我国保护性耕作研究的现状与展望

 蒋云峰，李天祺，陈智文，王祥贺，郭长鸣 

（吉林师范大学生态环境研究所，吉林 四平136000）



我国保护性耕作研究的现状与展望

蒋云峰，李天祺，陈智文，王祥贺，郭长鸣

（吉林师范大学生态环境研究所，吉林 四平136000）

摘 要：保护性耕作作为一种土壤资源可持续发展的农田措施，备受关注。通过回顾我国自20世纪60年代以来保护性耕作研究的进展，概述了我国保护性耕作在土壤理化性质、土壤生物群落、作物产量与经济效益等方面的相关研究动态，评述了保护性耕作存在的问题，并对未来发展方向进行了展望，以期为保护性耕作在我国有效开展，营造健康的农田生态系统提供参考。

关键词：保护性耕作；生态效益；研究进展

保护性耕种起源于20世纪30年代的美国，是人们经历严重的土壤风蚀沙化与水土流失危害之后，逐步研究与发展起来的一种新型耕作模式。通过对农田土壤实施免耕、少耕、作物秸秆和残茬覆盖地表、养分管理、轮作覆盖作物等措施达到保护生态环境，提升耕地质量，增加粮食生产的目的。因此，保护性耕作在增强土壤保水保肥能力，增加农田土壤碳汇等方面的作用日益受到关注[1]。近年来，中国有关保护性耕作的研究迅速发展，为了解我国保护性耕作研究的现状，对我国自20世纪60年代以来的保护性耕作研究进行了概述，并展望未来发展方向，以期为保护性耕作的有效开展，营造健康的农田生态系统提供参考。

1 我国保护性耕作研究历史

保护性耕作技术自20世纪60年代传入我国后，国内学者开展了大量的研究工作。60年代初首先在旱地农田进行了免耕试验，70年代末在水稻田开展了自然免耕法研究，80年代初部分高校和农业科学院开展了作物秸秆覆盖或少、免耕等试验研究，90年代开始了机械化保护性耕作系统试验研究，并取得了较大进展[2-3]。进入21世纪后，随着我国北方旱区农田风蚀沙化面积的增大，土壤肥力的下降和资源与环境压力的上升，国内大力开展适应旱地农业可持续发展的保护性耕作技术研究。2002年农业部启动国家级保护性耕作示范县项目，在北方8省（区、市）38县内进行了示范研究。2007年农业部出台《大力发展保护性耕作的意见》，标志着我国保护性耕作研究迈入新时期。据国家《保护性耕作工程建设规划（2009～2015年）》，至2015年末，全国保护性耕作应用面积将达到1.133×107hm2[3]。经过近20 a的试验示范和推广，保护性耕作已成为一项农民接受、政府重视的新型耕作模式。今后，从保护生态环境，节约资源和可持续农业的建设出发，保护性耕作将会有更快、更好的发展。

2 我国保护性耕作研究现状

2.1 保护性耕作对耕层土壤容重的影响

土壤容重是指田间自然状态下单位容积原状土壤的重量（g/cm3），亦称土壤密度，可反映土壤松紧度、土壤肥力等状况。关于保护性耕作对耕层土壤容重的影响因土壤质地、田间管理措施、土地利用方式等的不同而存在差异。张志国等[4]研究指出，在砂壤土上实施长期免耕与秸秆覆盖，耕层土壤容重更类似于自然植被下的土壤容重。董智等[5]研究也显示，在东北玉米带实施免耕秸秆覆盖可增加0～20 cm耕作层的土壤容重。而另一些研究者则认为免耕仅对表层土壤容重有影响。杜会石[6]对比研究了5 a免耕地与常规耕作地的土壤容重，结果显示，与常规耕作地相比，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%。还有些研究者认为土壤对容重具有自调功能，李洪文等[7]对比多年翻耕、深松及免耕地土壤容重的变化情况，结果显示：土壤容重常规翻耕<深松<免耕；容重变化量则是免耕<深松<常规翻耕，免耕土壤容重稳定持续在1.20～1.39 g/cm3，说明耕层土壤在生物、作物根系、土壤冻融等因素的作用下，自身具有恢复自然物理状态的能力。因此，需进一步研究在不同土壤类型区，保护性耕作对于土壤容重的影响。

