低碳农业的重要技术——免耕栽培

熊继东,成燕清

(湖南省植物保护研究所,长沙 410125)

免耕栽培是指不需耕翻、平整、中耕及培土这些耕作措施,仅开小的播种或移栽穴,同时尽可能地将作物秸秆等残茬覆盖表土的栽培方法。它节约了耕作所需人力、机械、能源或畜力的投入,且只要技术措施达到它的要求,在同等条件下,免耕栽培较传统耕作增产明显,因而很明显地减少了碳排放和提高了碳利用。同时最新研究表明,耕翻土壤促进土壤有机碳以 CO2形式向大气释放。作物残留物和土壤有机质在土壤表层的累积是免耕最典型的特点,它能促使有机质在土体中再分布,也有助于在土壤中贮存较传统耕作更多的有机质[1],因而免耕栽培更加减少了碳排放,所以,免耕是低碳农业重要的技术之一。

1 免耕栽培的形成

19世纪初美国大量用铧式犁开荒,将数千万公顷干旱半干旱草原开垦成农田,耕翻后多次耙压碎土、裸露休闲,获得了几十年的好收成,粮食大量出口,为美国带来丰厚的经济利益。到了20世纪30年代,连续数年在美国西部刮起举世震惊的“黑风暴”,大风在没有遮拦的农田裸地上横扫,成千上万吨表土被风刮走。 1934年 5月一场典型的沙土暴从美国西部刮起,连续 3 d,横扫 2/3国土,把3亿多吨土壤卷进大西洋。仅这一年美国毁坏300多万公顷耕地,冬小麦减产510万吨,16万农民倾家荡产、逃离西部,留下的人们生活极其困难,不少人死于沙土暴引起的肺炎。之后美国对防止水土流失问题引起广泛重视。1943年美国俄亥俄州农学家 Edward Haulknor曾用园盘耙 (不用犁)整地,并把残茬留在地面,减少水土流失。他写的《犁耕者的愚蠢》一书,明确提出反对犁耕,引起了各国农学家的重视。20世纪 50年代初,各国开始进行减少耕作环节和次数的少耕试验。加之当时除草剂的不断合成,有力地推进了这些试验,随后逐步发展到除了只开播种沟或穴,将种子播入土中的措施外,不进行任何耕作的免耕栽培法[2]。

2 免耕增产的原理

作物生长的土壤所含的水分,既不能太高也不能太低。如果水分含量太高,土壤透气性必然差,土壤温度就上不来,养分转化供应慢;反之,如果土壤含水量太少,土壤肥、气、热三因素也会变差。无论是多雨或干旱的情况下,免耕土壤的水分含量均不会太高,也不会太低,因为免耕未破坏土壤的结构、层次和毛细管通道,加上土壤动物和前作根系腐烂所残留的孔隙,从而构成上下连贯的通透体系。降雨时,雨水能迅速渗入土层,可达到雨停即爽;干旱时,又能大大降低蒸发,且能迅速将深层水分吸到作物根区,因而土壤内水分含量较稳定和适宜,相应带来土壤透气性、保肥供肥性及土温的较稳定和适宜,水、肥、气、热协调性好。加上免耕土壤上层肥沃,更能为作物根系生长提供一个相对稳定的通透环境,所以无论是旱地还是水田,只要搞好了杂草防除等配套措施,作物免耕栽培的长势一直要比传统耕作的好。而传统耕整分散了土体,破坏了土壤团粒结构和孔隙状况,刚耕过的土壤在晴天水分大量蒸发,降雨时的雨滴冲击,使细小颗粒移动,将土壤表层孔隙堵死结皮,这样大量的雨水无法迅速进入土层内,在表面形成径流,造成水土流失,少部分进入耕作层的雨水,因孔隙状况被破坏,加上形成了犁底层等原因,易滞留在耕作层中,导致土壤含水量过多,干旱时表面结皮的土壤会迅速开裂,水分大量蒸发,含水量又会太少,也带来了土壤透气性、保肥供肥性及土温状况变差,从而影响了作物的正常生长发育。

土壤免耕后将变得紧实,但这并不会阻碍根系或地下根茎(如红薯、萝卜、马铃薯等)的生长,因为它们的生长,并不像机械钻入土壤,而是产生了很多复杂的生理生化变化,除呼吸放出二氧化碳遇水形成碳酸外,还能分泌出柠檬酸、苹果酸等有机酸,这些无机酸和有机酸都能溶解难溶性矿物、甚至是岩石。在同等条件下传统耕作的根系粗而少,与土壤接触面积少,白根比例也小,而免耕的根系细而多,与土壤接触面积大,白根比例也大,表土层分布亦较多(这是因为免耕表土层水、肥、气、热等因素协调较好所致)。

