不同農作區土壤輪耕模式與生態效應研究進展

侯賢清，李　榮,*，賈志寬，韓清芳

1 寧夏大學農學院, 銀川　750021

2 西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院,農業部西北黃土高原作物生理生態與耕作重點實驗室，楊凌　712100

不同農作區土壤輪耕模式與生態效應研究進展

侯賢清1，李榮1,*，賈志寬2，韓清芳2

1 寧夏大學農學院, 銀川750021

2 西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院,農業部西北黃土高原作物生理生態與耕作重點實驗室，楊凌712100

摘要:適時進行不同土壤耕作措施的合理組配，形成與種植制度相適應的旱作土壤輪耕技術體系，以解決長期單一耕作措施所帶來的諸多問題，在國內外已備受廣泛關注。為深刻理解中國農作區土壤輪耕模式及其生態效應研究進展，就土壤輪耕的概念、輪耕模式及其土壤與作物生態效應進行了詳細的闡述；在總結現有研究的基礎上，歸納總結了不同農作區土壤輪耕模式的類型、作業效果及其機械選擇；科學評價不同輪耕模式下土壤與作物的生態效應；指出了目前土壤輪耕技術研究中所存在的問題，并提出相應的建議。針對我國區域農作制的合理輪耕周期研究比較困難，綜合國內外土壤輪耕的研究進展，提出土壤輪耕模式及技術體系今后的重點研究方向：(1)結合各區域主流種植模式，研究輪耕與輪作相結合的輪耕模式；(2)不同區域輪耕周期的確定與完善；(3)從技術上解決輪耕導致的土壤質量下降和作物減產的問題；(4)輪耕對土壤供肥與作物吸肥的影響；(5)加強輪耕模式及體系的技術評價、技術推廣與配套技術的研究。

關鍵詞：農作區；輪耕模式；生態效應；研究進展

土壤耕作直接作用于土壤，改變土壤結構，為作物創造良好的耕層構造，以滿足作物生長發育對水、肥、氣、熱的需要。它是農業生產活動的一項主要內容，也是農作物增產的一項基本措施，在現代農業可持續發展中具有舉足輕重的作用[1]。長期以來，旱作農業土壤耕作技術力求納秋水、抗春旱，但長期單一的耕作方式使土壤耕層變淺、土壤容重變大、土壤有機質在表層富集和病蟲害的發生嚴重等，給作物的生長發育產生嚴重的威脅，造成作物減產[2- 3]。以減少土壤擾動和增加秸稈覆蓋為主要特點的保護性耕作，具有保土、增肥、節水、增產和增效的作用[4]，已在生產上大面積應用。從傳統耕作向少免耕技術的轉變，是土壤耕作技術的一場革命。近年來，盲目引進美國的保護性耕作措施，推廣休耕少耕免耕，致使防治水土流失、加強生態建設的任務越來越重[5]。多年保護性耕作后出現的問題是土壤變硬，容重增大，影響作物根系發育及對水分和養分的吸收，產量出現下降的趨勢[6]。保護性耕作技術的研究已不再是僅關注土壤耕作技術本身及對當季作物生長的影響，更注重耕作制度的周期、作物輪作、土壤輪耕等綜合技術配置及其效應[7]。王振忠等[8]在1995年提出了輪耕的概念及在麥稻復種連作條件下輪耕的措施，并確立了“久淺需深、久免需耕”的思想。劉世平等[9]也提出以增產、節本、高效和可行為原則，將輪作、耕作和培肥相結合，逐步形成輪作、輪培和輪耕的“三輪”技術體系。2005年在全國保護性耕作研討會上高旺盛指出，建立土壤輪耕技術體系是中國保護性耕作制的關鍵技術之一[7]。土壤輪耕發揚和繼承了不同耕作方法的優點，為秸稈還田和有機培肥創造良好的土壤條件，更好地解決“用地養地”、“復種農時”和“高產高效”三者之間的關系[10]。因此，適時進行土壤輪耕對維持農田土壤質量健康具有重要作用。

1土壤輪耕的概念

針對長期的單一耕作措施和多年保護性耕作技術給作物生長及土壤生態環境帶來諸多不利影響，通過保留傳統耕作中的有益部分，適墑進行土壤輪耕恢復地力，來提高供肥能力[8]。關于輪耕，國內外并沒有統一的概念。在國內，有研究[9- 10]認為，土壤輪耕是通過翻耕、深松和免耕等耕作措施的科學組配，形成與種植制度相適應的土壤耕作技術體系。在國外，輪耕的提法不盡相同，存在著區域性的差異[11- 13]。在澳大利亞，輪耕是采用改變年際間不同耕作深度、實現降低土壤緊實度、避免相同耕作深度的耕作方式；而在美國，輪耕是指與作物輪作相適應的耕作措施交替進行的耕作技術體系。研究認為，土壤輪耕是通過合理配置土壤耕作技術(翻耕、旋耕、深松和免耕等)，與種植制度形成相適應的土壤耕作技術體系；同時形成以少耕為主體，少、免耕交替，定期耕翻的輪耕模式，來解決長期少免耕而產生的負面效應。這既考慮到節本增效問題，又綜合考慮到農田土壤質量的改善、土地生產力的提高，對于減少長期單一耕作的弊端而具有重要作用，是未來我國農業可持續發展的重要支撐技術，也是我國區域土壤耕作制改革的發展方向。

