浅谈保护性耕作技术研究现状及发展趋势
摘 要 阐述了保护性耕作技术的概念及其提高经济、生态和社会效益的机理，综述了国内外保护性耕作技术的研究进展及现状，并针对目前存在问题预测了保护性耕作技术的发展趋势。旨在提高我国耕地的综合生产能力，促进我国农业的可持续发展。
关键词 保护性耕作 研究现状 发展趋势
前言
干旱、土壤瘠薄、水土流失严重是当前旱地农业中存在的三个亟待解决的问题．极大地制约了当地农业的可持续发展。对旱地潜能的最佳开发、雨热资源的科学利用、生物资源的养分转化以及对生态环境的综合利用．始终是世界农业可持续发展研究的重点。从20世纪30年代至今。世界各国都在积极探索旱地农业生产的先进技术和有效模式。改善生态环境和提高土地生产力。获得最佳的生态效益。在当前涌现的诸多农作模式中。保护性耕作能起到这一作用。21世纪以来，保护性耕作技术在中国得到迅速发展，普及和推广保护性耕作技术的氛围已初步形成。因此．它在世界范围内发展最为迅速。
1保护性耕作技术概念
保护性耕作技术在国际上尚无统一定义，国外通常以秸秆残茬覆盖度为标准，指在一季作物之后地表留茬覆盖﹥30％为保护性耕作，如覆盖起垄、覆盖带状耕作及覆盖免耕等；而秸秆残茬覆盖度在15％～30％的耕作方式，不属于保护性耕作。该定义在生产上的应用具有可操作性。国内学者张海林等认为保护性耕作是指通过地表覆盖及少耕、免耕、地表微地形改造技术和合理种植等综合配套措施，减少农田土壤侵蚀，保护农田生态环境，并获得生态效益、经济效益及社会效益协调发展的可持续农业技术。
目前众多学者对保护性耕作达成的共识是，保护性耕作(Conservation tilhge)是对农田实行少耕、免耕，尽可能减少土壤耕作(只要能保证种子发芽即可)，并用作物秸秆、残茬覆盖地表，用化学药物来控制作物杂草和病虫害，从而减少土壤风蚀、水蚀，提高土壤肥力和抗旱能力的一项先进农业耕作技术。保护性耕作的前身叫免耕法。
2保护性耕作提高经济、生态和社会效益的机理
保护性耕作改变了对土壤的过度加工，即把传统的精耕细作变为少耕或免耕，尽量减少对土壤的扰动；同时采用秸秆、残茬或其他植被覆盖地表，以减少雨水和风对土壤的侵蚀，减少蒸发，达到保土、保水、增肥、改善土壤结构的目的，从而实现节本增效和生态环境保护，达到农业可持续发展和保护环境的双重功效。
2.1保护性耕作主要科学机理
2.1.1改变铧式梨翻耕土壤的传统耕作方式实行免耕或少耕
免耕就是除播种外不进行任何操作。少耕包括深松与表土耕作，基本上不破坏土壤结构和植被，可提高土壤天然降雨入渗率，减少地表径流，增加土壤含水量并提高土壤储水量。
2.1.2 将秸秆、残茬覆盖地表
秸秆、残茬覆盖地表能够改善土壤团粒结构，团粒结构好的土壤可以蓄存大量的毛管水，使田问持水能力提高，这是发挥土壤水库的关键，并且对水的调节能力增强。水沿毛细管移动，作物需要的多，水分上移的快，作物需要的少，水上移的就慢，因而可提高天然降雨利用率和水分利用效率。同时减少土壤风蚀、水蚀和无效蒸发。一方面作物残茬为土壤生物区系提供了食物来源和适宜的生长场所，另一方面土壤生物极大的改善了土壤物理结构和化学性质。保护性耕作土壤肥沃，有机质提高，养分含量增加，其养分供应及时且持久，加上土壤结构的改善，协调了土壤水、肥、气、热，为作物高产奠定了基础，同时保护了农村生态环境，促进了农业可持续发展。与此同时，免耕播种简化了工序，操作简单易行，农民乐于接受，且秸秆覆盖能够有效抑制杂草生长，从而降低成本，具有显著的经济功效。
