中國旱作農業區分布于年降水250~650mm的半干旱、半濕潤偏旱地區，集中在東北（含內蒙東部）壟作區及西北（含山西全省及內蒙少部分）黃土高原區。土壤耕作的目的是建立適宜作物生長的土壤環境條件，蓄水保墑，促進作物增產。選用適宜的耕作法對土壤和作物生長發育具有積極作用[1-2],但長期單一耕作方式也給土壤帶來不利影響，阻礙作物增產及農業的可持續發展。
長期免耕會導致土壤出現有機碳和養分表層富集、層化等質量問題，并使病蟲害加重；長期少耕造成土壤體積質量增大，易形成犁底層，土壤緊實，通透性變差；而長期翻耕則會導致表層土壤結構穩定性和團聚體質量下降，加劇農田表層土壤的流失和風蝕[3-5].
如何通過合理的耕作措施進一步改善長期單一耕作所引起的土壤質量下降，是目前人們比較關注的問題。少免耕具有保土、增肥、節水和增產增效的作用[6-7],早在20世紀30年代，美國就提出以少耕、免耕、壟作、覆蓋、帶狀耕作等為內容的保護性耕作新技術，并進行大面積推廣[8].20世紀80年代后，少免耕法在中國農業生產上得到廣泛應用，但隨少免耕年限的延長，出現了土壤耕層變緊、表層養分富集、雜草滋生和作物早衰易倒伏等問題。
20世紀90年代中期，針對連續少免耕出現的問題，黃細喜等[9]提出以少耕為主體，少免交替，定期耕翻的深淺免相結合的輪耕制。通過合理運用土壤耕作技術措施，將翻耕、深松、免耕等土壤耕作措施進行合理組合與輪換，能夠克服各項單一土壤耕作措施的缺點，建立合理的土壤輪耕制，有利于充分和持續均衡發揮保持水土、蓄水保墑、增產增收等保護性耕作效應。因此，土壤輪耕對減少長期耕作產生的弊端具有重要作用，研究建立合理的輪耕模式和輪耕周期對農業可持續發展具有重要意義。
1土壤輪耕的研究現狀與發展概況
適墑耕翻與少免耕組合，可以起到互補促進作用。這種組合總體上以少免耕為主，耕翻為次，所以有人稱為“少耕制”.從年際間來看，耕與免、深與淺、翻與旋等互補的方法組合輪替，所以又稱“輪耕制”.在國外，各國家關于輪耕的認識存在差異。在澳大利亞，輪耕是指改變年際間不同耕作深度、實現降低土壤緊實度、避免同一耕作深度的耕作方式；而美國則認為是作物輪作的順序和免耕與耕作的交替[10].在薩斯喀徹溫省西南部，Gan等[11]在作物長期與短期輪作的研究表明，選擇恰當的物種與適當的安排序列，可減少對夏季休閑地的利用，機械化耕作可充分利用作物多樣化，使土壤的退化得到恢復，提高水分和養分利用效率，降低雜草和病蟲害對作物的危害，維持和改善土壤的質量。針對輪耕周期，Hill[12]對美國中北部調查研究顯示，伊里諾斯州和印第安納州連續免耕持續約2.5a,而明尼蘇達州不到1.4a.
