（作物栽培学与耕作学专业论文）冀西北高原不同植被与农田保护耕作的生产与生态效应研究.pdf

摘要 冀西北高原气候条件恶劣，土壤贫瘠，人畜严重超载，致使以土地沙化治理为 中心的退耕还林还草与脱贫致富发展经济为中心的作物生产间的矛盾非常突出，矛 盾的焦点是退耕后植被生态效应与作物生产效应的关系。如何减少扬沙起尘，防止 环境恶化，又不影响农民的收入，提高经济效益。论文针对这一问题研究不同植被 生态和生产效应的基础上，进一步研究农田保护耕作的生态与生产效应，探索冀西 北高原兼顾生态与生产问题的有效途径。 2 0 0 5 年在张家l 市张北实验站，对不同类型土地土壤风蚀进行野外观察与室内 分析，通过田间试验的方法，监测了生物量、土壤水分、土壤风蚀量，研究了林、 草和农田等不同植被利用方式的生物量、土壤水分变化规律、风蚀情况，比较了它 们的生态与生产效益。试验结果表明： 不同植被下的土壤风蚀沉积量，耕翻地最大为2 2 1 m 2 ，自然草地次之为0 3 1 g m 2 ，林地最小为0 2 8 m 2 。观测期内不同植被0 2 0 0 c m 输沙总量，耕翻地最多 为1 3 2 8 0 咖2 ，草地次之为5 3 0 8 m 2 ，林地最低为4 9 4 9 m 2 。以1 i ) ( 1 蚀沉积量和 输沙量为衡量土壤风蚀指标，耕翻地土壤风蚀最严重，区域以防风蚀为目标的生态 建设，应减少农田耕翻地，发展林草地。 不同植被耗水量莜麦地最高为3 0 4 2 3 m m ，苜蓿地及幼林地次之，分别为3 0 3 6 0 m m 和3 0 2 4 9m m ，自然草地最低为2 8 8 4 6m m 。水分盈余，自然草地最多为 2 5 9 4 衄，幼林地和苜蓿地次之，分别为1 1 9 1 m m 和1 0 8 0 m m ，莜麦耕地最低为 1 0 1 7 m m 。 不同植被的生物量莜麦耕地最多为3 1 5 6 7k h m 2 ，苜蓿地和幼树地次之，分 别为2 1 3 5k g h m 2 和5 9 7 3 9 6k h m 2 ，自然草地最少为4 3 1 3k h m 2 。土壤水分利 用效率莜麦地最高为1 0 3 8k 马，( h m 2 - m m ) ；苜蓿地和幼林地次之分别为7 0 1 k ( h m 2 m m ) 和1 9 7k ( h m 2 m m ) ：自然草地最低为1 5 0k ( h m 2 m m ) 。区域内提高 植被生产力和水分利用效率，应以发展农刚耕翻地为主。 不同耕作方式风蚀沉积量，耕翻地为2 2 1 咖2 ，留茬地为1 9 4 m 2 。观测期内 不同耕作方式0 2 0 0 c m 输沙总量，耕翻地最多为1 3 2 8 0 m 2 ，留茬地次之为 1 2 6 2 4 “m 2 。以风蚀沉积量和输沙量为土壤风蚀指标，留茬地风蚀量小于耕翻地， 具有更好的生态效益，区域农田系统生态建设麻减少农罔耕剁，发展留茬耕地。 不吲耕作方式的耗水量，免耕地最多为3 3 2 5 5m m ，松耕地次之为3 0 5 9 7 m m ， 耕翻地最少为3 0 4 2 3m m 。水分衙余耕翻地最多为1 0 1 7 m m ，松耕地次之为8 4 3 m m ， 免耕地最少为一1 8 1 5 m m 。 不同耕作方式生物量和经济j 。量，松耕地最多分别为3 7 2 8 3k g h m 2 和9 5 6 1k h m 2 ，耕翻地次之分别为3 1 5 6 7k h m 2 和9 1 3 8k h m 2 ，免耕地最少分别为2 0 1 0 8 k 卫h m 2 和5 8 3 8k h m 二，小同耕作力j 戈的生物昔水分利用效率，松耕地最高为1 2 1 9 k 2 ( h m = m ) ，耕翻地次之为l o 3 8k ( h m 2r m m ) ，免耕地最低为6 ( ) 4k g ( h m ! m m ) ： 经济产量的水分利用效率，松耕地最高3 1 2k ( h m 2 m m ) ，耕翻地次之为3 0 0 k f h m 2 m m ) ，免耕地最低为1 7 6k ( h m 2 佃m ) 。三种耕作方式中，松耕地生物量水分 利用效率比免耕高1 0 1 8 ，比耕翻高1 7 4 ；经济产量水分利用效率松耕比免耕 高7 7 3 ，比耕翻高4 ，松耕地土壤水分利用效率最高，松耕农田具有较好的生 产生态效应。 本文在研究了不同植被生产与生态效应的基础之上，进一步研究了不同耕作方 式的生产与生态效应，研究认为区域内兼顾生产生态效应的农田保护耕作应以松耕 为主。 