我國東北保護性耕作技術的應用前景及效果展望
中國網/中國發展門戶網訊 我國東北平原黑土區總面積 1.09×106 km2，主要分佈在呼倫貝爾草原、大小興安嶺地區、三江平原、松嫩平原、松遼平原和長白山地區，是世界僅有的四大黑土區之一。東北地區年糧食産量佔全國 1/4，糧食調出量佔全國的 1/3，玉米、粳稻和大豆的産量分別佔全國的 33%、43% 和 52%——東北地區的糧食生産對國家糧食安全至關重要。由於不合理的耕作及長期秸稈離田，我國東北黑土區土壤侵蝕與退化嚴重。東北黑土“變薄、變瘦”，嚴重威脅到國家糧食安全和東北地區的生態環境，亟待開展保護與利用相結合的技術研發與示範推廣。
保護性耕作技術是土壤保護與利用相結合的技術，也是一種成本較低、推廣面積廣泛的重要土壤保護技術。作為減少土壤侵蝕、提高土壤肥力的首選技術，保護性耕作已經在世界廣泛推廣。我國人多地少且地塊分散，糧食安全壓力較大。分析國內外現有的技術及推廣形式發現，相對於其他土壤保護技術而言，推行保護性耕作技術是我國黑土保護與利用的關鍵和首選；同步結合防風林帶、等高種植可有效防控我國東北黑土的侵蝕與退化，逐步提高土壤肥力。
保護性耕作技術在中國東北推廣面臨的問題
國外主要保護性耕作技術模式
經過 60 多年的探索，人們總結形成了以秸稈覆蓋少/免耕為主要特點的保護性耕作技術，包括免耕技術（no-till）、條耕技術（strip-till）、秸稈覆蓋壟作少耕技術（ridge-till），以及覆蓋耕作（mulch-till）與垂直耕作（vertical-till）等主要技術模式。
免耕技術。將作物殘茬均勻覆蓋地表，播種前不進行任何土壤耕作，直接利用免耕播種機清理出 10—15 cm 的播種帶免耕播種。該技術可以最大程度減少風蝕、水蝕，增加土壤水分入滲，減少地面水分蒸發，蓄水抗旱；另外，由於對土壤擾動最少，可最大程度減少有機質的礦化與分解。
條耕技術。在行間進行 10—20 cm 寬度的耕作，一般可通過深松培土的方式進行；作業後，行間形成一個 5—8 cm 高、10—20 cm 寬的小壟臺。條耕目的為提高播種帶地溫及播種品質，減少低溫冷涼區或者澇洼黏濕區由於秸稈覆蓋地表導致的土壤溫度回升緩慢、秸稈量大控制難而影響播種品質問題。條耕技術下 70% 以上地表具備了秸稈覆蓋免耕的特點，剩餘地表又具備傳統耕作的特點，兩者優點相結合被認為是“最佳的耕作方法”。美國和加拿大 40 多年的實踐表明，相對於秸稈深翻深埋的傳統耕作，條耕可實現大概率增産。
壟作技術。將秸稈或作物殘茬放在壟溝，壟臺簡單掃茬平整處理後直接播種；在玉米等作物的拔節期前，深松中耕培土、整理壟型。該技術適於低溫、冷涼及澇洼地塊。
覆蓋耕作與垂直耕作。覆蓋耕作指通過鑿式犁、圓盤耙或者旋耕耙對土壤進行耕作，使部分秸稈混入土壤 5—7.5 cm，有 30%—70% 土壤表面被秸稈覆蓋。垂直耕作是近幾年在美國興起的新技術，其主要特點是利用波紋刀、圓盤刀等耕作機具嚴格順著拖拉機行進的方向設置，使耕作部件垂直進入土壤，不進行水準方向的擾動，從而減少機具作業壓實層的産生；垂直耕作使部分秸稈混入土壤 5—7.5 cm，有 30%—70% 土壤表面被秸稈覆蓋。覆蓋耕作與垂直耕作均可實現大量秸稈下提高播種品質、一定程度提高地溫。
國外成熟的保護性耕作技術模式在我國應用存在的問題
國外成熟的保護性耕作技術在中國示範推廣具有很大難度、面臨巨大挑戰，主要存在 3 個方面的問題。
