不同農(nóng)作區(qū)土壤輪耕模式與生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展

侯賢清，李　榮,*，賈志寬，韓清芳

1 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 銀川　750021

2 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院,農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌　712100

不同農(nóng)作區(qū)土壤輪耕模式與生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展

侯賢清1，李榮1,*，賈志寬2，韓清芳2

1 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 銀川750021

2 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院,農(nóng)業(yè)部西北黃土高原作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌712100

摘要:適時(shí)進(jìn)行不同土壤耕作措施的合理組配，形成與種植制度相適應(yīng)的旱作土壤輪耕技術(shù)體系，以解決長(zhǎng)期單一耕作措施所帶來(lái)的諸多問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)外已備受廣泛關(guān)注。為深刻理解中國(guó)農(nóng)作區(qū)土壤輪耕模式及其生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展，就土壤輪耕的概念、輪耕模式及其土壤與作物生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述；在總結(jié)現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)了不同農(nóng)作區(qū)土壤輪耕模式的類(lèi)型、作業(yè)效果及其機(jī)械選擇；科學(xué)評(píng)價(jià)不同輪耕模式下土壤與作物的生態(tài)效應(yīng)；指出了目前土壤輪耕技術(shù)研究中所存在的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的建議。針對(duì)我國(guó)區(qū)域農(nóng)作制的合理輪耕周期研究比較困難，綜合國(guó)內(nèi)外土壤輪耕的研究進(jìn)展，提出土壤輪耕模式及技術(shù)體系今后的重點(diǎn)研究方向：(1)結(jié)合各區(qū)域主流種植模式，研究輪耕與輪作相結(jié)合的輪耕模式；(2)不同區(qū)域輪耕周期的確定與完善；(3)從技術(shù)上解決輪耕導(dǎo)致的土壤質(zhì)量下降和作物減產(chǎn)的問(wèn)題；(4)輪耕對(duì)土壤供肥與作物吸肥的影響；(5)加強(qiáng)輪耕模式及體系的技術(shù)評(píng)價(jià)、技術(shù)推廣與配套技術(shù)的研究。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作區(qū)；輪耕模式；生態(tài)效應(yīng)；研究進(jìn)展

土壤耕作直接作用于土壤，改變土壤結(jié)構(gòu)，為作物創(chuàng)造良好的耕層構(gòu)造，以滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水、肥、氣、熱的需要。它是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的一項(xiàng)主要內(nèi)容，也是農(nóng)作物增產(chǎn)的一項(xiàng)基本措施，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中具有舉足輕重的作用[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，旱作農(nóng)業(yè)土壤耕作技術(shù)力求納秋水、抗春旱，但長(zhǎng)期單一的耕作方式使土壤耕層變淺、土壤容重變大、土壤有機(jī)質(zhì)在表層富集和病蟲(chóng)害的發(fā)生嚴(yán)重等，給作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅，造成作物減產(chǎn)[2- 3]。以減少土壤擾動(dòng)和增加秸稈覆蓋為主要特點(diǎn)的保護(hù)性耕作，具有保土、增肥、節(jié)水、增產(chǎn)和增效的作用[4]，已在生產(chǎn)上大面積應(yīng)用。從傳統(tǒng)耕作向少免耕技術(shù)的轉(zhuǎn)變，是土壤耕作技術(shù)的一場(chǎng)革命。近年來(lái)，盲目引進(jìn)美國(guó)的保護(hù)性耕作措施，推廣休耕少耕免耕，致使防治水土流失、加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)的任務(wù)越來(lái)越重[5]。多年保護(hù)性耕作后出現(xiàn)的問(wèn)題是土壤變硬，容重增大，影響作物根系發(fā)育及對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，產(chǎn)量出現(xiàn)下降的趨勢(shì)[6]。保護(hù)性耕作技術(shù)的研究已不再是僅關(guān)注土壤耕作技術(shù)本身及對(duì)當(dāng)季作物生長(zhǎng)的影響，更注重耕作制度的周期、作物輪作、土壤輪耕等綜合技術(shù)配置及其效應(yīng)[7]。王振忠等[8]在1995年提出了輪耕的概念及在麥稻復(fù)種連作條件下輪耕的措施，并確立了“久淺需深、久免需耕”的思想。劉世平等[9]也提出以增產(chǎn)、節(jié)本、高效和可行為原則，將輪作、耕作和培肥相結(jié)合，逐步形成輪作、輪培和輪耕的“三輪”技術(shù)體系。2005年在全國(guó)保護(hù)性耕作研討會(huì)上高旺盛指出，建立土壤輪耕技術(shù)體系是中國(guó)保護(hù)性耕作制的關(guān)鍵技術(shù)之一[7]。土壤輪耕發(fā)揚(yáng)和繼承了不同耕作方法的優(yōu)點(diǎn)，為秸稈還田和有機(jī)培肥創(chuàng)造良好的土壤條件，更好地解決“用地養(yǎng)地”、“復(fù)種農(nóng)時(shí)”和“高產(chǎn)高效”三者之間的關(guān)系[10]。因此，適時(shí)進(jìn)行土壤輪耕對(duì)維持農(nóng)田土壤質(zhì)量健康具有重要作用。

