王影 王力 李社潮 李保国
东北黑土区是我国主要的商品粮生产基地，是保障国家粮食安全的“稳压器”和“压舱石”。但是，长期掠夺式开发导致黑土严重退化。以秸秆覆盖少免耕技术为核心的“梨树模式”为黑土地保护提供了重要途径，为我国耕地质量提升和农业高质量发展提供了技术支撑。
关键词：梨树模式 保护性耕作 黑土地 粮食安全
黑土是一种拥有黑色或暗色腐殖质表土层、性状好、肥力高、非常适合植物生长的土壤，人们常用“一两土二两油”来形容它的肥沃与珍贵。黑土地不仅是世界上宝贵的不可再生土壤资源，同时也是大自然给予人类的得天独厚的宝藏。北半球仅有三大块黑土区：欧洲的乌克兰平原、美国的密西西比平原以及中国的东北平原，而东北黑土区一直是我国主要的商品粮基地，对国家粮食安全起着举足轻重的作用。
然而近几十年，东北黑土退化严重。与开垦前相比，耕层有机质含量下降50%~60%，潜在生产力降低20% 以上，而且仍在以年均0.5% 的速率下降。此外，对化肥、农药的过度依赖和落后的耕作方式也导致土壤板结硬化，对水、肥、气、热的储存、调控和转化能力明显减弱。黑土退化不仅导致农业生产效益降低，更导致一系列严重的生态环境问题，严重制约东北地区经济社会的可持续发展。因此，防止东北黑土退化，恢复和重建黑土的高产高效生产功能，实现农业生产可持续发展，是东北粮食主产区农业和经济发展过程中亟待解决的重大问题。
梨树县地处中国东北地区吉林省西南部松辽平原腹地，位于世界“北半球三大黑土带”和“黄金玉米带”上，地势平坦，土壤肥沃，禀赋优越。梨树县年粮食总产量达30 亿千克以上，人均占有粮食、人均贡献粮食、粮食单产和粮食商品率四项指标均在全国名列前茅，素有“东北粮仓”和“松辽明珠”美誉。21 世纪以来，梨树县粮食连年增产，农民收入连年提高，但背后却是以严重的黑土退化、生态环境恶化为代价。笔者团队在系统分析美国、加拿大等国免耕栽培技术相关研究与应用的基础上，研发并创建了适合我国东北黑土区的玉米秸秆覆盖全程机械化栽培技术，并经过10 多年的探索和实践，摸索出适合我国国情的黑土地保护与利用的新路径，即“梨树模式”。
“梨树模式”的科学原理
“梨树模式”是以玉米秸秆覆盖少免耕为核心，建立的秸秆覆盖、少免耕播种、施肥、除草、防病及收获全程机械化技术体系，可解决东北黑土区因玉米秸秆移除导致土壤退化的关键问题，有效保护了黑土层。原来的耕作制度是利用、利用、再利用，而“梨树模式”是利用中保护，保护中利用，不仅是一场耕作制度的变革，更是耕作理念的革新。
“梨树模式”主要包括4 种形式。
秸秆覆盖免耕种植模式 在秋季机械收获后，将秸秆直接覆盖在地表，春季播种前用归行机进行苗带秸秆归行处理，然后用免耕播种机直接播种。该模式适用于土壤疏松的地块，特别是风沙区和坡岗地，可减少农机作业次数，保护土壤，抗风蚀和水蚀，保水抗旱效果好。
秸秆覆盖条带旋耕种植模式 在秸秆覆盖的前提下，首先根据苗带秸秆量选择是否进行秸秆归行处理，然后对苗带进行条带旋耕。该模式能促进土壤水分散失、提高苗带地温，解决土壤板结问题，但会扰动土壤，破坏土壤结构，增加作业成本。
秸秆覆盖垄作种植模式 在起垄种植的地块，秋季机械收获后，将秸秆集中覆盖在垄沟，春季种地前进行垄上灭茬，然后适时用免耕机播种，6 月末进行中耕培垄。该模式实现了垄上增温、垄下保墒，农民容易接受，适用于一家一户分散种植的地块。
高留茬垄侧栽培种植模式 在秋季收获后，地上留有一定高度的秸秆，春耕时田间不进行翻地和机械灭茬，在原垄垄侧帮播种。该模式可减少失墒（ 即土壤失去了适合种子发芽或作物生长的湿度），适用于地势低洼的地区及山坡地，具有操作简单、省工省时、增产潜力大的特点。
“梨树模式”的效果
“梨树模式”在黑土地保护与耕作制度改变过程中的作用效果明显。
蓄水保墒 较少的土壤扰动可改善土壤孔隙分布和连通性，提高土壤水分的入渗能力，有助于雨水或灌溉水进入土体。覆盖在地表的秸秆也可减少土壤水分蒸发，在干旱时期，深层水也易向上输送，缓解干旱胁迫对作物的影响[1]。
培肥土壤 连年的秸秆覆盖还田，使得表层土壤有机质含量呈递增趋势。秸秆全覆盖免耕5 年后，0~5 厘米深的土壤有机质含量可增加20% 左右[2]，此外，土壤中的氮、磷、钾元素含量显著提高[3]，化肥使用量可减少约20% [2]。
减少侵蚀 风蚀和水蚀会带走大量肥沃的表层土壤，是土地退化的主要原因。用秸秆覆盖在地表，等于给土地盖上一层被子，具有明显的防止水土流失效果，风蚀量可减少90% 以上[4]，径流量可平均减少80%，土壤流失量可减少90% 以上[5]。
土壤生物性状改善 蚯蚓数量常被用作评价土壤质量或状况的指标，蚯蚓数量多有利于改善土壤肥力。秸秆覆盖免耕处理对蚯蚓数量和重量的影响极其显著，每平方米蚯蚓数量可达常规垄作的4.17 倍，其干重是常规垄作的5 倍[1]。