2.2 保护性耕作对耕层土壤孔隙度影响

土壤孔隙度可反映土体结构状况，关系着土壤透水性、透气性、导热性和紧实度，是土壤肥力的重要指标之一。保护性耕作对土壤孔隙的影响因作物根系类型、保护性耕作模式、年限以及土壤质地和有机质含量等因素的制约而呈现不同结果。研究发现水田自然免耕可使土壤固、液、气三相保持适中的稳定比例，既存在足够的毛管孔隙保持水分，又具有一定数量的非毛管孔隙用于通气排水[8]。冯跃华等[9]在稻田中的研究显示，相比翻耕直播田，免耕直播田0～5 cm土壤总孔隙度、毛管孔隙度和通气孔隙度分别提高4.80%、1.59%和39.85%。郭晓霞等[10]在黄河流域半干旱区的研究结果也显示，免耕各处理土壤总孔隙度均高于常规耕作，且随秸秆覆盖年限的增加而呈逐年增加的趋势，并以0～20 cm土壤年增幅最大。然而张雯等[11]在辽西易旱区的研究结果却显示，保护性耕作下土壤总孔隙度明显低于常规耕作，但同时也发现常规耕作下土壤耕层通气孔隙度偏大，而保护性耕作既有较高的毛管孔隙度，又有适宜的通气空隙。因此，为有效利用保护性耕作对农田土壤水、肥、气、热关系的调节作用，需进一步长期研究保护性耕作对土壤孔隙度的影响。

2.3 保护性耕作对耕层土壤温度的影响

保护性耕作对土壤温度的影响多是从作物秸秆覆盖量和覆盖方位等角度出发进行研究。保护性耕作对土壤温度的影响主要存在“降温效应”和“增温效应”。研究者认为冬季秸秆对地表有保温作用，使土壤温度较常规耕作模式高，但春季却阻止太阳对地表直接辐射，使地表温度较常规耕作模式低，温度回升较慢[12-14]。“降温效应”和“增温效应”对作物生长既存在有利的方面也存在不利的方面。张敬涛等[15]研究免耕秸秆不同覆盖量的大豆田土壤温度的变化显示：相比常规秋翻垄作，免耕地土壤温度随秸秆覆盖量的增加呈下降趋势，影响春季作物幼苗的正常发育。但冬季秸秆覆盖的增温效应却可有效保证小麦安全越冬，减轻小麦的冻害，降低死苗率[16]。因此，为有效利用保护性耕作对土壤温度的调节作用，满足作物不同生长期对土壤温度的需求，需加强研究不同气候区保护性耕作对土壤温度的影响。

2.4  保护性耕作对耕层土壤水分的影响

一般来说，保护性耕作特别是秸秆覆盖可降低地表风速，减少水分蒸发，延缓地表径流，增强土壤导水性，提高水分入渗，使土壤水分利用率提高，达到节水的目的[17-19]。据测定，在我国北方旱区实施覆盖免耕、覆盖深松等保护性措施，可比常规耕作降低径流强度57.3%，提高降雨入渗量98.6%，提高土壤蓄水量10.5%，减少蒸发量11.2%，增加作物生长的有效水分19.7 mm[20]。杜会石等[6]在东北半湿润半干旱区研究保护性耕作对土壤水分的影响也有类似的结果，免耕秸秆覆盖可使0～50 cm土壤含水量高出常规垄耕地14.78%～23.64%，且随着秸秆覆盖量、秸秆覆盖年限的增加而增加。王晓燕等[21]在黄土高原旱作区研究保护性耕作下水分入渗情况显示，保护性耕作明显减缓径流，可提高水分入渗率16.4%。但也有研究显示，在沙地实施短期免耕并不会提高土壤含水量，反而翻耕地含水量相对较高。对于长期干旱区域也只有在地表湿润时，秸秆覆盖才能抑制蒸发，提高土壤含水量，否则覆盖几乎无保水价值。由此可见，保护性耕作对土壤水分的影响因地而异，需加强研究不同生态区保护性耕作对土壤水分的影响，从而有效推动该项技术在适宜区域推广，促进农业生产。

