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斯坦福大学的研究人员发现,减少土壤耕作对土壤和产量都有好处

通过机器学习和卫星数据监测农作物,斯坦福大学的科学家发现,减少耕地可以增加玉米和大豆的产量,改善土壤的健康状况——这是满足全球粮食需求增长的双赢局面。

农业每年会使2400万英亩肥沃的土地退化,这引起了人们对满足全球日益增长的粮食需求的担忧。但是根据斯坦福大学的一项新研究,一种诞生于20世纪30年代沙尘暴时期的简单农业实践可能提供一种解决方案。这项研究发表在12月6日的《环境研究快报》(Environmental Research Letters)上。研究显示,美国中西部的农民减少了翻耕的次数,增加了玉米和大豆的产量,同时培育了更健康的土壤,降低了生产成本。

根据斯坦福大学的一项新研究,在中西部玉米带,减少耕地可以增加玉米和大豆产量。(图片来源:Flickr/Steven Baird)

“减少耕作对整个玉米带的农业来说是双赢的,”该研究的主要作者、斯坦福大学食品安全和环境中心的博士后学者吉利安·戴恩斯(Jillian Deines)说。“人们担心它会影响农作物产量,因此阻止了一些农民改变种植方式,但我们发现,它通常会导致产量增加。”

美国是世界上最大的玉米和大豆生产国,中西部地区是这两种作物的主要种植地。上个种植季,美国农民从土地上收获了约3.67亿公吨玉米和1.08亿公吨大豆,为美国提供了关键的食品、石油、原料、乙醇和出口价值。

从太空监测农业

农民通常在种植玉米或大豆之前先耕地,这种做法可以控制杂草,混合养分,分解压实的泥土,并最终在短期内增加粮食产量。然而,随着时间的推移,这种方法会使土壤退化。联合国粮食及农业组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations) 2015年的一份报告发现,在过去40年里,全球三分之一的粮食生产地因土壤退化而消失。曾经肥沃的土地消失了,这对粮食生产构成了严重挑战,尤其是在农业面临养活不断增长的全球人口的越来越大压力的情况下。

相反,少耕-也被称为保护性耕作-促进更健康的土壤管理,减少侵蚀和径流,改善水保持和排水。它包括在种植下一季作物时,将前一年的’s作物残渣(如玉米秸秆)留在地上,很少或没有机械耕作。这种做法在全球范围内的使用面积超过3.7亿英亩,主要分布在南美洲、大洋洲和北美。然而,许多农民担心这种方法会降低产量和利润。过去对产量影响的研究仅限于当地的实验,通常是在研究站进行的,这些实验并不能完全反映生产规模的实际情况。

斯坦福大学的研究小组求助于机器学习和卫星数据集来解决这一知识缺口。首先,他们根据之前公布的2005年至2016年美国年度实践数据,确定了减少和传统耕作的领域。利用基于卫星的作物产量模型——考虑气候和作物生命周期等变量——他们还评估了这段时间玉米和大豆的产量。为了量化减少耕作对作物产量的影响,研究人员训练了一个计算机模型来比较基于耕作实践的产量变化。他们还记录了土壤类型和天气等因素,以帮助确定哪些条件对收成的影响更大。

提高产量

研究人员计算出,在9个抽样州,长期保护性耕作管理的土地上,玉米产量平均提高3.3%,大豆产量平均提高0.74%。这两种作物的额外吨位产量均排在世界前15位。就玉米而言,新增玉米约1100万吨,相当于南非、印度尼西亚、俄罗斯或尼日利亚2018年的产量。大豆产量增加80万吨,在印尼和南非之间。

从2008年到2017年,美国玉米带的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:Jillian Deines)

一些地区的玉米和大豆分别上涨了8.1%和5.8%。在其他领域,玉米和大豆分别出现了1.3%和4.7%的负增长。土壤水分和季节温度是影响产量差异的最主要因素,特别是在干旱、温暖地区。湿润的条件也有利于作物生长,除了在早期季节,在那里,被水浸透的土壤可以从传统的耕作中受益,而这种耕作反过来又会使土壤干燥和透气。

该研究的资深作者、地球能源学院地球系统科学教授大卫·洛贝尔说:“弄清楚何时何地减少耕作最有效,将有助于最大限度地发挥技术的效益,并引导农民走向未来。”以及格洛里亚和理查德·库舍尔食品安全和环境中心主任。

要看到减少耕作的好处需要时间,因为它在持续实施的情况下效果最好。根据研究人员的计算,种植玉米的农民在头11年看不到全部好处,而大豆需要两倍的时间才能实现全部产量。然而,由于减少了对劳动力、燃料和农业设备的需求,同时保持肥沃的土地持续生产粮食,这种方法也降低了成本。这项研究确实显示,即使在实施的第一年,也有少量的积极收获,随着时间的推移,随着土壤健康状况的改善,收获也会越来越多。根据一份2017年农业普查报告,农民似乎开始接受长期投资,美国近35%的农田现在采用少耕管理。

“农业面临的一大挑战是在不影响未来产量的情况下实现今天的最佳作物产量。这项研究表明,减少耕作可以成为长期作物生产力的解决方案,”Deines说。

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大卫·洛贝尔也是威廉·里格利在斯坦福森林环境研究所的高级研究员,弗里曼·斯普利国际研究所和斯坦福经济政策研究所的高级研究员。研究生Sherrie Wang也是作者之一。这项研究由NASA Harvest资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.stanford.edu/2019/12/06/reduced-soil-tilling-helps-soils-yields/