1土壤輪耕的概念

針對(duì)長(zhǎng)期的單一耕作措施和多年保護(hù)性耕作技術(shù)給作物生長(zhǎng)及土壤生態(tài)環(huán)境帶來(lái)諸多不利影響，通過(guò)保留傳統(tǒng)耕作中的有益部分，適墑進(jìn)行土壤輪耕恢復(fù)地力，來(lái)提高供肥能力[8]。關(guān)于輪耕，國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有統(tǒng)一的概念。在國(guó)內(nèi)，有研究[9- 10]認(rèn)為，土壤輪耕是通過(guò)翻耕、深松和免耕等耕作措施的科學(xué)組配，形成與種植制度相適應(yīng)的土壤耕作技術(shù)體系。在國(guó)外，輪耕的提法不盡相同，存在著區(qū)域性的差異[11- 13]。在澳大利亞，輪耕是采用改變年際間不同耕作深度、實(shí)現(xiàn)降低土壤緊實(shí)度、避免相同耕作深度的耕作方式；而在美國(guó)，輪耕是指與作物輪作相適應(yīng)的耕作措施交替進(jìn)行的耕作技術(shù)體系。研究認(rèn)為，土壤輪耕是通過(guò)合理配置土壤耕作技術(shù)(翻耕、旋耕、深松和免耕等)，與種植制度形成相適應(yīng)的土壤耕作技術(shù)體系；同時(shí)形成以少耕為主體，少、免耕交替，定期耕翻的輪耕模式，來(lái)解決長(zhǎng)期少免耕而產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)。這既考慮到節(jié)本增效問(wèn)題，又綜合考慮到農(nóng)田土壤質(zhì)量的改善、土地生產(chǎn)力的提高，對(duì)于減少長(zhǎng)期單一耕作的弊端而具有重要作用，是未來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要支撐技術(shù)，也是我國(guó)區(qū)域土壤耕作制改革的發(fā)展方向。

2不同農(nóng)作區(qū)土壤輪耕模式

根據(jù)我國(guó)南北地理氣候來(lái)看，免耕成為主流耕作方式，輔以少耕和翻耕，是今后我國(guó)農(nóng)作區(qū)耕作方式的發(fā)展趨勢(shì)，是持續(xù)和效益農(nóng)業(yè)的最佳選擇。在不同類(lèi)型區(qū)土壤上采用少免耕模式進(jìn)行生產(chǎn)，土壤肥力和作物產(chǎn)量都有衰減期，必須實(shí)行不同的土壤輪耕模式才能保持和提高土壤肥力，確保持續(xù)高產(chǎn)。在具體實(shí)施時(shí)，輪耕必須與作物輪作結(jié)合，從種植制度綜合優(yōu)化要求出發(fā)，根據(jù)所具備的條件和作物要求，靈活運(yùn)用與輪作相適應(yīng)的輪耕模式，使輪耕效益得到充分發(fā)揮[8]。根據(jù)我國(guó)不同農(nóng)作區(qū)地域特點(diǎn)及所存在的問(wèn)題，將不同農(nóng)作區(qū)土壤輪耕模式的類(lèi)型、作業(yè)效果及機(jī)械選擇進(jìn)行對(duì)比。

2.1農(nóng)牧交錯(cuò)帶

近幾年來(lái)，農(nóng)牧交錯(cuò)帶土壤侵蝕和荒漠化比較嚴(yán)重，留茬免耕技術(shù)是北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶防止農(nóng)田土壤風(fēng)蝕的主導(dǎo)保護(hù)性耕作技術(shù)[14]。(1)輪耕模式主要有：a. 免耕/免耕/免耕/免耕，結(jié)合作物輪作莜麥/油菜/劍舍豌豆/莜麥；b. 翻耕/翻耕/翻耕/翻耕，結(jié)合作物輪作莜麥/油菜/劍舍豌豆/莜麥；c. 免耕/免耕/深松/深松，并結(jié)合作物輪作莜麥/油菜/劍舍豌豆/莜麥。即在連續(xù)免耕2a后的基礎(chǔ)上進(jìn)行不同耕作處理，農(nóng)田未進(jìn)行覆蓋，作物收獲后留茬20 cm，終年無(wú)灌溉。(2)作業(yè)效果：多年免耕后土壤容重增大，連年翻耕嚴(yán)重破壞了土壤結(jié)構(gòu)，影響作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量，在免耕的基礎(chǔ)上深松，保障了作物產(chǎn)量的需求，同時(shí)也提高了土壤抗風(fēng)蝕能力[15]。(3)機(jī)械選擇：免耕采用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械廠生產(chǎn)的2BM-9型免耕播種機(jī)；深松采用天津市薊縣農(nóng)業(yè)機(jī)械廠生產(chǎn)的ISQ-204型深松機(jī)。

2.2東北旱作區(qū)

