全 文 ：中国生态农业学报 2013年 1月 第 21卷 第 1期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jan. 2013, 21(1): 61−69


* ACIAR 项目[SMCN(LWR2)/1999/094]、国家科技支撑计划项目(2006BAD15B06)、国家自然科学基金项目(31160269, 31171513, 40771132,
31060178)资助
张仁陟(1961—), 男, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为保护性耕作及节水农业。E-mail: zhangrz@gsau.edu.cn
收稿日期: 2012−10−15 接受日期: 2012−10−30
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2013.00061
几种保护性耕作措施在黄土高原旱作农田的实践*
张仁陟 1,2 黄高宝 1 蔡立群 1,2 罗珠珠 1,2 李玲玲 1 谢军红 1
(1. 甘肃省干旱生境作物学重点实验室 兰州 730070;
2. 甘肃农业大学资源与环境学院 兰州 730070)
摘 要 自 2001年起, 甘肃农业大学的研究者在甘肃省定西市安定区李家堡镇布设了不同保护性耕作措施下
春小麦→豌豆和豌豆→春小麦轮作系统的定位试验, 以研究免耕不覆盖(NT)、传统耕作秸秆还田(TS)、免耕秸
秆覆盖(NTS)、传统耕作地膜覆盖(TP)和免耕地膜覆盖(NTP)等保护性耕作措施在黄土高原旱作农田生态系统
中的效应。本文就近 10年依托该试验获取的相关研究结果进行综述, 重点阐述特定土壤、气候、农作制度下
土壤理化性状、土壤微生物及其酶活性、土壤温室气体排放、作物生理生态等对上述几种保护性耕作措施的
响应。初步得到免耕秸秆覆盖措施有助于形成良好的土壤结构、减少土壤侵蚀、改善土壤持水特性、提高土壤
养分利用效率、改善土壤微生物区系、增强作物光合效能、增加作物产量等结论, 对筛选出当地适宜的耕作模
式、改善区域土壤质量、促进农业可持续发展有重要意义。在此基础上, 提出目前该项研究存在的问题和今后
重点关注的方向: 1)保护性耕作土壤碳循环机理; 2)覆盖方式的创新; 3)温室气体排放测量方法的改进与完善。
关键词 保护性耕作 作物轮作 黄土高原 旱作 土壤理化性状 耕作制度
中图分类号: S343.1 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2013)01-0061-09
Dry farmland practice involving multi-conservation tillage measures
in the Loess Plateau
ZHANG Ren-Zhi1,2, HUANG Gao-Bao1, CAI Li-Qun1,2, LUO Zhu-Zhu1,2, LI Ling-Ling1, XIE Jun-Hong1
(1. Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Land Crop Sciences, Lanzhou 730070, China; 2. College of Resources and Environ-
mental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)
Abstract An experiment was set up since 2001 to study the effects of a series of conservation tillage measures on the Loess Plateau
farmland ecosystem. The studied tillage measures included non-tillage without mulching (NT), conventional tillage with straw
incorporation (TS), non-tillage with straw mulching (NTS), conventional tillage with plastic film mulching (TP) and non-tillage with
plastic film mulching (NTP). The study was carried out by researchers from Gansu Agricultural University in Lijiabu Town, Dingxi
City, Gansu Province. Two sequences of wheat/peas rotation system were adopted, wheat→ peas and peas → wheat, under different
conservation tillage systems. The experiment was significant for screening appropriate local farming methods to improve regional
soil quality and promote sustainable agricultural development. This paper summarized the key findings of the experimental study. It
also discussed the response of soil physical and chemical properties, soil microbial activities, greenhouse gas emissions, crop
physiology and ecology to different conservation tillage systems under specific soil, climate and farming system. The conclusions
were as follows: NTS measure contributed to the formation of good soil structure, reduced soil erosion, improved soil water retention
characteristics, improved soil nutrient use efficiency, enhanced soil microbial flora, enhanced crop photosynthetic efficiency and
increased crop yield. On this basis, the identified problems and proposed future directions were: 1) soil carbon cycle mechanisms
under conservation tillage; 2) innovation of coverage modes; 3) improvements in greenhouse gas emission measurement methods.