2不同農作區土壤輪耕模式

根據我國南北地理氣候來看，免耕成為主流耕作方式，輔以少耕和翻耕，是今后我國農作區耕作方式的發展趨勢，是持續和效益農業的最佳選擇。在不同類型區土壤上采用少免耕模式進行生產，土壤肥力和作物產量都有衰減期，必須實行不同的土壤輪耕模式才能保持和提高土壤肥力，確保持續高產。在具體實施時，輪耕必須與作物輪作結合，從種植制度綜合優化要求出發，根據所具備的條件和作物要求，靈活運用與輪作相適應的輪耕模式，使輪耕效益得到充分發揮[8]。根據我國不同農作區地域特點及所存在的問題，將不同農作區土壤輪耕模式的類型、作業效果及機械選擇進行對比。

2.1農牧交錯帶

近幾年來，農牧交錯帶土壤侵蝕和荒漠化比較嚴重，留茬免耕技術是北方農牧交錯帶防止農田土壤風蝕的主導保護性耕作技術[14]。(1)輪耕模式主要有：a. 免耕/免耕/免耕/免耕，結合作物輪作莜麥/油菜/劍舍豌豆/莜麥；b. 翻耕/翻耕/翻耕/翻耕，結合作物輪作莜麥/油菜/劍舍豌豆/莜麥；c. 免耕/免耕/深松/深松，并結合作物輪作莜麥/油菜/劍舍豌豆/莜麥。即在連續免耕2a后的基礎上進行不同耕作處理，農田未進行覆蓋，作物收獲后留茬20 cm，終年無灌溉。(2)作業效果：多年免耕后土壤容重增大，連年翻耕嚴重破壞了土壤結構，影響作物根系的生長發育及產量，在免耕的基礎上深松，保障了作物產量的需求，同時也提高了土壤抗風蝕能力[15]。(3)機械選擇：免耕采用內蒙古農業大學機械廠生產的2BM-9型免耕播種機；深松采用天津市薊縣農業機械廠生產的ISQ-204型深松機。

2.2東北旱作區

東北旱作農業區傳統耕作法多次作業，壓實土壤，破壞土壤結構，土壤失墑嚴重。為提高耕地蓄水保墑能力，東北壟作區相繼創立新的耕法。新耕法主要有：平播后起壟和秋季滅茬起壟。新的耕法堅持了壟作傳統，使傳統耕法較順利地過渡到蓄水保墑耕作法，但仍存在一些問題：耕作次數多，土壤壓實嚴重，作業成本高，地表長期裸露休閑，土壤失墑嚴重，風蝕加劇。針對以上嚴重現象，對節水抗旱的新耕法進行了探索與總結，研究出適合東北壟作區蓄水保墑耕作技術體系“三年輪耕法”[16]。(1)三年輪耕法：即第1年秸稈粉碎覆蓋還田，第3年留茬越冬，各年中均采用伏雨前深松，播種時采用免耕播種。新耕法集成了秸稈根茬還田、帶狀少耕、深松、免耕播種、分層深施化肥、窄開溝重鎮壓、植保等農藝技術，通過不同的聯合少耕機具進行優化組合作業。(2)作業效果：新耕法休閑期地表覆蓋，消除了裸露休閑，減少動土量，保水、保墑、保土。秸稈根茬還田，使土壤有機質增加，培肥地力；采用聯合作業機具，減少機具作業次數及機械壓實，降低作業成本，達到聯合少耕的效果。(3)機械選擇：其配套機具包括耕整、耕播兩大類聯合作業機具[17]。耕整聯合作業機具包含IDGZL-140(2)、IDGZL-240(4)多功能耕整聯合作業機，IDGZL-240(4)J加強型多功能耕整聯合作業機，IJGH L-140(2)秸稈-根茬粉碎還田聯合作業機和IFS-260(4)仿生減阻深松機。耕播聯合作業機具包括IGBL-140(2)、IGBL-240(4)耕播聯合作業機，IGBL-240(4)J加強型耕播聯合作業機、ZB-Y2硬茬播種機和ZBM-4免耕精播機。

2.3西北黃土高原區

西北黃土高原旱作區，干旱少雨，春旱、冬春連旱嚴重，糧食產量低而不穩。作物收獲后，充分利用雨季休閑期降水是提高該區降水利用率的關鍵。(1)土壤輪耕技術主要包括夏閑期輪耕[18]和冬閑期輪耕[19]。a. 夏閑期輪耕模式主要有：深松/免耕/深松、免耕/深松/免耕、翻耕/翻耕/翻耕。即在前茬冬小麥收獲后留高茬將秸稈出地進行耕作處理，經過夏季休閑，9月下旬播種冬小麥，次年6月下旬冬小麥后收獲留高茬將秸稈出地進行耕作處理，再進行夏季休閑，9月下旬播種冬小麥，第3年6月下旬冬小麥收獲，進行秸稈出地進行耕作處理。b. 冬閑期輪耕模式主要有：深松/免耕/免耕、免耕/深松/深松、免耕/免耕/免耕、深松/深松/深松、翻耕/翻耕/翻耕。即在前茬春玉米收獲后將秸稈出地進行耕作處理，經過冬季休閑，次年4月中旬播種糜子，9月下旬糜子收獲留高茬將秸稈出地進行耕作處理，經過冬季休閑，第3年4月中旬播種谷子，9月下旬谷子收獲留高茬將秸稈出地進行耕作處理，經過冬季休閑，第4年4月中旬播種糜子，9月下旬糜子收獲留高茬將秸稈出地進行耕作處理。(2)作業效果：與傳統耕作相比，休閑期輪耕能有效改善土壤結構，最大限度地接納夏秋降雨，做到春墑秋保、秋雨春用，顯著提高了自然降水利用效率和作物產量。(3)機械選擇：免耕、深松和翻耕處理配套機具分別為意大利生產的Amazone NT 250型免耕播種機、中國農業大學研制的1SY-120型帶翼鏟深松機和山東德州生產的專用鏵式犁拖拉機。

