保護性耕作在不同氣候區域研究現狀

劉 爽 ，王 雅 ，徐志超

（1.山西大學黃土高原研究所，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西省土壤環境與養分資源重點實驗室，山西太原030031；3.青海省水利水電勘測設計研究院，青海西寧810001）

降低土壤壓實、經濟適用的作物輪作以及地表殘茬覆蓋是保護性耕作的3個核心內容[1-2]。其不但可以維持長期作物生產力而且能降低環境風險[3-4]。其中，地表殘茬覆蓋是指作物收獲后至少將30%的作物殘茬覆蓋在地表[5]。許多學者研究了不同類型的殘茬及其覆蓋量對土壤及作物的影響[6-8]。作物殘茬覆蓋的優點和不足主要取決于作物殘茬的種類、質量及其與不同土壤氣候條件的相互作用[9]。與傳統耕作系統相比，保護性耕作可以降低土壤風蝕、水蝕以及土壤水分蒸發[10-12]，增加降雨入滲量[13]，提高土壤表層有機碳含量[14-15]，增強土壤團聚體的數量及穩定性[16-19]，降低人力及能源輸入[20-22]。因此，保護性耕作多應用于高侵蝕及半干旱土壤區[23-25]。目前，保護性耕作約達1.25億hm2，約占全球農地面積的9%，其中，半干旱草原區保護性耕作阿根廷占70%的農地面積，美國占全部農地面積的16%[26]；而我國的保護性耕作面積占全部農業面積的比例非常小。

1 保護性耕作國內外研究現狀和發展動態

在過去的幾十年內，保護性耕作系統已在全球范圍內的不同氣候區域，如在熱帶、亞熱帶以及溫帶氣候區進行評估及采用。保護性耕作下的作物類型、氣候及土壤滲漏狀況等都影響作物產量。當氣候為冷濕條件或土壤幾乎不滲漏的情況下，保護性耕作下的玉米產量較傳統耕作低[17，27-30]；而當氣候為干燥溫暖或土壤滲漏狀況較好時，保護性耕作下的玉米產量較傳統耕作高[26，31-38]；此外，在不考慮氣候及土壤條件時，某些土壤類型保護性耕作下的大豆和冬小麥產量較傳統耕作高或與傳統耕作下的產量無明顯差別[29，33，39-43]。

1.1 保護性耕作在熱帶地區的研究現狀

在熱帶地區，許多學者研究了保護性耕作對作物產量及土壤理化性狀的影響，結果發現，與傳統的耕作方式相比，保護性耕作，如免耕或少耕可提高土壤含水量及玉米產量[31，34，44-46]。在熱帶地區，保護性耕作在農業及經濟上的作用主要受降水量及其分布的影響[47]。因此，相應的研究結果存在區域性差異，例如THIAGALINGAM等[32]研究發現，免耕能提高大豆和玉米的產量，尤其在干旱年份效果更明顯；但ZOTARELLI等[48]研究表明，免耕能提高大豆產量，而傳統耕作方式下的玉米產量則更高；同樣，WILHELM等[49]研究發現，玉米產量隨降雨量及其分布而變化。其他研究結果顯示，由于相應水分利用效率（WUE）的提高，地表作物殘茬覆蓋可顯著提高作物產量，尤其在干旱年份當地表覆蓋有作物殘茬時，WUE 會更高[8，47，50]。VERHULST等[51]研究發現，在作物生長季，免耕條件下，作物雖在初始階段生長緩慢，但后期生長較快，從而提高了最終的籽粒產量。此外，免耕還可提高土壤有機質含量及表層土壤的孔隙度[45]，但對0～10 cm土層的土壤容重無明顯的影響[52]。

1.2 保護性耕作在亞熱帶地區的研究現狀

研究表明，在亞熱帶地區，免耕可提高總的土壤有機碳含量[53-54]及0～5 cm土層的水穩性團聚體含量，但使得表層土壤的孔隙度降低[55-56]，土壤容重增大[57]。許多研究表明，與傳統耕作相比，免耕可保持更多的水分，且顯著提高玉米籽粒的產量及水分利用率[41，58-62]；SARKAR等[21]研究發現，淺層耕作可以提高土壤水分、大麥產量以及水分利用率。

