第二节 土壤轮耕的研究进展及模式
一、土壤轮耕的概念
针对长期的单一耕作措施和多年保护性耕作技术给作物生长及土壤生态环境带来诸多不利影响，通过保留传统耕作中的有益部分，适墒进行土壤轮耕恢复地力，来提高供肥能力（王振忠等，1995）。关于轮耕，国内外并没有统一的概念。在国内，有研究人员（刘世平等，1996；黄细喜等，1993）认为，土壤轮耕是通过翻耕、深松和免耕等耕作措施的科学组配，形成与种植制度相适应的土壤耕作技术体系。在国外，轮耕的提法不尽相同，存在着区域性的差异（Carter, et al.,2002; López-Fando, et al.,2007,2009）。在澳大利亚，轮耕是采用改变年际间不同耕作深度、实现降低土壤紧实度、避免相同耕作深度的耕作方式；而在美国，轮耕是指与作物轮作相适应的耕作措施交替进行的耕作技术体系。笔者认为，土壤轮耕是通过合理配置土壤耕作技术（翻耕、旋耕、深松和免耕等），与种植制度形成相适应的土壤耕作技术体系；同时形成以少耕为主体，少免耕交替，定期耕翻的轮耕模式，来解决长期少免耕而产生的负面效应。这既考虑到节本增效问题，又综合考虑到农田土壤质量的改善、土地生产力的提高，对于减少长期单一耕作的弊端具有重要作用，是未来我国农业可持续发展的重要支撑技术，也是我国区域土壤耕作制改革的发展方向。
二、土壤轮耕的研究现状与发展概况
适墒耕翻与少免耕组合，可以起到互补促进作用。这种组合总体上以少免耕为主，耕翻为辅，所以有人称为“少耕制”。从年际间来看，耕与免、深与浅、翻与旋等互补的方法组合轮替，所以又称“轮耕制”。在国外，各国关于轮耕的认识存在差异。在澳大利亚，轮耕是指改变年际间不同耕作深度、实现降低土壤紧实度、避免同一耕作深度的耕作方式；而美国则认为是作物轮作的顺序和免耕与耕作的交替（López-Fando, et al.,2007）。在加拿大萨斯喀彻温省西南部，Gan等（2002）在作物长期与短期轮作的研究表明，选择恰当的物种与适当的安排序列，可减少对夏季休闲地的利用，机械化耕作可充分利用作物多样化，使土壤的退化得到恢复，提高水分和养分利用效率，降低杂草和病虫害对作物的危害，维持和改善土壤的质量。针对轮耕周期，Hill（2001）对美国中北部调查研究显示，伊里诺伊州和印第安纳州连续免耕持续约2.5年，而明尼苏达州不到1.4年。在美国科罗拉多州，耕作次数也由1990年前的7～10次减少到1次或免耕，休闲期储水量由102 mm增加到183 mm，占休闲期降水量比率由19%提高到40%，小麦产量也由以前的1.07 t/hm2提高到2.69 t/hm（2 Steward and Robinson,1997）。
早在明清时期，间套复种就得到进一步发展，从而使土壤耕作进入合理轮耕的新阶段。在南方水田种植区，实行免耕与耕耙组合的轮耕体系；在北方旱作农业区，实行耕耙耱和留茬结合的轮耕体系。20世纪60年代，南方部分地区已形成少免耕，秸秆还田和休闲期保护性耕作技术体系（章秀福等， 2006）。进入20世纪80年代后期，少免耕在中国旱农业生产上得到进一步应用和推广，由于免耕年限的延长，导致土壤耕层紧实、表层土壤养分富集、杂草滋生和作物易倒伏产生早衰等问题。20世纪90年代后期，刘世平等（1998）提出了苏北不同轮作区可采用轮耕与定期秸秆还田轮培的方法有机结合，形成了土壤管理“轮作、轮耕、轮培”相结合的“三轮”体系。近年来，农业部农作制度开放重点实验室和农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室的研究人员在轮耕方面做了大量的工作（孙国锋等，2007b；孔凡磊等，2010a, b；侯贤清等，2012a, b），认为土壤轮耕是通过翻耕、深松和免耕等耕作措施的组配，与种植制度形成相适应的轮耕技术体系，解决长期单一耕作弊病，来维持农田的土壤生态环境健康和农业的持续性发展。