保护性耕作是否增产仍然存在较大争议。一般认为增产的机理在于，当作物生长受到干旱胁迫时，由于作物残茬覆盖土壤保水能力增强，这时作物相应增产。事实上在短期及正常气候年度作物增产效果并不显著。尽管作物残茬覆盖对种子落地生长和病虫害的负面影响还有争议，但作物残茬覆盖可调节土温，起缓冲作用。此外，作物残茬的腐烂分解能够保持耕地质量不下降也是作物增产的一个间接原因。
3国内外研究进展
3．1 国外研究进展
3．1．1 保护性耕作技术的起源及发展
保护性耕作技术起源于美国，其初衷是防止土壤沙漠化。它不仅能够有效遏制沙尘暴，还可以减少径流、减少蒸发，有效提高作物产量。由于其先进的技术和正确的指导思想，该项技术在美国得到长足发展。
进入20世纪50年代，加拿大、前苏联也相继开始对保护性耕作的试验研究，并根据本国的实际情况进行了不断探索和改进。20世纪70年代，澳大利亚政府引进了该项技术，并在全国各地建立了大批保护性耕作试验站，并吸收农学、水土、农机专家参加试验研究。另外，墨西哥、以色列、印度、埃及和巴基斯坦都在开展保护性耕作试验研究。
保护性耕作在农业机械化实现较早的西方国家率先应用和推广的目的是保护环境、降低劳动强度和增加农业收入等。保护性耕作在美国、加拿大、澳大利亚等农业发达国家已经成为基本的农业耕作措施和制度。1995年统计，全美粮田面积中保护性耕作和少耕已占60％以上，90％的土地已取消铧式犁耕作。澳大利亚也于70年代试验成功并进一步推广保护性耕作。英国的玉米栽培已有一半面积采用几年不翻的免耕法。加拿大为了保证免耕法的实施，制定了废除铧式犁的法律，日本、伊朗、菲律宾等国家也以立法的形式推广免耕法。
3．1．2保护性耕作技术对生态环境及产量的影响
国外长期研究证明，利用作物残茬覆盖和减少耕作是控制水土流失的2项最有效措施，利于减少蒸发，增加土壤有效持水量。保护性耕作由于改变了地面粗糙度，有效的减少了地表径流和控制土壤侵蚀。内布拉斯加试验指出在作物生育期降水321mm时，覆盖免耕地的径流为0mm，蒸发损失为182mm，而传统耕作分别为600和254mm。
保护性耕作对土壤物理结构和化学性质的影响表明，作物残茬为土壤生物区系提供了食物来源和适宜的生长场所，增强了土壤生物的活性，从而改善了土壤物理结构和化学性质。保护性耕作能显著提高表层土(0—5cm)有机质含量，土壤pH值和紧实度降低，土壤导电率增加。随着土层变深效果愈不明显。岫的研究表明，免耕与其他耕作方式对0-60cm土层全碳与全氮的含量影响无明显差异，但0-10 cm免耕的全碳与全氮含量较高，而作物残茬的处置将是影响土壤全碳与全氮含量的重要因子。传统耕作减少了土壤物理退化，而免耕虽然土壤紧实度高，但土壤化学退化低，免耕土壤有机质和全氮含量较高。经长达8年的定位试验研究表明，翻耕除外，犁耕与免耕方式条件下残余物施用数量与土壤有机碳(SOC)含量在一定范围内存在正线性相关性。而残余物转化成有机碳的转化率以免耕居高。
