保护性耕作研究进展及其应用探讨.doc

保护性耕作研究进展及其应用探讨河南农业科学保护性耕作研究进展及其应用探讨郭瑞,季书勤,王汉芳(河南省农业科学院小麦研究中心,河南郑州450002)摘要:对小麦一玉米两熟制条件下保护性耕作的理论和技术问题进行了分析,并对其在黄淮海区的应用进行了探讨,尤其是在粮食主产区河南的研究应用.河南保护性耕作研究主要集中在豫西旱作区,其在豫南雨养区的研究基本处于空白.认为土壤肥力较低是影响雨养区产量提高的主要限制因素.并探讨了该区开展保护性耕作技术的艰巨性和长期性.关键词:保护性耕作;免耕;少耕;秸秆覆盖中图分类号:$345文献标识码:A文章编号:10043268(2007)07000505保护性耕作是一种先进的新型农业耕作技术.通过对农田实行免耕,少耕,作物秸秆覆盖地表,农药控制杂草和病虫害,从而减少风蚀,提高土壤肥力和抗旱能力.要求地表有机残体覆盖在3O以上,土壤侵蚀控制在5O以下,以减少人为因素对土壤体系的破坏为原则,以较低的能量和物质投入维持相对高产,单位投入可获取较高利润,是具有生态保护意义的持续农业形式.目前,就生产而言,少,免耕保护性耕作技术在浙江,江苏,四川,广西,上海,湖南,湖北,山东,河南,河北,陕西,山西,天津,内蒙等地都有一定的推广应用.就研究而言,保护性耕作研究存在着五多五少的特点,即旱地多,水地少;北方多,南方少;玉米面多,小麦面少;解决旱作的问题多,提高肥力方面的少;研究产量影响的多,节本增效研究的少.如陕西,山西等北方干旱省份,土壤水蚀风蚀严重,形成了以蓄水保墒为主要目的的较为系统的保护性耕作体系;山东,河北等省份多为平原区,保护性耕作研究的目的主要偏重于减少地下水消耗,降低生产成本和培肥地力.黄淮南部气候特点与华北等省份相似,属于一年两熟区,水资源较为丰富,以小麦,玉米等作物为主,虽然推广保护性耕作的目的都是减少地下水消耗,降低生产成本和培肥地力,但是研究重点还是有所区别,河北,山东的保护性耕作技术对在黄淮南部的应用研究有一定的借鉴意义.以河南为例,保护性耕作技术的研究主要集中在年降雨量500600mm的西部旱作区,主要目的是土壤节水保墒,但还处于研究阶段,应用面积不大;而在年降雨量8001000mm的南部雨养区的研究尚属空白,可以借鉴以往的成功经验.在该区开展保护性耕作技术应用研究对于进一步扩大其推广应用面积,实现农业生产可持续发展和节本增效具有重要意义.保护性耕作研究需要多年定点试验,从研究到推广应用需要较长时间,不能一蹴而就,十一五国家粮食丰产科技工程河南课题将保护性耕作纳入研究,为黄淮南部推广保护性耕作研究提供了技术平台.探明保护性耕作技术在豫南雨养区的应用效果及其增产机理,对解决土壤质地黏重,耕性差,土壤适耕期短,播种质量难以保证等问题具有重要的意义.1保护性耕作的起源及优势保护性耕作研究始于2O世纪初的美国,于1942年美国成立了土壤保护局,总结开发出了保护性耕作法.与传统耕作技术相比,在管理较好的情况下,免耕播种的小麦可以获得和传统栽培(耕翻后播种)相同的产量,英国的田间试验早已证明了这一点.德国的Giessen大学进行了连续18年的免耕定位研究后认为,与传统的耕翻作业相比,由于免耕技术减少了机械动力消耗,降低了生产成本,并能获收稿日期:20070122基金项目:十一五科技支撑计划粮食丰产科技工程项目(2006BAD02A07-3);利用世行贷款加强灌溉农业三期项目豫南雨养区保护性耕作研究与推广作者简介:郭瑞(1976一),男,河南滑县人,硕士,主要从事作物栽培研究工作.通讯作者:季书勤(1956一),女,河南卫辉人,研究员,硕士,主要从事小麦栽培研究工作.?5?2007年第7期得和传统耕翻作业相同的产量,因而是一项高效的农业技术.西班牙自1982年开始在该国南部地区的黏土地上进行免耕试验发现,与传统的耕作相比,免耕技术除了减少燃料消耗,降低生产成本外,还可以相对增加土壤湿度.