2.4華北平原麥-玉兩熟區

華北平原屬典型的小麥-玉米兩熟區，隨著保護性耕作技術在華北平原的應用，多年少免耕后出現土壤容重增大、孔隙變小等土壤質量下降問題。因此，探索適宜的輪耕模式來改善土壤質量尤為重要。(1)土壤輪耕技術主要有：a. 年內輪耕模式[20]。即小麥季免耕玉米季免耕，小麥季免耕玉米季深松，小麥季深松玉米季免耕，小麥季深松玉米季深松，小麥季翻耕玉米季免耕，小麥季翻耕玉米季深松。作業效果：小麥季深松玉米季深松能提高土壤理化性狀，改善地上部植株性狀，增加作物產量和品質，提升經濟效益，在該地區進行小麥-玉米年內輪耕時作為首選，其次是小麥季深松玉米季免耕，不建議采用小麥季免耕玉米季免耕的年內輪耕模式。b. 多年免耕后輪耕[21]。在小麥-玉米連續5a進行周年免耕、翻耕和旋耕試驗，輪耕模式主要有免耕-免耕、免耕-翻耕和免耕-旋耕。作業效果：輪耕能夠提高長期免耕土壤有機碳、活性碳和碳庫管理指數，對提高長期免耕土壤質量有重要作用。c. 秸稈覆蓋下輪耕[22]。即3a深松+1a免耕、4a深松、3a免耕+1a深松、4a免耕、秸稈覆蓋結合3a深松+1a免耕、秸稈覆蓋結合4a深松、秸稈覆蓋結合3a免耕+1a深松、秸稈覆蓋結合4a免耕。作業效果：深松與免耕相結合的土壤輪耕制度是進一步提高該地區玉米增產的有效措施，適宜的土壤輪耕與秸稈覆蓋還田可更好發揮兩者的增產效果。(2)機械選擇：免耕處理選用2BMF-7/14型多功能免耕播種機一次性完成旋耕、施基肥、播種作業，深松處理選用180型震動深松機進行深松；翻耕采用東方紅904拖拉機帶三鏵犁進行翻耕，旋耕使用東方紅904拖拉機帶旋耕機進行旋耕。

2.5渭北旱塬區

渭北旱塬區長期釆用“多次翻耕一耙耱”土壤耕作法土壤失墑和風蝕嚴重。針對這一問題，李軍在渭北旱塬區進行長期定位試驗，研究了不同施肥水平結合不同耕作措施組成的輪耕模式[23- 24]。(1)輪耕模式主要有：免耕/深松輪耕、深松/翻耕輪耕、翻耕/免耕輪耕、5連續免耕、5連續深松和5a連續翻耕；施肥水平包括：常規施肥(高氮高磷)、平衡施肥(氮磷鉀平衡)和不施肥或低肥(低氮低磷)。即在前茬作物收獲后將秸稈粉碎覆蓋地表進行耕作處理，經過休閑(夏或冬季)，當年9月或次年4月中旬播種冬小麥或春玉米，6月或9月下旬冬小麥或春玉米收獲，然后秸稈粉碎覆蓋地表進行耕作處理，經過休閑(夏或冬季)，第2年9月或第3年4月中旬播種冬小麥或春玉米，6月或9月下旬冬小麥或春玉米收獲，進行秸稈粉碎覆蓋地表進行耕作處理。(2)作業效果：平衡施肥結合免耕/深松輪耕模式，相比連年翻耕，能夠增加休閑期土壤蓄水量，改善生育期土壤墑情，提高表層土壤肥力，有利于旱作農田作物的增產穩產，同時提高了生產收益。(3)配套機具：中國農業大學研制的2BMQF-4C型玉米免耕播種機、1SY-120型帶翼鏟深松機和專用鏵犁耕翻機。

2.6長江流域2.6.1麥稻兩熟區

稻麥兩熟地區隨著少免耕應用年限的延長，也暴露出問題，如土壤養分表層富集，導致土壤供肥能力差，草害嚴重，作物出現早衰倒伏等現象。許多研究學者提出以少耕為主體，少免交替，定期耕翻的深、淺、免有機結合的輪耕制。即根據蘇北地區農業生產特點，本著增產、高效、節本、可行的原則，將輪作、耕作、培肥有機結合，形成輪作、輪耕、輪培的“三輪”技術體系[9]。(1)輪耕模式主要有：連耕(常耕/水稻-常耕/小麥-常耕/水稻-常耕/小麥)、連少(少耕/水稻-少耕/小麥-少耕/水稻-少耕/小麥)、輪耕(常耕/水稻-少耕/小麥-少耕/水稻-少耕/小麥)。(2)作業效果：輪耕后耕層土壤容重居于連少(連續少耕)和連耕(連續常耕)之間，保持在小麥生長的適宜范圍內；輪耕(常耕/少耕)有較高的氮肥利用效率，可適當減少氮肥施用量。小麥產量以輪耕為最高，在土壤肥力水平較低情況下更應避免長期連續少耕[25]。(3)機械選擇：少耕選用1GF-170型反轉滅茬旋耕機，常耕選用1LYTA-622水田犁。

