保護性耕作技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望*

尚小龍，曹建斌，王艷，楊炳南，李道義，王輝

(中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京市，100083)

0 引言

保護性耕作又被稱為保護性生產(chǎn)或者免耕法生產(chǎn)，屬于作物生產(chǎn)系統(tǒng)及其管理系統(tǒng)的重要組成部分。保護性耕作盡量減少農(nóng)田耕整作業(yè)的頻次和強度，從而降低土壤擾動，保持土壤表層作物殘留物，減少土壤揚塵，改善土壤健康[1-3]。與傳統(tǒng)的耕作方法相比較，推廣應(yīng)用保護性耕作技術(shù)體系能夠降低農(nóng)業(yè)土壤CO2、N2O等溫室氣體和水蒸氣的排放量，減少土壤侵蝕徑流并限制侵蝕程度[4-6]。對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來說，采用保護性耕作技術(shù)能夠減少農(nóng)機裝備的下田作業(yè)次數(shù)，降低燃料、勞動力、水肥等生產(chǎn)資料投入以及機械對農(nóng)田土壤的碾壓，直接或間接形成一系列環(huán)境效益和經(jīng)濟效益，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[7-9]。

保護性耕作的實質(zhì)是利用農(nóng)作物的秸稈、殘茬覆蓋土壤表層，或者休耕期間在農(nóng)田種植特定植被，并有效利用天然降水，以減少水土流失、風蝕、地表水分蒸發(fā)，保護農(nóng)田土壤，提高勞動生產(chǎn)率，達到增產(chǎn)、節(jié)本、提質(zhì)、降耗等目的[10]。從社會角度分析，通常農(nóng)田水土流失程度與當?shù)亟?jīng)濟水平、自然因素和農(nóng)業(yè)狀況呈負相關(guān)的關(guān)系，即農(nóng)民越貧困、自然環(huán)境越差、農(nóng)業(yè)狀況越糟糕，該地區(qū)水土流失通常也就越嚴重。因此，對于中國這樣人多地少、干旱缺水的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，尤其是在農(nóng)業(yè)欠發(fā)達地區(qū)推廣保護性耕作意義非常重大[11-12]。

本文從中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際需求出發(fā)，介紹了國內(nèi)外保護性耕作研究進展情況，并對其關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)施裝備等方面進行說明，以促進保護性耕作技術(shù)體系在中國普及推廣，實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。

1 保護性耕作發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

保護性耕作是人類在長期農(nóng)業(yè)活動中逐漸形成的生產(chǎn)觀念，其目的是恢復和保持土壤有機質(zhì)含量，實現(xiàn)農(nóng)作物的可持續(xù)生產(chǎn)。19世紀60年代，美國政府支持向西部大草原拓荒，把未開墾土地改造成農(nóng)田，結(jié)果是過度開荒放牧導致土壤沙化。到了20世紀30～40年代，美國推廣農(nóng)業(yè)機械化，運用大馬力拖拉機、寬幅重型農(nóng)機裝備開展多頻次、大面積耕整土地，最終導致土壤嚴重退化，沙塵暴頻繁發(fā)生。尤其是1935年的黑風暴，造成大約3億t耕地表層的肥沃黑土流失到大西洋，16萬農(nóng)民逃離西部地區(qū)，美國糧食減產(chǎn)一半以上[13]。此后，美國開始重視保護性耕作，根據(jù)2012年調(diào)查數(shù)據(jù)，大約0.7×109hm2的美國農(nóng)田實行了免耕或者保護性耕作，占美國農(nóng)田總面積的62%[14]。美國還非常重視耕作技術(shù)與水土保持之間內(nèi)在聯(lián)系的研究，美國農(nóng)業(yè)部耕作系統(tǒng)與水質(zhì)研究所(USDA-ARS Cropping Systems and Water Quality Research Unit)根據(jù)1993—2012年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用基于過程的土壤碳平衡模型(CQESTR model)評估和預測了北達科他州從2013—2032年的耕地管理方法、作物生產(chǎn)模式和氣候變化對土壤有機質(zhì)變化的影響。結(jié)果表明：采用輪作模式農(nóng)田土壤中，有機碳的流失量非常輕微[15]。密歇根州立大學研究了玉米—棉花/玉米—大豆生產(chǎn)模式中，冬季黑麥草覆蓋加休耕的模式與土壤中氮肥梯度之間的耦合作用關(guān)系。結(jié)果表明：在氣候條件變化較大的情況下，在冬季黑麥草覆蓋的農(nóng)田地塊的玉米產(chǎn)量不會降低。黑麥草覆蓋對于土壤有機碳的直接影響很小，但它是一種有效的氮肥管理工具，對玉米產(chǎn)量沒有影響[16]。

