北方农牧交错区风蚀退化农田地力至损与培育研究

张向前，路战远，，张德健，程玉臣，王玉芬，方 静，史功赋，郑海春，王 瑞，王建国

（1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；2.内蒙古大学，内蒙古 呼和浩特 010070；3.内蒙古自治区土壤肥料和节水农业工作站，内蒙古 呼和浩特 010011；4.山西省土壤肥料工作站，山西 太原 030002）

我国北方农牧交错区主要分布于年总降水量在100～450 mm、干燥度在1～2的长城沿线和内蒙古高原南部地区，横跨内蒙古、河北、山西、宁夏等9个省（自治区）的106个县（市），总面积约65.5万km2，其中耕地面积占19%左右[1-2]。内蒙古农牧交错区是我国北方农牧交错区的主体，该区域从内蒙古自治区的大兴安岭西麓起，向内蒙古自治区西南部延伸，一直到内蒙古自治区的鄂尔多斯地区。内蒙古农牧交错区主要包括呼伦贝尔市的陈巴尔虎旗、乌兰浩特市、赤峰市的林西县、通辽市的多伦县、呼和浩特市的托克托县、鄂尔多斯市的鄂托克县等64个旗（县、区），总面积达61.62万km2，耕地面积占内蒙古耕地总面积的60%以上[3-4]。内蒙古自治区既是我国主要的粮食生产基地，又是粮食调出省区之一。近几十年来，我国北方农牧交错区土地的高强度利用过程和不合理耕作导致内蒙古地区和河北省北部地区的农田土壤风力侵蚀逐渐加重，特别是内蒙古地区的草原开垦和过度放牧更是造成了内蒙古农牧交错区农田风力侵蚀日益加重的主要原因[5]。风力侵蚀不仅使我国北方农牧交错区农田地力退化，还降低了农田生态系统的生产能力，破坏了生态平衡，使该区域成为我国华北地区沙尘暴发生的主要风蚀源之一，严重制约了该区域内的经济、社会和环境协同发展[6-7]。

国内外学者关于土壤风蚀的研究较多，但在内蒙古农牧交错区乃至北方农牧交错区的研究主要集中于利用风沙学[8]、水土保持学[9]、遥感[10-11]、GIS 技术[12-13]、同位素示踪技术等方法对不同生态区土壤风力侵蚀的空间格局和侵蚀模数的定量化验算上，而对该区域风蚀退化农田耕层结构劣化的风蚀作用机制、土壤肥力下降机理、土壤持水力变化特征以及培用措施的系统研究还较少。北方农牧交错区是我国农业和畜牧业交错发展的地带，是我国生态脆弱区的典型区域，北方农牧交错区耕地的可持续利用对我国粮食安全和区域经济的发展起着至关重要的作用。同时，北方农牧交错区还是继广阔天然草原之后的我国中东部地区生态安全保障的第二道屏障，对我国生态安全的维护发挥着重要作用。本研究在定位试验、室内控制试验和模拟试验的基础上，系统分析了自2004年开始进行的风蚀退化农田地力培育试验的各项监测指标参数，结合文献资料研究阐明了北方农牧交错区的大兴安岭沿麓、燕山丘陵区以及阴山沿麓3个典型生态类型区风蚀退化农田的基本情况、耕层结构劣化机制、土壤肥力下降机理、土壤持水力变化特征，提出了北方农牧交错区风蚀退化农田耕层构建、增碳培肥等地力培育技术，旨在为内蒙古乃至北方农牧交错区风蚀退化农田地力培育与可持续利用提供理论支撑。该研究对内蒙古乃至我国生态类型相似区域的生态环境改善、区域经济发展、风蚀退化农田风蚀防治与可持续利用具有重要的意义。

