基于西班牙东北部冬季作物轮作长期实验的保护性耕作效果评估

《International Soil and Water Conservation Research》：An evaluation of conservation tillage based on long-term experiments in winter crop rotations in NE Spain

保护性耕作在半干旱地区的经济效益与水分利用研究。该研究在西班牙Ebro河谷三个地点进行长期试验，比较了集约（IT）、减量（RT）和免耕（NT）系统对产量、水分利用效率及经济效益的影响。结果显示，RT和NT在较湿润的Selvanera和Agramunt显著提高产量（51%-57%季节）和水效率，经济收益分别增加45%和185%；但在干旱的Pe?alba，NT仅在2010年优于IT，且整体亏损。表明保护性耕作在半干旱地区可行，但需结合当地气候条件。

　　本研究探讨了在半干旱地中海条件下，不同耕作方式对作物产量和水资源利用效率的影响，从生产性和经济性的角度出发。实验在西班牙东北部的埃布罗河谷的三个地点——Selvanera、Agramunt和Pe?alba进行，这些地点的干旱程度逐步递增。研究评估了三种耕作系统：传统深耕（IT）、减少耕作（RT）和免耕（NT）。结果显示，在Selvanera和Agramunt这两个地点，减少耕作和免耕系统在51%和57%的生长季节中表现优于传统深耕，而Pe?alba只有在2010年免耕系统才显示出比传统深耕更高的产量。这表明，尽管减少耕作和免耕可能在初期带来经济上的不确定性，但长期来看，它们在水资源有限的地区具有显著的经济价值。

随着气候变化导致降雨模式的改变，传统的雨养农业体系正面临产量下降的问题。在西班牙本土，研究发现从1951年到2019年，超过18%的地区年降雨天数显著减少，每年减少的天数在34到68天之间。此外，销售价格的不稳定和生产成本的上升促使农民寻找替代方案，以维持农场的经济可行性。尽管许多传统雨养农场正转向灌溉系统，但由于灌溉水源的限制、高昂的水价以及潜在的土壤和地下水污染风险，这种转变并非总是可行。因此，研究人员关注了如何在不依赖灌溉的情况下提高作物的水分利用效率和产量，这包括优化作物轮作、调整种植和收获时间、改进作物品种和实施保护性耕作系统等策略。

保护性耕作技术已在地中海埃布罗河谷的雨养农业中广泛应用，主要因为农民在使用这些技术后观察到了产量的提升。研究表明，减少耕作和免耕系统能够显著减少土壤侵蚀，改善土壤物理性质，包括土壤密度、大孔隙度和总孔隙度。长期使用这些保护性耕作方式，特别是结合覆盖作物，可以增强土壤的水分保持能力和团聚体稳定性，从而提升土壤质量。这些系统有时还能帮助管理杂草，使作物在相同水分条件下获得更高的生物量和谷物产量。

从水资源管理的角度来看，保护性耕作系统已被证明能显著提升水资源利用效率。这些系统的主要优势包括增加土壤水分储存、提高水分保持和渗透能力以及减少土壤水分蒸发。这些正面效果在长期实施和与其他可持续实践（如优化残留物保留和灌溉策略）相结合时尤为明显。这些发现强调了保护性耕作系统在支持可持续农业生产方面的重要性，尤其是在水资源稀缺和半干旱地区。

在能源效率和经济方面，保护性耕作相比传统耕作方式具有明显的优势。研究表明，保护性耕作可以显著降低能源投入，减少幅度从7%到48.5%不等，具体取决于作物类型和区域条件。这种节能主要是由于减少了重复的高强度土壤扰动，从而降低了燃料消耗和农业机械的磨损。此外，保护性耕作系统通常需要较少的劳力和机械投入，这减少了生产过程中的时间和运营成本，使保护性耕作不仅是一种节能的选择，也是一种更具经济可行性的方法。因此，减少耕作和免耕技术被认为是应对当前农业挑战、保持产量稳定的重要手段。

保护性耕作系统的经济价值同样值得关注。尽管在灌溉系统中，水资源的经济价值分析较为常见，但在雨养系统中却常被忽视。然而，在这些系统中，适当的水资源管理对于系统的经济可行性至关重要。因此，在水资源成为农业主要限制因素的背景下，制定经济平衡对于评估特定条件下的耕作系统是否具有盈利能力和适用性尤为重要。

本研究的初步假设包括：保护性耕作能够更好地保持水分；保护性耕作能提高作物产量；保护性耕作的高产和水分保持能力将转化为更高的水分利用效率，这不仅体现在作物产量效率上，也体现在经济效率上。通过长期的实验和实地研究，本研究旨在评估不同耕作技术对水资源利用效率和经济盈利能力的影响，特别是在不同雨养环境下的表现。

