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保护性耕作简介及其相关指标推荐
2026-04-28
全保护性耕作（Conservation Tillage），又称保护性农业或减耕技术，是一类以降低土壤扰动、维持地表覆盖和实行作物轮作为核心的可持续农业生产体系。其中，免耕（No-till）和少耕（Reduced tillage）占据全球保护性耕作应用面积的70%以上，主要包括覆盖免耕、条带耕作、垄作免耕等技术模式。保护性耕作并非完全放弃土壤管理，而是通过最小化机械干预，保留作物残茬覆盖，增强土壤生物活性，提升土壤蓄水保墒能力，使农田生态系统趋于稳定。这一特性导致保护性耕作能够有效减少风蚀水蚀、改善土壤结构，并显著降低农业生产能耗[1]。

保护性耕作广泛应用于干旱半干旱区粮食生产、坡耕地水土保持、风沙区生态治理及集约化农业可持续发展等领域[2]。联合国粮农组织（FAO）已将保护性耕作列为应对气候变化与粮食安全的核心农业技术，中国也将东北黑土地保护性耕作、华北平原节水耕作确定为农业优先推广技术。保护性耕作的生态效益主要体现在三个方面：一是其低扰动特征使其可通过减少土壤有机质分解、降低温室气体排放来减缓气候变化；二是作为典型的土壤健康提升技术，具有增强碳汇功能和改善土壤生物多样性的特性；三是可在农田生态系统中持续发挥作用，通过养分循环优化，最终对农业可持续发展构成基础性支撑。

一、保护性耕作的核心研究对象及相关技术进展

保护性耕作研究的核心对象可归纳为五大维度：首先是耕作模式与区域适配，重点区分传统翻耕与保护性耕作的生态效应差异，当前研究特别关注免耕、少耕在不同气候带和土壤类型中的适用性评估；其次是土壤质量演变与养分循环，研究保护性耕作条件下土壤物理结构、化学性质及生物学特征的动态变化，重点关注土壤团聚体稳定性演变及碳氮循环机制；第三是作物产量响应与经济效益，通过长期定位试验评估不同保护性耕作模式对作物产量、品质及农户收入的影响；第四是生态服务功能研究，聚焦土壤固碳增汇、面源污染防控及生物多样性维持机制；第五是智能装备研发与集成示范，开发适应保护性耕作要求的精量播种、秸秆处理及杂草防控新型农机具[3]。

国内外研究进展表明，保护性耕作技术体系已日趋成熟。美国自20世纪60年代起系统推进免耕技术，目前免耕面积超过4000万公顷，占耕地总面积的35%以上，形成了完善的秸秆覆盖-免耕播种-化学除草技术模式。巴西、阿根廷等南美国家在大豆-玉米轮作体系中广泛应用免耕技术，显著遏制了热带土壤退化。欧洲则发展了以少耕和覆盖作物为主的保护性农业体系，强调生物多样性保护与养分管理协同。中国在保护性耕作领域起步较晚但发展迅速，“十三五”以来，东北黑土地保护性耕作行动累计实施面积超过1.4亿亩，研发了玉米秸秆全覆盖免耕播种、深松免耕交替等技术模式。研究证实，连续实施保护性耕作5年以上，土壤有机质含量可提高0.1%~0.3%，土壤蓄水能力增加15%~25%，作物产量在稳产基础上实现年均2%~5%的增幅[4]。

二、保护性耕作的推荐检测指标

保护性耕作效果评估需建立涵盖土壤物理、化学、生物学及作物生产力的多维度指标体系。在土壤物理性状方面，土壤容重和孔隙度是反映土壤结构改善的核心指标，保护性耕作条件下土壤容重通常维持在1.1~1.4g/cm3的适宜范围，总孔隙度保持在50%以上；水稳性团聚体含量（尤其是>0.25mm团聚体比例）直接表征土壤抗蚀能力，优质保护性耕作农田该指标应达到60%以上；土壤含水量和饱和导水率则反映蓄水保墒效果。

在土壤化学性状方面，土壤有机质（SOM）和全氮含量是衡量土壤肥力提升的关键指标，推荐采用重铬酸钾氧化法和凯氏定氮法进行测定；pH值和电导率（EC）用于监测土壤酸化及盐分累积风险；有效磷和速效钾反映养分供应状况。在碳循环研究中，土壤有机碳密度和活性有机碳组分（如微生物生物量碳、易氧化有机碳）是评估固碳增汇效应的重要参数[5]。

