河西灌區保護性耕作發展及土壤影響研究概述

康 海

(大禹節水集團股份有限公司農水集團新疆總部，新疆 烏魯木齊 830010)

我國保護性耕作技術近些年并未進行廣泛應用推廣，而作為農業大國，作物種植安全與高產是必須直面的問題，也是推行保護性耕作的要求之一。在河西灌區耕作區常常運用翻耕等傳統耕作方式，加快了土壤結構的破壞，秸稈移除后土壤養分會流失且損失很大部分的外源輸入，耕地產量逐年下降，作物不能獲取足夠的養分導致減產[1]。免耕會造成土壤板結導致產量降低等一系列后果。保護性耕作主要是耕地表面用殘留秸稈覆蓋直至種子發芽時期、雜草與害蟲用農藥進行殺害的技術[2]。在傳統耕作技術的基礎上，為加強土壤可耕作性、降低土壤養分流失等進行保護性耕作。

傳統耕作對土壤的結構變化影響較大，地表覆蓋較少，保護性耕作技術可以改良傳統耕作的方式，地表微地形形態也會發生改變，提高了農田生態效益，例如土壤內有機礦化的速率會逐步降低，同時也會減少溫室氣體的產生[3]。研究與本地區相匹配的保護性耕作技術系統，對于河西灌區農業以及生態環境改善都具有積極作用。

以少耕和免耕技術為代表的保護性耕作是當下慢慢發展的一種新型可持續的耕作措施。以地面覆蓋的秸稈還田和使土壤物理性質發生變化的少耕免耕措施是西北干旱半干旱地區運用廣泛的保護性耕作方式，而且也是效果比較明顯的保護性耕作措施。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業產值等方面都有顯著效果。

1 保護性耕作研究進展與趨勢

1.1 保護性耕作研究機理

保護性耕作在研究中得到廣泛認可的定義是由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田產量的耕種模式為保護性耕作。該種植制度基礎是保持土壤體系不被破壞，節約能耗獲得作物相對高產，是一種可持續性農業生態模式。按照我國農業發展定義保護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芽同時降低土壤遭受破壞，保護農耕生態環境，是一項在可持續性發展農業同時提高經濟效益的農業耕作技術[4]。

1.2 國外研究概況

保護性耕作的提出起源于20世紀30年代美國“黑風暴”事件，大面積的開墾森林導致土壤結構嚴重破壞，生態平衡嚴重失調導致了黑風暴的產生[5]。同樣發生在20世紀50年代的前蘇聯的“黑風暴”，也是由于草原地表植被遭到嚴重破壞而引起的。2次罕見的自然災害使人們對于傳統耕種方式產生的影響開始進行反思。自此，少耕、免耕和保護性耕作逐步進入人類視野。

美國作為最早進行保護性耕作研究的國家，對保護性耕作的內容以及配套方法等有著詳細介紹，近20a間保護性耕作技術應用已經占據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上提出了減少耕作與直接在作物殘茬上進行播種。前蘇聯在“黑風暴”發生過后，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為實驗耕作，使用寬型的鏟深松犁替換以往的翻耕方式，旨在土體中水穩性團聚體占比進一步得以提升，保持土壤中含水量穩定，完成保墑的目地。

農業機械的快速發展對土壤的板結造成了較大的影響，由此引出了固定道耕作模式等其他耕作模式。隨著農業技術逐步發展，少耕免耕等詞匯并不能全面涵蓋農業界的技術變化，提出了保護性耕作這一說法。巴西、阿根廷作為保護性耕作應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性耕作技術應用最為普及的地區[6]。2001年在西班牙召開的第一屆世界保護性農業大會，成為保護性耕作技術得到全世界關注的重要里程碑。

1.3 國內研究概況

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

20世紀90年代，中國農業大學在山西省黃土高原進行了10a的持續性研究，針對我國水資源分布不均勻與農業用水貧乏等現象，與澳大利亞昆士蘭大學展開合作，將澳大利亞的保護性耕作技術結合我國實際耕作狀況開展實驗。經過長年累月的實驗，得出保護性耕作在我國具有適應性、可行性，可大面積推廣，是一種在維持自然環境平衡的基礎上，提高耕種效率，推進旱區農業發展的生產耕作技術。實驗的成功使得全國10個省市開始全面推行保護性耕作，實施面積可達30hm2。直至2000年，我國已經建立了30多個保護性耕作示范縣，總面積達23.33萬hm2。

2 保護性耕作的作用

保護性耕作對農業生產有多方面的影響。首先保護性耕作技術對土壤中的各類有機物和無機物都會產生影響，同時也有利于生態系統的可持續發展。但由于保護性耕作技術和作物的不同，所產生的積極影響也是不同的。

