1、机械化保护性耕作研究机械化保护性耕作研究2011年11月23 日机械化保护性耕作研究 中国农业大学教授、农业部保护性精细耕作中心主任 高焕文 一、什么叫保护性耕作技术 保护性耕作是相对传统耕翻、裸露休闲的一种新型耕作技术，它的前身叫“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年以后逐步改为保护性耕作法；机械化保护性耕作是相对人畜力的保护性耕作而言，事实上没有免耕播种机、松机等的支持，保护性耕作也是难以实现的。 二、机械化保护性耕作的内容 机械化保护性耕作由四项关键技术组成：免耕播种技术，秸秆残茬处理技术，杂草控制技术，深松技术。 免耕播种技术。与传统耕作
2、不同，作物播种在地表有秸秆覆盖的土壤里，有些还是免耕的地表，所以必须使用 特殊 的免 耕播种机。 秸秆残茬处理技术。收获后秸秆和残茬留在地表做覆盖，这是减少水土流失、抑制扬沙的关键，为了充分发挥覆盖作用和便于播种等田间作业的进行，对秸秆残茬及地表要进行粉碎等处理。 杂草控制技术。保护性耕作要依靠除草剂或 表土作业来控制杂草。深松技术。保护性耕作主要靠作物根系疏松土壤，但由于作业时机具对地面的压实，还是有松土的必要。 根据情况，可以两年松一次，松土也是在地表有秸秆覆盖的情况下进行，对深松机具也有防堵的要求。 如山西省寿阳机械化玉米保护性耕作工艺流程为：人工摘运玉米穗一-粉碎或压倒秸秆-一深松(2
3、3年1次或免耕一-次年4月表土作业(圆盘耙、浅松、机）-免耕施肥播种-人工间苗-喷除草剂1次-收获。 山西省临汾冬小麦机械化保护性耕作工艺流程为：收获后深松-喷除草剂-表土作业（浅松或浅旋）-9月兔耕施肥播种-次年4月喷除草剂-收获。 三、北方旱地为什么要采用保护性耕作技术 这是由我国北方早地农业的生产和环境条件决定的。 干旱少雨，灾害频繁，产量低而不稳，农民生活贫困； 农田裸露、水土流失严重、沙尘暴猖獗； 什么样的耕作技术能同时解决这两个问题?传统的翻耕技术(运走或烧掉秸秆，翻地整地、地表裸露休闲)能不能解决?不能。一定时期内它可以提高产量，但是它导致水土流失严重、沙尘暴加剧。所以必须采取既
4、能提高产量，又能保土保水的农耕技术，这就是要发展保护性耕作的原因。 四、保护性耕作的效益 根据我们在山西9年的系统试验测定，保护性耕作技术与传统翻耕耕作技术相比有七方面效益： 降低地表径流60左右、减少土壤流失80； 减少大风扬沙60左右，抑制沙尘暴，保护生态环境； 增加休闲期土壤贮水量。提高水分利用效率17-25； 增加产量，春玉米平均增产16，冬小麦增产13； 改善土壤物理性状，增加土壤肥力： 减少生产作业工序2-4道，节约人畜用工50一60； 提高经济效益，收入增加20一30。 现在保护性耕作已在山西省31个县示范推广，总面积达到150多万亩。 五、国外保护性耕作的研究与应用 西方国家在
5、大规模开垦100200年、机械化作业几十年后，发现耕地先后出现两个大问题，影响着农业的持续发展。一是 土壤水蚀、风蚀，生态环境恶化，耕层变浅，产量下降；二是土壤压实，土质变坏，产量降低，能耗增加。为此从20世纪30年代开始，美国、澳大利亚、英国、前苏联及以色列等先后发展了保护性耕作法，以保护生态环境，避免土壤退化。 1、美国的保护性耕作 美国是最早研究保护性耕作的国家，起因于20世纪30年代震惊世界的黑风暴事件。19世纪中叶，美国组织向西部旱农区移民，鼓励大面积开荒种地，大量饲养牲畜。铧式犁深翻深耕，短短数十年的 好收成后，由于过度耕作和放牧，掠夺式经营，草原植被严重破坏，农田肥力日趋衰竭，产
