北方农牧交错区保护性耕作技术创新与趋势分析

路战远 ，程玉臣 ，王玉芬 ，张向前 ，王建国 ，3，赵小庆 ，，任永峰 ，张德健

（1.内蒙古自治区农牧业科学院,内蒙古呼和浩特 010031；2.内蒙古大学,内蒙古呼和浩特 010070；3.河北农业大学,河北保定 071000）

保护性耕作技术作为一项可持续发展的农业生产技术,对农民增产增收以及农业环境保护和节能减排具有重要的作用和现实意义[1]。农牧交错区是我国保护性耕作发展的主要实施区,内蒙古农牧交错区是我国北方农牧交错区的主体。内蒙古自2000年开始开展保护性耕作试验研究与示范推广工作,在保护性耕作理论创新、关键技术突破、技术模式与工艺体系建立、机具研发与应用等方面都取得了重大进展,为内蒙古乃至全国保护性耕作的发展做出了重要贡献。

1 北方农牧交错区的区域概况及生态环境特点

1.1 农牧交错区区域概况

农牧交错区涉及黑龙江、内蒙古、辽宁、吉林等13个省（自治区）的234个县（市、旗）,总面积达80万km2以上。其中,内蒙古农牧交错区包括62个旗（县）,总面积为61.62万km2,占全区总土地面积的52.1%,是我国主要的生态脆弱带和贫困地区之一,也是受荒漠化威胁最严重的地区之一[2]。

1.2 北方农牧交错区生态环境特点

1.2.1 干旱缺水,水资源时空分布不均 内蒙古的水资源时空分布较为不均。该地区的年降水量从东北到西南由450 mm递减到50 mm,且多集中在7月和8月,其降水量占全年降水总量的45%～55%。2017年,内蒙古的水资源总量为300余亿m3,但人均水资源量为1 227.64 m3,仅相当于国际水资源安全线的61%。内蒙古的地下水资源为200余亿m3,且其浅层地下水位仍在不断下降,目前已形成33个地下水超采区,耕地中旱地面积占67%以上。如科尔沁沙地的地下水位每年下降30～40 cm,阴山北麓的地下水位每年下降20～30 cm。受严酷的气候条件影响,内蒙古部分地区表现为干旱缺水,因此导致自然灾害频发,较不利于农牧业生产。

1.2.2 水土流失严重 内蒙古属于生态脆弱区,由2016年全国农用地等别调查与评价可知,全区低等耕地面积达800万hm2,占耕地评定总面积的87%以上。该地区干旱半干旱土地面积占总面积的80%以上,农田退化面积占总面积的70%以上,是全国荒漠化和沙化土地最集中、危害最重的省区之一（均占全国相应土地面积的23%以上）。据内蒙古自治区农牧业科学院武川旱作试验站观测,3°～9°坡地雨季水蚀量达841 t/km2,冬半年的风蚀量达530 t/km2[3]。加之对土地高强度利用,耕作方式不合理,导致该地区耕地质量呈不断下降趋势。

1.2.3 天然草地退化严重 内蒙古天然草原面积占我国可利用天然草地面积的1/5,共有7 881万hm2。全区草原退化总体变化情况是,20世纪60年代中期草原退化面积占18%左右,到20世纪80年代中期上升到39%左右,到2000年前后（第四次草原普查）草原退化面积达到了73%以上；在人力的有效干预下,2009—2010年（第五次草原普查）草原退化面积减少到了61%左右。

2 农牧交错区保护性耕作发展历史与现状

我国从20世纪80年代开始,相关高、中等院校和科研院所的农艺科技工作者就开始研究免耕技术（免耕法）,并取得了一定效果,但因缺乏免耕播种机具,未能大面积推广应用。自20世纪末开始,中国农业大学和内蒙古农牧业机械研究所、内蒙古自治区农牧业科学院等单位相关科技人员开始研究应用保护性耕作技术,且取得了突破性进展。

