出品：科普中國
制作: 朱雪峰（中國科學(xué)院沈陽生態(tài)研究所）
監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
今年的東北黑土地上，少了大量"臉朝黃土背朝天"的人工勞作，卻多了機(jī)械化的"免耕播種"，還有"秸稈歸還"的省時高效。
免耕播種和秸稈歸還又被人們戲稱為"懶人耕作"，而另一個名字叫"保護(hù)性耕作"，如今它是越來越流行了。
截至2019年底，中國東北超過1500萬畝土地實(shí)行保護(hù)性耕作。
2020年2月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)的《東北黑土地保護(hù)性耕作行動計(jì)劃（2020-2025）》明確提出：
要加快推進(jìn)保護(hù)性耕作的推廣和應(yīng)用，力爭在2025年時能將保護(hù)性耕作技術(shù)推廣到1.4億畝的土地上。
問題來了，免耕、秸稈歸還，都是什么操作？為什么要這樣操作呢？
免耕播種機(jī)在全量秸稈覆蓋下播種（解宏圖供圖）
盛產(chǎn)東北大米的黑土地正在退化
說到東北黑土地，您肯定對香噴噴的東北大米和金燦燦的玉米不會陌生，那軟糯的口感，扎實(shí)的養(yǎng)分，絕對是糧食中的戰(zhàn)斗糧，而這都得益于東北肥沃黑土的滋養(yǎng)。
然而，長期的傳統(tǒng)耕作對土壤的過度開墾和強(qiáng)烈擾動加上地表秸稈的過度清理和焚燒，嚴(yán)重破壞了有益于作物生長的土壤結(jié)構(gòu)，降低了土壤養(yǎng)分的輸入，加上裸露的土壤極易遭受風(fēng)蝕水蝕，原本肥沃的黑土有機(jī)質(zhì)含量連年下降，原來那個肥得流油的黑土地變得越來越貧瘠疏松，土壤的退化嚴(yán)重制約了東北地區(qū)的糧食產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
東北大米和玉米（朱雪峰供圖）
扎根黑土地 十余年鉆研探索出保護(hù)性耕作技術(shù)
日益嚴(yán)峻的土壤退化問引起了科學(xué)家的注意。2007年，中科院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所的張旭東研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員火速趕往黑土退化一線，在吉林省梨樹縣梨樹鎮(zhèn)高家村的一片黑土地上，開始了長達(dá)十余年的鉆研和摸索，最終成功開創(chuàng)了一整套農(nóng)藝農(nóng)機(jī)融合、玉米秸稈覆蓋、免（少）耕機(jī)械化技術(shù)模式，對解決東北黑土退化問題提供了良方。
實(shí)施保護(hù)性耕作的農(nóng)田上不需要傳統(tǒng)耕作的秸稈清理、旋耕起壟，主要是秋天玉米收獲后，將秸稈原地均勻覆蓋，春播時，免耕播種機(jī)出場，直接在秸稈覆蓋的農(nóng)田上實(shí)施免耕播種施肥一體化作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)秸稈還田、免耕播種。保護(hù)性耕作減少了土壤擾動，有利于黑土地保護(hù)，同時實(shí)現(xiàn)了節(jié)本增效、農(nóng)民增收，是一項(xiàng)利國利民的好技術(shù)。
為什么"懶人耕作"反倒對土地更好？其實(shí)是科學(xué)的力量
我們常常講"勤勞致富"，怎么這次反倒鼓勵大家"懶人耕作"了呢？
其實(shí)，這背后是科學(xué)的力量。這項(xiàng)保護(hù)性耕作技術(shù)的核心就是減少土壤擾動和增加地表作物秸稈覆蓋。
土地與我們?nèi)祟愐粯樱枰眯暮亲o(hù)，免耕或者少耕保護(hù)了土壤的原生態(tài)特性，為土壤生物提供了良好的生存空間，不僅可以促進(jìn)土壤動物對土壤結(jié)構(gòu)的改良，還能提高土壤微生物的多樣性，促進(jìn)土壤養(yǎng)分的循環(huán)和積累，讓黑土重新煥發(fā)生機(jī)和活力。
另一方面，春季的大風(fēng)會吹走裸露土壤中寶貴的有機(jī)質(zhì)，實(shí)施保護(hù)性耕作后，作物秸稈的覆蓋還田就像給土壤蓋上了一層 "被子"，可以降低土壤的風(fēng)蝕和水蝕，又能夠增加土壤蓄水保墑的能力。
