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本研究针对黄河流域旱作农田地表裸露,土壤疏松、水土流失严重及水分利用效率率低等问题,通过3年的田间试验和农户调研,把传统分析方法和现代分子生物学方法相结合,系统分析了保护性耕作的土壤物理、化学、微生物性状及作物产量和效益的变化。研究结果如下:1.保护性耕作改变了土壤的物理性质调节土壤温度:白天15:00之前,均以常规耕作地温高于保护性耕作,高0.5~1.7℃,15:00之后至次日清晨,则保护性耕作地温高于常规耕作,高1.0~2.1℃。随着土层的加深,不同耕作方式地温差异缩小;晴天各处理间温差大,阴天温差不明显。增加土壤含水量:在全生育期,保护性耕作土壤含水量均高于常规耕作地,留低茬覆盖、留高茬覆盖、留低茬、留高茬土壤平均含水量分别比常规耕作增加14.99%、5.90%、2.45%和2.89%。显著增加土壤微团聚体数量:留低茬、留低茬覆盖、留高茬覆盖、留高茬耕层土壤的微团聚体(<0.01mm)数量分别较常规耕作增加了82.2%、44.9%,55.2%和42.3%。而大团聚体(>2mm)数量明显减少,分别较常规耕作减少了157.8%、121.9%、412.6%、117.6%。耕作方式对耕层土壤容重影响较大,对深层土壤容重影响较小。留高茬、留低茬、留高茬覆盖、留低茬覆盖耕层土壤容重较常规耕作分别增加了35.3%、31.1%、27.7%、35.5%;随着土层加深,保护性耕作土壤容重变小,常规耕作土壤容重变大。2.保护性耕作增加土壤养分含量。0~20土层有机质、全N、全P、全K、速效P、速效K、碱解N等养分含量均显著增加,分别较常规耕作增加10.4%~24.1%、17.5%~46.0%、7.1%~33.3%、6.1%~13.2%、18.5%~6.3%、15.1%~35%、1.6%~9.5%,大部分含量增加顺序均为:留低茬覆盖>留高茬覆盖>留低茬>留高茬>常规耕作。3.保护性耕作影响微生物类群数量、组成和比例,增加了土壤细菌、真菌、放线菌三大菌数量和纤维素分解菌、固氮菌等生理种群的数量。土壤细菌、真菌、放线菌、纤维素分解菌和固氮菌分别较常规耕作提高了43.8%~113.9%、364.2%~606.5%、45.3%~99.4%、18.8%~87.5%、84.8%~110.3%。保护性耕作的土壤细菌数量占微生物总数的77.95%,常规耕作的细菌数量占微生物总数的49.73%,2种耕作方式的放线菌、真菌、固氮菌、纤维素分解菌比例也各异。土壤细菌与土壤有机质、全N、全K、碱解氮、速效磷和速效钾呈显著或极显著相关,真菌与全N、全K速效K呈显著或极显著相关,固氮菌与全N、全P、全K、速效K呈显著或极显著相关,纤维素分解菌与全P、全K、碱解氮和速效磷呈极显著或显著相关,土壤放线菌数量与土壤养分含量相关不显著。4.保护性耕作显著提高了土壤酶的活性,与常规耕作相比,保护性耕作土壤的过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶与碱性磷酸酶活性分别提高了2.73%~86.4%、12.0%~25.5%、18.8%~85.7%与29.9%~47.9%。土壤脲酶与全N、碱解N呈显著正相关,过氧化氢酶与全N、全P、碱解N呈显著或极显著正相关,蔗糖酶与有机质、全N、碱解N、速效K显著正相关。5.保护性耕作提高了土壤微生物量C、N、P含量,保护性耕作方式的玉米土壤微生物量C、N、P分别较常规耕作提高了18.1%~44.2%、41.4%~444.5%、16%~26.8%,燕麦分别提高了23.9%~36.7%、38.1%~379.3%、38.1%~379.3%。随着作物生育进程推进,土壤微生物量碳含量递减、微生物量磷含量递增,微生物量氮含量呈单峰曲线变化。土壤微生物量C、N、P与玉米产量均呈现正相关关系,而与燕麦产量之间相关不显著。6.通过DGGE分子标记技术研究表明,土壤微生物多样性丰富度及均匀度因耕作方式和作物不同而异,玉米的土壤多样性指数以留高茬覆盖为最高,留高茬、留低茬次之,常规耕作与留低茬较小;而燕麦以常规耕作的土壤多样性指数最高,留高茬覆盖次之,留高茬、留低茬覆盖和留低茬较小;但两种作物均以留高茬覆盖对于土壤微生物的多样性影响最大。7.随着保护性耕作年限加长,作物单产呈增加趋势,在第1年保护性耕作单产较常规耕作低9.6%,第2年保护性耕作单产比常规耕作低3.8%,第3年保护性耕作单产比常规耕作高6.6%。留高茬和留高茬覆盖地表径流量和土壤侵蚀量较常规耕作分别减少32.2%～72.3%、38.4%～75.6%。通过聚类分析和主成分分析表明,土壤中脲酶、蔗糖酶活性、全氮含量对玉米产量形成贡献率最大,有机质、全磷、有效磷、过氧化氢酶次之。保护性耕作较常规耕作纯收入增加1516元/hm2,增幅为13.0%。