6、量逐年下降。到20世纪30年代，一轮干旱周期出现，终于发生了毁灭性的黑风暴。大风横扫中部大平原，到处风沙蔽日，尘埃滚滚。黑风暴过后，大地被刮走10-30cM厚的表土，毁坏了450万亩以上的良田。此后，美国成立了土壤保持局，对各种保水、保土的耕作方法进行了大量研究。实践证明，以秸秆覆盖和少、免耕为中心的保护性耕作法，大幅度地减少了水土流失，减少了大部分的田间起沙，在解决沙尘暴问题中起了突出作用。保护性耕作还减少蒸发、减少径流、增加土壤蓄水量，提高作物产量。如内布拉斯加州测定结果：常规翻耕径流占降雨11、蒸发占82、田间蓄水仅7；而保护性耕作径流为1、蒸发74、田间蓄水达25。由于蓄水多，粮食产量
7、增加。此外，保护性耕作还节省劳力，节约能源，减轻土壤压实及结构破坏，科罗拉多州推广保护性耕作法后，田间作业次数由710次减少到35次。 1988年开始，美国以秸秆残茬覆盖量多少为主要依据，把土壤耕作分为三类模式： 播后地面覆盖率30，免耕或播前一次表土作业，用除草剂除草，称为保护性耕作。 1995年美国各类耕作模式的面积为：保护性耕作5.92亿亩，少耕4.19亿亩，传统耕作6.58亿亩。保护性耕作与少耕合计占 60以上，95以上取消铧式犁。 2澳大利亚的保护性耕作 澳大利亚地处南半球，干旱面积占81左右，是典型的旱农国家。它的不少地方土层厚度仅lOOcm左右。经过20世纪初以来几十年翻耕作业，
8、水土流失严重、土层变薄，对澳大利亚农业生产的可持续发展威胁巨大。专家预测，如果不采取措施，100年后全澳耕地面积将减少50。70年代初，政府在全国各地建立了大批保护性耕作试验站，推广保护性耕作法，取得了显著成绩。大量试验表明，地面覆盖是一项有效的保水保土措施。有残茬覆盖的农田里比裸地休闲田减少地表径流40左右，最大径流速度降低7080，土壤受冲刷程度降至裸露农田的110，冬季残茬还能减弱地面风速，截留雨雪。昆士兰试验站15年对比试验表明，三种保护性耕作体系：覆盖耕作(松耕、表土耕作、机械除草)、少耕(松耕、表土耕作、化学除草)、免耕(免耕、化学除草)的小麦、高梁平均产量分别为221.33、23
9、0.67和242.67kG亩，传统对照为162.67kg亩。增产原因主要是土壤含水量增加，土壤结构和土壤肥力改善。以能表明土壤结构改善的蚯蚓数量为例，实施保护性耕作后，土壤中的蚯蚓数量增加，分别为21、33和44条m2，而传统耕作只有19条m2。 3前苏联的保扩性耕作 前苏联的旱农区分布在北纬5053以南，包括草原带与半荒漠带，共有耕地14.55亿亩，占前苏联耕地的46.5，是前苏联的主要农业区。大部分旱农 地区 年降水量在350-450rnm之间，雨量在各季节分布均匀，冬春多雨雪，温度低，蒸发少。但是，干旱、风蚀与水蚀仍是农业的主要威胁，风蚀面积达10.5亿亩，产量低而不稳，年间差异大。 五
