华北寒旱区高寒干旱，生态脆弱，大风多尘，作为京、津及华北平原的生态屏障，其生态效益直接关系下风地区的环境质量，对保护京、津和华北地区的生态环境起着举足轻重的作用。本试验研究以农业部张北农业资源与生态环境野外科学观测试验站为依托，以坡梁地砂质栗钙土和滩洼地壤质草甸栗钙土为研究对象，于2010~2012年采用免耕、松耕和翻耕三种不同耕作方式对燕麦地上地下生长性状、燕麦田土壤物理性状、土壤微生物性状、产量构成及生态效益等进行了研究。主要结论如下：1、耕作方式对燕麦地上部生长的影响砂质栗钙土农田实行免耕和松耕会显著降低燕麦拔节期茎数28.97%和20.58%，但对最终成穗数并无显著影响；免耕会导致燕麦拔节期后株高显著低于松耕和翻耕，至收获期仅为松耕和翻耕的93.78%和87.31%；免耕还造成燕麦各生育期叶面积指数（LAI）的显著降低。免耕对作物群体生长造成显著的抑制作用，最终造成作物减产；而实行松耕虽然茎数略有降低，但株高和叶面积指数受影响不大，对燕麦群体生长不会造成显著影响。壤质草甸栗钙土农田实行免耕和松耕对燕麦茎数的影响要小于砂质栗钙土农田；而燕麦株高的差异也小于砂质栗钙土，收获期免耕株高分别是松耕和翻耕的93.72%和89.59%；燕麦叶面积指数虽然各生育期免耕均低于松耕和翻耕，但差异均不显著，松耕和翻耕互有高低。2、耕作方式对燕麦根部生长的影响长期免耕会导致燕麦耕层根重的显著降低和根系质量的下降10%~20%。栗钙土田免耕燕麦各生育时期均以免耕根重最低，翻耕最高，松耕介于二者之间，免耕与翻耕差异显著。草甸栗钙土田，自拔节到抽穗期，免耕处理根重显著低于翻耕。免耕处理根系主要分布层在0~20cm，其比根长明显小于松耕与翻耕处理，导致燕麦根系的土壤表层化分布趋势。在栗钙土农田，免耕处理抽穗期0~10cm土层根系比重在83.22%~86.85%，较翻耕处理高出0.07~1.47个百分点，较松耕处理高出0.56~1.24个百分点。在草甸栗钙土农田，拔节期免耕处理0~10cm土层根种比例在85.68%~86.80%，高于翻耕处理1.89~2.52个百分点，高于松耕处理0.41~3.10个百分点。松耕和翻耕互有高低。3、耕作方式对燕麦产量及其构成因素的影响栗钙土农田采用免耕虽然节省了土壤耕作成本，但燕麦生物产量和经济产量均显著低于翻耕，3年中免耕经济产量仅为翻耕的45.6%~58.5%；松耕方式较翻耕具有减产的趋势，但差异不显著。在少扰动土壤的同时，还能得到接近翻耕的产量，是一种兼顾生态和经济效益的可选保护性耕作措施。草甸栗钙土农田免耕处理的燕麦生物产量、经济产量较翻耕均具有减产的趋势，免耕经济产量为翻耕处理的62.4%~88.1%；而松耕与翻耕产量差异不显著。在节省机械耕作、少扰动土壤的同时能得到近于翻耕的产量，松耕方式适宜在草甸栗钙土农田应用，以代替传统的翻耕作业。4、耕作方式对燕麦田土壤水分的影响栗钙土田免耕处理在春季干旱与基础水分较差的年份，播种期不具有土体储水优势；而在降水相对较多年份，翻耕在播种到分蘖期0~80cm土体较免耕储水量提高7.6%~20.6%，免耕处理水分利用效率明显小于翻耕与松耕处理，松耕与翻耕间差异不大。