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保护性耕作概念与基本原理
一、农业耕作技术的一场革命
保护性耕作是人类由不耕作到刀耕火种，由刀耕火种到汉代发明铧式犁进入传统人畜力耕作，由传统人畜力耕作到传统机械化耕作后的又一次革命。前三次革命，人类都是通过耕作干预自然，带来农业生产的一次次飞跃。特别是机械化的发展，人类掌握了强有力的耕作工具，成为“自然的主人”，可以随意改变土地的原有状态，提高劳动生产率和土地生产率。但是人类和自然的矛盾也愈来愈突出。比如耕翻作业除掉地面残茬、杂草固然有利于播种，但同时也破坏了对地面的保护，导致土壤风蚀、水蚀加剧；旋耕切碎土壤，创造了松软细碎的种床，但同时又消灭了土壤中的蚯蚓与生物，使土壤慢慢失去活性。耕作强度愈大，土壤偏离自然状态愈远，自然本身的保护功能、营养恢复功能就丧失愈多，要维持这种状态的代价就愈大。近几十年来，我国机械耕作活动增强，农信息产量大幅度上升，但河流泛滥、沙尘暴猖獗、土壤退化、作业成本上升也是不争的事实。保护性耕作取消铧式犁翻耕，在保留地表覆盖物的前提下免耕播种，以保留土壤自我保护机能和营造机能，是机械化耕作由单纯改造自然到利用自然、进而与自然协调发展农业生产的革命性变化。
保护性耕作对农民本身将带来观念上、生活质量上的革命性变化。1997年5月美国保护性耕作信息中心年会上，一位免耕农民的妻子巴巴拉.弗瑞安西斯(Barbara Francis)说，“除电的应用外，免耕法是对我的生活质量改善最大的事情”。
对农业机械化工作来说，以往农业机械化谈论最多的是提高劳动生产率和土地生产率，只要农业生产任务按时完成、增产增收了，农业机械化就完成任务了。没有认识到农业机械化和资源与环境保护密切相关，机械化可以破坏环境、也可以保护环境。深耕深翻、开荒种地，发展了生产，也带来水土流失、环境恶化的问题，引起人们对机械化的质疑。但是，机械化也是治理环境的最重要手段之一，如机械化秸秆还田减少秸秆焚烧导致的大气污染；覆盖减耕节约农业用水；保护性耕作治理沙尘暴等等。因此，发展保护性耕作，可以认为是机械化由单纯承担生产任务向承担生产和环保任务的转折点，是一场机械化耕作技术的革命。
二、保护性耕作的定义与耕作原理
保护性耕作的定义 国外的定义：“用大量秸秆残茬覆盖地表，将耕作减少到只要能保证种子发芽即可，主要用农药来控制杂草和病虫害的耕作技术”。保护性耕作的前身叫“免耕法”，随着研究的深入和推广的扩大，发现免耕只能适应部分土壤和自然条件，1980年以后改称保护性耕作法。由于它有利于保护土壤，所以称为保护性耕作。
2002年我国农业部为了使广大农民容易理解，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，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。”
保护性耕作的耕作原理 保护性耕作取消了铧式犁翻耕、尽量减少耕作，它如何完成耕作的疏松土壤、除草等基本任务？
除草可以喷除草剂，化肥可以深施；
如何疏松土壤？以便土壤中水、肥、气、热的交换流通，满足作物生长需要，主要靠下面4条途径（图1）：
①根系松土，作物的根系腐烂后，留下大量孔道，时间愈长，通道愈多。但一经翻耕，全部破坏。
②蚯蚓松土，蚯蚓不断挖掘的孔道、疏松土壤、创造良好的耕层。
③结构松土，保护性耕作增加土壤团粒结构，有利形成稳定疏松的耕层。不容易压实、回实。
④胀缩松土，土壤冬冻春融，干湿交替，使土壤趋向疏松、孔隙度增加。
