小麦机械化无垄栽培均匀种植理论与技术研究与应用

摘要：小麦机械化“无垄栽培”均匀种植技术是以小麦无垄栽培新理论为指导，通过小麦无垄联合耕播机的发明应用，实现耕播一体化，小麦无行、无垄均匀种植的新技术，是对沿袭上千年的“行垄种植”方式根本变革的新理论、新方法、新型农机产品的综合创新。其理论核心是以小麦生物学特性及其适应为本，以小麦栽培生理学特性系统建构为关键的小麦栽培学理论的全方位归真；其技术核心是“均匀种植”，麦株在田间均匀分布，“草坪式”种植；农机产品创新的核心在于小麦无垄联合耕播机在耕种一体化的前提下机械化撒肥撒种与均匀耕播。

关键词：小麦；机械化；无垄栽培；均匀种植；小麦无垄联合耕播机

小麦机械化无垄栽培均匀种植，彻底颠覆了传统栽培理论，从根本上变革了沿袭上千年的“行垄种植”方式，小麦苗株全田覆盖，最充分地利用了全部农田资源，在简化栽培、省工省事的前提下，可亩增小麦100kg，亩节本30-50元；不仅可大幅度增产节本，而且节水、节能效果突出，抑草、抗倒、抗干热风效果明显。其理论、技术、产品的创新具有划时代意义。

中国3.6亿亩小麦普遍应用可年增产小麦360亿kg左右，农民年增收可达800亿元。小麦作为世界第一大粮食作物，其种植面积将近中国的十倍，小麦的大幅度增产对世界粮食安全意义重大。

本文系统介绍了这项技术的研究背景，无垄栽培的理论基础与技术体系，创新点与价值意义。

1 小麦行垄种植方式的形成、发展及其理论缺陷

在刀耕火种的原始栽培过程中，小麦撒播种植是毋庸置疑的。历史发展到传统农业阶段，至少在两千多年以前，聪明的先人们伴随着耕播机具，尤其是播种楼的发明，进行了小麦种植方式的革命，由原始的“手撒匀播”变为“行垄耧播”，极大地提高了小麦的种植作业效率。小麦的行垄种植方式的革命性影响，不仅引领了小麦栽培理论与技术的形成与发展几千年，而且也引领了农机具发展几千年乃至引领了现代农机学的发展，整地方式从“耠松”、“犁翻”到旋耕，播种机具从木楼到播种机，收割从镰刀到收割机再到联合收割机，无一不是在行垄种植基础上发展的。可以说小麦的“行垄种植”在引领耕播机具发展与小麦栽培理论发展的同时，也束缚了人们的思维几千年，以至于所产生的巨大思维惯性也愚弄了当代学者的大脑，人们在农艺学以及农机学领域的研究被禁锢于行垄种植的理论与技术框架内。虽然近些年来中国的个别学者曾跟踪调研小麦手撒种旋耕播方式的技术效果，并得出撒播可增产的结论，但是未对行垄种植的理论与技术提出任何质疑。

理论溯源，小麦行垄种植是几千年前先人们在原始撒播基础上，伴随着耕播机具的发明，以牺牲物性发展和农田资源浪费为代价，以提高效率为核心的种植方式革命。其理论原核是效率，技术特征是将小麦“有行（距）无株（距）”地集中在行线上，而行间垄地资源浪费，其技术效果由于种苗集中拥挤，竞争激烈，导致根少苗弱产量低。所以，行垄种植的传统理论与技术带有违背小麦生物学特性和浪费农田资源的先天理论缺陷，这种先天缺陷在传统农业以及近代农业的小麦低产乃至中产水平下是隐形的，在现代农业高产种植条件下这种理论缺陷凸显，成为物性发展与资源利用的理论障碍。

2 小麦行垄种植的农艺特征与技术缺陷

2.1 小麦行垄种植的耕播程序特征

沿袭了几千年的行垄种植方式的耕种程序主要是耕、播、压三道工序。

耕，实际上是一套整地的程序，传统的人畜的耠松或犁翻或是机械铧式犁耕翻，一般要在施肥之后经过两次作业才能把地整好，耠松、犁翻后都要耙耱；近十几年来，中国的麦农已经普遍使用旋耕机整地，撒肥后旋耕两遍，在玉米秸秆还田的情况下，在撒肥之前还要秸秆还田两遍；仅耕的程序拖拉机就要进地4次。

