生产力 。美国农业部保护性耕作信息中心测定，作物残茬覆盖免耕法可减轻土壤侵蚀48％，增加防风蚀能力20％以上。

我国旱作农业经营管理相当粗放，施肥面积小、施肥量少，对土地只取不予或少予，使耕地愈益贫瘠，广种薄收，形成了粗放的掠夺式耕作。据高德诚推算，内蒙古乌兰察布盟每年补给土壤的养分仅占作物吸取养分的42.5％；东北三省旱区施肥较多，补给养分也仅占吸取养分的83.5％，造成了投入产出的严重失调。传统的耕作方式造成了大面积的被犁耕破坏的无结构的沙质地表，大风季节与地表裸露的时期同步，便发生了强烈的土壤风蚀。风吹蚀农田表土，使旱地农业生态系统内参与能量、物质交换的有机物、养分以及水分不断损失。连年的耕种与风蚀使损失的物质得不到补偿，引起生态系统能量的持续下降，最终使土地持续退化。哈斯、刘玉璋等研究证明，人类不合理的翻耕土地、放牧等经济活动都是加剧土壤风蚀的重要因素 ，而增加植被覆盖度、加大地表粗糙度，增加微地形等都可以减少土壤风蚀的发生。所以，改变传统的农田耕作制度，建立符合干旱、半干旱地区实际情况的农业耕作新技术和制度成为了当前促进农业持续深入发展的关键。何文清等在内蒙古武川县的试验研究结果表明，与传统秋耕裸地相比，留茬免耕的保护性耕作可以明显减轻农田土壤的风蚀，风蚀量减少了66.67％。胡立峰等研究认为，采用作物残茬覆盖免耕法可减轻土壤侵蚀48％。河北丰宁坝上地区的土壤风蚀实验也证明，秸秆覆盖和少免耕相结合的保护性耕作可明显减少农田土壤损失 。而且实行保护性耕作还具有提高土壤含水量、减少大风扬沙60％，抑制沙尘暴，保护生态环境等作用 。

2. 保护性耕作对土壤理化性质的影响。

（1）保护性耕作对土壤容重的影响。土壤容重是反映土壤紧实状况的主要指标之一。以免耕和少耕为核心技术的保护性耕作，由于其减少直接对土壤的机械翻动作用，因此关于其对土壤紧实程度的影响一直是人们所关注和担心的。大部分研究认为，免耕与翻耕相比，土壤强度增加，免耕使土壤容重增加，特别是表层容重 。如Kushwaha和Thomas等研究认为免耕表层0～10cm土层的土壤容重高于翻耕，但是底层10～20cm和20～30cm范围内土壤容重没有什么差异。周兴祥等研究发现，与传统耕作相比，保护性耕作的土壤容重显著高于传统耕作，但仍在作物适宜生长的范围内，在不同耕作方式下以免耕的土壤容重最大。就耕作年限而言，实施免耕多年后，土壤压实程度会越来越严重，使残茬覆盖保水作用降低，从而制约了免耕保护性耕作法的进一步发展。李昱等研究则表明，0～30cm耕层内，免耕高茬、免耕低茬、深松耙地高茬的容重显著大于对照，免耕高茬和免耕低茬容重没有明显差异，深松耙地的容重则介于免耕和对照之间。但是也有研究者报道不同耕作措施之间土壤容重没有什么差异，甚至保护性耕作降低土壤容重。Blevins等认为免耕措施下土壤容重比传统翻耕下低7％，Fausey等研究发现，免耕下土壤容重与传统翻耕没有太大差异，且随着耕作年限的增加，经过28年连续免耕，各种措施中免耕的土壤容重达到最低。Chang通过长期的试验研究表明，不同耕法下黏土土壤容重之间无明显差异。王昌全等认为，免耕地容重比翻耕地小，且有随免耕年限增加而趋小。以上研究结果的差异，可能是因为保护性耕作措施不同、种植作物不同以及土壤质地不同所致。也有可能是作物秸秆的施用可以促进土壤中水稳性团聚体的形成，增加土壤生物的数量，使容重降低，总孔隙度增加，改善土壤的结构性和耕性 。

