我國保護性耕作研究的現狀與展望

?蔣云峰，李天祺，陳智文，王祥賀，郭長鳴?

（吉林師范大學生態(tài)環(huán)境研究所，吉林 四平136000）

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我國保護性耕作研究的現狀與展望

蔣云峰，李天祺，陳智文，王祥賀，郭長鳴

（吉林師范大學生態(tài)環(huán)境研究所，吉林 四平136000）

摘 要：保護性耕作作為一種土壤資源可持續(xù)發(fā)展的農田措施，備受關注。通過回顧我國自20世紀60年代以來保護性耕作研究的進展，概述了我國保護性耕作在土壤理化性質、土壤生物群落、作物產量與經濟效益等方面的相關研究動態(tài)，評述了保護性耕作存在的問題，并對未來發(fā)展方向進行了展望，以期為保護性耕作在我國有效開展，營造健康的農田生態(tài)系統(tǒng)提供參考。

關鍵詞：保護性耕作；生態(tài)效益；研究進展

保護性耕種起源于20世紀30年代的美國，是人們經歷嚴重的土壤風蝕沙化與水土流失危害之后，逐步研究與發(fā)展起來的一種新型耕作模式。通過對農田土壤實施免耕、少耕、作物秸稈和殘茬覆蓋地表、養(yǎng)分管理、輪作覆蓋作物等措施達到保護生態(tài)環(huán)境，提升耕地質量，增加糧食生產的目的。因此，保護性耕作在增強土壤保水保肥能力，增加農田土壤碳匯等方面的作用日益受到關注[1]。近年來，中國有關保護性耕作的研究迅速發(fā)展，為了解我國保護性耕作研究的現狀，對我國自20世紀60年代以來的保護性耕作研究進行了概述，并展望未來發(fā)展方向，以期為保護性耕作的有效開展，營造健康的農田生態(tài)系統(tǒng)提供參考。

1 我國保護性耕作研究歷史

保護性耕作技術自20世紀60年代傳入我國后，國內學者開展了大量的研究工作。60年代初首先在旱地農田進行了免耕試驗，70年代末在水稻田開展了自然免耕法研究，80年代初部分高校和農業(yè)科學院開展了作物秸稈覆蓋或少、免耕等試驗研究，90年代開始了機械化保護性耕作系統(tǒng)試驗研究，并取得了較大進展[2-3]。進入21世紀后，隨著我國北方旱區(qū)農田風蝕沙化面積的增大，土壤肥力的下降和資源與環(huán)境壓力的上升，國內大力開展適應旱地農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的保護性耕作技術研究。2002年農業(yè)部啟動國家級保護性耕作示范縣項目，在北方8省（區(qū)、市）38縣內進行了示范研究。2007年農業(yè)部出臺《大力發(fā)展保護性耕作的意見》，標志著我國保護性耕作研究邁入新時期。據國家《保護性耕作工程建設規(guī)劃（2009～2015年）》，至2015年末，全國保護性耕作應用面積將達到1.133×107hm2[3]。經過近20 a的試驗示范和推廣，保護性耕作已成為一項農民接受、政府重視的新型耕作模式。今后，從保護生態(tài)環(huán)境，節(jié)約資源和可持續(xù)農業(yè)的建設出發(fā)，保護性耕作將會有更快、更好的發(fā)展。

