全 文 ：第 !" 卷第 # 期
!$$" 年 # 月
生 态 学 报
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基金项目：国家自然科学基金资助项目（5$6"7$7$），国家“十一五”科技支撑计划课题（!$$89%:$!%7;）
收稿日期：!$$"<$7<$6；修订日期：!$$"<$"<$#
作者简介：秦红灵（7#"= >），女，河南南阳人，博士生，主要从事农业生态研究2 ("通讯作者 &0JJ3G40CKACD @HLB0J2 (/)0.1-",). ,"’2：’B3 4J0N3IL M@G OAC@CIA@11P GH440JL3K QP .@LA0C@1 .@LHJ@1 -IA3CI3 R0HCK@LA0C 0O &BAC@ （.02 5$6"7$7$），.@LA0C@1 (13S3CLB
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6,)+7-#!8：U,. V0CD<*ACD，TB2 :2 I@CKAK@L3，?@AC1P 3CD@D3K AC @DJAIH1LHJ@1 3I010DP2 (免耕对农牧交错带农田休闲期土壤风蚀
及其相关土壤理化性状的影响
秦红灵7，高旺盛7，"，马月存7，杨世琦7，赵沛义!
（72中国农业大学 农学与生物技术学院，北京W 7$$$#6；!2内蒙古农业科学院 土化所，呼和浩特W $7$$57）
摘要：以北方农牧交错带为研究对象，分析了免耕对农田土壤风蚀的影响，评价了不同耕作方式下与土壤风蚀相关的土壤物理、
化学和生物学特性的差异。研究结果表明：翻耕农田土壤风蚀量是免耕地的 5 > = 倍，翻耕地和免耕地的地表粗糙度分别为
$X $5! 和 $2 67"；与翻耕地相比，免耕地表层 $ > 7$ I?土壤粘粒和粉粒含量较多；免耕地土层 $ > ; I?和 ; > 7$ I?的土壤容重、
坚实度和土壤水分都大于翻耕地，其中 $ > ; I?、; > 7$ I? 和 7$ > !$ I?土层土壤坚实度分别是翻耕地的 62 "、!2 = 倍和 52 =
倍。经过 5 年的免耕，$ > ; I? 土层土壤全氮、有机质、有效磷和有效钾含量均高于翻耕土壤，有效钾含量比翻耕地增加了
""Y。所有测定土层的土壤有机质含量免耕地均高于翻耕地，在 $ > ; I?和 ; > 7$ I?土层达到 ;Y显著水平。免耕地表层 $ >
7$ I?土壤微生物量碳是翻耕地的 !2 7 倍。
关键词：免耕；翻耕；土壤理化性状；风蚀
文章编号：7$$$<$#55（!$$"）$#<5""=<$"W 中图分类号：-7;62 7；-7;"2 7W 文献标识码：%
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近 >=-来，我国每年有 H& A I A=J !@E的农田受到土壤风蚀的威胁，有 K& J I A=K!@E的农田已经被流动沙丘
掩埋，在中国北方农牧交错带的雨养农业区农田土壤风蚀危害尤其严重［A，E］。北方农牧交错带属于一年一熟
区域，每年作物在 B 月底种植，H 月底或 A= 月初收获，每年有近 J 个月的时间土地处于裸露状态，尤其从表土
解冻后的 L 月中旬到作物播种前的 B 月底，表土干燥且疏松，大风天气频繁发生更加剧了土壤风蚀。研究表
明，保护性耕作可以有效减少土壤风蚀，抑制农田土壤退化并改善土壤理化性状［L］，原因在于，免耕条件下土
