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中国沙漠, 2025, 45(4): 253-261 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00115

科尔沁沙地农田面积变化特征与沙尘源治理对策

王宁,1,3, 丛安琪1,3, 陈雪萍1,3, 刘新平,1,2

1.中国科学院西北生态环境资源研究院,奈曼沙漠化研究站,甘肃 兰州 730000

2.中国科学院西北生态环境资源研究院,干旱区生态安全与可持续发展全国重点实验室,甘肃 兰州 730000

3.中国科学院大学,北京 100049

The characteristics of farmland area changes and dust source control in the Horqin Sandy Land

Wang Ning,1,3, Cong Anqi1,3, Chen Xueping1,3, Liu Xinping,1,2

1.Naiman Desertification Research Station /, Northwest Institute of Eco-Environment and Resource,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

2.State Key Laboratory of Ecological Safety and Sustainable Development in Arid Lands, Northwest Institute of Eco-Environment and Resource,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China

3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

通讯作者: 刘新平(E-mail: liuxinping@lzb.ac.cn

收稿日期: 2025-05-22   修回日期: 2025-07-11  

基金资助: 内蒙古自治区防沙治沙科技创新重大示范工程“揭榜挂帅”项目课题.  2024JBGS0005-1
干旱区生态安全与可持续发展全国重点实验室交叉创新团队项目.  E451890201
内蒙古自治区科技计划项目.  2022YFHH0063

Received: 2025-05-22   Revised: 2025-07-11  

作者简介 About authors

王宁(1987—),男,甘肃会宁人,博士研究生,主要从事农业生态学研究E-mail:wangning@nieer.ac.cn , E-mail:wangning@nieer.ac.cn

摘要

研究区域土地利用变化特征并寻求其合理利用的途径,对于区域可持续发展具有重要意义。以科尔沁沙地农田面积变化为切入点,梳理了该区域农田面积的历史变迁与现状,重点探讨了农田面积变化对农田风蚀的影响,提出了农田沙尘源治理的有效途径和方法。建议加强尘源地农田监控与预警、加强农田防风体系建设,对农田防护林进行全方位建设和管理,从而充分发挥其重要防风屏障功能;通过实行保护性耕作、冬季作物覆盖种植等措施减弱风蚀,提高农田土层保护能力;加强农田土壤水分和养分综合管理,大力推广节水灌溉和土壤有机培肥等措施,实现水肥资源的高效利用和土壤质量的综合提升;针对不同旱作和灌溉农田进行分类实施治理与调整管理,提高治理综合效率。

关键词: 科尔沁沙地 ; 土地利用 ; 农田面积 ; 沙尘源 ; 土壤质量

Abstract

Studying the characteristics of land use change and exploring pathways for its rational utilization are of great significance for regional sustainable development. Taking the changes in farmland area of the Horqin Sandy Land as an entry point, this paper reviews the historical evolution and current status of farmland area in this region, focusing on the impacts of farmland area changes on regional groundwater and farmland wind erosion. Effective approaches and methods for controlling farmland dust sources are proposed. It is recommended that farmland management in the Horqin Sandy Land include: enhancing the monitor and early warning systems for farmland in dust source areas; strengthening the construction of farmland windbreak systems through comprehensive development and management of shelterbelts to fully leverage their critical windbreak functions; reducing wind erosion and enhancing soil conservation capacity by implementing conservation tillage and winter cover cropping; improving integrated management of soil moisture and nutrients by vigorously promoting water-saving irrigation techniques and soil organic fertilization measures to achieve efficient utilization of water-fertilizer resources and comprehensive enhancement of soil quality. Implement classified treatment and adjusted management for different rainfed and irrigated farmlands to enhance comprehensive governance efficiency.

