我國北方旱作農(nóng)田保護性耕作發(fā)展與展望

齊 華 李從鋒 趙 明 姜 英

（1沈陽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，110866，遼寧沈陽；2中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所，100081，北京）

我國85%旱地分布在昆侖山、秦嶺、淮河以北的廣大地區(qū)，土地總面積542萬km2，約占國土面積的56%，其中耕地面積51.33萬km2，約占全國耕地總面積的52%[1]，這些耕地的有效利用對保障我國糧食安全具有重要意義。近40年間，旱作農(nóng)田作物生產(chǎn)的主要矛盾發(fā)生了根本性變化，最突出的表現(xiàn)是耕地質(zhì)量下降、風蝕水蝕加重、生產(chǎn)資源代價提高[2]。雖然作物秸稈是唯一可大面積培肥土壤的有機物料來源，但農(nóng)田秸稈處理卻是當今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一大難題[3]?！耙?guī)模機械化”“綠色發(fā)展”“提質(zhì)增效”是未來相當長歷史時期我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主旋律[4-5]，亟待構(gòu)建旱作農(nóng)田秸稈還田條件下的新型保護性耕作制度。

1 我國北方旱作農(nóng)田保護性耕作發(fā)展歷程

1.1 保護性耕作與起因

保護性耕作可追溯到20世紀30年代，大規(guī)模不合理耕作導致美國發(fā)生的災難性“黑風暴”事件是其主要誘因[6]。國外通常以秸稈殘茬覆蓋度為標準，在一季作物之后地表留茬覆蓋至少30%為保護性耕作，如起壟、帶狀耕作、覆蓋耕作及免耕等[7-8]，聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界銀行提出保護性農(nóng)業(yè)需具備3個關(guān)鍵要素，即最少的土壤擾動、覆蓋作物種植和合理輪作[9]。國內(nèi)學者認為，保護性耕作是指通過少耕、免耕、地表微地形改造技術(shù)及地表覆蓋、合理種植等綜合配套措施，從而減少農(nóng)田土壤侵蝕，保護農(nóng)田生態(tài)環(huán)境，并獲得生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益協(xié)調(diào)發(fā)展的可持續(xù)農(nóng)業(yè)技術(shù)[10]。

1.2 我國旱作農(nóng)田保護性耕作的產(chǎn)生與發(fā)展

隨著保護性農(nóng)業(yè)在國內(nèi)的提出和興起，保護性耕作也逐漸發(fā)展起來。20世紀90年代，我國學者就已經(jīng)開始了探索旱作農(nóng)田保護性耕作增產(chǎn)的效益分析研究[11，12]，明確了保護性耕作的完整概念[6]，此后旱作農(nóng)田保護性耕作一直是農(nóng)業(yè)的關(guān)注熱點。2002年開始在全國范圍內(nèi)大規(guī)模推廣保護性耕作，而主要開展區(qū)域集中在北方旱作農(nóng)區(qū)[12]。在華北和東北2個典型旱作農(nóng)區(qū)，持續(xù)開展了關(guān)于傳統(tǒng)耕作與保護性耕作措施的比較研究，從原理技術(shù)、農(nóng)機應用和技術(shù)模式等不同層面進行了大量研究，包括蓄碳減排耕作機理揭示[7]、免耕播種和深松機具研發(fā)和秸稈還田技術(shù)比較[11，13-15]等。

1.3 北方旱作農(nóng)田耕作制度面臨的困境

以家庭聯(lián)產(chǎn)承包小農(nóng)戶經(jīng)營為背景的旱作農(nóng)田耕作制度的典型特征是小型農(nóng)機具全層淺耕作業(yè)、化肥全面替代有機肥、等行距壟作栽培?，F(xiàn)在的旱作農(nóng)田產(chǎn)量水平與家庭聯(lián)產(chǎn)承包時期已不可同日而語，長期全層淺耕作業(yè)引發(fā)了耕層結(jié)構(gòu)性障礙（耕層淺、犁底層上移、緊實度增加等）[16]，長期大量施用化肥導致耕層功能性障礙（有機質(zhì)含量降低、板結(jié)、耕性變差等）[7，17]，耕層結(jié)構(gòu)與功能性障礙及二者相互間不協(xié)調(diào)的疊加效應加劇了農(nóng)田水肥氣熱矛盾，導致土壤耕層環(huán)境惡化、風蝕水蝕加重（圖1）。等行距栽培也使得群體田間通風透光不良，作物倒伏、早衰等問題突出，光能利用率下降[18]。