保护性耕作有诸多优点,不同国家采用保护性耕作的目的也有别.如美国研究的初衷是防止土壤风蚀及水蚀.爱尔兰少,免耕保护性耕作研究目的是简化农田作业程序,节省时间和能源消耗,提高经济效益.目前,在美国,加拿大,澳大利亚已经基本取消了铧式犁翻耕的传统耕作方式,大面积采用了以机械化为支撑的保护性耕作法,取得了较好的效果.我国保护性耕作起步较晚,如同发达国家所经历的阶段相似,配套机械仍是现阶段的主要问题,但对于推广免耕技术成熟的国家,配套机械已不成问题.如阿根廷就有30多家免耕机械制造厂,销售免耕播种机械的商店遍布全国;智利的CarlosCrovetto是推广免耕技术的先驱,1978年他购买了免耕播种机在自己的农场进行免耕种植玉米的试验并取得了成功,用免耕及作物残茬覆盖(玉米收获后每公顷土壤表面覆盖14300kg玉米残茬,小麦收获后,每公顷覆盖6200kg小麦残茬)技术在坡降为159/6l8%土地上不仅彻底消除了土壤的侵蚀问题,而且获得了创记录的粮食产量,水浇地玉米19600kg/hm,旱地小麦10800kg/hm.经过连续19年的免耕,表土层的厚度增加了2.54cm,05cm土层的土壤有机质含量由原来的17g/kg增加到106g/kg,土壤容重由原来的1.7g/cm.降到1.4g/cm.,土壤的持水量提高了1倍,速效磷的含量由原来的7mg/kg增加到100mg/kg,钾的含量由原来的200mg/kg增加到360mg/kg_1.2我国保护性耕作研究进展国外保护性耕作已取得较大成功,我国建国伊始就开始了保护性耕作研究.2002年农业部正式将保护性耕作定义为对农田实行免耕,少耕,并用作物秸秆覆盖地表,以减少风蚀,提高土壤肥力和抗旱能力的先进农业耕作技术.近年来,我国学者主要从以下几个方面进行了研究.2.1减少养分流失少耕,免耕保护性耕作土壤表面覆盖着残株,转移了雨滴的能量,因而可以防止土粒分散,表土板结,从而减轻了地表径流.水田自然免耕,能增大田?R.间蓄水量,充分发挥土壤大水库作用.河北省自从引进小麦免耕播种技术后,已在全省不同类型的小麦产区安排了20个示范点,均取得了较好的社会经济效益和生态效益.在河北省张家口市近年来也开始大力推广免耕保护性耕作.他们认为,保护性耕作不但能抗旱增收,还有防沙固沙的功能,为平抑沙尘暴带来希望.2.2稳定土壤耕层结构,提高土壤肥力常规耕作转变为免,少耕作,经过若干年免耕后,由于土壤微生物的作用,容重降低,土壤结构的恢复和保持改善了土壤的孔隙度和孔隙大小的分配以及土壤的穿透力,维持了土壤孔隙的连续性,加速水,热,气,肥在土壤中的移动交换,达到提高土壤肥力的效果.张树海L2等研究发现:在连续免耕6年的试验地上,免耕覆盖比常规耕作05cm土壤有机质平均高0.55个百分点,土壤pH值低0.19;硝态氮低30.359/6,铵态氮低58.3%,水解氮低4.979/6.秋耕覆盖和秋耕秸秆还田是调控土壤供氮强度的两条主要措施.对连续11年少,免耕试验田的研究表明,少,免耕有利于土壤有机质,全氮,速效钾等在上层富集和积累,提高土壤耕层养分含量.2.3以生物代耕,促进水肥利用少耕,免耕保护性耕作依靠生物包括作物根系,土壤微生物,动物等的活动,而非靠物理和机械方法使土壤具有最适当的三相比,能同时满足作物对水,热,气,肥的要求L3,从而提高水分和肥料的利用率.高云超等L4研究发现,多年连续秸秆覆盖免耕对土壤细菌群落影响很大,免耕可提高010cm土层土壤细菌总数,放线菌数和棒状细菌数量,特别是免耕土壤能使芽孢杆菌数量增多几倍.免耕土壤中有效氮,有效磷,有效钾和有机质含量均分别高于常耕土壤.牟善积等L5对冬小麦一夏玉米现行轮作体系下麦秸立茬覆盖一玉米免耕播种一化控一苗期深松节水雨养模式的研究表明,该模式能使土壤水分蒸发减少33.4个百分点,节省抗旱用水50左右,多蓄积自然降水100150mm.