俄羅斯主要農(nóng)業(yè)區(qū)位于北緯50°～53°之間的頓河流域、伏爾加流域和西伯利亞地區(qū)，干旱、水蝕和風蝕是當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要威脅，因此采用了馬爾采夫無壁犁與加拿大抗旱留茬耕作法相結(jié)合的生產(chǎn)模式，地表保留多達80%以上根茬覆蓋，實際應(yīng)用效果較好[17]。蘇聯(lián)解體后，西伯利亞西部谷物帶旱地小麥生產(chǎn)日趨擴大，導致歐亞谷物帶的亞洲南部水分脅迫條件下的作物生產(chǎn)面臨挑戰(zhàn)。德國的奧斯納布魯克應(yīng)用技術(shù)大學開展了西伯利亞地區(qū)小麥常規(guī)耕作與免耕的完全析因?qū)Ρ忍镩g試驗。結(jié)果表明：在西伯利亞西部、南部地區(qū)兩個較往年更加濕冷的種植期中，保護性耕作的土壤蓄水量顯著增加，對春小麥產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)也沒有不利影響，因此保護性耕作可以成功地用于西伯利亞旱地種植[18]。

南美洲的巴西是農(nóng)牧業(yè)大國，以熱帶氣候為主，水熱充沛，農(nóng)田牧場裸露土壤中的水分易揮發(fā)，降雨易形成地面徑流，導致水土流失，因此種植覆蓋作物或者采用秸稈殘茬覆蓋可以促進可持續(xù)發(fā)展。推進農(nóng)田土壤保護性耕作的主要困難是如何實現(xiàn)營養(yǎng)元素循環(huán)，并確保經(jīng)濟可承受性[19]。巴西圣卡塔琳娜州聯(lián)邦大學建立了描述土壤地表徑流的時間變異性及相關(guān)沉積物產(chǎn)生過程的模型來研究土壤侵蝕過程，使用多重分形和聯(lián)合多重分形技術(shù)量化水土流失的時間尺度關(guān)系[20]。巴西蓬塔格羅薩州立大學分析了大豆種植土壤中微量元素流失問題，在已經(jīng)退化沙壤土上施用磷肥以促進土壤磷含量，并通過改善土壤覆蓋提高大豆產(chǎn)量，試驗認為在覆蓋作物上施用磷肥比在犁溝里施用的效果更好[21]。

亞洲的孟加拉國沿海地區(qū)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用較少，土壤肥沃但鹽堿化程度較重、水災風災頻繁，是世界上臺風災害最多的地區(qū)，以上因素造成農(nóng)作物生產(chǎn)周期中遭受反復損失。由于土壤濕度高達30%以上，常規(guī)保護性耕作措施難以在當?shù)剞r(nóng)田使用。因此，保護性耕作技術(shù)和裝備在孟加拉國的使用規(guī)模有限，主要處在示范推廣階段。孟加拉國農(nóng)業(yè)大學對該國夏瓦普達、亞奧諾查爾、諾卡哈里等地農(nóng)戶旱季種植的大豆進行了少耕播種與常規(guī)耕作播種的對比試驗，結(jié)果表明首先用拖拉機進行淺耕以晾干土壤中多余水分，再利用免耕播種機進行播種的模式最為適宜。與傳統(tǒng)播種方法相比，這種方法的燃料和成本分別節(jié)約了40%和35%[22-23]。

南亞的印度河—恒河平原河流密布，土地肥沃，但是受全球氣候變化影響，正面臨著土壤質(zhì)量惡化、地下水減少、能源短缺和農(nóng)場盈利能力下降等方面的挑戰(zhàn)。印度農(nóng)業(yè)研究委員會調(diào)查研究了谷物保護性生產(chǎn)體系下水稻—小麥輪作/玉米—小麥輪作的能源、水分和經(jīng)濟盈利能力的影響因素。結(jié)果表明：在保護性耕作系統(tǒng)中，覆蓋殘留物在總能量輸入中貢獻最大；而傳統(tǒng)耕作系統(tǒng)中，肥料施用在總能量輸入中貢獻最大?；诒Ｗo性耕作的谷物凈能量和能量衰減均優(yōu)于水稻—小麥傳統(tǒng)耕作方法[24]。