（2）保护性耕作措施下土壤温度的影响。Hillel等指出，秸秆覆盖、土壤结构、土壤水分等都影响土壤的导热率、热容量，从而影响土壤温度的高低 。现在普遍认为秸秆覆盖对光辐射吸收转化和热量传导均有影响。首先，覆盖在地表形成一层土壤与大气热交换的障碍层，可以阻止太阳直接辐射，在春季保护性耕作下的土壤温度由于地表覆盖物对太阳辐射反射的影响，导致春季土壤温度比传统耕作土壤温度低 ，秦红灵等研究表明，在北方农牧交错区，免耕措施下的土壤温度在晴天低于翻耕，阴天差别不大，又发现土壤温度与气温有密切的关系，尤其翻耕受空气温度的影响显著。常旭虹等认为，在播种初期免耕土壤温度比翻耕低0.5℃。土壤温度研究表明秸秆覆盖后土壤温度会降低2.5℃～3.5℃。但有研究表明，在冬季保护性耕作减少土壤热量向大气散失，同时还可以有效地反射长波辐射 ，具有保温作用。对冬小麦的越冬和返青非常有利。周凌云研究发现，覆盖秸秆的麦田冬季可提高耕层土壤（0～15cm）温度0.5℃～2.5℃，陈素英研究认为冬季（11～1月）0～20cm土层地温秸秆覆盖比不覆盖高0.2℃～1.1℃，春季返青后（2～3月），0～20cm土壤日平均温度覆盖比对照低0.2℃～1.1℃，最高达2.2℃。刘炜等研究表明，冬小麦在越冬期秸秆覆盖土壤温度高于翻耕。其次，覆盖层下面的土壤水含量高、热容量较大。因此，覆盖条件下土壤温度对空气温度的高低反应比传统翻耕土壤强烈，表现出保护性耕作措施下土壤温度年、日变化趋向缓和，低温时有“增温效应”，高温时有“降温效应” 。

（3）保护性耕作对土壤含水量的影响。保护性耕作技术多是在干旱、半干旱地区开展研究，水分条件是限制农业生产的重要因子。因此，关于土壤含水量的研究是保护性耕作措施生态效应研究较多的一个因子，它受到土壤蒸发、植物蒸腾、降雨入渗、地表径流等多种因素的影响。一般认为免耕覆盖后改变了土壤的理化性质，土壤具有良好的孔隙状况，增加入渗量，提高土壤含水量，增加水分储存，而覆盖又抑制了蒸发，所以覆盖免耕具有较好的保水效果 。马月存等研究表明，农牧交错带覆盖处理下的土壤水分明显高于翻耕，提高水分利用率。王晓燕等通过保护性耕作措施对地表径流及降雨入渗的影响研究表明，保护性耕作有延缓径流，增加降雨入渗的作用，秸秆覆盖率越高，径流开始的时间和土壤含水量达到饱和的时间越晚，且稳定入渗率越高 。黄高宝等研究发现，保护性耕作能够显著改善0～200cm土层土壤贮水量及含水量，随着降水量的增多土壤对降水的保蓄能力增强，在降水较少年份免耕秸秆覆盖的这种作用表现突出 。李洪文等研究认为，保护性耕作可增加土壤水分贮存量40～80mm。