圖1 旱作農(nóng)田風蝕（左）、水蝕（右）嚴重Fig.1 Serious soil erosion of wind (left)and water (right) in dryland

2 北方旱作農(nóng)田保護性耕作的主要成就

2.1 節(jié)水與減排型保護性耕作技術(shù)取得重要進展

保護性耕作具有保土、培肥和節(jié)水等特點，被認為是緩解氣候變化的重要耕作制度。“十二五”期間，遼寧省農(nóng)業(yè)科學院東北旱作團隊開展了氣候變化背景下的保護性耕作制度研究，建立了以免耕和秸稈還田為主的節(jié)水型耕作技術(shù)[19]，但對于保護性耕作對農(nóng)田土壤固碳、溫室氣體排放是否具有顯著影響在一段時間內(nèi)存在較大爭議。有學者從保護性耕作角度對土壤理化性狀、作物產(chǎn)量和溫室氣體排放等方面進行了研究[20]，并基于大數(shù)據(jù)整體Meta分析得出了保護性耕作制度在我國農(nóng)田的固碳減排潛力和連續(xù)實施的增產(chǎn)機理[21]。

2.2 玉米、小麥少免耕播種技術(shù)及農(nóng)機具研制推廣的突破

保護性耕作過程強調(diào)少耕、免耕措施的應用，其規(guī)模推廣離不開相應農(nóng)機具選型配套研制。20世紀90年代，我國開始探索保護性耕作的農(nóng)機具研制、應用及推廣。適用于多種作物的免耕播種機相繼研制成功并應用，如驅(qū)動防堵型免耕播種機、清茬免耕播種機等。作物生育期管理階段的噴藥、深松、收獲等全程機械化農(nóng)機的研制推廣得到了普遍認可[13]。在北方旱作農(nóng)區(qū)保護性耕作和少免耕播種方面，中國農(nóng)業(yè)大學在“北方玉米少免耕高速精量播種關(guān)鍵技術(shù)與裝備”“保護性耕作技術(shù)”“北方一年兩熟區(qū)小麥免耕播種關(guān)鍵技術(shù)與裝備”和“旱地農(nóng)業(yè)保護性耕作技術(shù)與機具研究”等方面取得了重要突破。西北旱作農(nóng)區(qū)保護性耕作在機具研制與雜草防控方面也取得了相應成果。

2.3 探索建立秸稈還田的新型保護性耕作制度

秸稈管理問題一直是困擾旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最突出的關(guān)鍵問題之一。而在北方旱作農(nóng)田秸稈還田存在諸多實施的障礙，如播種質(zhì)量差、秸稈腐解緩慢、病蟲草危害等。沈陽農(nóng)業(yè)大學提出間隔輪耕秸稈條帶還田技術(shù)（圖2），為解決旱作農(nóng)田秸稈還田困境提供了可行的途徑。這種還田方式可創(chuàng)造“虛實相間”的耕層構(gòu)造，兼具免耕與深耕的優(yōu)點[17]。通過年際間交替間隔輪耕秸稈條帶還田，在實現(xiàn)農(nóng)田全層培肥的同時，也使還田帶與種植帶分離，有效破解了覆蓋、全層翻（旋）耕秸稈還田的問題[22]。

圖2 秸稈條帶還田機械作業(yè)（左）及作業(yè)效果土壤剖面（右）Fig.2 Mechanical operation of straw strip returning to field(left) and soil profile showing operation effects (right)

中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所研發(fā)了新型機械化保護性耕作技術(shù)——玉米條帶耕作密植高產(chǎn)技術(shù)（圖3），該技術(shù)改全層耕作為條帶耕作，改等行種植為小雙行密植，改常規(guī)施肥為深層施肥，一次作業(yè)同時完成條帶深松、秸稈還田、深層施肥及密植精量播種等環(huán)節(jié)，減少了秸稈粉碎、翻耕及旋耕等作業(yè)過程，提高了作業(yè)效率，可有效處理秸稈、增加耕層深度，可降低土壤容重10%～15%，能明顯提高播種質(zhì)量和出苗質(zhì)量，改善群體結(jié)構(gòu)和物質(zhì)生產(chǎn)能力，平均增產(chǎn)8.0%～12.5%。近年在東北多地以條帶耕作密植為主體的機械化技術(shù)的推廣應用，有效提升了玉米綜合生產(chǎn)能力，帶動了區(qū)域大面積綠色增產(chǎn)增收。