壤表层有更多的粉粒含量，团聚体稳定性和土壤保水性增加，土壤抗风蚀能力增强［B M N］。因此，近年来保护性
耕作在中国得到了广泛应用。
对保护性耕作条件下土壤风蚀及土壤理化性状已有很多的研究，但针对农田休闲期与土壤风蚀相关的土
壤理化性状的研究却比较少。因此，本研究在土壤风蚀危害严重的北方农牧交错带，通过翻耕与免耕的对比
试验，分析农田休闲期免耕对土壤风蚀及其相关土壤理化性状的影响，评价保护性耕作的农田生态效益。
)* 研究区概况
本试验于内蒙古武川县旱农试验站（BAO=NPC，AAAOAJPQ）完成。该县位于北方农牧交错带的中段，海
拔 A>>>@，是我国典型的半干旱偏旱农业区。该区年降水量仅有 L>B @@，K=R MJ=R降雨集中在 J 月到 H 月
份。全年平均温度 E& KO，J 月份月均温最高为 AN& >O，A 月份月均温最低为 S A>& BO。年积温 EEBA M
EH==O，无霜期 H= M AE=6，只能满足一季作物的生长。每年大风和沙尘暴天气有 E=6左右，晚春（B、> 月份）风
速最大，月均风速达 L& > @ $ 5，以西北风为主，每年平均侵蚀模数为 HHN>" $（T@E·-）［H］。土壤为栗钙土，砂粒含
量 KJ& =R，粉粒含量 LA& >R，粘粒含量 A& >R，无论是耕作农田还是休闲农田近几年的土壤侵蚀和荒漠化程度
都比较严重［A=］。
+* 研究方法
+& )* 试验设计
试验从 E==L 开始，在武川旱作试验站保护性耕作试验区进行，设置翻耕与免耕两个耕作处理，田间试验
大区设置，长 H=@，宽 A>@，每个处理 E 个重复。免耕处理除播种外，没有其他土壤扰动。每年秋收后残茬覆
盖（莜麦茬，茬高 A> (@），秸秆不还田。春季免耕播种，没有深松措施，E==K 年是免耕的第四年；翻耕处理按照
当地传统习惯，秋季作物收获后用传统铧式犁翻地，农田从 H 月底到翌年 B 月底都是裸露的。翻耕作为对照，
年年翻耕。农田终年无灌溉，采用除草剂除草，一次性随播种施足底肥，二铵 A>=T+ $ !@E，尿素 J> T+ $ !@E，氯
化钾 K=T+ $ !@E。
+& +* 土壤风蚀与风速测定
利用风洞试验在室内模拟测定了翻耕与免耕留茬地土壤风蚀量。风洞试验样品在 E==K 年 B 月初采自试
验区农田原状栗钙土，样品经特制的装置开挖，用标准取样箱（>= (@ I B> (@ I A> (@）装取 = M A> (@的表层
原状土。共采集了原状土壤样品 > 块，翻耕地和免耕地各 E 块，A 块为备用土样。试验在内蒙古农业大学机
电工程学院野外风洞（8UVW;A& E）内进行，洞体总长 AA& N @，试验段长 J& E @，风洞内壁横断面为 A& = @ I A& E
@，风速 E M E= @ $ 5连续可调。试验时将土壤置于风洞试验段中部，土壤表面与风洞底板持平。利用比托管
测定风洞底板表层 E& >、>& =、A=& =、E=& = (@和 K=& = (@风速，试验风速以上风向风洞底板表层 =& K@处风速
为准。土壤风蚀速率的测定用吹蚀前后称重法，计算单位时间内单位面积的土壤风蚀量，即土壤风蚀速率。
试验测定了两种耕作方式在 K、H、AE、A>、AN @ $ 5 > 个风速下持续吹蚀 A= @,.的土壤风蚀速率。风速从低到高
HJJLX H 期 X X X 秦红灵X 等：免耕对农牧交错带农田休闲期土壤风蚀及其相关土壤理化性状的影响 X
!""#：$ $ %%%& ’()*)+,(-& (.