2.1 優化土壤結構，提升土壤肥力

優化了土壤結構是保護性耕作中土壤經過免耕或少耕后最明顯的一個特征[10]。傳統的耕作是通過翻耕來改變土壤結構，免耕少耕是以生物作用來達到這個目的，通過植物根系的生長穿插作用和土壤中的各種生物運動使土壤結構發生變化并創造土壤中的孔道。不同植物根系的形狀和粗細有較為明顯的差別，在植物根系死亡后，所遺留的孔道和孔隙，如果不經過耕作的破壞，還是能夠完整的保存在土壤中，通過連續的種植作物，進行免耕和少耕可以進一步讓根系進行穿插，在植物根系的生長過程中逐漸積累有機物，并通過微生物的作用，促使水穩性團粒結構的形成。水穩性團粒結構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到一個動態平衡，進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境。大多數研究結論表明，免耕的土壤物理條件與傳統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，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交換量和熱量損失[13]。經過免耕后的土壤結構容重比原來要低，對熱量向土壤傳遞產生阻礙作用。覆蓋后的土的年、日溫變化平緩，溫度相對較低時，可以進行“增溫效應”；溫度高的時候，則進行“降溫效應”，從而使土壤溫度達到一個動態平衡。

2.3 提高土壤有機質含量，改善土壤肥力

與傳統耕作相比，保護性耕作能夠在土壤表層有機質積累。秸稈覆蓋，在雨水和微生物的作用下可以使各類有機物如K、P、N等更好地進入地下，促使土壤有機質的形成[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。秸稈中的有機物經過雨水和微生物作用進入地下，促使土壤形成有機質，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通過保護性耕作可以更好地保存土壤水分，進而提升作物產量[17]。保護性耕作主要通過促進雨水下滲，減少土壤水分蒸發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耕作的土壤含水量多，主要是因為在農作物生長過程中，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[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，造成土壤結構破壞，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，可以確保土壤結構不被破壞，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，增加作物產量

土地沙漠化的成因中最主要的就是人們對土地進行不合理地開發和耕作，這也是我國沙塵暴的主要來源之一。保護性耕作措施能夠使得沙塵顆粒不會被大風帶起，同時能夠吸收一部分風力，增加土壤對風的沖擊作用，也能夠避免土壤顆粒被風移動[21]。運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]。保護性耕作使得土壤肥力進一步提升，養分進一步得到利用，蓄水保墑，提高土壤中水的利用率，優化作物產量結構，實現作物增產。

3 保護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，具體呈現在土壤碳效應等方面的差異[24]。理論上可以達到60%～70%的損失碳固定，實現0.4～1.2Pgd的碳吸收量。在農田生態系統中，根呼吸與土壤厭氧呼吸在整個土壤呼吸中所產生的占比，是對于所研究的生態系統碳收支最直觀的表現[25]。因此對于干旱地區農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行方向指導。

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]。土壤剖面和土壤團聚體也會隨耕作方式不同發生改變，使得土壤的孔隙度以及水分分布發生二次變化。人為因素可能會使土壤內的微生物受到刺激而產生活性，可能會導致CO2的排放增加。經過大量實驗得出結論，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內監測到。排放量提升的原因與耕作時CO2的移動速率有關，對于年排放量來說，該類因素導致的CO2僅占5%。連續多年對于農田CO2監測表明[27]，不同耕作方式所產生的CO2的排放量差異較大。由此，人為因素對于土壤呼吸產生的影響相較于土壤類型、氣候條件等因素微不足道，研究結論表明我們應該將土壤CO2排放量歸于耕地優化種植、管理措施的指標。

3.2 土壤理化性狀

土壤理化性質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，任何參數的變化會對土壤CO2排放量以及呼吸值產生明顯影響。傳統耕作模式下，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 結論

保護性耕作不僅能夠改變土壤結構，還可以提升土壤肥力，提升土壤蓄水增墑能力，增加作物產量，并且能夠有效合理控制水土流失、土地荒漠化等問題，進一步保護生態環境，協調生態發展、經濟和社會效益，不斷推進農業現代化的可持續發展。在干旱或半干旱地區，保護性耕作可以減少水分蒸發、儲存降水，但主要表現于表層，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，以達到節約水源、改良土壤，保護生態環境的高效節水措施。保護性耕作還具有以下優點：免耕和秸稈覆蓋措施，可以有效增加土壤中的有機物，通過降水和微生物作用，可以使秸稈中的有機物更加高效地流入地下，促進土壤中有機物的積累;免耕和秸稈覆蓋可以降低農業生產成本，其中主要包括耕地所產生的機械費、人工費等，秸稈還田也可以增加土壤肥力，促進作物生長，進而增加作物的產量。

河西灌區作為典型的內陸灌區，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及灌水要求不同，保護性耕作的應用與推廣存在一定的局限性，需要進行更進一步的研究，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行深入的研究，探明保護性耕作對作物影響和土壤理化性質變化狀況，為保護性耕作在河西灌區的推廣與應用奠定基礎，同時也可為相似農業氣候區保護性耕作的應用提供理論指導與經驗。

5 展望

國內外大量的試驗表明，保護性耕作在水土保持、促進農業現代化發展和改善生態環境有著重要的意義，也是當前應用最廣，效果較好的一種旱地耕作方式。目前，保護性耕作發展前景廣闊，已然成為農業可持續發展、農業生產現代化和生態環境進一步改善的重要因素，也是農業發展過程中的一場變革，是人與自然和諧共生的必然選擇。保護性耕作不僅可以蓄水增墑、提高土壤肥力、促進作物生長、提高作物產量，還可以減少水土流失、防止土壤侵蝕等問題，有效改善生態環境。因此，在甘肅干旱或半干旱地區推行保護性耕作是提升農業和農村經濟可持續發展的必由之路，保護性耕作措施在該地區發展的前景也比較廣闊。