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斯坦福大学的研究人员发现减少耕作可以改善土壤、提高产量
日期:2020-01-06 作者:编译:张晓静 来源:农科智库 点击:
 

    斯坦福大学的科学家们通过机器学习和卫星数据监控农作物,发现土壤耕作较少反而能提高玉米和大豆的产量并改善土壤质量。面对全球不断增长的粮食需求,减少土地耕作可谓是双赢之举。
    农业生产每年造成2,400多万英亩的肥沃土壤退化,这让人们对全球不断增长的粮食需求产生忧虑。斯坦福大学的最新研究表明,由于自20世纪30年代美国沙尘暴(Dust Bowl)肆虐而兴起的简单耕作方法可能有助于解决这个问题。这项研究的成果于12月6日发表在《环境研究快报》(Environmental Research Letters)上,该研究表明,部分中西部农民降低了翻土(即耕地)的强度,反而收获了更多产量的玉米和大豆,同时也改善了土壤质量、降低了生产成本。
    这篇研究成果的第一作者、斯坦福大学粮食安全与环境中心(Center on Food Security and the Environment)的博士后研究员吉利安·迪恩斯(Jillian Deines)说:“减少土地耕作对玉米带的农业生产来说是一个双赢之举。有些农民担心减少土地耕作会使作物减产,因此不敢这么做,但我们发现减少耕作通常会提高产量。”
    美国是全球最大的玉米和大豆生产国,玉米和大豆的种植主要集中在中西部地区。在刚刚过去的这个农作物生长季,美国农民从土地上收获了约3.67亿公吨玉米、1.08亿公吨大豆,提供了重要的食品、石油、工业原料、乙醇和出口价值。
    从太空监控农业农民通常在种植玉米或大豆之前先耕作土壤,众所周知,这种方法可以清理杂草、将土壤中的养分混合均匀、分解压实的土块,从而在短期内增加粮食产量。但是,长期来看这种方法会使土地退化。联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations)2015年的一份报告指出,在过去的40年中,土地退化已经使全世界损失了三分之一的产粮土地。损失了曾经肥沃的土地,给粮食生产带来了严峻的挑战,特别是在全球人口不断增长、农业生产的压力不断增加的情况下。
    相反,减少耕作(也称为保护性耕作)有助于更健康的土壤管理,减少土壤侵蚀和水土流失,有利于保水和排水。方法是在播种下一季作物时将上一年的农作物残留物(例如玉米秸秆)留在地面上,少用机械耕作或根本不采用机械耕作。全球共有超过3.7亿英亩的土地采用这种耕作方法,主要集中在南美洲、大洋洲和北美洲。但是,许多农民担心这种方法会降低作物产量和农业生产利润。过去对产量影响的研究仅限于本地实验,通常在研究站进行,这些实验不能充分反映实践中的生产规模。
    斯坦福大学的研究团队采用机器学习和卫星数据集来填补这一方面的知识空白。首先,他们根据先前发布的2005年至2016年美国年度耕作数据划分出耕作减少的地区和常规耕作的地区。他们利用以卫星监控为基础的作物产量模型(考虑了气候和作物生长周期等变量),观察了玉米和大豆在这段时间内的产量。为了量化耕作减少对作物产量的影响,研究人员开发了一种计算机模型,比较耕作方式对产量的影响。他们还记录了土壤类型和天气等要素,以确定哪些因素对产量有更大的影响。

耕作减少,产量提高
    研究人员计算出,在抽样的九个州中,如果土地采取了长期保护性耕作措施管理,玉米产量就会平均提高3.3%,大豆产量平均提高0.74%。两种作物的增产量都可以排入世界各国年产量前15名。玉米总计增加了约1,100万公吨,与2018年南非、印度尼西亚、俄罗斯或尼日利亚的全国产量差不多。大豆的增产量80万公吨排在印度尼西亚和南非的产量之间。
    从2008年到2017年,美国玉米种植带(Corn Belt)保护性耕作对玉米产量的平均影响。红色表示保护性耕作下产量增加,蓝色表示产量下降。(图片来源:吉利安·迪恩斯)
    有些地区的玉米产量增长了8.1%,大豆增长了5.8%。还有些地区,玉米减产1.3%,大豆减产4.7%。土壤中的水分含量和温度的季节变化是造成产量差异的最主要因素,尤其是在较为干燥、暖和的地区。研究还发现,除了在早春季节,浸水的土壤会因常规耕作方式而变得更加干燥、蓬松以外,潮湿的环境对农作物有利。
    这篇研究成果的高级作者戴维·洛贝尔(David Lobell)说:“弄清何时、何地减少耕作最为有效,可以最大程度发挥这种方法的优势,为农民们未来的农业生产指明方向。”戴维·洛贝尔是斯坦福大学地球、能源与环境科学学院(School of Earth, Energy& Environmental Sciences)地球系统科学教授、格洛里亚(Gloria)和理查德·库希尔(Richard Kushel)基金会粮食安全与环境中心主任。
    想要全面了解减少耕作带来的收益需要很长的时间,因为只有长期持续这种耕作方式才会收获最佳的效果。根据研究人员的计算,玉米种植者在最初的11年里不会看到全部的收益,而大豆种植者想实现这种耕作方式的全部收益所需的时间是玉米种植者的两倍。然而,由于减少了对劳动力、燃料和农用设备的需求,这种方法可以降低成本,同时还保持了土地的肥沃,以便进行持续的粮食生产。即使在实施的第一年,研究结果也显示出一定程度的增产,而随着土壤质量的改善,收益会随着时间的推移逐渐增加。根据2017年农业普查(2017 Agricultural Censuses)报告显示,农民似乎开始接受这种长期投资的方式,现在美国近35%的耕地都采用减少耕种的方式。
“农业生产的最大挑战之一是要在不牺牲未来产量的条件下实现现在的最大产量。这项研究表明,减少耕种是一种提高长期生产力的方式。”迪恩斯说。

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