依次进行，每次吹蚀后都将土样恢复至原状土，并在每次吹蚀前后对土样拍照和文字描述。用高 /0 (1 单格
为 2 (1 34 (1的狭缝式积沙仪在土样末端收集不同高度的风蚀物，并用电子天平称重，求单位时间内单位面
积的输沙率（5+ 1 67 1,. 62）。
!& "# 土壤理化和生物性状测定
7008 年 9 月多次重复测定了翻耕与免耕土壤条件下与风蚀相关农田土壤和植被相关特性。采用浙江大
学研制的 :;<2 型土壤坚实度计 20 次重复测定土壤坚实度，烘干法 4 次重复测定土壤重量含水量，环刀法 4
次重复测定土壤容重。
利用直径 4(1的小土钻分层（0 = / (1，/ = 20 (1，20 = 70 (1 和 70 = 40 (1）“>”型随机采集，每个处理
2/ 个土样，然后混合得到分层的混合土样测定土壤化学特性。土样风干后过 7 11的筛子，移除土块、植物根
和大的土壤动物。采用吸管法测定土壤粒径，半微量凯式定氮法测定土壤全氮，0& / 1)* $ ? @-ABC4浸提，钼锑
抗吸光光度法测定土壤有效磷，2 1)* $ ? @A9DB浸提，火焰光度法测定土壤有效钾，重铬酸氧化外加热法测定
土壤有机质。
植被特性采用 2 17样方法测定。每个样方中植被覆盖度采用样线法［22］，残茬高度随机多重复测定求平
均值。
土壤微生物量碳采用氯仿熏蒸法，滤液用重铬酸钾法测有机碳［27 = 29 ］。利用直径 4 (1 的小土钻分层（0
= 20 (1，20 = 70 (1和 70 = 40 (1）“>”型随机采集，每个处理 2/ 个土样，然后混合均匀放置在封口布袋子
里。湿土迅速过 711的筛子，移除土块、植物根和大的土壤动物。在培养箱 7/ E放置 2 周后测定，微生物量
碳 F 7G 89 3熏蒸与不熏蒸土壤中有机碳的差值。
!& $# 数据分析
多次重复求平均值对数据进行统计分析。单尾检验重复间的差异显著性，新复级差法检验处理间的差异
显著性水平，用不同的字母或"表示 /H的显著性水平。并用 >I>>20& 0 统计软件对数据进行相关的回归模
拟分析。
"# 结果与分析
"& %# 免耕对土壤风蚀的影响
从图 2 可见，虽然翻耕和免耕条件下土壤风蚀率都随风速的增加而增加，但两者也存在明显的不同。翻
耕条件下，土壤风蚀率与风速呈线性关系；免耕条件下呈幂函数的关系。表 2 列出了翻耕与免耕两种耕作方
式下风蚀率与风速之间的定量关系，其中 !是风蚀率（1+ $（17·1,.）），" 是风速（1 $ J），#7是相关系数。从表
7 可见，在同样风速条件下，翻耕地土壤风蚀率是免耕地的 4 = K 倍，说明免耕能够有效地降低风蚀强度。
表 %# 土壤风蚀率与风速之间的相关分析
&’()* %# &+* ,*-,*../01 ,*)’2/01.+/3 (*24**1 4/15 *,0./01 6057)7. ’15 4/15 8*)09/2:
处理"
;L’-"1’."
回归类型
M’+L’JJ,). "N#’J
回归方程
M’+L’JJ,). ’OP-",).
决定系数（#7）
B)’QQ,(,’." )Q R’"’L1,.-",).
翻耕 I*)% ",**-+’（S;） 线性 *,.’-L,"N ! F 77$ 49" 6 27/$ 2T #7 F 0& TT
免耕 @) ",**-+’（@;） 幂数 #)%’L ! F 0$ 004T"4$ 9U #7 F 0& TK
V V "下同 "!’ J-1’ W’*)%
表 !# 风速对土壤风蚀侵蚀率的影响（1+ $ 17·1,.）
&’()* !# ;<<*92 0< 4/15 8*)09/2: 01 4/15 *,0./01 6057)7.
风速 X,.R Y’*)(,"N（1 $ J） 翻耕（I;）I*)P+! ",**-+’ 免耕（@;）@)<",**-+’ 免耕 $翻耕 I; $ @;
8& 00 2T& 8T 4& 80 /& 9U
T& 00 8K& 8U K& 90 K& 2U
27& 00 27T& 07 47& 8U 4& T/
2/& 00 72/& K7 /9& /K 4& T/
2K& 00 7K2& 70 T8& 9T 7& T2
0KU4 V 生V 态V 学V 报V V V 7U 卷V
!""#：$ $ %%%& ’()*)+,(-& (.