同時，這層秸稈又像滋養(yǎng)大地皮膚的"面膜"，將大量的水分和養(yǎng)分補(bǔ)給至土壤，提高土壤的碳儲量和肥力，既緩解了大氣碳濃度升高造成的氣候變化問題，又減少了化肥的使用，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)發(fā)展的節(jié)本增效。
玉米秸稈還田（解宏圖供圖）
秸稈還田之所以能夠較好地提升土壤碳儲量和養(yǎng)分含量，主要?dú)w功于土壤微生物這個地下龐大勞動隊(duì)伍的助攻，建立起了外源有機(jī)質(zhì)向土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化和貢獻(xiàn)的橋梁。
圍繞這一點(diǎn)，經(jīng)過對微生物代謝在土壤物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮作用的長期研究，張旭東研究員的團(tuán)隊(duì)從碳和氮兩方面分別提出了原創(chuàng)性的機(jī)理概念，闡明土壤微生物對于外源有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的調(diào)控機(jī)制。
其中，從碳的角度來說，該團(tuán)隊(duì)的梁超研究員形象地將土壤微生物對植物碳轉(zhuǎn)化至土壤碳庫中的過程抽象成了"土壤微生物碳泵"的概念，重點(diǎn)描繪了土壤微生物通過同化作用，將"吃"進(jìn)來的植物碳合成為自身生物量，經(jīng)過生長和死亡的迭代周轉(zhuǎn)，不斷以微生物源有機(jī)碳的形式貢獻(xiàn)給土壤穩(wěn)定碳庫的過程。
對于保護(hù)性耕作來說，作物秸稈碳就相當(dāng)于微生物要吃的"食物"，經(jīng)過土壤微生物碳泵不斷地合成代謝，將外源碳持續(xù)地轉(zhuǎn)化為土壤碳庫的一部分。
土壤微生物碳泵概念框架示意圖（翻譯修改自Liang et al.2017 Nature Microbiology）
從氮的角度來說，這些微生物代謝調(diào)控鏈條在土壤氮素保持和供給過程中同樣具有重要作用。
當(dāng)富含養(yǎng)分的秸稈加入到土壤中后，微生物群落被迅速激活，使得微生物在代謝周轉(zhuǎn)秸稈養(yǎng)分的過程中產(chǎn)生大量的微生物源有機(jī)氮貢獻(xiàn)給土壤；同時，秸稈作為有效碳源也是促進(jìn)微生物對外源無機(jī)肥料氮固持和轉(zhuǎn)化的神助攻，微生物對這部分有機(jī)氮的礦化過程為作物和微生物持續(xù)提供可利用氮素，這種具有可高度循環(huán)性的氮素被張旭東研究員凝練成了"土壤有效氮過渡庫"的概念。
團(tuán)隊(duì)的何紅波研究員將"土壤有效氮過渡庫"更加形象地比喻成"駱駝的駝峰"，同時具有儲存和釋放養(yǎng)分的功能，秸稈和肥料氮素在土壤微生物的轉(zhuǎn)化下，儲存進(jìn)入這個"駝峰"中，按需釋放，然后再補(bǔ)充，周而復(fù)始。
由此可見，秸稈的添加不僅可以促進(jìn)微生物對秸稈養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化來提高土壤肥力，還可以有效提高肥料的利用效率，減少肥料損失和淋溶風(fēng)險(xiǎn)，有效的節(jié)約肥料成本并保護(hù)地下水源。
土壤有效氮過渡庫示意圖（圖片來自張旭東研究團(tuán)隊(duì)網(wǎng)站）
農(nóng)業(yè)發(fā)展離不開勤勞的人們 更離不開科技
總得來說，免耕和秸稈還田不僅有利于土壤理化性質(zhì)的改善，同時有利于促進(jìn)微生物對秸稈碳和養(yǎng)分的分解轉(zhuǎn)化，進(jìn)而使得土壤的水、肥、氣、熱等條件有利于作物的生長發(fā)育，最終促進(jìn)作物產(chǎn)量的提高，看似"懶人耕作"，其實(shí)這種新型耕作模式比傳統(tǒng)耕作更能涵養(yǎng)土地，省時省力，節(jié)約成本。
寫到這里，筆者不禁想作"詩"一首：秸稈不是無情物，千萬別把它來燒。免耕少耕加秸稈，化作春泥更護(hù)苗。促進(jìn)微生物發(fā)力，春種秋收可持續(xù)。國家情牽黑土地，農(nóng)業(yè)發(fā)展靠科技。糧食安全有保障，技術(shù)推廣向前進(jìn)！