关键词：冀西北高原：不同植被；不同耕作方式；风蚀；土壤水分 r e s e a r c ho np r o d u c t i o na n de c o l o g j c a le 髓c to fd i f f e r e n tv e g e t a t i o na n dd i f f e r e n t t i l l a g em e t h o d s i nn o r t h e mp l a t e a uo fh e b e ip m v i n c ec h i n a p o s 蟾r a d u a t e ：h o ud a - s h a n m a j o r ：c r o pc u l t i v a t i o na i l df 缸m i n gs y s t e m s u p e i s o r ：p r o f “uy u - h u a a b s t l a c t a tp r e s e n t ，a st h ep r o b l e mo fs o i lw i n de r o s i o na n dc m p l a dd e s e r i i f i c a t i o n b e c o m e sv e r ys e r i o u si nn o r t h e mp l a t e a uo fh e b e ip m v i n c ec h i n a ，t h es t r o n gs a n d y s t o 肌o c c u r r e d ，o n c ea g a i na r o u s ep e 叩l e sc o n c e r na b o u tt | l ei s s u eo fc o n t r 0 1 l i n gs a d y s t o 珊p e o p l eu n d e r s t a n dt h a ta f ：i o r e s t a t i o n ，p l a n t m gg r a s s e sa n dd e v e l o p i n gc o n s e a t i o n t i l l a g ew e r et h ee e 色c t i v em e a s u r e so nr e d u c i n gw i n de r o s i o n h o wt or e d u c i l l gw i n d e r o s i o na n di m p r o v ef a r m e r s i n c o m ea tt h es a m et i m e ? t h em l eo fc o n s e r v a t i o nt i l l a g e s h o u l db es p e c i a lp a ya t t e n t i o n i nt h ep a p e r ，r e s e a r c ho no c c u r r e n c em e c h a i s ma n dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fw i n d e r o s i o ni na 盯i c u l t u r a li a n d si sr e v i e w e d b a s eo nt h eo b s e r v e ds o i lm o i s t u r e ，c m pa n d m e t e o r o l o 舀c a ld a t ai nn o r t h e mp l a t e a uo fh e b e ip r o v i n c e ，i n2 0 0 5 ，t h ep r i n c i p l e o f w a t e rb a l a n c ew a su s e dt os t u d yw a t e rd e p l e t i o no fn a t u r a lf o r e s t ，g m s s l a n da 1 1 df 锄1 a n d ， w a t e ru s ee f f i c i e n c y ，p r o d u c t i o ne f r e c t sa n de c o l o g i c a le f k c t sw e r ec o m p a r e du n d e r d i f f e r e n tl a l l du s et y p e s t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： i n 舀r d e rl a n d ，w i l l de r o s i o ns e d i i i l e n to ft h ep l o u g hl a n do fn a k e do a t sw a s t h em o s t ， t h eg r a s s l a l l d se r o s i o nw a sf e w e ra i l dt h ew o o d l a n d se r o s i o nw a st h e1 e a s t t h ew i n d e r o s i o ns e d i m e n to ft h ep l o u 曲l a n dw a s2 2 1 m 2 ，t h a to f 伊a s s l a n dw a s0 3 1 m 2 ，血a t o fw o o d l a n dw a so 2 8 m 2 t h es a n dt r a n s p o r t i n gq u a n t i t yo ft h ep l o u g hl a n dw a st h e m o s t ，m e 汀a s s l a n d se r o s i o nw a se w e ra n dt h ew