我國玉米常年連作。在美國、巴西、阿根廷，種植制度以輪作為主，特別是玉米-大豆輪作。1996—2010 年美國玉米輪作佔玉米播種面積 80% 以上，1997—2006 年大豆輪作面積佔大豆總播種面積的 97% 以上。玉米播種在大豆茬口，秸稈量小，不影響播種品質；大豆播種在玉米茬口，雖然玉米秸稈量大，但大豆一般播種較晚，因秸稈開始腐爛而對大豆播種品質影響較小。玉米是我國東北地區的第一大作物，農民常年連作，由於大豆經濟效益較低，只有小部分地區存在大豆-玉米輪作。在連作條件下，玉米産生的大量秸稈，增加了保護性耕作技術的實施難度。
我國玉米種植行距小且不統一。美國最常見的玉米種植行距為 30 英寸（76.2 cm），約佔玉米種植面積的 95% 以上。然而，我國東北各地區的玉米種植行距並不相同：內蒙古東北地區、遼寧西部部分地區在 45 cm 左右，遼寧中北部地區一般為 55—60 cm，吉林西南部和中部部分地區多為 60 cm 左右，吉林北部地區和黑龍江大部分地區為 65 cm 左右。行距大便於在行間清理出一條沒有秸稈的播種帶，而行距小時則難以實現這個目的——秸稈沒有足夠的存放空間；而且，一個地區的種植行距是和該地區的農業機械（特別是農用拖拉機的軸距）對應的——當拖拉機軸距確定、普及並形成一定的保有量時，再改動種植行距難度較大。因此，行距小且不統一是我國東北地區實施保護性耕作技術面臨的另一重大難題。
我國缺乏高性能的免耕播種機及覆蓋耕作機具。免耕、條耕、壟作和覆蓋耕作等國外成熟的四大保護性耕作技術有一個共同特點：地表或者大部分地表覆蓋秸稈。因此，其播種機播種環境與常規種植不同，而我國傳統的播種機具難以高品質完成播種。保護性耕作技術至今的最大突破就是免耕播種機的發明並不斷發展和成熟。最早的免耕播種機是 20 世紀 40—60 年代在美國設計、發明的。不斷完善的免耕播種機已經完全適合美國的土地環境，可以很好地完成大面積的免耕播種任務。但進口的免耕播種機成本太高，難以滿足大面積示範推廣需求，我國保護性耕作技術示範推廣必須突破高性能免耕播種機缺乏的障礙。
玉米連作、行距小且不統一、缺乏高性能免耕播種機，以上三大主要因素增加了我國東北黑土地保護性耕作技術推廣與應用的難度，也使得國外成熟的保護性耕作技術不能在我國被直接推廣應用。
我國東北保護性耕作技術的探索
我國保護性耕作的早期探索
我國少/免耕農藝試驗研究較早：20 世紀 60 年代，黑龍江國營農場開始試驗小麥免耕播種；20 世紀 80 年代，陜西省農業科學院研發了“旱地小麥高留茬少耕全程覆蓋技術”；20 世紀 90 年代，山西省農業科學院研發了“旱地玉米免耕整稈覆蓋技術”。機械化保護性耕作技術研究始於 20 世紀 90 年代：1991 年，中國農業大學、中國農業科學院、山西省農機局等單位合作，開始機械化保護性耕作系統試驗，先後在山西、河北建立了一批試驗區和測試區，設計了 2BMF-4C 輪齒拔草型免耕播種機，並於 1999 年開始在河北、遼寧、內蒙古、甘肅、陜西等一年一熟地區開展機械化保護性耕作的試驗示範。2005 年，中央一號文件提出“改革傳統耕作方法，發展保護性耕作”，將發展保護性耕作上升為國家政策。
吉林省農業科學院對保護性耕作的早期探索