Keywords: Horqin Sandy Land ; land use ; farmland area ; dust source ; soil quality

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本文引用格式

王宁, 丛安琪, 陈雪萍, 刘新平. 科尔沁沙地农田面积变化特征与沙尘源治理对策. 中国沙漠[J], 2025, 45(4): 253-261 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00115

Wang Ning, Cong Anqi, Chen Xueping, Liu Xinping. The characteristics of farmland area changes and dust source control in the Horqin Sandy Land. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(4): 253-261 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00115

0 引言

科尔沁沙地位于中国东北西部(42°15′—45°47′N,119°15′—123°45′E),总土地面积约为5.27万km2,地处内蒙古高原向东北平原的过渡区域1图1)。该区域属于半干旱大陆性季风气候,年均降雨量300~450 mm,年蒸发量2 000~2 500 mm,降雨量年内分配不均,70%~80%发生在7—9月。土壤类型主要为风沙土、栗钙土、草甸土和盐碱土,其中风沙土所占比例最大,约为科尔沁沙地土壤总面积的75%,可分为固定、半固定和流动风沙土。植被以疏林草原为主,同时向次生植被演替,河流主要为西辽河水系2-3。科尔沁沙地曾经是草原,但受自然因素和人为因素的综合影响,逐步演变为中国面积最大的沙地4。该区域是中国北方农牧交错带典型的生态脆弱区,水土流失、土地沙漠化和北方风沙源等环境问题显著且集中5-6,与此同时,还是中国重要的商品粮和畜牧业生产基地、能源基地,以及中国生态安全的重要屏障,承担着重要的经济、社会和生态功能7,因此,科尔沁沙地的治理与可持续发展受到了广泛的关注。

图1

图1   科尔沁沙地空间分布

注:基于自然资源部标准地图服务网站标准地图(审图号:(2019)1822号)制作,底图边界无修改

Fig.1   Spatial distribution range of Horqin Sandy Land


自20世纪末以来,随着国家政策的大力支持,依托“三北”防护林工程、京津风沙源治理工程、退耕还林(还草)工程等国家重点林业项目,通过区域防沙治沙工程的组织实施,并且在特定气温、降水等自然因素的驱动下,科尔沁沙地的生态建设进入了一个快速发展新阶段,并取得了显著成效2。研究显示,1990—2020年,科尔沁沙地轻度荒漠化土地面积呈现增加—快速减少—稳定趋势,中度沙漠化土地呈现增加—急剧减少—缓慢减少趋势,严重沙化土地呈现增加—迅速减少—稳定趋势8。在2000—2020年,科尔沁沙地植被改善的面积占沙地面积的89.31%,其中显著增加(95%)占比为68.31%9。总体来看,科尔沁沙地近30年来沙化土地呈现扩张—快速减少—稳定的发展格局,改善的区域面积远远大于退化区域,植被呈持续好转状态10。但在全球气候变化的背景下,科尔沁沙地生态环境具有显著的不稳定性和脆弱性,特别是随着人口的快速增长,日益增长的粮食需求导致农田面积持续增加11。农田面积的持续扩张不仅造成地下水资源的大量消耗,而且造成草地、林地、裸地和水域面积的减少,土地承受压力不断增加,人地矛盾更加突出,当地生态环境更加脆弱。农田已经成为科尔沁沙地较强的沙尘源区12。因此,在草地、林地以及沙丘等土地类型均已得到有效治理的前提下,农田沙尘源治理已经成为科尔沁沙地治理环节中最关键最紧要的任务。

随着人类活动对科尔沁沙地土地利用的影响不断加深,科尔沁沙地生态环境正经历着快速而广泛的变化,而以农田开发利用过程为代表的土地利用变化特征是生态环境演变的主要影响因素和重要组成部分13。因此,研究科尔沁沙地农田开发利用历史变迁、现状以及探讨其可持续发展和生态环境协同改善的途径与方法,对于区域土地资源合理利用、生态环境建设、粮食安全维护和经济社会可持续发展具有重要意义。以往研究多聚焦于科尔沁沙地土地利用多种类型变化特征、沙尘源空间格局与转化机理以及综合防治策略等问题的分析,而以某种土地利用类型(如农田)为线索,通过系统性探讨其变迁特征、对生态环境的影响以及综合治理等的研究相对较少。基于此,本文以科尔沁沙地农田面积变化特征为切入点,简要梳理该区域农田历史变迁与现状、对农田沙尘源形成的影响,并提出农田沙尘源治理的有效途径和方法,为区域沙漠化防治提供参考。

