保護性耕作技術與配套機具

楊陸強，高彥玉，朱加繁，高志超，黃景威，陳　釗，羅新文

(云南農業大學 機電工程學院，昆明　650201)

0　引言

農田是進行糧食生產的第一大資源，土壤條件的優劣直接影響著農業的發展狀況。作為農事生產基本保障的農業生產技術，其生產作業方式對農業生產和生態功能均有直接影響，從土地整理、作物田間管理到農作物秸稈處理，各個環節的實施過程均在不同程度上直接或間接地影響著土壤性狀、土壤生產能力及農業生態環境等[1]。當前，農業基礎設施薄弱、農業生產成本升高、農業科技投入不足、農業立體式污染加劇等問題給當代農業的持續發展帶來了巨大的挑戰。

1934年，由于南部平原草原的過度墾荒，美國遭受了震驚全國的“黑風暴”[2]。大規模沙塵暴橫掃美國2/3國土，造成大量農田被毀、牲畜死亡、作物減產，還帶來了美國歷史上最大的一次“生態移民”潮[3]。20世紀80年以來，我國時常遭受沙塵暴的威脅和影響，其發生的頻率及強度均逐年有所提高，在造成土壤板結、植被破壞等不良影響的同時，也帶來了土地沙漠化及水土流失等問題。相關研究揭露了背后的罪魁禍首—土地過度開墾、耕作和肆意放牧[4]。隨后，黨和國家密切關注環境保護與農業生態整治，頒布實施了包括退耕還林還草、限制過度放牧在內的系列方針政策。在此背景下，具有生態保護與增產節支等多重功能的保護性耕作技術受到了各級政府的高度關注[4]，并在半干旱地區首先得到了加速推廣式的應用，其作業模式與相關作業機具的研發在全國蓬勃興起，保護性耕作技術迎來了其前所未有的發展機遇。

全面提升并有效落實保護性耕作技術對于全面保障和推進農業可持續發展具有高度的促進作用，不僅能有效提升土壤有機質的含量，增肥提地力，提高土壤的蓄水保墑能力，還能顯著節約田地灌溉用水，增加土地的產出率，提高糧食產量[5-6]，最終促進農業的可持續發展，同步推進農業現代化進程，并保障糧食安全。

1　保護性耕作技術的推廣意義

保護性耕作技術泛指保土、保水的耕作措施，目的是減少農田土壤侵蝕，保護農田生態環境的綜合技術體系，其技術關鍵是通過土壤少(免)耕、地表微地形改造技術及地表覆蓋技術，達到少動土、少裸露、少污染，并保持適度濕潤和適度粗糙的土壤狀態，從而保護土地可持續生產力[7]。

耕作田地是整個農業生產過程中的基礎環節。通過人類對土壤進行耕作、施肥、灌溉[8]，加上自然因素的作用，土壤為農業生產提供了必要的基礎條件。我國傳統的耕作方法追求精耕細作，其主要目的在于：①為作物種子創造一個良好的出芽及生長環境；②除田地雜草及控制作物病蟲害。從古至今，傳統耕作的效果從未遭人質疑，人們對其亦是司空見慣[9]。但是，20世紀80年代沙塵暴的出現促使人們重新審視和研究傳統耕作，經研究總結，得出了傳統耕作過程中土壤過度開墾的負面影響：①降低土壤墑情及水分抗蒸發能力；②破壞土壤內在微觀結構，引起土壤板結[10]；③易殺死耕作層的有益微生物；④加劇水土流失和土壤的風蝕沙化；⑤為沙塵暴提供了沙塵源；⑥減低了土壤蓄水能力；⑦費工費時,成本高[9]。

為了減緩地力持續下降及生態環境持續惡化的不良現狀，傳統的土壤耕作方式須逐步由具備自我保護及營造機能的保護性耕作所轉替。保護性耕作較傳統耕作，具有包括改善土壤地力及消減農業立體式污染等優點在內的作業優勢：①為種子創造較好的發芽條件,避免土壤板結和水土流失及風蝕沙化；②減少土壤擾動和水分蒸發；③省時省工，提高農作物產量及效益[11]；④地面覆蓋秸稈可有效減少地面徑流,提高水分利用率，并能改善地下水源狀況；⑤提高土壤蓄水能力[12]；⑥減少沙塵源,控制沙塵暴；⑦增加土壤有機質含量，改善土壤結構[13]；⑧簡化機械作業,減少拖拉機下地次數；⑨免去了耙耕、拉運農業生產資料及中耕除草等作業過程，減少生產成本[14]。