吉林省保護性耕作研究工作始於 20 世紀 70 年代末。1983 年吉林省農業科學院耕作課題組建立了不同耕法長期定位試驗田，設置高茬免耕、連年翻耕、滅茬打壟等處理，監測不同耕作措施下土壤環境變化及作物生長髮育規律；在此基礎上，1997—1998 年該團隊提出了玉米寬窄行留高茬交替休閒種植模式，包含立茬還田、免耕播種、行間深松等技術；新技術整合了留高茬增加有機物料還田，行間深松構建土壤水庫和良好耕層，並在吉林省公主嶺市及范家屯鎮建立了技術試驗示範基地。
中國科學院在東北保護性耕作的研究探索
理論探索與長期實施效果監測
2001 年，中國科學院東北地理與農業生態研究所楊學明和張曉平研究團隊在德惠市米沙子鄉晨光村試驗基地開展玉米秸稈覆蓋還田保護性耕作技術實施效果的理論探索，在東北黑土區建立第一個全量秸稈覆蓋還田的保護性耕作試驗基地。
2004 年至今，中國科學院東北地理與農業生態研究所張興義在中國科學院黑龍江海倫農田生態系統國家野外科學觀測研究站開始了全量秸稈覆蓋還田免耕的長期定位試驗。
2007 年，中國科學院瀋陽應用生態研究所張旭東研究團隊在梨樹縣高家村建立了保護性耕作技術研究示範基地，重點對保護性耕作實施后土壤物理、化學、生物性質等進行長期監控。該基地不同於原有小區試驗監測，集大面積示範監測與大區試驗于一體，研究更接近生産實際。該研究為我國東北地區黑土保護與利用、保護性耕作技術推廣提供理論數據支撐。
保護性耕作重點技術攻關
免耕播種機的研製與産業化。我國高性能免耕播種機研製由中國科學院東北地理與農業生態研究所關義新攻克：2008 年免耕播種機樣機研製成功，2009 年通過吉林省農業委員會組織的專家鑒定。該播種機吸取了國外先進免耕機的設計，性能達到國內領先水準，在吉林省人民政府推動下快速完善並實現産業化。目前，除吉林康達農業機械有限公司和北京德邦大為科技股份有限公司外，還有 20 多家企業生産類似産品。該類型免耕播種機市場保有量約 7.5 萬台，年完成播種面積達 5×106 ha 以上，已成為東北地區的主流播種機。高性能免耕播種機的快速産業化使保護性耕作技術在我國東北落地生根。
寬窄行秸稈覆蓋免耕技術模式的提出。秸稈覆蓋還田免耕技術示範推廣過程中發現，免耕技術在吉林西部實施面積較大。但在梨樹縣等吉林中部地區，玉米産量高、秸稈量大，技術推廣緩慢。在借鑒吉林省農業科學院寬窄行高留茬少耕技術基礎上，2014 年春，關義新向梨樹縣農業技術推廣總站提出了寬窄行秸稈覆蓋免耕技術模式，該技術解決了高産量情況下秸稈放置難的問題。2015—2016 年，秸稈歸行機和前置歸行機的出現，進一步解決了寬窄行免耕技術播種品質問題。寬窄行秸稈覆蓋免耕技術的出現使得保護性耕作在梨樹縣、榆樹市等玉米高産區推廣面積擴大，保護性耕作技術示範推廣進入新階段。
條帶耕作技術模式的提出。寬窄行秸稈覆蓋免耕技術存在地溫回升緩慢、不發苗，風大容易引起秸稈歸行效果差，影響出苗率和苗整齊度，以及玉米增産效果不穩定等問題。因此，一些合作社、種田大戶特別是代管農戶難以接受，高産區保護性耕作推廣仍很艱難。關義新于 2010 年在梨樹縣保護性耕作學術研討會上提出了引進國際成功經驗、示範國外條耕技術的建議。2012 年中國農業大學米國華進口了一套美國條耕機，積極開展國外條耕技術試驗示範，但示範時發現機具作業效果不理想——我國種植行距小仍然是技術實施面臨的首要難題。2018 年，關義新與其團隊成員敖曼提出了條帶耕作技術；該技術在寬窄行秸稈覆蓋免耕及國外條耕技術的基礎上，對窄行播種帶進行秸稈清理、深松淺旋作業，對歸行在寬行的秸稈進行淺壓覆土；同年，團隊研製出條帶耕作機，農機農藝結合後技術試驗成功。