約翰·艾施利曼在他位於華盛頓州東部帕盧斯地區的4000英畝農場上翻起一鏟表土。黑色的泥土很容易破碎，露出多孔的結構和豐富的有機物，這些都有助於根系生長。還能看到大量的蚯蚓——這是另一個健康的跡象。
三十四年前，在他的土壤裡，即使能找到蚯蚓，也只有幾條。那時，艾施利曼會在每次播種前犁地，掩埋前茬作物的殘茬，為下一茬作物準備土地。丘陵起伏的帕盧斯地區已經這樣耕作了幾十年。但是，耕作正在對帕盧斯地區造成損害，其著名的肥沃土壤正在以驚人的速度流失。艾施利曼堅信一定有一種更好的耕作方式，因此在1974年開始嘗試一種新興的方法，即免耕農業。
世界上大多數農民都會在播種作物前犁地。在播種前翻耕土壤的做法可以掩埋作物殘茬、動物糞便和有害雜草，還可以為土壤通氣和增溫。但是，以這種方式清理和擾動土壤也會使其容易受到風和水的侵蝕。耕作是農業用地退化的根本原因之一，而農業用地退化是全球最嚴重的環境問題之一，對糧食生產和農村生計構成威脅，尤其是在發展中國家貧困和人口稠密的地區。到20世紀70年代末，在帕盧斯地區，土壤侵蝕已經剝離了10%耕地的100%表土，以及另外60%耕地的25%到75%表土。此外，耕作還會促進沉積物、化肥和農藥徑流到河流、湖泊和海洋中。相比之下，免耕農業旨在最大限度地減少土壤擾動。實踐者在收穫後將作物殘茬留在田地裡，這些殘茬就像覆蓋物一樣，可以保護土壤免受侵蝕，並促進土壤生產力。為了播種，農民使用專門設計的播種機，穿透殘茬到達下面未受干擾的土壤，種子可以在那裡發芽並長成新作物。
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為了努力養活不斷增長的世界人口，農業已經擴張，從而對環境、人類健康和生物多樣性產生了更大的影響。但是，鑑於我們目前對地球承載能力的認識，我們現在意識到，生產足夠的糧食是不夠的——還必須以可持續的方式進行。農民需要生產足夠的高質量作物產量，為子孫後代保護自然資源，賺取足夠的錢來維持生計，並對他們的工人和社群做到社會公正 [參見約翰·P·雷根諾德、羅伯特·I·帕彭迪克和詹姆斯·F·帕爾合著的《可持續農業》；《大眾科學》，1990年6月]。免耕農業是可能有助於實現更可持續農業願景的系統之一。與任何新系統一樣，免耕也存在挑戰和權衡。儘管如此，世界各地的一些種植者正越來越多地放棄他們的犁。
犁地前進
自從大約10000年前人們開始種植自己的作物以來，人們就一直在使用免耕和耕作相結合的方法來生產地球上的食物。在從狩獵和採集過渡到種植作物的過程中，我們的新石器時代先民在住所附近種植菜園，並在野外覓食其他食物。有些人透過用棍子在土地上戳洞，將種子放入每個坑窪中，然後用土壤覆蓋，從而進行了最早的免耕形式。另一些人則用棍子刮擦地面，這是一種早期形式的耕作，目的是將種子放在地表之下。發展中國家的數千名農民仍然使用這些簡單的方法來播種他們的作物。
隨著犁的出現，機械耕作土壤逐漸成為種植作物和控制雜草的標準方法，犁使得少數人的勞動能夠養活許多人。最早的工具是劃土犁，它由一個框架組成，框架上有一個垂直的木柱，拖過表土。最早版本的這種裝置可能由兩個人操作，一個人拉工具，另一個人引導工具。但是，役畜（例如美索不達米亞的牛，可能早在公元前6000年）的馴化取代了人力。下一個重大發展發生在公元前3500年左右，當時埃及人和蘇美爾人創造了犁鏵——一種楔形的木製工具，尖端鑲有鐵片，可以鬆動表土層。到11世紀，歐洲人正在使用這種創新的改進版，其中包括一個稱為犁壁的彎曲刀片，可以將土壤翻過來。