1 研究区域地理信息背景概况

研究区域包含大兴安岭沿麓、燕山丘陵区、阴山沿麓3个典型生态类型区的35个旗（县、区）。其中，大兴安岭沿麓主要包括内蒙古的额尔古纳市、根河市、鄂伦春自治旗、莫力达瓦达斡族自治旗、阿荣旗、牙克石市、扎兰屯市、阿尔山市、扎赉特旗、科尔沁右翼前旗、乌兰浩特市、突泉县和科尔沁右翼中旗；燕山丘陵区主要包括内蒙古的阿鲁科尔沁旗、巴林左旗、林西县、巴林右旗、克什克腾旗、翁牛特旗、库伦旗、敖汉旗、红山区、喀喇沁旗和宁城县；阴山沿麓主要包括内蒙古的多伦县、太仆寺旗、化德县、商都县、四子王旗、察哈尔右翼后旗、察哈尔右翼中旗、达尔罕茂明安联合旗、白云鄂博矿区、固阳县和武川县。研究区域面积达45.71万km2，海拔高度为300～3 000 m，年降水量为100～550 mm，降水量从东南部向西北部逐渐减少，年降水量变率为15%～30%，年平均温度为-2.0～11.5℃，年平均风速为2.0～4.5 m/s。研究区域整体地势表现为东南高、西北低。气候类型从东南部到西北部逐渐由暖温带季风性森林草原气候向中温带大陆性荒漠气候过渡。土壤类型主要包括黑土、黑钙土、草甸土、棕钙土、褐土、栗钙土。

2 研究思路与方法

本研究主要围绕北方农牧交错区风蚀退化农田地力培育的关键科学问题和技术问题，以大兴安岭沿麓、燕山丘陵区和阴山沿麓3个典型生态类型区的风蚀退化农田为主要研究对象，自2004年开始，系统开展了植被覆盖、耕作方式、轮作休耕模式、秸秆增碳培肥、土壤改良物质施入等长期定位试验、室内控制试验和模拟试验，结合文献资料和遥感影像解译，综合分析风蚀退化农田土壤风蚀量、土壤理化性状指标、微生物学性状指标以及文献资料的指标参数，辨析了北方农牧交错区典型风蚀退化农田的发展现状和地力下降的主要影响因子及其相互关系，以阐明风蚀退化农田地力下降机理和持水力变化特征，创建北方农牧交错区风蚀退化农田地力培育的关键技术与模式。

主要数据分析软件包括Excel 2010、SAS 9.0、ArcGIS 制图软件及统计分析软件。

3 结果分析

3.1 北方农牧交错区土地风蚀退化的发展现状分析

通过对文献资料和遥感影像解译成果的分析，并结合3个典型生态类型区长期定位试验监测的数据结果可知，北方农牧交错区农田风蚀是土壤水土流失的主要自然因素之一。资料分析表明，我国对风蚀、沙尘暴现象的记载可追溯到公元前1 150年。但我国对北方农牧交错区风蚀进行系统研究的起步阶段则从20世纪50年代前后才开始，在西方土壤侵蚀学传入我国的基础上，我国学者结合历史文献资料，开始对农田土壤风蚀问题进行粗略分类和描述，初步确定我国荒漠化地区耕地面积为66.7万hm2[14]，同时还创建了一些农田防风蚀的方法和技术，该阶段可以定义为我国土壤风蚀的研究萌芽时期[6]。通过对20世纪50年代至今近70年的文献解译发现，我国土壤风蚀呈现增加趋势。20世纪50—70年代末期，我国风蚀荒漠化面积年增长为1 560km2，70年代后期到80年代中期风蚀荒漠化面积平均年增长达2 100km2，80年代后期以来平均增长达2 460km2[15]，据我国第五次荒漠化和沙化状况公报显示，2014年，全国沙化土地总面积达172.12万km2，占国土总面积的17.93%。特别是我国北方农牧交错区，荒漠化问题涉及447万hm2耕地，而荒漠化面积还在以每年1 560km2的速度逐渐扩大[16-17]。因此，加强北方农牧交错区农田风蚀防治和地力培育是农业可持续发展的关键。