試驗田播種品質超過常規種植，苗齊、苗勻、苗壯，專家測産結果 2018 年 1.6×104 kg/ha、2019 年 1.7×104 kg/ha，達到了該地區歷史最高産量。2019 年開始，該團隊在黑土地聯盟及黑土地保護利用國際論壇上宣傳培訓條帶耕作技術，製作併發放技術規程宣傳手冊，廣泛開展田間展示現場會；2020 年，與遼寧、吉林、黑龍江 3 省的農業農村廳聯合進行技術示範推廣。目前，該配套條帶耕作機已完成了一代、二代 2 種機型的研製與産業化生産。
秸稈覆蓋壟作少耕技術的總結提升。壟作保護性耕作技術有利於早春散墑提溫、如期播種，是美國應用於澇洼低溫區域的保護性耕作技術。由於該技術不改變行距，保留了傳統壟作習慣，方法簡單易行，深得農民認可。雙遼市最早將秸稈覆蓋壟作少耕技術在吉林西部風沙乾旱及低窪鹽鹼區大面積推廣。目前，在吉林西部、內蒙古東部，該技術均有很大的示範推廣面積。但在生産實踐中發現，秸稈覆蓋壟作少耕在風沙乾旱區存在保水抗旱效果不足、原茬播種出苗品質差的問題。2020 年，關義新團隊與吉林省農業機械化管理中心鄭鐵志總結該技術的優缺點和實際應用過程中的問題，優化、完善了其技術體系，通過作業環節及機具的改進提升壟作少耕的播種品質。同時，秸稈覆蓋壟作少耕技術也在低溫冷涼的佳木斯地區（2015 年至今），吉林中部高産區、東部山區低窪區（2020 年至今）進行了試驗示範。
2015 年至今，梨樹縣人民政府、中國農業大學、中國科學院成立黑土地聯盟，在聯盟合作社進行技術的培訓和示範推廣工作。2020—2021 年，結合“黑土糧倉”科技會戰，中國科學院與東北四省（區）相關單位結合，進行保護性耕作技術的研究監測及示範推廣。
農業農村部和吉林省人民政府通過示範項目全面推動保護性耕作推廣落地
2002 年農業部（現“農業農村部”）在西北、華北和東北 8 個省份啟動實施了保護性耕作技術示範推廣項目；2006 年吉林省獲得了保護性耕作技術的立項支援，同時省財政設立了農機化新技術推廣專項資金（1 000 萬/年）。2009—2014 年，吉林省玉米免耕播種機從研發試驗到完善，從幾臺樣機飛速增長至 5 465 臺——保護性耕作成為改變傳統耕作理念，實現短期、快速、巨大突破的農機化新技術推廣典型“案例”。
吉林省推進工作思路上採取了優先西部、照顧中部、重點平原、探索山區的原則，有計劃、有佈局地建立保護性耕作技術示範縣；同時，通過設定示範戶、示範面積、示範機具數量等最低標準條件，確保示範技術和示範機具數量能夠形成有價值的結果。在資金使用上，也本著務求實效的原則，安排了示範戶購置機具項目經費給予累加補貼，示範作業給予面積補貼，以及推廣單位開展的宣傳培訓與指導服務等工作同樣給予項目資助，使得原本 6 萬多元的“康達牌”兩行玉米免耕播種機示範農戶到手價格降至 1.8萬—2.2 萬元，有效解決了農民買不起、用不上的問題。省級和農業部（現“農業農村部”）項目連續 10 年的有效扶持，拉動累計超 2 億元的項目資金投入，積極調動了各縣保護性耕作積極性，提升了推廣執行效果。2021 年吉林省保護性耕作示範推廣面積達 2 875 萬畝。
保護性耕作技術在梨樹縣的長期實施效果