2.5 保护性耕作对耕层土壤肥力的影响

大量研究显示，保护性耕作特别是秸秆覆盖可在一定程度提高土壤肥力。秸秆是农田土壤有机质的重要来源，其覆盖还田有利于土壤有机碳的周转和土壤有机碳含量的提高。据统计，长期保护性耕作下，农田表土有机碳含量总体呈上升趋势[22-24]。巩文峰等[25]在黄土高原旱地的研究显示，免耕秸秆覆盖下0～5、5～10和10～30 cm土壤的总有机碳含量相对于常规耕作分别提高4.46%、14.98%、11.83%。王缠军等[26]的研究也显示黄土旱区农田实施秸秆覆盖可较不覆盖农田土壤有机质含量平均增加0.62 g/kg。秸秆还田还可有效提高土壤全氮含量[27]。Lou等[28]在我国东北地区研究保护性耕作对土壤理性质的影响显示，相比翻耕，免耕秸秆覆盖可提高0～5 cm土层全氮含量，而对5～100 cm土层却无明显影响。秸秆覆盖除可补充土壤部分氮素外，还可促进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，保护性耕作还可提高土壤其他养分元素的含量。何腾兵等[31]在我国西南喀斯特山区旱地研究保护性耕作对土壤养分含量的影响显示，连续实施4 a机械化保护性耕作的耕层土壤有机质、全氮、全磷、有效磷、全钾和速效钾含量分别比常规耕作提高6.97%、9.13%、4.16%、9.16%、2.10%和3.09%。罗珠珠等[32]的研究也显示，免耕秸秆覆盖土壤肥力质量指标高于常规耕作，认为在黄土高原雨养农作系统，免耕秸秆覆盖可促进和维持土壤养分平衡。以上研究多以秸秆覆盖为前提，对于其他保护性措施如何影响土壤养分却较少报道。因此，对于难以应用秸秆覆盖的地区，尚需探索其他保护性措施对土壤肥力影响的研究。

2.6 保护性耕作对耕层土壤生物群落的影响

土壤生物由土壤动物和微生物组成，是农田生态系统的重要组成部分[33]。保护性耕作改变了土壤生态条件，特别是秸秆覆盖可降低土壤温度变化幅度，增大土壤湿度，提高土壤有机质含量。这些变化一方面为土壤生物提供有利的生存条件，另一方面也为土壤生物提供了丰富的食物来源。大量研究显示保护性耕作可增加微生物活性、多样性和生物质量保持力[34-36]。张丽华等[37]研究显示，由于免耕秸秆覆盖减少了对土壤扰动，使耕层变浅，又防止了土壤氮素挥发，补充了较多的有机质，因此可为土壤微生物提供充足的碳源和能源，进而提高表层（0～10 cm）土壤微生物量碳、氮。保护性耕作也可提高农田土壤动物多样性与丰富度，使类群分布更均匀。朱强根等[38]在黄淮海平原研究免耕玉米秸秆覆盖对土壤动物多样性的影响显示，土壤动物类群和数量在玉米拔节期免耕要高于翻耕；并且秸秆还田量与土壤动物丰富度成正相关。Hou等[39]在辽河中下游研究实施6 a的不同耕作（传统耕作、免耕、休耕）方式的农田系统土壤线虫垂直分布发现，免耕和休耕农田土壤线虫总数高于传统耕种，并且随土层加深而减少，但不同营养类型的线虫对耕作方式的响应存在差异。因此，保护性耕作对土壤生物群落的影响需充分考虑耕作方式与秸秆覆盖之间的协同作用。