o o d l a n d se r o s i o nw a st h el e a s t t h e s a n dt r a n s p o r t i n g q u a n t i t yo ft h ep l o u g h1 a n dw a s13 2 8 0g m ，t h a to fg r a s s l a n dw a s 5 3 0 8 m 2 ，t h a to fw o o d l a n dw a s4 9 4 9 m 2 t h ew a t e ru s a g eo ft h ep l o u g hl a n do fn a k e do a t sw a sl h em o s t ，a i f a l f aa n dy o u n g t r e e s sw e r ef c w e r ，g r a s s l a n d sw a st h e1 e a s t t h ew a t e ru s a g eo ft h ep l o u 曲l a n do fn a k e d o a t sw a s3 0 4 2 3m m ，t h a to fa j f a l f aa n dy o u n gt r e e sw e r e3 0 3 6 0m ma n d3 0 2 4 9m m ， t h a to fg r a s s l a n dw a s2 8 8 4 6m m t h ew a t e rs u r p l u so ft h eg r a s s l a n dw a st h em o s t ，a 1 士a l t a a n dy o u n gt r e e s sw e r ef e w e lt h ep l o u g hl a n do fn a k e do a t s sw a st h el e a s t t h ew a t e r s u r p l u so ft h e 掣a s s l a n dw a s2 5 9 4 m m ，l h a to fa l f a l f aa n dy o u n g t r c c sw e r e1 1 9 1 m ma n d 1 0 8 0 m m ，l h a to fp l o u 曲l a n do fn a k e do a t sw a s1 0 1 7 m m t h eb i o m a s so ft h ep l o u 曲1 a n do fn a k c do a t sw a si h em o s ii h a tw a s3 1 5 6 7k h m 2 ，a l f a l f aa n dy o u n gt r e e s sw e r ef e w e rt h a tw e r e2 1 3 5k h m 2 a n d5 9 7 _ 3 9 6k h m 2 ， g r a s s l a n d sw a st h el e a s tt h a tw a s4 3 1 3k h m 2 t h e 、矾! o ft h ep l o u g hl a n do fn a k e d o a t sw a st h em o s tt h a tw a s1 1 1k ( 1 l m 。m m ) ，a l f a l f aa 1 1 dy o u n gt r e e s sw e r ef e w e rt h a t w e r e7 0 1k ( h m m m ) a n d 3 9 4k 烈h m 2 m m ) ，g r a s s l 卸d sw a sf h el e a s tt h a tw a s1 5 0 k g ( h m 2 m m ) t h ew i n de r o s i o ns e d i m e n to ft h ep i o u g h1 a n do fn a k e do a t sw a s2 2 1g ，m 。，t h e s t u b b l el a i l do fn a k e do a t s sw a s1 9 4 m 2 t h es a n dt r a l l s p o n i n gq u a n t i t yo f t h ep l o u 曲 l a n do f a l 【e do a t sw a s1 3 2 7 8g m 2 ，t h es t u b b l el a n do fn a k e do a t s sw a s1 2 6 2 4 m 2 t n 0 2 0 0 c m ，t h es a n dt r a n s p o n i n gq u a n t i t yo ft h ep l o u 曲l a n do fn a k e do a t sw a sm o s et h a n t h a to ft h es n 】b b l el a 玎do fn a k e do a t s t h ew a t e ru s a g eo fn o - t m a g el 趼dw a st h em o s tt h a tw a s3 3 2 5 5 m