河西灌区保护性耕作发展及土壤影响研究概述

摘    要：

河西走廊地处西北干旱地带，是甘肃省重要的粮食及果蔬种植基地，常年连作与不合理的灌溉施肥模式导致土壤肥力下降并带来环境污染。而保护性耕作能够改善土壤耕层理化性质，增加有机质同时达到培肥地力、减少环境污染的目的。本文梳理了国内外保护性耕作研究进展与趋势，重点阐述了河西绿洲灌区保护性耕作对土壤状况及作物的影响。结果表明相对于传统耕作方式，保护性耕作可避免土壤团粒结构因耕作而导致破坏，具有保墒抑蒸、缓解旱情等作用，为作物正常生长发育提供良好条件。同时保护性耕作还能避免土壤风蚀并有效减少农田扬尘，改善生态环境，是旱区农业持续发展的重要举措，也可为河西绿洲农业发展提供理论依据。

关键词:保护性耕作;发展;土壤肥力;河西灌区;

Conservation tillage development and soil influence in Hexi irrigation system

KANG Hai

响较大，地表覆盖较少，保护性耕作技术可以改良传统耕作的方式，地表微地形形态也会发生改变，提高了农田生态效益，例如土壤内有机矿化的速率会逐步降低，同时也会减少温室气体的产生[3]。研究与本地区相匹配的保护性耕作技术系统，对于河西灌区农业以及生态环境改善都具有积极作用。

以少耕和免耕技术为代表的保护性耕作是当下慢慢发展的一种新型可持续的耕作措施。以地面覆盖的秸秆还田和使土壤物理性质发生变化的少耕免耕措施是西北干旱半干旱地区运用广泛的保护性耕作方式，而且也是效果比较明显的保护性耕作措施。它们在减缓水土流失、增加土壤肥力，提高自然资源使用率和增加农业产值等方面都有显著效果。

1 保护性耕作研究进展与趋势

1.1 保护性耕作研究机理

保护性耕作在研究中得到广泛认可的定义是由Mannering(1987)所提出的：能够维持30%以上的土壤覆盖率，降低水土流失并且提高农田产量的耕种模式为保护性耕作。该种植制度基础是保持土壤体系不被破坏，节约能耗获得作物相对高产，是一种可持续性农业生态模式。按照我国农业发展定义保护性耕作是指主要通过少耕、免耕和地表覆盖等一系列方法使种子正常发芽同时降低土壤遭受破坏，保护农耕生态环境，是一项在可持续性发展农业同时提高经济效益的农业耕作技术[4]。

1.2 国外研究概况

保护性耕作的提出起源于20世纪30年代美国“黑风暴”事件，大面积的开垦森林导致土壤结构严重破坏，生态平衡严重失调导致了黑风暴的产生[5]。同样发生在20世纪50年代的前苏联的“黑风暴”,也是由于草原地表植被遭到严重破坏而引起的。2次罕见的自然灾害使人们对于传统耕种方式产生的影响开始进行反思。自此，少耕、免耕和保护性耕作逐步进入人类视野。

美国作为最早进行保护性耕作研究的国家，对保护性耕作的内容以及配套方法等有着详细介绍，近20a间保护性耕作技术应用已经占据美国总耕地面积的约60%,主要作物为玉米、大豆等。英国在美国研究的基础上提出了减少耕作与直接在作物残茬上进行播种。前苏联在“黑风暴”发生过后，马尔采夫无壁犁耕作法得以提出和利用，后期以西伯利亚地区为实验耕作，使用宽型的铲深松犁替换以往的翻耕方式，旨在土体中水稳性团聚体占比进一步得以提升，保持土壤中含水量稳定，完成保墒的目地。

农业机械的快速发展对土壤的板结造成了较大的影响，由此引出了固定道耕作模式等其他耕作模式。随着农业技术逐步发展，少耕免耕等词汇并不能全面涵盖农业界的技术变化，提出了保护性耕作这一说法。巴西、阿根廷作为保护性耕作应用面积占比最大的代表国家，促使南美洲成为五大洲中保护性耕作技术应用最为普及的地区[6]。2001年在西班牙召开的第一届世界保护性农业大会，成为保护性耕作技术得到全世界关注的重要里程碑。

1.3 国内研究概况

在我国农耕历史上也有近似于保护性耕作的论述，例如宋朝起“地久耕则耗”的说法[7]。轮作、套作与间作等农耕技术存在近千年。早在20世纪50年代，免耕种麦在我国江苏[8]、云南[9]等地就开始了技术研究，同一时期，候光烔教授提出了“自然免耕”的设想并进行相关研究。21世纪初至今，生态环境恶化愈演愈烈，极端气温变化增大，旱区耕种条件变得更为艰难。为应对环境变化，各干旱地区提出多种如地膜覆盖、免耕秸秆覆盖等保护性耕作技术，在一定程度上减少了干旱地区土壤贫瘠，在提高农作物产量与经济效益方面具有重要意义。