图 /0 翻耕与免耕条件下土壤风蚀率与风速之间的关系
0 1,+& / 0 2!’ 3’*-",).4!,# 5’"%’’. %,.6 ’3)4,). 7)68*84 -.6 %,.6
9’*)(,": 8.6’3 #*)8+! ",**-+’ -.6 .);",**-+’
0 0 图 < 可见 =、>、/<、/?、/@7 $ 4 ? 个风速条件下翻耕
与免耕土壤的风速廓线。不管是翻耕还是免耕，风速阔
线均符合对数函数方程。在风洞地表 ?(7 处，免耕条
件下的风速是 < A B 7 $ 4，翻耕条件下则有 C A > 7 $ 4，因
此，当同样的大风天气，翻耕土壤更容易产生土壤风蚀。
地表粗糙度受土壤表层植被和物理特性的影响，是
反映土壤抗风蚀能力的一个重要指标［/?，/=］。如果测定的
风速廓线符合方程 !" D # E $ *. "，其中 !" 是高度 "处
的风速，#，$ 是相关系数。当 !" D F 时，可以得到地表
粗糙度 "F D ’G#（H # % $）。此方法已被蕫治宝运用来研
究人工植被对固定沙丘风流和地表粗糙度的影响［/B，/@］，
本文中应用 IJII 软件模拟风速廓线方程，利用风速 /?
7 $ 4时翻耕地和免耕地的风速廓线得到翻耕地与免耕地
的地表粗糙度，分别为 F& FK<和 F& C/B，免耕地是翻耕地的 /K倍，表明免耕土壤具有更强的抗风蚀能力。
图 <0 ? 种风速条件翻耕与免耕条件下的风速廓线
1,+& <0 L,.6;4#’’6 #3)M,*’4 8.6’3 #*)8+! ",**-+’ -.6 .);",**-+’ %,"! M,9’ %,.6 9’*)(,":
!& "# 不同耕作措施下与农田风蚀密切相关的土壤理化及生物性状差异分析
!& "& $# 免耕对土壤物理特性的影响
0 0 从表 K 可见，免耕土壤表层 F A /F(7土壤粘粒和粉粒含量比翻耕地高，表明免耕土壤通过减少土壤风蚀
/@BK0 > 期 0 0 0 秦红灵0 等：免耕对农牧交错带农田休闲期土壤风蚀及其相关土壤理化性状的影响 0
!""#：$ $ %%%& ’()*)+,(-& (.
保留更多的细小颗粒在土壤表层。这是因为风蚀侵蚀物主要由粒径 / 0& 0122的细小颗粒组成［34］，免耕农田
减少土壤风蚀，并通过直立秸秆残茬截获部分正在流动的风蚀物。从表 5 可见，免耕农田留茬高度 60(2，地
表残茬覆盖度 617。相反，翻耕地却是裸露的。
表 !" 翻耕与免耕条件下的土壤粒径分布
#$%&’ !" ()*& +$,-*.&’ /*0’ 1*/-,*%2-*)3 231’, +&)245 -*&&$4’ （89）$31 3)6-*&&$4’ （:9）
土层深度
;’#"!（(2）
处理
9<’-"2’."