非洲是對全球溫室氣體排放貢獻最小的大洲，非常容易受到氣候變化的影響。土壤侵蝕不僅導致平均氣溫上升和降雨模式改變，還使包括干旱、高溫和洪水的發(fā)生頻次和嚴重程度也呈上升趨勢。根據(jù)估算，保護性農(nóng)業(yè)對非洲固碳量的貢獻達到每年1.43×108t，折合每年減排5.24×108t的CO2[25]?？夏醽單鞑克嵝燥L化土壤的保護性耕作試驗表明，減少耕作和殘茬覆蓋可能會增加土壤團聚，從而降低磷吸收潛力[26]。撒哈拉以南非洲的小型農(nóng)場在保護性農(nóng)業(yè)下推廣的商業(yè)家庭花園與高效用水技術(shù)，有可能為非洲的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展做出貢獻。美國國際開發(fā)署資助的一個在埃塞俄比亞、坦桑尼亞和加納進行了蔬菜家庭菜園試驗項目，結(jié)果表明：在埃塞俄比亞和加納，保護性耕作處理下的蔬菜產(chǎn)量顯著增加，但在坦桑尼亞，由于蟲害和氮脅迫相關(guān)的香蕉葉覆蓋，保護性耕作處理下的蔬菜產(chǎn)量較低。類似地，埃塞俄比亞在保護性耕作下使用的灌溉用水顯著減少[27]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀60年代初，我國在吸收美國、加拿大、澳大利亞等國水土保持經(jīng)驗基礎(chǔ)上，引進了保護性耕作技術(shù)，并在黑龍江農(nóng)場開展小麥免耕種植試驗示范。經(jīng)過多年發(fā)展，我國保護性耕作技術(shù)在理論研究和示范推廣方面取得了較大進展，初步形成了具有中國不同地域特色的保護性耕作技術(shù)體系。

1.2.1 寒帶地區(qū)保護性耕作現(xiàn)狀

河北農(nóng)業(yè)大學劉玉華項目組，以晚熟莜麥為對象，研究了免耕、松耕和翻耕三種耕作方式對中國張北地區(qū)高寒砂質(zhì)栗鈣土耕層的含水率和水分利用率影響。結(jié)果表明：耕作方式的差異對作物耗水強度的影響不顯著，但是采用免耕可以在莜麥苗期提高土壤耕層含水率；農(nóng)作物水分利用效率方面，翻耕和深松的耕作效果明顯高于免耕；而土壤容重方面則是是免耕最高而翻耕最低。綜合評估認為，深松耕作是張北寒區(qū)兼顧生態(tài)環(huán)境保護及農(nóng)田穩(wěn)產(chǎn)增收的有效技術(shù)措施[28-29]。

青海省農(nóng)牧機械推廣站李全宇項目組，以油菜為對象，研究了常規(guī)耕翻、秸稈還田免耕、免耕旋播和留茬免耕共4種耕作措施對高寒地區(qū)油菜品質(zhì)和土壤物理性狀的影響。結(jié)果表明：保護性耕作方式下，早熟甘藍型春油菜的生物量較常規(guī)耕作顯著下降；三種保護性耕作措施與常規(guī)耕作相比，均可顯著提高春油菜地上生物量，尤其是留茬免耕的增產(chǎn)效果最明顯[30]。

甘肅農(nóng)業(yè)大學張仁陟項目組，研究了隴中半干旱區(qū)的小麥—豌豆—小麥體系下的免耕、傳統(tǒng)耕作加秸稈還田、免耕加秸稈覆蓋3種保護性耕作措施對土壤容重和土壤養(yǎng)分的影響。結(jié)果表明：采用保護性耕作措施可顯著提高農(nóng)田淺層土壤有機碳、氮、磷、鉀的含量，其中免耕加秸稈覆蓋土壤的有機碳含量與傳統(tǒng)耕作+秸稈還田差不多，其他指標則明顯優(yōu)于傳統(tǒng)耕作+秸稈還田和免耕。綜合來看，免耕加秸稈覆蓋耕作方式是較優(yōu)的[31]。

1.2.2 溫帶地區(qū)保護性耕作現(xiàn)狀

西北農(nóng)林科技大學李軍項目組，以“豫玉22”春玉米為對象，研究了渭北旱塬保護性耕作模式下土壤蓄水保墑效果和作物增產(chǎn)增收效應(yīng)。結(jié)果表明：采用冬閑期免耕/深松或者連續(xù)免耕等模式，比連續(xù)翻耕土層的土壤蓄水效率有明顯提高。其中，平水年免耕/深松的蓄水效率要比連續(xù)免耕的更高，但枯水年三者的差異不顯著。冬閑期采用深松/翻耕或者連續(xù)免耕方式，其土壤蓄水量、玉米產(chǎn)量和水分利用效率均優(yōu)于傳統(tǒng)連續(xù)翻耕。因此，免耕/深松的作業(yè)模式對于提高土壤蓄水保墑能力和作物增產(chǎn)效果是較優(yōu)的[32]。