10、十年代，全苏试验了马尔采夫无壁犁耕作法，效果不理想，杂草太多。随后，结合马尔采夫耕作法与加拿大的抗旱留茬耕作法，配合施用除草剂，形成了一套适合旱地的保水保土耕法作(深松覆盖法)，地表保留80左右根茬及植物残体，既稳固土壤减轻风蚀水蚀，又能截留雨雪，产生了保护环境和增产的重大效果，因此获得了列宁奖金。 六、中澳合作课题的保护性耕作研究 中国农业大学、山西省农机局与澳大利亚合作进行的保护性耕作研究内容主要为三个方面： 1保护性耕作机理研究 对早耕地的水土流失进行定量测试，对保护性耕作的保水保土机理和作用因素进行系统测定和深 入分析，从而为确定保护性耕作体系及其适用条件范围，提供理论依据。 天然降雨
11、径流试验：建立了专门的径流测试区，应用翻斗式径流测试仪、自动化微型气象站等先进装备，对不同耕作体系在不同降雨情况下的径流和土蚀进行同步监测，得出大于40mm暴雨下传统耕地水土流失严重，保护性耕作可减少径流量52，减少土壤流失量80。增加秸秆覆盖量和减少土壤压实是减少旱地水土流失的有效措施。在覆盖、压实及耕作三因素中，覆盖对水土流失的影响最大占47，压实次之占37，耕作的影响较小。 犁翻法与深松覆盖法对小麦产量的影响 单位 kg亩 产量 试验单位 试验年份 增产 犁秋耕翻深松覆盖 全苏谷物所耕作室 1967-1975 527 84 313 北哈萨克农业实验站 1966-1973 82 96 14
12、 乌拉尔农业试验站 1971-1975 567 747 18 西伯利亚农业研究所 1968-1974 787 98 193 新西伯利亚农业实验站 1963-1967 1053 1247193 阿尔泰机器实验站 1967-1974 647 827 18 萨拉托夫农学院 1969-1972 473 727 253 古比雪夫农业实验站 1967-1973 013 1133 12 除上述国家，在旱农耕作方面有特点的国家还有以色列、印度、埃及、巴基斯坦等。 人工模拟降雨试验：应用先进的人工模拟降 雨器，前后进行了7次模拟降雨试验。证明保护性 耕作具有明显的减少水土流失，增加水分人渗的效 果。在土壤较干燥
13、时，覆盖影响最大，有90的作用，在土壤较湿润时，压实的影响最大。 保护性耕作增产机理试验：在设置的小麦、玉 米保护性耕作体系试验区内进行了长达8年的连续 监测，证明保护性耕作处理的土地休闲期蓄水量、播前土壤含水量、水分利用效率均高于传统耕作。以1999年为例，播前0-30cm土层内的土壤含水量小麦免耕覆盖压实处理比传统高23；免耕覆盖不压实比传统高1616；浅松覆盖不压实比传统高2937。从而为保护性耕作玉米果穗长、千粒重 大、产量高，小麦千粒重大和穗粒数多、分蘖成穗率 高提供了依据。保护性耕作处理的小麦平均分蘖成 穗率为888，而传统为765。 2保护性耕作体系试验研究 设立了冬小麦、春玉米
14、系统试验区，进行多年连续的田间体系试验。试验得出的玉米三套保护性耕作体系为： 免耕碎秆覆盖体系，轻壤或砂壤 地区 ； 免耕倒秆覆盖体系，冬季风大的 地区 ； 玉米深松碎秆覆盖体系，土壤粘重贫瘠的 地区 。 小麦三套保护性耕作体系为： 小麦免耕碎秆覆盖体系，轻壤或砂壤土 地区 ； 小麦深松碎秆覆盖体系，土壤粘重的 地区 ； 小麦深松整秆覆盖体系，机械化水平低，用割晒机或人工收获的 地区 。 上述保护性耕作体系中，免耕是指不进行翻耕或深松等深层耕作，并不包括表土作业。表土作业是否进行，要根据当时具体情况而定，如秸秆量太大，难以保证播种质量，可以通过表土作业减少；如地面严重不平，应采用表土平整作业。
