康 海

(大禹節(jié)水集團(tuán)股份有限公司農(nóng)水集團(tuán)新疆總部，新疆 烏魯木齊 830010)

我國保護(hù)性耕作技術(shù)近些年并未進(jìn)行廣泛應(yīng)用推廣，而作為農(nóng)業(yè)大國，作物種植安全與高產(chǎn)是必須直面的問題，也是推行保護(hù)性耕作的要求之一。在河西灌區(qū)耕作區(qū)常常運(yùn)用翻耕等傳統(tǒng)耕作方式，加快了土壤結(jié)構(gòu)的破壞，秸稈移除后土壤養(yǎng)分會流失且損失很大部分的外源輸入，耕地產(chǎn)量逐年下降，作物不能獲取足夠的養(yǎng)分導(dǎo)致減產(chǎn)[1]。免耕會造成土壤板結(jié)導(dǎo)致產(chǎn)量降低等一系列后果。保護(hù)性耕作主要是耕地表面用殘留秸稈覆蓋直至種子發(fā)芽時期、雜草與害蟲用農(nóng)藥進(jìn)行殺害的技術(shù)[2]。在傳統(tǒng)耕作技術(shù)的基礎(chǔ)上，為加強(qiáng)土壤可耕作性、降低土壤養(yǎng)分流失等進(jìn)行保護(hù)性耕作。

傳統(tǒng)耕作對土壤的結(jié)構(gòu)變化影響較大，地表覆蓋較少，保護(hù)性耕作技術(shù)可以改良傳統(tǒng)耕作的方式，地表微地形形態(tài)也會發(fā)生改變，提高了農(nóng)田生態(tài)效益，例如土壤內(nèi)有機(jī)礦化的速率會逐步降低，同時也會減少溫室氣體的產(chǎn)生[3]。研究與本地區(qū)相匹配的保護(hù)性耕作技術(shù)系統(tǒng)，對于河西灌區(qū)農(nóng)業(yè)以及生態(tài)環(huán)境改善都具有積極作用。

以少耕和免耕技術(shù)為代表的保護(hù)性耕作是當(dāng)下慢慢發(fā)展的一種新型可持續(xù)的耕作措施。以地面覆蓋的秸稈還田和使土壤物理性質(zhì)發(fā)生變化的少耕免耕措施是西北干旱半干旱地區(qū)運(yùn)用廣泛的保護(hù)性耕作方式，而且也是效果比較明顯的保護(hù)性耕作措施。它們在減緩水土流失、增加土壤肥力，提高自然資源使用率和增加農(nóng)業(yè)產(chǎn)值等方面都有顯著效果。

1 保護(hù)性耕作研究進(jìn)展與趨勢

1.1 保護(hù)性耕作研究機(jī)理

保護(hù)性耕作在研究中得到廣泛認(rèn)可的定義是由Mannering(1987)所提出的：能夠維持30%以上的土壤覆蓋率，降低水土流失并且提高農(nóng)田產(chǎn)量的耕種模式為保護(hù)性耕作。該種植制度基礎(chǔ)是保持土壤體系不被破壞，節(jié)約能耗獲得作物相對高產(chǎn)，是一種可持續(xù)性農(nóng)業(yè)生態(tài)模式。按照我國農(nóng)業(yè)發(fā)展定義保護(hù)性耕作是指主要通過少耕、免耕和地表覆蓋等一系列方法使種子正常發(fā)芽同時降低土壤遭受破壞，保護(hù)農(nóng)耕生態(tài)環(huán)境，是一項(xiàng)在可持續(xù)性發(fā)展農(nóng)業(yè)同時提高經(jīng)濟(jì)效益的農(nóng)業(yè)耕作技術(shù)[4]。

1.2 國外研究概況

保護(hù)性耕作的提出起源于20世紀(jì)30年代美國“黑風(fēng)暴”事件，大面積的開墾森林導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，生態(tài)平衡嚴(yán)重失調(diào)導(dǎo)致了黑風(fēng)暴的產(chǎn)生[5]。同樣發(fā)生在20世紀(jì)50年代的前蘇聯(lián)的“黑風(fēng)暴”，也是由于草原地表植被遭到嚴(yán)重破壞而引起的。2次罕見的自然災(zāi)害使人們對于傳統(tǒng)耕種方式產(chǎn)生的影響開始進(jìn)行反思。自此，少耕、免耕和保護(hù)性耕作逐步進(jìn)入人類視野。

