约翰·艾施利曼在他位于华盛顿州东部帕卢斯地区的4000英亩农场上翻起一铲表土。黑色的泥土很容易破碎，露出多孔的结构和丰富的有机物，这些都有助于根系生长。还能看到大量的蚯蚓——这是另一个健康的迹象。
三十四年前，在他的土壤里，即使能找到蚯蚓，也只有几条。那时，艾施利曼会在每次播种前犁地，掩埋前茬作物的残茬，为下一茬作物准备土地。丘陵起伏的帕卢斯地区已经这样耕作了几十年。但是，耕作正在对帕卢斯地区造成损害，其著名的肥沃土壤正在以惊人的速度流失。艾施利曼坚信一定有一种更好的耕作方式，因此在1974年开始尝试一种新兴的方法，即免耕农业。
世界上大多数农民都会在播种作物前犁地。在播种前翻耕土壤的做法可以掩埋作物残茬、动物粪便和有害杂草，还可以为土壤通气和增温。但是，以这种方式清理和扰动土壤也会使其容易受到风和水的侵蚀。耕作是农业用地退化的根本原因之一，而农业用地退化是全球最严重的环境问题之一，对粮食生产和农村生计构成威胁，尤其是在发展中国家贫困和人口稠密的地区。到20世纪70年代末，在帕卢斯地区，土壤侵蚀已经剥离了10%耕地的100%表土，以及另外60%耕地的25%到75%表土。此外，耕作还会促进沉积物、化肥和农药径流到河流、湖泊和海洋中。相比之下，免耕农业旨在最大限度地减少土壤扰动。实践者在收获后将作物残茬留在田地里，这些残茬就像覆盖物一样，可以保护土壤免受侵蚀，并促进土壤生产力。为了播种，农民使用专门设计的播种机，穿透残茬到达下面未受干扰的土壤，种子可以在那里发芽并长成新作物。
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为了努力养活不断增长的世界人口，农业已经扩张，从而对环境、人类健康和生物多样性产生了更大的影响。但是，鉴于我们目前对地球承载能力的认识，我们现在意识到，生产足够的粮食是不够的——还必须以可持续的方式进行。农民需要生产足够的高质量作物产量，为子孙后代保护自然资源，赚取足够的钱来维持生计，并对他们的工人和社区做到社会公正 [参见约翰·P·雷根诺德、罗伯特·I·帕彭迪克和詹姆斯·F·帕尔合著的《可持续农业》；《大众科学》，1990年6月]。免耕农业是可能有助于实现更可持续农业愿景的系统之一。与任何新系统一样，免耕也存在挑战和权衡。尽管如此，世界各地的一些种植者正越来越多地放弃他们的犁。
犁地前进
自从大约10000年前人们开始种植自己的作物以来，人们就一直在使用免耕和耕作相结合的方法来生产地球上的食物。在从狩猎和采集过渡到种植作物的过程中，我们的新石器时代先民在住所附近种植菜园，并在野外觅食其他食物。有些人通过用棍子在土地上戳洞，将种子放入每个坑洼中，然后用土壤覆盖，从而进行了最早的免耕形式。另一些人则用棍子刮擦地面，这是一种早期形式的耕作，目的是将种子放在地表之下。发展中国家的数千名农民仍然使用这些简单的方法来播种他们的作物。
随着犁的出现，机械耕作土壤逐渐成为种植作物和控制杂草的标准方法，犁使得少数人的劳动能够养活许多人。最早的工具是划土犁，它由一个框架组成，框架上有一个垂直的木柱，拖过表土。最早版本的这种装置可能由两个人操作，一个人拉工具，另一个人引导工具。但是，役畜（例如美索不达米亚的牛，可能早在公元前6000年）的驯化取代了人力。下一个重大发展发生在公元前3500年左右，当时埃及人和苏美尔人创造了犁铧——一种楔形的木制工具，尖端镶有铁片，可以松动表土层。到11世纪，欧洲人正在使用这种创新的改进版，其中包括一个称为犁壁的弯曲刀片，可以将土壤翻过来。