15、表土作业的主要机具有圆盘耙、浅松机、弹齿耙、旋耕机等，可以因地制宜地选用。由于表土作业和机械除草的运用，极大地加强了保护性耕作体系应付各种地面条件的能力，丰富了保护性耕作的内容。 3中小型保护性耕作机具开发研制 保护性耕作专用机具有三种：免耕播种机、深松机和浅松机。配套机具有秸秆粉碎机、喷雾机、圆盘耙、旋耕机等。国外的保护性耕作机具以大功率大机组为主。如免耕播种机基本是多梁牵引式大型播种机，播种机在秸秆覆盖地的通过性好。但多梁带来机组长、转弯半径大、以及结构复杂、价格昂贵等问题，不适合我国小地块、经济欠发达的国情。为此，必须开发适合我国国情的免耕施肥播种机。 免耕覆盖施肥播种机除要有传统播种机
16、的功能外，一般还必须有清草排堵功能、破茬入土功能、种肥分施功能和地面仿形功能，从而满足免耕覆盖地的 特殊要求。现以中国农业大学研制的轮齿拔草型玉米免耕覆盖精播机为例，介绍保护性耕作机具如何实现上述功能。 清草排堵功能。包括避免秸秆堵塞机体或杂草缠绕机件，使播种机无法前进的功能，以及清走种行上的秸秆、把种子播在土里的功能。多数免耕播种机采用切草盘+分草板的排堵装置，只能在秸秆覆盖量较小的情况下通过；部分采用八字型双分草盘，排堵能力强，但土壤翻动量较大，功耗较大；2BMQF-4C型播种机上采用了切草盘+轮齿式拨草轮，排堵能力强，而且土壤搅动量小。 破茬入土功能。免耕地面坚硬，又有作物根茬，故要求选
17、择人士能力强的开沟器。我国应用较多的是双圆盘开沟器和靴式开沟器，它们产生的沟形较好，且圆盘不容易缠草或挑起草根，但需要较大的正压力才能人土，要求机器有相当重量。2BMF-4C型播种机选用尖角铲式开沟器，开沟窄、入士性能好、可以自动回土，而且结构简单、价格低廉。 种肥分施性能。我国保护性耕作施肥量较 大，一般每亩要2333ks以上。如种肥混施，容易烧种子，施肥量不能大。中国农业大学研制的复合型种肥分施开沟器，肥料和种子垂直间距在5cm以上，满足了大施肥量下不烧种子的要求。 项目研制的中小型保护性耕作机具有： 2BMF-4型中型玉米免耕覆盖精播机 2BMF-912型中型小麦免耕覆盖播种机 2BMF
18、-3型小型玉米免耕覆盖播种机 2BMF-6型小型小麦免耕覆盖播种机 1SY-210型中型凿形带翼深松机 ISS-280型中型柱铲式间隔深松机 1QJ-280型中型箭铲浅松机 1QI-140型小型箭铲式浅松机、弹齿耙等。 七、保护性耕作在一年两熟生产中的应用 首先必须说明，二年两熟制采用保护性耕作技术是一个新问题，国外没有成熟的经验，国内的试验研究才刚起步。如果把一年两熟的保护性耕作搞好了，将不仅是对河北农业生产的巨大贡献，也是对我国和世界上类似水资源缺乏 地区的巨大贡献。 1华北机械化一年两熟生产中存在的问题 机械化一年两熟生产体系是河北和华北 地区 农业的巨大成就，达到了在有限水热资源条件下
19、高产高效，为缓解我国人多地少的吃饭压力，做出了巨大贡献。世界上类似水热条件 地区 ，基本上是一年一熟，产量低得多。然而，华北 地区一年两熟机械化生产中，也存在着影响可持续发展的几个重大问题。 水资源过量开采，难以持续发展 从60年代开始发展灌溉到现在，不到40年时间，华北 地区 地下水位平均下降了50m80m，每年下降lm多，多数 地区 抽水的水泵，已经更换两代，由低扬程的离心泵换为高扬程的柱塞泵，再由一级提水变为二级甚至多级提水。分析其原因，主要是提水过多、超过了降雨补水能力。如小麦一般要灌4-5次水，玉米要灌12次，全年每亩约需300500m3，漫灌水的利用率只有40一50，相当于要消耗l