2.6.2雙季稻區

在我國南方稻田，連續免耕若干年后如何通過合理的措施進一步改善和提高土壤質量，是目前人們比較關注的問題。土壤輪耕結合秸稈還田措施對于減少長期免耕缺點具有重要作用。中國農業大學的陳阜教授在連續免耕7a的稻田分別進行免耕、旋耕和翻耕3種耕作措施[26- 27]。(1)土壤輪耕模式主要有：免耕-免耕、免耕-翻耕、免耕-旋耕。(2)作業效果：長期免耕后，翻耕、旋耕措施通過改變耕層土壤結構，進而提高稻田土壤水貯量；同時長期免耕后，免耕秸稈還田會增加表層土壤有機碳儲量；而翻耕、旋耕秸稈還田會提高下層土壤有機碳儲量。(3)機械選擇：免耕采用2BG-6A免耕條播機播種，播后立即鋪蓋秸稈，旋耕選用1GF-170型反轉滅茬旋耕機，翻耕采用1ZS-20型水田耕整機。

3輪耕的土壤生態效應

3.1對土壤物理性狀的影響

在多年免耕的基礎上進行土壤耕作，能有效降低作物生育前期耕層的土壤容重。旋耕2a后深耕比連續3a旋耕降低15—20 cm土層土壤容重，但對表層土壤容重影響相對較小[28]。長期免耕后翻耕、旋耕，比長期免耕有效改善0—10 cm土壤總孔隙，提高5—10 cm毛管孔隙[22]；連續耙耕3—4a使15—20 cm土層土壤形成較緊實的耙底層，但耕翻1a后耙耕2a周期輪換模式能改善土壤透氣性[29]。耕作方式通過影響微團聚體與大團聚體之間的轉化及再分布，進而影響土壤結構的穩定性及抗侵蝕能力。深松1a后均能使>0.25 mm土壤水穩性團聚體增加[30]。免耕與深松隔年輪耕比傳統耕作顯著增加0—20 cm土層0.25—2 mm團聚體數量，極顯著增加20—40 cm土層>5 mm團聚體含量[31]。微團聚體與大顆粒團聚體相比，穩定性較強，不易受外界因素的影響，輪耕處理比傳統耕作能增加2—0.25 mm的團聚體的比例，而微團聚體(< 0.25 mm)的比例相應減少[31]。

相關研究表明，在旱作區進行土壤輪耕可減少土壤擾動，降低土壤容重，增加降水入滲，增強土壤蓄水能力。長期免耕后，翻耕、旋耕能夠有效提高耕層土壤蓄水量，特別是在土壤含水率偏低時尤為顯著[26]。夏季農田休閑，特別是在干旱年份，免耕后深松可充分利用夏季降水，將其蓄存于深層土壤，供夏秋作物生長需要[15]。同時，免耕與深松輪耕還可顯著提高了休閑期降雨蓄水效率和小麥整個生育期降水利用效率，改善土壤蓄水保墑效果和作物的水分利用能力[18]。

3.2對土壤化學性狀的影響

少耕有利于土壤有機質和全氮在上層的富集和積累，促進有機碳氮庫的形成，然而，長期少免耕會引起表層土壤緊實，有機質含量減少，表層有機碳富集和氮素流失等嚴重問題[32]。輪耕措施能夠增加耕層土壤有機碳含量，促進耕層土壤有機碳氮的均勻分布。有研究表明，免耕1a后進行翻耕增加耕層土壤全氮含量效果明顯[33]，2a深松1a免耕模式能有效增加耕層土壤有機質含量[34]。可見，輪耕對提高土壤肥力有著重要的作用。

長期連續免耕有利于提高表層(0—5 cm)土壤有效磷的含量，而長期免耕后翻耕、旋耕提高下層(5—20 cm)土壤有效磷的含量，長期免耕后翻耕有利于提高下層土壤速效鉀的含量[27]。而輪耕有利于均衡耕層土壤養分，有效抑制長期免耕帶來的養分表層富集現象，同時有利于釋放礦化養分，提高土壤肥力，降低農田肥料使用量。免耕與深松隔年輪耕可顯著增加耕層土壤有效氮、有效磷含量和速效鉀含量，改善了土壤的養分狀況[34]。李娟等[35]也得出相似的研究結果：免耕后深松對0—20 cm土層土壤有效氮含量影響較大，對20—40 cm土層土壤有效磷和速效鉀含量影響較大。

3.3對土壤生物性狀的影響

免耕可使土壤酶活性增加，對于表層土壤效果更為明顯。分析其原因有兩個方面：一方面免耕使土壤免受耕作擾動，同時連續免耕使土壤耕層變淺植物根系多分布在表層有關；另一方面免耕增加土壤微生物數量，形成不同時期的微生物區系，進而改變土壤生物特性[20,36]。肖嫩群等[37]研究發現，晚稻分蘗盛期的土壤微生物活度表現為少耕﹥翻耕﹥免耕，這與微生物數量變換規律基本一致。作物輪作也可影響土壤生物性狀[38]，除了作物輪作外，還可以改變耕作方式。熊鴻焰等[39]的研究發現，水旱輪作后免耕0—20 cm耕層土壤微生物數量、生物量磷和生物多樣性顯著低于常規耕作，而微生物生物量碳和氮顯著高于常規耕作。秸稈還田結合輪耕措施能顯著提高0—40 cm土層土壤酶活性，也有利于酶在土壤中均勻分布，這對土壤肥力的改善和作物產量的增加將會起到有利的作用[40]。這主要由于長期免耕處理秸稈覆蓋在表層，且養分在表層富集，經過翻耕、旋耕處理后表層秸稈和養分被均勻地分布于耕層，有利于深層土壤微生物的活動[41]。