3.2 北方农牧交错区风蚀退化农田地力下降机理

3.2.1 风蚀退化农田耕层结构劣化的风蚀作用机制 利用大数据分析方法对风蚀化农田耕层结构劣化的主要影响因子和主要诱因进行了研究，明确了风蚀退化农田耕层结构变化的主要影响因子，并发现由于风力侵蚀和不合理耕作方式的耦合作用，致使表土层（0～20 cm）微粒流失，且风力侵蚀是加剧表土层（0～20 cm）微粒流失的主要诱因。北方农牧交错区农田风蚀模数达12.1～60.5 t/（hm2·a），耕层厚度年均减少0.1～0.5 cm。研究发现，冬春季地表秸秆覆盖度与风蚀模数呈显著负相关关系，表土容重和紧实度与风蚀模数呈负相关关系，进而阐明了因风蚀造成农田土壤微颗粒流失而导致耕层结构劣化的机制。由于农田裸露程度加大，致使农田地表<1.0 mm的土壤颗粒大量流失，导致土表粗糙化，风蚀农田土壤物理性状变差，水分淋渗强度加大，表土层“活性黏粒”随水分渗透向深层移动淀积，填充了土壤孔隙，孔隙度减少3.8%～18.9%，紧实度升高43.1%～72.2%，耕层<1 mm土壤团聚体比例减少，土壤容重增加0.1～0.3g/cm3，固、液、气三项比例失衡，通透性下降，造成了土壤亚表层（20～40 cm）及其以下土层的紧实化，紧实度明显升高，有效耕层厚度逐年减少，加剧了耕层结构劣化。长期定位试验的监测数据研究表明，冬春季提高农田植被覆盖度以及采用表土重镇压技术是有效抑制土壤风蚀和耕层结构劣化的主要途径。

3.2.2 风蚀退化农田土壤肥力下降机理研究 长期定位监测与大数据分析结果表明，风力驱动富含养分的细微颗粒流失是导致土壤表层有机质和养分损失的主要原因，阐明了风力侵蚀与不合理耕作方式耦合作用下耕层土壤有机质与全量养分及微生物变化的互作关系，即土壤有机质含量与土壤全氮、全钾含量呈线性显著正相关，与全磷含量呈线性正相关关系，但未达显著水平，与细菌多样性指数、真菌多样性指数呈指数型正相关。通过分析土壤肥力的变化趋势发现，随着风力侵蚀强度的增大，耕层劣化程度加重，<1 mm土壤团聚体比例相应减少，微生物多样性指数逐渐降低，亚表层及其以下土层养分库容逐渐减小，养分不均衡性增加，致使土壤肥力下降。数据分析结果显示，由于风力侵蚀造成农田表层有机质年均流失可达2 105.4kg/hm2，氮、磷、钾全量养分年均流失量可达187.55，66.55，90.75kg/hm2。随着风蚀农田退化程度的增加，细菌多样性指数、细菌丰富度指数、真菌多样性指数和真菌丰富度指数均呈逐渐下降趋势，从而造成土壤生物网络功能下降、活化养分减少、土壤肥力明显下降。通过秸秆还田量、还田方式、不同肥料种类和不同作物肥料用量以及配比的田间定位监测试验表明，秸秆还田增碳、肥料合理配施是风蚀退化农田肥力提升和有效利用的技术途径。

3.2.3 风蚀退化农田土壤持水力变化特征研究 长期定位试验结合文献资料解译的结果分析发现，风蚀退化农田耕层水分的变化特征表现为：随着风蚀程度的增大，0～5 cm土层水分蒸发量加大，6～17 cm土层水分保蓄难，17～22 cm土层的水分渗透慢，进一步减小了农田耕层土壤含水量，年均土壤含水量最高降低15.1%，储水量最高可减少19.2%。研究表明，随着风力侵蚀强度的增大，土壤耕层有机质含量逐渐减少，土壤黏粒含量也逐渐降低，降低量最高可达22.4%，由于黏粒含量降低致使黏粒比表面减小，电荷量随之减少，其吸引的水分子也逐渐减少，加之土壤容重增大，总孔隙度、毛细管孔隙度降低，从而导致土壤水库容积减小，耕层土壤饱和持水量最高降低可达4个百分点，从而导致耕层持水能力不断下降。利用PCA 主成分分析得出耕层结构影响因子对土壤持水能力的贡献率，发现孔隙度、黏粒含量、有机质含量对土壤持水能力的贡献率较高，而土壤容重的贡献率较低，通过相关分析发现，土壤饱和持水量与孔隙度、黏粒含量呈显著正相关，与土壤容重呈负相关，田间土壤含水量与有机质呈正相关、与风蚀量呈负相关。3个典型生态类型区耕作方式与轮耕技术体系的定位试验证明，疏松亚表层及其以下土壤，增加其有机质和孔隙度是提高土壤持水力的主要技术途径。