由此可见，保护性耕作的“耕作”与传统耕作截然不同。传统耕作依靠机械、物理的外力手段，可以立即疏松土壤。但疏松后的土壤会不断被压实或自然回实，需要经常进行耕作，才能保持疏松的状态。
保护性耕作的松土则不需外力，是缓慢的、自然进行的过程。但疏松的土壤形成后，可自然恢复、保持疏松，不需要再耕作。相反，其间如进行翻耕、旋耕等作业，还将阻碍、甚至破坏土壤疏松的过程。
三、保护性耕作的起源
20世纪初，随着加利福尼亚发现黄金，美国拉开了西部大开发的序幕。机械化翻耕土地，加快了土地开发，获得了几十年不错的收成。然而，由于植被破坏，导致了一场震惊世界的灾难。
1931年开始，持续的干旱、疏松的地表，在狂风袭击下，大量表土被吹走，沙尘吹进人的眼睛、鼻孔，人们呼吸困难；几千年才形成的十几厘米沃土，瞬间被吹得无影无踪。1935年5月一场典型的“黑风暴”，从土地植被严重破坏的美国西部刮起，连续3天，横扫美国2/3国土，把3亿多吨土壤卷进大西洋。仅这一年美国就毁掉300万公顷耕地，冬小麦减产510万吨。这就是震惊世界的美国黑风暴（图2）（我国称为沙尘暴，图3）。在此期间，人们生活极其困难，食品奇缺；牲畜缺少草料，瘦弱不堪；大量的动物直接死于沙尘暴，肠胃内充满了沙土。沙尘暴还导致大范围的肺炎，堪萨斯州死亡的人口中，1/3死亡于沙尘暴引起的肺炎。到1935年末，人们彻底绝望了，大平原南部各州，超过1/4的人离开家园，远走他乡，寻求生路。东海岸的各大城市，如纽约、芝加哥都遭受了沙尘暴的袭击，每年有1200万吨的沙土刮到芝加哥，相当于芝加哥每人4吨尘土。经过多年的磨难，美国人终于明白是自己错误的耕种方式招来的严重后果。经过数十年的长期努力，保护性耕作法在美国和世界上其他国家试验研究成功。在美国等许多国家保护性耕作不仅和植树、种草措施一起，有效地扼制了沙尘暴再度猖獗。同时也成为减少径流、减少蒸发、改善土壤结构、提高土壤肥力、节约生产成本和增加作物产量的一项先进旱地农业生产技术。
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图2 美国上世纪30年代黑风暴 |
图3 我国近年沙尘暴 |
四、我国为什么要研究保护性耕作
这要从我国北方旱区农业生产条件与存在的问题讨论起。
我国是主要的干旱国家之一。干旱，半干旱及半湿润偏旱地区的面积占国土面积的52.5%，分布在昆仑山、秦岭、淮河以北的16个省、市、自治区，目前旱作农业的面积约3300万hm2。
旱区农业持续发展的主要问题，一是降雨少、气温低、土壤贫瘠、自然条件恶劣，产量低而不稳，农民生活贫困。近几年的持续干旱，造成北方大幅度减产，山西2000年因干旱全省粮食减产30%以上，河北有些已经脱贫的县区，因为干旱大幅度减产，又返回贫困。2002年全国又有2300万hm2农田受旱，没有重大的改革，旱区农民难以脱贫致富；二是水土流失和风蚀沙化十分严重，以山西为例，每年随雨水流入黄河、海河的泥沙量达4.56亿t，其中带走有机质508万t，氮、磷肥料30万t，相当一年化肥施用量的25%。大量水土流失不仅导致土壤肥力下降，而且蚕蚀耕地，土石山区耕层变薄，黄土高原被冲得沟壑纵横、支离破碎，加剧了“旱、薄、粗、穷”的局面。
风蚀沙化则是我国北方旱区近年来更为突出的问题，由于过度的开垦及不适当的耕作方式，植被破坏，土地沙漠化愈来愈快，沙尘暴发生的频率愈来愈高。据统计，我国发生沙尘暴次数逐年上升，50年代5次，60年代8次，70年代13次，80年代14次，90年代23次。尤其是2000年春季，北方连续10次出现大范围的沙尘暴天气，横扫了大半个中国，严重影响了工农业生产和城乡人民群众的生活。沙漠化面积则已经占国土面积的28%，而且还以每年2460km2的速度迅速扩展。