m ，t h el o o s e n i n g l a n d sw a sf e w e rt h a tw a s3 0 5 9 7 m m ，t h ep l o u 曲l a n d sw a st h el e a s tt h a tw a s3 0 4 2 3 m m i nd i f f e r e n tf a 彻j n gw a y - t h ew a t e rs u r p l u so ft h ep l o u 曲1 a n dw a st 1 1 em o s t 州c hw a s 1 0 1 7 m m ，t h el o o s e n i n gl a l l d sw a sf e w e rt h a tw a s8 4 3 m m ，t h en o t i l l a g el a n d sw a st h e l e a s tt h a tw a s 一1 8 1 5 m m i i ld i f ! f e r e n tf a r m i gw a y ，t h eb i o m a s sa n de c o n o m i cy i e l do fl o o s n i n gl a n dw a s m o s tm a tw e r e3 7 2 8 3k h m 2a n d9 5 6 1k h m 2 ，t h ep l o u g h1 a 1 1 d sw a sf c w e rt h a tw e r e 3 1 5 6 7k h m a n d9 1 3 8k h m 2 ，t h en o t i l l a g el a n d sw a st h el e s tt h a tw e r e2 0 1 0 8k h m 2a d5 8 3 8k h m 2 t h eb i o m a s sw u eo fl o o s n i n gl a n d sw a sm o s tt h a tw a s1 2 1 9 k g ( h m m m ) ，t h ep l o u g hl a n d sw a sf 色w e rt h a tw a s1 0 3 8k r h m 。m m ) ，t h en o t 订j a g e l a n d sw a st h el e s tt h a tw a s6 0 4k ( h m m m ) 1 1 h ee c o n o m i cw u e o f l o o s n i n gl a n d s w a sm o s tt h a tw a s3 1 2k 酬h m 2 m m ) ，t h ep l o u g hl a n d sw a sf e w e rt h a tw a s3 0 0 k 酬h m m m ) ，t h en o t i l l a g e1 a n d sw a st l el e s tt l l a tw a s1 7 6k ( 1 1 m 2 。m m ) i no r d e rt o d e v e l o py i e l da n dw u e ，l o o s n i n gl a n dw a st h eb e s tf a r i n i l l gw a y 伽p i d n h e mp l a t e a uo f h e b e id m v i n c ec h i n a k e yw o r d ： n o n h e r np l a t e a uo fh e b e ip r o v i n c e ，d i f f e r e n tv e g e t a t i o n ，c o n s e n r a t i o n m l a g e ，、v i n de r o s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑a 垦盛些盘堂或其他教育机构 的学位或证书面使用过的材料。与我一同1 一作的同志财本研究所做的任何贡献均已 在论文中作r 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：族天山 签字日期：础月目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑! ! 盛些盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权蔓i 垦盔些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制于段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：後天山 导师签名 匆7 互够 签宁日期：肋舞，月r |签宁同期：1 州年月弦| 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 冀西北高原不同植被与农田保护耕作的生产与生态效应研究 1 引言 随着我国经济的迅猛发展，乱垦乱伐现象日甚，致使以风沙活动为主导的土壤 侵蚀日益加重。