（4）保护性耕作措施对土壤有机质的影响。Lopez-Fando研究发现保护性耕作有利于土壤有机质的积累。Dick和Agbede等研究表明，与传统耕作相比免耕有利于表层（0～10cm）有机质的积累，导致土壤表层有机质呈层分布，这是保护性耕作（特别是免耕）最典型的特点之一 。Blevins等经过10年田间试验观察到：免耕土壤0～5cm的土壤有机碳是犁耕土壤的2倍，有机氮也有相似的增长趋势。逄蕾等研究发现，免耕可以增加土壤有机碳含量，作物秸秆的保留与否主要影响土壤全碳的变化，免耕秸秆覆盖极显著提高了表层土壤全碳含量，在干旱半干旱地区秸秆还田17个月就可使表层土壤全碳含量增加20.77％，而传统耕作不覆盖和传统耕作结合秸秆还田等耕作措施会破坏土壤结构，不利于土壤有机碳的积累 。杨学明、赵四申等研究结果表明保护性耕作措施可以增加土壤有机质含量 。

（5）保护性耕作对土壤氮、磷、钾养分的影响。大部分研究结果表明，保护性耕作土壤耕层中硝态氮含量、铵态氮含量低于常规耕作，但水解氮、全氮含量均高于常规耕作 。严洁、刘亚俊等研究表明除碱解氮外，保护性耕作下土壤全氮、速效钾、全钾、全磷、速效磷都高于传统翻耕 。但Unger研究表明，在0～25cm的土层中免耕可增加硝态氮的含量。此外，张志国、温随良等认为保护性耕作农田土壤全磷含量高于常规耕作农田，但其钾的有效性几乎没有什么差别 。

3. 保护性耕作对产量的影响。

产量是衡量一种耕作方式好坏的最主要指标之一。保护性耕作可以通过增加土壤肥力和养分的有效性，蓄水保墒，提高水分利用率，从而为作物生长创造良好的条件，使作物产量结构显著优化，有明显的增产效应。许多试验研究都表明免耕能够提高作物产量，这与以上提到的各种土壤环境效应是分不开的。例如，澳大利亚的研究表明，传统耕作有一半的年份产量不足潜在生产量的50％，免耕则可达到潜在生产量的75％。美国农业研究局昆兰士保护性耕作试验室自1981年以来一直实行免耕试验。结果表明，在无灌溉条件下，小麦产量为3400kg/hm2，有灌溉条件时则为5000kg/hm2～6000kg/hm2。免耕与传统耕作相比，增产1000kg/hm2左右。一般的年份，产量相差不大，但越是干旱的年份，土质较差的土壤，增产效果越明显，在加拿大最高可达40％，一般在20％左右 。中国农业大学和山西省农机局等合作，从1992年在山西临汾和寿阳进行农艺农机结合的保护性耕作系统实验，10年的实验证明保护性耕作可以提高产量13％～17％。但是，有些研究者认为保护性耕作与传统翻耕的作物产量没有明显差异甚至减产。如Coote在加拿大研究免耕和传统耕作对玉米产量的影响中指出，这两种耕作方式对产量没有明显的差异。Zentner等认为耕作方式对于冬小麦及单季种植的春小麦产量无显著影响。而Domzal认为冬小麦免耕同耕翻的效果相比，免耕的冬小麦减产。贾树龙等认为连续少耕和免耕处理的前3年对作物产量没有明显影响，之后小麦产量会显著降低，最大降幅可达31.83％。胡立峰等通过试验发现翻耕模式下玉米产量最高，免耕下最低。部分学者认为保护性耕作在前两三年增产效果不明显，但是随着连续保护性耕作的实施，保护性耕作逐步达到显著增产的作用。Rice等研究表明，在免耕实施的前3年保护性耕作的作物产量低于传统耕作，但是在接下来的5年中，免耕措施的产量高于翻耕。他们认为前期保护性耕作产量低下的原因是土壤有机质、含氮量低，随着免耕措施的实施，土壤有机质及其养分的积累，使作物产量高于翻耕。张振江认为秸秆还田处理第一年略有减产，其后五六年内略有增产但不甚显著，随后才能显示出增产的效果。康红等的研究表明，免耕覆盖初期小麦产量明显低于常规耕作，随着处理年限的增加，处理间的差异减小，产量基本相当。秸秆还田降低了产量的变异系数，减轻了因受气候因素影响引起的产量波动。