2 我國保護性耕作研究現狀

2.1 保護性耕作對耕層土壤容重的影響

土壤容重是指田間自然狀態(tài)下單位容積原狀土壤的重量（g/cm3），亦稱土壤密度，可反映土壤松緊度、土壤肥力等狀況。關于保護性耕作對耕層土壤容重的影響因土壤質地、田間管理措施、土地利用方式等的不同而存在差異。張志國等[4]研究指出，在砂壤土上實施長期免耕與秸稈覆蓋，耕層土壤容重更類似于自然植被下的土壤容重。董智等[5]研究也顯示，在東北玉米帶實施免耕秸稈覆蓋可增加0～20 cm耕作層的土壤容重。而另一些研究者則認為免耕僅對表層土壤容重有影響。杜會石[6]對比研究了5 a免耕地與常規(guī)耕作地的土壤容重，結果顯示，與常規(guī)耕作地相比，免耕地土壤容重0～5 cm低7.5%，10～15 cm低5.6%，20～25 cm低2.6%。還有些研究者認為土壤對容重具有自調功能，李洪文等[7]對比多年翻耕、深松及免耕地土壤容重的變化情況，結果顯示：土壤容重常規(guī)翻耕<深松<免耕；容重變化量則是免耕<深松<常規(guī)翻耕，免耕土壤容重穩(wěn)定持續(xù)在1.20～1.39 g/cm3，說明耕層土壤在生物、作物根系、土壤凍融等因素的作用下，自身具有恢復自然物理狀態(tài)的能力。因此，需進一步研究在不同土壤類型區(qū)，保護性耕作對于土壤容重的影響。

2.2 保護性耕作對耕層土壤孔隙度影響

土壤孔隙度可反映土體結構狀況，關系著土壤透水性、透氣性、導熱性和緊實度，是土壤肥力的重要指標之一。保護性耕作對土壤孔隙的影響因作物根系類型、保護性耕作模式、年限以及土壤質地和有機質含量等因素的制約而呈現不同結果。研究發(fā)現水田自然免耕可使土壤固、液、氣三相保持適中的穩(wěn)定比例，既存在足夠的毛管孔隙保持水分，又具有一定數量的非毛管孔隙用于通氣排水[8]。馮躍華等[9]在稻田中的研究顯示，相比翻耕直播田，免耕直播田0～5 cm土壤總孔隙度、毛管孔隙度和通氣孔隙度分別提高4.80%、1.59%和39.85%。郭曉霞等[10]在黃河流域半干旱區(qū)的研究結果也顯示，免耕各處理土壤總孔隙度均高于常規(guī)耕作，且隨秸稈覆蓋年限的增加而呈逐年增加的趨勢，并以0～20 cm土壤年增幅最大。然而張雯等[11]在遼西易旱區(qū)的研究結果卻顯示，保護性耕作下土壤總孔隙度明顯低于常規(guī)耕作，但同時也發(fā)現常規(guī)耕作下土壤耕層通氣孔隙度偏大，而保護性耕作既有較高的毛管孔隙度，又有適宜的通氣空隙。因此，為有效利用保護性耕作對農田土壤水、肥、氣、熱關系的調節(jié)作用，需進一步長期研究保護性耕作對土壤孔隙度的影響。

2.3 保護性耕作對耕層土壤溫度的影響

保護性耕作對土壤溫度的影響多是從作物秸稈覆蓋量和覆蓋方位等角度出發(fā)進行研究。保護性耕作對土壤溫度的影響主要存在“降溫效應”和“增溫效應”。研究者認為冬季秸稈對地表有保溫作用，使土壤溫度較常規(guī)耕作模式高，但春季卻阻止太陽對地表直接輻射，使地表溫度較常規(guī)耕作模式低，溫度回升較慢[12-14]?！敖禍匦焙汀霸鰷匦睂ψ魑锷L既存在有利的方面也存在不利的方面。張敬濤等[15]研究免耕秸稈不同覆蓋量的大豆田土壤溫度的變化顯示：相比常規(guī)秋翻壟作，免耕地土壤溫度隨秸稈覆蓋量的增加呈下降趨勢，影響春季作物幼苗的正常發(fā)育。但冬季秸稈覆蓋的增溫效應卻可有效保證小麥安全越冬，減輕小麥的凍害，降低死苗率[16]。因此，為有效利用保護性耕作對土壤溫度的調節(jié)作用，滿足作物不同生長期對土壤溫度的需求，需加強研究不同氣候區(qū)保護性耕作對土壤溫度的影響。