3.3 北方农牧交错区风蚀退化农田地力培育技术

3.3.1 风蚀退化农田合理耕层构建技术

3.3.1.1 “深松浅翻-对角立垡重耙压”当年耕层构建技术 基于“上实”防风、“下松”蓄水的耕层构建原理，量化了不同等级风蚀退化农田深松浅翻与重耙压技术指标（表1）：当年秋季进行翼式深松25～40 cm，楔形浅翻13～25 cm，松翻间距均为35 cm，深松浅翻后实施对角立垡重耙压，耙压深度5～10 cm、镇压强度400～700g/cm2；在深松浅翻技术指标基础上，发明了“翼式深松铲”，研发了深松浅翻配套机具。集成深松浅翻-对角立垡重耙压技术和配套装备，创新了不同等级风蚀退化农田当年耕层构建技术，构建了耕层深度25 cm以上、孔隙度45%～60%的“上实”防风固土与“下松”蓄水保墒的当年合理耕层结构。

表1 不同等级风蚀退化农田深松浅翻与重耙压技术指标

3.3.1.2 “免-松-翻…休耕”多年轮耕交替耕层构建技术 基于“免耕防风固土、深松扩蓄增容、秸秆翻耕增碳、休耕扩容增蓄”等技术原理，在当年耕层构建技术与指标的基础上进行不同耕作技术交替实施，明确了不同等级风蚀退化农田耕作技术优先序，创建了年际间“免耕-深松-深（浅）翻…休耕”交替轮耕耕层构建技术。对于重度风蚀退化农田实施“免耕-免少耕-深松浅翻…休耕（3年休耕1次）”技术，中度风蚀退化农田实施“免少耕-深松-浅翻…休耕（3年或6年休耕1次）”技术，轻度风蚀退化农田实施“深翻重耙-免少耕-深松浅翻-免少耕”技术，结合地表重靶压技术，构建了耕层深度28 cm以上、表土容重1.1～1.4g/cm3、深土层容重1.0～1.3g/cm3、孔隙度55%～65%多年稳定的“上实“”下松”合理耕层结构。

本研究将当年与多年的耕层构建技术相结合，创建了年际交替稳定合理的耕层结构，与传统耕作相比，可使土壤风蚀平均减少40%以上，蓄水量增加12%～19%，有效解决了传统耕作土壤扰动大、土壤板结、耕层结构劣化等突出问题。

3.3.2 风蚀退化农田地力培育关键技术 针对风蚀退化农田有机质含量低、秸秆还田难等突出问题，研究明确了不同等级风蚀退化农田秸秆还田最优方式，量化了秸秆还田量、翻混埋深度、有机肥施用量等相关技术指标，创建了不同等级风蚀退化农田秸秆“增碳培肥”关键技术：（1）重度风蚀退化农田。实施秸秆留茬覆盖（10～30 cm）翌年免耕播种，隔1～2年秸秆全量粉碎（5～8 cm）深翻混土还田，可配施有机肥45 t/hm2以上。（2）中度风蚀退化农田。留茬覆盖春季免耕播种或全量秸秆覆盖还田，翌年春季浅旋灭茬混土（5～8 cm）后播种，隔2～3年秸秆全量深翻混土还田，可配施有机肥30～45 t/hm2。（3）轻度风蚀退化农田。秸秆全量粉碎覆盖翌年免耕播种或翻埋混土还田，隔3～4年可配施有机肥22.5～30.0 t/hm2。对秸秆翻埋混土还田可施入腐熟剂15～30kg/hm2，促进秸秆腐解。该技术可减少土壤风蚀38.7%～72.0%，土壤有机质年增加0.03～0.09个百分点，化肥施用量减少20%左右。