2007 年，由中國科學院瀋陽應用生態研究所張旭東牽頭，聯合吉林省梨樹縣農業技術推廣總站、中國科學院東北地理與農業生態研究所和吉林省土壤肥料工作總站，在吉林省梨樹縣高家村建立了“中國科學院保護性耕作研發基地”。通過將科學研究、技術開發和示範應用相結合，建立了一整套玉米秸稈覆蓋少/免耕全程機械化技術模式，開創了農藝-農機融合的現代玉米耕作模式，促進了東北黑土地玉米耕作制度的改革，為東北黑土的可持續利用奠定了理論和技術基礎。
應用效果至今研究監控 15 年，進一步驗證了保護性耕作除有效控制土壤侵蝕外，在土壤培肥及蓄水抗逆上也有積極的效果。梨樹縣高家村連續 15 年秸稈覆蓋還田的主要結果如下。
秸稈覆蓋免耕能夠促進土壤有機質積累
2007—2018 年，11 年來耕層（0—20 cm）土壤有機質由 22.5 g/kg 增加至 24.0 g/kg，年均增加幅度為 0.5%—0.7%。土壤有機質積累的效果隨著秸稈還田量增大而增大，秸稈全量還田在短時間就顯現出促進有機質積累的效果。通過對土壤有機質積累的動態模擬發現，秸稈全量覆蓋後，表層土壤有機質經 8—12 年即接近平衡點閾值。因而，在秸稈覆蓋免耕技術的實踐中，適時進行深翻可提高有機質在土體中的固存容量。
秸稈覆蓋免耕增加土壤養分庫容量和養分供應能力
秸稈覆蓋歸還增加了氮、磷、鉀養分在耕層的積累。秸稈全量歸還每年向土壤輸入的氮、磷、鉀數量分別為 60、40、150 kg，分別相當於當地化肥施用量的 25%、30%、200%。秸稈中的養分具有較高的穩定性、不易損失，秸稈歸還顯著提高了氮、磷、鉀養分在耕層的積累。在全量秸稈覆蓋條件下，耕層土壤全氮含量由 2007 年的 1.21 g/kg 增加到 2018 年的 1.37 g/kg，年均增幅為 1.1%；土壤全磷含量從實驗前的 0.38 g/kg 增加到 0.46 g/kg，年平均增幅為 1.8%；土壤全鉀含量由 20.9 g/kg 增加到 23.8 g/kg，年平均增幅為 1.2%。氮、磷、鉀養分在耕層的顯著積累表明，秸稈覆蓋歸還可增加土壤各養分庫容量和養分供應潛力。
秸稈覆蓋歸還提高了氮、磷、鉀養分的活性。土壤鹼解氮、有效磷、速效鉀可反映氮、磷、鉀養分的活性和當季有效性。研究結果表明，從 2007 年到 2018 年，耕層土壤鹼解氮含量由 104 mg/kg 增至 112 mg/kg，耕層土壤有效磷從 8.5 mg/kg 增加到 20.9 mg/kg，土壤耕層速效鉀從 149 mg/kg 增加到 191 mg/kg。秸稈覆蓋歸還不僅增加了各養分庫容量，同時也提高了養分活性，增加了土壤養分供應能力。
秸稈覆蓋免耕改善了土壤結構，提升了土壤生物功能
秸稈覆蓋免耕增加土壤團聚化程度，消除犁底層。經 5 年處理後，秸稈覆蓋免耕對土壤團聚體的組成和分佈已産生了顯著影響，秸稈覆蓋促進了土壤大顆粒大團聚體（>2000 μm）的形成，增加了團聚體的穩定性，改善了土壤結構。與常規壟作處理相比，秸稈覆蓋免耕處理 5 年後犁底層消失，有利於改善土壤下層結構和孔隙分佈，使土壤穿透阻力迅速降低。穿透阻力的下降可顯著促進作物生長和根系的穿透、水分下滲和保持，以及養分運移和供應。
秸稈覆蓋免耕提高土壤生物多樣性。相對於常規耕作，秸稈覆蓋免耕增加了大型土壤動物群落個體密度、類群數量和多樣性指數，以線蚓、正蚓科和雙翅目幼蟲為主體的腐食性類群個體數量隨秸稈覆蓋頻率增加而增多。尤其是秸稈覆蓋免耕顯著增加了土壤蚯蚓的數量和生物量，全量秸稈覆蓋每平方米蚯蚓數量為 40—60 條，而常規壟作僅有 3—5 條。蚯蚓能夠增加土壤團聚體的穩定性、改善土壤結構，對土壤通氣和透水性能具有重要的作用。土壤生物多樣性提高、生物功能增強表明秸稈覆蓋免耕后土壤生態功能得到顯著的恢復和提高。