東北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)傳統(tǒng)耕作法多次作業(yè)，壓實(shí)土壤，破壞土壤結(jié)構(gòu)，土壤失墑嚴(yán)重。為提高耕地蓄水保墑能力，東北壟作區(qū)相繼創(chuàng)立新的耕法。新耕法主要有：平播后起壟和秋季滅茬起壟。新的耕法堅(jiān)持了壟作傳統(tǒng)，使傳統(tǒng)耕法較順利地過(guò)渡到蓄水保墑耕作法，但仍存在一些問(wèn)題：耕作次數(shù)多，土壤壓實(shí)嚴(yán)重，作業(yè)成本高，地表長(zhǎng)期裸露休閑，土壤失墑嚴(yán)重，風(fēng)蝕加劇。針對(duì)以上嚴(yán)重現(xiàn)象，對(duì)節(jié)水抗旱的新耕法進(jìn)行了探索與總結(jié)，研究出適合東北壟作區(qū)蓄水保墑耕作技術(shù)體系“三年輪耕法”[16]。(1)三年輪耕法：即第1年秸稈粉碎覆蓋還田，第3年留茬越冬，各年中均采用伏雨前深松，播種時(shí)采用免耕播種。新耕法集成了秸稈根茬還田、帶狀少耕、深松、免耕播種、分層深施化肥、窄開(kāi)溝重鎮(zhèn)壓、植保等農(nóng)藝技術(shù)，通過(guò)不同的聯(lián)合少耕機(jī)具進(jìn)行優(yōu)化組合作業(yè)。(2)作業(yè)效果：新耕法休閑期地表覆蓋，消除了裸露休閑，減少動(dòng)土量，保水、保墑、保土。秸稈根茬還田，使土壤有機(jī)質(zhì)增加，培肥地力；采用聯(lián)合作業(yè)機(jī)具，減少機(jī)具作業(yè)次數(shù)及機(jī)械壓實(shí)，降低作業(yè)成本，達(dá)到聯(lián)合少耕的效果。(3)機(jī)械選擇：其配套機(jī)具包括耕整、耕播兩大類(lèi)聯(lián)合作業(yè)機(jī)具[17]。耕整聯(lián)合作業(yè)機(jī)具包含IDGZL-140(2)、IDGZL-240(4)多功能耕整聯(lián)合作業(yè)機(jī)，IDGZL-240(4)J加強(qiáng)型多功能耕整聯(lián)合作業(yè)機(jī)，IJGH L-140(2)秸稈-根茬粉碎還田聯(lián)合作業(yè)機(jī)和IFS-260(4)仿生減阻深松機(jī)。耕播聯(lián)合作業(yè)機(jī)具包括IGBL-140(2)、IGBL-240(4)耕播聯(lián)合作業(yè)機(jī)，IGBL-240(4)J加強(qiáng)型耕播聯(lián)合作業(yè)機(jī)、ZB-Y2硬茬播種機(jī)和ZBM-4免耕精播機(jī)。

2.3西北黃土高原區(qū)

西北黃土高原旱作區(qū)，干旱少雨，春旱、冬春連旱嚴(yán)重，糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)。作物收獲后，充分利用雨季休閑期降水是提高該區(qū)降水利用率的關(guān)鍵。(1)土壤輪耕技術(shù)主要包括夏閑期輪耕[18]和冬閑期輪耕[19]。a. 夏閑期輪耕模式主要有：深松/免耕/深松、免耕/深松/免耕、翻耕/翻耕/翻耕。即在前茬冬小麥?zhǔn)斋@后留高茬將秸稈出地進(jìn)行耕作處理，經(jīng)過(guò)夏季休閑，9月下旬播種冬小麥，次年6月下旬冬小麥后收獲留高茬將秸稈出地進(jìn)行耕作處理，再進(jìn)行夏季休閑，9月下旬播種冬小麥，第3年6月下旬冬小麥?zhǔn)斋@，進(jìn)行秸稈出地進(jìn)行耕作處理。b. 冬閑期輪耕模式主要有：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。即在前茬春玉米收獲后將秸稈出地進(jìn)行耕作處理，經(jīng)過(guò)冬季休閑，次年4月中旬播種糜子，9月下旬糜子收獲留高茬將秸稈出地進(jìn)行耕作處理，經(jīng)過(guò)冬季休閑，第3年4月中旬播種谷子，9月下旬谷子收獲留高茬將秸稈出地進(jìn)行耕作處理，經(jīng)過(guò)冬季休閑，第4年4月中旬播種糜子，9月下旬糜子收獲留高茬將秸稈出地進(jìn)行耕作處理。(2)作業(yè)效果：與傳統(tǒng)耕作相比，休閑期輪耕能有效改善土壤結(jié)構(gòu)，最大限度地接納夏秋降雨，做到春墑秋保、秋雨春用，顯著提高了自然降水利用效率和作物產(chǎn)量。(3)機(jī)械選擇：免耕、深松和翻耕處理配套機(jī)具分別為意大利生產(chǎn)的Amazone NT 250型免耕播種機(jī)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的1SY-120型帶翼鏟深松機(jī)和山東德州生產(chǎn)的專(zhuān)用鏵式犁拖拉機(jī)。

2.4華北平原麥-玉兩熟區(qū)