3.3.3 风蚀退化农田地力培育技术模式 在基础理论研究的基础上，结合立地条件、生产特点，以固土蓄水耕层构建、秸秆增碳培肥、水分增渗减蒸等关键技术为核心，集成创新了北方农牧交错区风蚀退化农田地力培育和可持续利用技术模式。

3.3.3.1 大兴安岭沿麓风蚀退化农田固土减蚀稳产增效技术模式 依据该区域作物发展的优先序和轮作制度，集成秸秆留茬覆盖、秸秆翻压还田、免耕、深松、合理耕层构建、养分扩容增效、减蒸增渗水分高效利用、减肥增效等一系列关键技术，创建了大兴安岭沿麓半湿润区风蚀退化农田固土减蚀稳产增效技术模式，利用该技术模式可有效减少土壤风蚀50%以上，水分利用率提高20%～32%，作物增产7.0%～17.1%。

3.3.3.2 燕山丘陵区风蚀退化农田保土增碳丰产高效技术模式 依据该区域作物发展的优先序和轮作制度，集成秸秆还田培肥、翻耕重耙、深松浅翻、免耕、合理耕层构建、调盈控灌节水技术、减肥增效等一系列关键技术，创建了燕山丘陵区半干旱区风蚀退化农田保土增碳丰产高效技术模式，利用该技术模式土壤有机质含量年均增加0.06个百分点以上，肥料利用率提高10.2%以上，作物增产14.1%以上。

3.3.3.3 阴山沿麓风蚀退化农田增碳节水稳产高效技术模式 依据该区域作物发展的优先序和轮作制度，集成留茬覆盖、少耕带作、免耕、深松、合理耕层构建、减蒸增渗水分高效利用、养分扩容增效等一系列关键技术，创建了阴山沿麓干旱半干旱区风蚀退化农田增碳节水稳产高效技术模式，利用该技术模式可有效减少土壤风蚀40%～70%，土壤有机质含量年均增加0.04个百分点以上，作物增产8.2%以上。

4 结论与讨论

本研究在文献资料和遥感影像解译成果的基础上，结合长期定位试验、室内控制试验和模拟试验，利用大数据分析方法研究明确了北方农牧交错区风蚀退化农田地力下降的主要原因，确定了风蚀是加剧土壤肥力下降的主要诱因，并在该基础上进一步揭示了耕层结构劣化的风蚀作用机制、农田土壤肥力下降机理和农田土壤持水力变化特征。基于风蚀退化农田土壤肥力下降的机理，进一步创研了风蚀退化农田风蚀防治关键技术和秸秆有机肥双效耦合还田增碳培肥关键技术，集成创新了北方农牧交错区风蚀退化农田地力培育技术模式，为北方农牧交错区风蚀退化农田可持续培用提供了理论依据和技术支撑。

本研究还存在一定的不足，目前国内外学术界对于风蚀造成的危险程度定义尚不统一，防治技术也因区域特点、气候条件、种植制度、耕作制度、管理方式等因素的影响存在较大差异。对于风蚀的研究需要系统分析各类影响因子的相关性以及各因子对风蚀模数的贡献率，明确风蚀发生的主要影响因子，并在该基础上进一步研究风蚀对农田地力下降的影响，创建相应的技术体系，不断完善风蚀退化农田的风蚀防治技术及措施，建立多重防治体系，只有这样，才能更好地对风蚀退化农田进行可持续培用。因此，在今后的研究中，将针对不同生态类型区的气候特点、极端风速、风速持续时间以及风蚀颗粒的运动轨迹等各指标进行综合性研究，以弥补上述研究的不足，从而能更客观、更准确地建立风蚀退化农田风蚀防治技术体系和可持续培用技术模式。