三、不同农作区土壤轮耕模式与配套机具
根据我国南北地理气候，免耕成为主流耕作方式，辅以少耕和翻耕，是今后我国农作区耕作方式的发展趋势，是可持续农业和效益农业的最佳选择。在不同类型区土壤上采用少免耕模式进行生产，土壤肥力和作物产量都有衰减期，必须实行不同土壤轮耕模式才能保持和提高土壤肥力，确保持续高产。在具体实施时，轮耕须与作物轮作结合，从种植制度综合优化要求出发，根据所具备的条件和作物要求，灵活运用与轮作相适应的轮耕模式，使轮耕效益得到充分发挥（王振忠等，1995）。笔者根据我国不同农作区地域特点及所存在的问题，现将不同农作区土壤轮耕模式的类型、作业效果及机械选择进行对比，归纳如下。
（一）农牧交错带
近年来，农牧交错带土壤侵蚀和荒漠化比较严重，留茬免耕技术是北方农牧交错带防止农田土壤风蚀的主导保护性耕作技术（秦红灵，2007）。（1）轮耕模式主要有：①免耕/免耕/免耕/免耕，结合作物轮作莜麦/油菜/箭舌豌豆/莜麦；②翻耕/翻耕/翻耕/翻耕，结合作物轮作莜麦/油菜/箭舌豌豆/莜麦；③免耕/免耕/深松/深松，并结合作物轮作莜麦/油菜/箭舌豌豆/莜麦，即在连续免耕2年后的基础上进行不同耕作处理，农田未进行覆盖，作物收获后留茬20 cm，终年无灌溉。（2）作业效果：多年免耕后土壤容重增大，连年翻耕严重破坏了土壤结构，影响作物根系的生长发育及产量，在免耕的基础上深松，保障了作物产量的需求，同时也提高了土壤抗风蚀能力（秦红灵等，2008）。（3）机械选择：免耕采用内蒙古农业大学机械厂生产的2BM-9型免耕播种机；深松采用天津市蓟县农业机械厂生产的ISQ-204型深松机。
（二）东北旱作区
东北旱作农业区传统耕作法多次作业，压实、破坏土壤结构，土壤失墒严重。为提高耕地蓄水保墒能力，东北垄作区相继创立了新耕法。新耕法主要有平播后起垄和秋季灭茬起垄。新的耕法坚持了垄作传统，使传统耕法较顺利地过渡到蓄水保墒耕作法，但仍存在一些问题：耕作次数多，土壤压实严重，作业成本高，地表长期裸露休闲，土壤失墒严重，风蚀加剧。针对以上出现的问题，对节水抗旱的新耕法进行了探索与总结，研究出适合东北垄作区蓄水保墒耕作技术体系“三年轮耕法”（贾洪雷等，2008a）。（1）三年轮耕法：第一年秸秆粉碎覆盖还田，第三年留茬越冬，各年中均采用伏雨前深松，播种时采用免耕播种。新耕法集成了秸秆根茬还田、带状少耕、深松、免耕播种、分层深施化肥、窄开沟重镇压、植保等农艺措施，通过不同的联合少耕机具进行优化组合作业。（2）作业效果：新耕法休闲期地表覆盖，消除了裸露休闲，减少动土量，保水、保墒、保土。秸秆根茬还田，使土壤有机质增加，培肥地力；采用联合作业机具，减少机具作业次数及机械压实，降低作业成本，达到联合少耕的效果。（3）机械选择：其配套机具包括耕整、耕播两大类联合作业机具（贾洪雷等，2008b）。耕整联合作业机具包含IDGZL-140（2）、IDGZL-240（4）多功能耕整联合作业机，IDGZL-240（4）J加强型多功能耕整联合作业机，IJGHL-140 （2）秸秆-根茬粉碎还田联合作业机和IFS-260（4）仿生减阻深松机。耕播联合作业机具包括IGBL-140（2）、IGBL-240（4）耕播联合作业机，IGBL-240（4） J加强型耕播联合作业机、ZB-Y2硬茬播种机和ZBM-4免耕精播机。