Key words Conservation tillage, Crop rotation, Loess Plateau, Rain-fed agriculture, Soil physical and chemical property,
Farming system
(Received Oct. 15, 2012; accepted Oct. 30, 2012)
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黄土高原干旱、半干旱雨养农业区常年以传统
耕作方式对土壤进行翻耕、耙耱, 作物秸秆大量移
出后常常导致土壤侵蚀和养分流失, 使耕地质量日
趋下降, 作物产量低而不稳[1]。随着对上述问题的广
泛认识, 当地政府已在政策上作了大的调整, 其中
一个方面就是退耕还林还草。这一政策的实施, 在
一定程度上解决了坡耕地水土流失严重的问题, 但
对于长期以种植业为经济支柱的旱作农业区, 可用
于农业生产的土地面积的减少, 就意味着必须寻求
新的发展方向, 以提高单位土地生产力。有研究表
明: 保护性耕作技术在增强土壤保蓄水能力、提高
作物产量及作物水分利用效率、增加土壤生物多样
性等方面有诸多效应[2−10]。另外, 与传统耕作相比,
保护性耕作因为耕作次数的减少能明显降低农业生
产投入而倍受发达国家农民的青睐, 已在全世界范
围内得到了广泛应用[11−12]。
鉴于此, 2001 年秋季, 甘肃农业大学的研究者
在位于甘肃省定西市安定区的李家堡镇布设了不同
保护性耕作措施定位试验, 用以系统研究免耕不覆
盖、免耕秸秆覆盖、秸秆还田、地膜覆盖等一系列
保护性耕作措施对土壤理化性状及作物生理生态等
指标影响的差异。近 10年来, 研究团队依托该项试
验获取了大量研究数据。本文系统总结了特定土壤、
气候、农作制度下土壤理化性状、土壤微生物及其
酶活性、土壤温室气体排放、作物生理生态等对上
述几种保护性耕作措施的响应, 并提出目前该项研
究存在的问题和今后重点关注的方向, 为进一步系
统分析各类保护性耕作模式的生态效应及改善区域
土壤质量、促进农业的可持续发展具有十分重要的
意义。
1 试验概述
试验设在甘肃省定西市安定区李家堡镇麻子川
村东的川台地上。该区海拔 1 971 m, 年均太阳辐射
592.5 kJ·cm−2, 日照时数 2 476.6 h, 年均气温 6.4 ℃,
≥0 ℃年积温 2 933.5 ℃, ≥10 ℃年积温 2 239.1 ℃,
无霜期 140 d, 多年平均降水量 390.9 mm, 年蒸发量
1 531 mm, 干燥度 2.53。土壤为典型的黄绵土, 土质
绵软, 土层深厚, 质地均匀, 储水性能良好; 0~200
cm土壤容重平均为 1.17 g⋅cm−3。
定位试验始于 2001 年 8 月, 采用春小麦(Trit-
icum aestivum)和豌豆(Pisum sativum)双序列轮作方
式, 本文将按照 2002年豌豆→2003小麦→2004年豌
豆顺序轮作的序列简称为(W→P→W)序列, 将按照
2002 年小麦→2003 年豌豆→2004 年小麦顺序轮作
的序列简称为(P→W→P)序列。各序列分别设 6个处
理, 4次重复, 小区面积 4 m×20 m, 随机区组排列。
供试作物为春小麦和豌豆。春小麦品种为“定西
35”, 播种量 187.5 kg·hm−2; 豌豆品种为“绿农 1号”,
播种量 100 kg·hm−2。试验各处理见表 1。传统耕作
(T)、免耕不覆盖(NT)、传统耕作秸秆还田(TS)、免
耕秸秆覆盖(NTS)处理用中国农业大学研制的免耕
播种机播种。春小麦行距 20 cm, 豌豆行距 24 cm, 播
深均为 7 cm。春小麦播期为 3月中旬, 豌豆为同年
3月下旬。小麦各处理均施氮 105 kg·hm−2, P2O5 105
kg·hm−2(尿素+二铵); 豌豆各处理均施氮 20 kg·hm−2,
P2O5 105 kg·hm−2(二铵+过磷酸钙), 所有肥料都作为
基肥播种时同时施入。
2 保护性耕作的效应
2.1 土壤理化性状
2.1.1 土壤结构
大量研究表明: 以少免耕和秸秆覆盖为代表的
各种保护性耕作措施在改善土壤结构, 提高土壤各
级水稳性团聚体含量, 增加土壤持水性和通透性等
方面具有明显效果 [13−17]; 而且, 保护性耕作能够增
加地表糙度, 减轻土壤水蚀, 从而更有利于土壤物
理质量的维持和提高, 防治土壤质量退化[18−20] 。
张仁陟等[21]对该项试验实施 7 年后的土壤物理
特性进行了系统研究, 结果表明: 免耕在初始阶段
可以导致表层土壤容重增大 , 但随着时间的推移 ,
连续免耕 2~3 年以后, 土壤容重开始维持稳定不再
持续上升; 总孔隙度在 NT、TS、NTS、TP 和 NTP
处理下分别比 T 处理提高 4.81%、4.54%、4.63%、
2.14%和 5.01%; 毛管孔隙分别提高 3.92%、2.02%、
1.04%、3.45%和 4.73%; NT、NTS和 NTP处理≥0.25
mm 的团粒结构分别比 T 处理提高 7.89%、41.52%
和 9.16%; NT和 NTS处理饱和导水率分别比 T处理
提高 9.11%和 24.47%, 且上述差异均达到了 5%差异
显著水平。另外, 利用加权综合法和加乘法则计算
不同耕作方式下土壤物理质量综合指数, 结果均表