2.4? 保護性耕作對耕層土壤水分的影響

一般來說，保護性耕作特別是秸稈覆蓋可降低地表風速，減少水分蒸發(fā)，延緩地表徑流，增強土壤導水性，提高水分入滲，使土壤水分利用率提高，達到節(jié)水的目的[17-19]。據測定，在我國北方旱區(qū)實施覆蓋免耕、覆蓋深松等保護性措施，可比常規(guī)耕作降低徑流強度57.3%，提高降雨入滲量98.6%，提高土壤蓄水量10.5%，減少蒸發(fā)量11.2%，增加作物生長的有效水分19.7 mm[20]。杜會石等[6]在東北半濕潤半干旱區(qū)研究保護性耕作對土壤水分的影響也有類似的結果，免耕秸稈覆蓋可使0～50 cm土壤含水量高出常規(guī)壟耕地14.78%～23.64%，且隨著秸稈覆蓋量、秸稈覆蓋年限的增加而增加。王曉燕等[21]在黃土高原旱作區(qū)研究保護性耕作下水分入滲情況顯示，保護性耕作明顯減緩徑流，可提高水分入滲率16.4%。但也有研究顯示，在沙地實施短期免耕并不會提高土壤含水量，反而翻耕地含水量相對較高。對于長期干旱區(qū)域也只有在地表濕潤時，秸稈覆蓋才能抑制蒸發(fā)，提高土壤含水量，否則覆蓋幾乎無保水價值。由此可見，保護性耕作對土壤水分的影響因地而異，需加強研究不同生態(tài)區(qū)保護性耕作對土壤水分的影響，從而有效推動該項技術在適宜區(qū)域推廣，促進農業(yè)生產。

2.5 保護性耕作對耕層土壤肥力的影響

大量研究顯示，保護性耕作特別是秸稈覆蓋可在一定程度提高土壤肥力。秸稈是農田土壤有機質的重要來源，其覆蓋還田有利于土壤有機碳的周轉和土壤有機碳含量的提高。據統(tǒng)計，長期保護性耕作下，農田表土有機碳含量總體呈上升趨勢[22-24]。鞏文峰等[25]在黃土高原旱地的研究顯示，免耕秸稈覆蓋下0～5、5～10和10～30 cm土壤的總有機碳含量相對于常規(guī)耕作分別提高4.46%、14.98%、11.83%。王纏軍等[26]的研究也顯示黃土旱區(qū)農田實施秸稈覆蓋可較不覆蓋農田土壤有機質含量平均增加0.62 g/kg。秸稈還田還可有效提高土壤全氮含量[27]。Lou等[28]在我國東北地區(qū)研究保護性耕作對土壤理性質的影響顯示，相比翻耕，免耕秸稈覆蓋可提高0～5 cm土層全氮含量，而對5～100 cm土層卻無明顯影響。秸稈覆蓋除可補充土壤部分氮素外，還可促進固氮微生物的固氮作用和豆科作物的共生固氮，增加土壤氮素含量[29-30]。另外，保護性耕作還可提高土壤其他養(yǎng)分元素的含量。何騰兵等[31]在我國西南喀斯特山區(qū)旱地研究保護性耕作對土壤養(yǎng)分含量的影響顯示，連續(xù)實施4 a機械化保護性耕作的耕層土壤有機質、全氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀含量分別比常規(guī)耕作提高6.97%、9.13%、4.16%、9.16%、2.10%和3.09%。羅珠珠等[32]的研究也顯示，免耕秸稈覆蓋土壤肥力質量指標高于常規(guī)耕作，認為在黃土高原雨養(yǎng)農作系統(tǒng)，免耕秸稈覆蓋可促進和維持土壤養(yǎng)分平衡。以上研究多以秸稈覆蓋為前提，對于其他保護性措施如何影響土壤養(yǎng)分卻較少報道。因此，對于難以應用秸稈覆蓋的地區(qū)，尚需探索其他保護性措施對土壤肥力影響的研究。