草甸栗钙土田，各生育时期土壤储水量以免耕最高，松耕次之，翻耕最低。免耕与松耕具有更为优越的土壤水资源存量，与翻耕相比，燕麦生育期土体水分供应不是限制产量的主要因素。免耕燕麦田水分利用效率具有较翻耕田降低的趋势，松耕水分利用效率也具有较翻耕降低的趋势。5、耕作方式对农田物理性状的影响砂质栗钙土田，免耕土壤容重自播种到抽穗期明显高于翻耕与松耕处理，以播种期最为显著。松耕较免耕表现明显的容重减小趋势，翻耕和松耕的土壤容重，从播种期到抽穗期呈逐渐升高的趋势。壤质草甸栗钙土田，各生育时期免耕处理0~20cm土壤容重均明显高于翻耕与松耕。松耕的土壤容重稍高于翻耕。抽穗期到收获期，各土层间差异不再明显。栗钙土田免耕处理各生育时期的土壤硬度均高于松耕和翻耕；松耕和翻耕间差异不大。草甸栗钙土田，免耕处理各生育时期0~15cm土层的土壤硬度均高于松耕和翻耕，松耕和翻耕间差异不大。砂质栗钙土和壤质草甸栗钙土燕麦田耕层的土壤硬度，呈现与土壤容重、土壤水分的二次型回归关系。模型分析表明，土壤硬度随土壤容重呈指数型增大，随土壤水分呈U型变化。华北寒旱区燕麦田耕层土壤容重较高时，提高土壤水分可以显著降低硬度；土壤容重较低时，土壤水分对硬度影响不大。在低土壤水分条件下，土壤容重增大会大幅提高土壤硬度；高土壤水分条件下土壤容重增大也会提高土壤硬度，但增幅较小。6、耕作方式对土壤微生物的影响3种耕作方式燕麦生育期内耕层的土壤微生物量碳基本呈单谷曲线，播种期最高，拔节或抽穗期降至谷底，收获期再反弹升高。免耕条件下，燕麦田0~10cm土层各生育时期土壤微生物量碳均高于10~20cm土层；松耕和翻耕条件下则互有高低。3种耕作方式燕麦生育期内0~20cm耕层土壤活跃微生物量及土壤呼吸速率的变化趋势基本一致，表明燕麦田耕层各生育时期土壤活跃微生物量及土壤呼吸速率的变化主要受外界环境因素的影响，免耕、松耕、翻耕3种耕作方式对其影响不大。不同耕作方式下燕麦全生育期内0~10cm土层及10~20cm土层的土壤呼吸商，以拔节期或抽穗期为转折点，呈前促后抑的变化趋势。7、不同耕作方式对农田土壤抗风蚀力的研究模拟研究表明，连续吹蚀下的砂质栗钙土与壤质草甸栗钙土吹蚀量均呈“L”型下降特征，砂质栗钙土抗风蚀能力显著高于壤质草甸栗钙土。非生物质的不可风蚀性砂砾与垡片覆被，可显著增强土壤抗风蚀能力，随其覆被度增加土壤吹蚀量呈近线性地指数型下降特征，两者间的覆被抗风蚀效果无统计学差异。模拟与实证研究表明，华北寒旱区免耕燕麦留茬农田，地表土壤吹蚀量较传统翻耕田降低70.28%~88.42%。多年免耕的地表砂砾覆被对增强砂质栗钙土农田的抗风蚀力起着重要作用；而留茬覆被的粗糙度效应对增强壤质草甸栗钙土农田抗风蚀力更为重要。壤质草甸栗钙土秋耕立垡农田，以垡片直接覆被与增加粗糙度的双重效应，较传统翻耕田地表土壤吹蚀量降低92.21%。基于以上结论，华北寒旱区砂质栗钙土农田适宜施行松耕在提高土壤表层空气动力学粗糙度的基础上同时收获较高的产量。壤质草甸栗钙土水利设施完备的农田适宜通过改变种植结构、立垡越冬，最大化利用土壤来达到经济目的；雨养旱作农田适宜推广免耕，减抑土壤风蚀，兼顾产量，以达到生态-经济效益双赢的目的。