在土壤生物学性状方面，微生物生物量碳氮（MBC、MBN）是反映土壤生物活性的敏感指标；土壤酶活性（如蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶）表征土壤生化过程强度；土壤呼吸速率用于评估碳矿化动态。在作物响应方面，作物产量、水分利用效率（WUE）和氮肥偏生产力是评价生产效益的核心指标。此外，杂草群落多样性指数和害虫天敌种群密度可用于评估保护性耕作对农田生物多样性的影响。

值得注意的是，保护性耕作的生态效应呈现显著的时间累积性，通常需要连续实施3~5年才能显现稳定的土壤改良效果，且不同气候带、土壤类型及轮作制度下关键指标响应存在差异。这些多维度检测指标共同构成了保护性耕作效果科学评估的技术体系，为优化区域适配技术模式和制定可持续农业管理策略提供了科学依据。


三、文献分享
保护性耕作对土壤养分垂直分布的影响

保护性耕作简介及其相关指标推荐

期刊名称：Soil & Tillage Research

影响因子：6.8

DOI：https://doi.org/10.1016/j.still.2022.105527

1.研究内容

廖凯华等研究团队以全球农田土壤为研究对象，依托1983-2022年全球203项田间试验的整合分析设计，结合土壤剖面分层采样（0-15cm表层、15-40cm亚表层）、土壤理化指标测定技术，同时运用Meta分析、响应比法（RR）、加权效应值等统计分析方法，并辅以95%置信区间检验、多重比较校正等数据处理手段，系统探究保护性耕作（免耕、少耕、秸秆覆盖）对土壤有机质、碳氮磷钾养分、阳离子（Ca2+、Mg2+、Na+）、pH及阳离子交换量（CEC）剖面分布的影响，同时分析耕作方式与秸秆覆盖在土壤养分累积与迁移中的调控作用。


2.样本处理

本研究以全球范围内农田保护性耕作长期定位试验为研究对象，数据来源于Web of Science、CNKI等数据库，初始检索文献＞1000篇，经排除无重复、无对照、无分层数据的研究后，最终纳入203篇文献、301-1094对观测值；数据处理期间共采集土壤理化指标，包括有机质（SOM）、有机碳（SOC）、全碳（TC）、全氮/磷/钾（TN/TP/TK）、速效氮/磷/钾（AN/AP/AK）、交换性阳离子、pH、CEC。

先对各指标均值、标准差、重复数进行标准化处理，对未报告标准差的数据采用统一插补方法；再按土层（0-15cm/15-0cm）分组，计算响应比（lnR）与加权效应值（RR），采用MetaWin软件进行分析，以95%置信区间不包含0判定显著性（p<0.05）；同时按耕作类型分组：传统翻耕（CT）、翻耕+秸秆（CTS）、免耕（NT）、免耕+秸秆（NTS）、少耕（RT）、浅耕（MT），对比不同处理对土壤剖面养分分布的影响，并剔除耕作年限5年的敏感性干扰数据，用于后续分析。


3.研究结果

（1）耕作方式转变对土壤有机质、有机碳和全碳的影响

土壤SOM主要由SOC组成，有机碳是评价土壤肥力的常用指标。本研究发现，与CT相比，CTS、NTS、NT和RT均能显著提高表层土壤SOM含量，增幅分别为8%、17%、14%和9%（基于效应值计算的变化百分比，p<0.05）。在亚表层土壤中，仅CTS能显著提高SOM含量13%（图1）。同时，与NT相比，NTS可使表层和亚表层土壤SOM分别显著增加14%和6%（p<0.05）。与之相对，与CT相比，CTS、NTS、NT和RT均能显著提高表层土壤SOC含量，增幅分别为11%、12%、11%和12%（p<0.05）；而RT可显著提高亚表层土壤SOC含量15%（p<0.05）。此外，与NT相比，NTS会使亚表层土壤SOC显著降低5%（p<0.05）。

TC的变化规律与SOC和SOM有所不同；与CT相比NT可使表层土壤TC含量显著提高13%（图1），而CTS则使表层土壤TC含量显著降低30%（p<0.05）。此外，与NT相比，NTS可使表层土壤TC含量显著提高37%（p<0.05）。

多项研究表明，耕作方式转变对土壤无机碳（IC）的影响可能取决于气候、土壤性质等环境条件。尽管如此，本荟萃分析结果显示，NT和NTS均能提高表层土壤全碳含量。值得注意的是，NT对表层SOM、SOC和TC含量的提升效果明显优于亚表层。与CT相比，NT造成的碳分层现象更为明显，主要原因在于免耕条件下作物残体主要保留在表层（即使秸秆未完全还田），而常规翻耕可将残体带入更深土层。