20、m16m厚水层。地下水一般很难补充，都是消耗。地下水层厚度是有限的，一旦开采完了，生产将难以维持，必须加快发展节水灌溉和保水耕作技术。现代节水灌溉技术可以直接减少灌溉的浪费，提高用水效率。保水耕作则主要是用秸秆覆盖和少免耕技术，减少径流，提高蓄水效率，减少蒸发，提高水分有效利用率。随着全球变暖和于旱的加剧，水资源将愈来愈宝贵，不可能从地下水中给农业提供更大的份额，一年两熟机械化农业生产体系只有广泛采用各种节水措施，逐步减少灌水，实现地下水的平衡，才能实现可持续发展。 焚烧秸秆、污染环境、降低土壤肥力 这是影响华北一年两熟农业技术发展的第二个因素。近几年报纸电台都在报道，焚烧秸秆造成天空浓烟密布
21、，飞机不能起飞，布厂织的白布成了灰布。焚烧秸秆不仅污染环境、浪费物质资源，也烧掉土壤水分，影响土壤微生物繁衍和土壤团粒结构。 要避免烧秸秆，必须给农民提供处理秸秆的手段和方法。目前三夏收小麦、播玉米采用免耕播种的方法已经为农民所接受，关键是要提供技术过关、性能可靠的玉米免耕播种机。中国农业大学研制的带状粉碎免耕播种机，今年在天津、廊坊等地试验，表现出了领先的防堵性能，是一种很有前途的机型。三秋收玉米、播小麦的问题还比较大，有待解决。 生产成本高、不适应加入WTO有待解决。 首先是农业机器配备量大，如河北、北京的典型 地区 ，农机动力已达0408kW亩，大大超过全国平均配备水平，也超过日本、德国
22、的配备水平。主要原因是作业时间短，作业项目多，机器综合利用差。如玉米播种机一年只能播5-7天，小麦播种机，也是作业不超过10天，作业期短，机器每项作业的成本就高。而作业项目又多，如秋季有：玉米收获、粉碎秸秆、耙茬12次、施肥、翻耕、耙地、作畦、播种等810余项作业，生产成本不可能低。随着我国加入世贸组织，粮食价格还可能进一步下降，给现行机械化体系的可持续性带来更大的阴影。 综上所述，华北 地区 一年两熟机械化生产体系的改革事在必行!需要考虑既能节约用水、又能不烧秸秆、还能降低作业成本的机械化耕作方式，保护性耕作在一年两熟 地区 的应用就必然会提到试验研究的日程-上来。 2一年两熟 地区 机械化
23、保护性耕作的初步实践 河北农机局在三夏免耕播种玉米上，做了大量工作，该项技术已经为广大农民所接受，从而为全面采用保护性耕作，做了较好的思想和技术准备。三秋免耕种小麦显然要比三夏免耕播玉米困难，一是玉米秸秆量大，秸秆量几乎达到小麦秸秆的一倍，而且秸秆粗大，给免耕播种带来很大困难；二是农艺试验已经发现，玉米秸秆覆盖使得次年小麦生长积温减少，影响厂j、麦的成熟度；三是用多少秸秆覆盖?是否全年免耕等，尚缺乏系统全面的试验研究。所以，三秋目前适合以少耕为主，用深松等办法保持土壤合适的坚实度，秸秆也不一定全部覆盖，可以拿出去一部分，或者混入土壤一部分，确保小麦播种质量。从中国农业大学在廊房的初步试验看，三