播，通过播种楼的开沟器按行开沟将种子播到土壤行沟里，自然覆土。

压，用镇压器将播好种的地镇压踏实，上实下虚。

综上，目前中国在小麦夏玉米两作区，小麦的耕种程序多达六次作业。

行垄种植田间苗株分布呈现“一维线性”特征，苗株有行距无株距地呈“行线”集中分布，是以“一维行距”为表征的“麦行”营养空间。

2.2 小麦行垄种植的技术缺陷

（1）种子在行沟内集中拥挤，个体间苗期的争水、争肥，对小麦分蘖和成穗的影响较大，严重影响产量，直接限制了作物生产潜力的发挥；

（2）行间宽垄及缺苗断垄是对土壤及其肥力资源的浪费；（3）行垄种植造成大量的水分行间土表蒸发；

（4）因化肥沟施烧苗，故行沟播种却不能对应行沟施肥，营养与种苗需求分离；

（5）耕种程序繁琐，费工、费能、投入高 。

3 小麦机械化无垄栽培的理论基础

小麦机械化“无垄栽培”均匀种植，以物性发展为本，其理论核心是小麦的生物特性及其适应的系统建构，在小麦综合特性的协调、充分发展的基础上，实现群体最佳与个体最优；技术关键是均匀株距，将小麦苗株田间分布的“一维行距”改为“二维株距”，使小麦在群体最大化的前提下，每棵单株独立地占有农田中的面，把行垄种植中种苗集中的一条线变为每棵小麦都享有独立均衡的营养空间；产品创新在于农机、农艺的融合，机械化撒肥匀种，以耕代播，在简化耕种程序的前提下实现小麦机械化均匀种植，消灭了行间裸地。其技术效果是通过麦株均匀分布，均衡地占有农田资源，实现根多苗壮，杆粗叶绿，穗多穗大产量高。

3.1 小麦的生物学特性（植株形态特征与栽培生理特性）

从小麦植株特征与栽培生理特性上可以发现小麦最适于单株均匀分布：

（1）“有效光合器官的终生冠层性”。小麦的植株特征为“天穗”矮秆作物，拔节期株高不足20cm，孕穗期50cm左右，叶片功能已经开始从下到上的逐步衰亡，灌浆期间的光合器官为倒二叶以上。所以，小麦有效的光合器官终生都在冠层。只有麦株均匀分布才可以使该光合器官充分通风受光。

（2）“营养临界幼苗性”。小麦磷营养临界期为三叶期，种、肥分布要求相互适应。机械化撒肥匀种的无垄栽培实现了“肥种相济”。

（3“匍匐” 特性。冬前的匍匐生长是小麦的生物学天性，是小麦冬前壮苗最重要标准。均匀种植可充分展现小麦“匍匐” 特性。

（4）“苗壮产丰”特性。小麦高产的关键基础是“壮苗”，“麦喜胎里富”。其原理是壮苗根系发达，根活力强、功能好，以至于茎秆粗壮、叶不早衰，穗大粒重。均匀分布单株有效营养空间大，利于形成壮苗。

（5）自组织、自调节特性：种子深浅不同，分蘖节位层分布趋同；弱苗、弱蘖至拔节期自行萎缩退化，成穗者生长，无穗者消亡，即小麦的两极分化特性；单株分蘖量、质因营养条件而表现出巨大差异，即分蘖发育弹性。

（6）小麦叶片的分工特性，小麦叶片作为最主要的光合器官具有按时段分工性，“功成身退”。冬前叶片功能是发苗，主要分蘖生根，遇冬而退；春后前4片叶主要功能是发棵、孕穗，最上两片叶为灌浆长粒的光和器官。

（7）一次旺盛生长特性，“麦无二旺”。小麦一生有一次旺盛生长的特性，因栽培措施，可发生在冬前、早春（返青、起身期），拔节、孕穗、灌浆等不同繁育时期，栽培措施的调节在于使小麦的旺盛生长发生在孕穗、灌浆的生殖生长期间。