美國作為最早進(jìn)行保護(hù)性耕作研究的國家，對保護(hù)性耕作的內(nèi)容以及配套方法等有著詳細(xì)介紹，近20a間保護(hù)性耕作技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)占據(jù)美國總耕地面積的約60%，主要作物為玉米、大豆等。英國在美國研究的基礎(chǔ)上提出了減少耕作與直接在作物殘茬上進(jìn)行播種。前蘇聯(lián)在“黑風(fēng)暴”發(fā)生過后，馬爾采夫無壁犁耕作法得以提出和利用，后期以西伯利亞地區(qū)為實(shí)驗(yàn)耕作，使用寬型的鏟深松犁替換以往的翻耕方式，旨在土體中水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比進(jìn)一步得以提升，保持土壤中含水量穩(wěn)定，完成保墑的目地。

農(nóng)業(yè)機(jī)械的快速發(fā)展對土壤的板結(jié)造成了較大的影響，由此引出了固定道耕作模式等其他耕作模式。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)逐步發(fā)展，少耕免耕等詞匯并不能全面涵蓋農(nóng)業(yè)界的技術(shù)變化，提出了保護(hù)性耕作這一說法。巴西、阿根廷作為保護(hù)性耕作應(yīng)用面積占比最大的代表國家，促使南美洲成為五大洲中保護(hù)性耕作技術(shù)應(yīng)用最為普及的地區(qū)[6]。2001年在西班牙召開的第一屆世界保護(hù)性農(nóng)業(yè)大會，成為保護(hù)性耕作技術(shù)得到全世界關(guān)注的重要里程碑。

1.3 國內(nèi)研究概況

在我國農(nóng)耕歷史上也有近似于保護(hù)性耕作的論述，例如宋朝起“地久耕則耗”的說法[7]。輪作、套作與間作等農(nóng)耕技術(shù)存在近千年。早在20世紀(jì)50年代，免耕種麥在我國江蘇[8]、云南[9]等地就開始了技術(shù)研究，同一時期，候光烔教授提出了“自然免耕”的設(shè)想并進(jìn)行相關(guān)研究。21世紀(jì)初至今，生態(tài)環(huán)境惡化愈演愈烈，極端氣溫變化增大，旱區(qū)耕種條件變得更為艱難。為應(yīng)對環(huán)境變化，各干旱地區(qū)提出多種如地膜覆蓋、免耕秸稈覆蓋等保護(hù)性耕作技術(shù)，在一定程度上減少了干旱地區(qū)土壤貧瘠，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益方面具有重要意義。

20世紀(jì)90年代，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)在山西省黃土高原進(jìn)行了10a的持續(xù)性研究，針對我國水資源分布不均勻與農(nóng)業(yè)用水貧乏等現(xiàn)象，與澳大利亞昆士蘭大學(xué)展開合作，將澳大利亞的保護(hù)性耕作技術(shù)結(jié)合我國實(shí)際耕作狀況開展實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過長年累月的實(shí)驗(yàn)，得出保護(hù)性耕作在我國具有適應(yīng)性、可行性，可大面積推廣，是一種在維持自然環(huán)境平衡的基礎(chǔ)上，提高耕種效率，推進(jìn)旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的生產(chǎn)耕作技術(shù)。實(shí)驗(yàn)的成功使得全國10個省市開始全面推行保護(hù)性耕作，實(shí)施面積可達(dá)30hm2。直至2000年，我國已經(jīng)建立了30多個保護(hù)性耕作示范縣，總面積達(dá)23.33萬hm2。

2 保護(hù)性耕作的作用

保護(hù)性耕作對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有多方面的影響。首先保護(hù)性耕作技術(shù)對土壤中的各類有機(jī)物和無機(jī)物都會產(chǎn)生影響，同時也有利于生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。但由于保護(hù)性耕作技術(shù)和作物的不同，所產(chǎn)生的積極影響也是不同的。

2.1 優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤肥力

優(yōu)化了土壤結(jié)構(gòu)是保護(hù)性耕作中土壤經(jīng)過免耕或少耕后最明顯的一個特征[10]。傳統(tǒng)的耕作是通過翻耕來改變土壤結(jié)構(gòu)，免耕少耕是以生物作用來達(dá)到這個目的，通過植物根系的生長穿插作用和土壤中的各種生物運(yùn)動使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化并創(chuàng)造土壤中的孔道。不同植物根系的形狀和粗細(xì)有較為明顯的差別，在植物根系死亡后，所遺留的孔道和孔隙，如果不經(jīng)過耕作的破壞，還是能夠完整的保存在土壤中，通過連續(xù)的種植作物，進(jìn)行免耕和少耕可以進(jìn)一步讓根系進(jìn)行穿插，在植物根系的生長過程中逐漸積累有機(jī)物，并通過微生物的作用，促使水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成。水穩(wěn)性團(tuán)粒結(jié)構(gòu)不僅可以讓土壤容重降低，還能夠讓土壤中的水分和土壤空氣達(dá)到一個動態(tài)平衡，進(jìn)一步提升了土壤的緩沖能力，為植物的生長提供了良好的生長環(huán)境。大多數(shù)研究結(jié)論表明，免耕的土壤物理?xiàng)l件與傳統(tǒng)耕作的土壤相似甚至更好。在砂土壤上免耕或者犁耕，把作物秸稈還田，不會引起土壤板結(jié)，免耕條件下的土壤容重與自然植被下的土壤容重相差不多[11- 12]。

