河南西部地区季节性干旱加剧、水土流失严重和土壤质量退化已成为制约当地农业持续发展主要因素.针对这些问题,本研究从系统论观点出发,以提高水分利用效率为核心,采用田问定位试验与模拟降雨相试验结合的方法,全面研究了保护性耕作对坡耕地土壤水分运动规律、土壤温度昼夜和季节变化规律、土壤养分和土壤硝态氮垂直时空变异特征、水土和养分流失特点、作物生长发育和产量构成的影响,系统对保护性耕作一年一熟(冬小麦)和一年两作制(冬小麦一夏玉米)的综合效应进行了比较分析,综合评价了保护性耕作经济、生态及社会效益,为豫西地区乃至广大北方旱作区保护性耕作技术的发展和推广应用提供理论指导和技术支撑.主要研究结论: 1、无论何种降水年型保护性耕作和传统耕作对0-20 cm和0-160 cm土壤贮水量周年变化及垂直变化的影响趋于一致,且前者始终保持了较高的土壤含水量.0-20 cm土壤含水量,免耕覆盖和深松覆盖比传统耕作增加6.61mm和6.3mm.无论是冬小麦生育期间土壤的水分供应,还是夏休闲土壤水分库容的恢复速度、深度和总量,保护性耕作均明显优于传统耕作. 2、免耕覆盖和深松覆盖可明显地减少坡耕地的水土流失.与传统耕作比,两种保护性耕作能延迟产流时间,缩短产流延续时间,显著降低了水土流失,减少量在80﹪以上,其中免耕覆盖的水土保持效果最好.在雨强度123mm/h,历时1h后,免耕覆盖径流量仅为传统耕作的2.51﹪,土壤流失量减少了98.58﹪.免耕覆盖和深松覆盖稳定入渗速率是传统耕作的1.40倍.两种保护性耕作降水的贮蓄增量是传统耕作的2倍多. 3、不同耕作方式0-30cm剖面土层土壤日均温度变化是单峰曲线, 1月份土壤温度最低,7月份最高.深松覆盖和免耕覆盖可以稳定土壤温度,白天升温慢,下午至夜间降温迟缓,呈现低温时有增温效应,高温时有降温效应.夏休闲14:00时土壤温度最高,保护性耕作处理的地面温度比传统耕作低2.8℃.保护性耕作低温效应能降低土壤水分的蒸发量,提高保水效果. 4、连年保护性耕作的实施明显地提高了土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷钾等养分含量,培肥了地力,削弱坡上坡下养分差异,降低了坡耕地养分富集.7年定位试验结果表明:0-10cm土壤有机质平均每年增加0.24g/kg,速效NPK养分增加1.76-5.00mg/kg.坡耕地养分流失最严重的是钾,其次是氮,磷的流失相对较小;免耕覆盖下N侵蚀量减少7.71﹪,P侵蚀量减少38.6﹪,K侵蚀量减少31.47﹪. 5、从小麦成熟到雨季中期,耕层硝态氮随水分下移到深层.0-160cm土体中,硝态氮平均含量有所增加.雨季深松覆盖和免耕覆盖土壤硝态氮含量没有出现明显的累积峰,传统耕作60cm-80cm处出现一个较大的累积峰.雨季末,长期施氮量N:135kg/hm<2>条件下,各层土壤硝态氮含量急剧增加,由原来的平均16.4﹪增加到57.7﹪.3种耕作模式相比,传统耕作形成2个累积峰且出现最深,硝态氮淋溶威胁最大;免耕覆盖累积峰出现较浅,深松覆盖无明显的累积峰. 6、保护性耕作实施随着年份增加表现出增产效果,欠水年增产显著,丰水年增产较少,不同保护性耕作措施效应不同.深松覆盖在各降水年型均增产,增产幅度为4.88﹪-20.90﹪,平均增产8.77﹪,免耕覆盖在实施初表现出显著减产.免耕覆盖对冬小麦产量的影响主要取决于年降水量及降水的分布.免耕覆盖在生育期内、夏休闲干旱及干旱年份均可显著提高小麦产量.小麦-玉米保护性耕作4种模式下,小麦增产不显著,但可显著地提高玉米产量,提高玉米的利用效率,其中夏深松秋免耕应用效果较好,可在生产上推广. 7、保护性耕作社会经济效益与生态效益显著:保护性耕作节本增收,提高了耕层土壤有机质含量,培肥了地力,提高了水分利用效率;能减少坡耕地水土流失、减低径流水土中养分的浓度、特别是遏制了土壤中硝态氮的淋溶,在一定程度上缓解了水体的富营养化.