我国保护性耕作的研究进展

秦 猛，董全中，薛 红，张明明，李微微，宋 欢，翟玲侠

（黑龙江省农业科学院克山分院，黑龙江 齐齐哈尔 161600）

耕地是人类赖以生存的天然资源，也是实现农业可持续发展、维护国家粮食安全的必要因素[1]。但长期不合理的耕作和高强度利用，加之化肥、农药的不合理使用，导致我国耕地存在肥力偏低、退化严重和污染加剧等一系列问题[2]。如果任其发展，将极大地制约我国农业可持续发展，威胁粮食安全。随着人口增长和经济发展，人们更加重视农业的可持续发展，保护性耕作因其具有显著的生态和经济效益，近年来得到了广泛关注[3]。保护性耕作是利用免耕、少耕或地表覆盖秸秆的方式对农田土壤进行保护和改良，是作物生产系统及其管理系统的重要组成部分，也是目前世界上应用最广、效果最好的农业技术之一，主要以提升土壤质量、达到节本增效和提质降耗等为目的[4-5]。保护性耕作的作业流程为表土处理→免耕播种→机械化植保→机械收获→秸秆粉碎，相较于传统耕种模式，保护性耕作在培肥地力、蓄水保墒和秸秆利用方面具有不可替代的作用[6-7]。保护性耕作主要技术包括少耕、免耕播种以及秸秆还田、深松和病虫草害综合防治4项技术措施，有利于解决长期焚烧秸秆、过度耕作带来的土壤结构破坏、有机质含量下降等问题[8-9]。因此，对于我国人多地少、干旱缺水和资源短缺的农业生产条件而言，保护性耕作对保障粮食安全和农业可持续发展具有重要意义。鉴于此，拟从我国农业生产的实际需求出发，介绍保护性耕作的研究进展情况，并对其关键技术等方面进行阐述，以促进保护性耕作体系的普及推广，为实现农业可持续发展提供借鉴。

1 保护性耕作的定义与基本内容

保护性耕作兴起于北美，美国是世界上保护性耕作研究最早、技术体系最完善、机具装备最先进以及推广面积最大的国家。美国将保护性耕作定义为“为减少土壤侵蚀，任何能保证在播种后地表作物秸秆残茬覆盖率不低于30%的耕作和种植管理措施”[10]。由于我国与其他国家气候和土壤环境条件的不同，不能照搬国外的措施与方法，可根据我国的条件进行适当改进[11]。我国按照保护性耕作的内涵和目标将其定义为“对农田实行免耕、少耕，并用作物秸秆覆盖地表，减少风蚀、水蚀，提高土壤肥力和抗旱能力的先进农业耕作技术”[12]。总而言之，保护性耕作核心内容就是尽量减少土壤扰动，增加地表覆盖，达到蓄水保墒，降低土壤侵蚀，通过合理的作物搭配、水肥调控等配套技术，实现培肥地力，同时减少作业次数，节约成本投入，最终实现高产高效的耕作技术[13]。

2 保护性耕作的发展进程

保护性耕作是在长期农业耕作中逐渐形成的生产观念，其目的是恢复和保持土壤养分含量，实现农业可持续发展[14]。我国从20 世纪60 年代开始关注保护性耕作，对其技术进行了引进，并进行了一系列的种植示范。经过长期探索和发展，我国保护性耕作在理论研究和示范推广方面取得了初步成绩，并逐渐形成了具有中国地域特色的保护性耕作技术体系[15]。20 世纪70、80 年代，随着我国农业的发展，农业部门对种植新技术的认识不断深入，进一步意识到保护性耕作的重要性，并相继引进保护性耕作的单项技术如深松、秸秆覆盖等，保护性耕作配套的农机具、秸秆覆盖技术及深耕松土技术得到了进一步发展[16]。20世纪90年代，生态环境问题得到越来越多的关注，保护性耕作更是深受农业部门的重视，并将其推广与应用作为重点项目开展[17]。我国农业部门先后出台了《保护性耕作工程建设规划（2009—2015 年）》《保护性耕作关键技术要点》《保护性耕作项目实施规范》《国家黑土地保护工程实施方案（2021—2025 年）》相关文件，积极推进保护性耕作的实施[18]。近年来，为推动落实“中国人的饭碗任何时候都要牢牢端在自己手上”“藏粮于地、藏粮于技”以及“保护黑土”的战略，我国把耕地保护摆在了更加突出的位置[19]。2004—2022年的中央一号文件中多次提到“实施保护性耕作”，并在2021 和2022 年连续2 a 的中央一号文件中均提到要大力推广和发展保护性耕作。在各种政策支持下，保护性耕作的示范推广步伐明显加快，其在农业可持续发展中所起的作用也日趋凸显。