（三）西北黄土高原区
西北黄土高原旱作区，干旱少雨，春旱、冬春连旱严重，粮食产量低且不稳。作物收获后，充分利用雨季休闲期降水是提高该区降水利用率的关键。（1）土壤轮耕技术主要包括夏闲期轮耕（侯贤清等，2012a）和冬闲期轮耕（王维，2012）。①夏闲期轮耕模式主要有：深松/免耕/深松、免耕/深松/免耕、翻耕/翻耕/翻耕。即在前茬冬小麦收获后留高茬将秸秆出地进行耕作处理，经过夏季休闲，9月下旬播种冬小麦，次年6月下旬冬小麦后收获留高茬将秸秆出地进行耕作处理，再进行夏季休闲，9月下旬播种冬小麦，第三年6月下旬冬小麦收获后秸秆出地进行耕作处理。②冬闲期轮耕模式主要有：深松/免耕/免耕、免耕/深松/深松、免耕/免耕/免耕、深松/深松/深松、翻耕/翻耕/翻耕，即在前茬春玉米收获后将秸秆出地进行耕作处理，经过冬季休闲，次年4月中旬播种糜子，9月下旬糜子收获留高茬将秸秆出地进行耕作处理，经过冬季休闲，第三年4月中旬播种谷子，9月下旬谷子收获留高茬将秸秆出地进行耕作处理，经过冬季休闲，第四年4月中旬播种糜子，9月下旬糜子收获留高茬将秸秆出地进行耕作处理。（2）作业效果：与传统耕作相比，休闲期轮耕能有效改善土壤结构，最大限度地接纳夏秋降雨，做到春墒秋保、秋雨春用，显著提高了自然降水利用效率和作物产量。（3）机械选择：免耕、深松和翻耕处理配套机具分别为意大利生产的Amazone NT-250型免耕播种机、中国农业大学研制的1SY-120型带翼铲深松机和山东德州生产的专用铧式犁拖拉机。
（四）华北平原麦-玉两熟区
华北平原属典型的小麦-玉米两熟区，随着保护性耕作技术在华北平原的应用，多年少免耕后出现土壤容重增大、孔隙变小等土壤质量下降问题。因此，探索适宜的轮耕模式来改善土壤质量尤为重要。（1）土壤轮耕技术主要有：①年内轮耕模式（聂良鹏，2014）。即小麦季免耕、玉米季免耕，小麦季免耕、玉米季深松，小麦季深松、玉米季免耕，小麦季深松、玉米季深松，小麦季翻耕、玉米季免耕，小麦季翻耕、玉米季深松。作业效果：小麦季深松、玉米季深松能提高土壤理化性状，改善地上部植株性状，增加作物产量和品质，提升经济效益，在该地区进行小麦-玉米年内轮耕时作为首选，其次是小麦季深松玉米季免耕，不建议采用小麦季免耕玉米季免耕的年内轮耕模式。②多年免耕后轮耕（孔凡磊等，2010b）。在小麦-玉米连续5年进行周年免耕、翻耕和旋耕试验，轮耕模式主要有免耕/免耕、免耕/翻耕和免耕/旋耕。作业效果：轮耕能够提高长期免耕土壤有机碳、活性有机碳和碳库管理指数，对提高长期免耕土壤质量有重要作用。③秸秆覆盖下轮耕（顾顺芳等，2013）。即3年深松+1年免耕、4年深松、3年免耕+1年深松、4年免耕、秸秆覆盖结合3年深松+1年免耕、秸秆覆盖结合4年深松、秸秆覆盖结合3年免耕+1年深松、秸秆覆盖结合4年免耕。作业效果：深松与免耕相结合的土壤轮耕制度是进一步提高该地区玉米增产的有效措施，适宜的土壤轮耕与秸秆覆盖还田可更好地发挥两者的增产效果。（2）机械选择：免耕处理选用2BMF-7/14型多功能免耕播种机一次性完成旋耕、施基肥、播种作业，深松处理选用180型振动深松机进行深松；翻耕采用东方红904拖拉机带三铧犁进行翻耕，旋耕使用东方红LX904拖拉机带旋耕机进行旋耕。
