（环境科学专业论文）天津市保护性耕作技术研究及其效益评价.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h es o i lw i n de r o s i o nd u s tw a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts o u r c e sf o ra m b i e n t p m l0 ，a n dt h es e r i o u ss o i le r o s i o na g g r a v a t e dt h ea t m o s p h e r i cp a r t i c u l a t e sp o l l u t i o n i nt h ec i t y t h e r e f o r e ，i ti sb a d l yn e e dt os e l e c tt h ee f f e c t i v et e c h n i c a lm e a s u r e st o c o n t r o ls o i lw i n de r o s i o n t h i sa r t i c l es t u d i e dt h er e s i s t a n c et ow i n de r o s i o no f c o n v e n t i o n a lf a r m i n ga n dc o n s e r v a t i o nf a r m i n gl a n db yam o v a b l ew i n de r o s i o n t u n n e l t a k eac o n t r a s ts t u d yo nt h es o i ls u r f a c ew i n da n di t sd i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n t f a r m i n gl a n da tt h ed i f f e r e n tw i n ds p e e d s m o r e o v e r , ac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n i n d e x s y s t e m o fc o n s e r v a t i o n t i l l a g e sc o m p r e h e n s i v eb e n e f i tw a sp r i m a r i l y e s t a b l i s h e d ，a n da p p l i e dt oe v a l u a t et h eb e n e f i to ft h em a i nc o n s e r v a t i o nt i l l a g em o d e s i nt i 咖i n t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r ea sf o l l o w s ： 1 u n d e rv a r i o u sw i n ds p e e d s ，t h ew i n de r o s i o ns e d i m e n to fc o n v e n t i o n a l f a n n i n gf i e l dc h i e f l yc o n c e n t r a t e di nt h ea i rl a y e rc l o s et og r o u n ds u r f a c e ，a n dw h e n t h eh e i g h tb e i n gh e i g h t e n e d ，t h ew e i 【g h to fs a n dw i l ld e c r e a s eb yp o w e rf u n c t i o n ；t h e m a s so fw i n de r o s i o ns e d i m e n to fc o n s e r v a t i o nf a n n i n gl a n di ss m a l l e rt h a nt h a to f c o n v e n t i o n a lf a n n i n g ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no fw i n de r o s i o ns e d i m e n ta l o n gv e r t i c a l h e i g h td i s p l a y sa no b v i o u sr a n d o m n e s s 2 w h e nt h eh e i g h to fe r e c ts t u b b l ea n dr e s i d u ec o v e r a g ew e r ef i x e d ，t h ew i n d e r o s i o ni