保护性耕作技术与配套机具

杨陆强，高彦玉，朱加繁，高志超，黄景威，陈　钊，罗新文

(云南农业大学 机电工程学院，昆明　650201)

0　引言

农田是进行粮食生产的第一大资源，土壤条件的优劣直接影响着农业的发展状况。作为农事生产基本保障的农业生产技术，其生产作业方式对农业生产和生态功能均有直接影响，从土地整理、作物田间管理到农作物秸秆处理，各个环节的实施过程均在不同程度上直接或间接地影响着土壤性状、土壤生产能力及农业生态环境等[1]。当前，农业基础设施薄弱、农业生产成本升高、农业科技投入不足、农业立体式污染加剧等问题给当代农业的持续发展带来了巨大的挑战。

1934年，由于南部平原草原的过度垦荒，美国遭受了震惊全国的“黑风暴”[2]。大规模沙尘暴横扫美国2/3国土，造成大量农田被毁、牲畜死亡、作物减产，还带来了美国历史上最大的一次“生态移民”潮[3]。20世纪80年以来，我国时常遭受沙尘暴的威胁和影响，其发生的频率及强度均逐年有所提高，在造成土壤板结、植被破坏等不良影响的同时，也带来了土地沙漠化及水土流失等问题。相关研究揭露了背后的罪魁祸首—土地过度开垦、耕作和肆意放牧[4]。随后，党和国家密切关注环境保护与农业生态整治，颁布实施了包括退耕还林还草、限制过度放牧在内的系列方针政策。在此背景下，具有生态保护与增产节支等多重功能的保护性耕作技术受到了各级政府的高度关注[4]，并在半干旱地区首先得到了加速推广式的应用，其作业模式与相关作业机具的研发在全国蓬勃兴起，保护性耕作技术迎来了其前所未有的发展机遇。

全面提升并有效落实保护性耕作技术对于全面保障和推进农业可持续发展具有高度的促进作用，不仅能有效提升土壤有机质的含量，增肥提地力，提高土壤的蓄水保墒能力，还能显著节约田地灌溉用水，增加土地的产出率，提高粮食产量[5-6]，最终促进农业的可持续发展，同步推进农业现代化进程，并保障粮食安全。

1　保护性耕作技术的推广意义

保护性耕作技术泛指保土、保水的耕作措施，目的是减少农田土壤侵蚀，保护农田生态环境的综合技术体系，其技术关键是通过土壤少(免)耕、地表微地形改造技术及地表覆盖技术，达到少动土、少裸露、少污染，并保持适度湿润和适度粗糙的土壤状态，从而保护土地可持续生产力[7]。

耕作田地是整个农业生产过程中的基础环节。通过人类对土壤进行耕作、施肥、灌溉[8]，加上自然因素的作用，土壤为农业生产提供了必要的基础条件。我国传统的耕作方法追求精耕细作，其主要目的在于：①为作物种子创造一个良好的出芽及生长环境；②除田地杂草及控制作物病虫害。从古至今，传统耕作的效果从未遭人质疑，人们对其亦是司空见惯[9]。但是，20世纪80年代沙尘暴的出现促使人们重新审视和研究传统耕作，经研究总结，得出了传统耕作过程中土壤过度开垦的负面影响：①降低土壤墒情及水分抗蒸发能力；②破坏土壤内在微观结构，引起土壤板结[10]；③易杀死耕作层的有益微生物；④加剧水土流失和土壤的风蚀沙化；⑤为沙尘暴提供了沙尘源；⑥减低了土壤蓄水能力；⑦费工费时,成本高[9]。

为了减缓地力持续下降及生态环境持续恶化的不良现状，传统的土壤耕作方式须逐步由具备自我保护及营造机能的保护性耕作所转替。保护性耕作较传统耕作，具有包括改善土壤地力及消减农业立体式污染等优点在内的作业优势：①为种子创造较好的发芽条件,避免土壤板结和水土流失及风蚀沙化；②减少土壤扰动和水分蒸发；③省时省工，提高农作物产量及效益[11]；④地面覆盖秸秆可有效减少地面径流,提高水分利用率，并能改善地下水源状况；⑤提高土壤蓄水能力[12]；⑥减少沙尘源,控制沙尘暴；⑦增加土壤有机质含量，改善土壤结构[13]；⑧简化机械作业,减少拖拉机下地次数；⑨免去了耙耕、拉运农业生产资料及中耕除草等作业过程，减少生产成本[14]。