粘粒
=*->
（/ 0& 00622）
粉粒
?,*"
（0& 01 @ 0& 00622）
极细砂粒
A’<> B,.’ C-.D
（0& 03 @ 0& 0122）
细砂粒
8,.’ C-.D
（0& 61 @ 0& 3022）
粗砂粒
=)-
0 @ 30 翻耕 89 3& 3E - F3& 6F G 31& 5F - 3H& 4H - 6F& 6E -
免耕 :9 3& H4 - F5& EH - 3H& 31 - 3F& 16 G 65& IE G
30 @ 60 翻耕 89 6& 36 - FE& H6 G 31& 55 - 36& 1E - 63& 5H -
免耕 :9 3& 3F G 16& 03 - 35& 14 G 33& 0H G 66& 34 -
60 @ 50 翻耕 89 6& 30 - FE& 41 G 31& FI G 36& 31 - 63& 5F -
免耕 :9 3& 61 G 13& 16 - 3H& 4F - 36& FF - 3I& E5 G
J J 不同的字母表示 17水平差异显著J A-*K’C B)**)%’D G> - D,BB’<’." C2-** *’""’< D’.)"’ C,+.,B,(-." D,BB’<’.(’ -" 0& 01 #<)G-G,*,"> *’L’*
土壤容重、坚实度和土壤水分是农田风蚀的重要影响因子，三者与土壤风蚀率呈明显负相关。从表 F 可
见，免耕地 0 @ 1 (2和 1 @ 30 (2土层的土壤容重、坚实度和土壤水分都大于翻耕地，特别是免耕地土壤坚实
度在 0 @ 1 (2、1 @ 30 (2和 30 @ 60 (2 5 个土层分别是翻耕地的 F& I、6& E 倍和 5& E 倍，显著高于翻耕地。因
此，免耕能够通过改善土壤物理性状有效地抵抗土壤风蚀的危害。
!& 7& 7" 免耕对土壤化学特性的影响
在荒漠化严重地区，农田翻耕引起土地质量的退化，加重土壤风蚀的危害，反过来，土壤风蚀又通过带走
农田细小颗粒加速土壤有机质等土壤养分的流失。研究结果表明，免耕地能够通过减少土壤风蚀增加表层土
壤养分储备。从表 1 可见，与翻耕地相比，免耕增加了土壤表层 0 @ 1(2 的土壤全氮，有效磷，有效钾和土壤
有机质的含量，特别是土壤有效钾免耕地比翻耕地增加了 II7。在 0 @ 50(2 的 F 个测定层翻耕地的土壤有
机质均小于免耕地，0 @ 1(2和 1 @ 30(2两个土层差异达到 17显著水平。土壤有机质又通过改变土壤氮、磷
和钾的有效性来改变土壤养分的储存和利用。
表 8" 翻耕与免耕条件下的土壤物理特性
#$%&’ 8" ()*& +59/*.$& +,)+’,-*’/ 231’, +&)245 -*&&$4’ （89）$31 3)6-*&&$4’ （:9）
土层深度
;’#"!（(2）
处理
9<’-"2’."
土壤坚实度
?),* ()2#-(" （M+ (2 N6）
土壤容重
OK*M D’.C,"> （+ (2 N5）
土壤水分含量
?),* 2),C"K<’ ()."’." （7）
0 @ 1 翻耕 89 0& 40G 3& FEG 3& 61G
免耕 :9 F& 61- 3& 14- F& 51-
1 @ 30 翻耕 89 0& 4EG 3& F0G 5& 00G
免耕 :9 6& II- 3& 15- E& 54-
30 @ 60 翻耕 89 0& 4HG 3& 5IG 4& 50-
免耕 :9 5& HF- 3& 13- E& E0G
60 @ 50 翻耕 89 6& 6F- 3& FH- 4& 3I-
免耕 :9 6& 5F- 3& 6IG 4& 50-
J J 不同的字母表示 17水平差异显著J A-*K’C B)**)%’D G> - D,BB’<’." C2-** *’""’< D’.)"’ C,+.,B,(-." D,BB’<’.(’ -" 0& 01 #<)G-G,*,"> *’L’*
免耕下地表土壤有机质的增加与较多有机物质的输入有关。作物收获后，免耕通过残茬还田增加了有机
碳量的输入。同时，由于风蚀颗粒富含养分含量［60］，免耕农田通过减少土壤风蚀，秸秆残茬截获风蚀颗粒也
增加了土壤有机质来源。
6EI5 J 生J 态J 学J 报J J J 6I 卷J
!""#：$ $ %%%& ’()*)+,(-& (.
