我国北方旱作农田保护性耕作发展与展望

齐 华 李从锋 赵 明 姜 英

（1沈阳农业大学农学院，110866，辽宁沈阳；2中国农业科学院作物科学研究所，100081，北京）

我国85%旱地分布在昆仑山、秦岭、淮河以北的广大地区，土地总面积542万km2，约占国土面积的56%，其中耕地面积51.33万km2，约占全国耕地总面积的52%[1]，这些耕地的有效利用对保障我国粮食安全具有重要意义。近40年间，旱作农田作物生产的主要矛盾发生了根本性变化，最突出的表现是耕地质量下降、风蚀水蚀加重、生产资源代价提高[2]。虽然作物秸秆是唯一可大面积培肥土壤的有机物料来源，但农田秸秆处理却是当今农业生产中的一大难题[3]。“规模机械化”“绿色发展”“提质增效”是未来相当长历史时期我国农业生产的主旋律[4-5]，亟待构建旱作农田秸秆还田条件下的新型保护性耕作制度。

1 我国北方旱作农田保护性耕作发展历程

1.1 保护性耕作与起因

保护性耕作可追溯到20世纪30年代，大规模不合理耕作导致美国发生的灾难性“黑风暴”事件是其主要诱因[6]。国外通常以秸秆残茬覆盖度为标准，在一季作物之后地表留茬覆盖至少30%为保护性耕作，如起垄、带状耕作、覆盖耕作及免耕等[7-8]，联合国粮农组织和世界银行提出保护性农业需具备3个关键要素，即最少的土壤扰动、覆盖作物种植和合理轮作[9]。国内学者认为，保护性耕作是指通过少耕、免耕、地表微地形改造技术及地表覆盖、合理种植等综合配套措施，从而减少农田土壤侵蚀，保护农田生态环境，并获得生态、经济和社会效益协调发展的可持续农业技术[10]。

1.2 我国旱作农田保护性耕作的产生与发展

随着保护性农业在国内的提出和兴起，保护性耕作也逐渐发展起来。20世纪90年代，我国学者就已经开始了探索旱作农田保护性耕作增产的效益分析研究[11，12]，明确了保护性耕作的完整概念[6]，此后旱作农田保护性耕作一直是农业的关注热点。2002年开始在全国范围内大规模推广保护性耕作，而主要开展区域集中在北方旱作农区[12]。在华北和东北2个典型旱作农区，持续开展了关于传统耕作与保护性耕作措施的比较研究，从原理技术、农机应用和技术模式等不同层面进行了大量研究，包括蓄碳减排耕作机理揭示[7]、免耕播种和深松机具研发和秸秆还田技术比较[11，13-15]等。

1.3 北方旱作农田耕作制度面临的困境

以家庭联产承包小农户经营为背景的旱作农田耕作制度的典型特征是小型农机具全层浅耕作业、化肥全面替代有机肥、等行距垄作栽培。现在的旱作农田产量水平与家庭联产承包时期已不可同日而语，长期全层浅耕作业引发了耕层结构性障碍（耕层浅、犁底层上移、紧实度增加等）[16]，长期大量施用化肥导致耕层功能性障碍（有机质含量降低、板结、耕性变差等）[7，17]，耕层结构与功能性障碍及二者相互间不协调的叠加效应加剧了农田水肥气热矛盾，导致土壤耕层环境恶化、风蚀水蚀加重（图1）。等行距栽培也使得群体田间通风透光不良，作物倒伏、早衰等问题突出，光能利用率下降[18]。

图1 旱作农田风蚀（左）、水蚀（右）严重Fig.1 Serious soil erosion of wind (left)and water (right) in dryland

2 北方旱作农田保护性耕作的主要成就

2.1 节水与减排型保护性耕作技术取得重要进展

保护性耕作具有保土、培肥和节水等特点，被认为是缓解气候变化的重要耕作制度。“十二五”期间，辽宁省农业科学院东北旱作团队开展了气候变化背景下的保护性耕作制度研究，建立了以免耕和秸秆还田为主的节水型耕作技术[19]，但对于保护性耕作对农田土壤固碳、温室气体排放是否具有显著影响在一段时间内存在较大争议。有学者从保护性耕作角度对土壤理化性状、作物产量和温室气体排放等方面进行了研究[20]，并基于大数据整体Meta分析得出了保护性耕作制度在我国农田的固碳减排潜力和连续实施的增产机理[21]。

2.2 玉米、小麦少免耕播种技术及农机具研制推广的突破

保护性耕作过程强调少耕、免耕措施的应用，其规模推广离不开相应农机具选型配套研制。20世纪90年代，我国开始探索保护性耕作的农机具研制、应用及推广。适用于多种作物的免耕播种机相继研制成功并应用，如驱动防堵型免耕播种机、清茬免耕播种机等。作物生育期管理阶段的喷药、深松、收获等全程机械化农机的研制推广得到了普遍认可[13]。在北方旱作农区保护性耕作和少免耕播种方面，中国农业大学在“北方玉米少免耕高速精量播种关键技术与装备”“保护性耕作技术”“北方一年两熟区小麦免耕播种关键技术与装备”和“旱地农业保护性耕作技术与机具研究”等方面取得了重要突破。西北旱作农区保护性耕作在机具研制与杂草防控方面也取得了相应成果。