实验地点的描述显示，三个实验田位于埃布罗河流域，具有代表性的半干旱地中海气候。这些地区的年降雨量从中央河谷的不足350毫米到周边山区的约850毫米不等。降雨呈现双峰分布，秋季和晚春是主要的降雨季节，而冬季和夏季则降雨较少。然而，这种模式具有高度的变异性，春季出现极低或无降雨的概率达到25%。土壤深度和持水能力因地质和地形的不同而差异显著。浅层土壤通常出现在低地台地，而深层土壤则出现在微谷地。低降雨量和有限的持水能力共同导致了各个地点的干旱状况。

研究地点的气候条件和土壤特性对作物产量和水资源利用效率产生了重要影响。Selvanera的年平均降雨量为475-500毫米，平均温度为13.3°C，而Agramunt的年平均降雨量为400-430毫米，平均温度为14.1°C。Pe?alba的年平均降雨量最低，仅为280-350毫米，平均温度为13.8°C，其参考蒸散发（Eto）最高，达到1224毫米，因此其水分赤字也最大，超过600毫米。这些差异表明，不同地点的土壤水分条件对作物生长和产量具有显著影响。

实验设计采用了随机区组设计，比较了三种土壤管理方式：传统深耕（IT）、减少耕作（RT）和免耕（NT）。在Selvanera和Agramunt，实验从1987年和1990年开始，分别持续到2024年。在Pe?alba，实验从2005年开始，持续到2013年。每种耕作方式在不同的生长季节对土壤水分和作物产量产生了不同的影响。例如，在Selvanera和Agramunt，保护性耕作系统在51%和57%的生长季节中表现出更高的产量和水分利用效率，而在Pe?alba，只有在2010年免耕系统才显示出比传统深耕更高的产量。

从经济角度分析，保护性耕作系统在所有地点的总收入（GI）均高于传统深耕系统。特别是在Agramunt，减少耕作和免耕系统分别提高了总收入的21%和51%。而在Selvanera，这两种系统分别比传统深耕提高了14%和30%的总收入。保护性耕作系统的实施显著提高了净收益（GM），特别是在Selvanera和Agramunt，这些系统的净收益比传统深耕高出98%和184%。然而，在Pe?alba，由于产量较低，传统深耕系统导致了负的净收益，这意味着在该地区，维持作物产量是保持经济可行性的关键。

水资源利用效率（WUEy）和经济水资源利用效率（EWUE）在不同地点的耕作系统中也表现出显著差异。在Selvanera，免耕和减少耕作系统的WUEy平均提高了16%，而在Agramunt，免耕系统的WUEy提高了60%。在Pe?alba，尽管作物产量的提升较为有限，但免耕系统的经济回报仍比传统深耕高出19%。这些结果表明，保护性耕作系统在提升水资源利用效率和经济效率方面具有积极作用，尤其是在水资源有限的地区。

研究还指出，保护性耕作系统的实施对农民的采纳具有重要影响。虽然经济和农业上的好处显而易见，但社会和文化因素可能会阻碍这些技术的广泛应用。例如，许多农民仍然认为传统深耕是有效作物生产的必要手段，而缺乏对保护性耕作可能带来的长期收益的认识。因此，持续的宣传和政策支持对于推动农民向保护性耕作系统的过渡至关重要。

此外，研究强调了在水资源稀缺地区实施保护性耕作系统的必要性。尽管在某些情况下，保护性耕作可能需要3到15年才能稳定土壤并充分展现其效益，但长期来看，这些系统能够显著提升土壤质量和作物产量，从而提高经济回报。特别是在Selvanera和Agramunt，保护性耕作系统在提升作物产量和经济收益方面表现优异，而在Pe?alba，由于极端的干旱条件，保护性耕作系统的效益可能需要更长时间才能显现。

本研究还探讨了保护性耕作系统对农民采纳的影响。尽管农业和经济上的好处明显，但社会和文化因素可能会阻碍这些技术的广泛采用。例如，许多农民仍然认为传统深耕是有效作物生产的必要手段，而缺乏对保护性耕作可能带来的长期收益的认识。因此，持续的宣传和政策支持对于推动农民向保护性耕作系统的过渡至关重要。

在总结部分，本研究指出，保护性耕作系统在提高产量、水分利用效率和经济收益方面具有显著作用。特别是在水资源稀缺的地区，这些系统能够帮助维持农业活动的可持续性，同时减少土壤退化。研究还强调了政策支持的重要性，特别是在干旱地区，通过经济补贴和农业技术推广，可以促进保护性耕作系统的应用，从而提升农业的长期效益。未来的研究应进一步探讨如何在更广泛的干旱和半干旱地区推广这些技术，同时考虑社会和文化因素，以实现农业生产的可持续发展。