2.7 保护性耕作对作物产量与经济效益的影响

不同耕作措施会对土壤理化性质产生不同的影响，而土壤条件的改变能够决定当季作物的产量。保护性耕作作为一种新型土壤耕作模式，国内学者也针对其对作物产量的影响，进行大量研究，但结果因地域空间、气候类型及种植类型而存在较大的差异[40-42]。雷金银等[43]研究干旱区农田实施保护性耕作对作物产量的影响显示，秸秆覆盖、覆膜和免耕3种保护性措施分别使玉米增产4.44%、13.14%和19.26%。王改玲等[44]在黄土高原南部地区研究保护性耕作对旱地小麦产量的影响也显示，相比传统耕作，实施11 a 和15 a的免耕覆盖样区小麦平均增产率分别为19.2% 和27.6%；丰水年份增产率为5.2%和11.7%，干旱年份增产率可高达85.0%和97.6%，即实施保护性耕作年限越长，越是干旱，保护性耕作的增产效果越显著。但杨相昆等[45]在北疆研究的结果却显示，免耕处理下作物生育期后移，使产量及干物质积累略低于翻耕处理。王岩等[46]在冀西北栗钙土农田区研究不同耕作方式下莜麦产量也显示，与松耕、翻耕相比，免耕条件下土壤容重较大，土壤硬度较高，使莜麦产量显著降低。因此，需进一步研究不同地区应用何种保护性耕作技术能实现较为理想的作物产量。

保护性耕作在经济上的效益得益于其免去了传统耕作中拉运秸秆、沤肥、耕耙、除草等工序；减少了田间作业次数和强度，降低了劳动力成本，节省了机械使用费用和燃油成本。据王小彬等在黄土高原旱坡地研究不同耕作方式下种植冬小麦的经济收益的结果显示，与常规耕作相比，免耕经济效益最显著，可增加2.5倍，深松增加近2倍，少耕增加80%[47]。初江[48]在黑龙江省研究水田保护性耕作与传统耕作的生产成本显示，相比传统耕作，保护性耕作可节省总成本约551元/hm2。由此可见，从经济效益的角度来看保护性耕作是较为理想的耕作方式。

3 展 望

保护性耕作在调节地温、提高土壤水分及养分含量、防止水土流失、增加作物产量等方面具有重要的研究意义。经过近60 a的探索，在相关科学工作者的努力下，我国保护性耕作的研究及推广得到了长足的发展，但研究成果多集中在单纯的土壤耕作技术和效益方面，缺乏深入的理论机制研究。针对目前我国保护性耕作发展的状况，未来我国保护性耕作研究应从以下几个方面开展。

（1）加强不同区域保护性耕作对土壤理化性质的影响研究。我国地域辽阔，各地区气候、土壤与种植类型都存在较大的差异。虽然在一些地区，如山西、天津、河北等地，保护性耕作研究开展较早，技术发展较为成熟，实施面积也较大，但大部分地区依然缺乏与当地自然条件与农业发展相适合的保护性耕作技术规程。因此，应该针对不同区域条件进行更深入细致的研究，为保护性耕作技术实施提供适地适法的理论基础，从而建立起不同区域特色的保护性耕作技术体系。

（2）深化保护性耕作关键技术研究。保护性耕作会导致农田生态环境的改变，以及作物需水、需肥规律等产生变化。如免耕秸秆覆盖在一定程度上可抑制杂草生长，但对作物的播种也有一定影响，增加施肥难度。秸秆覆盖虽然可改善土壤肥力，但过多覆盖会影响作物根部呼吸，产生有害气体，而且秸秆腐解时间较长，如何安排秸秆覆盖量、采取何种有效措施加快秸秆分解速率等均尚无规程。另外，免耕秸秆覆盖还会加重虫害的发生、增加除草剂和农药的使用量，造成环境污染等。这些问题亟待进一步研究解决。

（3）配套机具研制是保护性耕作技术推广应用的关键。保护性耕作的发展与配套机具的研发密切相关，没有与保护性耕作技术相配套的专用机具，就会影响保护性耕作技术的有效实施，如在免耕秸秆覆盖下进行播种，没有适用的播种机就会出现机具堵塞、播种精度不高等问题，势必影响产量和经济效益。因此，要保证保护性耕作技术效果的正常发挥，就必须研发相配套的保护性耕作机具，促进保护性耕作技术的推广和大面积的应用。

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（责任编辑：叶雪娥）

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

通讯作者：陈智文

基金项目：国家自然科学家基金资助项目（41401283，31200407）

作者简介：蒋云峰（1980-），女，吉林吉林市人，讲师，主要从事自然地理学研究。

收稿日期：2015-10-12

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.030

中图分类号：S345

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2016）01-0108-04