中国旱作农业区分布于年降水250~650mm的半干旱、半湿润偏旱地区，集中在东北（含内蒙东部）垄作区及西北（含山西全省及内蒙少部分）黄土高原区。土壤耕作的目的是建立适宜作物生长的土壤环境条件，蓄水保墒，促进作物增产。选用适宜的耕作法对土壤和作物生长发育具有积极作用[1-2],但长期单一耕作方式也给土壤带来不利影响，阻碍作物增产及农业的可持续发展。
长期免耕会导致土壤出现有机碳和养分表层富集、层化等质量问题，并使病虫害加重；长期少耕造成土壤体积质量增大，易形成犁底层，土壤紧实，通透性变差；而长期翻耕则会导致表层土壤结构稳定性和团聚体质量下降，加剧农田表层土壤的流失和风蚀[3-5].
如何通过合理的耕作措施进一步改善长期单一耕作所引起的土壤质量下降，是目前人们比较关注的问题。少免耕具有保土、增肥、节水和增产增效的作用[6-7],早在20世纪30年代，美国就提出以少耕、免耕、垄作、覆盖、带状耕作等为内容的保护性耕作新技术，并进行大面积推广[8].20世纪80年代后，少免耕法在中国农业生产上得到广泛应用，但随少免耕年限的延长，出现了土壤耕层变紧、表层养分富集、杂草滋生和作物早衰易倒伏等问题。
20世纪90年代中期，针对连续少免耕出现的问题，黄细喜等[9]提出以少耕为主体，少免交替，定期耕翻的深浅免相结合的轮耕制。通过合理运用土壤耕作技术措施，将翻耕、深松、免耕等土壤耕作措施进行合理组合与轮换，能够克服各项单一土壤耕作措施的缺点，建立合理的土壤轮耕制，有利于充分和持续均衡发挥保持水土、蓄水保墒、增产增收等保护性耕作效应。因此，土壤轮耕对减少长期耕作产生的弊端具有重要作用，研究建立合理的轮耕模式和轮耕周期对农业可持续发展具有重要意义。
1土壤轮耕的研究现状与发展概况
适墒耕翻与少免耕组合，可以起到互补促进作用。这种组合总体上以少免耕为主，耕翻为次，所以有人称为“少耕制”.从年际间来看，耕与免、深与浅、翻与旋等互补的方法组合轮替，所以又称“轮耕制”.在国外，各国家关于轮耕的认识存在差异。在澳大利亚，轮耕是指改变年际间不同耕作深度、实现降低土壤紧实度、避免同一耕作深度的耕作方式；而美国则认为是作物轮作的顺序和免耕与耕作的交替[10].在萨斯喀彻温省西南部，Gan等[11]在作物长期与短期轮作的研究表明，选择恰当的物种与适当的安排序列，可减少对夏季休闲地的利用，机械化耕作可充分利用作物多样化，使土壤的退化得到恢复，提高水分和养分利用效率，降低杂草和病虫害对作物的危害，维持和改善土壤的质量。针对轮耕周期，Hill[12]对美国中北部调查研究显示，伊里诺斯州和印第安纳州连续免耕持续约2.5a,而明尼苏达州不到1.4a.