犁设计的不断进步促成了19世纪中期先锋农业的爆发；农民在东欧、南非、加拿大、澳大利亚、新西兰和美国开垦了以草为主的原始草原，将其转变为玉米、小麦和其他作物。其中一个地区，美国中西部的茂密草原，由于其厚实、粘稠的草皮阻碍了耕作，因此一直难以广泛耕种。但在1837年，伊利诺伊州的一位名叫约翰·迪尔的铁匠发明了一种光滑的钢制犁壁犁，可以破开草皮。如今，这片曾经的草原，包括著名的玉米带的大部分地区，是世界上农业生产力最高的地区之一。
农业机械化在20世纪初期继续发展，出现了许多工具，帮助农民更加集约地耕作土地，包括可以一次拉动多台犁的拖拉机。然而，耕作方式即将受到深刻的审视。“尘暴”时代（1931年至1939年）暴露了以犁为基础的农业的脆弱性，因为风将美国干旱蹂躏的南部平原上的珍贵表土吹走，留下了歉收的作物和农场。因此，土壤保持运动应运而生，农业学家开始探索减少耕作的方法，以保留作物残茬作为保护性地被物。推动这一运动的是农艺学家爱德华·福克纳在1943年出版的颇具争议的《犁夫的愚行》，他质疑了犁的必要性。随着第二次世界大战后除草剂（如2,4-D、莠去津和百草枯）的开发，福克纳的激进主张变得更加站得住脚，对现代免耕农业方法的研究在20世纪60年代开始认真进行。
考虑到犁在农业中发挥的关键作用，构思一种无需犁的方法已被证明是相当具有挑战性的，需要对几乎农业生产的各个方面进行重新改造。但是，自20世纪60年代以来，专门设计的播种机一直在不断发展，以满足免耕农业独特的机械化要求。这些新型播种机以及化学除草剂是最终使种植者能够在商业规模上有效地实施免耕的两种主要技术。
开始免耕
如今，农民以不同程度扰动土壤的方式为种植做准备。使用犁壁犁耕作会完全翻转土壤最上面的6到10英寸，掩埋大部分残茬。同时，凿式犁只会破碎表土，并保留更多的地表残茬。相比之下，免耕方法仅仅在每个种植行中创建一个半英寸到三英寸宽的凹槽，种子可以放入其中，从而最大限度地减少整体土壤扰动。在美国，免耕农业符合美国农业部对保护性耕作的更广泛定义。保护性耕作包括任何保留足够的前茬作物残茬的方法，从而在播种后至少覆盖30%的土壤表面。这种残茬的保护作用是相当大的。根据美国农业部国家资源清单数据，1982年至2003年间，美国耕地因水和风造成的土壤侵蚀减少了43%，其中大部分下降来自保护性耕作的采用。
土壤保护不是免耕的唯一好处。将作物残茬留在土壤表面有助于增加水分渗透并限制径流。反过来，减少径流可以减少受输送的沉积物、化肥和农药污染的附近水源。残茬还可以通过减少蒸发来促进水分保持。在水分供应限制作物生产的情况下，更高的水分保持率可能意味着更高的作物产量或种植替代作物的新能力。
免耕方法还通过为土壤生物（如蚯蚓）提供来自残茬的食物并稳定其栖息地，从而促进土壤动植物群的多样性。再加上相关的土壤有机质增加，这些条件鼓励土壤形成更稳定的内部结构，进一步提高种植作物的整体能力，并缓冲土壤免受耕作作业或环境危害造成的压力。因此，免耕可以使对中度至陡峭倾斜的土地进行更可持续的耕作，这些土地面临着较高的侵蚀风险和其他问题。
野生动物也从免耕中获益，因为直立的作物残茬和不可避免的谷物收获损失为高地猎鸟和其他物种提供了掩护和食物。在1986年发表的一项研究中，爱荷华州的研究人员发现免耕田地中有12种鸟类筑巢，而耕作田地中只有3种。