1 农田面积历史变迁

1.1 清代农田面积变化

清代不仅是科尔沁现代农业雏形和农牧交错区形成和发展的起始点,也是几个世纪以来农耕文化不断拓展的转折点14。清代初期(顺治元年),在科尔沁沙地就出现了垦荒现象,但农业规模较小,垦荒的农田面积也较小,仍处于以牧为主的经济状态。康熙三十七年,科尔沁南部施行放垦,科尔沁沙地沙丘间肥沃土地逐渐得以开垦,哲里木、昭乌达、卓索图三盟各旗开始建立了备荒的粮仓15。清朝中叶,科尔沁沙地施行了招垦,但由于当时的招垦仅是为了控制私垦而定的政策,垦殖面积仍然较小。在嘉庆年间,随着招垦规模的扩大和范围的扩展,以及管理机构的设置(如长春厅、昌图府),农耕得到了快速的发展并延伸到科尔沁地区,逐渐形成了两大农业区,一个是以长春厅为中心的郭前旗农业区,沿伊通河、饮马河、雾开河、松花江流域分布;另一个是以昌府为中心的科左三旗南部农业区,沿辽河两岸至新开河流域分布16。清朝后期,光绪二十八年(1902年)颁布“移民实边”新政,使得哲里木盟科尔沁右翼三旗、扎赉特旗、杜尔伯特旗、郭尔罗斯后旗的垦殖面积逐渐扩大。到1912年,仅哲里木盟已垦地面积就占总土地面积的16.13%,占已放垦土地面积的41.91%17-18。此时这里的农耕北界从清朝初期的沿“柳条边墙”向北跃至西辽河-洮儿河流域,逐渐形成了较有规模的科尔沁沙地农耕区。清代科尔沁沙地农田开垦利用变化呈现几个特点:一是农耕北界显著北移,从清代初期的40°—42.5°N至清末已推进到44.8°—45.5°N;二是从“边墙”外围推进到了科尔沁腹地,科尔沁从纯牧区变成了典型的农牧交错区。

1.2 民国时期农田面积变化

民国初期,北洋政府移民放垦政策的继续实行,使科尔沁的闲荒地得到进一步的开垦。到1915年,科尔沁主要旗县的耕地总面积占土地总面积的2.27%,占可耕地面积的7.72%18。农耕沿着西拉木伦河和西辽河以及洮儿河两岸延伸,在科尔沁及其周围地区形成了大片农牧交错区,到20世纪20年代,这一片耕地面积占土地总面积达到了50%18。伪满时期,科尔沁大部分旗县划入了“兴安南省”和“兴安西省”,由于当时国内国际局势的动荡不稳,科尔沁地区有组织、有计划的规模化放垦活动趋于停滞,私自民垦是该阶段科尔沁地区垦殖的主要渠道。20世纪30年代初,“兴安南省”和“兴安西省”大部分旗县的已耕地面积占可耕地面积比例超过66%,科左前旗、科左后旗和库伦旗比例超过90%以上16。由此可见,大部分适宜开垦的土地基本得到了全面垦殖,西辽河平原、洮儿河中上游沿岸以及开鲁等地已演变为农耕区,但到20世纪40年代中期,科尔沁的农耕区北界总体上仍在洮南-开通-郑家屯-通辽一带,123°E以西地区仍然保持着纯牧状态,零散的私自垦殖并未使科尔沁农耕区有太大的拓展19。民国时期,科尔沁沙地农田开发利用变化以零散民垦为主,主要在清末已放垦的土地,农耕北界并未明显发生北移,但水土条件较好的区域已被开垦完毕;过度垦殖导致部分地区出现土地退化现象,土壤风蚀加剧,虽然尚未形成规模化,但也为后来的荒漠化埋下了隐患;此外,垦殖活动使草地面积发生缩减而农田面积比例上升。