圖3 條帶耕作密植播種（左）及田間出苗情況（右）Fig.3 Mechanical operation of strip tillage and dense planting (left) and the field situation of seedling emergence (right)

此外，中國農(nóng)業(yè)大學提出的玉米秸稈覆蓋條耕技術(shù)，集秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作優(yōu)點于一體，條耕在清理苗帶上秸稈的同時也疏松了土壤，有利于提高玉米播種質(zhì)量，實現(xiàn)苗全苗壯[23]。玉米生產(chǎn)中高留茬秸稈全覆（或條覆）免耕播種隔年深翻，可有效遏制冬春季節(jié)土壤風蝕與春季土壤干旱問題，通過隔年（或3年一周期）深翻也可解決地表秸稈富集，實現(xiàn)土壤全層培肥。

3 北方旱作農(nóng)田保護性耕作展望

3.1 因地制宜地制定保護性耕作制度

我國旱作農(nóng)田分布區(qū)域廣，各地光溫水資源及土壤條件存在差異，所以不同區(qū)域制約作物生產(chǎn)的主要矛盾與制約程度不盡相同。如：年降雨量多少、耕層障礙嚴重程度，都直接影響作物冠層與耕層環(huán)境優(yōu)劣。雖然秸稈還田是破解旱作農(nóng)田耕層障礙切實可行的出路，但還田方式不僅對農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)與功能作用存在著質(zhì)與量上的差異，決定冠層結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要素——作物田間配置也制約著還田方式是否可行。因此，針對不同區(qū)域旱作農(nóng)田作物生產(chǎn)主要矛盾，因地制宜地規(guī)劃作物田間配置與秸稈還田方式，實現(xiàn)冠層耕層協(xié)同優(yōu)化，是我國北方旱作農(nóng)田保護性耕作需要解決的根本問題。

3.2 以目標導向攻克關(guān)鍵問題，研發(fā)配套機具

耕層淺、緊實度增加、有機質(zhì)含量降低、板結(jié)、耕性變差等是北方旱作農(nóng)田耕層結(jié)構(gòu)與功能協(xié)調(diào)的共性問題。因此，新型保護性耕作技術(shù)急需攻克的3個關(guān)鍵問題：一是以農(nóng)田防徑流、控水蝕、高效蓄水為目標，闡明降水高峰期水分入滲與秸稈還田方式關(guān)系；二是以農(nóng)田防風蝕、抗旱保墑為目標，闡明秸稈覆蓋及輪耕還田時期與耕層土壤水熱關(guān)系；三是以冠層調(diào)控改善作物群體光能利用為目標，闡明作物田間結(jié)構(gòu)配置與物質(zhì)生產(chǎn)關(guān)系。針對上述問題，研究旱作農(nóng)田不同氣候與土壤類型秸稈還田方式的優(yōu)化配置，科學規(guī)劃秸稈還田方式、覆蓋及輪耕還田時期，實現(xiàn)保護性土壤耕作技術(shù)與農(nóng)機裝備融合，構(gòu)建我國北方旱作農(nóng)田新型保護性耕作制度。

3.3 建立保護性耕作技術(shù)長期監(jiān)測與評價體系

以秸稈還田為核心的保護性耕作對土壤結(jié)構(gòu)和功能的改善是一個長期漸進的過程，因此需要開展針對不同秸稈還田方式的新型保護性耕作技術(shù)進行定位監(jiān)測試驗研究，建立長期監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，跟蹤不同保護性耕作技術(shù)模式及示范效果。研究制定包括土壤耕作、機具配套、種植管理等多類型保護性耕作技術(shù)標準及保護性耕作技術(shù)效應的評估方法，開展不同區(qū)域新型保護性耕作技術(shù)經(jīng)濟生態(tài)效益評價。