20世纪90年代，中国农业大学在山西省黄土高原进行了10a的持续性研究，针对我国水资源分布不均匀与农业用水贫乏等现象，与澳大利亚昆士兰大学展开合作，将澳大利亚的保护性耕作技术结合我国实际耕作状况开展实验。经过长年累月的实验，得出保护性耕作在我国具有适应性、可行性，可大面积推广，是一种在维持自然环境平衡的基础上，提高耕种效率，推进旱区农业发展的生产耕作技术。实验的成功使得全国10个省市开始全面推行保护性耕作，实施面积可达30hm2。直至2000年，我国已经建立了30多个保护性耕作示范县，总面积达23.33万hm2。

2 保护性耕作的作用

保护性耕作对农业生产有多方面的影响。首先保护性耕作技术对土壤中的各类有机物和无机物都会产生影响，同时也有利于生态系统的可持续发展。但由于保护性耕作技术和作物的不同，所产生的积极影响也是不同的。

2.1 优化土壤结构，提升土壤肥力

优化了土壤结构是保护性耕作中土壤经过免耕或少耕后最明显的一个特征[10]。传统的耕作是通过翻耕来改变土壤结构，免耕少耕是以生物作用来达到这个目的，通过植物根系的生长穿插作用和土壤中的各种生物运动使土壤结构发生变化并创造土壤中的孔道。不同植物根系的形状和粗细有较为明显的差别，在植物根系死亡后，所遗留的孔道和孔隙，如果不经过耕作的破坏，还是能够完整的保存在土壤中，通过连续的种植作物，进行免耕和少耕可以进一步让根系进行穿插，在植物根系的生长过程中逐渐积累有机物，并通过微生物的作用，促使水稳性团粒结构的形成。水稳性团粒结构不仅可以让土壤容重降低，还能够让土壤中的水分和土壤空气达到一个动态平衡，进一步提升了土壤的缓冲能力，为植物的生长提供了良好的生长环境。大多数研究结论表明，免耕的土壤物理条件与传统耕作的土壤相似甚至更好。在砂土壤上免耕或者犁耕，把作物秸秆还田，不会引起土壤板结，免耕条件下的土壤容重与自然植被下的土壤容重相差不多[11,12]。

2.2 合理控制土壤温度，优化作物生长

光辐射的吸收和热量的传递都会受到秸秆覆盖影响。秸秆覆盖减少或阻止太阳直接辐射，并且能够减少土壤和空气中的物质交换量和热量损失[13]。经过免耕后的土壤结构容重比原来要低，对热量向土壤传递产生阻碍作用。覆盖后的土的年、日温变化平缓，温度相对较低时，可以进行“增温效应”;温度高的时候，则进行“降温效应”,从而使土壤温度达到一个动态平衡。

2.3 提高土壤有机质含量，改善土壤肥力

与传统耕作相比，保护性耕作能够在土壤表层有机质积累。秸秆覆盖，在雨水和微生物的作用下可以使各类有机物如K、P、N等更好地进入地下，促使土壤有机质的形成[14]。其中，作物的秸秆中包含有大量的钾素，并且都容易和水相溶，在随水渗入土壤后，能够显著提高土壤中钾元素的含量。何孝光[15]等研究表明，秸秆还田能够提高水稻氮素吸收利用效率，并减少土壤总氮流失。秸秆中的有机物经过雨水和微生物作用进入地下，促使土壤形成有机质，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

保护性耕作最显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区通过保护性耕作可以更好地保存土壤水分，进而提升作物产量[17]。保护性耕作主要通过促进雨水下渗，减少土壤水分蒸发的措施来满足土壤中水分的储存量[18]。免耕的土壤含水量比传统耕作的土壤含水量多，主要是因为在农作物生长过程中，在作物生长的初期，不能够覆盖土地，地表覆盖的秸秆就可以有效的减少水分蒸发[19]。一般情况下，没有作物覆盖的表层，土壤表层会直接受到雨水的冲击，造成土壤结构破坏，土壤孔隙度降低，使疏松土壤成为不易透水透气的土壤表层，阻止雨水下渗进入土壤。有秸秆覆盖的土壤表层，就能够有效避免雨水对土地的冲击，可以确保土壤结构不被破坏，土壤依旧疏松，不影响雨水下渗的速率，地表径流不多，土壤水分含量增多[20]。