此外，与传统的犁壁犁耕作相比，减少耕作增加了土壤碳固存。土壤碳固存是农业主要的温室气体减缓策略之一，其中作物在光合作用过程中从大气中去除二氧化碳，未收获的残茬和根转化为土壤有机质，土壤有机质中58%是碳。美国耕地固存土壤碳的总体潜力中，约有一半来自保护性耕作，包括免耕。
此外，免耕可以为农民带来经济优势。使用免耕建立和收获作物所需的田间作业次数通常从七次或更多次减少到四次或更少次。因此，与以耕作为基础的农业相比，它需要的燃料减少50%到80%，劳动力减少30%到50%，从而大大降低了每英亩的生产成本。虽然专门的免耕播种设备可能很昂贵，一些精密的播种机售价超过10万美元，但不再需要运行和维护其他耕作设备，从而使作物建立所需的机械总资本和运营成本降低高达50%。凭借这些时间和金钱上的节省，农民可以在较小的规模上更具竞争力，或者他们可以扩大规模并耕种更多的土地，有时使用相同的设备和劳动力将农场规模扩大一倍。此外，许多农民欣赏他们曾经投入到相当单调的耕作任务中的时间，他们可以转而用于更具挑战性的农业、家庭生活或休闲方面，从而提高他们的整体生活质量。
押注农场
免耕和其他保护性耕作系统可以在各种气候、土壤和地理区域中发挥作用。连续免耕也适用于大多数作物，但水稻和马铃薯等根类作物除外。然而，在有数据的最新年份2004年，全球农民仅在2.36亿英亩的土地上实行免耕——甚至不到全球耕地总面积的7%。
在免耕面积最大的五个国家中，美国排名第一，其次是巴西、阿根廷、加拿大和澳大利亚。大约85%的免耕土地位于北美和南美。在美国，2004年约有41%的已种植耕地使用保护性耕作系统耕种，而1990年为26%。大部分增长来自免耕的扩大采用，免耕在同一时期增加了两倍多，达到美国农田的22%。这无疑部分反映了这样一个事实，即美国农民被鼓励达到保护性耕作的定义，以参与政府补贴和其他计划。在南美洲，由于大学农业推广教育工作者和当地农场社区协调努力，开发适合其特定需求的切实可行的免耕种植系统，免耕农业的采用率相对较快。
另一方面，欧洲、非洲和亚洲大部分地区的采用率较低。在非洲和亚洲的发展中国家，接受免耕尤其困难，因为那里的农民经常将作物残茬用于燃料、动物饲料和其他用途。此外，播种作物所需的专用播种机和杂草控制所需的除草剂可能无法获得，或者对于这些地区的种植者来说可能过于昂贵。与此同时，在欧洲，缺乏促进免耕的政府政策，以及对农药（包括除草剂）的更高限制，以及其他变量，使农民几乎没有动力采用这种方法。
从以耕作为基础的农业转变为免耕并非易事。转型的难度，以及免耕比传统农业更容易导致作物歉收或净回报较低的普遍看法，严重阻碍了这种方法的更广泛采用。尽管农民们接受农业并非万无一失的职业，但如果失败的风险高于传统做法，他们会犹豫是否采用新的耕作方式。由于免耕与其他耕作方式截然不同，因此转向免耕的种植者会经历陡峭的学习曲线。除了不同田间操作的要求外，转变还对农场土壤和田地产生深远的影响。例如，随着从以耕作为基础的农业转向免耕，可能会出现不同的害虫种类。杂草和作物病害的种类也可能发生变化。例如，与免耕相关的水分水平升高可能会促进土壤传播的真菌病害，而耕作以前可以控制这些病害。事实上，新作物病害的发现有时伴随着向免耕的转变。
免耕带来的一些变化可能需要数年甚至数十年的时间才能展开，农民需要保持警惕，并适应新的、有时是意想不到的情况，例如土壤和残茬条件或肥料管理变化引起的情况。在这个过渡时期，存在产量降低甚至作物歉收的实际风险。例如，在帕卢斯地区，一些在20世纪80年代尝试免耕的农民已不再经营。因此，希望转向免耕的农民最初应将转换的面积限制在其农场总面积的10%到15%。
