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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，主要分布在呼倫貝爾草原、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。東北地區年糧食產量占全國 1/4，糧食調出量占全國的 1/3，玉米、參展粳稻和大豆的產量分別占全國的 33%、43% 和 52%——東北地區的糧食生產對國家糧食安全至關重要。由于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范推廣。
東北平原是世界上退化防控形勢最為嚴峻的黑土區
黑土是大自然賦予人類的寶貴財富，由于黑土肥力高、保肥保水能力強，特別適于糧食生產。烏克蘭平原、北美密西西比河流域、南美潘帕斯草原和我國東北平原是世界僅有的四大黑土區。由于只用不養等原因，四大黑土區均經歷了不同程度的退化過程。
在土壤保護技術實施以前，土壤犁耕秸稈翻埋是烏克蘭平原、北美密西西比河流域、南美潘帕斯草原的常規耕作措施。犁耕翻埋措施加速了土壤有機質的礦化分解，但秸稈入土腐爛后可形成新的有機質，可以保障土壤有機質達成一定的平衡。但是，犁耕秸稈翻埋導致表層土壤疏松，春季遇到干旱大風，表層土壤風蝕嚴重；夏季遇到大雨，表層土壤水蝕嚴重。因此，北美密西西比河流域黑土的退化主要是由于犁耕秸稈翻埋引起的風蝕或水蝕而造成的黑土層“變薄”。
相對于北美黑土“變薄”的主要問題，我國東北黑土“變薄、變瘦”的問題都很嚴重，退化防控形勢更為嚴峻。在我國東北平原，秸稈離田或焚燒后進行旋耕或犁耕是常規的耕作方式，這種耕作方式容易引起風蝕和水蝕，從而使黑土層“變薄”；同時，土壤旋耕或犁耕加速土壤有機質礦化，秸稈離田或焚燒等措施造成有機物質歸還少，這導致土壤有機質形成不足，加速土壤有機質損失，造成土壤“變瘦”。中國科學院海倫黑土水土保持監測研究站觀測數據顯示，2007—2014 年研究站 5° 坡度土壤水土流失達到 2.42 mm。目前，我國吉林、遼寧、內蒙古黑土區的黑土層大多不到 30 cm，即使在開墾只有 60—80 年的黑龍江北部FRP黑土深厚區域，也需加強保護以阻止黑土“變薄”。黑土的形成需要漫長的歷史，自然條件下 1 cm 黑土層的形成需要 300—400 年。近 60 年我國黑土耕層土壤有機質含量下降了 1/3，部分地區甚至下降了 50%。推廣秸稈翻埋還田的各項技術能減緩或防止黑土“變瘦”，但風蝕、水蝕所引發的水土流失不能得到有效控制。我國黑土急需同時解決“變薄、變瘦”的土壤保護技術，實現黑土保護與利用并舉。
保護性耕作的由來和定義
保護性耕作的由來
保護性耕作是農田遭遇嚴重水土流失和風沙危害的慘痛教訓之后，人們逐漸品牌活動研究和發展起來的一種新型土壤耕作模式。美國的免耕農業可追溯至 18 世紀初，人們認識到可以用作物及其殘留物來減少土壤侵蝕；19 世紀，有定期報告報攤位設計道農民實行糧食和棉花輪作；20 世紀 20 年代，開始通過田間試驗來評價水蝕、風蝕對土壤生產力的影響，保護性耕作初具雛形。
20 世紀 20—30 年代，美國利用大型機械大面積、高頻次翻耕農田，加之持續氣候干旱，引發了震驚世界的“黑風暴”；大型公仔1931 年美國西部干旱地區的“黑風暴”橫掃美國大平原，厚達 5—30 cm 的表土被吹走，超過 3×105 ha 的農田被毀；1935 年第二次“黑風暴”橫掃美國 2/3 國土，3×108 t 表土被卷進大西洋，毀掉耕地 3×106 ha。全美冬小麥減產 5.1×106 t，美國南部各州 1/4 以上人口遷移。同年，美國成立了土壤保護局（SCS），組織土壤、農學、農機等領域專家，研究改良傳統翻耕耕作方法，研制深松鏟、鑿式犁等不翻土的農機具，推廣少耕、免耕和種植覆蓋作物等保護性耕作技術。隨著土壤保護局的建立，美國對免耕的評價更加組織化、系統化，這逐步掀開了保護性耕作技術研發和推廣的序幕。
保護性耕作的定義
美國農業部自然資源保護局（NRCS，原“美國土壤保護局”）和美國保護技術信息中心（CTIC）將保護性耕作定義為：當目標為減少水蝕時，任何可以保持播種后 30% 以上地面被作物殘茬覆蓋的耕作系統；當目標為減少風蝕時，任何可以保持至少相當于 1 120 kg/ha 的小粒作物殘茬在地面的耕作系統。后來，美國農業部對目標為減少風蝕的保護性耕作定義進行了限定：在關鍵風蝕期，任何可以保持至少相當于 1 120 kg/ha 的小粒作物殘茬在地面的耕作系統。加拿大農業及農業食品部將保護性耕作定義為：將大部分農作物殘留物（雜物）留在土壤表面的耕作方法。
國內對保護性耕作的定義認識不統一。有人認為保護性耕作技術就是秸稈還田，即只要能將秸稈還田的技術措施就是保護性耕作技術；有人提倡保護性耕作技術就是秸稈覆蓋還田和免耕，不能動土或者動土不能超過一定比例；還有人提出保護性耕作就是免耕播種，秸稈有無覆蓋意義不大。顯然，以上理解皆存在偏差，與世界公認的保護性耕作的定義和內涵不一致。比如，覆蓋耕作是美國目前應用面積最大的一種保護性耕作模式，但該技術全面動土，且播種后 30%—70% 地面秸AR擴增實境稈覆蓋。美國更注重秸稈覆蓋程度，地表有秸稈覆蓋，可有效控制風蝕、水蝕，因此秸稈覆蓋率越大效果越好，而對動土的限制并不重要。
保護性耕作在世界黑土保護與利用中的廣泛應用
土壤保護核心是防治風蝕和水蝕引起的水土流失，減少因過度使用化肥、酸化、鹽堿化及其他化學污染等引起的土壤肥力下降。通過保護性措施防治土壤侵蝕或消耗，在保護和改善土壤的同時可長期獲得較高的作物產量。