4輪耕的作物生態效應

4.1作物生理生態效應

作物對土壤氮素的吸收，不僅取決于氮素的化學形態，而且還與其移動性及作物根系在土壤中的分布狀況等有密切關系。劉世平等[25]研究表明，肥料和耕作方式對作物含氮率和累積吸氮量均有較大影響：不同耕法中，無論是施肥區還是不施肥區，各生育期多以輪耕為最高；在不施氮肥的情況下，輪耕與少免耕處理，與長期免耕處理相比，利于氮素的礦化和水稻對氮素的吸收。作物根系的數量、活性以及分布狀況，直接影響植株地上部生長發育和產量的形成。輪耕能促進小麥根系下扎，增加下層根的比例[42]。韓賓等[29]研究認為，連續耙耕3—4a使15—20 cm土層形成緊實度較大的耙底層，導致土壤透氣性和蓄水保墑能力降低，嚴重阻礙了根系正常下扎，而耕翻1a、耙2a的周期輪換模式，能促進根系下扎，進而提高作物的產量。適當深松或改連耕為免耕也可達到同樣的效果[43]。

不同耕作措施通過調節土壤環境，進而影響作物光合特性。侯賢清等[44]通過3a的輪耕試驗研究結果證明，不同輪耕模式能顯著提高小麥旗葉葉綠素相對含量，使小麥花后旗葉保持較高的光合能力。適宜的耕作措施可以改變土壤的理化性狀，而土壤性狀的改變又直接影響作物的生長發育，延緩植物衰老，提高作物產量。顧順芳等[22]研究結果表明，連續3a深松基礎上免耕、連續3a免耕基礎上深松，可以提高玉米穗位葉葉綠素含量，延緩衰老進程，提高花后玉米干物質量、經濟系數和籽粒產量。

4.2對作物產量與經濟效益的影響

輪耕可通過改善土壤的孔隙狀況，降低土壤容重和緊實度，從而形成作物適宜的種床，促進籽粒的萌發和生長發育，最終提高作物的產量性狀[35]。侯賢清等[44]、孔凡磊等[45]和孫國峰等[46]研究表明，不同輪耕措施增加了冬小麥的有效穗數，有利于形成高產的小麥群體結構，建立了小麥高產的群體結構和個體基礎，從而提高籽粒產量。如表1為不同農作區域輪耕模式下作物產量及經濟效益對比。通過對比分析發現，結合各區域主流種植模式，采用不同耕作方式與作物輪作相結合的輪耕模式可明顯提高作物的產量、水分利用效率和經濟效益。

5存在問題、建議及展望

5.1存在問題及建議

作物輪作、土壤耕作與培肥，是土壤管理技術的主要方面。如何根據農業生產特點，本著增產、高效、節本、可行的原則，將輪作、耕作、培肥有機地結合起來，形成一個完善的綜合技術體系，建立持續農業的土壤耕作技術是當前土壤耕作研究的熱點[9]。然而，傳統的頻繁翻耕，增加了土壤容重，減少土壤團聚體含量，加速土壤侵蝕，導致嚴重的水土流失和養分流失，造成作物產量低而不穩[48- 50]。深松和秸稈覆蓋雖能解決由于連續免耕覆蓋作業出現的土壤問題，但每年的深松作業增加機械作業成本，對提高作物產量效果并不明顯[51]。

國內北方的深松少耕、耙茬少耕、覆蓋免耕，南方的自然免耕、稻板麥、輪耕等耕作技術在農業生產中都發揮了很大作用。針對土壤耕作所存在的問題，筆者認為：首先，強調“久免需耕”，并非恢復過去的耕作方式，而是要達到免耕與耕翻之間的辯證統一。在作業上擯棄過去傳統耕作中的不合理部分，諸如爛耕、水旋，以及多耕多耙等費工低效的程序。保留傳統耕作中的有益部分，如通過適墑耕翻進行上下土層交換，松動耕層以提高供肥能力等。適墑耕翻與少免耕組合，可以起到互補促進作用。這種組合并非傳統耕作季季都耕，從數年為系統來看，總體上以少免耕為主，耕翻為次的少耕制；從年際間來看，耕與免、深與淺、翻與旋等組合輪替。

其次，少耕制或輪耕制可解決提高肥力，滅蟲、除草等方面的問題。但鑒于不同農作區種植方式、作業條件等不同，“輪耕制”應遵循以下兩個原則：(1)輪耕要著眼于土壤結構的保護與發展，按輪耕方案，進行夏耕曬垡，秋耕凍垡。具體操作要因地制宜，防止對土壤結構的破壞，切忌爛耕爛旋。(2)輪作與輪耕相結合。輪作使土壤生境多變，免耕與耕翻、淺層耕作與深層耕作、夏耕與秋耕科學輪換，生態防除害蟲、雜草。