1.2.3 亞熱帶地區(qū)作現(xiàn)狀

中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所蘇永中項目組，研究了亞熱帶紅壤丘崗坡耕地的紅壤坡耕地復式保護性耕作效應(yīng)。結(jié)果表明：與常規(guī)耕作比較，耕層有機質(zhì)含量和含水量明顯提高，泥沙流失量和年侵蝕量下降，玉米和油菜大幅增產(chǎn)，投入產(chǎn)出比由1.57上升為2.59，投入回報率提高了65%[33]。

廣西大學胡鈞銘項目組，研究了在稻田粉壟翻耕條件下，與不施肥、常規(guī)施化肥、化肥與紫云英綠肥壓青、化肥與雙倍紫云英綠肥壓青對稻田土壤溫室氣體排放的影響。結(jié)果表明：粉壟保護性耕作與綠肥壓青相結(jié)合的耕作方式能有效農(nóng)業(yè)溫室氣體排放，對CO2和N2O減排有影響顯著，稻田中CH4排放量則與綠肥壓青量相關(guān)[34]。

1.2.4 熱帶地區(qū)保護性耕作現(xiàn)狀

海南大學唐樹梅項目組及中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所徐愛國項目組，研究了海南島熱帶農(nóng)田表層土壤的有機碳變化規(guī)律。結(jié)果表明：1980—2000年期間，海南島表層土壤的有機碳含量總體呈下降趨勢，土壤低碳含量區(qū)分布范圍逐漸增大，變化主要影響因素是降水量、土壤初始有機碳含量及耕作方式等[35]。耕作方式方面，海南島土壤有機質(zhì)含量下降的主要原因是水稻連作模式改為稻菜輪作、傳統(tǒng)林地開墾為菜園、土地利用強度加大等[36]。

海南大學何應(yīng)對項目組，研究了深耕、免耕、免耕覆蓋秸稈等耕作方式對香蕉生長全周期園中土壤微量元素的含量變化。結(jié)果表明：免耕與秸稈覆蓋相結(jié)合農(nóng)藝方式處理的農(nóng)田土壤，有效銅鋅和交換性鈣鎂含量明顯高于深耕和免耕；有效態(tài)硫含量隨香蕉生長呈逐步降低，保護性耕作更適合香蕉園土壤微量元素的積累[37]。

1.3 存在問題

至2018年，我國保護性耕作推廣應(yīng)用面積超過7.3×107hm2，但是受地理條件限制和社會發(fā)展因素影響，從資源來看，我國耕地資源有限、結(jié)構(gòu)不好、后備不足的問題長期存在；從耕地質(zhì)量的影響因素看，環(huán)境惡化、水體污染、退化持續(xù)的現(xiàn)狀仍然存在；從耕地利用現(xiàn)狀看，功能退化、增產(chǎn)乏力、污染嚴重的趨勢改觀尚不明顯，而這些因素的疊加，也使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對保護性耕作模式的依賴程度不斷增強，但是構(gòu)建適合中國國情的保護性耕作技術(shù)體系仍存在許多困難。

一是我國農(nóng)村耕地面積逐年減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對保護性耕作依賴程度越來越大。2017年年末，全國耕地面積為1.349×109hm2[38]，與2017年相比凈減少6.09×105hm2。此外，黨和國家的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和退耕還林等政策的實施，部分差質(zhì)耕地或是退耕還林，或是改成園藝花卉種植，也間接減少了農(nóng)田土地面積。

二是耕地土壤肥力偏低。土壤肥力是反應(yīng)土壤肥沃程度、確定土地可耕作性的重要指標，健康肥沃的土壤對于環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。目前，我國農(nóng)田基礎(chǔ)地力對糧食生產(chǎn)的貢獻率僅為50%～60%，比歐美等發(fā)達國家低20%；農(nóng)田耕層土壤有機質(zhì)平均含量為24.65 g/kg，且呈下降趨勢。此外，我國棕壤的有機質(zhì)含量平均比歐洲農(nóng)田土壤低1.5%～2.0%，褐土低1.0%，黑鈣土低5.0%[39]。

三是耕地土壤退化嚴重。我國傳統(tǒng)耕作方法過度壓榨地力，造成多數(shù)地區(qū)土壤耕作層厚度變薄。土壤的透水透氣性變差，保水保肥能力顯著降低，嚴重阻礙了土壤綠色可持續(xù)修復能力的提升[40]。2018年我國水土流失面積273.69×105km2，其中的中輕度侵蝕占比高達78.7%，黃土高原、東北黑土區(qū)、長江經(jīng)濟帶、石漠化水土等地區(qū)農(nóng)田土壤保護壓力巨大[41]。