犁設計的不斷進步促成了19世紀中期先鋒農業的爆發；農民在東歐、南非、加拿大、澳大利亞、紐西蘭和美國開墾了以草為主的原始草原，將其轉變為玉米、小麥和其他作物。其中一個地區，美國中西部的茂密草原，由於其厚實、粘稠的草皮阻礙了耕作，因此一直難以廣泛耕種。但在1837年，伊利諾伊州的一位名叫約翰·迪爾的鐵匠發明了一種光滑的鋼製犁壁犁，可以破開草皮。如今，這片曾經的草原，包括著名的玉米帶的大部分地區，是世界上農業生產力最高的地區之一。
農業機械化在20世紀初期繼續發展，出現了許多工具，幫助農民更加集約地耕作土地，包括可以一次拉動多臺犁的拖拉機。然而，耕作方式即將受到深刻的審視。“塵暴”時代（1931年至1939年）暴露了以犁為基礎的農業的脆弱性，因為風將美國乾旱蹂躪的南部平原上的珍貴表土吹走，留下了歉收的作物和農場。因此，土壤保持運動應運而生，農業學家開始探索減少耕作的方法，以保留作物殘茬作為保護性地被物。推動這一運動的是農藝學家愛德華·福克納在1943年出版的頗具爭議的《犁夫的愚行》，他質疑了犁的必要性。隨著第二次世界大戰後除草劑（如2,4-D、莠去津和百草枯）的開發，福克納的激進主張變得更加站得住腳，對現代免耕農業方法的研究在20世紀60年代開始認真進行。
考慮到犁在農業中發揮的關鍵作用，構思一種無需犁的方法已被證明是相當具有挑戰性的，需要對幾乎農業生產的各個方面進行重新改造。但是，自20世紀60年代以來，專門設計的播種機一直在不斷發展，以滿足免耕農業獨特的機械化要求。這些新型播種機以及化學除草劑是最終使種植者能夠在商業規模上有效地實施免耕的兩種主要技術。
開始免耕
如今，農民以不同程度擾動土壤的方式為種植做準備。使用犁壁犁耕作會完全翻轉土壤最上面的6到10英寸，掩埋大部分殘茬。同時，鑿式犁只會破碎表土，並保留更多的地表殘茬。相比之下，免耕方法僅僅在每個種植行中建立一個半英寸到三英寸寬的凹槽，種子可以放入其中，從而最大限度地減少整體土壤擾動。在美國，免耕農業符合美國農業部對保護性耕作的更廣泛定義。保護性耕作包括任何保留足夠的前茬作物殘茬的方法，從而在播種後至少覆蓋30%的土壤表面。這種殘茬的保護作用是相當大的。根據美國農業部國家資源清單資料，1982年至2003年間，美國耕地因水和風造成的土壤侵蝕減少了43%，其中大部分下降來自保護性耕作的採用。
土壤保護不是免耕的唯一好處。將作物殘茬留在土壤表面有助於增加水分滲透並限制徑流。反過來，減少徑流可以減少受輸送的沉積物、化肥和農藥汙染的附近水源。殘茬還可以透過減少蒸發來促進水分保持。在水分供應限制作物生產的情況下，更高的水分保持率可能意味著更高的作物產量或種植替代作物的新能力。
免耕方法還透過為土壤生物（如蚯蚓）提供來自殘茬的食物並穩定其棲息地，從而促進土壤動植物群的多樣性。再加上相關的土壤有機質增加，這些條件鼓勵土壤形成更穩定的內部結構，進一步提高種植作物的整體能力，並緩衝土壤免受耕作作業或環境危害造成的壓力。因此，免耕可以使對中度至陡峭傾斜的土地進行更可持續的耕作，這些土地面臨著較高的侵蝕風險和其他問題。
野生動物也從免耕中獲益，因為直立的作物殘茬和不可避免的穀物收穫損失為高地獵鳥和其他物種提供了掩護和食物。在1986年發表的一項研究中，愛荷華州的研究人員發現免耕田地中有12種鳥類築巢，而耕作田地中只有3種。