1.3 1949年后农田面积变化

1949年后,随着科尔沁地区人口的不断增长与土地政策的改革,在1949—1960年,科尔沁沙地耕地面积以2.54%速度快速增长,之后基本保持稳定。而在近30年,科尔沁沙地农田面积和占总面积比例均呈现快速增长趋势(图2)。1990年科尔沁沙地共有土地面积约为1,163.35万hm2,其中耕地面积约为245.89万hm2,占总土地面积的20.7%。1991—1996年,科尔沁沙地耕地面积快速增长,每年平均增速为3.14%,到2000年农田面积达到283.29万hm2,占比为24.33%,其主要原因为此阶段由计划经济向市场经济进行转变,粮食价格稳中有升,农民种地积极性得到了较大的调动20。从2007年开始,随着退耕还林政策的调整,科尔沁地区耕地面积快速增加,其中在2010年,科尔沁沙地耕地面积为300.34万hm2,占比为25.82%,增加了17.05万hm2。科尔沁沙地各土地利用类型中,农田面积在1990—2020年共增长了5.91%,平均每10年增长1.97%21图3),其中草地面积约97.93万hm2转向为农田,占总转入面积的75.0%,为各土地类型中转向农田的首要来源(图4),其他类型土地转入占总转入面积的25.0%,同时,农田面积的流出量也高达62.13万hm2

图2

图2   科尔沁沙地近30年来农田面积及所占比例

Fig.2   The changes in cropland area and its proportion in the Horqin Sandy Land over the past 30 years


图3

图3   科尔沁沙地近30年来各土地利用类型所占比例变化21

Fig.3   The changes in the proportion of various land use types in the Horqin Sandy Land over the past 30 years21


图4

图4   科尔沁沙地近30年来各土地利用类型转移桑基图21

Fig.4   The transfer Sandji of various land use types in the Horqin Sandy Land over the past 30 years21


新中国成立后至今,科尔沁沙地农田变化经历了从较大面积扩张到生态治理与可持续利用的转型,呈现垦殖扩张—生态退化—治理修复的发展。一是农田面积持续扩大与农耕北界继续北移,沙地腹地出现大规模的农田;二是农田与草地、沙地等不同土地利用类型间频繁转换;三是由垦到治转变,多重生态修复工程及相关政策实施,如“三北”防护林工程、退耕还林还草、山水林田湖草沙一体化治理,对于平衡区域粮食安全、经济发展与生态环境保护,实现区域的可持续发展具有重要意义。分析科尔沁地区农田面积变化的时空特征,自清代以来,科尔沁每次的开垦高峰与农田面积增加都伴随着人口的大量流动与人口密度的增加,急剧增长的人口对物质需求的增加是导致该地区农田大规模开垦的根本驱动因素20

1.4 科尔沁沙地农田及农业生产概况

科尔沁地区目前是中国重要的粮食产区和商品粮基地,在作物种植类型中,玉米播种面积稳定在60万hm2左右,占农作物播种面积的60%以上22,玉米种植比较效益较高,还能为养殖业提供饲草。科尔沁沙地农田土壤类型以风沙土、沙质栗钙土、草甸土为主,其特点是沙物质含量高而养分含量低,保水保肥性差且养分不平衡,并存在养分利用效率低和资源浪费等问题23。科尔沁沙地多年平均降水量为250~500 mm,且降水量年际变化大,农业用水高度依赖地下水。近年来,虽然该区域大力发展浅埋滴灌等节水技术,但地下水水位下降的趋势仍在持续,水资源短缺和农业用水需求增加的矛盾仍是限制当地农业可持续发展和沙地生态恢复的重要因素24。农牧业是科尔沁沙地经济发展的主导产业,随着区域人口的不断增长,人口压力下的高强度农业生产和经济发展需求,促使当地农业种植逐渐形成了高投入、高收入的观念3,人们普遍重视经济效益但对生态效益的重要性认识还不足,另外,虽然在农业种植管理技术方面取得了较大进步,但整体上仍然较为简单粗放。