華北平原屬典型的小麥-玉米兩熟區(qū)，隨著保護(hù)性耕作技術(shù)在華北平原的應(yīng)用，多年少免耕后出現(xiàn)土壤容重增大、孔隙變小等土壤質(zhì)量下降問(wèn)題。因此，探索適宜的輪耕模式來(lái)改善土壤質(zhì)量尤為重要。(1)土壤輪耕技術(shù)主要有：a. 年內(nèi)輪耕模式[20]。即小麥季免耕玉米季免耕，小麥季免耕玉米季深松，小麥季深松玉米季免耕，小麥季深松玉米季深松，小麥季翻耕玉米季免耕，小麥季翻耕玉米季深松。作業(yè)效果：小麥季深松玉米季深松能提高土壤理化性狀，改善地上部植株性狀，增加作物產(chǎn)量和品質(zhì)，提升經(jīng)濟(jì)效益，在該地區(qū)進(jìn)行小麥-玉米年內(nèi)輪耕時(shí)作為首選，其次是小麥季深松玉米季免耕，不建議采用小麥季免耕玉米季免耕的年內(nèi)輪耕模式。b. 多年免耕后輪耕[21]。在小麥-玉米連續(xù)5a進(jìn)行周年免耕、翻耕和旋耕試驗(yàn)，輪耕模式主要有免耕-免耕、免耕-翻耕和免耕-旋耕。作業(yè)效果：輪耕能夠提高長(zhǎng)期免耕土壤有機(jī)碳、活性碳和碳庫(kù)管理指數(shù)，對(duì)提高長(zhǎng)期免耕土壤質(zhì)量有重要作用。c. 秸稈覆蓋下輪耕[22]。即3a深松+1a免耕、4a深松、3a免耕+1a深松、4a免耕、秸稈覆蓋結(jié)合3a深松+1a免耕、秸稈覆蓋結(jié)合4a深松、秸稈覆蓋結(jié)合3a免耕+1a深松、秸稈覆蓋結(jié)合4a免耕。作業(yè)效果：深松與免耕相結(jié)合的土壤輪耕制度是進(jìn)一步提高該地區(qū)玉米增產(chǎn)的有效措施，適宜的土壤輪耕與秸稈覆蓋還田可更好發(fā)揮兩者的增產(chǎn)效果。(2)機(jī)械選擇：免耕處理選用2BMF-7/14型多功能免耕播種機(jī)一次性完成旋耕、施基肥、播種作業(yè)，深松處理選用180型震動(dòng)深松機(jī)進(jìn)行深松；翻耕采用東方紅904拖拉機(jī)帶三鏵犁進(jìn)行翻耕，旋耕使用東方紅904拖拉機(jī)帶旋耕機(jī)進(jìn)行旋耕。

2.5渭北旱塬區(qū)

渭北旱塬區(qū)長(zhǎng)期釆用“多次翻耕一耙耱”土壤耕作法土壤失墑和風(fēng)蝕嚴(yán)重。針對(duì)這一問(wèn)題，李軍在渭北旱塬區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期定位試驗(yàn)，研究了不同施肥水平結(jié)合不同耕作措施組成的輪耕模式[23- 24]。(1)輪耕模式主要有：免耕/深松輪耕、深松/翻耕輪耕、翻耕/免耕輪耕、5連續(xù)免耕、5連續(xù)深松和5a連續(xù)翻耕；施肥水平包括：常規(guī)施肥(高氮高磷)、平衡施肥(氮磷鉀平衡)和不施肥或低肥(低氮低磷)。即在前茬作物收獲后將秸稈粉碎覆蓋地表進(jìn)行耕作處理，經(jīng)過(guò)休閑(夏或冬季)，當(dāng)年9月或次年4月中旬播種冬小麥或春玉米，6月或9月下旬冬小麥或春玉米收獲，然后秸稈粉碎覆蓋地表進(jìn)行耕作處理，經(jīng)過(guò)休閑(夏或冬季)，第2年9月或第3年4月中旬播種冬小麥或春玉米，6月或9月下旬冬小麥或春玉米收獲，進(jìn)行秸稈粉碎覆蓋地表進(jìn)行耕作處理。(2)作業(yè)效果：平衡施肥結(jié)合免耕/深松輪耕模式，相比連年翻耕，能夠增加休閑期土壤蓄水量，改善生育期土壤墑情，提高表層土壤肥力，有利于旱作農(nóng)田作物的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，同時(shí)提高了生產(chǎn)收益。(3)配套機(jī)具：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2BMQF-4C型玉米免耕播種機(jī)、1SY-120型帶翼鏟深松機(jī)和專(zhuān)用鏵犁耕翻機(jī)。

2.6長(zhǎng)江流域2.6.1麥稻兩熟區(qū)