综上所述，保护性耕作对土壤特性及作物产量的影响，众说不一，研究结果存在很大的差别，Barber认为保护性耕作与传统耕作相比，保护性耕作对土壤特性及作物产量的影响变化波动大，不同的土壤类型、种植作物及气候条件都是影响保护性耕作区域适应的限制性因子。Kapusta指出，相对于传统翻耕，保护性耕作有利于干旱季节增加作物生长及产量。

4. 保护性耕作分区。

保护性耕作模式多样，应根据不同生态区域，不同作物及不同土壤类型选择适宜区域特征的耕作模式。高焕文等将中国的保护性耕作体系分为4种类型区：

（1）黄土高原一年一熟区。水分是影响该区农业生产的主要限制因子。因此，黄土高原一年一熟区保护性耕作模式以增加土壤含水率和提高土壤肥力为主要目标。技术措施以秸秆覆盖、免（少）耕播种、以松代翻为重点

（2）西北冷凉风沙区。该区农田土壤风蚀严重，土壤贫瘠，肥力不高，是沙尘暴尘源的主要来源区。相应的保护性耕作措施的目标也就偏重于防治沙尘暴、提高产量和培肥地力。技术措施是留茬覆盖、免耕播种、杂草综合防治。

（3）东北高寒易旱区。东北高寒易旱区保护性耕作以抵御春旱春寒、控制风蚀为主要目标。为了解决低温的影响，需要研究垄作保护性耕作技术，对于干旱严重的地方，必要时可结合行走式“坐水种”技术。

（4）华北一年两熟区。华北一年两熟区在农业上精耕细作，提水灌溉，以小麦、玉米一年两熟为主，高投入、高产出。存在的问题是地下水位急剧下降、成本高、焚烧秸秆污染环境、地力持续下降，所以也有开展保护性耕作的迫切要求，以减少地下水消耗、降低生产成本和培肥地力。该区实施保护性耕作的难度较大，玉米茬免耕播种小麦的机具和病虫害防治等问题都还在研究中。

1.2.4 冬小麦种植北界北移及保护性耕作研究现状

影响我国冬小麦种植北界北移的主要限制性因子是气候因子，气候寒冷使冬麦越冬死亡率较高，返青后植株密度锐减，达不到生产要求 。在我国20世纪30年代，胡焕庸认为，最冷月平均气温-6℃为我国冬麦北界指标；目前，王宏提出确定我国冬小麦安全种植北界的农业气候界限指标是：（1）1月份的平均气温为-8℃；（2）冬季最低气温小于等于-20℃的天数小于等于3天；（3）11月份的平均气温为2℃，提出以死苗率20％等值线为冬麦安全种植北界。由于全球气温变暖、高科技水平下培育的冬小麦新品种的抗寒性能逐渐提高以及一些御寒措施（如地膜覆盖、秸秆覆盖等）的应用，使原来的冬小麦种植北界发生巨大变化，如刘耀武等结合陕西各地区气候特征及在不同栽培措施下的增温效果，应用GIS把陕西省冬小麦北界确定为子洲—清涧—佳县一带。

近年来，由于农业部发展生态农业治理沙漠化思路的提出，大力提倡冬季作物的种植，提高冬春季地表覆盖度、避免地表裸露、减少风蚀。众多学者对各种栽培模式下的冬小麦的种植作了大量的研究，其中，以保护性耕作措施种植模式居多。周凌云研究表明秸秆覆盖免耕对冬小麦生产有明显的增产作用，秸秆覆盖下冬小麦产量比不盖秸秆提高9.2％～17.9％。逄焕成等研究发现深松覆盖在任何年型均能够显著提高冬小麦的产量，相比较常规耕作，深松覆盖平均增产9.4％。除丰水年外，免耕覆盖能显著提高冬小麦产量，但增产效果不如深松覆盖显著，少耕无明显增产效果。于晓蕾等研究表明，秸秆覆盖有效保持土壤水分，在冬小麦返青期保持较高土壤温度。刘立晶等研究表明，在小麦苗期免耕措施下的土壤温度略高于传统耕作，有利于小麦的生长，保证安全越冬。马根众等认为保护性耕作是影响旱区冬小麦生长发育和生产效益的主要措施，免耕和秸秆覆盖提高了冬小麦抗寒能力，保持土壤水分，提高冬小麦产量。但是，在风蚀沙化严重的高寒风沙区引种冬小麦，增加该地区冬春季节地表覆盖物的研究还很少。