表1　中國不同農作區輪耕模式下作物產量及經濟效益對比

第三，不同農作區輪耕模式的選擇及應用。(1)輪耕周期與宜耕時機：輪耕周期的確定涉及影響因子較多，但最重要因素是土壤肥力下降而引起減產的臨界年，前人[52]研究結果表明，少免耕必須結合增施肥料，才能穩產增產。耕作時宜以能充分發揮機具效益 、改良土壤和獲得作物高產為原則，從宜耕、利土、搶時、省工等綜合效果出發，以夏耕為主，爭取秋耕為宜耕時機。(2)輪耕模式與應用：根據不同農作區土壤類型，采用少免耕結合輪耕保持和發展土壤肥力，確保持續高產。輪耕制應以少耕為主體，少免耕交替，定期耕翻的深、淺、免有機結合的體系。在具體實施時，應從不同區域種植制度出發，結合作物要求，建立與輪作相適應的輪耕模式，使輪耕效益得到充分發揮。

5.2展望

由于不同農作區的氣候及土壤環境條件存在明細差異，這就要求不同區域依據自身條件發展適宜的輪耕模式。針對區域農作制的合理輪耕周期研究困難，綜合國內外研究進展，我國不同區域土壤輪耕模式及技術體系今后的研究工作中還需對以下方面進行深入探究：

(1)結合各區域主流種植模式，采用輪耕與輪作有機結合的周年輪耕模式。重點研究不同區域、不同耕作模式下的土壤耕層功能調節關鍵技術，完善不同區域輪耕組合模式。

(2)不同區域輪耕周期的確定與完善。對一個具體地區和土類來說，多長時間才是最經濟有效，還有待于各地在實踐中繼續探索。

(3)要從技術上解決輪耕可能導致的土壤質量下降和作物減產的問題。研究在干旱缺水條件下不同輪耕模式通過與其它覆蓋及施肥補灌措施結合，充分利用夏季降雨，達到改善土壤質量和作物增產的目的。

(4)關于輪耕對土壤供肥與作物吸肥影響。輪耕對土壤肥力、土壤微生物環境的影響及作物根系吸肥和病蟲草種群發生規律等方面仍需進一步的研究。

(5)加強輪耕模式及體系的技術評價、技術推廣與配套技術研究。重點解決我國不同農作區域輪耕技術標準不一、技術集成不夠等問題。

參考文獻(References):

[1]劉世平, 陸建飛, 莊恒揚, 沈新平. 土壤輪耕: 江蘇農業可持續發展的重要技術措施. 土壤, 1998, 30(1): 43- 46.

[2]Fabrizzi K P, García F O, Costa J L, Picone L I. Soil water dynamics, physical properties and corn and wheat responses to minimum and no- tillage systems in the southern Pampas of Argentina. Soil and Tillage Research, 2005, 81(1): 57- 69.

[3]Chan K Y, Heenan D P. The effects of stubble burning and tillage on soil carbon sequestration and crop productivity in southeastern Australia. Soil Use and Management, 2005, 21(4): 427- 431.

[4]馮聚凱, 崔彥宏, 甄瑞, 李少昆. 華北平原一年兩熟區保護性耕作技術研究進展. 中國農學通報, 2006, 22(6): 177- 181.

[5]侯賢清, 李榮, 韓清芳, 賈志寬, 王維, 楊寶平, 王俊鵬, 聶俊峰, 李永平. 輪耕對寧南旱區土壤理化性狀和旱地小麥產量的影響. 土壤學報, 2012, 49(3): 592- 600.

[6]何進, 李洪文, 高煥文. 中國北方保護性耕作條件下深松效應與經濟效益研究. 農業工程學報, 2006, 22(10): 62- 67.

[7]高旺盛. 論保護性耕作技術的基本原理與發展趨勢. 中國農業科學, 2007, 40(12): 2702- 2708.

[8]王振忠, 董百舒, 許學前. “久免需耕”——再談輪耕的意義. 江蘇農業科學, 1995, (5): 43- 45.

[9]劉世平, 莊恒揚, 沈新平, 陳后慶, 宋家祥, 陸建飛, 黃麗芬. 蘇北輪作輪耕輪培優化模式研究. 江蘇農學院學報, 1996, 17(4): 31- 37.

[10]黃細喜, 劉世平, 陳后慶, 邵達三. 江蘇省稻麥復種合理輪耕制的研究. 土壤學報, 1993, 30(1): 9- 18.

[11]Carter M R, Sanderson J B, Ivany J A, White R P. Influence of rotation and tillage on forage maize productivity, weed species, and soil quality of a fine sandy loam in the cool-humid climate of Atlantic Canada. Soiland Tillage Research, 2002, 67(1): 85- 98.

[12]López-Fando C, Dorado J, Pardo M T. Effects of zone-tillage in rotation with no-tillage on soil properties and crop yields in a semi-arid soil from centralSpain. Soil and Tillage Research, 2007, 95(1/2): 266- 276.

[13]López-Fando C, Pardo M T. Changes in soil chemical characteristics with different tillage practices in a semi-arid environment. Soiland Tillage Research, 2009, 104(2): 278- 284.

[14]秦紅靈. 北方農牧交錯帶保護性耕作對農田土壤風蝕影響效應研究[D]. 北京: 中國農業大學, 2007.

[15]秦紅靈, 高旺盛, 馬月存, 馬麗, 尹春梅. 兩年免耕后深松對土壤水分的影響. 中國農業科學, 2008, 41(1): 78- 85.