明, NTS和 NTP两个处理在两个序列下表现优异。
李爱宗、许淑青、罗珠珠等[22−26]的研究表明: 与
其他耕作方式相比, 在 0~5 cm、5~10 cm 土层中,
NTS 处理的土壤容重低、孔隙度大, 土壤结构得到
较大改善, 但 10~30 cm土层中, NT处理的容重小于
NTS处理。另外, 孙利军等[27]的研究结果也表明, 免
耕秸秆覆盖与其他处理相比, 具有降低表层土壤容
重、增加土壤总孔隙度、提高土壤有机质的作用。
2008 年, 蔡立群等[28]对不同麦−豆轮作次序下
0~5 cm、5~10 cm、10~30 cm土壤水稳性团聚体含量
的测定表明: 相对于传统耕作, NTS、TS以及 NT处
第 1期 张仁陟等: 几种保护性耕作措施在黄土高原旱作农田的实践 63


表 1 试验处理描述
Table 1 Treatments description
代码 Code 处理 Treatment 耕作方法 Description
T 传统耕作
Conventional tillage
试验地在前茬收获后 3耕两耱, 这是定西地区很典型的传统耕作方式: 8月份收获后立
即进行第 1次耕作, 8月底和 9月分别进行第 2、3次耕作, 耕深依次为 20 cm、10 cm
和 5 cm。9月份第 3次耕后耱 1次, 10月份冻结前再耱 1次。
The field is ploughed 3 times and harrowed twice after harvesting. The first plough is in
August immediately after harvesting, the second and third ploughs are in late August and
September respectively. The plough depths are 20 cm, 10 cm and 5 cm, respectively. The
field is harrowed after last plough in September and re-harrowed in October before the
ground is frozen. This is the typical conventional tillage practice in Dingxi Region.
NT 免耕不覆盖
No-tillage without mulching
全年不耕作, 播种时用免耕播种机一次性完成施肥和播种。
No-tillage throughout the experiment. Sowing seeds and fertilization were performed with
seeding-machine at the same time.
TS 传统耕作秸秆还田
Conventional tillage
with straw incorporation
耕作方式同 T, 但在结合第 1次耕作将所有前作秸秆翻埋入土。
The field is ploughed and harrowed exactly as for T treatment (3 ploughs and 2 harrows),
but with straw incorporated at the first plough. All the straw from the previous crop is sent
back to the original plot immediately after threshing and then incorporated into ground.
NTS 免耕秸秆覆盖
No-tillage with straw mulching
播种、除草方法同 NT, 收获脱粒后将全部前作秸秆覆盖在原小区。
No-tillage throughout the experiment. The ground is covered with straw of previous crop
from August till next March. All the straw from previous crop is sent back to the original
plot immediately after threshing.
TP 传统耕作地膜覆盖
Conventional tillage with plastic film
mulching
试验地耕耱同 T, 10月份最后 1次耱后覆盖塑料薄膜。膜宽 40 cm, 膜侧种作物, 因此
该处理作物宽窄行种植, 宽行 40 cm, 窄行 10 cm, 平均 25 cm。
The field is ploughed and harrowed exactly as for T treatment (3 ploughs and 2 harrows),
but covered with plastic film after the last harrow in October. Plastic film is laid out be-
tween crop rows and the covered belt width is 40 cm. Thus, the row spaces between crops
are 40 cm and 10 cm alternatively, average of 25 cm.