保护性耕作简介及其相关指标推荐

图1.不同保护性农业措施下土壤（a）有机质（SOM）、（b）有机碳（SOC）和（c）全碳（TC）的效应值。效应值表示处理组与对照组之间的加权响应比。误差线代表95%置信区间。各指标的样本量标注在柱形旁边。缩写含义：免耕（NT）、少耕（RT）、最小耕作（MT）、常规翻耕（CT）。

（2）耕作方式转变对土壤全氮、全磷和全钾的影响

土壤氮、磷、钾养分是反映土壤肥力的敏感指标。总体而言，保护性耕作可通过减少土壤扰动、保留作物残体来提升土壤肥力。本荟萃分析结果显示，与CT相比，CTS、NTS、NT、RT和MT均能显著提高表层土壤TN含量（p<0.05），增幅分别为7%、14%、10%、6%和7%（图2a）。此外，与NT相比，NTS可使表层和亚表层TN分别显著增加8%和9%（p<0.05）。无论采用NTS、NT、RT还是MT处理，保护性耕作对亚表层TN均无显著影响，说明耕作措施（CT vs. NT）的效应很大程度上取决于采样深度（表层vs.亚表层）。该结论同样与前人研究相符。

磷是植物生长必需的矿质养分，也是评价土壤质量的重要指标。本荟萃分析表明，与CT相比，保护性耕作对表层和亚表层土壤TP含量均有显著影响（图2b）。在表层土壤中，与CT相比，CTS、NTS、NT和MT分别显著提高土壤TP含量6%、11%、10%和25%（p<0.05）；在亚表层土壤中，CTS和NTS分别显著提高TP含量4%和10%（p<0.05）。此外，与NT相比，NTS可使表层和亚表层TP分别显著增加8%和5%（p<0.05）。

与TN和TP的变化趋势不同，与CT相比，仅NTS能显著提高表层TK含量（p<0.05），增幅为5%。但NTS可使亚表层TK显著提高5%（p<0.05）。此外，与NT相比，NTS可使表层TK显著增加3%（p<0.05）（图2c）。与NT相比，NTS可使表层和亚表层TP分别显著增加8%和5%（p<0.05）。同时，与CT相比，NTS、CTS和NT分别显著提高亚表层TP含量6%、7%和7%（p<0.05）。上述结果与已有研究一致。值得注意的是，NT的改良效果很大程度上取决于具体试验环境，其对TK的提升作用在长期试验中表现最佳。

保护性耕作简介及其相关指标推荐

图2.不同保护性农业措施下土壤（a）全氮（TN）、（b）全磷（TP）和（c）全钾（TK）的效应值效应值表示处理组与对照组之间的加权响应比。误差线代表95%置信区间。各指标的样本量标注在柱形旁边。缩写含义：免耕（NT）、少耕（RT）、最小耕作（MT）、常规翻耕（CT）。

（3）耕作方式转变对土壤速效氮、速效磷和速效钾的影响

土壤速效养分（AN、AP、AK）对保障作物高产稳产、防止水体富营养化具有重要作用。本研究同时分析了不同耕作方式下土壤速效养分含量的变化。结果表明，与CT相比，NT可使表层土壤AN显著提高10%（p<0.05）（图3a）。而在亚表层土壤中，与CT相比，CTS和NTS可使AN分别显著提高7%和13%（p<0.05）。此外，与NT相比，NTS可使表层和亚表层AN分别显著增加11%和9%（p<0.05）。Tan等（2015）针对中国土壤的研究也得出相似结论，NT处理可提高AN含量并有效保蓄土壤养分，且保护性耕作下土壤速效养分的衰减速率慢于CT。本研究中表层AN对耕作转变的响应与部分前人研究存在差异，最可能的原因是土壤AN极易从表层向深层淋溶，导致保护性耕作下表层AN的提升效应未达显著水平。

土壤AP是土壤磷素供应水平的重要指标，其含量高低在一定程度上反映了土壤磷库的储存与供给能力。由图3b可知，与CT相比，CTS、NTS、NT和MT处理均可使表层AP分别显著提高18%、15%、14%和27%（p<0.05）。而在亚表层土壤中，仅CTS和RT可使AP分别显著提高6%和3%（p<0.05）。此外，与NT相比，NTS可使表层AP显著提高16%（p<0.05）。这一现象可归因于表层累积的SOM对无机磷的螯合作用。同时，添加作物残体后土壤微生物量迅速增加，残体本身携带的磷素也主要在表层累积。另外一个可能造成养分累积的原因是，免耕作物的养分吸收量较低，一项全球尺度研究显示，与CT相比，免耕通常会导致作物产量下降约6%，若施肥量未根据作物养分吸收潜力进行调整，便会出现养分累积。上述结果与前人的研究一致，其发现NT可提高土壤0-5cm土层的AP含量。

