北方农牧交错带旱地农田土壤干旱化机理及其恢复力研究

Soil aridification, more and more serious in recent 30 years, has made great effects on the agricultural production and the ecological construction in the farming-pastoral ectone of North China. It is an urgent scientific issue how to face the soil aridification. Based on agricultural meteorological observational data and the field experiment, this project is to analyze the space-time characteristics of the field soil water change, to study the influencing mechanism of climate change and agricultural production activities on field soil water, to find out the relationship between field soil water change and ecological system change, and to put forward some measures for controlling the soil water to conserve ecology and adapt to the climate change by resilience assessment. This research could provide the scientific basis for decision-making for sustainable agricultural development and ecological construction.

近30年来，北方旱地农田土壤出现了明显的干旱化趋势，对农田生态系统与农业生产产生了重大影响，预防和应对农田土壤干旱化是区域农业生产与生态建设面临的重要与紧迫任务。项目基于长期农业气象观测与田间实验数据，系统研究近30年来北方农牧交错带气候变化与旱地农田土壤干旱化的时空特征，探讨气候变化、农业生产活动与农田土壤水分的相互关系及农田土壤水分与生态系统状态的相互关系，揭示农田土壤干旱化机理及生态系统的响应机制，通过生态恢复力评价提出面向生态保护的农田土壤水分利用与调控对策，以期为北方旱地农业可持续发展与生态建设决策提供科学依据。

项目基于历史气象、农业气象数据及田间实验数据，系统分析了近50年来北方农牧交错带的气候变化与旱地农田土壤干旱化的时空特征，探讨了气候变化、农业生产活动与农田土壤水分变化、生态系统演变的相互关系，揭示了旱地农田土壤干旱化机理，建立了生态系统恢复力评价方法，评价了近几十年来农田生态恢复力的变化，面向生态保护提出了水分利用与调控对策。结果表明：近50年来，北方农牧交错带暖干化特征明显，年平均温度每10年升高0.40℃，降水50年来减少40.0mm左右。气候变化背景下，北方农牧交错带面积扩大了22%。近30年，区域农田土壤水分含量下降明显，生长季内0-50cm内的容积含水量每10年下降幅度达到1.1%-1.5%；田间实验表明，不同作物、不同耕作措施、不同种植方式、不同施肥水平、不同覆膜方式显著影响着农田土壤水分；模型与统计分析表明，相对湿度和降水是引起土壤水分变化的正因子，温度、风速和日照时数是引起土壤水分变化的负因子；温度、降水能够解释土壤含水量15-62%的变化，1981-2010年气温对平均土壤湿度的贡献为-3%~-33%，降水对平均土壤湿度的贡献为-7%~4%，且大部分区域表现为负贡献，平均温度和降水对平均土壤湿度的综合贡献为-11.2%，其他为农业生产活动的影响。干旱化引起农田生产力下降趋势明显，旱地农田生态系统呈现退化趋势。土壤水分弹性指数（SWRI）表明，区域旱地农田在1981-2010年间恢复力呈现出下降趋势。研究提出，北方农牧交错带须从适应气候变化、改善农业生产两个角度，通过调整种植结构、降低农事强度、适当休耕、合理翻耕、施行保护性耕作、合理施肥等途径恢复土壤水分，保护生态，促进区域可持续发展。