耕作次数也由1990年前的7~10次减少到1次或免耕，休闲期蓄水量由102mm增加到183mm,占休闲期降水量比率由19%提高到40%,小麦产量也由以前的1.07t/hm2提高到2.69t/hm2[13].早在明清时期，间套复种得到进一步发展，从而使土壤耕作进入合理轮耕的新阶段。在南方水田种植区，实行免耕与耕耙组合的轮耕体系；在北方旱作农业区，实行耕耙耱和留茬结合的轮耕体系。
20世纪60年代，南方部分地区已形成少免耕、秸秆还田和休闲期保护性耕作技术体系[14].进入20世纪80年代后期，少免耕在中国旱区农业生产上得到进一步应用和推广，由于免耕年限的延长，导致土壤耕层紧实、表层土壤养分富集、杂草滋生和作物易倒伏产生早衰等问题。
20世纪90年代后期，刘世平等[15]提出苏北不同轮作区可采用轮耕与定期秸秆还田轮培的方法有机结合，形成土壤管理“轮作、轮耕、轮培”相结合的“三轮”体系。近年来，农业部农作制度开放重点实验室和农业部西北黄土高原作物生理生态与耕作重点实验室的研究人员在轮耕方面做了大量的工作[16-18],认为土壤轮耕是通过翻耕、深松和免耕等耕作措施的组配，与种植制度形成相适应的轮耕技术体系，解决长期单一耕作弊病，来维持农田的土壤生态环境健康和农业的持续性发展。
2土壤轮耕技术与配套机具
土壤轮耕技术是指以少耕为主体，少免耕交替，定期对土壤进行耕翻的深、浅、免有机结合的耕作体系[9,15].随着轮耕技术在旱农区的进一步深入实践，实施范围不断扩大，但仍具有区域性。不同地区必须因地制宜，在实践中结合当地生产实际，才能有效解决实施中存在的技术问题。因此，在推广土壤轮耕技术时，轮耕模式与配套机具要结合不同地域土壤条件、种植制度和种植规模等，才能使轮耕效益得到充分发挥。
北方农牧交错带属中国典型的半干旱偏旱区。该区年降水量仅有354mm,60%~70%降雨集中在7-9月。近年来，土壤侵蚀和荒漠化比较严重，中国农业大学高旺盛教授在武川旱作试验站长期耕作定位试验[19],轮耕模式为免耕/免耕/深松，即在连续2年免耕基础上进行深松。免耕处理采用内蒙古农业大学机械厂生产的2BM-9型免耕播种机；深松处理采用天津市蓟县农业机械厂生产的ISQ-204型全方位深松机。
东北旱作区主要集中于东北三省中、西部及内蒙东部平原、丘陵区。传统耕法频繁翻耕，地表裸露休闲，耕地退化，生态环境恶化。为提高耕地蓄水保墒能力，创立了东北垄作蓄水保墒3年轮耕法[20].即深耕、扶原垄、浅耕相结合的“三、三”轮耕法，其实质为：秸秆还田（3a/1次），根茬还田（3a/3次），沟台交替（3a/1次），伏前深松，精密播种，化学除草。新的轮耕法成套设备包括耕整、播种、耕播3大类联合作业机具的11种机具、16种机型。它可满足中国北方旱作农业耕、整、播等环节的作业需要，并且做到高效、低耗，改善生态环境，提高农业生产效益。
西北干旱和半干旱区，该区农业生产主要依赖天然降水，60%的降雨主要集中在7-9月，降水与作物需水不同步，水分供需错位是该区作物降水利用率较低的重要原因。西北农林科技大学农学院贾志宽教授在宁南旱区冬小麦收获后采用留茬免耕/深松隔年轮耕技术[18,21],主要轮耕模式有：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。配套机具主要有意大利生产的AmazoneNT250型免耕播种机、中国农业大学研制的1SY-120型带翼铲深松机和专用铧式犁（4-20悬挂犁）拖拉机。
渭北旱塬区年均降雨量600mm左右，降水分布不均且变率较大，是典型的半湿润易旱地区。
冬闲期长期翻耕裸地容易引起土壤失墒和风蚀危害。西北农林科技大学农学院李军教授在渭北旱源区研究翻、深、免相结合的轮耕模式[22],即在前茬春玉米收获后秸秆出地进行耕作处理，经过冬季休闲，次年4月中旬播种春玉米，9月下旬春玉米收获，秸秆出地后进行耕作处理，经过冬季休闲，第3年4月中旬播种春玉米，9月下旬收获，秸秆出地进行耕作处理。主要轮耕模式有：免耕/深松/免耕、深松/翻耕/深松、翻耕/免耕/翻耕、连续免耕、连续深松、连续翻耕。配套机具包括2BMQF-4C型玉米免耕播种机、1SY-120型带翼铲深松机和铧式犁（4-20悬挂犁）拖拉机。
3轮耕技术的土壤水肥效应
3.1对土壤体积质量及水分状况的影响
轮耕后，耕层土壤体积质量居于连少和连耕之间，保持在作物生长范围内，利于土壤供肥能力的提高[15].孔凡磊等[17]研究认为，合理轮换耕作能降低耕层土壤体积质量，但主要影响冬小麦前期，随时间的推移，轮耕处理的土壤体积质量有所提高，最后差异不显著。蒋向等[23]研究发现，旋耕2a后进行深耕的轮换，不仅打破了连续旋耕形成的犁底层，而且深耕也未造成新犁底层。轮耕使土壤体积质量降低、大孔隙较多、毛管孔隙增加，增强土壤水分的通透性[24].轮耕能显著提高土壤总孔隙度，而对毛管孔隙度的影响主要是提高5~10cm毛管孔隙。这是由于轮耕措施降低土壤体积质量，进而增加孔隙度和通气孔隙度[25].