1.3 保護性耕作在溫帶地區的研究現狀

在溫帶地區，當土壤處于滲漏性較差的條件時，保護性耕作（免耕或少耕）下的作物產量等于或低于傳統耕作[63-65]；但也有些研究結果表明，保護性耕作提高了玉米產量[27]。免耕秸稈覆蓋可提高土壤有機碳含量[14，66]，降低地表徑流，提高土壤含水量[67]，并能降低N2O氣體的排放量。此外，研究結果還表明，免耕或少耕導致土壤表層容重增大，土壤入滲量降低[68-69]。盡管一些研究結果顯示，在溫帶氣候區保護性耕作的不足包括降低作物產量[70]及影響土壤物理特性（即降低土壤入滲量和增加土壤容重），但隨著免耕配套農機具的逐步發展以及燃料費用的逐步降低，可能會使免耕成為較經濟的耕作系統[71]。另外，保護性耕作具有較好的經濟和生態效益[65]。

1.4 保護性耕作在國內的研究現狀

我國已有許多關于保護性耕作方面的研究，但這些研究主要集中于我國北方的華北平原（31°24′N～42°42′N，110°18′E～122°42′E)和西北地區，尤其是黃土高原地區（34°30′N～38°6′N，103°47′E～113°26′E)。研究表明，傳統耕作方式可加速土壤退化及水資源的匱乏，降低作物生產力及水分利用效率[72-73]。而保護性耕作則可提高土壤物理化學及生物性狀，從而降低土壤侵蝕，提高土壤含水量、水分利用效率及作物產量[41，59，74-75]，可起到儲水保墑、節能、節水、節肥的作用[76-78]。然而，在我國東北地區關于保護性耕作效益的研究較少，該區域位于溫帶氣候區且傳統耕作已被應用了幾百年。CHEN等[79]研究了保護性耕作對于土壤表層（0～15 cm）含水量的影響；FAN等[80]研究了不同耕作方式及作物輪作對作物產量及效益的影響。而對于剖面土壤水分的分布，深層土壤水分儲量及水分利用效率方面的報道較少。

2 問題和展望

從國內外對保護性耕作相關問題的研究看，保護性耕作在不同氣候區域都取得了長足發展，主要集中在保護性耕作對土壤質量及作物生長和產量的影響等方面。就目前研究中存在的問題提出保護性耕作在國內未來研究中的幾點建議。

從目前的研究來看，主要存在的問題為：保護性耕作多應用于高侵蝕及半干旱土壤區域，對于濕潤及降水較多的區域，保護性耕作的應用相對匱乏；在不同的區域，保護性耕作所對應的技術體系不同，而保護性耕作技術因在不同區域推廣程度不同，其成熟程度差異較大，即使在推廣范圍大、技術成熟的區域，技術的適用區域也不十分明確；保護性耕作配套技術一直未能很好地解決；保護性耕作多應用于玉米、大豆和小麥作物，對于其他作物應用較少；與不同作物配套的保護性耕作機具匱乏，導致其增產效果以及對土壤的改良效果受到影響。

針對目前存在的問題，應該根據不同氣候或土壤區域條件等實地情況，研發相應的保護性耕作配套技術規程，例如，位于不同氣候區域的高原、丘陵、盆地以及平原地區其適宜的保護性耕作模式不同，應根據具體區域進行研發；應該研發適用不同作物的保護性耕作技術體系和相應的保護性耕作農機具，如針對玉米、小麥、大豆等農作物，其適宜保護性耕作技術體系不同，配套的農機具也應具體研發；應該普及保護性耕作的知識，定期進行保護性耕作知識的講座以及技術指導，如秸稈還田、免耕播種、壟溝深松、淺層耕作、化學除草劑的使用等；進行保護性耕作的深入研究和推廣，應在取得國家經費支持的情況下，爭取地方政府的支持，使得研究成果及時得到示范推廣，比如對于響應保護性耕作的農民，地方政府應該給予一定的優惠政策，使保護性耕作得到廣泛有效的推廣和應用。

參考文獻：

［1］KIENZLERK M，LAMERS J P A，MCDONALDA，et al.Conservation agriculture in Central Asia-What do we knowand where do we gofromhere?[J].Field Crops Res，2012，132：95-105.