2.5 有效抑制沙尘，增加作物产量

土地沙漠化的成因中最主要的就是人们对土地进行不合理地开发和耕作，这也是我国沙尘暴的主要来源之一。保护性耕作措施能够使得沙尘颗粒不会被大风带起，同时能够吸收一部分风力，增加土壤对风的冲击作用，也能够避免土壤颗粒被风移动[21]。运用免耕和秸秆覆盖的方式可以在一定程度上减少土壤侵蚀[22,23]。保护性耕作使得土壤肥力进一步提升，养分进一步得到利用，蓄水保墒，提高土壤中水的利用率，优化作物产量结构，实现作物增产。

3 保护性耕作土壤呼吸以及影响因素

土壤的破坏与干扰程度和所选择的耕作方式有关，具体呈现在土壤碳效应等方面的差异[24]。理论上可以达到60%～70%的损失碳固定，实现0.4～1.2Pgd的碳吸收量。在农田生态系统中，根呼吸与土壤厌氧呼吸在整个土壤呼吸中所产生的占比，是对于所研究的生态系统碳收支最直观的表现[25]。因此对于干旱地区农田土壤呼吸的分析是有效了解土壤碳排放量的重要途径，也对碳排放量提升或减排进行方向指导。

3.1 人为因素

人为不同种耕作方式对于土壤的理化性状以及微生物的活性有着不同的影响[26]。土壤剖面和土壤团聚体也会随耕作方式不同发生改变，使得土壤的孔隙度以及水分分布发生二次变化。人为因素可能会使土壤内的微生物受到刺激而产生活性，可能会导致CO2的排放增加。经过大量实验得出结论，CO2的排放量在耕作活动前后的确有着明显的差异，但仅能在24h内监测到。排放量提升的原因与耕作时CO2的移动速率有关，对于年排放量来说，该类因素导致的CO2仅占5%。连续多年对于农田CO2监测表明[27],不同耕作方式所产生的CO2的排放量差异较大。由此，人为因素对于土壤呼吸产生的影响相较于土壤类型、气候条件等因素微不足道，研究结论表明我们应该将土壤CO2排放量归于耕地优化种植、管理措施的指标。

3.2 土壤理化性状

土壤理化性质最直接的影响的是土壤呼吸[28]。土壤之中存在着大量微生物，而微生物的分解底物是由土壤中的活性碳库直接提供的，任何参数的变化会对土壤CO2排放量以及呼吸值产生明显影响。传统耕作模式下，秸秆覆盖后玉米田氮元素累计量增长一倍，地膜覆盖法却降低了近1/5,地膜秸秆双元覆盖则增加了近30%。

4 结论

保护性耕作不仅能够改变土壤结构，还可以提升土壤肥力，提升土壤蓄水增墒能力，增加作物产量，并且能够有效合理控制水土流失、土地荒漠化等问题，进一步保护生态环境，协调生态发展、经济和社会效益，不断推进农业现代化的可持续发展。在干旱或半干旱地区，保护性耕作可以减少水分蒸发、储存降水，但主要表现于表层，其中同时采用免耕和秸秆覆盖的效果是最好的。采用秸秆覆盖是充分利用资源，以达到节约水源、改良土壤，保护生态环境的高效节水措施。保护性耕作还具有以下优点：免耕和秸秆覆盖措施，可以有效增加土壤中的有机物，通过降水和微生物作用，可以使秸秆中的有机物更加高效地流入地下，促进土壤中有机物的积累；免耕和秸秆覆盖可以降低农业生产成本，其中主要包括耕地所产生的机械费、人工费等，秸秆还田也可以增加土壤肥力，促进作物生长，进而增加作物的产量。

河西灌区作为典型的内陆灌区，其耕作面积大，作物种类多，不同作物对土壤耕作层理化性质及灌水要求不同，保护性耕作的应用与推广存在一定的局限性，需要进行更进一步的研究，对不同作物或主要栽培作物以及秸秆覆盖过程中存在的问题进行深入的研究，探明保护性耕作对作物影响和土壤理化性质变化状况，为保护性耕作在河西灌区的推广与应用奠定基础，同时也可为相似农业气候区保护性耕作的应用提供理论指导与经验。

5 展望

国内外大量的试验表明，保护性耕作在水土保持、促进农业现代化发展和改善生态环境有着重要的意义，也是当前应用最广，效果较好的一种旱地耕作方式。目前，保护性耕作发展前景广阔，已然成为农业可持续发展、农业生产现代化和生态环境进一步改善的重要因素，也是农业发展过程中的一场变革，是人与自然和谐共生的必然选择。保护性耕作不仅可以蓄水增墒、提高土壤肥力、促进作物生长、提高作物产量，还可以减少水土流失、防止土壤侵蚀等问题，有效改善生态环境。因此，在甘肃干旱或半干旱地区推行保护性耕作是提升农业和农村经济可持续发展的必由之路，保护性耕作措施在该地区发展的前景也比较广阔。

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