2　國內外保護性耕作發展概況與現狀

2.1美國

19世紀初，歐洲工業技術革命蓬勃發展，美國開始大面積使用拖拉機翻耕干旱半干旱草原，但前所未見的“黑風暴”給美國帶來了沉重的打擊。隨后，美國開創保護性耕作技術，1942年便成立了土壤保護局(現為自然資源保護局)[15]，20世紀30-40年代秸稈覆蓋法便被采用；50-60年代，增加了壟作法；70年代，研制了鑿形犁,免耕播種機也得到了廣泛應用；90年代，除草劑得到了廣泛應用，帶狀耕作有了較快的發展[16]。數據顯示，美國保護性耕作比例已從1979年的16%增至2009年的68.3%，在發展起步至今的70多年間，從技術到機具及除草劑，美國針對降低耕作強度和提高地表作物殘茬覆蓋量等，開展了諸多的試驗研究，田間的作業次數得到了有效削減(由7～8次減少到了1～3次)[17]。

2.2澳大利亞

澳大利亞的保護性耕作技術起步于20世紀40年代，許多的試驗站在70年代得到了農業部的主持興建，隨后的10年間得到了大規模的推廣[18]。相關調查研究表明，澳大利亞在1996-2008年的13年間，其保護性耕作的應用面積已由60%增加到了77%[14]。在澳大利亞，免耕、少耕加秸稈覆蓋的耕作技術已被廣泛采用，而帶翼形鏟的深松機則被較多地使用于旱地[19]。鑒于澳大利亞高旱的農情，秸稈還田覆蓋現已成為其重要的保護性耕作技術模式之一。

2.3加拿大

加拿大保護性耕作技術的引進試驗始于20世紀60年代，在70-80年代便研制得到了相應的除草劑及配套農機具；80年代中葉則開始在3個農業省進行大面積推廣，保護性耕作面積由1996年的12%增長到了2006年70%[17，20]。為了應對風雨侵蝕，加拿大普遍采用少耕和免耕的耕作體系，并用除草劑代替耕作除草，且廣泛使用氣力播種機[21]。保護性耕作技術的實施很大程度上改善了西部大草原的脆弱生態。

此外，在西非及拉丁美洲，保護性耕作技術的試驗研究及推廣發展也較為迅速[22]；而歐洲國家對其在試驗研究及推廣應用方面的起步較其他國家稍晚，但依托于雄厚的工業基礎，發展速度較快，截至2002年，16%～28%的耕地已應用了保護性耕作技術[23]。

2.4中國

自20世紀60年代起，我國已經開展了保護性耕作的單項技術試驗、秸稈覆蓋和少(免)耕、旱地農耕體系、農機農藝相融合等系統性試驗[24]。中國農業機械工業年鑒數據顯示：截至2013年，我國的保護性耕作土地面積已達773.1萬hm2。2007年，農業部出臺的《關于大力發展保護性耕作的意見》標志著中國實施保護性耕作開始邁入新的時期[25]。2013年，國務院批復的《全國高標準農田建設總體規劃》提出：到2020年確保建成0.533億hm2、力爭建成0.633億hm2集中連片、旱澇保收、穩產高產、生態友好的高標準農田[26]。2016年，中央一號文件明確提出，大規模推進高標準農田建設，這亦將為我國保護性耕作技術的研究、試驗與推廣提供一定的政策支持。

目前，我國相關科研人員對保護性耕作技術的研究主要體現在：保護性耕作對土壤結構、土壤養分、土壤溫度、土壤水分、土壤微生物、作物增產、作物含水率及溫室氣體排放的影響等方面。王改玲[27]等研究表明：在黃土高原南部地區，干旱地區的長年保護性耕作能有效增產；且保護性耕作能有效改善土壤容重、孔隙度、剖面水分含量和貯水量，并可提高土壤表層及以下10cm的有機質含量(除有效磷)。王克鵬等研究表明：保護性耕作技術能有效提高作物的葉水勢和葉片相對含水量，并促進作物增產[28]。王龍昌等研究表明：保護性耕作可改善土壤水分狀況，增強作物的抗旱節水能力，可降低7月份土壤表層溫度，緩解夏季高溫對玉米后期生長發育造成的傷害[29]。吳玉紅等研究表明：在陜西關中平原中部地區，保護性耕作模式改善了土壤環境，提高了土壤肥力，且顯著提高了土壤脲酶和堿性磷酸酶的活性[30]。朱強根等研究表明：秸稈還田顯著增加了土壤動物優勢類群彈尾目和蜱螨目，而它們在作物對養分利用的有效性上起著重要的作用[31]。胡立峰等研究表明：保護性耕作從以下兩方面影響著溫室效應，首先是免耕減少了農田CO2的排放，但其對CH4和N2O 的排放影響尚不明確；其次是秸稈還田的部分秸稈C以氣體的形式釋放到了大氣中，增加了農田CO2、CH4的排放；但相對其他用途，秸稈還田提高了土壤的固碳潛力，減少了總的溫室氣體排放量[32]。