我国北方地区近5 0 年来的土地沙漠化面积不断扩大，己达近3 5 万 k m 2 ，其蔓延的速率呈加快趋势、引。土壤风蚀是干旱、半干旱地区土地沙漠化与 沙尘暴灾害的首要原因，也是世界上许多国家和地区的主要环境问题之一。我国受 土壤风蚀及土地沙漠化影响的面积占国土总面积的1 2 以上”。，主要分布于北方， 尤以早作农田为甚。 冀西北高原气候条件恶劣，土壤贫瘠，人畜严重超载，致使以土地沙化治理为 中心的退耕还林还草与脱贫致富发展经济为中心的作物生产间的矛盾非常突出，矛 盾的焦点是退耕后植被系统生态效应与其生产效应的关系。本文在研究不同植被生 态和生产效应的基础上，进一步研究农田保护耕作的生态与生产效应，探索冀西北 高原兼顾生念与生产增益的有效途径。 1 1 不同植被生态效应研究概况 不同植被的生态效应研究包含很多内容，本文在分析比较不同植被生产力的基 础上，主要从土壤风蚀和土壤水分两个方面探讨不同植被的生态效应。 1 1 1 国内外植被与土壤风蚀关系研究概况 土壤风蚀是一个全球性的环境问题，严重的土壤风蚀不仅危害本地，造成地表 细粒物质和土壤养分、有机质的大量流失，土地生产力下降，影响农作物的正常生 长，而且殃及下风地区，产生大范围的粉尘污染和其他的风沙问题，影响人类身体 健康，并对交通、通讯和水利等设施构成危害。全球极易发生土壤风蚀的地区包括 非洲、中东、中亚、东南亚部分地区、两伯利亚平原、澳大利亚、南美洲南部及北 美洲的内陆地区，甚至在极地地区的格陵兰岛南部，自中世纪以来也遭受了较为严 重的土壤风蚀1 1 l 1 2 1 。 上壤风蚀更是我国干旱、半干旱地区七地退化或荒漠化的士要过程之一，其发 生区域广泛，分布范围己占国土而积的1 2 以卜。3 。，严重影响这些地区的资源开发 和社会经济持续稳定发展。目前，我国整个北方地区都存在着不同程度的十壤风蚀 问题，由此产生的风沙活动己危及首都北京，亟待解决。 1 1 1 1 国外植被与土壤风蚀关系研究概况 风蚀研究伴随着风沙现象的相火研究领域( 风沙物理、风沙地貌、风沙过程和 风沙沉积物等) 和土壤侵蚀研究而发展起来的。科学的风蚀概念以“侵蚀”为基础， 形成于十九世纪术期，根据国外j 砜蚀研究的发展历史及其成果，风蚀研究经历了 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 三个阶段【1 41 5 “】。 二十世纪三十年代前为风蚀研究的起始阶段。十九世纪末期，风蚀晟初被认为 是一种不太重要的地质过程，风蚀现象的研究主要局限于地质学领域，从而首次将 朴素的风蚀知识提到科学的高度上，而研究方法以考察和描述为主。如e h r e n b e 职 ( 1 8 4 7 ) 记述了由非洲吹向欧洲的粉尘沉积物【1 4 j ；b l a c k ( 1 8 5 5 ) 首次认识到荒漠 地区风蚀地貌的普遍发育【1 7 】；r i c h t h o f e n ( 1 8 8 2 ) 认为中国北方广泛分布的黄土沉 积物主要是由风蚀所致【1 8 】；u d d e n ( 1 8 8 4 ，1 8 9 6 ) 首次对风蚀和粉尘的沉积学问题进 行了详细的野外观测和实验研究【1 9 l 。二十世纪初期，美国西部的风蚀问题引起了科 学界的极大关注。在f r e e ( 1 9 1 1 ) 所作的文献综述中，有关风蚀的早期文献己达2 4 5 7 篇啪1 ；当时的土壤保护学家已经开始认识到，通过增加土壤凝聚力( 增加土壤湿 度、有机质含量或改良土壤结构) 和保护地表( 增加作物残留物、防风带) 可以降 低土壤j x l 蚀“。 二十世纪三十年代至六十年代发展阶段，风蚀研究出现突破性的进展，实现了 从定性描述到定量研究的飞跃。由于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，使土壤风蚀研究得到前所未有的重视，系统的风蚀研究应运而生。 b a g n o l d ( 1 9 4 1 ) 通过野外调查和风洞试验i ”，确定了引起沙粒移动的力学机制， 并指出沙粒的运动主要是发生在离地表1 m 左右的高度范围内，而大气旋流在保持 沙粒向上的运动中只起很小的作用。他对稳定地表和被侵蚀表面上空的风速剖面、 沙粒移动的起动风力、沙粒的跃迁蠕动、风沙流量顺风发展与饱和现象以及地表沉 积特性等问题进行了全面的研究，创造地应用和发展了冯卡门( v o nk 丑m a n ) 、普 朗特( p r a n t l ) 及谢尔德( s h i e l d ) 的现代流体力学理论，建立了“风沙物理学”理论 体系。b a 印o l d 的代表著作风沙和荒漠沙丘物理学总结了他多年的工作成果， 详细地论述了风蚀物理机制，成为影响半个世纪以来风沙有关研究领域的理论基 础，标志着土壤风蚀科学研究的开始。在同一时期还有许多研究者，如z i n g g 也利 用风洞或在现场从事了大量的研究。g h e p i l 和z i n g g 等人的研究成果为形成早期的 风蚀方程( w e q ) 奠定了基础。1 9 6 5 年w b o d r u f f 和s i d d o w a v 正式的提出了风蚀方 程( w e q ) i z ，标志着系统的土壤风蚀理论体系已初步形成。