天然植被是肥沃土壤的缔造者和保护者,农田改良的主要措施是秸秆覆盖、残茬盘踞和施用有机肥料,耕翻、中耕反而破坏土壤。

3 免耕栽培的优越性

可以这样认为:免耕栽培是耕作技术发展史上的一次革命,是现代“生态农业”的重要组成部分。在美国,有人说它是自“杂交玉米”以来农业上最重要的进展。具体优点如下:

(1)节约投入。节约耕作所需的人工、畜力、能源、机械等投入,虽然有时增加除草剂的投入,但节约的远大于增加的。

(2)有利劳动力的转移和规模经营。

(3)增加产量。只要达到免耕所需的配套技术,在同等条件下,免耕比传统耕作增产是个客观规律,增产幅度因气候、土壤、作物及栽培措施不同而异。多年对比试验证实在没有秸秆覆盖的情况下,一般增产 5%～10%;在有秸秆覆盖的情况下,一般增产10%～20%。在我国北方干旱严重或南方雨水很多的气候条件下,免耕栽培因具有显著的保水、爽水优势,因而增产将更明显。

至于有免耕减产的,是因为配套技术未跟上,如:早春在甘蔗蔸部覆盖了较厚的蔗叶,因地温难以上升,使出苗变差而减产,而将蔗叶在出苗时只盖行间,不盖蔸部,甘蔗免耕又表现增产。又如南方水稻免耕基肥中氮素化肥如按传统耕作一样施用,因免耕不能深施,禾苗未吸收的就会大量挥发流失,几天后,禾苗往往又缺氮肥,故导致增产不明显、平产或减产,而减少基肥中氮素化肥用量,增加追肥比例和次数,按照免耕的具体情况施用,水稻免耕又表现增产。

此外,大面积应用免耕后,因省工有利适时提早种植,故大面积的产量又因不违农时而增加。

(4)保护土壤。免耕能大大提高土壤抗水蚀和风蚀的能力,如将前作根系保留在土壤中,并搞好秸秆覆盖,水土流失量将减少到接近零。它是解决我国日益严重的沙尘暴、干旱、洪涝、河湖淤积、土壤砂化(石漠化)、地力下降等日益严重灾害的主要措施。

(5)增加土壤有机质。最新研究表明,耕翻土壤促进土壤有机碳以CO2形式向大气释放。作物残留物和土壤有机质在土壤表层的累积是免耕最典型的特点之一,免耕不仅促使有机质在土体中再分布,也有助于在土壤贮存较常规耕作更多的有机质[1]。

(6)改善水和大气质量。地表作物残留物有助于截留和保存植物养分(特别是 P素)及农药和除草剂,减少这些物质随径流进入地下水的机会。同时富含有机质的免耕土壤中,活跃的微生物活动可加快土壤中农药和除草剂的降解,从而保护地下水和地表水质量。作物残留物覆盖地表,可阻止风蚀,降低空气尘土含量,从而改善空气质量。降低能源消耗和加强土壤固碳,有益于缓冲大气温室效应[1]。

(7)增加生物多样性。作物残留物覆盖层,既为多种生物群系提供了生存空间,也为它们提供了食物和能量来源[1]。

4 免耕与少耕

除免耕外,还有少耕和保护性耕作的提法。在美国,免耕是指播前不耕翻,播后地面覆盖率大于30%;少耕是指播前不深松或翻耕、播后地面残留覆盖只有15%～30%,多次表土作业[2]。其实免耕的产量和防止风蚀、水蚀效果均好于少耕。该国少耕存在的原因是:除草剂往往难以彻底防除所有杂草,因人平管理的面积大,难以辅助少量的人工除草,为清除这些,他们不得已进行一些耕作。在我国,少量杂草可结合轮作、人工除草等措施综合控制,因而免耕栽培能更广泛地应用。

至于我国有甘蔗少耕等报道,其实是化学除草后不中耕,播前仍耕整。根据研究,甘蔗在我国完全能应用免耕栽培,且明显比化学除草不中耕先进。

5 免耕栽培与化学除草等控草措施的关系

杂草总是伴随作物生长,由于长期的自然选择,杂草具有了旺盛的生命力和强大的竞争力,要想有好的收成,必须控制杂草的危害。

在没有除草剂的情况下,杂草防除的主要手段是耕翻、中耕这些耕作措施。这也是形成传统耕作的主要原因,传统耕作措施在没有除草剂的情况下有些是符合生产实际的。

其实,耕作的有益作用主要是防除杂草,如果杂草通过轮作、密植、化学除草等非耕作措施控制后,再去进行耕翻中耕等作业,则破坏了土壤结构,造成作物生长变差,即使耕作没有损伤作物根系,生长也同样变差,损伤了作物根系,则变得更差。耕作除使作物生长变差外,还带来水土流失,地力下降等弊端。免耕栽培将不再采用传统耕翻、中耕、培土措施,必须通过除草剂、轮作、密植、种植覆盖作物及少量人工除草等措施来控制杂草。免耕栽培能否成功,主要取决上述控草措施能否成功。当然,免耕栽培还需搞好与之配套的病虫防治、肥料施用和水的管理等。