24、秋用深松代替翻耕，经过秸秆粉碎和表土作业，直接播种小麦，保留30以上秸秆覆盖，把作业次数减到57项，减少3-4项，降低作业成本是完全可能的。 八、世界发展的启示 华北平原机械化的许多问题是世界性共同问题，如水资源缺乏，土壤压实、退化，投入过大，成本过高，环境污染等。因此了解世界发展趋势，对我们会有很好的参考价值。概括起来世界机械化耕作发展趋势主要在四方面，保护性耕作、固定道作业、定点耕作和精细农业。简单介绍如下。 1固定道耕作(ControlledTrafficTillage) 固定道作业解决土壤压实、作业能耗大、成本高的思路是：把车轮行驶道和作物生长带分开，轮子只能在固定的车道上行走，不压实
25、作物带，而车道因为压得结实反而提高了牵引性能降低了能耗。澳大利亚昆士兰大学十年试验表明，固定道耕作比传统耕作可节省能耗50，作业三年以后，土壤形成均匀的团粒结构，为作物生长提供良好的水土气环境，单位面积产量增加10一15。 固定道作业法车道要占用一定的耕地，为改进这个问题，研制出了宽幅作业机组。典型的有rJ架式作业机，英美叫“Gentry，以色列叫“FarmPowenit“。80年代早期美国的门架式作业机宽6m，80年代后期英国、以色列、澳大利亚研制的门架式作业机多为12m宽，固定道宽05-06m，只占总面积45，总产量将提高。 2，“定点耕作“(Site-SpecificTillage) 田
26、地并非均匀的压实，例如，地头是拖拉机回转地带，压实就要比地块中部严重得多。美国农业部国家土壤动力学实验室的测试表明，影响作物根部下扎的土壤硬底层分布在025m到040m之间，有的地方甚至没有硬底层，因此均匀深松0。4m的方法虽然可以消除压实， 但无意间形成能源浪费。采用定点耕作的方法，按照“土壤地图“的指示调控深松铲深度去作业，可以 节省油耗26一34。在阿拉巴玛州的实验还显 示出这种有目标耕作的方法，不仅节省能耗，而且增 加产量10。 3“精细农业“(PrecisionFarmin) “精细农业“是依据农田小区内作物生长环境条 件的时空差异性、产量差异性而发展起来的按需精 确投入，按需精确管
27、理的农业生产技术，可以更加科 学有效地提高耕地资源的潜力，合理投入，科学管 理，实现作物的最佳经济生产。 精细农业技术包括如下五个方面的基本技术支持，即：(1)土壤、病、虫、草害、作物产量等信息实时采集与处理技术；(2)DGPS田间定位技术；(3)基于 G1S的层次空间数据及其管理系统；(4)作物栽培、 生产管理决策支持系统；(5)智能化控制的农业机 械。 精细农业目前的用途有：(D为拖拉机行走导向， 作业非常精确，还可以减轻驾驶员疲劳，易于实行夜 间作业；通过精确的测试与控制提高播种质量； 定时定量施肥；定时定量灌水；对靶定量喷洒农 药，有效地控制病虫草害，节约农药，保护环境。 针对河北农业生产的问题和优势，在发展机械 化保护性耕作的基础上，引进国内外其它先进的种 植与耕作技术，形成具有自己特点的机械化保护性 耕作体系，取代目前不利于持续发展的耕作体制，提 高资源利用效率，提高农产品质量和数量，增加农业 收入，保护生态环境，必将对河北21世纪农业可持 续发展起重大作用。 中国农业大学愿意与河北省合作，在发展保护性精细耕作中做出自己的贡献。（02-7-7） （研究室提供） 特别声明： 1：资料来源于互联网，版权归属原作者 2：资料内容属于网络意见，与本账号立场无关 3：如有侵权，请告知，立即删除。