稻麥兩熟地區(qū)隨著少免耕應(yīng)用年限的延長(zhǎng)，也暴露出問(wèn)題，如土壤養(yǎng)分表層富集，導(dǎo)致土壤供肥能力差，草害嚴(yán)重，作物出現(xiàn)早衰倒伏等現(xiàn)象。許多研究學(xué)者提出以少耕為主體，少免交替，定期耕翻的深、淺、免有機(jī)結(jié)合的輪耕制。即根據(jù)蘇北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，本著增產(chǎn)、高效、節(jié)本、可行的原則，將輪作、耕作、培肥有機(jī)結(jié)合，形成輪作、輪耕、輪培的“三輪”技術(shù)體系[9]。(1)輪耕模式主要有：連耕(常耕/水稻-常耕/小麥-常耕/水稻-常耕/小麥)、連少(少耕/水稻-少耕/小麥-少耕/水稻-少耕/小麥)、輪耕(常耕/水稻-少耕/小麥-少耕/水稻-少耕/小麥)。(2)作業(yè)效果：輪耕后耕層土壤容重居于連少(連續(xù)少耕)和連耕(連續(xù)常耕)之間，保持在小麥生長(zhǎng)的適宜范圍內(nèi)；輪耕(常耕/少耕)有較高的氮肥利用效率，可適當(dāng)減少氮肥施用量。小麥產(chǎn)量以輪耕為最高，在土壤肥力水平較低情況下更應(yīng)避免長(zhǎng)期連續(xù)少耕[25]。(3)機(jī)械選擇：少耕選用1GF-170型反轉(zhuǎn)滅茬旋耕機(jī)，常耕選用1LYTA-622水田犁。

2.6.2雙季稻區(qū)

在我國(guó)南方稻田，連續(xù)免耕若干年后如何通過(guò)合理的措施進(jìn)一步改善和提高土壤質(zhì)量，是目前人們比較關(guān)注的問(wèn)題。土壤輪耕結(jié)合秸稈還田措施對(duì)于減少長(zhǎng)期免耕缺點(diǎn)具有重要作用。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳阜教授在連續(xù)免耕7a的稻田分別進(jìn)行免耕、旋耕和翻耕3種耕作措施[26- 27]。(1)土壤輪耕模式主要有：免耕-免耕、免耕-翻耕、免耕-旋耕。(2)作業(yè)效果：長(zhǎng)期免耕后，翻耕、旋耕措施通過(guò)改變耕層土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高稻田土壤水貯量；同時(shí)長(zhǎng)期免耕后，免耕秸稈還田會(huì)增加表層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量；而翻耕、旋耕秸稈還田會(huì)提高下層土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。(3)機(jī)械選擇：免耕采用2BG-6A免耕條播機(jī)播種，播后立即鋪蓋秸稈，旋耕選用1GF-170型反轉(zhuǎn)滅茬旋耕機(jī)，翻耕采用1ZS-20型水田耕整機(jī)。

3輪耕的土壤生態(tài)效應(yīng)

3.1對(duì)土壤物理性狀的影響

在多年免耕的基礎(chǔ)上進(jìn)行土壤耕作，能有效降低作物生育前期耕層的土壤容重。旋耕2a后深耕比連續(xù)3a旋耕降低15—20 cm土層土壤容重，但對(duì)表層土壤容重影響相對(duì)較小[28]。長(zhǎng)期免耕后翻耕、旋耕，比長(zhǎng)期免耕有效改善0—10 cm土壤總孔隙，提高5—10 cm毛管孔隙[22]；連續(xù)耙耕3—4a使15—20 cm土層土壤形成較緊實(shí)的耙底層，但耕翻1a后耙耕2a周期輪換模式能改善土壤透氣性[29]。耕作方式通過(guò)影響微團(tuán)聚體與大團(tuán)聚體之間的轉(zhuǎn)化及再分布，進(jìn)而影響土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及抗侵蝕能力。深松1a后均能使>0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體增加[30]。免耕與深松隔年輪耕比傳統(tǒng)耕作顯著增加0—20 cm土層0.25—2 mm團(tuán)聚體數(shù)量，極顯著增加20—40 cm土層>5 mm團(tuán)聚體含量[31]。微團(tuán)聚體與大顆粒團(tuán)聚體相比，穩(wěn)定性較強(qiáng)，不易受外界因素的影響，輪耕處理比傳統(tǒng)耕作能增加2—0.25 mm的團(tuán)聚體的比例，而微團(tuán)聚體(< 0.25 mm)的比例相應(yīng)減少[31]。

相關(guān)研究表明，在旱作區(qū)進(jìn)行土壤輪耕可減少土壤擾動(dòng)，降低土壤容重，增加降水入滲，增強(qiáng)土壤蓄水能力。長(zhǎng)期免耕后，翻耕、旋耕能夠有效提高耕層土壤蓄水量，特別是在土壤含水率偏低時(shí)尤為顯著[26]。夏季農(nóng)田休閑，特別是在干旱年份，免耕后深松可充分利用夏季降水，將其蓄存于深層土壤，供夏秋作物生長(zhǎng)需要[15]。同時(shí)，免耕與深松輪耕還可顯著提高了休閑期降雨蓄水效率和小麥整個(gè)生育期降水利用效率，改善土壤蓄水保墑效果和作物的水分利用能力[18]。