n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fw i n ds p e e di na c c o r d a n c ew i t hi n d e xl a w t h e w e i g h to fw i n de r o s i o n w i l ld e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fe r e c ts t u b b l eh e i g h t a c c o r d i n gt op o w e rf u n c t i o n ，a n dw i l ld e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fr e s i d u ec o v e r a g e a c c o r d i n gt op o w e rf u n c t i o nu n d e rv a r i o u sw i n ds p e e d s 3 r e t a i n i n ge r e c ts t u b b l ea n dk e e p i n gr e s i d u ec o v e r a g ec a nr e d u c ew i n de r o s i o n c l o s et of i e l ds u r f a c e t h eh i g h e rt h ee r e c ts t u b b l e ，t h eg r e a t e rt h er e s i d u ec o v e r a g e ， t h eg r e a t e rt h er e d u c t i o no fw i n de r o s i o n w h i l ek e e p i n gt h eh e i g h to fe r e c ts t u b b l ea t 3 0c ma n dr e s i d u ec o v e r a g ea t2 6 ，t h ef u r t h e ri n c r e a s eo fr e s i d u ec o v e r a g ea n de r e c t s t u b b l ew o u l d n tr e d u c et h ew i n de r o s i o nl e v e l t h e r e f o r e ，i t ss u g g e s t e dt h a tt h e i i a b s t r a c t h e i g h to fe r e c ts t u b b l es h o u l dn o tb es h o r t e rt h a n3 0c ma n dt h er e s i d u ec o v e r a g en o t l o w e rt h a n2 6 w h e ni m p r o v et h ec o n s e r v a t i o nf a r m i n gt e c h n i q u ei nt i a n j i n 4 c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns y s t e mo fc o n s e r v a t i o nt i l l a g e sc o m p r e h e n s i v e b e n e f i th a sb e e n p r i m a r i l ye s t a b l i s h e di n c l u d i n gt w e l v ee v a l u a t i o ni n d e x e s t h e w e i g h to fi n d e xw a sa c c o u n t e db yu s i n ga n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sa n da v e r a g e v a r i a n c e t e c h n i q u e ，a n d t h em e m b e r s h i p g r a d eo fi n d e xw a sd e c i d e dt h o u g h m e m b e r s h i p f u n c t i o n ，f i n a l l yt h ec o m p r e h e n s i v es c o r e so fd i f f e r e n tf a r m i n gm o d e l w a sw o r k e do u tt h r o u g ht h ew e i g h t i n gm e t h o d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h e c o n s e r v a t i o nt i l l a g ec a ng a i nm o r eb e n e f i tt h a nt h ec o n v e n t i o n