2.2 合理控制土壤溫度，優(yōu)化作物生長

光輻射的吸收和熱量的傳遞都會受到秸稈覆蓋影響。秸稈覆蓋減少或阻止太陽直接輻射，并且能夠減少土壤和空氣中的物質(zhì)交換量和熱量損失[13]。經(jīng)過免耕后的土壤結(jié)構(gòu)容重比原來要低，對熱量向土壤傳遞產(chǎn)生阻礙作用。覆蓋后的土的年、日溫變化平緩，溫度相對較低時，可以進(jìn)行“增溫效應(yīng)”；溫度高的時候，則進(jìn)行“降溫效應(yīng)”，從而使土壤溫度達(dá)到一個動態(tài)平衡。

2.3 提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤肥力

與傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作能夠在土壤表層有機(jī)質(zhì)積累。秸稈覆蓋，在雨水和微生物的作用下可以使各類有機(jī)物如K、P、N等更好地進(jìn)入地下，促使土壤有機(jī)質(zhì)的形成[14]。其中，作物的秸稈中包含有大量的鉀素，并且都容易和水相溶，在隨水滲入土壤后，能夠顯著提高土壤中鉀元素的含量。何孝光[15]等研究表明，秸稈還田能夠提高水稻氮素吸收利用效率，并減少土壤總氮流失。秸稈中的有機(jī)物經(jīng)過雨水和微生物作用進(jìn)入地下，促使土壤形成有機(jī)質(zhì)，在很大程度上提升了土壤肥力[16]。

2.4 提升土壤水分保蓄力，提高水分利用效率

保護(hù)性耕作最顯著的作用就是水土的保持作用，尤其是在西北干旱半干旱的地區(qū)通過保護(hù)性耕作可以更好地保存土壤水分，進(jìn)而提升作物產(chǎn)量[17]。保護(hù)性耕作主要通過促進(jìn)雨水下滲，減少土壤水分蒸發(fā)的措施來滿足土壤中水分的儲存量[18]。免耕的土壤含水量比傳統(tǒng)耕作的土壤含水量多，主要是因?yàn)樵谵r(nóng)作物生長過程中，在作物生長的初期，不能夠覆蓋土地，地表覆蓋的秸稈就可以有效的減少水分蒸發(fā)[19]。一般情況下，沒有作物覆蓋的表層，土壤表層會直接受到雨水的沖擊，造成土壤結(jié)構(gòu)破壞，土壤孔隙度降低，使疏松土壤成為不易透水透氣的土壤表層，阻止雨水下滲進(jìn)入土壤。有秸稈覆蓋的土壤表層，就能夠有效避免雨水對土地的沖擊，可以確保土壤結(jié)構(gòu)不被破壞，土壤依舊疏松，不影響雨水下滲的速率，地表徑流不多，土壤水分含量增多[20]。

2.5 有效抑制沙塵，增加作物產(chǎn)量

土地沙漠化的成因中最主要的就是人們對土地進(jìn)行不合理地開發(fā)和耕作，這也是我國沙塵暴的主要來源之一。保護(hù)性耕作措施能夠使得沙塵顆粒不會被大風(fēng)帶起，同時能夠吸收一部分風(fēng)力，增加土壤對風(fēng)的沖擊作用，也能夠避免土壤顆粒被風(fēng)移動[21]。運(yùn)用免耕和秸稈覆蓋的方式可以在一定程度上減少土壤侵蝕[22- 23]。保護(hù)性耕作使得土壤肥力進(jìn)一步提升，養(yǎng)分進(jìn)一步得到利用，蓄水保墑，提高土壤中水的利用率，優(yōu)化作物產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)。

3 保護(hù)性耕作土壤呼吸以及影響因素

土壤的破壞與干擾程度和所選擇的耕作方式有關(guān)，具體呈現(xiàn)在土壤碳效應(yīng)等方面的差異[24]。理論上可以達(dá)到60%～70%的損失碳固定，實(shí)現(xiàn)0.4～1.2Pgd的碳吸收量。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，根呼吸與土壤厭氧呼吸在整個土壤呼吸中所產(chǎn)生的占比，是對于所研究的生態(tài)系統(tǒng)碳收支最直觀的表現(xiàn)[25]。因此對于干旱地區(qū)農(nóng)田土壤呼吸的分析是有效了解土壤碳排放量的重要途徑，也對碳排放量提升或減排進(jìn)行方向指導(dǎo)。