2　国内外保护性耕作发展概况与现状

2.1美国

19世纪初，欧洲工业技术革命蓬勃发展，美国开始大面积使用拖拉机翻耕干旱半干旱草原，但前所未见的“黑风暴”给美国带来了沉重的打击。随后，美国开创保护性耕作技术，1942年便成立了土壤保护局(现为自然资源保护局)[15]，20世纪30-40年代秸秆覆盖法便被采用；50-60年代，增加了垄作法；70年代，研制了凿形犁,免耕播种机也得到了广泛应用；90年代，除草剂得到了广泛应用，带状耕作有了较快的发展[16]。数据显示，美国保护性耕作比例已从1979年的16%增至2009年的68.3%，在发展起步至今的70多年间，从技术到机具及除草剂，美国针对降低耕作强度和提高地表作物残茬覆盖量等，开展了诸多的试验研究，田间的作业次数得到了有效削减(由7～8次减少到了1～3次)[17]。

2.2澳大利亚

澳大利亚的保护性耕作技术起步于20世纪40年代，许多的试验站在70年代得到了农业部的主持兴建，随后的10年间得到了大规模的推广[18]。相关调查研究表明，澳大利亚在1996-2008年的13年间，其保护性耕作的应用面积已由60%增加到了77%[14]。在澳大利亚，免耕、少耕加秸秆覆盖的耕作技术已被广泛采用，而带翼形铲的深松机则被较多地使用于旱地[19]。鉴于澳大利亚高旱的农情，秸秆还田覆盖现已成为其重要的保护性耕作技术模式之一。

2.3加拿大

加拿大保护性耕作技术的引进试验始于20世纪60年代，在70-80年代便研制得到了相应的除草剂及配套农机具；80年代中叶则开始在3个农业省进行大面积推广，保护性耕作面积由1996年的12%增长到了2006年70%[17，20]。为了应对风雨侵蚀，加拿大普遍采用少耕和免耕的耕作体系，并用除草剂代替耕作除草，且广泛使用气力播种机[21]。保护性耕作技术的实施很大程度上改善了西部大草原的脆弱生态。

此外，在西非及拉丁美洲，保护性耕作技术的试验研究及推广发展也较为迅速[22]；而欧洲国家对其在试验研究及推广应用方面的起步较其他国家稍晚，但依托于雄厚的工业基础，发展速度较快，截至2002年，16%～28%的耕地已应用了保护性耕作技术[23]。

2.4中国

自20世纪60年代起，我国已经开展了保护性耕作的单项技术试验、秸秆覆盖和少(免)耕、旱地农耕体系、农机农艺相融合等系统性试验[24]。中国农业机械工业年鉴数据显示：截至2013年，我国的保护性耕作土地面积已达773.1万hm2。2007年，农业部出台的《关于大力发展保护性耕作的意见》标志着中国实施保护性耕作开始迈入新的时期[25]。2013年，国务院批复的《全国高标准农田建设总体规划》提出：到2020年确保建成0.533亿hm2、力争建成0.633亿hm2集中连片、旱涝保收、稳产高产、生态友好的高标准农田[26]。2016年，中央一号文件明确提出，大规模推进高标准农田建设，这亦将为我国保护性耕作技术的研究、试验与推广提供一定的政策支持。

目前，我国相关科研人员对保护性耕作技术的研究主要体现在：保护性耕作对土壤结构、土壤养分、土壤温度、土壤水分、土壤微生物、作物增产、作物含水率及温室气体排放的影响等方面。王改玲[27]等研究表明：在黄土高原南部地区，干旱地区的长年保护性耕作能有效增产；且保护性耕作能有效改善土壤容重、孔隙度、剖面水分含量和贮水量，并可提高土壤表层及以下10cm的有机质含量(除有效磷)。王克鹏等研究表明：保护性耕作技术能有效提高作物的叶水势和叶片相对含水量，并促进作物增产[28]。王龙昌等研究表明：保护性耕作可改善土壤水分状况，增强作物的抗旱节水能力，可降低7月份土壤表层温度，缓解夏季高温对玉米后期生长发育造成的伤害[29]。吴玉红等研究表明：在陕西关中平原中部地区，保护性耕作模式改善了土壤环境，提高了土壤肥力，且显著提高了土壤脲酶和碱性磷酸酶的活性[30]。朱强根等研究表明：秸秆还田显著增加了土壤动物优势类群弹尾目和蜱螨目，而它们在作物对养分利用的有效性上起着重要的作用[31]。胡立峰等研究表明：保护性耕作从以下两方面影响着温室效应，首先是免耕减少了农田CO2的排放，但其对CH4和N2O 的排放影响尚不明确；其次是秸秆还田的部分秸秆C以气体的形式释放到了大气中，增加了农田CO2、CH4的排放；但相对其他用途，秸秆还田提高了土壤的固碳潜力，减少了总的温室气体排放量[32]。