水土流失、生态恶化的原因，除大量开荒、林草植被减少外，还和耕作方式不当、管理粗放密切相关。如旱地采用焚烧秸杆、铧式犁翻耕、土地裸露休闲的传统耕作，就是不恰当的方式。翻耕可以疏松土壤、翻埋肥料杂草，再经过碎土平地，创造良好的种床，但地表疏松裸露、蒸发与径流大、风刮起沙、水冲土流，是导致沙尘暴猖撅、荒漠化加剧的重要原因。据调查，影响京津地区的沙尘暴，70%左右尘源来至于内蒙古、山西、河北以及京津周边干旱裸露的农田。为了控制沙尘暴、保护生态环境，改变旱区面貌，在大力推行退耕还林还草的同时，需要大力发展能保护农田、减少农田扬沙、减少土壤水蚀的保护性耕作法，发展机械化可持续旱地农业。
五、保护性耕作的基本技术内容
机械化保护性耕作有四项基本技术内容：
① 免耕施肥播种；
② 秸秆残茬管理；
③ 杂草和病虫害防治；
④ 深松与表土作业。
1、免耕播种施肥 与传统耕作不同，保护性耕作的种子和肥料要播施到有秸秆覆盖的地里，有些还是免耕地，所以必须使用特殊的免耕施肥播种机（图4），有无合适的免耕施肥播种机是能否采用保护性耕作的关键。该机要有很好的防堵性能、入土性能、大量施肥、深施肥及良好的覆土镇压功能。
2、秸秆残茬管理 收获后秸秆和残茬留在地表做覆盖物，是减少水土流失、抑制扬沙的关键。但是，秸秆堆积或地表不平，将严重影响播种质量。因此，需要对秸秆进行粉碎、撒匀等处理。
3、杂草及病虫害控制 实施保护性耕作后的土壤环境变化，一般会导致草虫病害的增加。因而，能否成功的控制草虫病害，往往成为保护性耕作能否成功的关键。我国北方旱区由于低温和干旱，总体上杂草和病虫危害不会太严重，但仍然需要实时观察、发现问题、及时处理。杂草用喷除草剂、机械或人工除灭，病虫害主要靠农药拌种预防，发现虫害后喷洒杀虫剂。
4、深松与表土作业 保护性耕作主要靠作物根系和蚯蚓等生物松土，但由于作业时机具及人畜对地面的压实，还是有机械松土的必要，特别是新采用保护性耕作的地块，可能有犁底层存在，应先进行一次深松，打破硬底层。在保护性耕作实施初期，土壤的自我疏松能力还不强，深松作业也有必要。根据情况，一般2-3年深松一次，直到土壤具备自我疏松能力，可以不再深松。但有些土壤，可能一直需要定期松动。深松作业是在地表有秸秆覆盖的情况下进行的，要求深松机有较强的防堵能力。
六、保护性耕作的效益
根据中国农业大学等在山西10余年的系统试验，保护性耕作与传统翻耕相比有以下三方面效益：
1、社会效益
减少径流（水分流失）60%、水蚀（土壤流失）80%左右；
减少风蚀（农田扬沙）60%, 抑制沙尘暴；
不烧秸秆、减少大气污染。
2、生态效益
休闲期土壤贮水量增加14%~17%，水分利用效率提高15%~19%；
提高土壤肥力，土壤有机质年提高0.03 ~0.05%，速效氮提高，速效钾提高。
3、经济效益
提高小麦、玉米产量13%～17%；
减少作业工序，降低作业成本10～20%；
增加农民收入20～30%。
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图5 山西 免耕覆盖小麦长势 |
图6 河北 小型深松机作业 |
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图7 辽宁 免耕覆盖玉米长势 |
图8 内蒙古 免耕播种玉米 |
目前，保护性耕作已在山西、河北、内蒙古、辽宁、陕西、甘肃等13个省市、市、自治区地开始试验、示范、推广。图5、6、7、8分别是在山西、河北、辽宁和内蒙古实施保护性耕作的情况。
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