2 农田面积变化的自然环境效应

经过一百多年的大规模开垦,农业已成为科尔沁地区的主导产业,原来以牧业为主的大多数地区演变为农牧业并存的经营交错带。这里土地利用结构和生产方式发生了显著变化16,这些变化深刻影响着区域农业生产、生态环境保护、资源利用和经济社会发展的各方面。科尔沁沙地农田面积的增加对于满足区域人口不断增加的对粮食生产的需求和经济发展具有重要的推动作用,特别是部分先进农业技术如浅埋滴灌水肥一体化、作物秸秆饲料化利用、播种和施肥及收获全程机械化的推广在提高农牧民收入、促进牛羊养殖业及助力乡村振兴方面发挥了重要作用,而且有研究表明,农业生产中相关技术的进步能够减缓沙漠化的发展,即对沙漠化起到了一定的直接或间接作用25。但在农田大面积扩张背景下,“广种薄收”“掠夺式农业生产”等较为落后的种植方式和粗放的田间管理模式下,过垦、撂荒现象频现,在区域特殊气候因子的作用下,农田面积变化对地下水资源和农田土壤风蚀的影响尤为明显。

2.1 农田面积变化与地下水资源

农业用水是科尔沁沙地的主要耗水类型,在所有耗水类型中占比达到80%左右26。随着人口的增长和经济的发展,区域水资源需求量不断加大,特别是玉米等耗水农作物种植面积的不断扩大,在气候暖干化趋势变化的共同驱动下27,导致科尔沁沙地地表水资源的减少和地下水水位不断下降,水资源供需矛盾日益突出28,成为制约农业生产的关键因子29。近年来,科尔沁沙地灌溉农田进行了由传统地面灌溉到浅埋滴灌高效节水模式的转变与应用,不仅提高了灌溉水生产率,有效减缓了地下水埋深的下降速率,减少了可溶性盐随潜水的蒸发向土壤表层的聚集,具有节水增产、减少污染和提高效益的综合优点30。但部分研究也表明,浅埋滴灌技术对地下水的补给作用不及大水漫灌和管灌,在原有灌溉面积上的高效节水灌溉推广有利于减缓地下水位的下降,而如果是新增扩大的灌溉农田面积,则可能会加剧地下水资源的消耗,导致地下水位下降30。此外,在农业灌溉的过程中,未能结合当地降雨及作物生育期耗水需肥规律,盲目灌溉、过量灌溉仍较为普遍,不仅造成水资源的大量浪费,地下水得不到有效补给,而且造成水分利用效率低下。这种高度依赖地下水资源的农业生产模式,若灌溉农田面积盲目扩张,会进一步影响当地脆弱的生态环境。因此,以水定地、适水种植,分析并量化浅埋滴灌工程等节水模式的适宜推广面积,对于控制地下水位下降,维护地区水资源安全十分必要。

2.2 农田面积变化与农田土壤风蚀

科尔沁沙地生态脆弱的根源是半干旱的气候特征和沙质土壤4。土地利用变化主要在草地与农田间的转换,当草地被开垦为农田后,每年冬季和春季农田地表多时间处于裸露状态,同时,科尔沁沙地因其特殊的地理位置和气候特征,春季大风频发23,而此时恰值农田整地与播种阶段,耕作过程极易造成地表裸露、土壤疏松。在缺乏有效保护措施情况下,如此叠加和同步效应,使得这样的农田极易成为沙尘源、土壤风蚀区31-32。在风蚀的作用下,农田表层土壤的有机质和黏粒物质被吹蚀,土壤有机质和养分含量下降,土壤发生粗化,容重增大,土壤水分、温度和养分环境恶化,蓄水保肥能力变差,导致土壤生产力下降或丧失33-34,不仅造成作物产量的下降,而且会成为较强的沙尘源区,对区域农业生产和空气质量造成严重影响。科尔沁沙地农田生产力的下降既是风蚀影响的结果,同时也是造成风蚀的重要原因31。该区域人均农田占有面积较大,在“广种薄收”的粗放种植管理模式以及特殊年份气候因素和土壤本身属性等多重因素影响下,农田土壤生产潜力不断下降,为追求更高经济效益将部分低生产力农田进行了撂荒,而撂荒后干旱裸露的地表在后期春季成为了风蚀危害的重点区域,为沙尘源的形成创造了条件。因此,科尔沁沙地农田的保护与精细化管理不仅对于当地农业生产具有重要意义,而且对于沙尘源和沙漠化的有效治理至关重要。