［2］SERRAJ R，SIDDIQUE K H M.Conservation agriculture in dry areas[J].Field Crops Res，2012，132：1-6.

［3］ VALBUENA D，ERENSTEIN O，HOMANN-KEE TUI S，et al.Conservation agriculture in mixed crop-livestock systems：scoping crop residue trade-offs in sub-Saharan Africa and South Asia[J].Field Crops Res，2012，132：175-184.

［4］PRETTY J.Agricultural sustainability:concepts,principles and evidence[J].Phi Trans RSoc B，2008，363：447-465.

［5］ GREGORICH E G，TURCHENEK L W，CARTER M R，et al.Soil and environmental science dictionary for the Canadian society of soil science[M].Boca Raton London:CRCPress，2001.

［6］DRURY CF，REYNOLDS WD，WELACKY TW，et al.Impacts of zone tillage and red clover on corn performance and soil physical quality[J].Soil Sci Soc AmJ，2003，67：867-877.

［7］SINGHY，SINGHB，TIMSINA J.Crop residue management for nutrient cycling and improving soil productivity in rice-based cropping systems in tropics[J].AdvAgron，2005，85：269-407.

［8］ MUPANGWA W，TWOMLOW S，WALKER S.Reduced tillage，mulching and rotational effects on maize （Zea mays L.)，cowpea（Vigna unguiculata（Walp)L.）and sorghum（Sorghum bicolor L.（Moench））yields under semiarid conditions[J].Field Crops Res，2012，132：139-148.

［9］ FLERCHINGER G N，HARDEGREE S P.Modelling near?surface soil temperature and moisture for germination response predictions of post-wildfire seedbeds[J].J Arid Environ，2004，59：369-385.

［10］PUUSTINENM，KOSKIAHOJ，PELTONENK.Influence of cultivation methods on suspended solids and phosphorus concentrations in surface runoff on clayey sloped fields in boreal climate[J].Agric Ecosyst Environ，2005，105：565-579.

［11］SCHWARTZRC，BAUMHARDTRL，EVETTS R.Tillage effects on soil water redistribution and bare soil evaporation throughout a season[J].Soil Tillage Res，2010，110：221-229.

［12］ ZHANG S L，ZHANG X Y，HUFFMAN T，et al.Influence of topography and land management on soil nutrients variability in Northeast China[J].Nutr Cycl Agroecosyst，2011，89：427-438.

［13］ SHARMA P，ABROL V，SHARMA R K.Impact of tillage and mulch management on economics，energy requirement and crop performance in maize-wheat rotation in rainfed subhumid inceptisols[J].India Eur J Agron，2011，34：46-51.

［14］ YANG X M，DRURY C F，REYNOLDS W D，et al.Impacts of long-term and recently imposed tillage practices on the vertical distribution of soil organic carbon[J].Soil Tillage Res，2008，100：120-124.

［15］SHI XH，YANGXM，DRURYCF，et al.Impact of ridge tillage on soil organic carbon and selected physical properties of a clay loam in Southwestern Ontario[J].Soil Tillage Res，2012，120：1-7.

［16］CAMPBELL CA，BIEDERBECK V O，SCHNITZERM，et al.Effect of 6 years of zero tillage and N fertilizer management on changes in soil quality of an orthic brown chernozemin Southwestern Saskatchewan[J].Soil Tillage Res，1989，14：39-52.

［17］ DRURY C F，TAN C S，WELACKY T W，et al.Red clover and tillage influence on soil temperature,water content,and corn emergence[J].Agron J，1999，91：101-108.

［18］MCCONKEY B G，LIANGB C，CAMPBELL CA，et al.Crop rotation and tillage impact on carbon sequestration in Canadian prairie soils[J].Soil Tillage Res，2003，74：81-90.

［19］FRANZLUEBBERS A J，SCHOMBERGHH，ENDALE DM.Surface-soil responses toparaplowing of long-termno-tillage cropland in the Southern Piedmont USA[J].Soil Tillage Res，2007，96：303-315.

［20］OZPINARS.Effects of tillage systems on weed population and economics for winter wheat production under the Mediterranean dryland conditions[J].Soil Tillage Res，2006，87：1-8.