此外，與傳統的犁壁犁耕作相比，減少耕作增加了土壤碳固存。土壤碳固存是農業主要的溫室氣體減緩策略之一，其中作物在光合作用過程中從大氣中去除二氧化碳，未收穫的殘茬和根轉化為土壤有機質，土壤有機質中58%是碳。美國耕地固存土壤碳的總體潛力中，約有一半來自保護性耕作，包括免耕。
此外，免耕可以為農民帶來經濟優勢。使用免耕建立和收穫作物所需的田間作業次數通常從七次或更多次減少到四次或更少次。因此，與以耕作為基礎的農業相比，它需要的燃料減少50%到80%，勞動力減少30%到50%，從而大大降低了每英畝的生產成本。雖然專門的免耕播種裝置可能很昂貴，一些精密的播種機售價超過10萬美元，但不再需要執行和維護其他耕作裝置，從而使作物建立所需的機械總資本和運營成本降低高達50%。憑藉這些時間和金錢上的節省，農民可以在較小的規模上更具競爭力，或者他們可以擴大規模並耕種更多的土地，有時使用相同的裝置和勞動力將農場規模擴大一倍。此外，許多農民欣賞他們曾經投入到相當單調的耕作任務中的時間，他們可以轉而用於更具挑戰性的農業、家庭生活或休閒方面，從而提高他們的整體生活質量。
押注農場
免耕和其他保護性耕作系統可以在各種氣候、土壤和地理區域中發揮作用。連續免耕也適用於大多數作物，但水稻和馬鈴薯等根類作物除外。然而，在有資料的最新年份2004年，全球農民僅在2.36億英畝的土地上實行免耕——甚至不到全球耕地總面積的7%。
在免耕面積最大的五個國家中，美國排名第一，其次是巴西、阿根廷、加拿大和澳大利亞。大約85%的免耕土地位於北美和南美。在美國，2004年約有41%的已種植耕地使用保護性耕作系統耕種，而1990年為26%。大部分增長來自免耕的擴大采用，免耕在同一時期增加了兩倍多，達到美國農田的22%。這無疑部分反映了這樣一個事實，即美國農民被鼓勵達到保護性耕作的定義，以參與政府補貼和其他計劃。在南美洲，由於大學農業推廣教育工作者和當地農場社群協調努力，開發適合其特定需求的切實可行的免耕種植系統，免耕農業的採用率相對較快。
另一方面，歐洲、非洲和亞洲大部分地區的採用率較低。在非洲和亞洲的發展中國家，接受免耕尤其困難，因為那裡的農民經常將作物殘茬用於燃料、動物飼料和其他用途。此外，播種作物所需的專用播種機和雜草控制所需的除草劑可能無法獲得，或者對於這些地區的種植者來說可能過於昂貴。與此同時，在歐洲，缺乏促進免耕的政府政策，以及對農藥（包括除草劑）的更高限制，以及其他變數，使農民幾乎沒有動力採用這種方法。
從以耕作為基礎的農業轉變為免耕並非易事。轉型的難度，以及免耕比傳統農業更容易導致作物歉收或淨回報較低的普遍看法，嚴重阻礙了這種方法的更廣泛採用。儘管農民們接受農業並非萬無一失的職業，但如果失敗的風險高於傳統做法，他們會猶豫是否採用新的耕作方式。由於免耕與其他耕作方式截然不同，因此轉向免耕的種植者會經歷陡峭的學習曲線。除了不同田間操作的要求外，轉變還對農場土壤和田地產生深遠的影響。例如，隨著從以耕作為基礎的農業轉向免耕，可能會出現不同的害蟲種類。雜草和作物病害的種類也可能發生變化。例如，與免耕相關的水分水平升高可能會促進土壤傳播的真菌病害，而耕作以前可以控制這些病害。事實上，新作物病害的發現有時伴隨著向免耕的轉變。
免耕帶來的一些變化可能需要數年甚至數十年的時間才能展開，農民需要保持警惕，並適應新的、有時是意想不到的情況，例如土壤和殘茬條件或肥料管理變化引起的情況。在這個過渡時期，存在產量降低甚至作物歉收的實際風險。例如，在帕盧斯地區，一些在20世紀80年代嘗試免耕的農民已不再經營。因此，希望轉向免耕的農民最初應將轉換的面積限制在其農場總面積的10%到15%。