NTP 免耕地膜覆盖
No-tillage with plastic film mulching
全年不耕作, 覆膜及播种的时间和方式同 TP, 为避免前茬秸秆挂坏薄膜, 收获后用剪
草机剪平或耱平残茬。
No-tillage throughout the experiment. The plastic film is laid in October using same ma-
chine as for treatment TP. To avoid the damage of plastic film, the crop stubble is mowed
or/and harrowed after harvesting.

理在两种轮作次序下均能不同程度地提高各层次土壤
水稳性团聚体含量和团聚体稳定率。
由此可见, 保护性耕作下土壤结构相对于传统
耕作得到明显改善, 特别是 NTS、NTP 处理对土壤
容重、孔隙度、土壤微团聚体等指标的影响, 说明
覆盖措施抑制了地表蒸发, 防止了表土板结, 使土
壤通透性变好, 三相比更趋于合理, 从而改善了肥
力条件, 为土壤良好结构的形成奠定了基础。
2.1.2 土壤温度
土壤温度与土壤生物、化学特性及作物的生长
发育密切相关, 而在干旱和半干旱地区, 土壤温度
变化与土壤水分蒸发、渗漏以及土壤持水性状密切
相关[29]。
2002 年, 蔡立群连续 40 d 测定春小麦地表(0
cm)、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm 6个层次
的日平均土壤温度, 发现 NTS 处理具有明显的降温
作用。NTS除地表温度略接近于 T、TP、NTP处理
外, 其余层次的温度均低于其他处理 0.6~1.7 ; NT℃
和TS处理的地温状况基本相近: 日平均地温指数在
地表、5 cm、10 cm 3个层次高于其他处理, 在 15 cm
土层略高于 TP 处理, 略低于 T、NTP 处理, 在 20
cm、25 cm两个层次, 均低于 T、TP、NTP处理, 但
各层次均高于 NTS 处理; T、TP、NTP 处理的日平
均地温指数走势基本相似, 在各相同层次的指数值
相差不超过 0.7 , ℃ 但在 20 cm、25 cm两个层次较
其他处理高[30]。另外, 在对 2002—2008年不同保护
性耕作措施下春小麦田 0~25 cm 土壤 14:00 平均温
度的观测表明: 各处理 7年 14:00时, 0~25 cm土壤
平均温度分别为 T 22.84 ℃、NT 22.83 ℃、TS 22.66
℃、NTS 21.83 ℃、TP 22.29 ℃和 NTP 22.29 ℃; NTS、
TP、NTP 处理的 0~25 cm 土壤温度较 T 处理低
0.5~1.1 , ℃ 且个别年份差异达到 5%显著水平[31]。
李玲玲[32]在系统研究几种保护性耕作的效应后,
发现 NTS 处理能够显著降低观测层的土壤温度, 具
有明显的“降温效应”; NT、TS处理能提高 15 cm以
上各层次的地温, 有一定的“增温效应”; TP、NTP处
理能阻止夜间土壤温度的回落 , 有显著的“保温作
用”。这与郑华平[33]的研究结果相近。
总之, 秸秆覆盖具有稳定和缓冲土壤温度变化
的能力: 在早上温度较低时可以提高土壤表层温度,
在温度较高的下午可以减缓土壤温度的过高增加 ,
而在晚上温度降低时可以减缓土壤温度的降低, 使
土壤温度一直保持在一个稳定的状态, 这有利于调
节农田小气候, 创造作物良好的生长环境。
2.1.3 土壤养分及碳组分
罗珠珠等[34−35]研究了试验进行 6 年后不同耕作
64 中国生态农业学报 2013 第 21卷


方式下土壤肥力性状的变化, 结果表明: 与 T 处理
相比, TS和 NTS处理有机质含量分别提高 11.61%~
12.21%和 12.13%~16.99%, 全氮提高 7.29%~8.42%和
11.58%~12.95%, 全磷提高 10.35%~14.63%和 13.79%~