秸稈覆蓋免耕增加土壤蓄水抗旱保墑能力
和常規耕作相比，秸稈在地表覆蓋降雨的滲透率平均增加 30% 以上，地表蒸發降低 40% 以上。通過對整個玉米生育期的土壤水分變化監測發現，秸稈覆蓋免耕處理下的土壤含水量均高於常規壟作。夏季降雨後差異變小，而春季、秋季差異顯著增加，這説明乾旱條件下秸稈覆蓋具有很強的水分保蓄和調節能力，更有利於保證作物的水分需求，具有抗旱節水的作用。
秸稈覆蓋免耕的抗旱保墑能力對緩解該地區春季旱情尤為明顯。2017 年梨樹縣經歷了 50 多天的春旱，常規壟作處理的表層土壤含水量僅約為 4%，這嚴重影響了玉米春播。而秸稈覆蓋免耕處理下的土壤含水量約為 18%，保持了良好的墑情，可以實現無補水條件下的免耕播種，同時也保證了後期良好的出苗率。
保性耕作技術實現了秸稈資源有效迴圈利用，提高了肥料利用率，節本節肥、增産增效
與常規壟作相比，秸稈覆蓋免耕在培肥地力的同時，仍能夠維持較高的作物産量。2017 年梨樹縣高家村試驗基地實現增産約 1 000 kg/ha，氮肥利用率提高 4.7%。秸稈覆蓋免耕技術一次進地能夠完成側深施化肥、切斷和清理種床秸稈、種床整理、單粒播種、覆土鎮壓等工序，實現了玉米播種和施肥的精準化、智慧化全程機械作業。因此，該技術可以減少農機進地次數，以及減少燃油消耗和勞動力成本。根據本研究的歷年平均數據估算，每公頃可節省成本 1 650 元。在産量方面，按照免耕作業比常規耕作玉米産量每公頃增加 1 000 kg 計算，預計可增加收入 1 400 元，因此節本增效可達 3 050 元。
保護性耕作應用前景及效果展望
保護性耕作技術是世界土壤保護與利用最為重要的成功經驗，該技術與作物輪作、等高種植、防風林帶等技術結合，已在北美、南美洲、澳大利亞等國家廣泛推廣應用，為世界糧食生産安全及環境品質改善作出了重要貢獻。經過近 20 年的研究探索，我國保護性耕作的技術模式及配套機具基本成熟，具備了大面積示範推廣的條件。中國科學院等單位自 2007 年以來在吉林省研究並形成的保護性耕作技術及配套機具（被稱之為“梨樹模式”），為保護性耕作技術在東北黑土區的示範推廣提供了重要技術支撐。
保護性耕作技術在我國東北黑土地的廣泛應用，將對我國東北糧食生産、生態環境及國民經濟産生深遠的影響。
可以有效遏制東北土壤退化，提高土壤産量。一方面，保護性耕作可以有效控制土壤的風蝕、水蝕，讓土壤不再“變薄”；另一方面，可改善土壤結構，提高土壤的生物多樣性，逐漸恢復土壤肥力，提高糧食生産水準。
增強東北地區糧食生産的穩定性。保護性耕作的連續實施，可以消除犁底層，增強土壤降雨入滲能力，從而實現蓄水防澇抗旱、抗倒伏的能力，增強東北地區糧食生産抗逆減災的能力，穩固國家糧倉。
改善區域生態環境。保護性耕作連續大面積實施後，沙塵暴、水土流失和面源污染基本得到控制或改善，秸稈焚燒造成的環境污染大幅下降，區域水資源緊缺狀況可有效改善，同時節約大量的政府管理資源。
有助於實現碳固定。保護性耕作條件下，土壤擾動減少可降低土壤有機質礦化量，同時秸稈還田可增加土壤中有機物質的歸還，有助於農田土壤增碳減排。
（作者：敖曼 關義新，中國科學院東北地理與農業生態研究所；張旭東 中國科學院瀋陽應用生態研究所；《中國科學院院刊》供稿）