不熟悉免耕技術的農民經常參觀成功的農場並組成當地或區域支援小組，他們在那裡分享經驗並討論具體問題。但是，他們在免耕採用率有限的地區獲得的建議可能是不完整或矛盾的，知識、經驗或技術的差距可能會產生災難性的後果。如果免耕比傳統技術風險更高的看法在農業社群中形成，銀行可能不會為免耕農民的貸款提供擔保。或者，租賃土地的種植者可能會發現業主反對免耕，因為他們擔心他們不會獲得那麼多報酬。改善農民、大學、農業綜合企業和政府機構之間的資訊交流無疑將大大有助於克服這些障礙。
然而，即使在經驗豐富的免耕農民手中，該系統也存在缺點。在質地細膩、排水不良的土壤上進行免耕作物生產可能尤其成問題，通常會導致產量降低。例如，在這些型別的土壤上，免耕玉米的產量通常比傳統耕作的產量降低5%到10%，尤其是在北部地區。而且，由於作物殘茬阻擋了陽光照射到地球上，使其升溫的程度與傳統耕作不同，因此春季土壤溫度較低，這可能會減緩種子發芽並限制玉米等暖季作物的早期生長，尤其是在北部緯度地區。
在最初的四到六年裡，免耕還需要使用額外的氮肥來滿足某些作物的營養需求——比傳統耕作系統多出高達20%——因為地表有機質的增加會固定養分，包括氮。而且，在沒有耕作的情況下，農民更嚴重地依賴除草劑來控制雜草。抗除草劑雜草在免耕農場中已經變得越來越普遍。因此，免耕的持續實踐高度依賴於新型除草劑配方和其他雜草管理方案的開發。撇開成本不談，更多地依賴農業化學品可能會對非目標物種產生不利影響，或汙染空氣、水和土壤。
整合免耕
免耕有可能帶來一系列日益令人渴望的好處，尤其是在一個面臨人口增長、環境退化、能源成本上升和氣候變化等嚴峻挑戰的世界中。但免耕並非萬能藥；農業中不存在這樣的東西。相反，它是更廣泛、不斷演變的可持續農業願景的一部分，其中從免耕到有機耕作以及兩者的結合等多種耕作方法被認為是健康的。我們認為，最終所有農民都應該在其農場上整合保護性耕作，如果可行，則進行免耕。
未來的免耕農業將需要採用更多樣化的病蟲害和雜草管理策略，包括生物、物理和化學措施，以減輕農藥抗性的威脅。成功的有機耕作系統的實踐可能在這方面具有啟發意義。其中一種技術，作物輪作——農民在同一空間連續季節種植一系列不同的作物——已經在幫助免耕對抗病蟲害和雜草，方法是幫助打破當連續種植一個物種時出現的雜草、病蟲害迴圈。
為此，種植多種經濟上可行的作物的能力將推進免耕農業，並使其對農民更具吸引力。但是，目前美國中西部玉米帶強調玉米生產乙醇，正在促進單一種植——在廣闊的區域種植單一作物（如玉米）並每年重新種植——並且可能會使該地區的免耕農業更加困難。專家們繼續爭論在農田上種植燃料的優缺點，但如果我們決定繼續種植生物燃料作物，我們將需要考慮使用免耕和作物輪作來可持續地生產它們。在邊際土地上開發生物能源生產的替代作物，包括柳枝稷等多年生植物，可以補充和促進免耕農業，正在開發的多年生穀物食用作物也是如此 [參見傑裡·D·格洛弗、辛迪·M·考克斯和約翰·P·雷根諾德合著的《未來農業：迴歸根源？》；《大眾科學》，2007年8月]。
今天，在首次在他的帕盧斯農場嘗試免耕三十年後，約翰·艾施利曼在他的100%土地上使用了該系統。他對免耕的採用遵循了漸進、謹慎的道路，這有助於最大限度地降低他產量和淨回報降低的風險。因此，他是眾多大大小小的農民之一，他們正在收穫免耕農業的回報，並幫助農業朝著可持續發展的方向發展。
注：本文最初以“免耕：靜悄悄的革命”為標題發表。