a lf a r m i n gm o d e ，a n d n o - t i l l a g es t a l kc o v e r ( n t s ) m o d ei sm o r es u i t a b l ef o ra p p l i c a t i o ni nt i a n j i n k e yw o r d s ：m o v a b l ew i n de r o s i o nt u n n e l ；t h eh e i g h to fe r e c ts t u b b l e ；r e s i d u e c o v e r a g e ；c o n s e r v a t i o nt i l l a g e ；e f f e c te v a l u a t i o n i i i 第一章引言 第一章引言 第一节研究背景和选题的意义 随着我国社会经济的持续快速发展，城市化进程不断加快，大气环境中颗 粒物污染问题也日益突出。目前我国对大气颗粒物污染的监测指标主要有p m l o 和t s p 两种。p m l o 对环境及人体健康均有较大的危害，主要表现【1 3 】：降低空气 能见度，影响人们的生产和生活；吸入人体后沉积在呼吸道和肺部，甚至穿过 肺泡进入血液中，引起心、肺功能障碍疾病；易于吸附对人体健康有害的重金 属和有机物，降低人体免疫力，具有致癌、致突变、致残作用；堵塞叶片的气 孔，抑制叶片的呼吸，妨碍植物进行光合作用，抑制植物生长；落在物体表面， 弄脏或腐蚀物体，造成资源损失。 我国2 0 1 0 年地级及以上城市p m l o 年均浓度达到或优于二级标准的城市占 8 5 0 ，劣于三级标准的占1 2 ( 2 0 1 0 年中国环境状况公报) 。尽管已经对各种 类型的工业点源开展了广泛的治理，颗粒物污染严重的态势却依然存在。研究 表明【4 刊裸土风蚀尘已经成为大气颗粒物的主要组分之一。国内的许多文献研究 表明：城市空气的p m l o 浓度受其上风向的沙尘浓度的影响较大 7 9 】。多个城市的 大气源解析结果均表明土壤风蚀尘对于城市颗粒物贡献显著，是构成颗粒物复 合污染的重要源类。天津市2 0 0 2 年大气颗粒物来源解析结果表明，土壤风蚀尘 的分担率全年平均达到2 7 ，居各排放源之首。土壤风蚀尘对城市空气颗粒物 p m l o 的贡献率通常在2 0 6 0 之间，可见地表风蚀尘是造成城市空气颗粒物污 染超标的主要因素之一。因此，想要有效控制大气颗粒物的浓度也必须要控制 好裸露地面的风蚀尘这一源头。 环渤海地区城市空气中颗粒物水平相对较高，这与由暴露地表造成的整体 环境背景颗粒物水平较高有直接关系。因此，要进一步降低颗粒物质量浓度， 必须有效降低作为背景颗粒物重要来源的地表风蚀型开放源。采用防治土壤风 蚀技术( 保护性耕作、抑尘剂以及在农田周边架设防风网等) 可以控制风蚀尘 源，改善城市周边生态环境质量；抑制地表风蚀尘，可以减少城市环境空气中 的颗粒物，降低因颗粒物影响造成的城市居民人体健康危害及由此而给人体健 第一章引言 康所带来的费用消耗；还可以提升城市空气质量，改善城市形象，提升城市竞 争力，改善我国城市的国际形象。可见，研究天津城区外季节性裸露农田的风 蚀起尘控制技术具有重要的理论意义和现实指导意义。 目前在我国北方应用范围较为广泛的防治土壤风蚀起尘的技术主要是保护 性耕作技术。因此，本文以天津市大港区苏家园棉花、玉米作物残茬地表为研 究对象，以治理农田土壤风蚀、进一步降低颗粒物质量浓度为目标，利用移动 式风蚀风洞对不同地表土壤抗风蚀能力进行测试研究，定量分析秸秆残茬高度、 覆盖度、风速对农田土壤风蚀的影响作用，通过对不同地表土壤抗风蚀能力进 行对比分析，提出保护性耕作作为防治土壤风蚀措施时的适宜秸秆茬高和覆盖 度，为当地实施保护性耕作技术提供理论指导。 另外，虽然目前对保护性耕作技术的研究的内容涵盖了作物产量、投入成 本、土壤理化性状、水分利用等各个方面，但是仍缺乏对保护性耕作技术在经 济、环境、社会方面的综合效益的研究，如何对保护性耕作效益进行综合分析 和客观评价是亟待解决的一个问题。目前尚未有一套完善的保护性耕作效益评 价体系，因此需要加强对该方面的研究与探讨，对选择适宜天津地区推广的保 护性耕作模式具有重要的理论指导意义。本文通过调查分析影响保护性耕作技 术经济效益、生态效益、社会效益方面的因素，筛选并确定了评价体系的指标， 构建了一个多层次多指标的综合效益评价指标体系。通过开展天津地区常见保 护性耕作模式的效益评价，分析研究了不同保护性耕作模式在该地区的推广应 用价值，为选择天津地区适宜的保护性耕作模式提供了科学的理论指导。同时， 对于保护生态与环境，合理配置区域水土资源，支撑国家粮食安全、生态安全， 促进农民增收、社会稳定和新农村建设同样具有重要意义。 此外，本文属于“城区外地表风蚀起尘对城市空气质量的影响及关键防治 技术研究和示范 ( 2 0 0 9 0 9 0 0 5 ) 这一科研项目的部分内容。项目采用可移动式 风蚀风洞测定待测地表的风蚀量，以此为筛选和推广适宜的保护性耕作措施提 供科学依据，为降低城市大气颗粒物浓度提供技术支持。因此，本文也是该项 目实施的重要理论基础和技术依托。 