3.2對(duì)土壤化學(xué)性狀的影響

少耕有利于土壤有機(jī)質(zhì)和全氮在上層的富集和積累，促進(jìn)有機(jī)碳氮庫(kù)的形成，然而，長(zhǎng)期少免耕會(huì)引起表層土壤緊實(shí)，有機(jī)質(zhì)含量減少，表層有機(jī)碳富集和氮素流失等嚴(yán)重問(wèn)題[32]。輪耕措施能夠增加耕層土壤有機(jī)碳含量，促進(jìn)耕層土壤有機(jī)碳氮的均勻分布。有研究表明，免耕1a后進(jìn)行翻耕增加耕層土壤全氮含量效果明顯[33]，2a深松1a免耕模式能有效增加耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量[34]。可見(jiàn)，輪耕對(duì)提高土壤肥力有著重要的作用。

長(zhǎng)期連續(xù)免耕有利于提高表層(0—5 cm)土壤有效磷的含量，而長(zhǎng)期免耕后翻耕、旋耕提高下層(5—20 cm)土壤有效磷的含量，長(zhǎng)期免耕后翻耕有利于提高下層土壤速效鉀的含量[27]。而輪耕有利于均衡耕層土壤養(yǎng)分，有效抑制長(zhǎng)期免耕帶來(lái)的養(yǎng)分表層富集現(xiàn)象，同時(shí)有利于釋放礦化養(yǎng)分，提高土壤肥力，降低農(nóng)田肥料使用量。免耕與深松隔年輪耕可顯著增加耕層土壤有效氮、有效磷含量和速效鉀含量，改善了土壤的養(yǎng)分狀況[34]。李娟等[35]也得出相似的研究結(jié)果：免耕后深松對(duì)0—20 cm土層土壤有效氮含量影響較大，對(duì)20—40 cm土層土壤有效磷和速效鉀含量影響較大。

3.3對(duì)土壤生物性狀的影響

免耕可使土壤酶活性增加，對(duì)于表層土壤效果更為明顯。分析其原因有兩個(gè)方面：一方面免耕使土壤免受耕作擾動(dòng)，同時(shí)連續(xù)免耕使土壤耕層變淺植物根系多分布在表層有關(guān)；另一方面免耕增加土壤微生物數(shù)量，形成不同時(shí)期的微生物區(qū)系，進(jìn)而改變土壤生物特性[20,36]。肖嫩群等[37]研究發(fā)現(xiàn)，晚稻分蘗盛期的土壤微生物活度表現(xiàn)為少耕﹥翻耕﹥免耕，這與微生物數(shù)量變換規(guī)律基本一致。作物輪作也可影響土壤生物性狀[38]，除了作物輪作外，還可以改變耕作方式。熊鴻焰等[39]的研究發(fā)現(xiàn)，水旱輪作后免耕0—20 cm耕層土壤微生物數(shù)量、生物量磷和生物多樣性顯著低于常規(guī)耕作，而微生物生物量碳和氮顯著高于常規(guī)耕作。秸稈還田結(jié)合輪耕措施能顯著提高0—40 cm土層土壤酶活性，也有利于酶在土壤中均勻分布，這對(duì)土壤肥力的改善和作物產(chǎn)量的增加將會(huì)起到有利的作用[40]。這主要由于長(zhǎng)期免耕處理秸稈覆蓋在表層，且養(yǎng)分在表層富集，經(jīng)過(guò)翻耕、旋耕處理后表層秸稈和養(yǎng)分被均勻地分布于耕層，有利于深層土壤微生物的活動(dòng)[41]。

4輪耕的作物生態(tài)效應(yīng)

4.1作物生理生態(tài)效應(yīng)

作物對(duì)土壤氮素的吸收，不僅取決于氮素的化學(xué)形態(tài)，而且還與其移動(dòng)性及作物根系在土壤中的分布狀況等有密切關(guān)系。劉世平等[25]研究表明，肥料和耕作方式對(duì)作物含氮率和累積吸氮量均有較大影響：不同耕法中，無(wú)論是施肥區(qū)還是不施肥區(qū)，各生育期多以輪耕為最高；在不施氮肥的情況下，輪耕與少免耕處理，與長(zhǎng)期免耕處理相比，利于氮素的礦化和水稻對(duì)氮素的吸收。作物根系的數(shù)量、活性以及分布狀況，直接影響植株地上部生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的形成。輪耕能促進(jìn)小麥根系下扎，增加下層根的比例[42]。韓賓等[29]研究認(rèn)為，連續(xù)耙耕3—4a使15—20 cm土層形成緊實(shí)度較大的耙底層，導(dǎo)致土壤透氣性和蓄水保墑能力降低，嚴(yán)重阻礙了根系正常下扎，而耕翻1a、耙2a的周期輪換模式，能促進(jìn)根系下扎，進(jìn)而提高作物的產(chǎn)量。適當(dāng)深松或改連耕為免耕也可達(dá)到同樣的效果[43]。

不同耕作措施通過(guò)調(diào)節(jié)土壤環(huán)境，進(jìn)而影響作物光合特性。侯賢清等[44]通過(guò)3a的輪耕試驗(yàn)研究結(jié)果證明，不同輪耕模式能顯著提高小麥旗葉葉綠素相對(duì)含量，使小麥花后旗葉保持較高的光合能力。適宜的耕作措施可以改變土壤的理化性狀，而土壤性狀的改變又直接影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育，延緩植物衰老，提高作物產(chǎn)量。顧順?lè)嫉萚22]研究結(jié)果表明，連續(xù)3a深松基礎(chǔ)上免耕、連續(xù)3a免耕基礎(chǔ)上深松，可以提高玉米穗位葉葉綠素含量，延緩衰老進(jìn)程，提高花后玉米干物質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)系數(shù)和籽粒產(chǎn)量。