（8）温光反应特性，温敏感，光迟钝。小麦有极其敏感的温反应特性，在出苗、匍匐、返青、春化等各个阶段，都对应严格的温度指标，尤其返青初期，以现代之高科技手段无法测量的温差变化，小麦则能以突出的直观变化予以表征，小麦对温度反应的灵敏性远远胜过狗鼻子对气味反应的灵敏性；相比之下，小麦对的光反应则特别迟钝，以至于灌浆期间一般林荫遮光的条件下，尤其枣树行间种植的小麦，其产量与正常麦田没有明显差别。

上述这些特性是确定小麦种植方式与特定生长阶段栽培措施重要理论依据。

3.2 小麦机械化无垄栽培的增产机制

（1）麦种均匀分布对应土壤均衡施肥，小麦单株发育无营养竞争，适应三叶期小麦磷肥“临界期”的栽培生理特性，确保壮苗。

（2）单株均匀分布适应小麦“有效光合器官终生冠层性”与小麦天穗的植物学特征，能够最充分地利用光风资源，通风透光性比行垄种植更好。

（3）无垄栽培充分利用了小麦的自组织、自调节特性，种子深浅分布差异在分蘖节位层上趋向一致，麦苗稀密通过单株分蘖调节，实现群体均匀。

（4）将“边行优势”升华为“单株优势”。“无垄栽培”将“行垄种植”的小麦田间分布的“一维行距”变为“二维株距”，将“苗株集中的线”变为“单株均布的面”，也即把“一维”的“麦行营养空间”改为“二维”的“单株营养空间”，小麦个体在群体大幅度提高前提下得以最充分地发展。

（5）充分展现小麦苗期的匍匐特性，实现与小麦生物学特性相适应的真正的“壮苗”。

（6）最大限度增加亩穗数，全方位提高产量构成三因素指标。

（7）最大限度提高水、肥、地利用率。以最小的叶面积系数提早覆盖地表，减少土壤蒸发；消灭了行间垄地与断垄缺苗。

（8）“以苗抑草”，利用苗草不同步自然现象，与“余苗自萎”生物学特性，使麦苗优先占满营养空间，抑制杂草生长，避免养分、水分浪费。

（9）抗倒增产（增强抗倒性能），倒伏问题一直是行垄种植实现高产的一个瓶颈，无垄栽培均匀种植在个体与群体两个方面提高了小麦抗倒性能。在个体方面，无垄栽培均匀种植小麦个体得以充分发育，根系发达，茎秆机械组织发达，抗倒性增强；在群体方面，因亩穗数大幅度提高且单株均匀分布，灌浆期间穗穗相依，茎茎相靠，避免了行垄种植条件下的垄空内的穗行摆动而增强抗倒性能。

（10）抗干热风增产。由于机械化无垄栽培小麦种植均匀，个体发育充分，尤其根系发达，植株与叶片活力强，不早衰，落黄性好，抗干热风效果明显。

3.3 小麦的需肥需水规律与水肥调控

3.3.1 小麦的需肥规律与施肥要领

（1）NPK需求比例3-1-3

（2）肥营养临界期为苗期，三叶期为p营养临界期

（3）肥营养关键期为拔节期（磷为苗期），穗发育，

（4）一足一晚：底肥充足，春追要晚（控基部节间），拔节追肥

3.3.2 小麦需水规律与灌溉要领

（1）需水临界期为苗期

（2）需水关键期为拔节、孕穗、灌浆期

（3）两足一控三关键：底墒足、冬墒足，早春控，关键期拔节、孕穗、灌浆期灌。

4 小麦机械化无垄栽培的农艺特征与技术效果

4.1 小麦机械化无垄栽培的农艺特征

小麦机械化无垄栽培利用小麦无垄联合耕播机撒肥匀种机械化、耕播压一体化的联合作业功能，实现小麦无垄均匀种植。可在秸秆还田一遍的情况下，一次作业同时完成撒肥、匀种、旋耕、镇压、筑埂等5项作业，减少了秸秆还田与旋耕作业各1次，以耕代播，减少了播种与专门的镇压程序，共可减少拖拉机进地4次。镇压效果上虚下实。