18.29%, 全钾提高 7.32%~7.51%和 8.78%~9.15%,
速效磷提高 11.10%~12.41%和 16.29%~20.99%, 速
效钾提高 25.11%~43.26%和 31.62%~44.22%, pH 降
低 0.11~0.17 个单位和 0.09~0.16 个单位。并利用加
乘法则和加权综合法两种模型评价了不同耕作方式
下的土壤肥力质量, 结果表明, 土壤肥力质量指数
排序为 NTS>TS>NTP>NT>T>TP(W→P→W轮作序列)
和 NTS>TS>NT>NTP>TP>T(P→W→P轮作序列)。
2006 年, 逄蕾等[36]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直接影响土壤
全碳的变化, NTS极显著提高了表层土壤全碳含量。
2007 年, 宋明伟等[37]通过耕作方式对土壤活性
有机碳影响的研究表明: 与 T相比, NTS、TS和 NT
处理有利于土壤总有机碳含量和活性有机碳含量的
提高, 并且有随土层深度的增加而递减的趋势; NT、
NTS和 TS处理有助于提高 0~5 cm土层土壤活性有
机碳占土壤总有机碳的百分率, 尤以 NTS 处理的
效果最为明显, 说明 NTS 处理的土壤碳素活性大、
易转化; 对碳库各项管理指数来说, 总体上秸秆覆
盖或还田的贡献大于耕作措施, 说明对土壤进行秸
秆覆盖或还田有利于土壤碳库管理指数提高。这与
王晶等[38]的研究结果类似。
2008 年, 毕冬梅等[39]对不同耕作措施间的土壤
有机碳、易氧化碳以及微生物生物量碳进行了测定,
计算了土壤微生物商在各个序列中的变化并对土壤
各级有机碳库进行了相关分析。结果表明, 两种轮
作次序下 TS、NT、NTS 与 T 处理相比更有利于土
壤有机碳库含量的提高, 同时各处理表层有机碳含
量明显高于其他层次并且随着土层的增加而递减。
相关分析结果显示, 土壤活性有机碳较大程度上依
赖土壤有机碳含量, 同时也说明易氧化碳与微生物
都在一定程度上表征了土壤中活性较高部分的有机
碳含量。
2009 年, 王新建等[40]探讨了土壤有机碳及活性
有机碳组分对不同耕作措施的响应 , 与 T 相比 ,
NTS、NT、NTS处理均能不同程度地提高两种轮作
次序下有机碳、易氧化有机碳和微生物量碳的含量,
说明保护性耕作有利于碳的固定和生态农业的健康
发展, 其中免耕和秸秆覆盖两部分结合效果最佳。
同时, 各处理土层的含碳量均随土壤深度的增加而
降低。相关分析表明, 易氧化有机碳、微生物量碳、
易氧化有机碳/土壤有机碳、微生物量碳/土壤有机碳
等指标对不同耕作措施产生的响应与土壤有机碳基本
一致, 它们可以作为对土壤有机碳影响的评价指标。
2011 年 , 苏琳等 [41]测定了不同土层中总有机
碳、腐殖质碳和热水溶性有机碳含量, 发现土壤总
有机碳、热水提取有机碳及 NTS和 NT处理下土壤
腐殖质碳含量在所有处理中均随土层的增加而递减,
而 TS 和 T 处理下腐殖质碳含量为 5~10 cm 土层中
最高, 0~5 cm土层最低。且在 10~30 cm土层中腐殖
质碳含量 TS>NTS。与传统耕作模式相比, 0~30 cm
土层 NTS、TS和 NT处理的土壤总有机碳、腐殖质
碳和热水提取有机碳含量均有不同程度的提高, 其
顺序为 NTS>TS>NT>T。这说明免耕秸秆覆盖有利
于土壤总有机碳、腐殖质碳和热水提取有机碳的积
累, 有利于土壤肥力的培育和提升。
2.1.4 土壤水分
水分是制约黄土高原区农业发展的瓶颈, 围绕
该项指标开展的探索一直是该区域保护性耕作研究
的重点[42−44]。
郭清毅等[14]的研究结果显示: NTS、NT、NTP
处理能够显著提高 0~200 cm 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。这种作用在降水较少年份表现更为突出, 而在降
水充沛的年份 NTS 处理则更具优势。李玲玲等[45−46]
在 2005 年对不同保护性耕作措施在土壤水分方面