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。美國農業部數據表明，1963 年美國保護性耕作耕地比例為1%，1973 年、1983 年和 1986 年分別達到了 5%、20% 和 33%，2012 年 70% 的大豆地、2016 年 65% 的玉米地、2017 年 67% 的小麥地均使用了保護性耕作技術。從 20 世紀 60 年代開始，蘇聯、加拿大、澳大利亞、巴西、阿根廷、墨西哥等國家紛紛學習美國的保護性耕作技術，并在半干旱地區廣泛推廣應用。其中，澳大利亞從 20展場設計 世紀 80 年代開始大規模示范推廣覆蓋耕作、少耕、免耕等保護性耕作技術模式。目前，澳大利亞北部90%—95%、澳大利亞南部 80%、澳大利亞西部 60%—65% 的農田均實行了保護性耕作。加拿大從 20 世紀 60 年代引進保護性耕作技術，20 世紀 80 年代大規模推廣，目前已有 80% 的農田采用了高留茬、少/免耕等保護性耕作技術模式。以巴西、阿根廷為代表的南美洲保護性耕作應用面積也超過了 70%。
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人形立牌式發現，相對于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（展覽策劃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 的播種帶免耕玖陽視覺播種。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，由于對土壤擾動最少，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；作業后，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質量，減少低溫冷涼區或者澇洼黏濕區由于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質量問題。條耕技術下 7記者會0% 以上地表具備了秸稈覆蓋免耕的特點，剩余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，相對于秸稈深翻深埋的傳統耕作，條耕可實現大概率增產。
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后直接播種；在玉米等作物的拔節期前，深松中耕培土、整理壟型。該技術適于低溫、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，不進行水平方向的擾動，從而減少機具作業壓實層的產玖陽視覺生；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記者會可實現大量秸稈下提高播種質量、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范推廣具有很大難度、面臨巨大挑戰，主要存在 3 個方面的問題。
（1）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 年美國玉米輪作占玉米播種面積 80% 以上，1997—2006 年大豆輪作面積占大豆總播種面積的 97% 以上。玉米播種在大豆茬口，秸稈量小，不影響播種質量；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質量影響較小。玉米是我國東北地區的第一大作物，農民常年連作，由于大豆經濟效益較低，只有小部分地區存在大豆-玉米輪作。在連作條件下，玉米產生的大量秸稈，增加了保護性耕作技術的實施難度。
（2）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），約占玉米種植面積的 95% 以上。然而，我國東北各地區的玉米種植行距并不相同：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。行距大便于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、普及并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。
（3）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質量完成播種。保護性耕作技術至今的最大突破就是免耕播種機的發明并不斷發展和成熟。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，難以滿足大面積示范推廣需求，我國保護性耕作技術示范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”；經典大圖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于 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，先后在山西、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，并于 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范。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于 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發育規律；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閑種植模式，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，并在吉林省公主嶺市及范家屯鎮建立了技術試驗示范基地。