不熟悉免耕技术的农民经常参观成功的农场并组成当地或区域支持小组，他们在那里分享经验并讨论具体问题。但是，他们在免耕采用率有限的地区获得的建议可能是不完整或矛盾的，知识、经验或技术的差距可能会产生灾难性的后果。如果免耕比传统技术风险更高的看法在农业社区中形成，银行可能不会为免耕农民的贷款提供担保。或者，租赁土地的种植者可能会发现业主反对免耕，因为他们担心他们不会获得那么多报酬。改善农民、大学、农业综合企业和政府机构之间的信息交流无疑将大大有助于克服这些障碍。
然而，即使在经验丰富的免耕农民手中，该系统也存在缺点。在质地细腻、排水不良的土壤上进行免耕作物生产可能尤其成问题，通常会导致产量降低。例如，在这些类型的土壤上，免耕玉米的产量通常比传统耕作的产量降低5%到10%，尤其是在北部地区。而且，由于作物残茬阻挡了阳光照射到地球上，使其升温的程度与传统耕作不同，因此春季土壤温度较低，这可能会减缓种子发芽并限制玉米等暖季作物的早期生长，尤其是在北部纬度地区。
在最初的四到六年里，免耕还需要使用额外的氮肥来满足某些作物的营养需求——比传统耕作系统多出高达20%——因为地表有机质的增加会固定养分，包括氮。而且，在没有耕作的情况下，农民更严重地依赖除草剂来控制杂草。抗除草剂杂草在免耕农场中已经变得越来越普遍。因此，免耕的持续实践高度依赖于新型除草剂配方和其他杂草管理方案的开发。撇开成本不谈，更多地依赖农业化学品可能会对非目标物种产生不利影响，或污染空气、水和土壤。
整合免耕
免耕有可能带来一系列日益令人渴望的好处，尤其是在一个面临人口增长、环境退化、能源成本上升和气候变化等严峻挑战的世界中。但免耕并非万能药；农业中不存在这样的东西。相反，它是更广泛、不断演变的可持续农业愿景的一部分，其中从免耕到有机耕作以及两者的结合等多种耕作方法被认为是健康的。我们认为，最终所有农民都应该在其农场上整合保护性耕作，如果可行，则进行免耕。
未来的免耕农业将需要采用更多样化的病虫害和杂草管理策略，包括生物、物理和化学措施，以减轻农药抗性的威胁。成功的有机耕作系统的实践可能在这方面具有启发意义。其中一种技术，作物轮作——农民在同一空间连续季节种植一系列不同的作物——已经在帮助免耕对抗病虫害和杂草，方法是帮助打破当连续种植一个物种时出现的杂草、病虫害循环。
为此，种植多种经济上可行的作物的能力将推进免耕农业，并使其对农民更具吸引力。但是，目前美国中西部玉米带强调玉米生产乙醇，正在促进单一种植——在广阔的区域种植单一作物（如玉米）并每年重新种植——并且可能会使该地区的免耕农业更加困难。专家们继续争论在农田上种植燃料的优缺点，但如果我们决定继续种植生物燃料作物，我们将需要考虑使用免耕和作物轮作来可持续地生产它们。在边际土地上开发生物能源生产的替代作物，包括柳枝稷等多年生植物，可以补充和促进免耕农业，正在开发的多年生谷物食用作物也是如此 [参见杰里·D·格洛弗、辛迪·M·考克斯和约翰·P·雷根诺德合著的《未来农业：回归根源？》；《大众科学》，2007年8月]。
今天，在首次在他的帕卢斯农场尝试免耕三十年后，约翰·艾施利曼在他的100%土地上使用了该系统。他对免耕的采用遵循了渐进、谨慎的道路，这有助于最大限度地降低他产量和净回报降低的风险。因此，他是众多大大小小的农民之一，他们正在收获免耕农业的回报，并帮助农业朝着可持续发展的方向发展。
注：本文最初以“免耕：静悄悄的革命”为标题发表。