3 科尔沁沙地农田沙尘源治理对策

科尔沁沙地因其特殊的地理位置、地势地形条件和特殊的气候特征,是中国重要的沙尘源区之一35,形成的沙尘能够被远距离传输,对区域生态环境、农业生产和人类健康造成重要的影响,而在各土地利用类型中,农田风蚀沙化现象突出,已成为沙尘形成的主要发生地12。因此,加强农田沙尘源治理对于区域沙漠化综合防治、农业可持续发展具有重要意义。

3.1 加强沙尘源农田监控与预警

加强重点沙尘源农田和风蚀退化农田的监控与预警,建立农田沙漠化防治综合预警体系。①建立立体化的监测网络。应用高分辨率卫星或无人机,通过定期扫描,重点监测新开垦、弃耕或缺乏防护林保护的农田,确定不同风蚀退化农田等级和潜在尘源区。在确立农田沙尘源重点防治区域后,可通过布设智能监测站采集区域风速风向、土壤含水率、PM10浓度等数据,为区域沙尘源的预警和治理提供数据支撑。②构建智能化预警模型。通过多因子耦合预警算法,结合当地气象站数据,开发基于机器学习的风险评分模型,如建立不同风速、土壤干燥度、农田残茬类型、农田耕作方式等因子综合下的农田沙尘发生风险值,预测一定时间内沙尘风险等级,同时结合WRF模型模拟沙尘传输路径,预警影响范围。③分级响应与精准防治。根据预警的不同等级,采取不同的应急防控措施,如轻度的沙尘发生等级可通过通知农户进行地表覆盖、暂停翻耕作业等方式降低对沙尘天气的影响,而重度沙尘暴预警条件下,应采取疏散人员,暂停一切农业生产活动。建立综合预警信息平台需要多部门协同响应,依托政府部门牵头、科研部门进行具体实施、气象部门和农户参与,可以在重点农田沙尘源区先行建立示范区,逐步试验示范,完善和推广应用。

3.2 建立有效的农田防护林体系

农田沙漠化的主要原因是没有有效的农田防风体系,农田土壤受到风力侵袭而退化,生产力下降34。农田防护林体系能够减小直接作用于土壤颗粒上的风力,使风速降低到临界风速以下,减少地表土壤养分流失,改善农田生态环境,减轻耕地沙化,保障区域生态安全36。但近年来,由于对农田防护林建设投入不足,重视程度不够,林农争地矛盾突出,挤占蚕食林地现象时有发生,同时更新还林不及时,苗木标准低,种植质量差,成活率低,导致残次林逐年增多,影响了农田防护林带的防护功效。此外,重栽轻管问题突出,在后期防护林管理方面,资金、人力物力投入不足,残次林带、有带无林现象较为普遍。为了科学、高效加强农田防护林建设,应关注以下几个方面:①针对区域防护林目前现状,在摸清底数的基础上,科学编制规划,合理布局,突出重点,协同推进,设计科学并且可行性强的建设方案。②以相关科研数据为理论依据,在林木品种的选择、林带结构、物种组成、网格大小、防护林高度、前后期管理等方面,要因地制宜,建立科学合理的种、养、管一体化实施计划,强化防护林建设质量。③创新农田防护林经营管理模式,巩固建设成果。健全防护林管理体制机制,可以通过划片承包、包干管护、公私共管等多途径方法,加强生态效益与经济效益相融合,如通过规划经济林、特色林,适当种植适宜于当地气候的果树等品种,以采摘园、游乐园等多样化形式促进生态、旅游观光、经济收入多业态融合,全方位调动造林管林积极性,充分发挥农田防护林的重要防风屏障功能。