表 !" 翻耕与免耕条件下的土壤化学特性
#$%&’ !" ()*& +,’-*+$& ./).’/0*’1 234’/ .&)25, 0*&&$5’ （6#）$34 3)70*&&$5’ （8#）
土层深度 /),* 0’#"! （(1） 2 3 4 4 3 52 52 3 62 62 3 72
有效磷 89-,*-:*’ ;（1+ $ <+） 翻耕 => 52& ?2- 52& 22: @& ?2- 7& 22-
免耕 A> 52& @2- 57& 72- 4& @2: 7& 52-
有效钾 89-,*-:*’ B （1+ $ <+） 翻耕 => @C& DD: ?E& 27: @C& DC- ?C& D?:
免耕 A> 542& 5E- @C& D?- ?7& C?: ?D& 26-
土壤有机质 /FG （H） 翻耕 => 5& ?2: 5& E5: 5& ?2- 5& ?2-
免耕 A> 5& DD- 5& ?@- 5& @2- 5& ?E-
全氮 >)"-* A （H） 翻耕 => 2& 56- 2& 57- 2& 57- 2& 56-
免耕 A> 2& 57- 2& 57- 2& 56: 2& 57-
I I 不同的字母表示 4H水平差异显著I J-*K’L M)**)%’0 :N - 0,MM’O’." L1-** *’""’O 0’.)"’ L,+.,M,(-." 0,MM’O’.(’ -" 2& 24 #O):-:,*,"N *’9’*
图 7I 耕与免耕条件下的土壤微生物量碳
=,+& 7I >!’ 1,(O):,-* :,)1-LL P K.0’O #*)K+! ",**-+’ -.0 .)Q",**-+’
9& :& 9" 免耕对土壤微生物量碳的影响
土壤表层 2 3 52(1免耕地土壤微生物量碳是翻耕
地的 6& 5 倍，免耕条件下土层 2 3 52(1的微生物量碳高
于 52 3 62(1，翻耕地存在相反的趋势（图 7）。不同耕
作方式下土壤微生物量碳的变化与和土壤粉粒含量、土
壤有机质、全氮、有效磷和有效钾的变化相一致，与土壤
抗风蚀能力正相关，可以建议把土壤微生物量碳作为评
价影响土壤风蚀的一个生物学指标。
免耕地较多的土壤微生量碳与较多的有机碳源的
输入和较少的土壤扰动有关。首先，农田播种、施肥、除
草等田间管理措施都将影响土壤微生物生长的环境。土壤温度和水分的频繁变化都不利于土壤微生物的生
长和繁衍［65］。免耕由于土壤扰动少，可以调控土壤的温度和水分［66，67］，创造了更有利于土壤微生物生长的
环境。其次，翻耕农田移走了大部分产出物，由于减少的碳源输入而降低了土壤微生物的数量和种类［6C］。与
翻耕地相比，免耕地表层聚集更多的有机物质提供微生物的生长需要。
;" 结论
在农牧交错带，翻耕地风蚀模数是免耕地的 7 3 @ 倍，地表粗糙度免耕地是翻耕地的 57 倍。地表粗糙度
反映了土壤抗风蚀能力的大小，受到地表植被和表层土物理特性的影响。
（5）在土壤物理特性上，免耕土壤表层 2 3 52 (1土壤粘粒和粉粒含量比翻耕地高，表明免耕土壤通过减
少土壤风蚀使土壤表层保留更多的粘粒和粉粒含量。免耕地土层 2 3 4 (1 和 4 3 52 (1 的土壤容重、坚实度
和土壤水分都大于翻耕地，特别是免耕地土壤坚实度在 2 3 4 (1、4 3 52 (1和 52 3 62 (1 7 个土层分别是翻耕
地的 C& ?、6& @ 和 7& @ 倍，显著高于翻耕地。免耕下土壤物理特性比翻耕地更有利于抵抗土壤风蚀的强度。
（6）在土壤化学性状上，与翻耕地相比，免耕增加了土壤表层 2 3 4 (1 的全氮、有效磷、有效钾和土壤有
机质的含量。在 2 3 72 (1的 C 个测定层翻耕地的土壤有机质均小于免耕地，2 3 4 (1 和 4 3 52 (1 两个土层
差异达到 4H显著水平。因此，免耕地土壤表层通过减少土壤风蚀增加了土壤养分储备。（7）在表层 2 3 52
(1土壤免耕地土壤微生物量碳是翻耕地的 6& 5 倍，由于土壤微生物量碳与土壤抗风蚀能力紧密相关，建议把
土壤微生物量碳作为评价影响土壤风蚀的一个生物学指标。
在风蚀危害严重的北方半干旱农牧交错带，不合理的耕作引起了土地质量的退化。为了保护土壤，恢复
生态健康，采用保护性耕作措施来保护农田意义重大。
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