2.1 农牧交错区保护性耕作发展阶段

以内蒙古为例,农牧交错区保护性耕作发展可划分为3个阶段（20世纪80年代免耕法未划分在内）：

第一阶段,农机为主的保护性耕作发展阶段（2000—2010年）：该阶段以农业机械化技术为引导,较为全面地研究应用了秸秆覆盖、免少耕播种、深松等机械化关键技术,并发展为以小规模经营农户为主体的阶段（即“全面开花”阶段）,且其发展面积迅速扩大,取得了显著成绩。但该阶段农艺技术配套严重不足,甚至排斥翻耕、整地等传统耕作方式,导致保护性耕作技术“水土不服”,整体效益未能得到充分发挥,农民积极性受到了影响。

第二阶段,农艺结合式保护性耕作发展阶段（2011—2020年）：该阶段在机械化保护性耕作技术基础上,积极融合轮作休耕、深翻或深松浅翻、浅旋及水、肥、药等田间农艺管理技术,形成了农艺结合式保护性耕作技术。该阶段受土地规模小、中小型机具作业质量差等因素影响,小农户发展放慢甚至萎缩,国营农牧场和种植大户成为保护性耕作实施的主体,基本实现了农机与农艺的初步融合,取得了较好效果。

第三阶段,农艺农机融合保护性耕作发展阶段（2021年—）：随着国家农业生态环境政策的落实、农艺技术突破、土地规模化和装备水平的提高,保护性耕作整体效益进一步提高后,以种植大户和合作组织为主体的保护性耕作将得到较快发展。预期10～20年,随着土地规模化经营和技术进步,特别是农艺技术配套、农艺农机融合,保护性耕作将进入生态与生产双赢的可持续发展阶段。

2.2 保护性耕作发展现状

自2000年起,内蒙古开展了保护性耕作试验研究和示范推广工作,截至2017年年底,全区有11个盟（市）的62个旗（县、区）和8个农牧场开展了保护性耕作示范推广工作,有54个旗（县、农牧场）承担了国家发改委和农业农村部保护性耕作建设项目,保护性耕作免耕播种等机具保有量达10多万台（套）,保护性耕作面积达到137.93万hm2（图1）,种植作物有玉米、小麦、大豆、油菜及其他作物,分别占保护性耕作面积的51%,16%,15%,10%,8%（图2）,基本覆盖了内蒙古所有的农牧业类型区,其中农艺结合式保护性耕作面积为53.33万hm2以上。

图1 内蒙古保护性耕作实施面积

图2 主要作物应用保护性耕作情况

3 农牧交错区保护性耕作关键技术及应用效果

3.1 秸秆留茬覆盖技术及成效

玉米等穴播作物留茬高度为30～40 cm,地表覆盖率在25%左右；小麦等条播作物留茬高度为18～20 cm,地表覆盖率在30%以上；杂粮作物留茬高度为15 cm以上,地表覆盖率一般在20%以上[4-6]。

秸秆留茬覆盖保护性耕作可提高土壤含水率9.3%～25.0%,提高有机质含量0.04%～0.06%,减少扬尘 35.9%～68.0%,节约成本 300～450 元/hm2。

3.2 免少耕播种技术及成效

对于条播、穴播可不翻耕播种的作物,使用免耕播种机播种、施肥、覆土、镇压的一次性复式作业[7],可实现免耕播种。对于马铃薯等翻耕作物,翻耕带（马铃薯）和留茬带（条播作物）均按6～10 m等带宽间隔排列,实施少耕带作种植,可减少农田裸露面积50%以上、减少农田风蚀26.0%～53.0%、提高雨雪蓄积量15.6%～31.5%。

免少耕播种种床整备技术指标包括：清洁种行宽度为玉米40 mm左右、小麦33 mm左右、马铃薯120～180 mm、小杂粮42 mm左右；种子周围疏松土壤为玉米21 mm左右、小麦18 mm左右、马铃薯50～70mm、小杂粮30mm左右；播种深度为20～150mm。