单纯依靠化学除草难以彻底地控制杂草,还需结合轮作、密植、种植覆盖作物及少量工除草等措施,这样免耕法才能长期地、广泛地应用。

并非所有的免耕栽培均需化学除草,如苎麻、甘蔗宿根、水稻再生,在良好的管理下,因宿根苗(再生苗)早生快发,完全可通过自身竞争优势来抑制杂草。油菜、紫云英的免耕栽培,在良好的管理下,也可通过自身较旺的生长来抑制杂草。

6 免耕栽培与施用专用药物

免耕栽培不需施用专用的药物,国内外推广了那么多的免耕,都没有施用专用药物。有些人说免耕要施用专用药物,这是骗人的,是误导农技人员和农民。至于说它是有益的土壤调理剂,各地也应严格试验确认后才能推广,它与免耕的成功没有关系。如果没有病、虫、鼠、草的危害,那么免耕也不必施用防治病、虫、鼠、草的药物;如果有上述危害,则应选用相应的防治药物。

7 免耕栽培所适合的作物和土壤

国内外实践已证明,免耕栽培适合所有植物,包括小麦、玉米、水稻、油菜、棉花、甘蔗、甜菜、辣椒、果树、林木、草类等。

免耕栽培适合于绝大多数土壤,但排水不良、透水性差的重粘土免耕种植旱作物,会使土壤保持水分过多,土温降低,造成生长不良。但这些土壤在排开冷浸水后,可免耕种植水稻。如通过使用大量有机质等措施来改变此类土壤的结构,并开好排水沟排除渍水,免耕种植旱作物也能成功。

8 免耕栽培与免耕时间长短

只要搞好杂草防除等管理,土壤可以长期免耕下去。其实农作物种植与森林草木一样,可长年累月采用免耕,并非隔 2～3年又要翻耕一次。如果做到将前作残留根系保留在土中和将秸秆覆盖还田,免耕时间越久,土壤结构将越好,也更利于作物生长。我院免耕栽培定位试验已达30年之久,湖南常德西洞庭农场5 730 hm2土地 10多年一直采用免耕,且免耕比传统耕作总是增产。英国还有 100多年免耕成功的报道[4]。

9 免耕栽培的病虫害变化情况

免耕栽培与传统耕作方法比较,有些害虫增加,有些病害减轻,有些病虫害差别不大。如:花生田免耕后,地老虎增多;而棉花免耕后,立枯病和枯黄萎病减轻,特别是立枯病,仅用免耕措施就可控制,防效可达98%以上。英国也报道,免耕小麦的全蚀病显著减轻。

虽然有些害虫增加,但并没有达到影响免耕应用的程度,有些还很好解决。如水稻免耕二化螟增加,可采用在越冬代快羽化时,将稻田淹水,并用牛拖辊将稻蔸和绿肥压入水中,这样就可淹死田中的二化螟。

10 免耕栽培的肥料施用

免耕栽培的化学氮肥施用方法,有些与传统耕作不同,有些则基本相同。如水稻采用传统耕作法栽培时,因稻茬等秸秆翻入泥中,导致生物夺氮,底肥中氮素化肥需施得多,而采用免耕的则不需施那么多,也不能施那么多,因为不是深施,易挥发流失,基肥中的化学氮肥比例应减少,追肥的比例应增加,且湿润施用,但总耗氮量免耕往往要少于传统耕作。原因主要是免耕追肥比重较大,利用率较高。而玉米等旱作采用传统耕作方法与免耕法栽培的一般都是根据不同时期追几次肥,追肥时期、追肥次数、用量等都基本一致。有少量报道免耕作物易早衰和氮肥用量较多,这是没有按照免耕栽培的要求施用所致。

免耕栽培所需磷、钾肥也不比传统耕作多。因磷肥施入有机质丰富的表层,其有效性还能提高。同时国内外实践还证明,免耕栽培磷、钾肥长期施在表层,并不影响作物的生长。

免耕栽培的有机肥施用,旱作大多做盖种肥,猪牛粪草则可铺在作物行间,水田则撒施在田面,但需防止随灌溉水流失。

[1]杨学明,张晓平,方华军,等.北美保护性耕作及对中国的意义 [J].应用生态学报,2004,5(2):335-340.

[2]路 明.我国沙尘暴发生成因及其防御策略 [J].中国农业科学,2002,35(4):440-446.

[3]浙江农业大学.耕作学 (南方本)[M].上海:上海科学技术出版社,1984.129.

[4][美 ]菲利普 SH,杨 HN.陈士平 译.免耕农 用制 [M].北京:农业出版社,1983.

[5]邹应斌.国外作物免耕栽培的研究与应用 [J].作物研究,2004,18(3):127-131.

[6]任泽明.湖南水稻免耕直播、免耕抛秧技术的发展前景[J].作物研究,2003,17(4):174-175.