的效应进行了初步总结, 发现: 不同保护性耕作措
施对表层 0~10 cm土壤水分含量影响较大, NTS 在
作物播种期可以显著增加播种期表层土壤含水量 ,
在增加作物耗水量的同时也提高了作物产量以及水
分利用效率。地膜覆盖的两个处理在有些年份也有
利于降水的高效利用和作物产量的提高, 但与秸秆
覆盖相比不利于土壤肥力的持续提高。
蔡立群等[47]通过中长期保护性耕作试验, 对不
同耕作措施后土层土壤的水分特征曲线、土壤饱和
导水率进行了测定。结果表明: 两种轮作序列下, 不
同耕作措施 0~30 cm土壤水分特征曲线在水吸力为
5 bar和 15 bar时几近重合, 只在 3 bar、1 bar和 0.5
bar 时出现差异; Gardner 模型拟合的结果显示: 在
0.5~15 bar 吸力范围内, 其水吸力与含水量之间的关
系符合幂函数式 S=Aθ−B这一关系式, 且相关系数均达
极显著水平, NTS和 NTP两个处理较 T处理改善了
土壤持水性能, NTS可以显著提高土壤饱和导水率。
2009 年, 王晓娟等[48]就保护性耕作措施下农田
蒸发蒸腾特性开展了研究, 结果显示: NTS 能够增
加作物生长期间总蒸散量(ET), 两种轮作序列下春
小麦田和豌豆田的总蒸散量均表现为 NTS>T>NT>
TS。传统耕作处理土壤棵间蒸发量(E)均高于免耕,
第 1期 张仁陟等: 几种保护性耕作措施在黄土高原旱作农田的实践 65


春小麦田的土壤棵间蒸发量表现为 TS>T>NT>NTS,
棵间蒸发量占总蒸散量的比率(E/ET)依次为 53.8%、
48.8%、37.2%和 34.9%; 豌豆田棵间蒸发量表现为
T>TS>NTS>NT, 棵间蒸发量占总蒸散量的比率依
次为 44.1%、40.9%、35.1%和 33.3%。这与高国录
等[49]在 2006年所做的部分工作结果相似。
由此可见 , NTS 处理可以减少表层水分蒸发 ,
增加表层土壤含水量, 对作物生长具有重要意义。
2.2 土壤微生物及其酶活性
何玉梅[50]系统研究了不同保护性耕作措施下土
壤微生物数量及多样性的变化, 发现在不同季节和
不同种植方式下, 免耕处理 0~30 cm 土层土壤的微
生物数量均高于翻耕处理, 其中 NTS 处理显著高于
T处理。赵有翼等[51]、汪涓等[52]的试验结果表明: 土
壤氨化细菌、硝化细菌、自身固氮菌数量均呈现
NTS>TS>NT>T 的趋势, 且随着土层的加深, 在春
小麦田中, NTS处理的氨化细菌数量比 NT均有显著
增加, 且差异均达到 5%显著水平, 说明秸秆覆盖不
仅可以提高土壤肥力, 而且可以提高土壤自身的固
氮能力, 这对土壤肥力的持续提高将产生长久的良
好影响。
罗珠珠等[34]的研究结果表明: TS处理可以显著
提高土壤表层的有机质、全氮、全磷、全钾和 3 种
水解酶活性, 但对较深土层的影响并不很明显。水
解酶活性反映着黄土高原雨养农区土壤肥力水平的
高低。土壤微生物活性的提高和活动的加强, 必将
促进秸秆的分解和转化, 进一步改善土壤环境, 而
这又会增强土壤酶活性和微生物的活动, 形成互促
效应。杨招弟等[53]、高秀君等[54]的研究结果表明: 与
T处理相比, NT、NTS和 TS处理均可使土壤酶活性
增加, 表层土壤越加明显; 脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸
酶等水解酶活性在耕翻处理下随土层的加深呈先增
加后降低的趋势, 而在免耕处理下随土层的加深而
减少; 过氧化氢酶和多酚氧化酶等氧化还原酶活性
均随土层的加深而减少, 而且 5 种土壤酶活性之间
的相关性都达到显著相关。
总之, 保护性耕作, 特别是免耕秸秆覆盖能明
显提高土壤微生物的数量及酶活性。
2.3 土壤温室气体通量
钱美宇[55]对各处理农田土壤温室气体通量的研
究结果表明: NTS、NT、NTP 处理都具有降低 CO2
通量的作用, TS 和 TP 有增加 CO2通量的作用, 且