3 保护性耕作技术

3.1 保护性耕作少耕、免耕施肥播种技术

少耕、免耕施肥播种技术是指在作物收获后不进行翻耕，在原有留茬地直接采用专业免耕播种机进行秸秆粉碎与施肥播种，主要提高土壤有机质含量，改善土壤理化性质，促进作物增产[20]。秸秆覆盖在土层之上可以减少风蚀、水蚀和水分蒸发。与此同时，利用免耕播种技术，可以减少耕作过程中的耕作阻力，以及农业机械对土壤的压实，减少土壤破坏[21]。

3.2 保护性耕作秸秆处理技术

秸秆还田是目前最主要的秸秆处理方式，其具有简单快捷、省时省力的优点，同时可以达到蓄水保墒和培肥地力的目的[22]。秸秆焚烧容易带来环境污染并浪费可再生资源，导致土壤表层焦化，降低土壤和空气质量。通过秸秆还田能有效提高土壤中的有机质含量，促进微生物活动，既可以提高土壤肥力，又可以节省化肥用量，降低种植成本，达到用地还地、以地养地的目的，因此，秸秆还田技术已成为保护性耕作的核心技术之一[23]。

3.3 保护性耕作土壤深松技术

在传统农业耕作中，由于种植者对土地深松措施缺乏重视，导致土壤结块严重，养分输送困难。传统浅耕容易导致土壤蓄水保肥能力不强，不能为植物生长提供充足的水肥供应[24]。而深松保护性耕作技术是通过借助机械化的深耕措施（2～3 a 深松一次），打破原有土壤板结层和犁地层，改善耕层结构。与此同时，该技术可提高水分渗透率和土壤通气性，增强土壤的蓄水和气体交换能力。深松过的土地，能为作物生长提供良好的土壤环境，从而促进作物产量增加。

3.4 保护性耕作杂草及病虫害控制技术

杂草和病虫害的防控是保护性耕作的重要步骤之一。由于秸秆在田间未经处理而直接粉碎还田，秸秆中存在大量病原菌、虫卵和草籽，在短时间内秸秆腐解不彻底，导致后期作物种植、生长过程中病虫草害发生增加。因此，做好病虫草害防治是稳产、增产的关键[8]。为了保证较好的防治效果，除了进行化学防治以外，还需要根据病虫草害的发生情况，适当结合生物防治和物理防治措施。在防治过程中，要注意科学施药，精准防控，构建保护性耕作下病虫草害防控技术体系[25]。

4 保护性耕作对土壤及作物生长、产量的影响

4.1 保护性耕作对土壤理化性质的影响

保护性耕作可以减少对土壤的扰动，保持土壤结构和改善土壤理化性质。杜梦寅等[26]的研究结果表明，保护性耕作可显著减少黄土高原半干旱地区土壤水分蒸发，减缓地表径流量，涵养水土。田肖肖等[27]研究认为，免耕、覆盖措施可有效调节土壤水热变化，解决夏玉米生产中苗期干旱少雨导致的土壤水分匮乏问题。杨永辉等[28]研究发现，保护性耕作可以改土保墒，提高土壤有机质含量和土壤肥力，增加土壤团聚体的稳定性和土壤孔隙度，改善土壤孔隙的连通性。刘萌等[29]研究认为，免耕秸秆覆盖可降低耕层土壤容重，增加总孔隙度，显著提高耕层土壤相对气体扩散率和饱和导水率，增加下层土壤导气率。齐智娟等[30]研究发现，保护性耕作能调节土壤温度，针对不同的气温变化，具有增降温双重效应。