四是耕地污染嚴峻。我國耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，受重金屬污染的農(nóng)田面積2×107hm2，受污染糧食產(chǎn)量1.2×107t，造成的年經(jīng)濟損失2×1010元[42-43]。與此同時，由于農(nóng)藥化肥的大量使用，土壤重金屬污染進一步加劇，地膜殘膜、農(nóng)業(yè)用水污染、工業(yè)廢水偷排等也都加劇了污染形勢。相比之下，我國土壤重金屬污染修復技術(shù)雖然已經(jīng)引起廣泛重視，但目前還未得到全面應(yīng)用[44-45]。

2 保護性耕作關(guān)鍵技術(shù)與裝備

2.1 保護性耕作關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)耕作方式相比，保護性耕作的最大差別在于減少了對農(nóng)機裝備對土壤耕層的不合理擾動和秸稈離田方式，因此免耕播種和秸稈還田覆蓋技術(shù)是保護性耕作技術(shù)體系的核心。優(yōu)于農(nóng)作物的生長模型各不相同，只有在已知農(nóng)作物種類、土壤類型、氣候條件和耕作方式前提下，才能對保護性耕作下精確定義。

2.1.1 秸稈還田技術(shù)

傳統(tǒng)上，農(nóng)民通常會將農(nóng)作物秸稈做離田處理，作為家用生物燃料或為造紙、發(fā)電等提供工業(yè)原料。隨著清潔能源的普及以及秸稈收儲價格的降低，農(nóng)民回收秸稈的意愿普遍降低。目前，工業(yè)用秸稈不足秸稈總量的8%，收獲后就地焚燒成為很長一段時期農(nóng)民的主要選擇，但焚燒會使空氣中煙塵、PM2.5等顆粒物數(shù)量急劇升高，直接導致大氣污染。為此，我國2016年1月1日起施行《大氣污染防治法》，進一步加強了秸稈焚燒行為的處罰力度，但根據(jù)生態(tài)環(huán)保部2018年的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，焚燒問題依然嚴重[46]。

與焚燒相比，秸稈還田可以增加土壤團粒結(jié)構(gòu)，腐解釋放的養(yǎng)分可以代替化肥，從而減少化學物質(zhì)的使用量。通過秸稈覆蓋，也能有效減少因裸露地遭受水蝕風蝕引起的耕作層土壤流失和沙塵暴、揚沙等環(huán)境污染問題。研究顯示，近年來我國實行秸稈還田利用的大部分地區(qū)，土壤有機質(zhì)含量都有所增加[47]。

中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所逄煥成項目組，研究了被粉碎的秸稈顆粒對黑土亞表層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響效應(yīng)。結(jié)果表明：秸稈處理能夠顯著提高土壤總磷脂脂肪酸含量和真菌摩爾百分數(shù)，還田初期的秸稈還能顯著提高真菌含量，利于長期維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，秸稈還田可顯著改變土壤理化因子水平[48]。

沈陽農(nóng)業(yè)大學鄒洪濤項目組，以遼寧省凌源市半干旱地區(qū)褐土為對象，研究了玉米秸稈深還田對土壤團聚體結(jié)構(gòu)以及有機碳和作物產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明：秸稈還田可以降低耕層土壤容重；提升土壤團聚體穩(wěn)定性，增加土壤團聚體碳含量，促進土壤質(zhì)量和玉米產(chǎn)量的提高[49]。

東北農(nóng)業(yè)大學龔振平項目組，以松嫩平原玉米連作黑土地為對象，研究了玉米秸稈還田量與磷肥使用量對土壤磷吸附與解吸特性的影響。結(jié)果表明：玉米秸稈還田量與磷肥施用量顯著影響黑土壤對磷的吸附與解吸特性。在相同農(nóng)藝條件下，隨著磷肥施用量的增加，土壤對磷的吸附能力均逐漸降低，而土壤中磷的解吸量和解吸率均逐漸增加[50]。

中國農(nóng)業(yè)大學張海林項目組，研究了雙季稻田的土壤團聚體穩(wěn)定性及碳、氮含量對耕作方式的響應(yīng)，結(jié)果表明：長期秸稈還田能夠顯著增加土層大團聚體比重，采取免耕與秸稈還田組合的耕作方式能夠改善土壤中的碳、氮含量，促進土壤大團聚體形成和穩(wěn)定，對改善稻田耕層土壤團聚體穩(wěn)定性具有顯著效果[51]。

寧夏大學侯賢清項目組，以寧夏揚黃灌區(qū)干旱沙壤土為對象，研究了秸稈還田與氮肥組合方式對土壤性狀與玉米水分利用效率的影響。結(jié)果表明：秸稈還田與氮肥施用相結(jié)合的方式，可以有效改善土壤的物理性質(zhì)、增強土壤的蓄水保墑能力，顯著提高土壤肥力。與傳統(tǒng)耕作方式相比較，玉米籽粒產(chǎn)量提高33.9%，水分利用效率提高26.2%[52]。