3　保护性耕作关键技术

3.1保护性耕作技术模式

目前，国际上并无保护性耕作的统一定义。笔者通过查阅并总结相关资料及文献，认为保护性耕作可划分为以下几种模式，如图1所示。

图1　传统耕作与少耕和免耕

3.1.1少耕

少耕指缩小土壤耕耘面积或减少耕耘次数的耕作制度。少耕在减少对土壤的耕耘时，能有效将地表的秸秆残留覆盖量保持在较高水平，在作物休耕期可维持土壤远离侵蚀，且若作物出苗状态良好，虫害、草害被有效控制，少耕则也可收获稳定的粮食产出[33]。

3.1.2免耕

免耕指收获后至播种前不搅动土壤，利用前作残留物覆盖地表，借以减轻风侵和水蚀，采用联合作业的免耕播种机播种的耕作方式[34]。因其未对前茬田地残留物作处理，故下茬作物的田间管理作业对高效除草剂的需求较强一些。

3.1.3垄作

垄作(见图2)指在播种前清理垄台(不超过垄宽的1/3)外，而收获后到播种前不进行其它搅动土壤的作业；播种时一般会将垄脊削平，前作残留物保留于垄沟内，机械除草或化学除草并用，而机械除草则可与做垄同时完成[35]。

图2　垄作截面示意图

3.1.4条耕

条耕是介于免耕和垄作间的过渡类型，土壤搅动一般不超过垄宽的1/3，前作残留物存于搅动带间，并在搅动后的窄条中进行播种，机械除草或化学除草可并用。此类耕作常用于降低播种期间的土壤含水量和提高地温[36-37]。

3.1.5幕作

幕作指全面搅动土壤一次或多次，如深松、浅松、耙地和中耕等，但不进行翻地作业，除草由机具或化学方法进行的方式[38]。

3.1.6带状耕作

带状耕作指在秋耕或春耕时，用带状耕作机对覆盖秸秆的农田进行带状耕作，耕作宽度为10～30cm，耕作深度为15～20cm。带状耕作是在非翻耕技术上发展起来的一种实用性较强的耕作方法，土表秸秆残留比例可达60%～75%[33]。

3.2保护性耕作关键机具

3.2.1免耕播种机

免耕播种机除了有传统播种机的开沟、下种、下肥、覆土、镇压功能外，还应有清草排堵功能、破茬入土功能、种肥分施功能和地面仿形功能，以满足免耕覆盖的需要[39-40]。

图3为约翰迪尔1590型免耕播种机。其具有高效的播种箱容量和便于查看的种子料位计，能准确地计量施肥，且配备有条播面积计算装置。其90系列开沟器，能高效切透残茬，通过电子播量控制装置能实现精准播种，液压式下压力系统能根据土质的软硬调整作业压力。

国内的免耕播种机研究起步相对较晚，典型产品有中机美诺公司生产的6115/6119/6124型系列免耕播种机、现代农装科技股份有限公司生产的2BMG—14/19/20/24/28型系列免耕施肥播种机及中国一拖集团生产的2BMF—7/14型多功能免耕施肥播种机。目前，国外的免耕播种机大多都安装有播种监控装置，自动化程度相对较高，而国内的免耕播种机虽品种较多，但其质量和品质还有待改进和完善。

图3　约翰迪尔1590型免耕播种机

3.2.2深松机

深松机的使用能松动土壤，打破犁底层，但不翻转土壤[41]。与传统深松机不同的是：在秸秆覆盖的地面上工作，深松机一般的作业深度是30～45cm，其对拖拉机功率需求比较大，为了避免秸秆堵塞机具，需适量升高梁架的离地间隙，多铲机具常搭配双梁结构等。目前，使用的有单柱式、单柱带翼式、倒梯形全方位式3种[42]。