张海林等研究认为,免耕夏玉米耗水在时间和空间分配上有所改变,即夏玉米前期耗水少,后期耗水量增加,蒸散量加大,而且覆盖免耕有效地减少株间土壤蒸发,却增加了作物的蒸腾量,变非生产性耗水为有效耗水,有利于夏玉米产量和水分利用效率的提高.2.4保护性耕作分区研究少,免耕技术的应用应该以解决区域性的资源环境问题为主要目的,不同区域应该采用不同的保河南农业科学护性耕作技术体系.高焕文口将中国的保护性耕作体系分为4种类型区:黄土高原一年一熟区,西北冷凉风沙区,东北高寒易旱区,华北一年两熟区.黄土高原一年一熟区保护性耕作模式以增加土壤含水率和提高土壤肥力为主要目标.技术措施以秸秆覆盖,免(少)耕播种,以松代翻为重点.北部冷凉风沙区保护性耕作的目标是防治沙尘暴,提高产量和培肥地力.技术措施是留茬覆盖,免耕播种,杂草综合防治.东北高寒易旱区保护性耕作以抵御春旱,控制风蚀为主要目标.为了解决低温的影响,需要研究垄作保护性耕作技术,对于干旱严重的地方,必要时可结合行走式坐水种技术.华北一年两熟区农业上精耕细作,提水灌溉,以小麦,玉米一年两熟为主,高投入,高产出.存在问题是地下水位急剧下降,成本高,焚烧秸秆污染环境,地力持续下降,所以也有开展保护性耕作的迫切要求,以减少地下水消耗,降低生产成本和培肥地力.该区实施保护性耕作的难度较大,玉米茬免耕播种小麦的机具和病虫害防治等问题都还在研究中.3黄淮海南部保护性耕作探讨根据高焕文的分类,黄淮海南部与华北一年两熟区种植模式和制度相似,但不同区域的资源环境特点不同,不能照搬适宜保护性耕作的模式.首先,种植习惯的区别.华北地区玉米收获后小麦播种前的时间间隔较短,秸秆趁青易粉碎,保护性耕作节省时间,从而提高了光热资源利用率.而黄淮南部秋收到麦播间隔较长,秸秆不能及时粉碎,影响小麦播种质量,高质量的播种技术是该区保护性耕作研究的关键所在.其次,自然降水时空分布的区别.黄淮南部的保护性耕作研究主要集中在年降雨量500600mm的西部旱作区,主要目的是土壤节水保墒,而对于年降雨量8001000mm的南部雨养区研究基本属于空白,该区土壤质地黏重,耕性差,肥力基础偏低,旱涝不均,虽然光热水资源丰富,但时空分布与作物需要的矛盾突出,加上耕作粗放,致使产量低于全省平均水平,玉米产量普遍低于小麦;再加上保护性耕作机具的不配套,在豫南雨养区开展保护性耕作技术应用研究更有必要.另外,保护性耕作省时省力,节本增效,在该区推广保护性耕作顺应当地发展简化栽培的趋势.保护性耕作在河南雨养区主要是解决土壤肥力偏低,自然降水利用率较低的问题.秸秆覆盖还田能有效的提高土壤肥力,蓄水保墒.但秸秆还田后的主要问题是秸秆不能快速腐熟,影响播种质量,这对玉米影响不大,而对小麦的播种质量影响较大,因此冬小麦推广保护性耕作需要慎重.贾树龙等认为,冬小麦种植中的土壤耕作技术,目前较普遍采用的主流耕作方法是:先将收获后的玉米秸秆就地粉碎,然后造墒,旋耕,播种,此技术是由传统的翻耕技术改进而来,基本上可以归类为少耕的范畴,耕作过程中的水分的散失有所减少,应用效果很好.目前小麦免耕技术仍处于探索阶段,还存在一些制约因素,一是播种机具问题,由于地面残茬较多,目前能够保证免耕播种质量的理想机具还很少;二是小麦发育问题,由于免耕土壤早春地温回升慢,小麦发育迟缓;三是土壤养分问题,研究发现,免耕土壤早春养分供应存在一定障碍,但此问题可以通过施肥措施进行矫正;四是杂草问题,免耕麦田杂草危害较严重;五是产量问题,研究结果不尽相同,产量得到改善与否,需要进一步研究.笔者将关于小麦一玉米连作种植模式下的保护性耕作问题从以下几个方面进行综述.3.1少免耕,秸秆覆盖对播种及出苗的影响由于采用少耕乃至免耕,要求一定的作物残茬覆盖地表,保护性耕作势必对播种和出苗产生影响.AnneLegereLg的研究结果显示,即使将作物残茬从播种带上移到旁边,免耕的土壤温度仍然比传统犁耕低,而且玉米的出苗率及苗期的生长速率也稍有降低;然而,在营养生长末期或生殖生长早期免耕玉米的生长速率接近和超过传统犁耕.