稳产高产 秸秆腐解矿化后，土壤有机质含量提高，有益生物增多，土壤结构得到改善，肥料利用率提高。在这些有利因素的综合作用下，可以实现土地的持续稳产高产，缓解旱灾影响。在梨树镇高家村开展的10 年长期定位试验表明，“梨树模式”下，玉米的平均产量比常规耕作高5%~10%[1]。
节本效果显著 与频繁的传统常规土壤耕作相比，“梨树模式”采用免耕播种机，一次作业工序可完成播种过程中的多个作业环节，显著缩短拖拉机及劳动力的作业时间。此外，可在相同时间内完成更大的播种面积，作业环节少、作业费用低，大大节约生产成本，每公顷（1 公顷=10 000 平方米）可节本增效1000~1400 元。
“梨树模式”的完善及推广
以推广与发展“梨树模式”为主导，通过全社会的共同参与，在保护好黑土地这一“耕地中的大熊猫”的过程中，可推进农业农村现代化建设，助力乡村振兴发展的目标。
早在2007 年和2008 年，相关科研机构就在梨树县建立了两个黑土地保护实验基地“一站一田”：位于梨树镇泉眼沟村的中国农业大学吉林梨树实验站和位于梨树镇高家的中国科学院保护性耕作研发基地实验田。
为了解决播种难的问题，梨树县曾于2008 年发明了国内第一台玉米免耕播种机；为了解决秸秆多、覆盖地温低的问题，在“梨树模式”中引入秸秆归行机；为了解决冷量区和低洼地土壤黏重等问题，发明了条旋机，在“梨树模式”中引入条带旋耕技术。这些农机具的发明和引入，为丰富和完善保护性耕作技术体系和区域适应性作出了重要贡献。此外，研究团队还实现了与玉米秸秆覆盖全程机械化栽培技术配套的主要农机具装备的国产化，激活了农机具市场，带动了一批农机具设计制造龙头企业的发展。
在“梨树模式”的研发过程中，多领域学者围绕黑土地保护与利用，开展了大量有关作物及其环境过程的系统监测研究，形成了一套高效的现代农业科研推广体系，为率先实现农业现代化提供了科技支撑。2015 年启动的“梨树黑土地论坛”，为政府—学者—专家—农户搭建了交流平台，便于实时沟通科研及生产实践中的难题。
为了使“梨树模式”成为东北等地保护性耕作的主流耕作制度，“ 黑土地保护与利用科技创新”重点专项启动实施，旨在打造“梨树模式”升级版，建设“现代农业生产单元”。黑土地现代农业生产单元是指在实施“梨树模式”的基础上，以不少于300公顷的相对集中连片的土地为一个实施单元，实现规模连片、规范行距、智慧种植和产销统筹，初步构建形成以合作社等为新型经营主体，由政府主导，保险、金融、粮贸等专业化服务组织为一体的现代农业标准化、机制化、信息化和契约化的生产格局。
十四年磨一剑，“梨树模式”现已应用于东北地区的101 家合作社或家庭农场，推广面积达5000 万亩（1 亩≈ 666.7 平方米），其中吉林省占2875 万亩。以中国农业大学、中国科学院等单位为核心，组织农机、农艺、土壤肥料、植保、气象等专家成立的中国农业大学国家黑土地现代农业研究院，继续开展有关东北黑土保护性耕作新技术、新设备的研发，为吉林省乃至东北地区“梨树模式”的推广提供更加全面、配套的技术支撑，如通过建设农业数据监测平台，提供田间管理决策，用信息技术手段解决种植风险问题，实现农业生产的全程可追溯；通过建立收益险手段，保障新型经营主体的生产收益。
此外，为了解决“非黑土是否适用梨树模式”的重大课题，笔者团队于2020 年12 月提出在“一带一路”沿线国家和地区开展“梨树模式”适用性问题的研究与示范倡议，从根本上改变该区域以透支水土资源为主的传统农业生产局面，助力区域农业生产提质增效。倡议得到了多所院校、相关单位以及农机企业的热烈响应。2021 年的初步实验结果显示，“梨树模式”在西北干旱区优势明显，作物长势良好，有望在未来解决西北旱地农业面临的水资源短缺、残膜污染等问题。团队计划通过5 年的研究示范，继续优化适合不同区域农业生产的“梨树模式”，为“一带一路”沿线国家和地区的保护性农业发展提供科学依据，为区域国家粮食安全和生态安全提供保障。
“梨树模式”是一种遵循自然规律的耕地保护措施，符合现代农业的建设内涵和绿色高质高效发展的理念，既是保障粮食生产的重要抓手，也是保住绿水青山的重要举措。
［1］刘淑珍. 耕作方式对吉林南部黑土含水量及其时间变异性的影响. 北京: 中国农业大学, 2020.
［2］李保国, 王贵满. 东北地区的保护性耕作技术——梨树模式. 北京: 科学技术文献出版社, 2019.
［3］陈孝林. 长期免耕对退化黑土地土壤质量的影响. 北京: 中国农业大学, 2020.
［4］林艺. 东北黑土区保护性耕作的抗风蚀效果与机理研究. 北京:中国农业大学, 2017.
［5］王计磊. 种植模式对东北黑土区水力侵蚀的影响与机制. 北京:中国农业大学, 2021.
（作者：王影，中国农业大学吉林梨树实验站助理研究员；王力，中国农业大学吉林梨树实验站助理研究员；李社潮，中国农业大学吉林梨树实验站研究员；李保国：中国农业大学土地科学与技术学院院长、教授、博士生导师。全文刊发于《科学》2022年第2期）