2.6 保護性耕作對耕層土壤生物群落的影響

土壤生物由土壤動物和微生物組成，是農田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[33]。保護性耕作改變了土壤生態(tài)條件，特別是秸稈覆蓋可降低土壤溫度變化幅度，增大土壤濕度，提高土壤有機質含量。這些變化一方面為土壤生物提供有利的生存條件，另一方面也為土壤生物提供了豐富的食物來源。大量研究顯示保護性耕作可增加微生物活性、多樣性和生物質量保持力[34-36]。張麗華等[37]研究顯示，由于免耕秸稈覆蓋減少了對土壤擾動，使耕層變淺，又防止了土壤氮素揮發(fā)，補充了較多的有機質，因此可為土壤微生物提供充足的碳源和能源，進而提高表層（0～10 cm）土壤微生物量碳、氮。保護性耕作也可提高農田土壤動物多樣性與豐富度，使類群分布更均勻。朱強根等[38]在黃淮海平原研究免耕玉米秸稈覆蓋對土壤動物多樣性的影響顯示，土壤動物類群和數量在玉米拔節(jié)期免耕要高于翻耕；并且秸稈還田量與土壤動物豐富度成正相關。Hou等[39]在遼河中下游研究實施6 a的不同耕作（傳統(tǒng)耕作、免耕、休耕）方式的農田系統(tǒng)土壤線蟲垂直分布發(fā)現，免耕和休耕農田土壤線蟲總數高于傳統(tǒng)耕種，并且隨土層加深而減少，但不同營養(yǎng)類型的線蟲對耕作方式的響應存在差異。因此，保護性耕作對土壤生物群落的影響需充分考慮耕作方式與秸稈覆蓋之間的協(xié)同作用。

2.7 保護性耕作對作物產量與經濟效益的影響

不同耕作措施會對土壤理化性質產生不同的影響，而土壤條件的改變能夠決定當季作物的產量。保護性耕作作為一種新型土壤耕作模式，國內學者也針對其對作物產量的影響，進行大量研究，但結果因地域空間、氣候類型及種植類型而存在較大的差異[40-42]。雷金銀等[43]研究干旱區(qū)農田實施保護性耕作對作物產量的影響顯示，秸稈覆蓋、覆膜和免耕3種保護性措施分別使玉米增產4.44%、13.14%和19.26%。王改玲等[44]在黃土高原南部地區(qū)研究保護性耕作對旱地小麥產量的影響也顯示，相比傳統(tǒng)耕作，實施11 a 和15 a的免耕覆蓋樣區(qū)小麥平均增產率分別為19.2% 和27.6%；豐水年份增產率為5.2%和11.7%，干旱年份增產率可高達85.0%和97.6%，即實施保護性耕作年限越長，越是干旱，保護性耕作的增產效果越顯著。但楊相昆等[45]在北疆研究的結果卻顯示，免耕處理下作物生育期后移，使產量及干物質積累略低于翻耕處理。王巖等[46]在冀西北栗鈣土農田區(qū)研究不同耕作方式下莜麥產量也顯示，與松耕、翻耕相比，免耕條件下土壤容重較大，土壤硬度較高，使莜麥產量顯著降低。因此，需進一步研究不同地區(qū)應用何種保護性耕作技術能實現較為理想的作物產量。

保護性耕作在經濟上的效益得益于其免去了傳統(tǒng)耕作中拉運秸稈、漚肥、耕耙、除草等工序；減少了田間作業(yè)次數和強度，降低了勞動力成本，節(jié)省了機械使用費用和燃油成本。據王小彬等在黃土高原旱坡地研究不同耕作方式下種植冬小麥的經濟收益的結果顯示，與常規(guī)耕作相比，免耕經濟效益最顯著，可增加2.5倍，深松增加近2倍，少耕增加80%[47]。初江[48]在黑龍江省研究水田保護性耕作與傳統(tǒng)耕作的生產成本顯示，相比傳統(tǒng)耕作，保護性耕作可節(jié)省總成本約551元/hm2。由此可見，從經濟效益的角度來看保護性耕作是較為理想的耕作方式。