TS 较 TP 明显; 同一耕作措施下, 春小麦不同生育
时期 CH4通量无显著差异, 但 N2O 通量都有随地温
增加而增加的趋势。刘博 [56]在研究春小麦成熟期
CO2和 N2O 排放日变化规律的基础上, 得出 CO2排
放通量明显表现为翻耕处理(TS、T)>免耕处理(NTS、
NT)(除 16:00 时观测值外), 日最高排放值出现在
14:00, 最低排放值出现在 3:00; N2O 排放通量在
10:00、18:00、22:00 时, 表现为翻耕处理(TS、T)>
免耕处理 (NTS、NT), 其余观测时段均表现相反 ;
CO2和 N2O排放通量均与地表温度、5 cm地温和气
温呈极显著正相关性; 且 CO2 排放通量与气温的相
关系数最高, 均为 0.95, 呈指数函数关系; N2O排放
通量与地表温度的相关系数最高, 分别为 0.86 和
0.88, 呈线性函数关系。
汪婧等[57]2010年的研究结果表明: 与 T处理比
较, NTS 有利于减少土壤 CO2排放通量, NT、NTS
及 TS 处理均能不同程度地增加 CH4吸收通量、减
少 N2O 排放通量。综合来看, NT、NTS 及 TS 处理
有助于减少土壤温室气体的排放量, 均表现出 CO2
源、N2O 源和 CH4汇的功能, 且发现土壤温度是造
成农田 CH4、CO2和 N2O 通量生育期季节变化差异
的主要原因之一, 土壤温度与 CO2和 N2O 的吸收通
量均呈显著正相关关系, 与 CH4 吸收通量呈负相关
关系。
王娟[58]应用 CO2 分析仪、静态箱−气相色谱法
对 2011年度农田土壤 CO2、N2O和 CH4的排放通量
进行了连续观测, 并探讨了各环境因子对温室气体
排放的影响, 其结果表现为: NTS和 NT处理较其他
处理可明显降低农田土壤 CO2 排放; 整个测定期内
农田土壤均表现为 N2O 源, CH4 的净吸收汇, 并且
N2O的高排放主要集中在作物生育期内; TS、NT、
NTS 处理均显著增加了土壤对 CH4的吸收, 有效减
少了 CH4排放; CO2、N2O排放通量与不同层次的土
壤温度均呈正相关关系, CO2、N2O的排放通量与地
表温度和地下 5 cm处土壤温度呈极显著正相关关系,
与地下 10 cm处的土壤温度呈显著正相关关系; CH4
吸收通量与不同地层的温度之间相关性不显著 ;
W→P→W 序列和 P→W→P序列各处理下 CO2的相
对增温潜势最大 , W→P→W 序列各处理下全年
CO2、N2O 和 CH4排放的综合 GWP(全球变暖潜势)
表现为 TS>T>NTS>NT, TS 处理对大气温室效应贡
献最多, 相反 TS 处理能相对减少温室气体排放量,
从而降低温室效应; P→W→P序列 T处理综合 GWP
最高, 对温室效应的贡献是 TS的 1.23倍, TS处理对
大气温室效应贡献最小, 对温室气体有减排效应。
2.4 作物生理生态
李成有等[59]研究了不同耕作措施下旱作春小麦
和豌豆叶水势的变化特征, 结果发现 NTS 处理各生
66 中国生态农业学报 2013 第 21卷


育期春小麦和豌豆叶水势的日均值均高于其他处理,
且 NTS、NT、TS 处理下叶水势与土壤含水量之间
呈显著正相关。这与张鸣等[60]的研究结果相近。蔡
立群[31]的研究结果表明: NTS 处理在拔节、抽穗、
开花和灌浆期的叶水势均值分别比 T 处理高 0.32
MPa、0.20 MPa、0.20 MPa和 0.26 MPa, 而 TS和
NT处理依次居于上述两种处理之间。
练宏斌等[61]研究了不同耕作措施下春小麦旗叶
光合生理特性的变化。结果表明, 不同耕作措施下
旗叶光合速率(Pn)从孕穗到完熟期均呈逐步下降的
趋势, 但 NTS、TP和 NT处理的 Pn在乳熟期有小幅
度回升。与处理 T相比, NTP、TP、NTS、NT以及
TS处理的平均 Pn和平均蒸腾速率(Tr)均有所增加。
周静等[62]的研究结果表明: 与 T相比, NTS、NT和
TS均能不同程度地提高拔节期、孕穗期、灌浆期春