耕作次數也由1990年前的7~10次減少到1次或免耕，休閑期蓄水量由102mm增加到183mm,占休閑期降水量比率由19%提高到40%,小麥產量也由以前的1.07t/hm2提高到2.69t/hm2[13].早在明清時期，間套復種得到進一步發展，從而使土壤耕作進入合理輪耕的新階段。在南方水田種植區，實行免耕與耕耙組合的輪耕體系；在北方旱作農業區，實行耕耙耱和留茬結合的輪耕體系。
20世紀60年代，南方部分地區已形成少免耕、秸稈還田和休閑期保護性耕作技術體系[14].進入20世紀80年代后期，少免耕在中國旱區農業生產上得到進一步應用和推廣，由于免耕年限的延長，導致土壤耕層緊實、表層土壤養分富集、雜草滋生和作物易倒伏產生早衰等問題。
20世紀90年代后期，劉世平等[15]提出蘇北不同輪作區可采用輪耕與定期秸稈還田輪培的方法有機結合，形成土壤管理“輪作、輪耕、輪培”相結合的“三輪”體系。近年來，農業部農作制度開放重點實驗室和農業部西北黃土高原作物生理生態與耕作重點實驗室的研究人員在輪耕方面做了大量的工作[16-18],認為土壤輪耕是通過翻耕、深松和免耕等耕作措施的組配，與種植制度形成相適應的輪耕技術體系，解決長期單一耕作弊病，來維持農田的土壤生態環境健康和農業的持續性發展。
2土壤輪耕技術與配套機具
土壤輪耕技術是指以少耕為主體，少免耕交替，定期對土壤進行耕翻的深、淺、免有機結合的耕作體系[9,15].隨著輪耕技術在旱農區的進一步深入實踐，實施范圍不斷擴大，但仍具有區域性。不同地區必須因地制宜，在實踐中結合當地生產實際，才能有效解決實施中存在的技術問題。因此，在推廣土壤輪耕技術時，輪耕模式與配套機具要結合不同地域土壤條件、種植制度和種植規模等，才能使輪耕效益得到充分發揮。
北方農牧交錯帶屬中國典型的半干旱偏旱區。該區年降水量僅有354mm,60%~70%降雨集中在7-9月。近年來，土壤侵蝕和荒漠化比較嚴重，中國農業大學高旺盛教授在武川旱作試驗站長期耕作定位試驗[19],輪耕模式為免耕/免耕/深松，即在連續2年免耕基礎上進行深松。免耕處理采用內蒙古農業大學機械廠生產的2BM-9型免耕播種機；深松處理采用天津市薊縣農業機械廠生產的ISQ-204型全方位深松機。
東北旱作區主要集中于東北三省中、西部及內蒙東部平原、丘陵區。傳統耕法頻繁翻耕，地表裸露休閑，耕地退化，生態環境惡化。為提高耕地蓄水保墑能力，創立了東北壟作蓄水保墑3年輪耕法[20].即深耕、扶原壟、淺耕相結合的“三、三”輪耕法，其實質為：秸稈還田（3a/1次），根茬還田（3a/3次），溝臺交替（3a/1次），伏前深松，精密播種，化學除草。新的輪耕法成套設備包括耕整、播種、耕播3大類聯合作業機具的11種機具、16種機型。它可滿足中國北方旱作農業耕、整、播等環節的作業需要，并且做到高效、低耗，改善生態環境，提高農業生產效益。
西北干旱和半干旱區，該區農業生產主要依賴天然降水，60%的降雨主要集中在7-9月，降水與作物需水不同步，水分供需錯位是該區作物降水利用率較低的重要原因。西北農林科技大學農學院賈志寬教授在寧南旱區冬小麥收獲后采用留茬免耕/深松隔年輪耕技術[18,21],主要輪耕模式有：深松/免耕/深松、免耕/深松/免耕、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。配套機具主要有意大利生產的AmazoneNT250型免耕播種機、中國農業大學研制的1SY-120型帶翼鏟深松機和專用鏵式犁（4-20懸掛犁）拖拉機。
渭北旱塬區年均降雨量600mm左右，降水分布不均且變率較大，是典型的半濕潤易旱地區。
冬閑期長期翻耕裸地容易引起土壤失墑和風蝕危害。西北農林科技大學農學院李軍教授在渭北旱源區研究翻、深、免相結合的輪耕模式[22],即在前茬春玉米收獲后秸稈出地進行耕作處理，經過冬季休閑，次年4月中旬播種春玉米，9月下旬春玉米收獲，秸稈出地后進行耕作處理，經過冬季休閑，第3年4月中旬播種春玉米，9月下旬收獲，秸稈出地進行耕作處理。主要輪耕模式有：免耕/深松/免耕、深松/翻耕/深松、翻耕/免耕/翻耕、連續免耕、連續深松、連續翻耕。配套機具包括2BMQF-4C型玉米免耕播種機、1SY-120型帶翼鏟深松機和鏵式犁（4-20懸掛犁）拖拉機。
3輪耕技術的土壤水肥效應
3.1對土壤體積質量及水分狀況的影響
輪耕后，耕層土壤體積質量居于連少和連耕之間，保持在作物生長范圍內，利于土壤供肥能力的提高[15].孔凡磊等[17]研究認為，合理輪換耕作能降低耕層土壤體積質量，但主要影響冬小麥前期，隨時間的推移，輪耕處理的土壤體積質量有所提高，最后差異不顯著。蔣向等[23]研究發現，旋耕2a后進行深耕的輪換，不僅打破了連續旋耕形成的犁底層，而且深耕也未造成新犁底層。輪耕使土壤體積質量降低、大孔隙較多、毛管孔隙增加，增強土壤水分的通透性[24].輪耕能顯著提高土壤總孔隙度，而對毛管孔隙度的影響主要是提高5~10cm毛管孔隙。這是由于輪耕措施降低土壤體積質量，進而增加孔隙度和通氣孔隙度[25].