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，中國科學院沈陽應用生態研究所張旭東研究團隊在展覽策劃梨樹縣高家村建立了保護性耕作技術研究示范基地，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。該基地不同于原有小區試驗監測，集大面積示范監測與大區試驗于一體奇藝果影像，研究更接近生產實際。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
（1）免耕播種機的研制與產業化。我國高性能免耕舞臺背板播種機研制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制成功，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平，在吉林省人民政府推動下快速完善并實現產業化。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 多家企業生產類似產品。該類型免耕播種機市場保有量約 7.5 萬臺，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產業化使保護性耕作技術在我國東北落地生根。
（2）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范推廣過程中發現，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，玉米產量高、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，該技術解決了高產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質量問題。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、榆樹市等玉米高產區推廣面積擴大，保護性耕作技術示范推廣FRP進入新階段。
（3）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，以及玉米增產效果不穩定等問題。因此，一些合作社、種田大戶特別是代管農戶難以接受，高產開幕活動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、示范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范，但示范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，團隊研制出條帶耕作機，農機農藝結合后技術試驗成功。試驗田播種質量超過常規種植，苗齊、苗勻、苗壯，專家測產結果 2018 年 1.6×104 kg/ha、2019 年 1.7×104 kg/ha，達到了該地區歷史最高產量。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，制作并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范推廣。目前，該配套條帶耕作機已完成了一代、二代 2 種機型的研制與產業化生產。
（4）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于早春散墑提溫、如期播種，是美國應用于澇洼低溫區域的保護性耕作技術。由于該技術不改變行距，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干旱及低洼鹽堿區大面積推廣。目前，在吉林西部、內蒙古東部，該技術均有很大的示范推廣面積。但在生產實踐中發現，秸稈覆蓋壟作少耕在風沙干旱區存在保水抗旱效果不足、原茬播種出苗質量差的問題。2020 年，關義新團隊與參展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質量。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），吉林中部高產區、東部山區低洼區（2020 年至今）進行了試驗示范。
2015 年至今，梨樹縣人記者會民政府、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范推廣工作。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范推廣。
農業農村部和吉林省人民政府通過示范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范推廣項目；2006 年吉林省獲得了保護性耕作技術的立項支持，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采取了優先西部、照顧中部、重點平原、探索山區的原則，有計劃、有布局地建立保護性耕作技術示范縣；同時，通過設定示范戶、示范面積、示范機具數量等最低標準條件，確保示范技術和示范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，安排了示范戶購置機具項目經費給予累加補貼，示范作業給予面積補貼，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范農戶到手價格降至 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范推廣面積達 2 875 萬畝。
保護性耕作技術在梨樹縣的長期實施效果
2007 年，由中國科學院沈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、技術開發和示范應用相結合，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， TC:08designfollow
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