4.2對(duì)作物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益的影響

輪耕可通過(guò)改善土壤的孔隙狀況，降低土壤容重和緊實(shí)度，從而形成作物適宜的種床，促進(jìn)籽粒的萌發(fā)和生長(zhǎng)發(fā)育，最終提高作物的產(chǎn)量性狀[35]。侯賢清等[44]、孔凡磊等[45]和孫國(guó)峰等[46]研究表明，不同輪耕措施增加了冬小麥的有效穗數(shù)，有利于形成高產(chǎn)的小麥群體結(jié)構(gòu)，建立了小麥高產(chǎn)的群體結(jié)構(gòu)和個(gè)體基礎(chǔ)，從而提高籽粒產(chǎn)量。如表1為不同農(nóng)作區(qū)域輪耕模式下作物產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，結(jié)合各區(qū)域主流種植模式，采用不同耕作方式與作物輪作相結(jié)合的輪耕模式可明顯提高作物的產(chǎn)量、水分利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。

5存在問(wèn)題、建議及展望

5.1存在問(wèn)題及建議

作物輪作、土壤耕作與培肥，是土壤管理技術(shù)的主要方面。如何根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，本著增產(chǎn)、高效、節(jié)本、可行的原則，將輪作、耕作、培肥有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)完善的綜合技術(shù)體系，建立持續(xù)農(nóng)業(yè)的土壤耕作技術(shù)是當(dāng)前土壤耕作研究的熱點(diǎn)[9]。然而，傳統(tǒng)的頻繁翻耕，增加了土壤容重，減少土壤團(tuán)聚體含量，加速土壤侵蝕，導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失和養(yǎng)分流失，造成作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)[48- 50]。深松和秸稈覆蓋雖能解決由于連續(xù)免耕覆蓋作業(yè)出現(xiàn)的土壤問(wèn)題，但每年的深松作業(yè)增加機(jī)械作業(yè)成本，對(duì)提高作物產(chǎn)量效果并不明顯[51]。

國(guó)內(nèi)北方的深松少耕、耙茬少耕、覆蓋免耕，南方的自然免耕、稻板麥、輪耕等耕作技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中都發(fā)揮了很大作用。針對(duì)土壤耕作所存在的問(wèn)題，筆者認(rèn)為：首先，強(qiáng)調(diào)“久免需耕”，并非恢復(fù)過(guò)去的耕作方式，而是要達(dá)到免耕與耕翻之間的辯證統(tǒng)一。在作業(yè)上擯棄過(guò)去傳統(tǒng)耕作中的不合理部分，諸如爛耕、水旋，以及多耕多耙等費(fèi)工低效的程序。保留傳統(tǒng)耕作中的有益部分，如通過(guò)適墑耕翻進(jìn)行上下土層交換，松動(dòng)耕層以提高供肥能力等。適墑耕翻與少免耕組合，可以起到互補(bǔ)促進(jìn)作用。這種組合并非傳統(tǒng)耕作季季都耕，從數(shù)年為系統(tǒng)來(lái)看，總體上以少免耕為主，耕翻為次的少耕制；從年際間來(lái)看，耕與免、深與淺、翻與旋等組合輪替。

其次，少耕制或輪耕制可解決提高肥力，滅蟲(chóng)、除草等方面的問(wèn)題。但鑒于不同農(nóng)作區(qū)種植方式、作業(yè)條件等不同，“輪耕制”應(yīng)遵循以下兩個(gè)原則：(1)輪耕要著眼于土壤結(jié)構(gòu)的保護(hù)與發(fā)展，按輪耕方案，進(jìn)行夏耕曬垡，秋耕凍垡。具體操作要因地制宜，防止對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的破壞，切忌爛耕爛旋。(2)輪作與輪耕相結(jié)合。輪作使土壤生境多變，免耕與耕翻、淺層耕作與深層耕作、夏耕與秋耕科學(xué)輪換，生態(tài)防除害蟲(chóng)、雜草。

表1　中國(guó)不同農(nóng)作區(qū)輪耕模式下作物產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

第三，不同農(nóng)作區(qū)輪耕模式的選擇及應(yīng)用。(1)輪耕周期與宜耕時(shí)機(jī)：輪耕周期的確定涉及影響因子較多，但最重要因素是土壤肥力下降而引起減產(chǎn)的臨界年，前人[52]研究結(jié)果表明，少免耕必須結(jié)合增施肥料，才能穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。耕作時(shí)宜以能充分發(fā)揮機(jī)具效益 、改良土壤和獲得作物高產(chǎn)為原則，從宜耕、利土、搶時(shí)、省工等綜合效果出發(fā)，以夏耕為主，爭(zhēng)取秋耕為宜耕時(shí)機(jī)。(2)輪耕模式與應(yīng)用：根據(jù)不同農(nóng)作區(qū)土壤類(lèi)型，采用少免耕結(jié)合輪耕保持和發(fā)展土壤肥力，確保持續(xù)高產(chǎn)。輪耕制應(yīng)以少耕為主體，少免耕交替，定期耕翻的深、淺、免有機(jī)結(jié)合的體系。在具體實(shí)施時(shí)，應(yīng)從不同區(qū)域種植制度出發(fā)，結(jié)合作物要求，建立與輪作相適應(yīng)的輪耕模式，使輪耕效益得到充分發(fā)揮。