由于当时科学发展 水平及研究条件的限制，研究的定量化水平尚需进一步提高，风蚀因予涉及的内容， 如人类活动对风蚀的影响等，有待于进一步拓宽。与此同时，除美国外，加拿大、 前苏联以及澳大利亚等遭受严重j x l 蚀的国家针对其具体的风蚀问题与特点，相继开 始了土壤风蚀研究。二十世纪三十年代至六十年代中期是土壤风蚀研究的大发展阶 段。 二十世纪人十年代中期至今是土壤风蚀研究的完善阶段。二十世纪六十年代的 计量革命及计算机技术在科学中的应用，使风蚀研究向定量模拟方向发展。众多学 者利用现代的观测仪器和试验设备，全面的检验、完善和重建各种风蚀模型，使其 有更广泛的应用价值。七十年代初期袭击非洲撒哈拉地区及部分亚洲地区的持续丁 早，激发了全球对沙漠化问题的极人关注，而风蚀作为沙漠化过程的首要环节，在 沙漠化动力机制方而得以充分的研究，而且区域性的风蚀研究走向国际化，自1 9 7 7 2 冀西北高原不同植被与农田保护耕作的生产与生态效应研究 年以来，国际性的与风沙扬尘、土壤风蚀和沙漠化有关的学术活动明显增加，其中 重要的国际会议多有1 9 8 5 年丹麦a a r h u s “风沙物理学会议”、1 9 9 0 年丹麦s a n d b i e r 为了纪念b a g i l 0 1 d 和o w e n 的国际会议“风蚀机制与侵蚀环境”，1 9 9 8 年英国牛津“第 四届国际风沙研究会议”等等。上述国际会议集中讨论了沙漠化、沙粒运动、土壤 风蚀、风沙沉积物、风蚀防治、风沙过程与全球变化及新技术应用等课题，反映了 土壤风蚀研究的最新动态和发展趋势。八十年代以来，人们又开始致力于发展综合 性的、基于物理过程的风蚀模型口“1 5 1 。 由上述国际上风蚀研究现状可见，国际上土壤风蚀研究已经经历了定性描述、 动力学试验分析和定量模型阶段，在土壤风蚀机理、危害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。 目前，风蚀科学的研究体系已初步形成，研究内容包括风蚀动力学、风蚀因子、 风蚀模型、风蚀防治、风蚀环境效应、风蚀评价及研究方法论等。其中，风蚀流失 量模型是这一科学体系中的核心，它应用科学的研究方法，以风蚀动力学及风蚀因 子研究为基础，用定量模型表达风蚀过程，并作为风蚀防止与评价的依据，因而代 表风蚀科学的研究水平”o ，。 1 1 1 2 国内植被与土壤风蚀关系研究概况 我国学者注意到风蚀现象及其危害由来已久，可以追溯到公元前1 1 5 0 年，但 专门的风蚀研究起步较晚”、5 。二十世纪三十至四十年代，曾以宏观调查和定性分 析为主进行了一些风蚀研究工作，提出营造防护林带、轮作、种草等措施以防治风 蚀的建议。 二十世纪五十至六十年代，我国学者开始对风蚀、风沙活动的自然条件、风蚀 地形发育以及风沙运动规律丌展了系统的研究。研究仍以宏观调查和定性分析为 主，但手段上己开始应用航片分析、定位观测、风洞实验等比较先进的方法。从而 获得了较以前系统的科学资料，研究内容和涉及的空问也都人大地扩展了。通过研 究，从宏观上基本搞清了我国风蚀沙害的空间分布、危害方式及其区域差异，对引 起土壤风蚀的自然与人为因素方面的认识也较以自订深刻。己经从风的吹蚀与土壤水 分蒸发、干裂等理化过程l 分析风蚀机制，风蚀分类也较以前更为细致。直到1 9 7 7 年联合国内罗毕沙漠化会议之后，土壤风蚀作为沙漠化的首要环节而得到前所未有 的重视，广泛地应用遥感手段、实地调查、定位观测、室内实验模拟等现代技术方 法，开展了大量的试验研究工作，从定性描述走向定量分析“。 总的来说，我国对风蚀缺乏系统的研究。有灭风蚀的论述散见于沙漠学( 以朱 震达和犬正为代表) 、水土保持( 以中国科学西北水上保持研究所为代表) 和林学 ( 以北京林业大学及内蒙古林学院为代表) 研究中”】。1 9 8 7 年，董光荣等住我国 率先丌展了影响风蚀若干因素的试验研究，成为了我国风蚀研究的里程碑，尤其是 他们关于土地翻耕、牲音践踏对土壤风蚀的影响提d i 了试验研究人类经济活动刘 土壤风蚀影响的新思路，带动了我困风蚀研究的深入发展。其后专门的风蚀研究相 河北农业大学硕+ 学位( 毕业) 论文 继兴起，如刘玉璋等学者利用风洞模拟土壤结构、土壤水分、植被条件、耕作与放 牧等因子对土壤风蚀的影响等，揭示出各种因素对风蚀过程的影响，尤其是人为因 素对风蚀的加剧作用，并提出了不同地区的风蚀防治措施l z “”j 。哈斯等在河北冀西 北高原研究了耕作方式以及不可蚀性颗粒对土壤风蚀的影响，并对土壤风蚀物的理 化性质进行了初步分析和研究f 2 8 2 瓢3 0 1 。董治宝等人研究了风成沙粒度特征对风蚀 可蚀性的影响、植被层特征对地表粗糙度的影响以及风蚀强度与植被盖度的关系， 并由此提出一些防治土壤风蚀的建议 3 l3 2 】。黄富祥等人研究了毛乌素沙地植被覆盖 率与风蚀输沙之间的关系，并完全依赖野外观测数据，建立了纯经验型回归模型以 及在实测数据的基础上，结合风沙动力学中的经典输沙率公式建立了半经验型模型 【3 3 j 。 由于我国的土壤风蚀研究起步较晚，与国际研究水平尚相距甚远，而研究现状 与我国风蚀问题的广泛存在不相适应。并且和国际上综合治理沙尘暴的经验相比， 过去我国在治理的思路和手段上还存在欠缺，重要的一点是人们没有充分认识到沙 尘暴的尘源大部分来自农闲。 