近诸多研究表明，耕作方式转变对土壤AP的影响可能依赖于气候条件与试验年限。与保护性耕作相比，CT处理下表层AP含量显著降低，而亚表层显著升高，说明保护性耕作下土壤原有磷素随时间向表层再分配。

本荟萃分析显示，仅秸秆覆盖处理会对AK含量产生影响。与CT相比，CTS和RT可使表层AK分别显著提高15%和12%（p<0.05）。但与NT相比，NTS可使表层AK显著降低35%（p<0.05）。由CT转变为保护性耕作对表层和亚表层AK浓度均无显著影响（图3c）。诸多研究表明，保护性耕作对土壤AK的效应存在争议且机制复杂，可能取决于土壤酸度等条件。

保护性耕作简介及其相关指标推荐

图3.不同保护性农业措施下土壤（a）速效氮（AN）、（b）速效磷（AP）和（c）速效钾（AK）的效应值。效应值表示处理组与对照组之间的加权响应比。误差线代表95%置信区间。各指标的样本量标注在柱形旁边。缩写含义：免耕（NT）、少耕（RT）、最小耕作（MT）、常规翻耕（CT）。

（4）耕作方式转变对土壤交换性Ca2+、Mg2+、Na+、pH及CEC的影响

土壤交换性Ca2+、Mg2+和Na+含量是影响土壤酸碱平衡的重要指标。本荟萃分析表明，与CT相比，NT可使表层土壤Ca2+和Mg2+浓度分别显著提高10%和7%（p<0.05）（图4a、b）。该结果与已有研究结论一致。其原因可能是NT减少了土壤水分渗漏，降低了Ca2+和Mg2+的流失；另一个原因是NT处理提高了表层SOM含量（图1a）。交换性Ca2+和Mg2+易与氨基酸、蛋白质等有机化合物络合，形成的简单络合物可被植物直接吸收，避免其与磷酸盐等阴离子发生沉淀与固定。总体而言，NT体系通过与有机官能团上的H+发生交换，促进了交换性Ca2+和Mg2+的吸附，提高了胶体复合体的盐基饱和度。此外，与CT相比，MT可使表层土壤Na+浓度显著降低44%（p<0.05）（图4c）。但与NT相比，NTS可使表层土壤Ca2+浓度显著降低5%（p<0.05）；同时，NTS、NT和RT分别使表层土壤Mg2+浓度降低33%、12%和31%，说明NT条件下Ca2+和Mg2+在土壤剖面中发生再分配。值得注意的是，MT对表层和亚表层土壤交换性Ca2+、Mg2+和Na+均无显著影响，表明NT管理模式对维持农田系统生产力至关重要。

与CT相比，CTS和NTS可使表层土壤pH分别显著降低0.3%和0.5%（p<0.05）。同时，与CT相比，NTS、NT和RT可使表层土壤CEC分别显著提高5%、8%和5%（p<0.05）。但保护性耕作对亚表层土壤pH和CEC均无显著影响（图5a、b），该结果与多项前人研究一致。其可能原因是，NT条件下表层SOM分解增强，促进了与有机阴离子结合的H+释放；同时，NT条件下根系生长旺盛，硝化作用增强、根系分泌物增加，也会提高表层土壤酸度。此外，NT减少了表层土壤扰动，阻止了氮肥从表层向深层淋溶，进一步加剧了表层土壤酸化。相反，CT可使肥料在整个耕作层均匀分布，从而缓解表层土壤酸化。

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图4.不同农作措施下土壤（a）钙离子（Ca2+）、（b）镁离子（Mg2+）和（c）钠离子（Na+）的效应值效应值表示处理组与对照组之间的加权响应比。误差线代表95%置信区间。各指标的样本量标注在柱形旁边。缩写含义：免耕（NT）、少耕（RT）、最小耕作（MT）、常规翻耕（CT）。

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图5.不同农作措施下土壤（a）pH值和（b）阳离子交换量（CEC）的效应值。效应值表示处理组与对照组之间的加权响应比。误差线代表95%置信区间。各指标的样本量标注在柱形旁边。缩写含义：免耕（NT）、少耕（RT）、最小耕作（MT）、常规翻耕（CT）。