[16]賈洪雷, 陳忠亮, 馬成林, 劉昭辰, 楊青, 李廣宇. 北方旱作農業區耕作體系關鍵技術. 農業機械學報, 2008, 39(11): 59- 63.

[17]賈洪雷, 陳忠亮, 馬成林, 劉昭辰, 楊青, 李廣宇. 北方旱作區蓄水保墑耕作模式配套裝備應用分析. 農業機械學報, 2008, 39(5): 197- 200.

[18]侯賢清, 李榮, 韓清芳, 王維, 賈志寬. 夏閑期不同耕作模式對土壤蓄水保墑效果及作物水分利用效率的影響. 農業工程學報, 2012, 28(3): 94- 100.

[19]王維. 寧南旱區休閑期不同輪耕模式的農田生態效應[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2012.

[20]聶良鵬. 小麥-玉米一年兩熟農田高產高效輪耕模式研究[D]. 青島: 山東農業大學, 2014.

[21]孔凡磊, 張海林, 孫國峰, 黃光輝, 陳阜. 輪耕措施對小麥玉米兩熟制農田土壤碳庫特性的影響. 水土保持學報, 2010, 24(2): 150- 154, 183- 183.

[22]顧順芳, 王振華, 張新, 張前進, 郭書亞, 張權, 焦念元, 尹飛, 付國占. 輪耕對豫南雨養區夏玉米葉片衰老代謝及產量的影響. 中國農學通報, 2013, 29(6): 154- 159.

[23]程科. 保護性輪耕對渭北旱作麥田土壤理化性狀與作物生產的影響[D]. 楊凌: 西北農 林科技大學, 2013.

[24]王麗, 李軍, 李娟, 柏煒霞. 輪耕與施肥對渭北旱作玉米田土壤團聚體和有機碳含量的影響. 應用生態學報, 2014, 25(3): 759- 768.

[25]劉世平, 陸建飛, 單玉華, 黃麗芬, 莊恒揚. 稻田輪耕土壤氮素礦化及土壤供氮量的研究. 揚州大學學報: 農業與生命科學版, 2003, 24(2): 36- 39.

[26]孫國峰, 張海林, 徐尚起, 崔思遠, 湯文光, 陳阜. 輪耕對雙季稻田土壤結構及水貯量的影響. 農業工程學報, 2010, 26(9): 66- 71.

[27]唐海明, 孫國峰, 肖小平, 湯文光, 陳阜, 張海林, 楊光立. 輪耕對雙季稻田土壤全氮、有效磷、速效鉀質量分數及水稻產量的影響. 生態環境學報, 2011, 20(3): 420- 424.

[28]蔣向, 賀德先, 任洪志, 劉清瑞, 胡敏. 輪耕對麥田土壤容重和小麥根系發育的影響. 麥類作物學報, 2012, 32(4): 711- 715.

[29]韓賓, 李增嘉, 王蕓, 寧堂原, 鄭延海, 史忠強. 土壤耕作及秸稈還田對冬小麥生長狀況及產量的影響. 農業工程學報, 2007, 23(2): 48- 53.

[30]嚴波, 賈志寬, 韓清芳, 楊寶平, 聶俊峰. 不同耕作方式對寧南旱地土壤團聚體的影響. 干旱地區農業研究, 2010, 28(3): 58- 63.

[31]侯賢清, 賈志寬, 韓清芳, 孫紅霞, 王維, 聶俊峰, 楊寶平. 不同輪耕模式對旱地土壤結構及入滲蓄水特性的影響. 農業工程學報, 2012, 28(5): 85- 94.

[32]Humberto Blanco-Canqui, Lal R. Soil structure and organic carbon relationships following 10 years of wheat straw management in no-till. Soil and Tillage Research, 2007, 95(1/2): 240- 254.

[33]朱利群, 張大偉, 卞新民. 連續秸稈還田與耕作方式輪換對稻麥輪作田土壤理化性狀變化及水稻產量構成的影響. 土壤通報, 2011, 42(1): 81- 85.

[34]Hou X Q, Li R, Jia Z K, Han Q F, Wang W, Yang B P. Effects of rotational tillage practices on soil properties, winter wheat yields and water-use efficiency in semi-arid areas of north-westChina. Field Crops Research, 2012, 129: 7- 13.

[35]李娟, 李軍, 尚金霞, 賈志寬. 輪耕對渭北旱塬春玉米田土壤理化性狀和產量的影響. 中國生態農業學報, 2012, 20(7): 867- 873.

[36]陳蓓, 張仁陟. 免耕與覆蓋對土壤微生物數量及組成的影響. 甘肅農業大學學報, 2004, 39(6): 634- 638.

[37]肖嫩群, 陳冬林, 譚周進, 張楊珠, 李建國, 屠乃美. 少免耕對晚稻土生物活性影響的研究. 中國生態農業學報, 2008, 16(3): 598- 601.

[38]楊祥田, 周翠, 李建輝, 李偉龍, 林俊. 不同輪作方式下大棚草莓產量及土壤生物學特性. 中國生態農業學報, 2010, 18(2): 312- 315.

[39]熊鴻焰, 李廷軒, 余海英, 張錫洲. 水旱輪作條件下免耕土壤微生物特性研究. 植物營養與肥料學報, 2009, 15(1): 145- 150.