1.2.5 我国保护性耕作技术存在的问题及研究方向

1. 我国农业以“精耕细作”闻名于世，传统的翻耕、耙磨等一系列农田管理措施深入人心，从根本上阻碍了保护性耕作的发展。加大保护性耕作研究力度，用科学的实验结果来加大保护性耕作宣传的说服力，使广大人民群众认识保护性耕作的科学性、实用性，从而彻底地转变观念。只有抛弃保守的观念，保护性耕作技术才能成功。拉美推广免耕法的经验证明了这一点。

2. 目前，我国保护性耕作研究存在着对保护性耕作的认识还不统一、耕作形式多样化等问题。我们应该在借鉴国外经验的基础上，创新研究适合中国各个区域特色的保护性耕作技术体系。我国幅员辽阔，地域差别很大，在正确认识保护性耕作技术的基础上，针对不同区域气候及土地特征开展各区域全方位的保护性耕作研究，建立适宜中国国情的区域保护性耕作技术体系。

3. 我国还没有形成一套可供操作的规范化和标准化的保护性耕作技术。这也是我国保护性耕作研究的一个重要方向和目标。

4. 应该把保护性耕作纳入可持续农业计划中来。保护性技术已经由单纯的土壤耕作技术向综合性可持续技术方向发展。当前研究要兼顾保护性耕作的生态经济效益，注重研究保护农田水土、增加有机质含量、减少能源消耗、减少环境污染、抑制土壤盐渍化、受损农田生态系统恢复等领域的综合性可持续的保护性耕作技术。

5. 缺乏保护性耕作综合评价体系。目前，保护性耕作形式多样，只有对不同的保护性耕作措施综合效益的优劣作一个客观的、综合的评价，才能选出符合区域农业可持续发展的保护性耕作措施。建立规范的综合评价体系是保护性耕作研究的当务之急。

1.3 研究内容与方法

1.3.1 区域概况

靖边县地处陕西省北部偏西（E108°17′～109°20′，N36°58′～38°03′），榆林地区西南部，毛乌素沙地南缘。全县土地总面积为4947.37km2。全县地势南高北低，按地形特征可分为：南部丘陵沟壑区和北部风沙区。北部风沙区占全县土地面积的35.6％。包括红敦界、黄蒿界、海则滩、杨桥畔、新农村等乡镇的全部和梁镇、东坑的大部分以及高家沟的部分村庄，属鄂尔多斯台地，地势开阔平坦，土壤以风沙土为主。该风沙区属半干旱大陆性季风气候，年平均降水量395.4mm，年平均蒸发量700mm，其中7～9月份占全年降水量的62.05％，12月份至次年3月份降水量仅占全年降水量的4.1％，降水分配极不均匀；年平均气温7.8℃，年日照时数2700～2800h，全年太阳总辐射量为32.62kJ/cm2。干燥度1.4～1.9，无霜期130d。因受沙漠的影响，气候干燥多风沙，平均大风（8级风力）日数15.2d，主要集中在冬春季节，占80％以上，区内土壤侵蚀主要表现为土壤风蚀沙化，侵蚀模数3340t/（km2·a）。区内主要种植马铃薯、玉米等作物，为一年一熟种植制度，在冬春风沙活动频繁的季节农田处于休闲期，地表裸露，很容易造成农田土壤风蚀，养分损失，引起生态环境恶化。区内的最大优势是靠近城镇，交通方便，文化经济比较发达。近些年来随着林草植被的建设，除部分流动沙地植被稀疏外，大部分风沙土已经成为固定、半固定沙地，植被覆盖度达30％～50％以上。