1 1 1 3 冀西北高原植被与土壤风蚀关系研究概况 目前，冀西北高原土壤风蚀严重，沙尘暴困扰京津，且日趋恶化。风蚀的后果 多为作物露种、埋苗、掀根，严重的风蚀能导致数次毁苗，重播仍得不到全苗，由 于干旱缺水少肥及表土侵蚀，土壤的养分含量低，腐殖质积累少，肥力低下，作物 产量低而不稳，严重的会造成耕地沙化，良田被毁。以现有人类科技水平，控制强 风在广阔原野上肆虐还不可能，但可以控制形成沙尘暴的沙尘源。控制土地起沙尘 的途径很多，如植树种草，增加地表覆被，向裸露的地面喷洒化学固定物质、人工 设置防风固沙障，农田保护性耕作( 如免耕、少耕等) 。但是土地风蚀防治要从植 树、种草、农田保护三个方面综合进行，缺一不可。国内外研究和实践表明，除了 刮风、降雨、气温等自然条件外，农业上实行保护性耕作是人类可以用来治理和控 制土壤风蚀的一个重要方面”。1 ，针对冀西北高原土壤风蚀现状，本文将研究不同 植被和保护耕作农田的风蚀情况，探讨此地区保护土壤减小风蚀的对策。 1 1 2 国内外植被与土壤水分关系研究概况 土壤水分是半干旱地区植被生产生态效应研究的重要内容，土壤含水量与农田 生产力和土壤j x l 蚀有重要的关系。冀西北高原属于半干旱地区，位于京津的e 风上 水地区，区域内土地退化、扬沙起尘，对京津乃至整个华北地区生态环境恶化产生 重要影响。土壤水分在农业生产与生态建设中占有举足轻重的地位，了解土壤水分 状况，掌握土壤水分动态变化，对提高土壤水分的利用效率，改善于旱地区的生态 环境有着极为重要的意义。 冀凹北高原不同植被与农田保护耕作的生产与生态效应研究 1 1 2 1 国外植被与土壤水分关系研究概况 近代土壤水分研究，国外学者起步较早，对土壤水分理论研究做出了巨大贡献。 1 8 7 7 年布利格斯提出了毛管假说，后来的学者主要依据这一假说对土壤水分进行了 分类口钔。1 9 0 7 年白金汉首次提出了毛管势概念，并将其应用于土壤水的研究，开 辟了利用量观点进行土壤水运动研究的新途径1 。1 9 2 0 年加德纳发展了白金汉的 原始概念，认识到水势决定了含水量的高低，这就将土壤水含量和土壤水能量联系 了起来。理查兹从测定技术方面发展了加德纳的概念，首次用张力计测定土壤水能 量，并于1 9 3 1 年将达西定律发展到研究非饱和流的问题，导出了非饱和方程。相 应的研究结果表明，当水分与溶质运移相结合时，可以导出溶质运移基本方程的表 达式。当水分运动的研究扩展为水热运移的研究时，出现了土壤水热耦合迁移的各 种基本方程的表达式，这些研究成果使土壤水的研究发生了深刻变化，使土壤水的 研究逐步由定性描述走向定量分析、定性与定量相结合的发展阶段。在国际潮流中 用能态观点研究土壤水的方法，也逐步地取代了形态学的观点与方法一3 “。 1 1 2 2 国内植被与土壤水分关系研究概况 我国自2 0 世纪5 0 年代以来，土壤水探讨主要围绕着农业发展对作物或产量探 讨，对干旱半干旱地区保护性耕作农田土壤水分研究很多。吴进贤对半干旱地区农 田土壤水分动态变化规律的研究表明，夏秋雨季f 7 月至9 月1 是农田土壤迅速增墒 期，秋冬( 1 0 月至1 1 月) 为农田土壤缓慢减墒期，冬季( 1 2 月至下年3 月) 为农田土 壤稳墒期，而春夏( 4 月至6 月) 既是农田土壤严重减墒期，也是作物水分供应矛盾 突出时期“。刘长民对无灌溉条件下，降水和气候蒸散引起的农田含水量变化的 研究发现，无论在灌溉还是非灌溉条件下，o 1 0 0 啪土攘有效水分含量与同期根 层土攘有效水分含量密切相关。同一气候背景下，矮草地、灌溉田和旱田的土攘水 分有效含量具有一致的变化曲线。并由此可推断出0 1 0 0c r n 和0 2 0 0c m 农阳土 攘有效水分含量的关系式、”。程东娟等发现相同种植条件，不同层次土壤水分特 征曲线差异明显，不同层次中相同吸力下菜地种植条件土壤含水量最大，导水能力 最强，但因种植条件不同，其规律表现不同。草地种植条件下心土层土壤供水能力 好于耕作层和犁底层，而长期种植蔬菜条件下和k 期小麦玉米轮作种植条件下的耕 作层土壤的供水能力好于犁底层和心土层”。王晓燕在阡l 划试验和现有径流模型 的基础上，建立了适用于保护性耕作的地表径流和土壤水分平衡模型”1 。蔺海明 等研究结果表明采用少免耕作对半干旱地区的上壤水分有强烈影响，对促进旱地农 业发展及提高旱地水分利用率具有积极的作用，少免耕法有较好的保墒功能，在作 物生长季节可明显增力土壤耗水量，提高农田水分的有效利用；与传统耕法比较， 夏闲免耕地膜覆盖在o 1 0 0c m 土层可多贮水3 7 2 4m m ，作物生长季节多耗水分 4 0 7 m m ，水分利用率提高3 7 2 ；夏闲免耕秸秆分别多1 7 4 9 m m ，2 3 3 m m 和2 3 3 ；m 耕种比少耕的分别多1 1 1 2m m ，2 8 om m 和2 7 “。郭清毅对黄土高原陇 河北农k 人学硕士学何( 毕业) 论文 中丘陵半干旱地区旱地春小麦一豌豆双序列轮作农m 土壤水分及利用效率研究显 示，保护性耕作能明显增加o 2 0 0 锄土层土壤水分含量”“。 随着我国环境问题的突出，干旱、半干旱地区不同植被下的土壤水分研究受到 学者更多重视。