戴伊莎等[31]的研究结果表明，保护性耕作在西南旱地能产生显著的增碳固氮效应，有利于保护农田生态环境，提高农业生态效益。彭文英等[32]的研究结果表明，免耕措施可以提高土壤持水能力，增加土壤团粒结构和养分含量。黄国勤等[33]研究指出，与传统耕作相比，连续8 a 稻田保护性耕作处理可提高土壤有机质含量（2.9%～10%）、有效磷含量（4.8%～31.6%）和速效钾含量（9.7%～25.7%）。宋霄君等[34]的研究结果表明，长期保护性耕作可以提高土壤表层中脲酶、过氧化氢酶和脱氢酶的活性，土壤微生物分解和转化物质的能力增强，促进土壤中碳、氮及磷的养分循环，提高土壤的有效性，防止土壤地力衰退。并且，实施保护性耕作可以改善土壤微生物的多样性和群落结构，有效激发利用土壤微生物的潜力，从而实现农田生态系统的健康发展[35]。

4.2 保护性耕作对作物生长发育的影响

保护性耕作对不同作物的生长发育产生不同的影响。王丽学等[36]的研究结果表明，秸秆残茬覆盖不利于大豆出苗且出苗质量较差，但到分枝期后，随着温度的升高和水分的增加，秸秆和残茬在充足的雨水和阳光下得到分解，为大豆生殖生长提供了营养。王嘉男等[37]研究指出，免耕覆盖措施能促进春小麦旗叶花后光合作用、干物质积累，延缓灌浆后期叶片衰老和叶绿素降解，协调和优化光合性能、光合时间和光合面积之间的关系。彭亚敏等[38]的研究结果表明，与传统耕作相比，保护性耕作处理显著提高了春小麦各器官碳、氮、磷的含量。杨相昆等[39]研究认为，免耕处理下作物生育时期较翻耕处理有延迟现象，干物质积累和叶面积指数也略低于翻耕处理，但在生育后期，免耕处理具有保温作用，后期干物质积累高于翻耕处理。金亚征等[40]通过连续5 a 定位试验发现，在华北平原小麦-玉米轮作区，小麦季免耕较翻耕可增加玉米吐丝前后干物质积累，提高玉米吐丝后光合势和净同化率。但也有研究者认为，保护性耕作会导致土壤低温、通气不良，影响作物的正常生育进程，导致出苗较迟、出苗率低和植株生长发育缓慢、生育期延长等问题[41-42]。

4.3 保护性耕作对作物产量的影响

关于保护性耕作对作物产量的影响，前人研究结果不尽相同。有研究者认为，保护性耕作能增加土壤养分含量和有益微生物数量，增强土壤蓄水保墒能力，显著提高玉米籽粒产量[43]。郭星宇等[44]通过长期定位研究发现，免耕有利于旱作农田产量和水分利用效率的持续提高，同时在干旱年份能显著提高作物产量。蒋发辉等[45]的研究结果表明，干旱地域免耕结合秸秆覆盖和作物轮作可有效提高土壤含水量，增加作物产量7.3%。孙红等[46]的研究结果表明，保护性耕作能改善稻田土壤环境，促进水稻生长发育，提高水稻的干物质积累量和有效穗数，加快籽粒灌浆速率，协调产量构成因素，增加水稻产量。但也有研究指出，与常规耕作相比，免耕覆盖条件下初期小麦产量显著降低，但随种植年限的增加二者产量逐渐趋于相当[47]。贾树龙等[48]研究发现，连续3 a 少耕和免耕处理对作物产量没有影响，但之后随种植年限增加小麦产量显著降低。韩宾等[49]的研究结果表明，免耕秸秆覆盖处理下冬小麦出苗率仅60.2%，群体密度过小，千粒质量和穗粒数呈下降趋势，产量低于常规耕作，且连年免耕会使冬小麦出现早衰现象。