3　保護性耕作關鍵技術

3.1保護性耕作技術模式

目前，國際上并無保護性耕作的統一定義。筆者通過查閱并總結相關資料及文獻，認為保護性耕作可劃分為以下幾種模式，如圖1所示。

圖1　傳統耕作與少耕和免耕

3.1.1少耕

少耕指縮小土壤耕耘面積或減少耕耘次數的耕作制度。少耕在減少對土壤的耕耘時，能有效將地表的秸稈殘留覆蓋量保持在較高水平，在作物休耕期可維持土壤遠離侵蝕，且若作物出苗狀態良好，蟲害、草害被有效控制，少耕則也可收獲穩定的糧食產出[33]。

3.1.2免耕

免耕指收獲后至播種前不攪動土壤，利用前作殘留物覆蓋地表，借以減輕風侵和水蝕，采用聯合作業的免耕播種機播種的耕作方式[34]。因其未對前茬田地殘留物作處理，故下茬作物的田間管理作業對高效除草劑的需求較強一些。

3.1.3壟作

壟作(見圖2)指在播種前清理壟臺(不超過壟寬的1/3)外，而收獲后到播種前不進行其它攪動土壤的作業；播種時一般會將壟脊削平，前作殘留物保留于壟溝內，機械除草或化學除草并用，而機械除草則可與做壟同時完成[35]。

圖2　壟作截面示意圖

3.1.4條耕

條耕是介于免耕和壟作間的過渡類型，土壤攪動一般不超過壟寬的1/3，前作殘留物存于攪動帶間，并在攪動后的窄條中進行播種，機械除草或化學除草可并用。此類耕作常用于降低播種期間的土壤含水量和提高地溫[36-37]。

3.1.5幕作

幕作指全面攪動土壤一次或多次，如深松、淺松、耙地和中耕等，但不進行翻地作業，除草由機具或化學方法進行的方式[38]。

3.1.6帶狀耕作

帶狀耕作指在秋耕或春耕時，用帶狀耕作機對覆蓋秸稈的農田進行帶狀耕作，耕作寬度為10～30cm，耕作深度為15～20cm。帶狀耕作是在非翻耕技術上發展起來的一種實用性較強的耕作方法，土表秸稈殘留比例可達60%～75%[33]。

3.2保護性耕作關鍵機具

3.2.1免耕播種機

免耕播種機除了有傳統播種機的開溝、下種、下肥、覆土、鎮壓功能外，還應有清草排堵功能、破茬入土功能、種肥分施功能和地面仿形功能，以滿足免耕覆蓋的需要[39-40]。

圖3為約翰迪爾1590型免耕播種機。其具有高效的播種箱容量和便于查看的種子料位計，能準確地計量施肥，且配備有條播面積計算裝置。其90系列開溝器，能高效切透殘茬，通過電子播量控制裝置能實現精準播種，液壓式下壓力系統能根據土質的軟硬調整作業壓力。

國內的免耕播種機研究起步相對較晚，典型產品有中機美諾公司生產的6115/6119/6124型系列免耕播種機、現代農裝科技股份有限公司生產的2BMG—14/19/20/24/28型系列免耕施肥播種機及中國一拖集團生產的2BMF—7/14型多功能免耕施肥播種機。目前，國外的免耕播種機大多都安裝有播種監控裝置，自動化程度相對較高，而國內的免耕播種機雖品種較多，但其質量和品質還有待改進和完善。

圖3　約翰迪爾1590型免耕播種機

3.2.2深松機

深松機的使用能松動土壤，打破犁底層，但不翻轉土壤[41]。與傳統深松機不同的是：在秸稈覆蓋的地面上工作，深松機一般的作業深度是30～45cm，其對拖拉機功率需求比較大，為了避免秸稈堵塞機具，需適量升高梁架的離地間隙，多鏟機具常搭配雙梁結構等。目前，使用的有單柱式、單柱帶翼式、倒梯形全方位式3種[42]。