旱作区夏季休闲期土壤耕作的主要目的是多接纳并保蓄天然降水，以利于作物的生长[19].但由于休闲期耕作管理和降雨情况的不同，其土壤蓄水量年际变化较大[26].蔺海明等[27]在研究少免耕对半干旱地区土壤水分的影响时认为，少免耕在作物生长季节可明显增加耗水量，提高农田水分的有效利用率。但晋小军等[28]的研究表明，2a免耕覆盖处理的土壤蓄水量低于传统耕作处理。毛红玲等[29]在渭北旱塬区的研究表明，夏闲期轮耕较翻耕0~300cm麦田土壤贮水量显著增加。侯贤清等[18]在宁南旱区的研究表明，夏闲期免耕/深松隔年轮耕能有效蓄水保墒，提高旱地冬小麦播前土壤蓄水量，这是由于免耕与深松轮耕减少了耕作次数，更有利于保水和降低蒸发[30].
3.2对土壤养分性状的影响
土壤耕作类型和实施期的长短影响耕层有机碳氮质量分数及其分布。有研究表明，采用少免耕结合作物轮作可有效增加土壤有机碳氮质量分数，但主要集中在土壤表层[31-33].其原因主要由于免耕减少对土壤的扰动次数，降低土壤有机碳氮矿化速率[34],加上地表残茬的作用，减少表土有机碳氮的流失，增加表层土壤有机碳氮质量分数。轮耕使有机质的分解减缓，相对于传统翻耕，提高土壤有机碳质量分数[35].孔凡磊等[36]研究也认为，连续免耕后翻耕和旋耕都能够增加0~30cm土层土壤有机碳质量分数，提高有机碳的活性和碳库管理指数。
相关研究结果表明，与传统翻耕相比，土壤连续免耕后出现N、P、K等养分元素分配向表层富集的现象，而轮耕可避免养分富集现象[37].唐海明等[38]研究表明，长期免耕有利于提高表层土壤养分质量分数，而免耕后进行耕翻、旋耕措施有利于促进缓效养分的释放。侯贤清等[39]研究也发现，与传统翻耕相比，2a免耕1a深松和2a深松1a免耕均有利于提高土壤的养分质量分数，同时对表层土壤有机质和全氮质量分数，以及深层土壤的碱解氮、有效磷和速效钾质量分数影响较大。
4轮耕技术对作物生长的响应
4.1对作物光合生理的影响
相关研究表明，水分亏缺可降低植物的光合速率[40],土壤蓄水量偏低会影响作物净光合速率和蒸腾速率：随土壤含水量的下降，叶片的净光合速率和蒸腾速率也明显下降[41].而免耕与深松轮耕耕作次数减少，有利于保水和降低蒸发，缓解作物生育后期的干旱胁迫，为作物光合性能的提高和籽粒产量的形成奠定良好基础[42].江晓东等[43]研究发现，少免耕模式下小麦旗叶有较高的叶绿素质量分数。李友军等[44]和吴金芝等[45]研究也表明，与传统耕作相比，免耕覆盖和深松覆盖有助于促进叶绿素合成，保证小麦后期的光合作用。不同轮耕模式能显著提高小麦旗叶叶绿素相对质量分数，使小麦生育后期旗叶保持较高的光合能力。相对于传统耕作，不同轮耕模式能保持较高的PSⅡ实际光化学效率，并有较高的光合电子传递能力，增强小麦旗叶耗散过剩激发能的能力，减小发生光抑制的可能性，提高旗叶的光合能力[46].