3.3 深松技术及成效

深松是利用深松机打破犁底层、加深耕作土层,以此来调节土壤容重、改善土壤内部结构、提高土壤蓄水保墒能力。深松一般在土壤相对含水率为70%～75%、容重大于1.26 g/cm3的农田进行。一般视土壤板结情况隔1～3年深松1次。深松耕层深度一般在25 cm以上,相邻两凿（铲）间距不得大于2倍深松深度。深松农田地面平整,没有漏耕,深浅一致。每增加1 cm,土壤就可多容纳60 t/hm2的水,土壤耕深15 cm土层含水量可增加3%左右,20 cm土层含水量可增加6%左右[8-10]。

3.4 轮作休耕技术及成效

不同作物对土壤养分的吸收存在显著差异,并可影响土壤微生物种群结构和病虫草群落。合理的轮作可以提升土壤养分供给能力、改善土壤结构、减轻病虫杂草危害、提高生产效益。以油菜—小麦轮作为例,0.053～0.250 mm的干筛团聚体比小麦连作高73.32%,0～10 cm的土层有机碳含量增加0.33 g/kg、土壤碱解氮增加4.37 mg/kg。

休耕农田0～20 cm土层土壤含水量比种植作物的农田高5个百分点以上,土壤速效磷含量增加11%以上,可以使耕地得以“休养生息”。

3.5 杂草防控技术及成效

内蒙古农牧交错区涉及范围广,区域跨度大,地形复杂,杂草种类多,防治难度大。近20年来,内蒙古自治区农牧业科学院、内蒙古大学等单位对保护性耕作农田杂草防治进行了专门研究,并取得了一系列成果,同时还首次进行了保护性耕作农田杂草普查,研究并推广了“非生长季除草技术”和“杂草综合防控技术及体系”。杂草综合防除率达到85%以上,用药量减少30%左右,有效地解决了小麦、玉米和甘蓝型油菜等作物田间杂草危害的问题。

3.6 农艺配套技术及成效

在原有机械化保护性耕作核心技术的基础上,结合轮作休耕、免耕后隔1～2年深松、隔2～3年深翻或深松浅翻、综合整地等传统耕作方式,融合水、肥、土、管等农艺技术,创建了农艺结合式保护性耕作关键技术,取得了良好效果,得到了生产主体的充分认可。

农艺结合式保护性耕作技术的应用,可节水30%以上、保苗率提高10%以上、农田风蚀减少50%以上、作物产量平均提高6%～12%,有效解决了机械化保护性耕作长期免耕土地不平整、免耕播种质量差、出苗保苗难等突出问题。

4 农牧交错区保护性耕作主要技术模式

4.1 高秆穴播作物模式

秋冬季留高茬（高度25 cm以上）——适年轮作——深松或深耕（免耕后隔1～2年深松1次,隔2～3年深翻或深松浅翻1次）——春季免少耕（或翻耕）播种——杂草综合控制——病虫害综合防治——田间管理——秋季收获。

该模式侧重于解决蓄水保肥和提高有机质含量。主要适用于以玉米、向日葵等高秆作物为主的地区,如土默川平原区、河套平原区、西辽河平原区和大兴安岭丘陵平原区等地区。其中,免耕种植模式农田蓄水节能效果好、机械作业成本低,但播种技术要求高、杂草发生较重[11-12]；少耕模式,通过浅旋或耙地,农田秸秆与土壤混合在一起,秸秆易腐烂、播种机通过性好、播种质量高、出苗好,但作业成本高、土壤搅动大,适用于河套平原等根茬大、黏重土壤的农田[13]。

4.2 矮秆条播作物模式

秋冬季留茬（高度10～20 cm）——适年轮作——深松或深耕（免耕后隔1～2年深松1次,隔2～3年深翻或深松浅翻1次）——春季免少耕（或翻耕）播种——杂草综合控制——病虫害综合防治——田间管理——秋季收获。

该模式侧重于解决风蚀沙化和水土流失问题。主要适用于以小麦、杂豆、杂粮为主的地区,如燕山山地丘陵区、阴山丘陵川滩区和大兴安岭山地丘陵区等地区。其中,免耕模式作业程序少,人为耕作对土壤造成的破坏小,保土保水效果好,节本增效显著,但一般杂草发生和危害较重、播种技术要求高；少耕模式通过浅旋或耙地,农田秸秆与土壤混合在一起,秸秆易腐烂、播种机通过性好、播种质量高、抑制杂草好、出苗好,但作业成本高、土壤搅动大[13]。