第二节研究内容及技术路线 通过收集整理历史文献资料与数据，初步明确保护性耕作技术措施对作物 2 第一章引言 产量的影响效果与机理，确定本研究中保护性耕作技术的具体参数。测量保护 性耕作农田不同地表( 残茬高度：3 5c m 、3 0c m 、2 5c m 、2 0c m 、1 0c m ；覆盖 度：6 、1 6 、2 6 、3 6 、4 6 ) 和传统对照农田( 向日葵秋翻地) 的土壤风 蚀物的空间分布规律，不同类型地表风蚀量与风速的关系，以及不同留茬高度 和覆盖度对农田土壤风蚀的影响规律。 通过调查研究文献资料与数据，筛选出影响保护性耕作技术效益的主要因 素，确定评价体系的指标，初步构建了保护性耕作技术效益评价体系，运用模 糊数学评价法，对天津地区主要保护性耕作技术模式进行评价，筛选出当地最 适宜推广的保护性耕作模式。 总体研究技术路线见图1 1 。 第一章引言 查阅文献 1r 1 r1 购买实验仪器与 选择试验区 整理、分析历史数据 设备 i 筛选评价指标 野外试验室内实验j 使用 模糊 评价 llllll 法计 算隶 测量 属度 地表 记录 土壤 覆盖使用 度； 大气 野 室 粒径 测定 温 原状 外内 组 、r 地表 度、 土采 含水 大气 集器 风风 成、 使用层 率： 压等 采集 洞洞 有机 次分析 环刀 气象 原状 实实 质的 法、均 土 验验 测定 方差法 法取 数据 计算权 舌 表土 1r 1r 分析刁i 同地表风蚀量的空间分布及风速、茬 构建保护性耕作技术评价体系 高、覆盖度对风蚀量的影响情况 j 评价不同耕作技术的效益 图1 1 技术路线图 4 第一章引言 第三节土壤风蚀的研究概况 土壤风蚀是指土壤颗粒在一定风速的气流作用下发生位移，土壤结构遭到 破坏，土壤物质损失的过程 10 1 。土壤风蚀是大气与疏松沙土地表的一种动力作 用过程，也是造成干旱、半干旱地区土地沙漠化的首要环卅【1 1 】。土壤风蚀不仅 是土地荒漠化的重要组成部分，而且还是首要环境问题。风蚀不仅会造成土壤 中氮、磷、钾、有机质等养分损失，降低土壤肥力，影响农业生产；还会磨损、 破坏土壤、植物及露天作业的机具；此外，风蚀会产生大量气溶胶颗粒，悬浮 于空中，降低空气能见度；还会造成大量泥沙下泄，淤积山塘、水库，降低水 利设施的蓄水功能【1 2 。 目前风蚀已成为一个全球性的问题，全球许多国家和地区均极易发生土壤 风蚀。世界上干旱区和沙漠区一大半集中在n1 0 0 n5 5 0 附近的一段位于非洲、 中亚和中国的干旱沙漠区【l3 1 。我国是世界上遭受土壤风蚀、土地荒漠化危害较 为严重的国家，风蚀灾害面积占到了国土面积的6 0 9 e 1 4 】。风蚀灾害主要发生在 温带，其中干旱地区面积占到5 4 5 ，半干旱地区面积占3 0 6 e 1 5 16 1 。风沙危害 是一个不容忽视的环境问题，因此，必须长期地进行有关风蚀及其防治措施的 研究。 1 3 1 国外研究概况 国外对土壤风蚀的研究大致可以分为：感性认识、由感性向理性发展以及 检验完善三个阶段。第一个阶段是指2 0 世纪3 0 年代以前，科学的风蚀概念产 生于此时，但是，当时对风蚀现象的研究主要集中于地质学方面，且多以考察 和定性描述为主，风蚀被看作为引起地貌变化的一个重要过程m 18 1 。1 8 4 7 年， e h r e n b e r g 1 9 】的研究中描述了降落到热那亚的大气粉尘。1 8 5 5 年，b l a c k 2 0 】的研究 中提出了风沙流的磨蚀作用。 2 0 世纪4 0 年代开始，土壤风蚀的研究进入到感性向理性发展转化的阶段， 这一阶段，土壤风蚀研究取得了突破性进展。美国“黑风暴”的发生将研究的 重点集中到了风蚀问题的研究上。r a b a g n o l d 结合前人的研究建立了“风沙物 理学”， w d c h e p i l 和r a m i l n e 结合b a g n o l d 的研究对土壤风蚀的动力学机 制及影响因子进行了系统研究。1 9 4 1 年，w s c h e p i l 2 1 】研究了土壤风蚀和干土 5 第一章引言 块结构之间的关系，得出了不同团聚体大小对地表的保护程度。1 9 5 3 年，w s c h e p i l 2 2 1 通过研究土壤质地对土壤风蚀的影响，得出土壤中直径 0 8 4m m 土粒的百分比会影响土壤的可蚀性。 6 0 年代，随着计算机技术的广泛应用，风蚀研究迅速发展，逐步由定量分 析转变为定量模型研究。1 9 6 5 年，w o o d r u f f 和s i d d o w a y _ 2 3 的研究中提出了“风 蚀方程w e q ”。7 0 年代初期，由于土地沙漠化态势异常严重，科学界和国际社 会开始广泛的关注土壤风蚀研究。1 9 7 7 年以来，国际上多次开展了有关沙漠化、 土壤风蚀及风蚀防治技术相关的课题研究。8 0 年代以来，研究的方向主要侧重 于综合性风蚀模型的研究。9 0 年代以后，在土壤风蚀的研究中逐渐应用一些新 的技术，如将放射性元素应用到土壤风蚀的研究中 2 4 1 。1 9 9 1 年h a g e nl j 的研究 中提出了土壤风蚀预报系统( w e p s ) ，取代了修正风蚀方程( r w e q ) 【2 5 】。