3.1 人為因素

人為不同種耕作方式對于土壤的理化性狀以及微生物的活性有著不同的影響[26]。土壤剖面和土壤團(tuán)聚體也會隨耕作方式不同發(fā)生改變，使得土壤的孔隙度以及水分分布發(fā)生二次變化。人為因素可能會使土壤內(nèi)的微生物受到刺激而產(chǎn)生活性，可能會導(dǎo)致CO2的排放增加。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，CO2的排放量在耕作活動前后的確有著明顯的差異，但僅能在24h內(nèi)監(jiān)測到。排放量提升的原因與耕作時CO2的移動速率有關(guān)，對于年排放量來說，該類因素導(dǎo)致的CO2僅占5%。連續(xù)多年對于農(nóng)田CO2監(jiān)測表明[27]，不同耕作方式所產(chǎn)生的CO2的排放量差異較大。由此，人為因素對于土壤呼吸產(chǎn)生的影響相較于土壤類型、氣候條件等因素微不足道，研究結(jié)論表明我們應(yīng)該將土壤CO2排放量歸于耕地優(yōu)化種植、管理措施的指標(biāo)。

3.2 土壤理化性狀

土壤理化性質(zhì)最直接的影響的是土壤呼吸[28]。土壤之中存在著大量微生物，而微生物的分解底物是由土壤中的活性碳庫直接提供的，任何參數(shù)的變化會對土壤CO2排放量以及呼吸值產(chǎn)生明顯影響。傳統(tǒng)耕作模式下，秸稈覆蓋后玉米田氮元素累計量增長一倍，地膜覆蓋法卻降低了近1/5，地膜秸稈雙元覆蓋則增加了近30%。

4 結(jié)論

保護(hù)性耕作不僅能夠改變土壤結(jié)構(gòu)，還可以提升土壤肥力，提升土壤蓄水增墑能力，增加作物產(chǎn)量，并且能夠有效合理控制水土流失、土地荒漠化等問題，進(jìn)一步保護(hù)生態(tài)環(huán)境，協(xié)調(diào)生態(tài)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)和社會效益，不斷推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的可持續(xù)發(fā)展。在干旱或半干旱地區(qū)，保護(hù)性耕作可以減少水分蒸發(fā)、儲存降水，但主要表現(xiàn)于表層，其中同時采用免耕和秸稈覆蓋的效果是最好的。采用秸稈覆蓋是充分利用資源，以達(dá)到節(jié)約水源、改良土壤，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的高效節(jié)水措施。保護(hù)性耕作還具有以下優(yōu)點(diǎn)：免耕和秸稈覆蓋措施，可以有效增加土壤中的有機(jī)物，通過降水和微生物作用，可以使秸稈中的有機(jī)物更加高效地流入地下，促進(jìn)土壤中有機(jī)物的積累;免耕和秸稈覆蓋可以降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，其中主要包括耕地所產(chǎn)生的機(jī)械費(fèi)、人工費(fèi)等，秸稈還田也可以增加土壤肥力，促進(jìn)作物生長，進(jìn)而增加作物的產(chǎn)量。

河西灌區(qū)作為典型的內(nèi)陸灌區(qū)，其耕作面積大，作物種類多，不同作物對土壤耕作層理化性質(zhì)及灌水要求不同，保護(hù)性耕作的應(yīng)用與推廣存在一定的局限性，需要進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，對不同作物或主要栽培作物以及秸稈覆蓋過程中存在的問題進(jìn)行深入的研究，探明保護(hù)性耕作對作物影響和土壤理化性質(zhì)變化狀況，為保護(hù)性耕作在河西灌區(qū)的推廣與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，同時也可為相似農(nóng)業(yè)氣候區(qū)保護(hù)性耕作的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)與經(jīng)驗(yàn)。

5 展望

國內(nèi)外大量的試驗(yàn)表明，保護(hù)性耕作在水土保持、促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展和改善生態(tài)環(huán)境有著重要的意義，也是當(dāng)前應(yīng)用最廣，效果較好的一種旱地耕作方式。目前，保護(hù)性耕作發(fā)展前景廣闊，已然成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化和生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步改善的重要因素，也是農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中的一場變革，是人與自然和諧共生的必然選擇。保護(hù)性耕作不僅可以蓄水增墑、提高土壤肥力、促進(jìn)作物生長、提高作物產(chǎn)量，還可以減少水土流失、防止土壤侵蝕等問題，有效改善生態(tài)環(huán)境。因此，在甘肅干旱或半干旱地區(qū)推行保護(hù)性耕作是提升農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，保護(hù)性耕作措施在該地區(qū)發(fā)展的前景也比較廣闊。