2.1.2 免耕播種技術(shù)

傳統(tǒng)鏵式犁翻耕作業(yè)，翻耕時由于拖拉機碾壓會使土壤團粒結(jié)構(gòu)遭到破壞，會導致犁底層的形成和增厚；翻后細碎土壤裸露地表，風蝕、水蝕加劇，耕層土壤流失嚴重，作物容易失墑。免耕播種技術(shù)減少了作業(yè)環(huán)節(jié)或者采用復式作業(yè)，由于耕作工序少，減少了機具的多機種、多工序作業(yè)對土壤結(jié)構(gòu)造成的破壞，同時也降低了作業(yè)成本。隨著免耕播種機技術(shù)的不斷進步，目前已經(jīng)研制出了可以實現(xiàn)種子和化肥分層施用的相關(guān)裝備。

中國農(nóng)業(yè)大學王慶杰項目組，研究了華北平原小麥—玉米兩熟區(qū)的小麥免耕播種問題，針對在玉米秸稈覆蓋的農(nóng)田地表容易造成播種機構(gòu)秸稈堵塞、麥種架空、晾籽等問題，研發(fā)出一種先播種后覆蓋秸稈的小麥播種機，通過旋耕刀片正轉(zhuǎn)拋土形成土壤、秸稈的有序覆蓋，可一次完成旋耕、均勻撒播、覆土、覆蓋秸稈、鎮(zhèn)壓等作業(yè)，機具播種后秸稈覆蓋量達到作業(yè)前秸稈覆蓋量的80%[53]。

華中農(nóng)業(yè)大學廖慶喜項目組，研究了長江中下游地區(qū)油菜土壤的保護性耕作問題，針對油菜播種耕作阻力大、土壤含水率高等問題，采用微分幾何理論并結(jié)合EDEM仿真方法分析了觸土曲面牽引阻力和曲面參數(shù)，確定了觸土曲面主要結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍。結(jié)果表明：犁曲面的結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時，導曲線為拋物線型的開畦溝前犁和船式開溝犁表現(xiàn)出較好的減阻特性[54]。

中國農(nóng)業(yè)大學何進、李洪文項目組，針對華北平原一年兩熟制的玉米秸稈覆蓋土壤的小麥少免耕播種機易堵塞問題，研發(fā)出一種條帶式旋切后拋防堵裝置，與傳統(tǒng)旋耕刀相比，在通過性能基本一致的情況下，機具功耗下降13.83%、土壤擾動減少37.5%，總體性能滿足免耕施肥播種機國標要求[55]。

東北農(nóng)業(yè)大學陳海濤項目組，針對目前秸稈回收機與免耕播種機均只能實現(xiàn)單一功能的問題，設(shè)計出免耕播種與秸稈回收同步作業(yè)的復式作業(yè)裝置，通過綜合考慮空氣阻力、土壤干涉及其他不可控因素，并分析了清秸裝置側(cè)向拋出秸稈的空間運動軌跡，試驗結(jié)果顯示秸稈回收率達到91.21%[56]。

山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院方會敏項目組，研究了解決麥茬地作業(yè)的免耕播種機擁堵塞問題，設(shè)計了一種阿基米德螺線型防堵機構(gòu)，可引導秸稈層疊堆積，減少局部集中造成的堵塞。結(jié)果表明：播種過程中新型防堵機構(gòu)作業(yè)順暢，未發(fā)生中、重度堵塞及晾籽，秸稈清除率最高達到92.6%[57]。

2.2 保護性耕作設(shè)備配套情況

2.2.1 旱田保護性耕作設(shè)備配套情況

我國的干旱及半干旱耕地面積約占全國耕地總面積的52.5%，遍及北方16個省市區(qū)[58]。中國西北地區(qū)普遍屬于干旱、半干旱地區(qū)，氣候寒冷、土壤貧瘠、近30年來平均土壤風蝕量高達160.1億t[59]；華北灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)雖然氣候水土較好，但是存在地下水超采、秸稈焚燒情況嚴重等問題，尤其農(nóng)業(yè)開采量占華北平原地下水總開采量65%以上[60]。在解決上述問題方面，保護性耕作有著獨特優(yōu)勢，特別適合土壤侵蝕嚴重、干旱缺水、資源消耗大的小麥、玉米和豆類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域。