土壤风 蚀预报与全球气候变化预测结合起来，使风蚀研究进入了一个更加宏观的研究 阶段 2 6 1 。 1 3 2 国内研究概况 我国对土壤风蚀、沙尘暴现象的记载最早出现在公元前1 1 5 0 年【2 7 】，但是直 到2 0 世纪3 0 - 4 0 年代才开始对土壤风蚀进行比较专门的研究，采用的研究方法 以定性分析与描述为主，主要对干旱、半干旱地区的土壤风蚀问题进行了一些 调查，并通过分析研究提出了营造防护林、轮作等防治风蚀的措施。 5 0 , - 6 0 年代，中国科学院开展了有关风蚀及其形成的自然条件等因素的研 究。这一阶段，在宏观调查和定性分析的基础上，加入了风洞试验、航片分析 等先进的技术方法，并加强了防治农田土壤风蚀方面的研究。这一时期的研究， 从土壤水分蒸发、干裂等理化过程上对土壤风蚀的机制进行研究，对影响土壤 风蚀因素也有了新的认识【2 8 1 。 7 0 年代以来，跟随国际上对荒漠化、土壤风蚀研究的热潮，我国的土壤风 蚀研究也取得了新的研究进展。主要运用定量分析结合现代技术的方法进行研 究，主要集中研究影响土壤风蚀的各种因素。1 9 8 7 年，董光荣】研究中使用风 洞模拟对土壤风蚀量和影响土壤风蚀的风况、土壤地表状况等自然因素和开垦、 放牧等人为因素进行了研究，开拓了我国土壤风蚀研究的新思路。 9 0 年代以来，在风蚀研究中，使用多元统计数学模型与动态仿真模型等新 6 第一章引言 的技术手段与方法对风蚀过程进行了模拟。1 9 9 4 年，胡孟春【2 9 】使用土壤风蚀自 然社会复合系统模型，模拟研究了科尔沁沙质草地的土壤风蚀情况。董治 宝p 叫从系统论原理出发，选取多个因素指标，通过研究各子系统中因子对土壤 风蚀的影响作用，拟建立一个综合风蚀指标。濮励杰【3 1 】利用1 3 7 c s 同位素示踪法 计算出了西部风蚀地区不同地表的土壤侵蚀模数，对我国土壤侵蚀区域分布进 行了研究。哈斯【3 2 3 4 】研究了河北坝上地区不同耕作措施下的土壤风蚀及其影响 因子，并研究了土壤风蚀物的空间分布规律。刘玉璋等【3 5 圳】利用风洞进行模拟 实验，定量研究了所筛选出的土壤风蚀因子与土壤风蚀之间的关系，并根据研 究结果提出了适宜不同地区的风蚀防治措施。妥德宝采用野外观察和室内实 验相结合的方法，研究了带状间作及其残茬覆盖度对减轻农田土壤风蚀的作用， 得出带状留茬间作模式抑制农田风蚀效果显著。 我国土壤风蚀方面的研究存在起步晚、研究内容较为局限、治理措施单一 等问题，尚需加强这些方面的研究。近期的研究发现产生沙尘暴的粉尘源主要 为附近退化的农田、草地 4 2 1 。这些研究结果使人们意识到保护农田对防治土壤 风蚀的重要性，随之出现了带状留茬间作轮作、秸秆覆盖等新型防治风蚀耕作 措施【4 6 | 。可见，防治土壤风蚀的重要任务就是要做好农田的保护。因此，应 该积极转变传统的耕作措施，加强各地保护性耕作技术方面的试验研究。 第四节保护性耕作的研究概况 保护性耕作是相对传统耕作而言的一种新型耕作技术【4 7 】，主要通过少耕、 免耕、化学除草、秸秆覆盖、留茬等技术，来达到防治土壤侵蚀、改善环境， 获得生态、经济以及社会三个方面综合效益的农业技术【4 8 4 9 1 。 1 4 1 国外研究概况 黑风暴的发生给美国农业带来了巨大的损失，从而促使该国开始了保护性 耕作相关的研究【5 0 】。之后，人们逐渐意识到保护农田重要性及迫切性。广泛开 展了农田风蚀防治技术的研究，探索中发现保护性耕作减少水土流失的效果显 著，能够在较大程度上防治风蚀。随着新型农业机械的应用及多种新型除草剂 的面世，保护性耕作技术在欧美等国家得到大面积试验和推广。从1 9 6 5 到1 9 9 5 7 第一章引言 年3 0 年间，美国施用免耕法的耕地面积从占国土总面积的1 9 发展到了国土面 积的3 7 左右【5 1 l 。到2 0 世纪9 0 年代末，美国有4 5 左右的耕地采用少耕、免 耕【52 | 。预计2 0 1 0 年时免耕农田的面积将占到5 0 左右。英国也大力推广各种少 耕、免耕法，1 9 7 0 年时，使用免耕法秋播农作物的面积已经超过了1 0 0 万公吲5 3 1 。 澳大利亚采用保护性耕作法的土地面积已达8 0 5 4 】。在巴西、阿根廷、巴拉圭 等南美洲国家，免耕农田所占的比例也较大【”】。早地秸秆覆盖的少耕和免耕成 为了加拿大、德国、俄罗斯等国的主推耕作模式，而马来西亚、印度尼西亚等 东南亚国家，则主要推广应用水田少免耕栽培技术【5 5 】。 目前国际上保护性耕作的推广范围逐渐扩大，不仅仅是在生态脆弱区推广。 而且也进一步向着综合性、规范化、标准化的可持续技术方向发展，也由单纯 的少免耕为主向多种措施相结合的方向发展。 1 4 2 国内研究概况 我国早在宋朝年间就出现了关于少免耕的记载，而且多种耕作技术，如： 改变微地形、轮作、间作、混作等技术更是已有几千年的历史。我国于1 9 5 0 年 左右，开始进行保护性耕作相关的试验与研究。黑龙江国营农场在全国率先开 展了免耕小麦的试验示范。1 9 6 0 年左右，江苏进行了稻茬免耕的研究。候光炯【5 6 研究提出水田自然免耕可获得高产。8 0 年代初，我国对保护性耕作系统开始了 广泛的研究，主要研究了秸秆覆盖、留茬防治土壤风蚀的原理，以及实施保护 性耕作技术的具体指标，并改进和研发了许多农机具。