王海珍在盆栽条件下研究了不同土壤水分条件下黄土高原2 个乡土 树种辽东栎和大叶栎的水分状况。结果表明，随干旱胁迫度加剧，2 种树叶水势均 下降，胁迫时间延长水势有回升趋势，显示出树种自身的调节能力，大叶细裂栎调 节水势的能力强于辽东栎。在不同水分处理下2 树种蒸腾日进程差异明显。不同天 气状况对树种蒸腾及耗水曰变化的影响亦不相同。辽东栎属低蒸腾速率高耗水树 种，由于其蒸腾而积大，叶保水力低，只适于生长在水分较充足的地区：而大叶细 裂栎属低耗水的树种，土壤水分条件较差时生长基木良好，可见其适应性强于辽东 栎”。李银芳对沙枣树的出胶进行了不同壤水环境条件下的比较，结果表明，湿 润林带的出胶率低，但出胶量高，干旱林带则相反，是出胶率高而出胶量低，沙枣树 的出胶应该是自身生理活性作用和受害反应的结果，同时还发现沙枣树的出胶率和 出胶量都随气温的增加而明显增加“。马海艳以额济纳地区为研究对象，通过在6 1 0 月问，对四种荒漠植被类型：胡杨林地，人工梭梭林，苜蓿地及戈壁观测点，布 置管式时域反射仪仃d 硇水分测定仪进行定点、定位观测，研究了上游放水前后同 一观测点不同深度及不同土地利用条件下土壤水分的时空分布和动态变化状况。分 析表明：潜水蒸发对土壤水的补给作用越强，剖面水分条件越好；受土壤特性影响， 垂自剖面含水量自下而上不是严格递减的，对外界环境条件变化所做出的反应也不 同，其中戈壁及人工梭梭林地土壤水分在垂直剖面上影响较均匀：胡杨林地和苜蓿 地各剖面土壤水分差异较大3 。熊伟2 0 0 1 年7 1 0 月，在宁夏固原具，研究不同 植被对当地土壤水分动态变化及其蒸发过程的影响，4 种不同植被覆盖下土壤水分 蒸发做了对比研究，在观测期内，不同条件下土壤水分蒸发的强弱依次表现为，弃 耕地 华北落叶松林地 铁杆蒿+ 长芒草地 中国沙棘林地。各种条件下，土壤水分蒸 发在生长季的鼎盛时期( 7 8 月) 要显著高于生长季后期( 9 1 0 月) ，土壤水分蒸发的 昼夜分段测定表明，在观测期内，土壤水分的蒸发在夜间出现了“负平衡”，尤其进 入9 1 0 月以后，这一现象更为突出说明夜间凝结水数量大于相应的蒸发量”“。 11 2 3 冀西北高原植被与土壤水分关系研究概况 由于冀西北高原所处的特殊地理位置，很多学者就冀西北高原土壤水分进行过 研究，文宏达针对冀西北高原旱作农出水肥耦合机理的研究表明水分和肥料对作物的 生长是相互制约着的，并日冰分状况影响肥料有效性h ”，张立峰等就冀西北高原农田 作物耗水特性与倒茬进行的研究表明作物间生长季节农田耗水差异不大，而不同作物 在茬口间水分利用效率差异显著【4 ，龚学臣就冀西北高原农i = 甘土壤水分动态变化的研 究得出的土壤水分季节变化规律为4 个阶段，缓慢失墒期、耗墒期、恢复期、相对稳 定期；垂直性变化规律为o 5c m 为速变层，5 1 0 0c m 为活跃层，1 0 0c m 以下为相 对稳定层“，下殿武等就冀西北高原农阳土壤水分动态与作物q i 产力的关系进行的 冀西北高原不同植被与农田保护耕作的生产与生态效应研究 针对性研究表明当地栗钙土坡梁地旱、薄是作物生产障碍，充分利用降水资源，采用 保护性耕作措施可提高莜麦产量1 8 4 2 3 4 巧叫。前人对冀西北高原土壤水分的研 究主要集中农田土壤，而对不同植被土壤水分动态变化研究还较少，针对前人研究的 现状，本文对冀西北高原不同植被下的土壤水分变化规律进行比较研究。 1 2 国内外农田保护耕作生产生态效应研究概况 1 2 1 国外农田保护耕作生产生态效应研究概况 保护性农业技术发展经历了保持性耕作、保护性耕种和保护性农业等阶段暗、5 ”。 从二十世纪3 0 年代至今，世界各国都在积极探索旱地农业生产的先进技术和有效 模式，寻求改善生态环境和提高土地生产力相结合，兼使两者同时受益的关键技术。 5 0 7 0 年代，许多研究证实了各种类型的保持耕作对减少土壤侵蚀方面有显著效 果，尤其当地表留有作物残茬时，保持耕作改善了表层土壤结构和土壤的水分状况。 然而，也出现不少作物严重减产的例子b3 。二十世纪7 0 年代，由于出现了除草剂 效果差、苗床不平整、产量不高、播种机作业不理想等问题，使得保护性耕作技术 实施受阻，推广速度放慢。二十世纪7 0 年代末8 0 年代，科学技术的进步克服了 那些障碍，保护性耕作技术的应用有了空前的发展。1 9 9 5 年美国免耕与少耕面积之 和已大于总耕地面积6 0 。澳大利亚、前苏联等国也先后展开了各种保水、保土的 耕作法的研究。二十世纪5 0 年代开始，前苏联试验了马尔采夫无壁犁耕作法，之 后结合马尔采夫耕作法和加拿大的抗旱免耕耕作法，配合施用除草剂，形成一套适 合旱地的蓄水保墒保土耕作，地表保留8 0 左右根茬及植物残体，既稳固土壤，减 轻风蚀水蚀，又能截留雨雪，同时减少蒸发。澳大利亚的干早地区占国土面积的8 1 左右，是典型的旱农国家。澳大利亚试验结果表明，与裸罐休闲地相比，有残茬 或作物覆盖的农田地表径流量可减少到4 0 左右，最大排水速度降低7 0 8 0 ， 土壤受冲刷程度降至无残茬覆盖农田的1 0 ；地表残茬覆盖可以增产1 0 以上， 在冬季残茬还能减弱地表风速，截留雨雪。免耕可以减少投入，_ u j 最大限度地保持 士壤团粒结构，减少土壤侵蚀，改善生态与环境【5 。“。 因为保护性耕作法能达到保水