5 保护性耕作的技术优势与适宜区域

5.1 保护性耕作技术优势

保护性耕作通过取消翻耕作业，采用少耕、免耕和秸秆覆盖地表等措施，减少土壤水蚀、风蚀和土壤水分的蒸发，增加土壤入渗能力；还田的秸秆腐解后形成有机养分，提高土壤表层有机质含量，培肥地力，可适当减少化肥投入；提高作物的产量并改善其品质，保护生态环境，促进农业可持续发展[50]。与此同时，农机作业环节减少，提高了劳动生产率，节约了大量作业成本。

5.2 保护性耕作适宜区域

虽然保护性耕作具有诸多优点，但并不是所有耕地都适合采用保护性耕作，其具有一定的适用范围。例如，当种植玉米等喜温作物时，由于春季播种时保护性耕作的地温比翻耕无覆盖的地温低2 ℃左右，会对出苗产生一定影响，所以在年均温度低于7 ℃的地区，以及黏重和排水性差的耕地上推广保护性耕作时应注意[51]。我国各地区农作物种植的行距和垄距不同，而且秸秆的产出量也有所差异，因此，一定要建立不同地区适宜的保护性耕作技术体系，才能使保护性耕作发挥最大的作用。相关部门发布的《保护性耕作项目实施规范》《保护性耕作关键技术要点》[52]指出了保护性耕作的六大适宜区域（表1）。

6 保护性耕作存在的问题

6.1 传统思想待转变且技术应用成本高

受传统种植观念和耕作习惯的影响，部分种植者对保护性耕作的认识不够充分，在种植上更加认同精耕细作，把少免耕和秸秆覆盖技术视为粗放耕作，导致种植者对保护性耕作认可度不高，信任度低[53]。同时，大多种植者缺少购置农机具的资金，农机购置补贴政策对保护性耕作机具也缺乏明确的倾向性，导致种植者购买此类农机具的压力较大[54]。并且保护性耕作的增产效果需要2～3 a 才能显现，在重视短期利益思想的影响下，种植者对购置农机具、改革耕作制度不够积极，在实施保护性耕作过程中存在顾虑，导致保护性耕作推广缓慢[55]。

6.2 保护性耕作示范区未因地制宜

保护性耕作多应用于高侵蚀及半干旱区域，在湿润及降水较多的区域应用可能会造成作物减产，黏性土壤长期免耕甚至会造成土壤僵硬和排水不畅[56]。保护性耕作需要将大量秸秆覆盖地表，会降低地温2～3 ℃，致使保护性耕作地块作物出苗较传统耕作地块晚4～5 d；同时，在东北高寒地区无霜期短、有效积温低，秸秆腐解缓慢，带来的病虫害较多，给春天播种和发芽带来负面影响[57]；另外，还田后土地松软，秸秆分布不均匀，不能直接为作物提供所需的营养，导致作物产量降低。

6.3 土壤环境和播种质量不易保证

由于保护性耕作是借助免耕、秸秆还田和秸秆覆盖技术手段，这会使秸秆堆积在原有的垄沟中，受农机具挤压造成土壤紧实，土壤环境劣化，因此，长期进行保护性耕作会造成土壤板结，使土壤保肥、保水能力以及通透性降低，导致出现作物生长环境变差、根系活力下降和早衰减产等问题[58]。同时，耕层变硬，地表不平整，会导致免耕播种机播种时出现播深不一致、种子分布不均匀的情况，较传统翻耕播种量大。而且，前茬作物秸秆覆盖量过大致使播种机作业困难，工作效率降低，种子不能深入土壤里，影响出苗质量[59]。