此外，免耕并未提高土壤的水稳性团聚体含量，但残茬数量却与土壤的水持力呈显著正相关,保护性耕作是处理作物残茬、恢复退化土壤及其增强土壤碳汇功能的重要途径,保护性耕作对产量的影响尚有争议，当作物生长受到干旱胁迫时，由于作物残茬覆盖土壤保水能力增强，这时作物相应增产。由于有效水分的不同，德克萨斯州连续5年试验保护性耕作产量3.44 t/hm2，而传统耕作为2.56 t/hm2。昆士兰试验站15年对比试验表明，覆盖耕作(松耕、表土耕作、机械除草)和少耕(松耕、表土耕作、化学除草)、免耕(免耕、化学除草)的小麦和高粱平均产量分别为3.32、3.46和3.64 t/hm2。而传统耕作平均产量仅为2.44 Lhm2，增产原因主要是土壤含水量增加，土壤结构与土壤肥力明显改善。由于作物残茬覆盖改善了土壤供水能力，1年生作物(玉米和高粱)的产量显著增加。与对照相比，经过4年的定位试验后，其产量增产14％一8l％。
事实上在短期及正常气候年份作物增产效果并不显著，但作物残茬覆盖可调节土温起缓冲作用。此外，作物残茬的腐烂分解能够保持耕地质量不下降也是作物增产的一个间接原因。Barber等却认为土壤紧实是导致作物减产的重要原因。作物残茬覆盖对种子落地生长和病虫害的负面影响有极大的争议，作物残茬覆盖可能会增加病虫害及其天敌，通过雨水冲刷可减少作物病虫害的传递。Stuiz认为保护性耕作由于残茬的存在，虽然促使5-15 cm土层微生物数量增加，相应导致病原体的大量存活。但这部分病原体仍只土壤微生物群落的一部分，较高的土壤微生物活性由于竞争限制了病原体的大量繁殖。
3．2国内研究进展
3．2．1我国保护性耕作技术引进及发展
我国自20世纪70年代初开始引进研究保护性耕作技术。近几年在山西、河北等一年一熟地区的研究也开始有所成果慷J。其间中国农业大学在山西进行了lO年的试验研究，并在山西省有了大规模的应用和发展，形成了一整套先进成熟的技术。在山西省开展的“旱地农业持续机械化生产体系研究”表明，机械化保护性耕作技术与传统技术相比，可降低地表径流60％，减少土壤流失80％，减少大风扬沙60％；该技术同时可以增加休闲期土壤蓄水量，提高水肥利用率，减少作业工序，增加作物产量。陕西也早在10年前开始研究保护性耕作技术，形成了一整套秸秆全程覆盖技术。1999年由农业部在北京主持召开的国际保护性耕作研讨会上，与会专家充分肯定了保护性耕作法的优越性及实施该办法的迫切性，并推荐引进澳大利亚保护机具。
3．2．2我国保护性耕作技术研究概况
国内保护性耕作试验关于保护性耕作对土壤肥力、农作物生长效应等试验研究较多。
李兴华等研究了不同耕作方法对水稻生长和土壤生态的影响，结果表明，免耕水稻的分蘖数、有效穗和实粒数降低，产量及经济效益降低，土壤容重和硬度增大，孔隙度降低，而土壤细菌数量增加，酶活性增强。
骆文光等研究了水稻采用垄作覆盖免耕免灌技术，土壤腐殖质含量，特别是土壤松腐殖质相对含量增加，这能够改善土壤结构，提高天然降雨的利用率，达到较好的保持水土和经济效益。稻田免耕加上稻草还田后，可使水层氮素含量大幅度降低，肥效持久。
孙海国等研究表明，随着土壤耕翻程度的降低，土壤养分含量逐渐增加。免耕表土(O～10cm)有机质、全氮和速效磷的含量呈显著增加，其速效钾含量也明显高于其他耕作方式，土壤pH值的下降与有机质含量呈显著负相关。秸秆覆盖有利于表土养分的积累，但与其他秸秆还田方式(秸秆翻入土壤中)积累养分量的差异未达到显著水平。
保护性耕作农田地温及土壤含水率的影响表明，保护性耕作不同处理土层含水量增加，蓄水保水能力增强。严少华等研究了免耕对5种水稻土持水性能的影响。结果表明，免耕后黏粒含量高的水稻土，其土壤通气孔隙增加，而毛管孔隙减少，土壤持水性能改善，尤其在低吸力条件下效果明显。刘亚俊等研究表明，机械化保护性耕作能够在播种期提高地温，有利于提高作物出苗率和促进根系发育，具有蓄水保墒的作用。