5.2展望

由于不同農(nóng)作區(qū)的氣候及土壤環(huán)境條件存在明細(xì)差異，這就要求不同區(qū)域依據(jù)自身?xiàng)l件發(fā)展適宜的輪耕模式。針對(duì)區(qū)域農(nóng)作制的合理輪耕周期研究困難，綜合國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，我國(guó)不同區(qū)域土壤輪耕模式及技術(shù)體系今后的研究工作中還需對(duì)以下方面進(jìn)行深入探究：

(1)結(jié)合各區(qū)域主流種植模式，采用輪耕與輪作有機(jī)結(jié)合的周年輪耕模式。重點(diǎn)研究不同區(qū)域、不同耕作模式下的土壤耕層功能調(diào)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)，完善不同區(qū)域輪耕組合模式。

(2)不同區(qū)域輪耕周期的確定與完善。對(duì)一個(gè)具體地區(qū)和土類(lèi)來(lái)說(shuō)，多長(zhǎng)時(shí)間才是最經(jīng)濟(jì)有效，還有待于各地在實(shí)踐中繼續(xù)探索。

(3)要從技術(shù)上解決輪耕可能導(dǎo)致的土壤質(zhì)量下降和作物減產(chǎn)的問(wèn)題。研究在干旱缺水條件下不同輪耕模式通過(guò)與其它覆蓋及施肥補(bǔ)灌措施結(jié)合，充分利用夏季降雨，達(dá)到改善土壤質(zhì)量和作物增產(chǎn)的目的。

(4)關(guān)于輪耕對(duì)土壤供肥與作物吸肥影響。輪耕對(duì)土壤肥力、土壤微生物環(huán)境的影響及作物根系吸肥和病蟲(chóng)草種群發(fā)生規(guī)律等方面仍需進(jìn)一步的研究。

(5)加強(qiáng)輪耕模式及體系的技術(shù)評(píng)價(jià)、技術(shù)推廣與配套技術(shù)研究。重點(diǎn)解決我國(guó)不同農(nóng)作區(qū)域輪耕技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一、技術(shù)集成不夠等問(wèn)題。

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Research progress on ecological effects under the rotational tillage patternsin agricultural regions of China

HOU Xianqing1, LI Rong1,*, JIA Zhikuan2, HAN Qingfang2

1SchoolofAgriculture,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China2ChineseInstituteofWater-savingAgriculture/KeyLaboratoryofCropPhysi-EcologyandTillageScienceinNorthwesternLoessPlateau,MinistryofAgriculture,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China

Abstract：The soil rotational tillage system with the proper match of different tillage practices could solve all the long-term and continuous single-tillage problems in agricultural regions. This method has attracted attention both at home and abroad. In order to understand the research progress on ecological effects under the rotational tillage patterns in different agricultural regions of China, in this paper, we review in detail the concept, patterns of rotational tillage, and the ecological effects of this system. According to existing data, we summarize the soil rotational tillage pattern types, operation effects, and mechanical choice in different agricultural regions. There is a need for scientific evaluation of the ecological effects on soils and crops under rotational tillage, and there are still a number of unsolved problems in the research on current soil rotational tillage technology; accordingly, we provided some suggestions. It is difficult to study the realistic cycle of rotational tillage; analysis of the research progress on the rotational tillage at home and abroad showed that the readily researchable areas and priorities in this field in China are the following: (1) in combination with mainstream cropping patterns for each agricultural region, the rotational tillage patterns that combine rotational tillage with crop rotation need to be studied; (2) the cycle of rotational tillage in different agricultural regions needs to be ascertained and perfected; (3) the problem of soil degradation and crop failures caused by the rotational tillage practice and technology has to be solved; (4) the effects of rotational tillage practice on soil fertility maintenance and absorption of fertilizer by crops need further research; (5) the research into the rotational tillage systems with respect to technology evaluation, technical popularization, and matching technologies needs more attention and funding.

Key Words:agricultural regions; rotational tillage pattern; ecological effect; research progress

基金項(xiàng)目:寧夏大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)基金(BQD2012007); 國(guó)家青年科學(xué)基金項(xiàng)目(31301280)

收稿日期:2014- 08- 11; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 07- 22

DOI:10.5846/stxb201408011540

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lironge_mail@126.com

侯賢清，李榮，賈志寬，韓清芳.不同農(nóng)作區(qū)土壤輪耕模式與生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(5):1215- 1223.

Hou X Q, Li R, Jia Z K, Han Q F.Research progress on ecological effects under the rotational tillage patternsin agricultural regions of China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(5):1215- 1223.