（五）渭北旱塬区
渭北旱塬区长期釆用“多次翻耕-耙耱”土壤耕作法致使土壤失墒和风蚀严重。针对这一问题，李军在渭北旱塬区进行长期定位试验，研究了不同施肥水平结合不同耕作措施组成的轮耕模式（程科，2013；王丽等，2014）。（1）轮耕模式主要有：免耕/深松轮耕、深松/翻耕轮耕、翻耕/免耕轮耕、5年连续免耕、5年连续深松和5年连续翻耕。施肥水平包括：常规施肥（高氮高磷）、平衡施肥（氮磷钾平衡）和不施肥或低肥（低氮低磷），即在前茬作物收获后将秸秆粉碎覆盖地表进行耕作处理，经过休闲（夏或冬季），当年9月或次年4月中旬播种冬小麦或春玉米，6月或9月下旬冬小麦或春玉米收获，然后秸秆粉碎覆盖地表进行耕作处理，经过休闲（夏或冬季），第二年9月或第三年4月中旬播种冬小麦或春玉米，6月或9月下旬冬小麦或春玉米收获，进行秸秆粉碎覆盖地表进行耕作处理。（2）作业效果：平衡施肥结合免耕/深松轮耕模式，相比连年翻耕，能够增加休闲期土壤储水量，改善生育期土壤墒情，提高表层土壤肥力，有利于旱作农田作物的增产稳产，同时提高了生产收益。（3）配套机具：中国农业大学研制的2BMQF-4C型玉米免耕播种机、1SY-120型带翼铲深松机和专用铧犁耕翻机。
（六）长江流域
1．麦稻两熟区
稻麦两熟区随着少免耕应用年限的延长，也暴露出问题，如土壤养分表层富集，导致土壤供肥能力差，草害严重，作物出现早衰倒伏现象。许多研究学者提出以少耕为主体，少免耕交替，定期耕翻的深、浅、免有机结合的轮耕制。即根据苏北地区农业生产特点，本着增产、高效、节本、可行的原则，将轮作、耕作、培肥有机结合，形成轮作、轮耕、轮培的“三轮”技术体系（刘世平等， 1996）。（1）轮耕模式包括：连耕（常耕/水稻—常耕/小麦—常耕/水稻—常耕/小麦）、连少（少耕/水稻—少耕/小麦—少耕/水稻—少耕/小麦）、轮耕（常耕/水稻—少耕/小麦—少耕/水稻—少耕/小麦）。（2）作业效果：轮耕后耕层容重居于连少（连续少耕）和连耕（连续常耕）之间，保持在小麦生长的适宜范围内；轮耕（常耕/少耕）有较高的氮肥利用率，可适当减少氮肥用量。小麦产量以轮耕为最高，在土壤肥力水平较低情况下更应避免长期连续少耕（刘世平等， 2003）。（3）机械选择：少耕选用1GF-170型反转灭茬旋耕机，常耕选用1LYTA-622水田犁。
2．双季稻区
在我国南方稻田，连续免耕若干年后如何通过合理的措施进一步改善和提高土壤质量，是目前人们比较关注的问题。土壤轮耕结合秸秆还田措施对于减少长期免耕出现的问题具有重要作用。中国农业大学的陈阜教授在连续免耕7年的稻田分别进行免耕、旋耕和翻耕3种耕作措施（孙国峰等，2010；唐海明等，2011）。（1）土壤轮耕模式：免耕/免耕、免耕/翻耕、免耕/旋耕。（2）作业效果：长期免耕后，翻耕、旋耕措施通过改变耕层土壤结构，进而提高稻田土壤储水量；同时长期免耕后，免耕秸秆还田会增加表层土壤有机碳储量；而翻耕、旋耕秸秆还田会提高下层土壤有机碳储量。（3）机械选择：免耕采用2BG-6A免耕条播机播种，播后立即铺盖秸秆，旋耕选用1GF-170型反转灭茬旋耕机，翻耕采用1ZS-20型水田耕整机。