如何采取有效措施防治农田风沙危害是当前实现农业可持续发展的重要战略目标之一。

1.3.2 研究内容

本书主要针对靖边县北部风沙区农田土壤风蚀的现状，提出了实施保护性耕作措施来防治农田土地沙漠化，提高农田肥力，增加农田生产力及改善当地生态环境。主要开展了以下几项内容的研究：

1. 风沙区影响土壤风蚀因子的动态变化特征及风蚀现状评价。分析试验区20年的气候因子，包括降雨量、风速、气温及当地气候侵蚀力等年际变化和年内变化特征，并以1983年全国第二次土壤普查为对照，研究了1983～2003年近20年的土壤养分的时空变化特征，借此来分析该区的土壤风蚀现状。

2. 开展保护性耕作的田间定位试验研究。玉米和冬小麦保护性耕作对土壤温度、土壤含水量、土壤养分、土壤性质、作物产量、水分利用率、肥料利用率以及保护性耕作的经济效益的影响。

3. 保护性耕作防风效益的风洞模拟试验。选择冬小麦、免耕留茬、覆膜和翻耕4种措施，用风洞模拟的方法研究了不同耕作措施的防风效益。具体试验方法见第四章。

4. 对几种保护性耕作措施进行综合评价。应用TOPSIS法，对包括冬小麦在内的保护性耕作措施选择包括土壤肥力效益、经济效益和防风效益三大效益进行综合评价并排序。选出最优的保护性耕作模式。最后对冬小麦的生态经济适应性进行了评价，鉴于冬小麦良好的生态效益，以冬小麦与当地主种作物——玉米收入之差为标准，提出应由政府补偿的方法激励冬小麦在该地区的种植。

1.3.3 研究方法

根据拟定的研究内容，确定研究方法如下。

1. 历史现状分析的方法。查阅资料并从当地气象台站收集靖边县1981～2001年的气象资料，然后依据1983全国第二次土壤普查，靖边县土壤普查土壤养分点位图，应用GPS定位采集当前土壤样品进行分析。在分析研究区气候变化特征的基础上，对比分析了1983年和2003年两期土壤养分的变化，指出研究区土壤风蚀严重。

2. 野外田间定位观测的方法。本试验选择了位于毛乌素沙地南缘陕西省靖边县杨桥畔乡示范农场，开展了保护性耕作技术对农田土壤环境及其经济效益影响的定位观测试验。试验分为两大部分：一是玉米保护性耕作试验研究，选用了4种耕作措施，分别为免耕、秸秆覆盖、覆膜和翻耕。二是冬小麦引种试验研究，冬小麦选用了免耕、覆膜和翻耕3种措施。具体的试验设计及各项指标的测定方法见第三章。

3. 风洞模拟的方法。采集试验区的土壤样品，在室内设计不同耕作模式，在风洞内模拟试验各种措施的防风蚀效益。

4. 对比分析的方法。文中应用对比的方法研究土壤风蚀现状，不同耕作模式的生态效益、经济效益和防风效益，最后提出最优耕作模式。

5. 点面结合的方法。本研究以杨桥畔乡田间试验为“点”，整个靖边县北部风沙区为“面”。遵循点面结合的研究方法，系统地研究试验区土地风蚀荒漠化的现状、农田防治措施。为风沙区农田土壤风蚀防治提供一定的技术支持和理论依据。

6. 数学的方法。数学的方法是整个科学技术中最基础的手段，是深刻揭示事物变化程度、事物之间量化比例关系的工具。本研究通过资料收集、野外调查、田间试验及室内分析得到大量的试验数据，采用统计分析、相关分析、回归分析等数学方法得出各因素的变化规律及它们之间的变化关系。最后采用TOPSIS综合分析的方法，选出适合本区的最优耕作模式。

1.3.4 技术路线

本研究所遵循的技术路线见图1-1。