隋淑霞等口0研究表明,碎秆处理模式下,地表在覆盖物的遮盖下减缓了气体对流,表层水分蒸发慢,有效水维持时间长,在耕层中水分和肥料融为一体,提高了水肥利用率,使种子发芽和生长有了充足的水分和养分,出苗率较高.碎秆+灭茬旋耕下土地不平整,覆盖不均匀,碎秆掺杂土壤中,或覆盖物过多,导致种子播深不一致,分布不均,影响出苗.周兴祥等口妇研究表明,保护性耕作下小麦的播深低于传统耕作,小麦地苗期土壤温度低于传统耕作的土壤温度,使出苗延迟12d,但并未影响作物的生长.3.2保护性耕作对杂草的控制一项新的耕作措施的出现,必定会改变原有生态和生物体系,特别是病虫草害危害规律的变化.在粮食主产区引入保护性耕作,由于大量作为病虫寄主的秸秆直接还田,以及由它引起的土壤温湿度的变化,容易使大量病虫草害滋生,影响作物产量,进而对保护性耕作的推行产生不利影响,因此有必?72007年第7期要对其进行专门的研究.一般认为,传统翻耕更有利于控制多年生杂草,打断一些害虫的生活史和掩埋病原物L1.因此采用保护性耕作一般要加大农药的用量.免耕常常使多年生杂草增加.保护性耕作与传统耕作相比在耕作方式上和农田生态环境上有很大变化.残茬覆盖地表使土壤温度降低,土壤水分增加,杂草不能掩埋,多年生杂草有增加趋势.这使得一方面杂草的数量在开始的几年常常增多;另一方面杂草种类可能发生变化.同时,耕作强度对杂草的影响也很大,一方面,耕作强度的增加,为杂草发芽提供良好的种床,促进很多杂草发芽;另一方面,耕作强度又影响杂草种子库的大小及组成.多年试验表明,免耕土壤各层的杂草种子密度都是最高,随着耕作强度的增加杂草种子密度有降低的趋势.残茬覆盖对农田杂草的影响也很大.作物残茬通过影响土壤化学的,物理的和生物的特性,进而影响杂草和作物的发芽,生长和竞争力.从生物因素方面看,残茬覆盖使土壤表层有机质增加,微生物活动旺盛,小动物活动频繁,杂草种子易霉变或被取食.一般而言,残茬对于小粒种子的负作用更大,因为大多数主要作物的种子比杂草种子大13个数量级.残茬覆盖提供了抑制杂草的重要机会.残茬覆盖显着降低土壤日最高温度.BrainS和Manley的研究表明,一定量的温度波动促进多种杂草的萌芽.3.3保护性耕作对作物生长发育的影响采用保护性耕作常常导致土壤低温,这在一定程度上会延缓作物生长L1.免耕覆盖后作物早期生长受到抑制L1,覆盖下的土壤温度较低,是造成作物早期生长受阻的因素.VanWijk等L1指出,免耕造成的低温对玉米早期生长没有显着的影响.中国一年两熟区的冬小麦免耕栽培中暴露出一些问题,主要表现为早春土壤温度回升较慢,直接影响到小麦的返青和早期生长_1.由于秸秆的覆盖一方面减弱了光对地面的照射强度,使土壤吸热少升温慢;另一方面秸秆覆盖后虽然保湿保温效果好,但覆盖量大时麦苗发黄,分蘖时间推迟,分蘖少,幼苗素质差;最终造成有效穗数减少,产量降低.因此,免耕覆盖虽然使土壤水分增加,冬小麦产量却不能大幅度提高,从而影响了保护性耕作效益的发挥.周凌云等Ll9_3年的研究结果表明,覆盖秸秆比不覆盖秸秆冬季020cm土壤温度可提高0.52.5,有减轻小麦冻害,降低死苗率,保证小麦安全越冬及促进小麦根系发育的作用;小麦生育后期盖?R秸秆耕层土壤日均地温比未盖秸秆耕层土壤日均地温低0.310.51,有利于防御干热风对小麦的危害,也有利于后续作物苗期的生长发育.同时,秸秆覆盖在春季有调节麦田地温的作用,可抗御倒春寒不利气候对小麦的危害,促进小麦个体和群体的协调发育.籍增顺等L2研究表明,免耕覆盖后玉米生长早期5cm土壤温度比常规耕作低4左右,抑制了前期玉米的生长速度和叶分化速度,使各生育时期相应推迟;免耕覆盖玉米生长发育可分为两个阶段,即土壤温度决定期和土壤水分决定期;春季多雨,夏旱年份,免耕覆盖玉米最大生长速度明显大于常规耕作;在春夏连旱年份,免耕覆盖玉米旺盛生长期比常规耕作显着延长;随覆盖量增加,玉米最大生长速度增大;免耕覆盖造成的前期土壤温度回升慢,形成玉米弱苗,这样一个低温一弱苗组合有利于增强作物土壤系统的抗旱性.