4.结论

考虑到保护性耕作的年限可能对研究结果产生影响，本研究进一步剔除了耕作年限≤5年的相关文献，重新进行荟萃分析，并与原始结果进行比较（图1-5）。结果表明，耕作年限对TC、全量养分（N、P、K）、Ca2+、Mg2+、Na+、pH及CEC的影响较小，但对SOM、SOC、AN、AP和AK存在显著影响（图6、图7）。

（1）对于SOM和SOC（图6），剔除短期数据后最明显的变化体现在NT vs. NTS、CT vs. CTS以及CT vs. NTS的显著性上，即秸秆覆盖对SOM和SOC的影响。如图6所示，无论土层（表层或亚表层），长期NTS较NT并不能显著提高SOM和SOC含量，甚至长期NTS较NT会显著降低SOC含量。

（2）剔除5年以下数据也对AN、AP和AK结果产生较大影响（图7）。与CT相比，长期CTS和NTS显著提高表层AN含量，而长期NT也显著提高亚表层AN含量。长期NTS较NT可显著提高亚表层AP含量；值得注意的是，长期MT较CT会降低表层AP含量，这与之前结果呈现相反趋势。该现象同样出现在AK中；长期NTS较CT可显著提高表层AK含量，而原始结果显示NTS较CT显著降低表层AK含量。但由于剔除数据后研究数量减少，部分比较结果的可靠性受到一定限制。

总体而言，保护性耕作（NTS、NT、RT、MT）显著改善了表层土壤的化学性质（Na⁺和pH除外）。其中，NT和NTS这两种保护性耕作措施对土壤化学性质的提升效果最为显著。保护性耕作对亚表层SOC、全量养分（N、P、K）、AN和AP含量的提升作用略弱于表层，但整体仍呈上升趋势。对金属阳离子和pH值则以降低效应更为明显。然而，受数据量或其他特定因素限制，SOM、AK和CEC可能未受保护性耕作的显著影响（图8）。

尽管本研究针对土壤化学环境对耕作方式转变的响应开展了全球荟萃分析，但这些响应的幅度仍存在一定不确定性。例如，MT条件下亚表层AN和AK含量的观测值较少，可能影响荟萃分析结果。未来研究在探讨耕作方式对土壤化学环境的影响时，应纳入更多数据以提升结论可靠性。

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图6.剔除5年以下短期保护性耕作数据后，不同保护性农业措施下土壤（a）有机质（SOM）和（b）有机碳（SOC）的效应值效应值表示处理组与对照组之间的加权响应比。误差线代表95%置信区间。各指标的样本量标注在柱形旁边。缩写含义：免耕（NT）、少耕（RT）、最小耕作（MT）、常规翻耕（CT）。

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图7.剔除5年以下短期保护性耕作数据后，不同保护性农业措施下土壤（a）速效氮（AN）、（b）速效磷（AP）和（c）速效钾（AK）的效应值。效应值表示处理组与对照组之间的加权响应比。误差线代表95%置信区间。各指标的样本量标注在柱形旁边。缩写含义：免耕（NT）、少耕（RT）、最小耕作（MT）、常规翻耕（CT）。

保护性耕作简介及其相关指标推荐-

图8.不同保护性耕作方式在不同土层深度下的土壤化学性质变化（与常规翻耕CT对比）橙色和蓝色分别代表正向效应与负向效应；化学性质对应颜色越深，表示效应强度越大。标注“*”表示存在显著正向/负向效应。

1.检测指标

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参考文献： 

[1]Seitz S, Goebes P, Puerta V L, et al. Conservation tillage and organic farming reduce soil erosion[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2019, 39(1): 4.

[2] Zarea M J. Conservation tillage and sustainable agriculture in semi-arid dryland farming[M] Dordrecht: Springer Netherlands, 2010: 195-238. 

[3] Laxman T, Yamuna C, Reddy T R, et al. Impact of conservation tillage on soil properties and crop yield: A review[J]. International Journal of Research in Agronomy, 2024, 7(9): 862-867.

[4] Deng Z, Huang M, Zhang W, et al. Effects of five years conservation tillage for hedging against drought, stabilizing maize yield, and improving soil environment in the drylands of northern China[J]. Plos one, 2023, 18(3): e0282359.

[5] Xiang Y, Cheng M, Wen Y, et al. Soil organic carbon sequestration under long-term chemical and manure fertilization in a cinnamon soil, Northern China[J]. Sustainability, 2022, 14(9): 5109.



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