［21］ SARKAR S，SINGH S R.Interactive effect of tillage depth and mulch on soil temperature,productivity and water use pattern of rainfed barley （Hordium Vulgare L.） [J].Soil Tillage Res，2007，92：79-86.

［22］ BEN MOUSSA-MACHRAOUI S，ERROUISSI F，BEN-HAMMOUDA M，et al.Comparative effectsof conventional and no-Tillage management on some soil properties under Mediterranean semiarid conditions in Northwestern Tunisia[J].Soil Tillage Res，2010，106：247-253.

［23］JINYH，ZHOUDW，JIANGS C.Comparison of soil water content and corn yield in furrow and conventional ridge sown systems in a semiarid region of China[J].Agric Water Manage，2010，97：326-332.

［24］DELAUNE P B，SIJ J W.Impact of tillage on runoff in long term no-till wheat systems[J].Soil Tillage Res，2012，124：32-35.

［25］PRASUHNV.On-farm effects of tillage and crops on soil erosion measured over 10 years in Switzerland [J].Soil Tillage Res，2012，120：137-146.

［26］ KASSAMA，FRIEDRICH T，DERPSCH R，et al.Conservation agriculture in the dry Mediterranean climate[J].Field Crops Res，2012，132：7-17.

［27］IRAGAVARAPUTK，RANDALL GW.Yield and nitrogen uptake of monocropped maize from a long-term tillage experiment on a poorly drained soil[J].Soil Tillage Res，1995，34：145-156.

［28］ ANKEN T，WEISSKOPF P，ZIHLMANN，et al.Long-term tillage system effects under moist cool conditions in Switzerland [J].Soil Tillage Res，2004，78：171-183.

［29］ ALVAREZ R，STEINBACH H S.A review of the effects of tillage systems on some soil physical properties，water content，nitrate availability and crops yield in the argentine pampas[J].Soil Tillage Res，2009，104：1-15.

［30］CHENY，LIUS，LI H，et al.Effects of conservation tillage on corn and soybean yield in the humid continental climate region of Northeast China[J].Soil Tillage Res，2011，115/116：56-61.

［31］OJENIYI S O.Effect of zero-tillage and disc ploughing on soil water，soil temperature and growth and yield of maize（Zea Mays L.）[J].Soil Tillage Res，1986，7：173-182.

［32］THIAGALINGAMK，GOULD N，WATSONP.Effect of tillage on rainfed maize and soybean yield and the nitrogen fertilizer requirements for maize[J].Soil Tillage Res，1991，19：47-54.

［33］ HUSSAINI，OLSONK R，EBELHARS A.Impacts of tillage and no-till on production of maize and soybean on an eroded Illinois silt loamsoil[J].Soil Tillage Res，1999，52：37-49.

［34］SOMMERR，WALL P C，GOVAERTS B.Model-based assessment of maize cropping under conventional and conservation agriculture in highland Mexico[J].Soil Tillage Res，2007，94：83-100.

［35］ALLETTOL，COQUETY，JUSTES E.Effects of tillage and fallow period management on soil physical behaviour and maize development[J].Agric Water Manage，2011，102：74-85.

［36］ENFORS E，BARRONJ，MAKURIRA H，et al.Yield and soil system changes from conservation tillage in dryland farming：A case study from North Eastern Tanzania[J].Agric Water Manage，2011，98：1687-1695.

［37］WANG X B，DAI K，ZHANG D C，et al.Dryland maize yields and water use efficiency in response totillage/crop stubble and nutrient management practices in China[J].Field Crops Res，2011，120：47-57.

［38］CULLUMRF.Influence of tillage on maize yield in soil with shallowfragipan[J].Soil Tillage Res，2012，119：1-6.

［39］CANNELL RQ，HAWES J D.Trends in tillage practices in relation to sustainable crop production with special reference to temperate climates[J].Soil Tillage Res，1994，30：245-282.

［40］ DE VITA P，DI PAOLO E，FECONDO G，et al.No-tillage and conventional tillage effects on durum wheat yield，grain quality and soil moisture content in Southern Italy[J].Soil Tillage Res，2007，92：69-78.

［41］SUZY，ZHANGJ S，WUWL，et al.Effects of conservation tillage practices on winter wheat water use efficiency and crop yield on the loess plateau，China[J].Agric Water Manage，2007，87：307-314.