保护性耕作主要是通过 以下几个方面来达到防治风蚀的目的【5 7 枷】：通过作物秸秆覆盖地表，使地表免 受风的吹蚀；通过秸秆残茬增加地表粗糙度，增大地表摩擦阻力，降低近地层 风速，阻滞近地表风沙的运动；免耕地表耕层遭到外力破坏程度小，增加了土 壤的稳定性，增大了地表的抗蚀能力。刘晓光【6 l j 提出生物篱是干旱半干旱地区 一种有效的防治风蚀措施。陈智【6 2 】采用移动式风洞研究了麦薯带状间作农田防 治土壤风蚀的效果，并将茬高3 0c m 、覆盖度5 0 作为保护性耕作带的标准。赵 永来等 6 3 】的研究中将茬高2 5c m 作为防治土壤风蚀的临界茬高。刘汉涛等【6 4 】的 研究中残茬高度 4 0c m 时，具有很好的防风蚀效果。王翔宇【6 5 j 的研究表明，玉 米秸秆覆盖度为2 5 或4 0 时，较之翻耕地表，风蚀量可减少8 5 7 - - 9 6 2 。 王邢【6 6 】、杜兵【6 7 】、王作华 6 8 1 、张进【6 9 】、乌占剧7 0 1 等人也对保护性耕作技术进行 8 第一章引言 了一系列的研究。一些新型的保护性耕作机具也相继面世，李海荣【7 l 】、孙茸茸【7 2 】、 孙增强【7 3 】、赵金英【7 4 】等人研制出了一些新型的玉米免耕播种机。赵娟伟【7 5 】研制 出了一种秸秆全粉碎玉米免耕播种机。王凤花等 7 6 】开发出了小麦免耕施肥播种 机。还有一些深松、浅松机具的研制均为大面积推广保护性耕作技术提供了条 件。 保护性耕作技术是我国“十五”重大科技攻关计划【7 7 】。我国从2 0 0 2 年开始 加大了对保护性耕作技术方面的资金投入，加强了对保护性耕作技术的研究， 截至2 0 0 9 底，全国建设了的示范县项目已累计达到了3 1 5 个，秸秆机械化粉碎 还田面积达到1 6 6 7 1 0 4h m 2 7 8 。预计到2 0 1 5 年末，我国的保护性耕作推广面积 将达到1 1 3 3 x 1 0 4h m 2 7 9 】。我国北方旱区对保护性耕作技术的研究己进行了多年， 也积累了一定的经验，在此基础上如何进行技术效果综合分析并明确目前存在 的问题和对策，对科学地在北方旱区实施保护性耕作和促进区域的农业发展以 及生态保护将有着重要的指导作用。 第五节保护性耕作技术的效益研究概况 国内外大量研究结果表明，保护性耕作在较多方面均比传统耕作具有优势。 采用免耕技术，能够有效防治土壤水蚀、风蚀，增加土壤水分渗透率，改善土 质，增加边际效益【8 0 1 。采取适宜的保护性耕作措施，可以增加作物产量，同时 还能改善土壤条件哺。此外，保护性耕作可以增加土壤有机质、有机碳和氮素 的含量以及微生物数量【8 2 1 。实施保护性耕作技术能够带来明显的生态、经济、 社会效益。 1 5 1 生态效益 保护性耕作生态效益的研究领域涉及到土壤理化分析、微生物区系、酶活 性以及全球c 0 2 循环。研究发现【8 3 】保护性耕作可以延缓地表径流、增加降雨入 渗。深松覆盖可以减少水分蒸发、贮留雨雪，增大土壤含水率，提高土壤水分 利用率，从而达到节约用水的作用 8 4 1 。这些研究结果均表明保护性耕作有较好 的涵养水分的效果。 华北地区玉米秸秆还田后会增加土壤中有机质、全n 、有效p 、速效k 的 9 第一章引言 含量博引。赤峰市实施保护性耕作技术后，增加了秸秆还田量，秸秆腐烂分解后， 增加了土壤中的有机质和全n 的含量【86 1 。秸秆还田可以显著提高土壤中p 、速 效养分及微量元素的含量【8 7 】。作物秸秆覆盖旱作体系能提高耕层土壤的有机质、 全氮、o l s e n p 和交换性钾的含量。实行免耕后土壤养分含量会逐渐增加，明显 高于传统耕作模式【88 1 。垄作免耕能够明显提高土壤容重和养分含量，且相较常 规平作和水早轮作，土壤表层中的松结态腐殖质含量有所提耐8 9 9 0 】。此外，水 旱轮作与垄作免耕均有利于土壤水稳团聚体的形成【9 。保护性耕作可以显著提 高土壤总孔隙度和非毛管孔隙度【9 2 1 。少免耕后，土壤团聚体中氮、碳含量也有 明显的增加【9 3 9 5 1 。碎秸秆还田腐烂，既可以改善土壤结构，增加土壤总孔隙度， 又可以降低土壤容重【9 9 7 。深松切断了毛细管，抑制了地下水上升的隔盐作用， 降低盐分，减轻盐碱化危害【9 8 】。 土壤中微生物数量与土壤的肥力状况息息相关，可以直接反映出土壤肥力 状况，但是，微生物的数量和种类受耕作制度、土壤类型、植被等诸多因素的 影响【9 9 】。研究表明：免耕可以明显增加土壤中微生物的数量【1 删，从而可以改善 土壤结构及增加土壤有机质含量【1 0 1 1 0 2 。免耕秸秆覆盖利于增加土壤中真菌的数 量，改变群落结构，增加物种多样性【1 0 3 1 0 4 1 。土壤酶是衡量土壤肥力水平的指标， 可以用来表征土壤的综合肥力特征及其变化状况。研究表明：免耕技术不仅可 以明显增强土壤中蔗糖酶、碱性磷酸酶的活性【1 0 扣1 0 6 1 ，还可增加麦角固醇的含量 【1 0 7 1 ，此外，秸秆还田也可以提高土壤中酶的活性【1 0 8 1 。 采用保护性耕作使作物秸秆的处理方式更加合理化，减少了秸秆的焚烧， 从而减少了c 0 2 的排放，将空气中的c 0 2 以有机质的形式储存在土壤中，提高 了土壤的碳汇功能【1 0 9 。