无垄栽培苗株田间分布特征为“二维平面”，是以二维株距为表征的单株营养空间。

小麦无垄联合耕播机的匀种匀肥装置，耕刀的密集设置，复合镇压装置等创新设计保证了种与肥均匀分布，旋耕一次成型，镇压效果达标的联合作业功能。

4.2 机械化无垄栽培均匀种植的技术效益

（1）增穗、增产：

亩穗数达到50-55万，穗重不减，增10万穗；可亩增100公斤，增产率20%左右。

自2009-2011年连续三年专家实收测产结果单产增幅都超过100公斤，2011年河南、山东两省实收测产结果单产增幅都超过120公斤。

（2）省事、省钱：

耕播一体化，撒肥、撒种机械化，拖拉机减少进地4次，节本30-40元。

（3）节水、节肥、节地：有效提高水、肥、地三种资源的利用率。

4.3 小麦无垄栽培均匀种植的增产效果4.3.1 增产途径

亩增穗5-10万，穗增粒3个，千粒重增2克。产量构成因子全方位提高，打破了行垄种植条件下一直未能破解的产量构成因子穗数与穗重的高度负相关性。

4.3.2 增产特点

（1）品种增产潜力达到理论极限的唯一种植方式，增产幅度大；

（2）“无中生有” 的大幅度增产，地、水、肥、种等相同条件下大幅度增产；

（3）减少投入、简化栽培省工、省时、省事的大增产。

5 小麦机械化无垄栽培均匀种植技术进步特征与创新点

5.1 小麦机械化无垄栽培技术的进步特征

5.1.1 增产的独到性

（1）、大幅度提高小麦单产，可增产20%左右；

（2）、产量因素同时提高，亩穗数增5-10万，穗粒数增2-3个，千粒重增1-2g；

（3）、减少投入、简化栽培条件下大幅度增产；（4）、小麦品种潜力极限发挥的最佳方式。

5.1.2 节水的独到性

以最小的叶面积系数覆盖地表，减少土壤蒸发，是提高水分利用率的最佳的农艺技术；其节水效能延续到玉米前期，且效果更为明显。

5.1.3 简化作业节能的独到性

施肥、耕、播一体化简化作业节能；作业条件宽泛，秸杆还田作业简化节能；在技术上解决机械化施化肥烧苗问题，真正实现了机械化。

5.1.4 应用范围与应用前景的独到性

应用范围适用于各种麦类作物，适用于各种生态类型的平原麦类作物种植区域，故应用范围极广。

5.1.5 技术创新的独到性：

农艺农机跨学科创新，是一农艺理论创新为指导的上千年种植方式的根本变革与农机产品创新的完美结合，是理论、技术、产品三位一体的综合创新，是一项具有发展方向性的替代技术，具有革命性。

5.1.6 推广应用的独到性

农业科技创新的最本质的特征在于它的生产实践性，实验室技术、试验田技术所形成的成果其可推价值具有不确定性，直接推广风险、弊病相当大，极易造成劳民伤财。这项发明的一个突出特点，在于它既不是实验室技术又不是试验田技术，它是“大田技术”，从10年前的农艺试验到近三年的实收测产，都是在大田中农民自己种出来的结果，最具可推性，推广无风险，预期效果有保障。

5.2 在农艺上与同类技术相比的不同之处即创新点

（1）学术理念“以作物为根本”，以小麦的系统生物学特性为理论研究核心，在充分利用与展现小麦完整的生物学特性基础上，全过程把握与适应与的小麦生长发育规律，构建了小麦无垄栽培均匀种植的全新的也是全方位归真的理论体系；建立了小麦无垄栽培的技术体系，创造性地实行无垄栽培的均匀种植，使小麦的群体与个体同时得以最大限度地提高，从而在种植方式上实现小麦品种的极限生产潜力，是小麦几千年来从行垄种植到无垄栽培的一次革命；在农艺理论突破基础上完成了农艺技术和农业装备完美结合的技术创新。

（2）打破了行垄种植条件下一直未能破解的产量构成因子穗数与穗重的高度负相关性，小麦无垄栽培均匀种植可在大幅度提高亩穗数的前提下同时提高穗粒数与千粒重，即可使小麦产量构成的三因子同时提高以大幅度增产，在种植方式上实现小麦品种的增产极限。