從小麥、玉米等主糧作物生產(chǎn)實踐來看，保護性耕作體系的主要支撐技術(shù)包括秸稈覆蓋、免耕少耕、種肥同施、病蟲草害防治、深松及表土處理等技術(shù)。一般來說，小麥、玉米的保護性耕作技術(shù)流程是：作物收獲—秸稈還田—深松(選擇性處理)—表土作業(yè)—休閑—免耕施肥播種—雜草控制—田間管理—作物收獲。傳統(tǒng)的旱田耕作技術(shù)體系與保護性耕作技術(shù)體系的差異如表1所示，可以看出能保護性耕作可以減少工序次數(shù)，降低裝備數(shù)量。旱田保護性耕作不僅能夠保持水土，還能取得較好經(jīng)濟效益。例如，根據(jù)2010—2012年河北地區(qū)小麥—玉米一年兩熟區(qū)實測結(jié)果[61]，保護性耕作的土壤深松面積750 khm2，保護性耕作技術(shù)面積1 227 khm2，可獲經(jīng)濟效益24.28億元，平均每年經(jīng)濟效益約409元/hm2。

表1 傳統(tǒng)旱田耕作體系與免耕耕作體系對比Tab. 1 Comparison between conventional farming systems and no-till farming systems in dry land

2.2.2 水田保護性耕作設(shè)備配套情況

水田保護性耕作以水稻種植為代表，種植模式主要有水—旱輪作如水稻—油菜輪作、水—水輪作如小麥—水稻—水稻輪作等。水田保護性耕作的主要技術(shù)有免耕少耕、機械化埋茬起漿整地、機械化旱種水管以及高效低毒植保技術(shù)等。由于不同地區(qū)種植方式、耕作習慣不同，耕作農(nóng)藝和農(nóng)機裝備也沒有統(tǒng)一的標準。實踐中，水田保護性耕作主要有機械化插秧(或移栽)和機械化直播兩種常見模式。以水稻為例，水田的旋耕耕作體系與免耕耕作體系的差異如表2所示。

表2 傳統(tǒng)水田(水稻)旋耕耕作體系與免耕耕作體系對比Tab. 2 Comparison between traditional rotary tillage system and no-till tillage system in rice field

水稻保護性耕作的機械化插秧作業(yè)首先是在秋季采用留高茬方式收割前茬作物，次年春季運用水田埋茬起漿整地機作業(yè)，然后利用同步施肥插秧機插秧，田間管理則采用機械化高效低毒植保技術(shù)，該模式技術(shù)難度較低，可應(yīng)用于大部分水田區(qū)。通常機械化旱直播的主要作業(yè)流程是：作物收獲—秸稈切碎還田—秋季秸稈深埋—春季精旋—機械化旱直播—藥劑除草—機械化高效低毒植?！斋@。該模式適用于缺水、單產(chǎn)較低地區(qū)。廣東省生產(chǎn)實踐表明，水稻保護性耕作比傳統(tǒng)耕作能減少肥料使用量15%，農(nóng)藥10%，且不需要犁耙水田，總生產(chǎn)成本大大下降[62]。

2.3 存在問題

2.3.1 保護性耕作理念尚未普及

我國農(nóng)業(yè)有精耕細作的傳統(tǒng)習慣，尤其是人多地少、包產(chǎn)到戶的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，廣大農(nóng)戶普遍認同發(fā)揮生產(chǎn)積極性、通過增加生產(chǎn)投入提高單位面積生產(chǎn)收益的種植理念。由于近年來農(nóng)機具、化肥、農(nóng)藥和灌溉條件的迅速普及，采用精耕細作也能使糧食產(chǎn)量保持較高水平，因此農(nóng)民對變更生產(chǎn)模式的積極性不足，甚至把留田秸稈看作影響機械化播種的障礙。因此目前保護性耕作在國家層面支持力度很大，但是基層推廣仍有較大阻力，多數(shù)地方需要采取保護性耕作補貼才能推行。

2.3.2 現(xiàn)有農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式對保護性耕作有限制

除了新疆、東北等地區(qū)農(nóng)場種植規(guī)模較大，適合大面積推廣保護性耕作外，在我國其他地區(qū)農(nóng)戶經(jīng)營面積往往只有幾畝，人口稠密、經(jīng)濟基礎(chǔ)較好的中東部農(nóng)村甚至每戶只有幾壟土地，過窄的農(nóng)田不僅導致寬窄行種植等技術(shù)難以實施，而且秸稈覆蓋導致的病蟲草害容易傳播到相鄰農(nóng)田引發(fā)矛盾。因此，在土地規(guī)模經(jīng)營較小的我國中東部地區(qū)，推廣保護性耕作有較大難度。

2.3.3 保護性耕作裝備不配套

實施保護性耕作的農(nóng)田土壤未經(jīng)精細平整，且地表覆蓋秸稈，不可避免地會妨礙農(nóng)機裝備作業(yè)，這對免耕作業(yè)裝備提出了很高要求。尤其是免耕播種裝備，既要具備良好的地形適應(yīng)性，又要保證種子入土精度和種肥同施品質(zhì)。此外，秸稈覆蓋引發(fā)的作物出芽、間苗、施肥、除草等農(nóng)藝，都需要相應(yīng)農(nóng)機裝備和配套農(nóng)藝來解決。目前我國大部分農(nóng)機具都是針對無殘茬覆蓋農(nóng)田，對于適應(yīng)不同地區(qū)、不同保護性耕作制度的專用裝備的研發(fā)明顯滯后。