小麦叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度以及叶
绿素含量。
蔡立群[31]统计了 2002—2008 年两种轮作次序
下作物产量的差异: 两种轮作次序下, 各处理的产
量在各年度的表现均不一致, 但总体上 NTS、TP、
NTP 处理的产量表现较为突出。通过两种轮作次序
下各处理在 2002—2008 年的合计产量累加结果可
知: 7 年间, 在 W→P→W 序列下(3 茬小麦, 4 茬豌
豆), NTS处理作物累计产量为 12 384.53 kg⋅hm−2, 分
别比 T、NT、TS、TP、NTP处理提高 19.88%、20.60%、
13.45%、5.85%、3.34%; 在 P→W→P序列下(4茬小
麦, 3茬豌豆), NTS处理作物累计产量为 12 122.80
kg⋅hm−2, 分别比 T、NT、TS、TP、NTP 处理提高
23.22%、32.61%、17.05%、8.09%和 15.16%, 可见
NTS处理有较为出色的产量效应。
3 问题与展望
3.1 保护性耕作下黄土高原旱作农田土壤碳循环
机理
黄土高原农业生产面临着提高土壤肥力和稳定
耕地生产能力的双重压力和挑战。但该区耕地地力
不稳、有机碳水平较低的现状又为实行固碳农业带
来了机遇。因此, 充分利用该区耕地土壤碳循环与
固碳上的特异性: 特殊的农业资源利用背景、特殊
的驱动机制(生物气候、土地经营和农田管理)与特殊
的矛盾(固碳与稳产), 深入开展研究, 一方面可形成
和发展具地域特色的以人为管理过程−自然生物过
程相互作用为研究主线的耕地土壤碳循环理论体系,
另一方面, 认识耕地固碳与生产力保持的耦合机制,
评估并明确区域土壤固碳稳产的潜力、幅度及社会
经济可行性, 评价和构筑农业固碳稳产的农田技术
体系与管理调控途径, 可为该区建立农业固碳与生
产力稳定的长效机制和温室气体减排的环境提供可
靠的依据。
3.2 不同地形下覆盖方式的创新
由甘肃省广大农技人员创新探索、组装配套的
“全膜双垄沟播”技术, 集工程措施与生物技术相结
合、蓄墒技术与保墒技术相结合、传统抗旱措施与
现代抗旱技术相结合、良种与良法相结合、农机与
农艺相结合, 变单一的抗旱技术为综合的抗旱技术,
从根本上解决了该区春季降雨少、作物无法出苗和
保苗的难题。在黄土高原丘陵沟壑区开展的保护性
耕作技术的相关研究与示范, 积累了一定的基础与
经验 , 但目前尚未与玉米全膜双垄沟播有机结合 ,
且在实践中未形成建制规模。因此, 在黄土高原丘
陵沟壑区针对地形特点, 分别在坡耕地和川台地结
合保护性耕作技术与玉米全膜双垄沟播进行研究与
示范, 通过创新集成少免耕、秸秆覆盖、地膜覆盖
等技术, 将保护性耕作与玉米全膜双垄沟播、作物
轮作相结合, 建立既能适应结构调整, 又能肥田增
收的保护性农作制度, 在增加产量的同时减轻坡耕
地水土流失、提高川台地水分利用效率和土壤肥力,
对黄土高原丘陵沟壑区农业发展将有重大意义。
3.3 温室气体排放测量方法的改进与完善
虽然应用静态箱法收集气体样品并测定其中
NO、CH4通量, 应用 EGM-4呼吸仪法测定 CO2气体
等方法在不断改进与完善, 但各种方法均存在不可
避免的缺陷, 特别是难以区分土壤微生物活动与植
物根系对温室气体排放的影响, 很可能成为在全球
水平估计碳循环和碳库产生不确定性的主要错误
源。目前, 土壤根系呼吸及微生物呼吸等各主要组
分间区分的方法和技术还不成熟, 根去除法误差较
大, 同位素标记法存在成本过高、数据处理较难的
缺点。综合来看, 现今的任务在于改进技术, 更新设
备, 精确测定土壤呼吸强度, 准确区分土壤各呼吸
组分, 从而掌握土壤呼吸机理, 并通过作物因子和
土壤特性的分析探讨不同耕作技术体系影响温室气
体排放的内在机制, 明确影响旱地温室气体排放的关
键土壤参数及其土壤碳汇功能在温室气体减排中的作
用, 并探讨土壤碳汇与作物增产的耦合机制。
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