2.3 探索建立秸秆还田的新型保护性耕作制度

秸秆管理问题一直是困扰旱地农业生产最突出的关键问题之一。而在北方旱作农田秸秆还田存在诸多实施的障碍，如播种质量差、秸秆腐解缓慢、病虫草危害等。沈阳农业大学提出间隔轮耕秸秆条带还田技术（图2），为解决旱作农田秸秆还田困境提供了可行的途径。这种还田方式可创造“虚实相间”的耕层构造，兼具免耕与深耕的优点[17]。通过年际间交替间隔轮耕秸秆条带还田，在实现农田全层培肥的同时，也使还田带与种植带分离，有效破解了覆盖、全层翻（旋）耕秸秆还田的问题[22]。

图2 秸秆条带还田机械作业（左）及作业效果土壤剖面（右）Fig.2 Mechanical operation of straw strip returning to field(left) and soil profile showing operation effects (right)

中国农业科学院作物科学研究所研发了新型机械化保护性耕作技术——玉米条带耕作密植高产技术（图3），该技术改全层耕作为条带耕作，改等行种植为小双行密植，改常规施肥为深层施肥，一次作业同时完成条带深松、秸秆还田、深层施肥及密植精量播种等环节，减少了秸秆粉碎、翻耕及旋耕等作业过程，提高了作业效率，可有效处理秸秆、增加耕层深度，可降低土壤容重10%～15%，能明显提高播种质量和出苗质量，改善群体结构和物质生产能力，平均增产8.0%～12.5%。近年在东北多地以条带耕作密植为主体的机械化技术的推广应用，有效提升了玉米综合生产能力，带动了区域大面积绿色增产增收。

图3 条带耕作密植播种（左）及田间出苗情况（右）Fig.3 Mechanical operation of strip tillage and dense planting (left) and the field situation of seedling emergence (right)

此外，中国农业大学提出的玉米秸秆覆盖条耕技术，集秸秆覆盖和传统耕作优点于一体，条耕在清理苗带上秸秆的同时也疏松了土壤，有利于提高玉米播种质量，实现苗全苗壮[23]。玉米生产中高留茬秸秆全覆（或条覆）免耕播种隔年深翻，可有效遏制冬春季节土壤风蚀与春季土壤干旱问题，通过隔年（或3年一周期）深翻也可解决地表秸秆富集，实现土壤全层培肥。

3 北方旱作农田保护性耕作展望

3.1 因地制宜地制定保护性耕作制度

我国旱作农田分布区域广，各地光温水资源及土壤条件存在差异，所以不同区域制约作物生产的主要矛盾与制约程度不尽相同。如：年降雨量多少、耕层障碍严重程度，都直接影响作物冠层与耕层环境优劣。虽然秸秆还田是破解旱作农田耕层障碍切实可行的出路，但还田方式不仅对农田土壤结构与功能作用存在着质与量上的差异，决定冠层结构的关键要素——作物田间配置也制约着还田方式是否可行。因此，针对不同区域旱作农田作物生产主要矛盾，因地制宜地规划作物田间配置与秸秆还田方式，实现冠层耕层协同优化，是我国北方旱作农田保护性耕作需要解决的根本问题。

3.2 以目标导向攻克关键问题，研发配套机具

耕层浅、紧实度增加、有机质含量降低、板结、耕性变差等是北方旱作农田耕层结构与功能协调的共性问题。因此，新型保护性耕作技术急需攻克的3个关键问题：一是以农田防径流、控水蚀、高效蓄水为目标，阐明降水高峰期水分入渗与秸秆还田方式关系；二是以农田防风蚀、抗旱保墒为目标，阐明秸秆覆盖及轮耕还田时期与耕层土壤水热关系；三是以冠层调控改善作物群体光能利用为目标，阐明作物田间结构配置与物质生产关系。针对上述问题，研究旱作农田不同气候与土壤类型秸秆还田方式的优化配置，科学规划秸秆还田方式、覆盖及轮耕还田时期，实现保护性土壤耕作技术与农机装备融合，构建我国北方旱作农田新型保护性耕作制度。

3.3 建立保护性耕作技术长期监测与评价体系

以秸秆还田为核心的保护性耕作对土壤结构和功能的改善是一个长期渐进的过程，因此需要开展针对不同秸秆还田方式的新型保护性耕作技术进行定位监测试验研究，建立长期监测数据库，跟踪不同保护性耕作技术模式及示范效果。研究制定包括土壤耕作、机具配套、种植管理等多类型保护性耕作技术标准及保护性耕作技术效应的评估方法，开展不同区域新型保护性耕作技术经济生态效益评价。