［42］ CHAKRABORTY D，NAGARAJANS，AGGARWAL P，et al.Effect of mulching on soil and plant water status，and the growth and yield of wheat（Triticum Aestivum L.）in a semi-arid environment[J].Agric Water Manage，2008，95：1323-1334.

［43］HE J Q，DUKES MD，HOCHMUTH G J，et al.Identifying Irrigation and nitrogen best management practices for sweet corn production on sandy soils using Ceres-maize model[J].Agric Water Manage，2012，109：61-70.

［44］ OSUJI G E.Water storage，water use and maize yield for tillage systems on a tropical alfisol in Nigeria[J].Soil Tillage Res，1984，4：339-348.

［45］MAURYA P R.Effect of tillage and residue management of maize and wheat yield and on physical properties of an irrigated sandy loam soil in northern Nigeria [J].Soil Tillage Res，1986，8：161-170.

［46］ NAUDIN K，GOZ?E，BALARABE O，et al.Impact of no tillage and mulching practices on cotton production in North Cameroon：A multi-locational on-farm assessment[J].Soil Tillage Res，2010，108：68-76.

［47］ BENITES J R，OFORI C S.Crop production through conservation-effective tillage in the tropics[J].Soil and Tillage Research，1993，27：9-33.

［48］ZOTARELLI L，ZATORRE NP，BODDEY RM，et al.Influence of no-tillage and frequency of a green manure legume in crop rotations for balancing N outputs and preserving soil organic C stocks[J].Field Crops Res，2012，132：185-195.

［49］ WILHELM W W，SCHEPERS J S，MIELKE L N，et al.Dryland maize development and yield resulting from tillage and nitrogen fertilization practices[J].Soil Tillage Res，1987，10：167-179.

［50］ MUKHERJEE A，KUNDU M，SARKAR S.Role of irrigation and mulch on yield，evapotranspiration rate and water use pattern of tomato（Lycopersicon Esculentum L.）[J].Agric Water Manage，2010，98：182-189.

［51］ VERHULST N，GOVAERTS B，NELISSENV，et al.The effect of tillage，crop rotation and residue management on maize and wheat growth and development evaluated with an optical sensor[J].Field Crops Res，2011，120：58-67.

［52］LAL R.Long-termtillage and maize monoculture effects on a tropical alfisol in western Nigeria.I.crop yield and soil physical properties[J].Soil Tillage Res，1997，42：145-160.

［53］ROLDáNA，SALINAS-GARCíA J R，ALGUACIL MM，et al.Soil sustainability indicators following conservation tillage practices under subtropical maize and bean crops[J].Soil Tillage Res，2007，93：273-282.

［54］LI CF，YUE L X，KOUZK，et al.Short-term effects of conservation management practices on soil labile organic carbon fractions under a rape-rice rotation in central China[J].Soil Tillage Res，2012，119：31-37.

［55］ SASAL M C，ANDRIULO A E，TABOADA M A.Soil porosity characteristics and water movement under zero tillage in silty soils in Argentinian Pampas[J].Soil Tillage Res，2006，87：9-18.

［56］LI XH，HANXZ，LI HB，et al.Soil chemical and biological properties affected by 21-Year application of composted manure with chemical fertilizers in a Chinese Mollisol[J].Can J Soil Sci，2012，92：419-428.

［57］WYNGAARD N，ECHEVERR?A H E，SAINZROZAS H R，et al.Fertilization and tillage effects on soil properties and maize yield in a Southern Pampas Argiudoll[J].Soil Tillage Res，2012，119：22-30.

［58］LIUY，LI S Q，CHENF，et al.Soil water dynamics and water use efficiency in spring maize（Zea Mays L.)fields subjected todifferent water management practices on the loess plateau，China[J].A-gric Water Manage，2010，97：769-775.

［59］WANGQJ，CHENH，LI HW，et al.Controlled traffic farming with no tillage for improved fallow water storage and crop yield on the Chinese loess plateau[J].Soil Tillage Res，2009，104：192-197.

［60］ WANG Y J，XIE Z K，MALHI S S，et al.Effects of gravel-sand mulch，plastic mulch and ridge and furrowrainfall harvesting systemcombinations on water use efficiency，soil temperature and watermelon yield in a semi-arid loess plateau of Northwestern China[J].Agric Water Manage，2011，101：88-92.