4.2对作物产量与水分利用效率的影响
免耕和深松是保护性耕作的2种耕作措施。免耕可通过降低土壤体积质量，促进土壤水稳性团聚体的形成等作用来提高土壤的保水能力和水分利用效率，进而促进作物增收[6];深松可以改善土壤结构，减小土壤紧实度，增加作物产量及水分利用效率[47].侯贤清等[46]和王维等[21]研究发现，免耕和深松隔年轮耕的作物产量较传统耕作显著提高，适当的轮耕可明显提高水分的利用效率。何进等[48]的研究认为，4a免耕1a深松可以降低因机械操作而引起的土壤紧实，能够解决每年深松作业出现的动土量大、水分利用效率低等问题。秦红灵等[19]研究也表明，在连续2a免耕的基础上深松，可有效增加土壤水分的利用效率，保墒增产效果明显，土壤深松处理后2a平均较对照（不深松）增产18.3%,水分利用效率增加9.7%.王育红等[49]研究也表明，与传统耕作相比，连续2a深松冬小麦平均增产18.8%,水分利用效率提高16.8%.
5存在问题、建议及展望
在中国北方旱作区，旱地农业发展的主要技术目标是充分利用自然降水，减少地表径流，增加土壤水分。土壤耕作可调节土壤肥力因素存在状况，是农业生产活动的主要内容，在农业持续性发展中有重要作用。但长期单一耕作措施会产生不利于作物生长的土壤条件，如长期翻耕土壤失墒大，形成犁底层，影响土壤蓄水能力和作物根系生长发育；长期少免耕会对土壤（特别是耕层土壤）理化性状产生不良影响，如表层土壤体积质量增加、犁底层上移、耕层变浅、结构性差、产量降低等问题，不利于作物的生长发育[50-52].建立以少耕为主，少免耕交替，定期耕翻的轮耕模式，合理组配耕作方式对农田健康发展有重要意义。土壤轮耕，首先应确立“久免需耕、久浅需深”的正确观念。土壤在适耕状态下耕翻，可以改善下耕层土壤物理性状，提高供肥力，并通过上下土层的交换，增加下耕层土壤养分质量分数，同时可灭虫、除草。第二，轮作与轮耕相结合。轮作使土壤生境多变，使害虫和杂草不能适应土壤环境；免耕与耕翻、浅层耕作与深层耕作、夏耕与秋耕科学轮换，对生态防除害虫与杂草有利。第三，轮耕要与种植制度相适应。从种植系统出发，综合考虑土壤及作物因素。第四，不同耕作和轮作体系的土壤肥力间存在差异，要求不同地区依据自身条件发展适宜的轮耕模式。
保护性耕作的研究已经不是单纯土壤耕作技术及当季作物的生长，而是更注重一个种植制度的周期、作物轮作、土壤轮耕的综合技术配置及其效应。针对中国北方旱作区土壤轮耕技术尚未解决的问题，在今后的研究工作中还需对以下方面进行深入研究：（1）从区域多样化出发，建立区域化的土壤轮耕技术模式。针对目前北方旱作区土壤轮耕的研究情况，轮耕技术的研究要突出不同区域特点，应充分发挥其保水、保土的作用。针对区域关键问题，结合共性关键技术，组合形成区域特色关键技术体系。（2）进一步深化土壤轮耕关键技术研究。共性关键技术包括土壤轮耕技术、秸秆覆盖还田保护技术、裸露农田绿色覆盖技术、关键环节适宜机具技术和稳产增效关键技术等。（3）加强土壤轮耕理论研究。加强不同种植制度秸秆还田长期效应研究；加强不同类型区长期少免耕及不同轮耕法的长期效应研究；加强轮耕技术的评价体系、技术推广的组织机制与配套技术政策研究。