3 展 望

保護性耕作在調節(jié)地溫、提高土壤水分及養(yǎng)分含量、防止水土流失、增加作物產量等方面具有重要的研究意義。經過近60 a的探索，在相關科學工作者的努力下，我國保護性耕作的研究及推廣得到了長足的發(fā)展，但研究成果多集中在單純的土壤耕作技術和效益方面，缺乏深入的理論機制研究。針對目前我國保護性耕作發(fā)展的狀況，未來我國保護性耕作研究應從以下幾個方面開展。

（1）加強不同區(qū)域保護性耕作對土壤理化性質的影響研究。我國地域遼闊，各地區(qū)氣候、土壤與種植類型都存在較大的差異。雖然在一些地區(qū)，如山西、天津、河北等地，保護性耕作研究開展較早，技術發(fā)展較為成熟，實施面積也較大，但大部分地區(qū)依然缺乏與當地自然條件與農業(yè)發(fā)展相適合的保護性耕作技術規(guī)程。因此，應該針對不同區(qū)域條件進行更深入細致的研究，為保護性耕作技術實施提供適地適法的理論基礎，從而建立起不同區(qū)域特色的保護性耕作技術體系。

（2）深化保護性耕作關鍵技術研究。保護性耕作會導致農田生態(tài)環(huán)境的改變，以及作物需水、需肥規(guī)律等產生變化。如免耕秸稈覆蓋在一定程度上可抑制雜草生長，但對作物的播種也有一定影響，增加施肥難度。秸稈覆蓋雖然可改善土壤肥力，但過多覆蓋會影響作物根部呼吸，產生有害氣體，而且秸稈腐解時間較長，如何安排秸稈覆蓋量、采取何種有效措施加快秸稈分解速率等均尚無規(guī)程。另外，免耕秸稈覆蓋還會加重蟲害的發(fā)生、增加除草劑和農藥的使用量，造成環(huán)境污染等。這些問題亟待進一步研究解決。

（3）配套機具研制是保護性耕作技術推廣應用的關鍵。保護性耕作的發(fā)展與配套機具的研發(fā)密切相關，沒有與保護性耕作技術相配套的專用機具，就會影響保護性耕作技術的有效實施，如在免耕秸稈覆蓋下進行播種，沒有適用的播種機就會出現機具堵塞、播種精度不高等問題，勢必影響產量和經濟效益。因此，要保證保護性耕作技術效果的正常發(fā)揮，就必須研發(fā)相配套的保護性耕作機具，促進保護性耕作技術的推廣和大面積的應用。

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（責任編輯：葉雪娥）

A Review on the Conservation Tillage in China

JIANG Yun-feng，LI Tian-qi，CHEN Zhi-wen，WAND Xiang-he，GUO Chang-ming（Institute of Ecological Environment, Jilin Normal University, Siping 136000, PRC）

Abstract：Conservation tillage, as a sustainable development of soil resources, had attracted much attention. This review summarized the progress of conservation tillage in China since 1960s. The subject areas and main results of the conservation tillage on soil physical and chemical properties, soil biological community, crop growth and development, yield and benefitwere overviewed. The existing problems of conservation tillage were also reviewed. This paper was written in order to provide some theoretical references for the conservation tillage research and a healthy agriculture ecosystem.

Key?words：conservation tillage; ecological benefit; research progress

通訊作者：陳智文

基金項目：國家自然科學家基金資助項目（41401283，31200407）

作者簡介：蔣云峰（1980-），女，吉林吉林市人，講師，主要從事自然地理學研究。

收稿日期：2015-10-12

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.030

中圖分類號：S345

文獻標識碼：A

文章編號：1006-060X（2016）01-0108-04