图4为美国十方国际公司生产的Great Plains深松机。该机工作方式为垂直深松，最大深松能力可达65cm，能有效促进作物根系生长；配合波纹圆盘刀片垂直切入土层，通过水平抬升机组，能显著降低作业成本并促使作物增产，兼具灭茬功能，性能可靠、作业质量高、经久耐用。

图4　美国十方国际公司生产的Great Plains深松机

美国和西欧等国的深松机具研究设计起步较早，已相当成熟和完善，且实现了序列化。目前，我国北方的高效保护性耕作深松机具多为国外引进，并结合各地土壤条件改进设计生产而得。

3.2.3表土作业机具

旋耕灭茬联合整地机、圆盘耙、弹齿耙是常用的表土作业机具，此类机具作业的通过性能好，作业后具有地表疏松平整且无秸秆堵塞现象等优点。在秸秆粉碎条件下，其作业一次可降低秸秆覆盖率15%～24%[43]；但在水分不足时，作业后易形成较多的土坷垃，不利于出苗，且土壤搅动大，地表结构破坏严重，不利于保墒，灭草功能也很差[44]。

图5为德国雷肯农机公司生产的鲁宾RUBIN400KUA圆盘耙，配备凯斯210拖拉机，作业速度可达13km/h，作业高质高效，一轮灭茬整地作业后即可直接播种，彻底消除了农户在田间焚烧秸秆带来的环境保护问题。

图5　德国雷肯农机公司生产的鲁宾RUBIN400KUA圆盘耙

表土作业机具以灭茬断秆为主要目的，国内目前主要有1JHG-180型秸秆粉碎还田旋耕机、1ZQHF-350/5型前后分置悬挂式联合整地机、1GXT(180-250)型通轴高效联合整地机及SGTN-330型灭茬旋耕联合整地机等机型。国外的保护性耕作表土处理机具的集成度更高，作业效果较国内更好。

3.2.4秸秆根茬处理机具

秸秆或根茬处理的方法主要有两种：一种是作物收获时留根茬高度20～30cm；另一种是灭茬浅旋处理。即作物收获时留高茬，播种前用旋耕机或灭茬机浅旋表土，使秸秆根茬与土壤混合均匀，以利于机械播种[40,45]。

国内研制的秸秆根茬处理机具主要包括以下几种类型：南昌旋耕机厂研制的 1GQQN-180型双轴灭茬旋耕起垄复式作业机、徐州市农机技术推广站和赣榆县农牧机械厂联合生产的 1JHG-180 型双轴秸秆粉碎还田旋耕机、连云港元天农机研究所研制的 SGTN-180 型双轴灭茬旋耕起垄复式作业机。目前，秸秆根茬处理机具正向复合多功能作业机具的方向发展，主要涉及深旋耕及播种和施肥等。

3.2.5杂草、病虫害防治机具

为了病虫草害的防治，必须施用除草剂和灭虫剂；常使用喷雾机械进行喷洒作业，对使用化学除草效果不好的杂草可采用机械或人工辅助除草[46]。

4　总结与建议

近些年，我国保护性耕作技术的研究广泛开展同时取得了较好的效果，但也存在着如下的一些问题：

1)配套技术有待完善。首先，缺乏特种作物的相关配套机具，且已有机具的作业性能不够完善;其次，深入有效的杂草防除技术有待攻克。除草剂的有效施用是农作物高产的必须环节，但鉴于其对土壤及环境的不良影响，非化学除草技术的研究必须重视。

2)研究及试验无地区适应性。我国国土面积宽广，且各地区的差异性较大，如前所述，面对不同的土壤类型、作物种类及生态环境，保护性耕作对土壤产生的影响及作物产量的研究结果也存在差异。因此，需适地适法地研究及试验保护性耕作技术。

3)推广及应用问题。现今，部分传统的农耕观念依然牢固的存在于大多数农民的脑海中，在推广保护性耕作技术时农民很难接受像免耕、少耕这些耕作方法。此外，技术规范及标准的不统一，特色标准的缺乏，也限制了其推广及应用。

针对如上存在的一些问题，这里提出相应的几点发展建议：①全面、规范、细化对保护性耕作技术体系的研究，注重特色配套农机具的研制；②借鉴国际上的成功经验，加大保护性耕作技术的投入及研究力度，并建立相应的示范区；③注重保护性耕作技术的实训及宣传教育的开展，让农民切身体会保护性耕作；④从区域多样化的角度出发，适地开展保护性耕作技术研究，并建立对应的技术标准及政策体系。

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