3 保護性耕作的發(fā)展建議

從長期效果來看，保護性耕作對于改善土壤有機質(zhì)含量、增產(chǎn)增收、節(jié)水節(jié)藥都具有正向促進作用，但連續(xù)實施全量秸稈還田以及持續(xù)進行免耕少耕作業(yè)是否能夠始終保持對地力的正向激勵是保護性耕作中值得關(guān)注的兩個重要問題。

3.1 秸稈適量還田

實踐表明，在保護性耕作中秸稈還田后只有充分腐解才能有效釋放養(yǎng)分，且不會阻礙種子出苗率。秸稈腐解與多種環(huán)境因素有關(guān)，例如時間、溫度、水土比和腐解劑等[63]。一般情況下，秸稈在寒冷地區(qū)比在溫濕地區(qū)更難分解、淺埋處理比深埋處理更難分解、大粒度秸稈比小粒度秸稈更難分解、不休耕不換茬比休耕換茬更難分解。除了腐解程度以外，秸稈還田后，病蟲會隨秸稈進入土壤，增加治理難度，如果是連續(xù)還田且治理不當，秸稈中自帶病蟲也會持續(xù)積累，降低作物品質(zhì)，增加農(nóng)藥使用量。

3.2 免耕少耕農(nóng)藝

連年免耕少耕能否始終促進土壤品質(zhì)提升是又一個值得關(guān)注的問題。有研究表明，免耕少耕小麥種植對中低產(chǎn)田小麥增產(chǎn)有顯著的作用，但隨著免耕年限的增加，也會出現(xiàn)土壤環(huán)境劣化，生長環(huán)境變差，增產(chǎn)優(yōu)勢將逐漸減弱的情況。因此，如采用連年免耕種麥技術(shù)，其連續(xù)免耕的年限以2～3年為宜。在病蟲害方面，免耕特別是連年免耕的稻田由于沒有進行翻耕，難以對水稻紋枯病的菌核及地上部病殘體的菌絲體產(chǎn)生機械破壞和翻埋，理論上紋枯病應(yīng)當重于常耕稻田。

綜上所述，盡管目前對于連年大量秸稈還田加免耕少耕模式對土壤及農(nóng)作物產(chǎn)量的影響深度研究較少，但其不利影響是現(xiàn)實存在的。整體來看，秸稈還田量如何確定，免耕少耕實施農(nóng)藝如何安排，決定依據(jù)主要來源于對土壤性能的動態(tài)監(jiān)測，尤其是秸稈腐爛分解程度及病蟲害程度的科學判斷，如果秸稈腐爛程度好、病蟲害程度低，則可以增加還田量，繼續(xù)采用免耕少耕作業(yè)；如果腐爛程度差、病蟲害程度高，則應(yīng)減少秸稈還田量或增加粉碎率，或選擇隔年還田，以及深松、深翻等，同時，同步監(jiān)測土壤及作物產(chǎn)品、品質(zhì)變化情況，適時對耕作方式做出調(diào)整。因此，在決定是否適合采用保護性耕作模式時，除考慮土壤性能改善外，也需要考慮經(jīng)濟程度、設(shè)備配套等因素。

4 結(jié)論與展望

1) 保護性耕作利用農(nóng)作物殘茬或者種植植被來覆蓋土壤表層，保護農(nóng)田土壤，減少水土流失，對于環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

2) 保護性耕作的具體實施方法與農(nóng)業(yè)環(huán)境條件密切相關(guān)。國內(nèi)外不同地區(qū)的溫度、水分、土壤等因素差別極大，因此應(yīng)當因地制宜，有針對性地發(fā)展適合各自區(qū)域特點的保護性耕作模式。

3) 我國在保護性耕作在秸稈還田和免耕播種領(lǐng)域均取得一定進展，在旱田和水田的保護性耕作方面初步形成了適合中國國情的技術(shù)體系，但是適用裝備體系還不夠完善，保護性耕作專用的農(nóng)機與農(nóng)藝相結(jié)合不緊密。

4) 保護性耕作是長期持續(xù)發(fā)展過程，其中秸稈適量還田和免耕少耕農(nóng)藝是保護性耕作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。未來需要加強對保護性耕作的理論基礎(chǔ)研究，確立有地域特色的保護性耕作實施模式，并配套適用農(nóng)機裝備，形成因地制宜的保護性耕作技術(shù)體系。