旱作區夏季休閑期土壤耕作的主要目的是多接納并保蓄天然降水，以利于作物的生長[19].但由于休閑期耕作管理和降雨情況的不同，其土壤蓄水量年際變化較大[26].藺海明等[27]在研究少免耕對半干旱地區土壤水分的影響時認為，少免耕在作物生長季節可明顯增加耗水量，提高農田水分的有效利用率。但晉小軍等[28]的研究表明，2a免耕覆蓋處理的土壤蓄水量低于傳統耕作處理。毛紅玲等[29]在渭北旱塬區的研究表明，夏閑期輪耕較翻耕0~300cm麥田土壤貯水量顯著增加。侯賢清等[18]在寧南旱區的研究表明，夏閑期免耕/深松隔年輪耕能有效蓄水保墑，提高旱地冬小麥播前土壤蓄水量，這是由于免耕與深松輪耕減少了耕作次數，更有利于保水和降低蒸發[30].
3.2對土壤養分性狀的影響
土壤耕作類型和實施期的長短影響耕層有機碳氮質量分數及其分布。有研究表明，采用少免耕結合作物輪作可有效增加土壤有機碳氮質量分數，但主要集中在土壤表層[31-33].其原因主要由于免耕減少對土壤的擾動次數，降低土壤有機碳氮礦化速率[34],加上地表殘茬的作用，減少表土有機碳氮的流失，增加表層土壤有機碳氮質量分數。輪耕使有機質的分解減緩，相對于傳統翻耕，提高土壤有機碳質量分數[35].孔凡磊等[36]研究也認為，連續免耕后翻耕和旋耕都能夠增加0~30cm土層土壤有機碳質量分數，提高有機碳的活性和碳庫管理指數。
相關研究結果表明，與傳統翻耕相比，土壤連續免耕后出現N、P、K等養分元素分配向表層富集的現象，而輪耕可避免養分富集現象[37].唐海明等[38]研究表明，長期免耕有利于提高表層土壤養分質量分數，而免耕后進行耕翻、旋耕措施有利于促進緩效養分的釋放。侯賢清等[39]研究也發現，與傳統翻耕相比，2a免耕1a深松和2a深松1a免耕均有利于提高土壤的養分質量分數，同時對表層土壤有機質和全氮質量分數，以及深層土壤的堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數影響較大。
4輪耕技術對作物生長的響應
4.1對作物光合生理的影響
相關研究表明，水分虧缺可降低植物的光合速率[40],土壤蓄水量偏低會影響作物凈光合速率和蒸騰速率：隨土壤含水量的下降，葉片的凈光合速率和蒸騰速率也明顯下降[41].而免耕與深松輪耕耕作次數減少，有利于保水和降低蒸發，緩解作物生育后期的干旱脅迫，為作物光合性能的提高和籽粒產量的形成奠定良好基礎[42].江曉東等[43]研究發現，少免耕模式下小麥旗葉有較高的葉綠素質量分數。李友軍等[44]和吳金芝等[45]研究也表明，與傳統耕作相比，免耕覆蓋和深松覆蓋有助于促進葉綠素合成，保證小麥后期的光合作用。不同輪耕模式能顯著提高小麥旗葉葉綠素相對質量分數，使小麥生育后期旗葉保持較高的光合能力。相對于傳統耕作，不同輪耕模式能保持較高的PSⅡ實際光化學效率，并有較高的光合電子傳遞能力，增強小麥旗葉耗散過剩激發能的能力，減小發生光抑制的可能性，提高旗葉的光合能力[46].