［61］ZHANG S L，L?VDAHL L，GRIP H，et al.Effects of mulching and catch cropping on soil temperature，soil moisture and wheat yield on the loess plateau of China[J].Soil Tillage Res，2009a，102：78-86.

［62］ ZHANG S L，ZHANG X Y，HUFFMAN T，et al.Soil loss，crop growth，and economic margins under different management systems on a sloping field in the black soil area of Northeast China[J].J Sustain，2011b，35：293-311.

［63］KARUNATILAKE U，VANES H M，SCHINDELBECK RR.Soil and maize response to plow and no-tillage after alfalfa-to-maize conversion on a clay loam soil in New York[J].Soil Tillage Res，2000，55：31-42.

［64］DRURY CF，REYNOLDS WD，YANXM，et al.Nitrogen source，application time，and tillage effects on soil nitrous oxide emission and corn grain yields[J].Soil Sci Soc AmJ，2011，76：1268-1279.

［65］GRUBERS，PEKRUNC，M-HRING J，et al.Long-term yield and weed response to conservation and stubble tillage in Sw Germany[J].Soil and Tillage Research，2012，121：49-56.

［66］LóPEZMV，ARRúE J L，áLVARO-FUENTES J，et al.Dynamics of surface barley residues during fallowas affected by tillage and decomposition in semiarid Aragon （Ne Spain）[J].Eur J Agron，2005，23：26-36.

［67］ DAHIYA R，INGWERSENJ，STRECK T.The effect of mulching and tillage on the water and temperature regimes of a loess soil：Experimental findings and modeling[J].Soil Tillage Res，2007，96：52-63.

［68］ LIPIEC J.Soil porosity and water infiltration as influenced by tillage methods[J].Soil Tillage Res，2006，89：210-220.

［69］ GLAB T，KULIG B.Effect of mulch and tillage system on soil porosity under wheat （Triticum aestivum）[J].Soil Tillage Res，2008，99：169-178.

［70］BOOMSMA CR，SANTINI J B，WESTTD，et al.Maize grain yield responses toplant height variability resulting fromcrop rotation and tillage system in a long-term experiment[J].Soil and Tillage Research，2010，106：227-240.

［71］ SOANE B D，BALL B C，ARVIDSSON J，et al.No-till in northern，western and south-western Europe：A review of problems and opportunities for crop production and the environment[J].Soil Tillage Res，2012，118：66-87.

［72］ HE J，WANG Q J，LI H W，et al.Effect of alternative tillage and residue cover on yield and water use efficiency in annual double cropping system in North China Plain [J].Soil Tillage Res，2009，104：198-205.

［73］CHENC，WANG E，YU Q.Modelling the effects of climate variability and water management on crop water productivity and water balance in the North China[J].Agric Water Manage，2010，97：1175-1184.

［74］HOUXQ，LI R，JIA ZK，et al.Effects of rotational tillage practices on soil properties，winter wheat yields and water-use efficiency in semi-arid areas of north-west China [J].Field Crops Res，2012，129：7-13.

［75］郭瑞，季書勤，王漢芳.保護性耕作研究進展及其應用探討[J].河南農業科學，2007（7）：5-9.

［76］李杰林，蘭驚雷，李永昌，等.山西少、免耕之保護性耕作技術淺議[J].山西農業科學，2008，36（1）：8-11.

［77］唐雪輝，賀建文，白桂萍.不同施氮量和密度對稻田免耕直播油菜產量的影響[J].天津農業科學，2012，18（5）：92-94.

［78］李素娟，李琳，陳阜，等.保護性耕作對華北平原冬小麥水分利用的影響[J].華北農學報，2007，22（Z1）：115-120.

［79］ CHENX P，ZHANG F S，CUI Z L，et al.Optimizing soil nitrogen supply in the root zone to improve maize management[J].Soil Sci Soc AmJ，2010，74：1367-1373.

［80］ FANRQ，ZHANG X P，LIANG A Z，SHI X H，et al.Tillage and rotation effects on crop yield and profitability on a black soil in northeast China[J].Can J Soil Sci，2012，92：463-470.