（3）提出了小麦群体与个体调控的全新理论与技术，即“放大群体，解放个体”。把小麦行垄种植40-45万穗的高产群体提高到50-55万穗，通过均匀种植解放个体，均衡小麦单株的营养空间，使小麦单株按照自身的生物学特性充分发展。

（4）“以苗抑草”。利用小麦的自我调节栽培生理特性与苗、草不同步的自然现象，合理均匀密植，不给草留生长空间以有效地抑制杂草。

（5）“以苗节水”。麦苗的全田覆盖不仅抑制杂草而且控制了水分的土壤蒸发，使行垄种植“垄地”蒸发的土壤水分全部参与生命过程，而实现了真正意义上的节水。利用小麦的两极分化特性，拔节后弱苗、弱蘖萎缩，完成抑草、节水使命后，为壮苗壮蘖成穗让出水分、养分供应，实现穗多、穗大、穗齐而大幅度增产。

（6）“两极分化特性”的创新。小麦两极分化特性在传统理论中仅指分蘖而言，此项成果把小麦两极分化特性的内涵扩展到“苗与蘖”；而且通过旋耕播种所形成的种子在土层的立体分布，发现且利用了这种生物学特性。萎缩的弱苗、弱蘖不仅起到节水、节肥的突出效果，而且具有疏松土壤防止板结，营养回田的作用。

（7）“单株优势”的升华。“边行优势”是行垄种植的重要的理论基础，其根本缺陷在于违背小麦生物学特性，且从概念的内涵讲，边行优势意味着非边行的劣势，行边之优势意味着行内劣势。无垄栽培的均匀种植确保每一棵麦株的充分发育，将行垄种植传统理论中的“边行优势”升华为无垄栽培理论中的“单株优势”。

（8）“撒播”方式的科学升华。

小麦人工撒播方式，在中国江苏等南方稻麦两作区的稻茬麦，因其特殊的生态条件，早有传统，北方麦区主要是华北，近10多年由于旋耕整地逐步替代了铧式犁翻耕，个别农民因懒图省事偶尔应用，后有奇之者效之，个别专家也有跟踪调查且得出增产结论。但是，无论南北之专家主流，均极力反对，尤其江苏，2007、2008两年专家们视之为洪水猛兽，大力呼吁封杀这种方式，斥之为原始、落后，懒惰、粗放种植。小麦“机械化无垄栽培”将小麦“人工撒播”升华为科学，在实现小麦栽培理论归真的基础上引发了种植方式与农机产品的技术革命。

“以作物为根本”、“以小麦的生物学特性为核心”、“无垄栽培”、“放大群体，解放个体”、“以苗抑草”、“以苗节水”，以及“以耕代播”等一系列新概念，既是理论与技术上的创新，又是小麦栽培与农机设计理念上的创新，对小麦栽培与育种以及农机学发展具有理论指导意义，且实际上正在发挥着这种理论意义。

5.3 在农机产品上与同类技术相比的不同之处即创新点

（1）首创性地将在旋耕机上实现机械化撒肥撒种功能，在旋耕整地的过程中完成化肥匀施、种子匀播，耕种一体化。机械化撒肥攻克了化肥行沟播出现烧苗现象的技术难题；机械化撒种实现了小麦无垄栽培的均匀种植，解放了个体，扩大了群体，形成了实现小麦品种增产潜力极限发挥的种植方式，使撒种技术上升为科学，催生了小麦机械化无垄栽培的全新理论及其农艺技术体系。

（2）复合镇压装置分层镇压。镇压是小麦栽培非常重要的关键措施，镇压效果与质量不仅直接影响出苗，而且对小麦苗期发育尤其是抗逆性能至关重要。此项装置首先是旋耕机后可调性强制性镇压，根据墒情与土质通过丝杠调节镇压力大小；其二是滚框与滚轮复合镇压，大直径滚框在前，镇压深层土壤，其一端轴头作为排种排肥的动力输出；小直径滚轮居后，镇压表层土壤。镇压效果上虚下实，利于出苗。