4.2對作物產量與水分利用效率的影響
免耕和深松是保護性耕作的2種耕作措施。免耕可通過降低土壤體積質量，促進土壤水穩性團聚體的形成等作用來提高土壤的保水能力和水分利用效率，進而促進作物增收[6];深松可以改善土壤結構，減小土壤緊實度，增加作物產量及水分利用效率[47].侯賢清等[46]和王維等[21]研究發現，免耕和深松隔年輪耕的作物產量較傳統耕作顯著提高，適當的輪耕可明顯提高水分的利用效率。何進等[48]的研究認為，4a免耕1a深松可以降低因機械操作而引起的土壤緊實，能夠解決每年深松作業出現的動土量大、水分利用效率低等問題。秦紅靈等[19]研究也表明，在連續2a免耕的基礎上深松，可有效增加土壤水分的利用效率，保墑增產效果明顯，土壤深松處理后2a平均較對照（不深松）增產18.3%,水分利用效率增加9.7%.王育紅等[49]研究也表明，與傳統耕作相比，連續2a深松冬小麥平均增產18.8%,水分利用效率提高16.8%.
5存在問題、建議及展望
在中國北方旱作區，旱地農業發展的主要技術目標是充分利用自然降水，減少地表徑流，增加土壤水分。土壤耕作可調節土壤肥力因素存在狀況，是農業生產活動的主要內容，在農業持續性發展中有重要作用。但長期單一耕作措施會產生不利于作物生長的土壤條件，如長期翻耕土壤失墑大，形成犁底層，影響土壤蓄水能力和作物根系生長發育；長期少免耕會對土壤（特別是耕層土壤）理化性狀產生不良影響，如表層土壤體積質量增加、犁底層上移、耕層變淺、結構性差、產量降低等問題，不利于作物的生長發育[50-52].建立以少耕為主，少免耕交替，定期耕翻的輪耕模式，合理組配耕作方式對農田健康發展有重要意義。土壤輪耕，首先應確立“久免需耕、久淺需深”的正確觀念。土壤在適耕狀態下耕翻，可以改善下耕層土壤物理性狀，提高供肥力，并通過上下土層的交換，增加下耕層土壤養分質量分數，同時可滅蟲、除草。第二，輪作與輪耕相結合。輪作使土壤生境多變，使害蟲和雜草不能適應土壤環境；免耕與耕翻、淺層耕作與深層耕作、夏耕與秋耕科學輪換，對生態防除害蟲與雜草有利。第三，輪耕要與種植制度相適應。從種植系統出發，綜合考慮土壤及作物因素。第四，不同耕作和輪作體系的土壤肥力間存在差異，要求不同地區依據自身條件發展適宜的輪耕模式。
保護性耕作的研究已經不是單純土壤耕作技術及當季作物的生長，而是更注重一個種植制度的周期、作物輪作、土壤輪耕的綜合技術配置及其效應。針對中國北方旱作區土壤輪耕技術尚未解決的問題，在今后的研究工作中還需對以下方面進行深入研究：（1）從區域多樣化出發，建立區域化的土壤輪耕技術模式。針對目前北方旱作區土壤輪耕的研究情況，輪耕技術的研究要突出不同區域特點，應充分發揮其保水、保土的作用。針對區域關鍵問題，結合共性關鍵技術，組合形成區域特色關鍵技術體系。（2）進一步深化土壤輪耕關鍵技術研究。共性關鍵技術包括土壤輪耕技術、秸稈覆蓋還田保護技術、裸露農田綠色覆蓋技術、關鍵環節適宜機具技術和穩產增效關鍵技術等。（3）加強土壤輪耕理論研究。加強不同種植制度秸稈還田長期效應研究；加強不同類型區長期少免耕及不同輪耕法的長期效應研究；加強輪耕技術的評價體系、技術推廣的組織機制與配套技術政策研究。