6.4 配套农机具不完善

在秸秆覆盖条件下作业，降低了机械化程度，不利于大型机械的使用，给播种、施肥增加难度，不能满足保护性耕作的技术要求[60]。与此同时，耕作土地面积和种植作物品种不同，其种植方式也不统一，收获时间存在差异，缺乏不同作物、不同土壤专用的配套机具，致使种植者在保护性耕作的实施过程中，无法将农机与农艺很好地融合，造成播种精度不高，实际操作中易出现漏播、重播、肥料不匀以及免耕播种机作业时堵塞等问题。目前，我国大部分农机具基本都是针对传统农艺方式，保护性耕作的配套农机具相对较少，制约了保护性耕作的推广应用[61]。

6.5 保护性耕作技术体系不完善

保护性耕作需要应用多种大型农机具，这与部分地区种植者分散式经营和小面积种植的现状形成突出矛盾。大型农机具难以适用于小面积的地块，而小型农机具难以实现保护性耕作的效果，这严重阻碍保护性耕作的应用和农业机械化的实现[62]。各地生产条件存在一定的差异，农业生产形式、耕作制度具有多样性，虽然部分地区保护性耕作技术较为成熟，尤其对免耕有了较大面积推广，但其适宜区不明确，缺乏适当的农业发展耕作技术规程，容易混淆其关键技术环节，导致操作不当，影响保护性耕作的实施效果[63]。所以，保护性耕作的应用需要依据地形、气候和土壤等条件，因地制宜地采用适合的耕作类型及配套的技术措施。

6.6 秸秆覆盖量过大

秸秆覆盖量过大是造成保护性耕作效果不理想的主要因素之一，前茬作物秸秆覆盖量过大会降低土壤的温度以及对光的吸收，导致作物出苗延缓，影响作物的早期生长发育。同时秸秆覆盖过大也会造成苗黄、苗弱以及分蘖推迟、减少的现象，导致有效穗数减少和产量下降[64]。地表秸秆和残茬覆盖过多、不平整，也会造成播种质量较差，影响出苗率。

6.7 杂草和病虫害防治难度大

免耕秸秆覆盖可为土壤中的病原菌及害虫提供繁殖越冬的场所。随着保护性耕作年限的增加，危害程度也增加，给防治工作带来困难[65]。与传统翻耕相比，保护性耕作缺少土壤翻耕环节，导致杂草发芽和出苗比传统翻耕地早，且生长旺盛，给田间除草带来困难。秸秆残茬覆盖也降低了除草效果，缺乏有效的杂草控制方法，这是限制保护性耕作被广泛应用的主要因素[66]。

7 保护性耕作实施的对策建议

7.1 转变传统观念，增加补贴力度

种植者习惯了传统的种植方法，短时间内无法接受保护性耕作模式。因此，首先应给予一定的技术支持，通过农业技术人员宣传、培训等手段，提高种植者对保护性耕作的认知，改变传统耕作观念，让种植者真正理解保护性耕作[67]；其次，政府部门应加强保护性耕作技术推广应用，加大扶持补贴力度，如在生产、推广和培训、购买等环节，按照一定的标准予以补贴，调动农民的积极性[68]；最后，鼓励各地探索多渠道投入机制，为保护性耕作技术推广和应用提供资金保障，激发种植者自觉进行保护性耕作的热情，促进保护性耕作的推广应用[69]。

7.2 实行科学的技术模式

保护性耕作要因地制宜，有选择性地采用适合本地要求的技术模式，确保保护性耕作顺利开展，增强保护性耕作的实施效果[70]。作物秸秆量大、有效积温低造成秸秆不易腐烂的地区，不建议进行秸秆还田，或采用秸秆粉碎覆盖还田方式，调整秸秆的粉碎程度和还田量，以秸秆量达到免耕播种作业要求为准，旱作、秸秆残茬少的地区可以采用少免耕及秸秆覆盖方式进行耕作。针对长期进行免耕出现的土壤板结问题，可以采用农业机械对农田土壤进行深松，在不破坏耕地耕作层的前提下，对土壤进行深松整地，打破犁底层，提高土壤通气性和含水量，改良土壤结构，调节土壤肥力状况，为作物生长提供良好的生长环境[71]。