与常规耕作相比,免耕覆盖后拔节以前玉米根系短,干重低,拔节后逐渐超过对照,但根系分布以浅层为主.中后期充足的土壤水分配合浅层庞大的根系,使免耕保护性耕作玉米根系伤流明显多于常规耕作.3.4保护性耕作对作物产量的影响有关保护性耕作对作物产量的影响,很多学者对此进行了研究,结果不尽一致.原北京农业大学朱文珊等在北方一年两熟地区10多年的研究和生产实践证明,秸秆覆盖免耕技术具有节水培肥,省工争时,节能,增产增收等优点.一般年份增产1020,省工节能1/2左右,纯收入提高2040,土壤水分利用率提高2030,氮肥利用率提高10左右.康红等2经过5年的定位试验得出,采用免耕覆盖措施的初期小麦产量明显低于常规耕作,几年后二者产量逐渐趋于相当.贾树龙等2.研究表明,连续少耕和免耕处理的前3年对作物产量没有影响,之后小麦产量显着降低(最大降幅达到31.83);连续免耕对玉米产量并没有明显影响;深耕并不增加作物产量;秸秆覆盖有时影响小麦生长.陈素英等研究表明,覆盖免耕可以抑制夏玉米苗期土壤蒸发,增加夏玉米生长中后期的蒸腾消耗,而提高了作物的产量及水分利用效率.笔者认为,保护性耕作模式的适宜与否可能是导致不同研究者得出不同产量结果的原因.适宜的耕作模式有利于作物生长环境的改善.4展望保护性耕作栽培模式和配套机具的试验研究,河南农业科学是我国保护性耕作的发展方向.针对不同地区的自然条件,种植制度,经济水平,开展适应不同类型区,不同作物的保护性耕作技术模式,病虫草害防治方法,配套机具等方面的试验创新,逐步解决当前示范推广中的机具,植保,水肥高效利用,技术模式等瓶颈问题,并加快技术的组装,集成,配套和示范,支持和保障保护性耕作技术的广泛应用.因此,笔者认为,保护性耕作必须解决的一系列问题包括:保护性耕作不同农机具的应用;保护性耕作条件下小麦,玉米不同技术模式对土壤理化,生态性能的影响;保护性耕作条件下病虫草害发生规律及防治技术研究;秸秆覆盖与耕作方式对作物土壤生态的影响.保护性耕作涉及了育种,植保,土壤,作物栽培等多学科的知识,再加上人们对保护性耕作的优势认识不足,其在黄淮区的研究应用任重而道远.参考文献:1王法宏,冯波,王旭清.国内外免耕技术应用概况J.山东农业科学,2003(6):4953.2张树梅,薛宗让.旱地玉米免耕系统土壤养分研究一土壤有机质,酶及氮变化J.华北农,1998,13(2):4247.3陈绍兰.土壤免耕法的发展与应用J.山区开发,1995,5:6266.4高云超,朱文珊.秸秆覆盖免耕对土壤细菌群落区系的影响J.生态科学,2000,19(3):27-32.5牟善积.免耕,覆盖,深松配套技术及耕作模式的研究J.天津农学院,1998,5(2):20-24.6张海林,陈阜,秦耀东,等.覆盖免耕夏玉米耗水特性的研究J.农业工程,2002,18(2):36-40.7高焕文,李问盈,李洪文.中国特色保护性耕作技术J.农业工程,2003,19(3):14.8贾树龙,孟春香,张执欣.保护性耕作在河北省的区域适应性J.华北农,2003,18(院庆专辑):139141.9AnneLegere.ResidualeffectofcroprotationandweedmanagementonawheattestcropandweedJ.WeedScience,2002,50(2):496501.r1O隋淑霞,宇文剑飞,周景奎,等.保护性耕作对农作物生育及产量的影响分析J.农村牧区机械化,20021112131415161718192O21222324(4):6164.周兴祥,高焕文,刘晓峰,等.华北平原一年两熟保护性耕作体系试验研究J.农业工程,2001(6):8184.MohlerCL.Ecologicalbasesfortheculturalcontrolofannualwee