圖4為美國十方國際公司生產的Great Plains深松機。該機工作方式為垂直深松，最大深松能力可達65cm，能有效促進作物根系生長；配合波紋圓盤刀片垂直切入土層，通過水平抬升機組，能顯著降低作業成本并促使作物增產，兼具滅茬功能，性能可靠、作業質量高、經久耐用。

圖4　美國十方國際公司生產的Great Plains深松機

美國和西歐等國的深松機具研究設計起步較早，已相當成熟和完善，且實現了序列化。目前，我國北方的高效保護性耕作深松機具多為國外引進，并結合各地土壤條件改進設計生產而得。

3.2.3表土作業機具

旋耕滅茬聯合整地機、圓盤耙、彈齒耙是常用的表土作業機具，此類機具作業的通過性能好，作業后具有地表疏松平整且無秸稈堵塞現象等優點。在秸稈粉碎條件下，其作業一次可降低秸稈覆蓋率15%～24%[43]；但在水分不足時，作業后易形成較多的土坷垃，不利于出苗，且土壤攪動大，地表結構破壞嚴重，不利于保墑，滅草功能也很差[44]。

圖5為德國雷肯農機公司生產的魯賓RUBIN400KUA圓盤耙，配備凱斯210拖拉機，作業速度可達13km/h，作業高質高效，一輪滅茬整地作業后即可直接播種，徹底消除了農戶在田間焚燒秸稈帶來的環境保護問題。

圖5　德國雷肯農機公司生產的魯賓RUBIN400KUA圓盤耙

表土作業機具以滅茬斷稈為主要目的，國內目前主要有1JHG-180型秸稈粉碎還田旋耕機、1ZQHF-350/5型前后分置懸掛式聯合整地機、1GXT(180-250)型通軸高效聯合整地機及SGTN-330型滅茬旋耕聯合整地機等機型。國外的保護性耕作表土處理機具的集成度更高，作業效果較國內更好。

3.2.4秸稈根茬處理機具

秸稈或根茬處理的方法主要有兩種：一種是作物收獲時留根茬高度20～30cm；另一種是滅茬淺旋處理。即作物收獲時留高茬，播種前用旋耕機或滅茬機淺旋表土，使秸稈根茬與土壤混合均勻，以利于機械播種[40,45]。

國內研制的秸稈根茬處理機具主要包括以下幾種類型：南昌旋耕機廠研制的 1GQQN-180型雙軸滅茬旋耕起壟復式作業機、徐州市農機技術推廣站和贛榆縣農牧機械廠聯合生產的 1JHG-180 型雙軸秸稈粉碎還田旋耕機、連云港元天農機研究所研制的 SGTN-180 型雙軸滅茬旋耕起壟復式作業機。目前，秸稈根茬處理機具正向復合多功能作業機具的方向發展，主要涉及深旋耕及播種和施肥等。

3.2.5雜草、病蟲害防治機具

為了病蟲草害的防治，必須施用除草劑和滅蟲劑；常使用噴霧機械進行噴灑作業，對使用化學除草效果不好的雜草可采用機械或人工輔助除草[46]。

4　總結與建議

近些年，我國保護性耕作技術的研究廣泛開展同時取得了較好的效果，但也存在著如下的一些問題：

1)配套技術有待完善。首先，缺乏特種作物的相關配套機具，且已有機具的作業性能不夠完善;其次，深入有效的雜草防除技術有待攻克。除草劑的有效施用是農作物高產的必須環節，但鑒于其對土壤及環境的不良影響，非化學除草技術的研究必須重視。

2)研究及試驗無地區適應性。我國國土面積寬廣，且各地區的差異性較大，如前所述，面對不同的土壤類型、作物種類及生態環境，保護性耕作對土壤產生的影響及作物產量的研究結果也存在差異。因此，需適地適法地研究及試驗保護性耕作技術。

3)推廣及應用問題。現今，部分傳統的農耕觀念依然牢固的存在于大多數農民的腦海中，在推廣保護性耕作技術時農民很難接受像免耕、少耕這些耕作方法。此外，技術規范及標準的不統一，特色標準的缺乏，也限制了其推廣及應用。

針對如上存在的一些問題，這里提出相應的幾點發展建議：①全面、規范、細化對保護性耕作技術體系的研究，注重特色配套農機具的研制；②借鑒國際上的成功經驗，加大保護性耕作技術的投入及研究力度，并建立相應的示范區；③注重保護性耕作技術的實訓及宣傳教育的開展，讓農民切身體會保護性耕作；④從區域多樣化的角度出發，適地開展保護性耕作技術研究，并建立對應的技術標準及政策體系。

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