7.3 加大相关农机具配套力度

保护性耕作的实施需要配套相应的农机具。因此，农业部门要根据保护性耕作技术要求，加大相关配套农机具的推广力度，做好相应服务工作，结合各地农业的实际生产情况，组织专业技术人员改进、完善关键技术和配套农机具，鼓励研发新型农机具[72]。政府要持续加大对农机购置补贴的力度，并对农机生产、研发企业出台税收等优惠政策，降低保护性耕作实施成本。

7.4 建立保护性耕作技术示范区

保护性耕作不是固定的农业种植模式，应根据不同地区的实际情况进行调整。因此，示范区的建立应结合耕作制度、自然条件和作物差异，因地制宜、科学建立具有规范性的技术示范基地[73]。在保护性耕作推广过程中，让种植者真正认识到保护性耕作的优点。另外，保护性耕作的农机具可能不完全适应每个地区，农机具的研制应结合当地的土壤状态、种植方式等实际情况，进行适当调整，增强保护性耕作的适用性，避免影响农机具的作业性能和工作效率[8]。最后，政府推广部门可以联合乡镇政府、村民委员会，借助家庭农场、种植大户等生产经营主体，向种植者宣传耕地流转等政策，促进农村耕地连片经营，解决小面积种植无法进行保护性耕作的难题。

7.5 进行秸秆适量还田

还田后的秸秆只有经过充分的腐解才能有效释放养分，才不会影响种子出苗和植株生长。秸秆腐解程度与多种因素有关，如时间、温度、水土比、还田形态。除腐解程度外，秸秆过量还田会导致秸秆中大量的病原菌、虫卵随秸秆进入土壤，增加治理难度，如果连续还田，秸秆中携带病虫也会持续积累，会影响作物生长，降低产量和品质，增加农药使用量。所以要提早预防、及时防控，尽量使秸秆保持适宜的还田量并充分腐解[74]。

7.6 注意杂草与病虫害的防治

保护性耕作不对土壤进行翻耕处理，会导致虫卵、病菌和草籽在土壤中大量积累和繁殖，使农作物发生病虫草害[6]。因此，可以对作物种子进行杀菌剂和杀虫剂的拌种处理，预防和降低病虫害的发生率。同时，机械化植保作业要做到规范化，根据不同类型的病虫和杂草进行专业防治，定期施用防治病虫草害的药剂，确保药剂喷洒到土壤表层，保证药效充分发挥[75]。

8 保护性耕作发展趋势与展望

目前，农业的发展将随我国国力的不断提升具有更好的发展趋势，对于保护性耕作推广来说，其未来发展趋势更是毋庸置疑[76]。保护性耕作推广在生态、经济和社会效益上均具有好的前景，保护性耕作的开展可以节省耕作过程的人工、时间和成本，配套的农机具可以提高耕作效率、降低劳动强度，并且配套措施到位的保护性耕作可以改良土壤理化性状，提高作物的产量、品质，减少焚烧秸秆带来的环境污染，保护生态环境[71]。因此，推动保护性耕作开展可使国家的粮食安全、农民的基本权益得到根本保障，并促进农业可持续发展[77]。综上，对保护性耕作的推广与开展是必要且重要的。

通过保护性耕作建立合理的种植模式和耕作制度，保障国家粮食安全；通过秸秆覆盖减少水土流失，提高土壤肥力；通过少耕、免耕技术降低投入成本，提高土壤固碳能力；研发配套农机具，实现农机农艺相结合、保护性耕作与高产栽培相结合，实现作物高产优质。通过学习借鉴国内外成功推广和应用经验，因地制宜，不断进行保护性耕作技术体系的研究与完善，提高农业生态系统的持续生产能力，为发展智慧农业、高效农业和现代化农业奠定基础。