4.3 块根块茎类少耕带作模式

块根块茎类作物与条播作物带状间作种植,翻耕带种植块根块茎类作物,保护带种植条播作物,带宽均为6～10 m。块根块茎类作物种植在上一年留茬覆盖的条播作物带上,条播作物种植在上一年块根块茎类作物带上,翌年交替进行,田间管理按常规管理进行。

该模式将保护性耕作与马铃薯等块根块茎类作物种植相结合,较好地解决了发展保护性耕作和块根块茎类作物种植的矛盾,实现了作物生产和农田生态的双赢,适用于北方农牧交错区马铃薯、萝卜、甜菜等块根块茎类作物和玉米、小麦、燕麦、油菜、大麦等条播作物种植地区。

4.4 草原改良模式

草原围栏封育——结合轮牧或休牧进行雨季机械补播、喷（撒）播优质牧草——病虫鼠害控制——机械收获加工。

该模式有利于提高优质牧草产量、增加植被覆盖度、增强草地自身生态恢复能力。主要适用于农牧交错区温性草原化荒漠、温性荒漠和温性荒漠草原等地带性草原的改良。同时,该模式还适用于撂荒地或退耕地种植牧草,可以有效防治土壤风蚀沙化、提高土壤肥力和抗旱能力,具有增加植被覆盖度和改良土壤的作用。

5 农牧交错区保护性耕作发展中的主要问题

以内蒙古为例,保护性耕作历经近20年的发展,在保护性耕作理论创新、技术突破、模式建立和示范推广等方面取得了重大进展,为内蒙古农牧业生产、农牧民增收和生态环境改善做出了重要贡献。但随着保护性耕作技术的大面积推广应用和年限的延长,发展中的深层次矛盾和问题也逐渐显现,一定程度上制约着保护性耕作技术的进一步推广和效益的发挥。

5.1 保护性耕作发展规划制定与农业区划结合不够

2009年国家出台了《保护性耕作工程建设规划（2009—2015年）》,但各地区结合当地自然条件、种植制度和生产条件的具体规划不够,没能很好地纳入地方农业发展《区划》和《规划》之中,未打破种植与机械行政管理上的“分割”和技术部门的“壁垒”,没能做到合力齐发、用足用好相关政策,极大限制了保护性耕作的发展。

5.2 保护性耕作农机农艺融合不够

近20年来,保护性耕作侧重了秸秆覆盖、免耕播种、机械化深松等核心装备与技术的研究及应用,但是,缺乏对土壤耕层构建、水肥高效利用、病虫草害防控、合理轮作休耕等农艺理论与技术的研究,这种“一条腿长、一条腿短”的发展模式,极大地限制了保护性耕作的发展,甚至在部分地区出现倒退。

5.3 机具的专用性和可靠性还需进一步提高

长期以来,农牧交错区的不同作物专用配套机具缺乏。进口机具以大型机具为主,价格高,不能在中小地块使用。国产的中小型机械智能化程度低、产品质量有待提高,存在地面仿形能力差、播种精度不高、机具性能不完善、作业不稳定等问题。

5.4 病虫草害加重限制了保护性耕作进一步推广

在农牧交错区的部分地区,由于保护性耕作综合配套技术运用不够,特别是田间杂草综合控制不到位,加之取消了铧式犁翻耕,实施免少耕作业,农田杂草种类、发生规律及其危害特点与传统耕作农田相比发生了显著变化。据调查,在实施保护性耕作3年的小麦田杂草密度平均增加31.8%～42.6%、频度增加13.3%～31.6%,防治难度加大。秸秆留茬覆盖、秸秆还田等技术使小麦赤霉病、玉米螟、地下害虫等病虫害有加重发生的趋势[14]。