（3）加密复合耕刀。旋耕机原初设计，一般两次作业才能完成合格的土壤作业要求，尤其是碎土功能不能一次达标。加密复合耕刀设计，是在刀轴基础上在原来两耕刀之间增加一个直刀，刀密加倍，一次完成作业。

（4）“全田免耕播种机”。科学地讲，“小麦免耕播种”的提法是荒谬的，即使是浅耕，也是有违小麦生物学特性的。小麦种植对整地质量要求严格，做到“深、细、实、平”才有利于麦苗生长发育，形成壮苗，以至于高产。但是就近年大力推广的小麦免耕播种技术来讲，其实质是只耕苗带以播种，既不是免耕播种，更不是全田免耕播种。按照专家们对小麦免耕播种所下定义，小麦机械化无垄栽培技术所实现的满天星式的均匀种植是真正意义上的“免耕播种”——全田免耕。

（5）“以耕代播”。小麦无垄联合耕播机的作业特点是将种子与肥料均匀地撒于地表，省去了种肥开沟器，是将旋耕机耕地功能进行了延伸，耕地作业程序同时完成播种程序，即耕地过程中将种子耕播入土。

6 小麦机械化无垄栽培的技术存疑与实效

6.1 种子入土深浅与一致性问题

主要表现为露籽与深籽。经初步调查，露籽率与深籽（6cm以下）率均不足2%，由于小麦的自组织、自调节特性与能力，分蘖节基本集中在距地表2-4cm处土壤中。

6.2 小麦生育期内田间操作问题

（1）无垄种植可正常进行田间畦埂作业，即不影响分畦作埂。

（2）中耕问题，即使行垄栽培，农民已不在对小麦进行中耕，无垄栽培无需中耕。

（3）打药等问题，既可适当小心踩麦而作，也可预留作业垄埂，但农民宁可牺牲垄埂之便以追求更高产量。关于机械化防治问题，尚属新的课题，是植保与栽培学科融合的问题，不可能单纯为了防治而防治，不顾及产量代价。另外，行垄种植条件下能够实现的，无垄种植也可以实现，充其量不过是机具简单调整而已。

所以，小麦生长期间的田间操作不成为问题。

6.3 播种量

依播期之早晚与麦区生态差异，北方麦区适播量为15-25kg，黄淮麦区为13-20kg，无垄栽培科学地提高了基本苗与亩穗数容量，相同穗重条件下可增10万穗，这是其主要的增产机制。

6.4 通风透光

通风透光是重要的作物栽培因素，也是小麦栽培史上一直追求优化以提高产量的技术关键之一。无垄栽培使小麦生长发育对通风透光需求的满足达到了极致。其原因，就小麦之植物学特征而言，植株形态为“天穗”，籽粒灌浆的光合器官为植株上部二叶以上之器官且“朝天”露摆，无垄栽培所形成的麦株均匀分布才能最有效的确保小麦光器合官最充分地利用空气中的二氧化碳与接受光照。这是一个简单的“晒场”原理。而原来的行垄种植，无论行距如何调节，行内的株间拥挤，必然造成大部分小麦植株光合器官的通风透光受阻，影响小麦灌浆而导致减产。

6.5 对于下茬的影响

（1）套种问题：由于机械化收种与鉄茬播种，夏收夏种之间的农事消耗可以为零，加之几十年来的温室效应，气候变暖，在冀中南正常年份玉米平播可以选择110天左右的长生育期品种，不影响种麦。即使套种也可以通过播种控制插板方便地任意预留。

（2）玉米播种问题：虽然无垄小麦茬地建立了庞大的根系网，由于均匀一致，播种作业比行垄种植茬口更为平稳。正是无垄种植麦茬全田均匀覆盖，对玉米保墒极为有利，节水效能更好。

7 结语

小麦机械化无垄栽培均匀种植是一项创新程度高、应用前景广、适用范围大，产品成熟的成果。小麦作为世界第一大粮食作物，在粮食安全成为世界性课题的今天，该技术以其简化栽培、减少投入，节水、节能前提下的大幅度增产、增收效能，作用巨大，是中国人对于全世界的一大贡献。无垄栽培必将替代行垄种植；小麦无垄联合耕播机已经成为引领小麦耕种机具发展方向的科技先行。