采用保护性耕作技术后，农用机械的燃油量只是传统耕 作的1 3 ，可以大量减少农业机械尾气c 0 2 排放0 1 。大气中温室气体的排放量 减少，有利于抑制全球气候变暖趋势。 1 5 2 经济效益 实施保护性耕作技术可以增加作物产量，增加农民作物收益；减少了作业 工序，可以减少机械作业的投入费用：减少用工时数，节省劳动力。保护性耕 作与传统耕作相比具有明显的增产效果，各种作物都有不同程度的增产，其中 玉米、小麦、小杂粮和大豆分别增产4 1 、7 3 、1 1 2 、3 2 t 1 1 1 1 。吉林省梨 1 0 第一章引言 树县实施保护性耕作后，每公顷平均增产6 9 3k g 、增收1 1 0 8 5 元、节支9 0 0 元。 华北地区4 年免耕覆盖+ 1 年深松的模式的纯收入比传统耕作增加了4 9 ，较连 年深松覆盖增加了2 1 ；机械作业成本较传统耕作和深松覆盖分别减少6 2 5 和5 0 t 。华北平原地区实施免耕技术后，夏玉米比传统耕作产量增加了1 0 以上【1 1 2 j 。我国北方一年两熟地区实施秸秆覆盖免耕技术后，产量增加1 0 2 0 ， 纯收入提高了2 0 , - 4 0 i n 3 。山东省高密市采用保护性耕作技术后，小麦产量 平均增加5 6 6k g ，亩均纯收益增加1 7 3 元【1 1 4 】。豫西旱坡地采用深松覆盖技术与 免耕覆盖后，可以分别节约成本4 1 2 元公顷、5 6 2 元公顷，分别增产8 7 8 和 3 7 0 1 1 5 o 湖南省采用稻草免耕覆盖技术后，水稻产量较无草翻耕模式增加9 4 8 k g h m 2 ，较稻草翻耕田增产5 8 2k g h m 2 1 1 6 】。西南地区实施免耕技术后，和传统 翻耕相比，每公顷节约工时费和增加产值共9 1 3 5 元 1 1 7 】。西北地区免耕留茬覆 盖的产值和利润分别比传统耕作增加1 6 0 0 元h m 2 和6 0 0 元h m 2 1 18 1 。旱地玉米采 用免耕覆盖技术后，年均产量增加5 7 7 【1 19 1 。使用宽窄行交替种植模式可以使 玉米产量增加1 3 左右，生产成本降低1 0 以上【1 2 们。玉米灭高茬整地种植模式 和玉米留高茬行间种植模式与传统模式相比，每公顷可分别节约机械费用3 0 0 元、4 5 0 元，亩产可增收1 8 7 0 元、1 3 8 8 元 1 2 。玉米碎杆覆盖模式可增产6 1k g 亩；整杆覆盖模式可增产6 4k 亩；高留茬覆盖模式可增产1 6k g 亩 t 1 2 2 1 。东北 黑土地区玉米少耕比翻耕可节约燃油2 4k g h m 2 3 0k g h m 2 ，提高农机具利用率 5 0 【1 2 3 1 。关中地区实施保护性耕作技术后能耗和传统耕作相比降低2 0 左右， 机械作业费用降低了3 6 7 【1 2 4 1 。 1 5 3 社会效益 与传统耕作相比，保护性耕作减少了工序，节约了用工量，加快了农村劳 动力的转移，促进了农村结构调整，加速了国家城市化进程；减少了机车作业 次数，节约了能耗，实现了节能减排；秸秆覆盖还田等技术增加了土壤有机质， 降低了化肥的投入量，既降低了生产投入，又降低了使用化肥所带来的环境威 胁；秸秆留茬覆盖促进了资源的合理利用，避免了大量焚烧秸秆，减少了火灾 灾害，保护了大气环境；防治农田风蚀，改善了人们的生活生存条件，节约了 农业用水量，缓解了干旱时节作物与人争水的局面；实施保护性耕作，有效增 强了农业抵御自然灾害的能力。 11 第一章引言 第六节保护性耕作技术效益评价体系的研究现状 目前有关保护性耕作的研究多集中在作物生长、土壤理化性状、作物产量、 机械农具的研发以及实施保护性耕作技术所带来的经济效益方面，有关保护性 耕作技术综合效益评价方面的研究则较少，仍需加强相关方面的研究工作。 国内外学者对生态农业的生态可持续评价和早作农业技术的经济评价进行 了较多的研究，对保护性耕作技术的综合效益评价可以借鉴这些研究的方法和 结论。j e 虢r yr w i l l i a m s 等( 1 9 8 8 ) 运用了i c e a s e 微观数学模型对不同节水 灌溉系统的成本和效益进行了评估【1 2 引。d h u y v e t t e rk c 等( 1 9 9 6 ) 使用比较分析 法评价了美国平原地区不同农业种植系统的经济效益【1 2 6 1 。李洪泽等【1 2 7 1 运用层次 分析法和模糊综合评判模型，评价了生态农业的综合效益。邹聪明【1 2 8 】运用s p s s 和d p s 统计软件，比较分析了西南旱作区不同保护性耕作模式的生态效益与经 济效益，从而筛选出了当地适宜的保护性耕作模式。魏永华【1 2 9 】运用灰色关联投 影法评价了黑龙江西部风沙土区不同保护性耕作措施的经济效益，结果显示， 各措施均有节水的效果，且其中以行间覆膜与垄向区田集成措施的效果最好。 原君静【l3 0 】采用投影寻踪技术，运用综合效益评价模型评价了辽宁凌海和山西寿 阳6 种不同保护性耕作措施的综合效益，结果表明，与传统耕作相比，长期的 保护性耕作能够在很大程度上提高农业综合效益。汤秋香等【l3 1 】采用农户、专家 参与式评估方法，并运用综合多元线性回归、模糊数学评价等方法，筛选出了 限制东北平原、华北平原、成都平原、西北绿洲区等地作物生产的主要因素及 技术指标，对不同保护性耕作模式进行评价，并通过统计分析结果，选出各地 适宜的耕作模式。 