3.3 加强农田表层土壤保护

土壤抗风蚀能力因耕作状况、作物茬口、土壤类型、地表覆盖度等差异而不同37,通过实行保护性耕作、提高地表覆盖度等措施加强农田表层土壤保护,是提高农田抗风蚀能力的有效措施。保护性耕作能够改善农田作物生长环境,减少农田起沙,降低农田地表土壤水分和养分流失,有效减缓农田土壤退化38。秋收时保留作物秸秆,或推迟作物秸秆的处理时间,能够提高土壤0~40 cm土层大于0.25 mm的土壤团聚体的含量,改善土壤团聚体的分布,增强土壤的保水力3139。对于农田休闲期蓄水保墒而言,免耕高茬相对于深松耕作、传统翻耕、秸秆还田和免耕低茬对于减弱风蚀、蓄水保墒效果最好37。不同作物根茬抗风蚀效果试验显示,在相同风速条件下,抗风蚀能力表现为燕麦茬地最好,其次为玉米茬地、向日葵茬地、绿豆茬地和翻耕地,其原因为燕麦茬地种植密度比其他作物高,其地表结皮完整性和作物覆盖度有所增加,抗风蚀能力强39。不同替代性轮作方式造成不同的风蚀效果,主要在于单位面积产生的生物量及覆盖作用不同,应尽量扩大生育期长,覆盖土壤周期长的作物,能有效减少风蚀。基于已有的试验研究结果,提出以下土壤保护策略:①优化秸秆及根茬管理。尽可能将玉米秸秆及根茬保留到来年4月中下旬作物播种之前处理,当然,鉴于秸秆在农牧业中发挥着重要的燃料及饲料功能,需要发掘其替代品以及建立政策补偿机制。②通过免耕、秸秆覆盖、深松等保护性耕作措施,改善土壤团聚体分布,增强土壤保水性。③合理规划作物类型,开展轮作倒茬。在一些农田风蚀较重的地区,应该进行合理的轮作倒茬,重点种植如燕麦等须根系作物,可以更好地抑制冬春农田土壤风蚀。④冬季覆盖作物种植。冬季覆盖作物不仅有助于改善土壤物理化学特性,而且能够解决冬春季农田长时间裸露易造成土壤风蚀的问题40。可选择耐寒性强的冬黑麦,在水热条件相对较好的科尔沁沙地东南部(如奈曼旗、库伦旗、科尔沁左翼后旗)进行秋季种植。另外,还可试验种植绿肥作物毛苕子、冬耐寒油菜品种,但需解决覆盖作物与主要作物间的搭配问题,以及品种培育与关键技术研发集成,实现生态效益与经济效益双赢。

3.4 加强农田水肥精细化管理

不同的农田管理措施显著影响土壤质量变化的方向与程度41,农田沙漠化一个重要原因是依靠掠夺土地的自然潜力进行农业生产,缺乏对农田精细的管理和有效的保护及投入,当农田沙化或生产潜力下降后进行撂荒,撂荒后裸露的地表成为次年春季沙漠化发展的重要条件34。因此,加强风沙区农田的投入和精细化管理对于农业生产和农田沙漠化防治具有重要作用。①加强农田土壤施肥管理。根据土壤养分情况适当减少氮肥,增加磷、钾肥的用量,重点增加有机肥施用量,并推广秸秆还田技术;大力研发和推广有机复合肥、长效缓释肥和微生物肥料等措施,改良农田土壤理化生等特性,调整施用的复合肥配比,使土壤养分更加平衡,提高肥料利用率。有条件的地区应该加强测土配方施肥,确保施肥有的放矢,防止盲目施肥;在施肥方式上,应该重视深施基肥,同时,应该根据作物生长需肥规律进行管理,既有利于提高肥料利用率,而且能够降低硝态氮淋溶造成的环境污染。②加强水资源精准化管理与应用。在推广应用浅埋滴灌、水肥一体化施肥技术的同时,还需要加强作物需水需肥全过程管理,进一步探究当地高产作物水分养分需求规律,以实现水分养分的供应规律与之相匹配,实现水肥资源利用效率的协同提升;在灌溉时期选择上,可考虑在早春适时灌溉,由于早春气温低、蒸发小,通过灌溉可以使地表冻结,能够有效防止春季风蚀;另外,还需对玉米等农作物种植面积和节水灌溉推广面积进行综合评估,提出量化的技术方案,防止地下水的过量开采。