病虫草害的加重一定程度上制约了保护性耕作技术的进一步推广和效益的发挥。研究和解决保护性耕作病虫草害问题是农牧交错区推广保护性耕作需要解决的又一瓶颈性技术难题。

6 农牧交错区保护性耕作发展趋势与建议

6.1 关于保护性耕作的定位

保护性耕作是在农业可持续发展的前提下提出的一种新的农业耕作制度和技术体系,是一项生态与生产近期兼顾、长远双赢的技术措施。《全国农业可持续发展规划（2015—2030年）》也把保护性耕作作为增加土壤有机质、提升土壤肥力的重要措施[15]。

今后,要把保护性耕作发展与国家推进的休耕轮作、全程机械化和地力提升计划等重大政策相结合,为有效减缓农田退化、改善耕层机构、提高农田地力和生产能力提供支撑,实现经济、生态、社会意义上的农业可持续发展。

6.2 能否成为主体耕作技术

长期以来,由于中小型机具适应性差和可靠性低,加之农村劳动力老龄化、农艺技术不配套,以及管理部门“分割”、技术部门“壁垒”等因素,保护性耕作整体效益未得到充分发挥,小农户保护性耕作发展放慢甚至萎缩,全面推广保护性耕作形成了挑战。

今后,保护性耕作能否成为主体耕作技术,关键是保护性耕作能不能成为一项公认的高产技术和资源高效利用技术,其次是能否实现全程全面机械化,提高劳动生产率,满足规模化经营的需求。

6.3 关于保护性耕作的技术内涵与外延

“十一五”以来,我国保护性耕作技术的进步程度未能跟上行政推动下的发展要求,政府和农民期望值过高,与技术成果和服务严重滞后的矛盾十分突出。

在技术上过分强调“经典保护性耕作”的核心内涵,特别是对免耕、秸秆留茬覆盖的“严格标准化”和对传统翻耕等技术的排斥,而导致政府和技术推广部门推动的保护性耕作技术“水土不服”,产量低而不稳,挫伤了农民积极性,甚至出现发展萎缩的现象。

在保护性耕作的技术外延上,应将水、肥、土等农艺配套措施包括在内,只有农艺配套技术到位了,保护性耕作技术才是完整的,才能取得最佳效果。国外试验也表明：单纯的免耕将减产5.7%,而与秸秆留茬覆盖和作物轮作等农艺技术相结合,可以减少产量损失,甚至增产。因此,加强农机与农艺的有效融合,制定适合不同区域、不同作物的轻简化高效实用的技术模式与体系,是现阶段保护性耕作发展的重点和关键。

6.4 关于装备问题

保护性耕作农机装备,近20年来发展很快。但目前,大机具与小地块的矛盾、小机具与作业质量的矛盾依然突出,尤其是免耕播种机可靠性不高、作业质量和效果不稳定、长期免耕甚至出现地表不平整严重影响播种质量等实际问题。因此,急需开发中小型、多功能、专用性强、可靠性高的保护性耕作机具,特别是集根茬与秸秆还田、深松、表土处理于一体的耕整地配套机具和小杂粮精量播种与收获等配套机具是农牧交错区保护性耕作装备发展的重点。

6.5 关于经费投入问题

保护性耕作兼有生产性、生态性、公益性,需要政府加大投入,给予政策扶持和资金引导,发挥试验示范和培训宣传的作用,以促进保护性耕作发展；同时,结合国家轮作休耕、秸秆还田、土壤深松和全程机械化等补贴政策的落实,出台并实施秸秆覆盖地免耕播种补贴。要建立适宜长效发展与运行的投入机制,带动农机大户、种植大户和新兴农机服务组织进行必要的投入,推动保护性耕作稳定可持续发展。

6.6 关于长效机制问题

要注意发挥保护性耕作技术优势,与国家增粮计划、旱作农业发展、地力提升计划、退耕还草工程结合起来,带动和促进保护性耕作发展。要加强育种、土肥、植保、生态等科研推广机构的协作,让农艺部门帮助实现农机作业、作物品种、栽培模式的相互适应和深度融合,形成全程机械化解决方案和技术体系。

探索切实有效的推广方式和运行机制,充分体现政策扶持、行政推动的功能,发挥项目带动、资金引导的作用,利用企业参与、市场运作的效果,使保护性耕作技术的推广应用形成合力、快速发展[16]。