目前对保护性耕作技术的效益评价的研究还不够完善，没有一个完整系统 的评价体系，且对效益的评价多数集中在经济评价方面，仍需加强相关的研究。 1 2 第二章实验设计及研究方法 第二章实验设计及研究方法 本章讨论了保护性耕作农田土壤风蚀的田间试验设计、测试以及评价指标 的筛选和评价体系构建的方法。在天津市大港区苏家园建立了田间土壤风蚀实 验区，通过移动式风蚀风洞在试验地表进行土壤风蚀原位测试，采用南开大学 研制的集沙仪测定土壤风蚀量，定量地比较了不同耕作条件下土壤风蚀量之间 的差异，为天津市实施保护性耕作提供茬高、覆盖度的参考值。另外，通过大 量查阅有关保护性耕作技术评价体系的资料，初步筛选出评价体系的具体指标， 再运用定性分析与定量判断相结合的方法，建立了一个三个层次、1 2 个评价指 标构成的评价体系，使用隶属度函数的方法将各指标进行无量纲化处理，并运 用层次分析法和均方差法两种方法科学地确定出各指标的权重，通过加权计算 出每种耕作措施的综合效益指数，对本地区采用的保护性耕作技术模式进行效 益评价。 第一节试验区概况 天津市介于北纬3 8 0 3 47 至4 0 0 1 57 ，东经1 1 6 0 4 37 至1 1 8 0 0 47 之间，为典 型的大陆季风气候，具有明显的季节交替特征，春季多大风较干旱，而冬季较 为寒冷干燥且冬季为全年最长的季节。全年均温为1 3 1 ，最低温和最高温分 别为1 2 8 和3 9 6 。1 月为全年最冷月，月平均气温为3 9 5 7 ：7 月为夏季最热月，平均气温为2 5 6 2 6 4 。多年平均降水量在7 2 0 5 6 0m n l 之间，四季降水分布不均，降水多集中在夏季7 、8 月份，占到全年降雨量的6 5 。 最大土壤冻结深度o 7m ，地震基本烈度为7 度，累年平均湿度6 6 3 。累年平 均风速2 9m s ，全年的大风( 风速1 7m s ) 日数( 除蓟县外) 平均在2 6 天以 上，最多可出现8 9 天，全年大风日数的8 0 集中在每年1 1 月份到第二年的5 月份，且主要集中在3 、4 月份，平均风速达到了3 0m s ，5 月和1 月次之。地 势主要为平原和洼地，北部为山丘、陵地，平原地区的土壤受河流沉积质的影 响而质地差别较大。土壤主要为棕壤、褐土、潮土、湿土和盐土五类。天然植 被为暖温带半干旱生落叶阔叶林，植被较为稀疏。天津全市土地总面积为1 1 9 1 9 7 13 第二章实验设计及研究方法 k m 2 ，农用地面积7 1 9 9 7k m 2 ，其中：耕地4 7 5 4 7k m 2 ，占全市土地总面积的 3 9 8 9 。在耕地中主要包括：水浇地、旱地和菜地，面积分别为2 1 9 4 8k m 2 、1 6 2 3 1 k m 2 和2 5 6 8k m 2 。 大港区位于天津市的东南部，东部靠近渤海湾，与塘沽区接壤，南部临近 河北黄骅市，西部邻近静海县，北部靠近津南区、西青区。全区地貌主要为滩 涂、水库以及农田，农田主要集中在西部和西南部。大港濒临渤海，受到环流 季风的影响较大，属于典型的暖温带大陆季风气候，四季较为分明。主导风 向为：夏季南南西向，冬季北北西向，秋季东向。年均气温1 2 1 ，1 月平 均气温4 ，7 月份平均气温2 6 ，无霜期2 1 1 天，年平均降水量为5 9 3 6n 2 r n ， 多集中在6 、7 月份。全区总面积1 1 1 3 8 3k m 2 ，可利用荒地7 0 4 9k m 2 ，内陆水 域面积为3 6 万亩，耕地总面积1 9 7 7 1 2 亩，其中水田1 0 5 9 0 亩，旱田1 8 7 1 2 2 亩。 主要种植作物为小麦、玉米和水稻。全区总人口数为3 2 万，其中非农业人口占 到了6 7 。 本文选择的作物为天津大港区种植较多的玉米和棉花两种作物，以这两种 作物的农田为试验地。 2 2 1 实验时间的确定 第二节实验设计 由于春季较为干旱、降雨较少、地表干燥，且大风日数较多、平均风速较 大，这些条件使得春天土壤风蚀和沙尘暴较为频发；再加上春天地表覆盖较少， 裸露地表较多，春耕等人类行为加大了地表的扰动，均使风蚀的程度受到进一 步的加剧。考虑到这些因素的影响，为了使实验条件更为接近自然状况，能更 好的反应真实的地表状况，本文将实验时间定于2 0 1 1 年的4y 1 5 月。 2 2 2 风洞中心风速的确定 天津为典型季风气候，冬、春季风速大，累年平均风速2 9r n s ，最大风速 为2 0r n s 。每年21 7m s 的大风天数( 除蓟县外) 多在3 1 5 3 天之间，且主要集 中在每年3 、4 月份，5 月和1 月次之。从风速情况来看，每年3 4 月份平均风 1 4 第二章实验设计及研究方法 速最高，达到3 0m s 。大港区2 0 0 9 年的年平均风速为2 2 5m s ，3 月份的平均 风速为2 6 1m s ，4 月份的平均风速为2 1 6m s ，1 1 月份的平均风速为2 3 8m s ， 1 2 月份平均风速为2 1 9m s 。土壤风蚀的起动风速一般为5 6m s ，但由于地表 的状况和土地的理化性状有关，