[40]張莉, 李友軍, 付國占, 焦念元, 張洋洋. 輪耕對冬小麥田土壤酶活性時空變化的影響. 麥類作物學報, 2014, 34(8): 1104- 1110.

[41]孔凡磊, 張明園, 范士超, 張海林, 陳阜. 耕作方式對長期免耕農田土壤微生物生物量碳的影響. 中國生態農業學報, 2011, 19(2): 240- 245.

[42]王同朝, 衛麗, 吳克寧, 席章營, 王晨陽. 小麥根系對水分虧缺的生物學響應. 河南農業大學學報, 2000, 34(1): 17- 21.

[43]Pidgeon J D, Soane B D. Effects of tillage and direct drilling on soil properties during the growing season in a long-term barley mono-culture system. The Journal of Agricultural Science, 1977, 88(2): 431- 442.

[44]Hou X Q, Li R, Jia Z K, Han Q F. Effects of rotational tillage practices on soil water status and photosynthetic characteristics at late growth stage of winter wheat in semi-arid areas of northwestChina. Agronomy Journal, 2012, 105(1): 215- 221.

[45]孔凡磊, 陳阜, 張海林, 黃光輝. 輪耕對土壤物理性狀和冬小麥產量的影響. 農業工程學報, 2010, 26(8): 150- 155.

[46]孫國峰, 陳阜, 肖小平, 伍芬琳, 張海林. 輪耕對土壤物理性狀及水稻產量影響的初步研究. 農業工程學報, 2007, 23(12): 109- 113.

[47]劉世平, 莊恒揚, 單玉華, 陳后慶, 陸建飛. 輪耕對土壤供氮和小麥吸氮狀況的影響. 江蘇農學院學報, 1998, 19(2): 49- 52.

[48]Chen H Q, Norbert Billen, Karl Stahr, Yakov Kuzyakov. Effects of nitrogen and intensive mixing on decomposition of14C-labelled maize (ZeamaysL.) residue in soils of different land use types. Soil and Tillage Research, 2007, 96(1/2): 114- 123.

[49]Chen H Q, Hou R X, Gong Y S, Li H W, Fan M S,Yakov Kuzyakov. Effects of 11 years of conservation tillage on soil organic matter fractions in wheat monoculture in Loess Plateau of China. Soil and Tillage Research, 2009, 106(1): 85- 94.

[50]He J, Kuhn N J, Zhang X M, Zhang X R, Li H W. Effects of 10 years of conservation tillage on soil properties and productivity in the farming-pastoral ecotone of Inner Mongolia, China. Soil Useand Management, 2009, 25(2): 201- 209.

[51]He J, Li H W, Wang X Y, McHugh A D, Li W Y, Gao H W, Kuhn N J. The adoption of annual subsoiling as conservation tillage in dryland maize and wheat cultivation in northern China. Soil and Tillage Research, 2007, 94(2): 493- 502.

[52]Pidgeon J D. A comparison of the suitability of two soils for direct drilling of spring barley. Journal of Soil Science, 1980, 31(3): 581- 594.

Research progress on ecological effects under the rotational tillage patternsin agricultural regions of China

HOU Xianqing1, LI Rong1,*, JIA Zhikuan2, HAN Qingfang2

1SchoolofAgriculture,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China2ChineseInstituteofWater-savingAgriculture/KeyLaboratoryofCropPhysi-EcologyandTillageScienceinNorthwesternLoessPlateau,MinistryofAgriculture,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

Abstract：The soil rotational tillage system with the proper match of different tillage practices could solve all the long-term and continuous single-tillage problems in agricultural regions. This method has attracted attention both at home and abroad. In order to understand the research progress on ecological effects under the rotational tillage patterns in different agricultural regions of China, in this paper, we review in detail the concept, patterns of rotational tillage, and the ecological effects of this system. According to existing data, we summarize the soil rotational tillage pattern types, operation effects, and mechanical choice in different agricultural regions. There is a need for scientific evaluation of the ecological effects on soils and crops under rotational tillage, and there are still a number of unsolved problems in the research on current soil rotational tillage technology; accordingly, we provided some suggestions. It is difficult to study the realistic cycle of rotational tillage; analysis of the research progress on the rotational tillage at home and abroad showed that the readily researchable areas and priorities in this field in China are the following: (1) in combination with mainstream cropping patterns for each agricultural region, the rotational tillage patterns that combine rotational tillage with crop rotation need to be studied; (2) the cycle of rotational tillage in different agricultural regions needs to be ascertained and perfected; (3) the problem of soil degradation and crop failures caused by the rotational tillage practice and technology has to be solved; (4) the effects of rotational tillage practice on soil fertility maintenance and absorption of fertilizer by crops need further research; (5) the research into the rotational tillage systems with respect to technology evaluation, technical popularization, and matching technologies needs more attention and funding.

Key Words:agricultural regions; rotational tillage pattern; ecological effect; research progress

基金項目:寧夏大學引進人才科研啟動基金(BQD2012007); 國家青年科學基金項目(31301280)

收稿日期:2014- 08- 11; 網絡出版日期:2015- 07- 22

DOI:10.5846/stxb201408011540

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lironge_mail@126.com

侯賢清，李榮，賈志寬，韓清芳.不同農作區土壤輪耕模式與生態效應研究進展.生態學報,2016,36(5):1215- 1223.

Hou X Q, Li R, Jia Z K, Han Q F.Research progress on ecological effects under the rotational tillage patternsin agricultural regions of China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(5):1215- 1223.