3.5 分类治理与优化调整农田

在促进粮食产量增加和农业灌溉技术发展等多因素驱动下,科尔沁沙地灌溉农田面积呈现大幅度增加趋势,但区域旱作农田依然占据着较大的比例42。在特殊气候年份,旱作农田经常受降水量的限制而生产力低下,特别是在春季作物播种至苗期阶段,土壤水分的高低是决定作物生长的关键限制因子,同时也是影响农田风蚀作用的主要因素。研究表明,土壤一定的含水量能够增加土壤颗粒间的内聚力,影响土壤的抗风蚀能力,高土壤含水率能够通过增大起沙临界风速而减轻风蚀危害31,旱作农田因其不稳定的砂质土壤基质和坨甸交错的风沙地貌及其脆弱的生态环境,特别是没有固定的水分供应保证,较灌溉农田更易发生风蚀而导致土壤肥力下降并发生退化风险,是科尔沁沙地沙漠化蔓延的主要根源42。因此,需要针对不同类型的农田(旱作和灌溉)进行分类治理和优化。土壤肥力低下、退化严重且无改造为灌溉条件的旱作农田,可通过实行退耕还林、退耕还草等形式进行土地利用类型转变调整,通过人工干预提供保护使其恢复生态功能;土壤肥力较好的旱作农田,可通过农林(林草)复合种植经营进行农田保护。多年生乔灌木、经济林果、牧草和作物间作有利于土壤地表覆盖,从而可减小风蚀并能够改善土壤质量41;土壤生产力较高,并且易于转为灌溉农田的地块,可根据实际调整为灌溉农田,并进行精细化管理,提高土壤生产力。对于灌溉农田,也应根据不同土壤质地进行分类管理,如沙土比例高的农田土壤,由于其渗透率较高,因此不适宜地面灌溉,可采取滴灌喷灌方式。另外,还需加强农业基础设施建设,将灌溉条件好、地力条件好的农田建设成为高标准高产农田,以提高综合种植效益,而将部分地力基础条件差的农田进行分类规划调整,特别是尽量压缩和减少旱作农田面积,加强灌溉农田精耕细作等种植管理和土壤改良,有效提高土壤质量和农田生产力,从而实现农业生产的高质量发展并降低农田土壤风蚀,取得农田沙尘源治理成效。

4 小结与展望

科尔沁沙地农田面积呈现波动中不断的上升趋势,是人口增长、相关政策制定以及经济利益追求等因素共同驱动的结果。在特殊气候因素的共同作用下,农田面积的变化对区域自然生态环境产生了深远的影响,特别对区域地下水资源的开发与利用、农田土壤风蚀的影响尤为显著。科尔沁沙地农田面积的历史变迁与现状,正好从侧面反映了人类活动对科尔沁地区沙漠化演变过程的影响。本文以科尔沁沙地农田面积变化为线索,简单回顾了该区域农田面积的历史变迁与现状,分析了农田面积变化下的自然环境效应,探讨了农田沙尘源治理的有效途径和方法。正如赵哈林等33所提出的:加强农田防护林建设,提高对农田土壤的长效投入以及精细化管理,是减少农田风蚀沙化和农业可持续发展的根本出路。尽管前人对农田风蚀沙化做了较多工作,但尚有较多问题和挑战需要开展研究与解决,当然,这是一项系统性工程,需要相关政策、技术和资金等的综合支持与协同推进,同时还需要通过建立试验样地、模型模拟以及动态监测等多手段和途径,以期更深入地研究其农田土壤风蚀以及沙尘源形成和扩展的规律、机制和特征,同时对农田土壤抗风蚀关键技术进行研发和集成优化,形成适应不同地区现代农业的土壤抗风蚀技术体系,为区域农田沙尘源治理和沙漠化防治提供相关理论依据和技术支撑。

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