此外，孙海国等探讨了保护性耕作小麦一玉米农田生态系统的能流特点。结果表明，保护性耕作能够明显提高该农田生态系统的能量转化率，能量投产比间的差异显著，免耕增强了农田生态系统的有序性，从而提高了系统的相对生产力。
3．2．3保护性耕作功效
我国保护性耕作研究主要集中在北方的旱地。机械化旱地保护性耕作基本上克服了传统机械化旱地耕作的缺点，有效地利用了自然降水、控制了水土流失、降低了作业成本，其优点在于：
(1)土壤有效含水量提高。保护性耕作使蓄水保墒能力增强，充分提高对自然降雨的利用率。1998年4月份对北方某示范区土壤含水量的测定表明，0-10、10～20、20—30和30～40cm的土层含水量分别为16.07％、17.07％、14．20％和13．65％，与机械化旱作农业作业区含水量相比提高近2个百分点。土壤含水量的提高，能充分保证作物苗期的生长发育。
(2)土壤有机质含量显著增加。实施保护性耕作技术，秸秆粉碎覆盖还田能有效培肥地力，提高有机质含量。同时，由于取消了深耕翻地，也避免了降雨冲蚀和径流造成的养分损失，两种效果加在一起，使有机质含量年均增长0．093％～0．100％，土壤质量不断得到改善。
(3)作业成本明显下降。与传统耕作技术相比，保护性耕作法减少了机械镇压和负荷最大的深耕作业，而播种的负荷程度也有相应减轻，因此机械作业费用可降低50％，总生产成本减少25％。
保护性耕作技术在水稻土上也得到了研究与应用。南方水田少耕免耕的研究始于20世纪70年代末期至80年代初期，西南农业大学等单位针对西南地区冷浸田、烂泥田等冬水田存在的问题，变传统的平作为垄作，创造了把种植、养殖和培肥有机结合起来的一种水田半旱式少耕法，明显改善了此类冬水田土壤的理化性状，收到了增产增收的效果。
近年来，不少地区农民已将小麦播种提早到水稻收割之前，水稻收割后，再行开沟覆土。黄小洋等研究表明，免耕抛秧水稻产量提高，二化螟和稻纵卷叶螟数量比常耕处理分别低16％、94％。杨为芳研究表明，水稻免耕抛秧技术节本增效效果明显，平均增产198.9 kg/亩，免耕稻比常耕稻节本增收525—825元/hm2。同时，免耕并未造成土壤、稻谷重金属超标，土壤、糠、米中未检测出草甘膦、克无踪等农药。郑家国等研究了在稻田保护性耕作技术体系下，秸秆还田种类、数量的稻田生态效应。结果表明，麦秸、油菜秸全量还田增产效果明显；秸秆还田节水效益不明显；秸秆还田能有效培肥土壤，土壤全氮、碳、速效养分及微量元素含量显著提高。
4存在问题与展望
保护性耕作的有效年限是国际耕作研究会正在研究的重大课题。国内保护性耕作研究总的不足之处在于北方多、南方少；旱地多，稻田少；单项技术多，综合配套技术少。
当前，保护性耕作迫切需要解决的问题有以下几点：
（1）由于农艺要求的复杂性和生产条件的多样性，加之秸秆还田造成机具在田间可操作性降低，因此要求研发因地制宜的保护性耕作配套机具，对作物品种进行搭配与筛选。
（2）实施保护性耕作作物病虫害、草害的发生与防治，因其发生受气候等多因素影响，其控制与防治效果也受到影响。
（3）秸秆还田排放的温室气体对大气环境的影响及对农村生态环境的长期影响与机制尚不清楚，这将成为未来保护性耕作技术研究的难点与热点。
（4）加大技术推广力度。一些部门的不重视，加之本身技术样板示范性不够强等因素导致保护性耕作技术未能大面积推广。
