豆科作物與禾本科作物輪作研究進(jìn)展及前景*

曾昭海

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豆科作物與禾本科作物輪作研究進(jìn)展及前景*

曾昭海

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 北京 100193)

豆科作物與禾本科作物輪作是可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要種植技術(shù), 也是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華。利用豆科作物與禾本科作物輪作對于減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化學(xué)氮肥與農(nóng)藥的依賴、保護(hù)農(nóng)田生物多樣性、提高資源利用效率有重要的意義。本文針對當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題, 提出推行豆科作物與禾本科作物輪作的重要性。從豆科作物與禾本科作物輪作的增產(chǎn)效應(yīng)、作物增產(chǎn)的氮效應(yīng)、對農(nóng)田病蟲草害的控制及增加農(nóng)田的生物多樣性等方面論述了國內(nèi)外豆科作物與禾本科作物輪作的研究進(jìn)展, 明確圍繞豆科作物與禾本科作物應(yīng)當(dāng)研究的重點。提出了豆科作物與禾本科作物輪作所面臨的主要挑戰(zhàn)及未來可取得突破的主要領(lǐng)域, 如協(xié)調(diào)作物茬口, 開發(fā)推廣豆-禾輪作田間綜合管理技術(shù), 提高輪作綜合效應(yīng); 利用長期定位試驗, 研究輪作響應(yīng)的農(nóng)業(yè)生態(tài)前沿問題; 評價輪作生態(tài)環(huán)境效應(yīng), 建立輪作生態(tài)補償機(jī)制等。本文重新審視豆科作物與禾本科作物輪作體系的作用及前景, 對于保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

輪作; 豆科作物; 禾本科作物; 可持續(xù)發(fā)展

進(jìn)入20世紀(jì), 特別是第二次世界大戰(zhàn)以后, 化肥工業(yè)在世界范圍內(nèi)迅猛發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計, 20世紀(jì)50年代以來, 世界范圍內(nèi), 化學(xué)氮肥用量增加了7倍[1]。為保障糧食安全, 預(yù)計2050年氮肥用量將達(dá)到1.3億~1.5億 t?a-1, 是20世紀(jì)70年代的4~5倍[2]。與此同時, 世界農(nóng)業(yè)主要發(fā)展方向是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專業(yè)化、農(nóng)場經(jīng)營規(guī)模化、作物布局單一化、生產(chǎn)過程機(jī)械化及收獲產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)高效化[3], 有機(jī)肥及豆科作物固氮作用逐漸被邊緣化, 豆科作物與禾本科作物輪作及間套作的種植模式在生產(chǎn)中種植面積逐漸萎縮[4]。進(jìn)入21世紀(jì), 過量施用氮肥帶來了一系列生態(tài)環(huán)境問題已引起廣泛的關(guān)注, 特別是溫室氣體排放增加[5]、農(nóng)田生物多樣性喪失[6]、土壤酸化及水體富營養(yǎng)化等[7-8]。如何構(gòu)建既不依賴過量的外源化肥投入, 減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的負(fù)面影響, 又能保障糧食安全的新型種植模式成為世界范圍內(nèi)農(nóng)業(yè)科學(xué)家、環(huán)境保護(hù)者、社會大眾及農(nóng)政管理者關(guān)注的焦點。因此, 重新審視豆科作物與禾本科作物輪作體系的作用及前景, 對于保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 豆科作物與禾本科作物輪作的重要作用

豆科作物生物固氮是節(jié)約化石能源、降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的重要措施, 是免費的氮肥資源?；瘜W(xué)氮肥生產(chǎn)是高耗能的產(chǎn)業(yè), 需要消耗大量化石能源。據(jù)測算, 每生產(chǎn)1 kg氮肥需要消耗38 000 kJ化石能源[9]。全球豆科作物年固氮量高達(dá)1.3億t[10], 僅此一項節(jié)約的化石能源相當(dāng)于1.69億t的標(biāo)準(zhǔn)煤。近年來, 世界各國都希望通過發(fā)展豆科作物的生物固氮作用來解決氮肥不足、環(huán)境污染及能源緊缺等問題。美國中西部地區(qū)通過豆科作物苜蓿()與玉米()輪作, 每年節(jié)省的氮肥成本可以達(dá)到5 000萬~9 000萬美元[11]。巴西通過種植大豆(), 每年生物固氮量可以達(dá)到460萬t, 節(jié)約成本約為1.3億美元[1]。因此, 挖掘豆科作物的生物固氮作用, 建立合理的豆科作物與非豆科作物輪作體系是減少氮肥投入、緩解能源壓力、降低生產(chǎn)成本、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

豆科作物與非豆科作物輪作在世界范圍內(nèi)廣泛分布, 是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)。目前, 世界上已知的豆科植物約750個屬, 近2萬個種, 我國已記載的有172屬1 485種, 還有許多豆科植物正在不斷被發(fā)現(xiàn)和記載[12]。目前在生產(chǎn)上大面積種植的豆科作物有大豆、豌豆()、花生()、蕓豆()、綠豆()、紅豆(.)、鷹嘴豆()、扁豆()以及各種豆科牧草等。圍繞豆科作物地力培肥作用, 已形成很多豆科作物與非豆科作物的輪作模式, 如古希臘與古羅馬的三圃制、英國1730年的諾?？?Norfolk)4年輪作模式以及美國1794年提及的6年輪作模式, 都是豆科作物與非豆科作物輪作的典范[13]。Vance[14]研究表明, 豆科綠肥可為與之輪作的作物提供氮大約100 kg?hm-2, 相當(dāng)于節(jié)約肥料成本60~90 美元?hm-2。Gan等[15]在加拿大薩斯卡切溫研究表明, 利用豆科作物代替休閑與小麥()輪作, 在3年的輪作周期內(nèi), 籽實產(chǎn)量增加35.5%, 蛋白質(zhì)產(chǎn)量增加50.9%, 肥料利用率提高33%。此外, Jensen等[16]利用多點試驗研究表明, 種植豆科作物可以減少N2O的排放, 與依賴化肥進(jìn)行作物生產(chǎn)系統(tǒng)相比, N2O的排放量減少59.9%。Drury等[17]研究表明, 當(dāng)玉米連作時, N2O排放量折合N為2.62 kg?hm-2, 玉米與小麥輪作時, N2O排放量折合N為1.64 kg?hm-2, 玉米與大豆輪作時, N2O排放量折合N為1.34 kg?hm-2, N2O排放量顯著降低。

豆科作物與禾本科作物輪作兼具生態(tài)與集約的特征, 是生態(tài)集約農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容, 已引起廣泛關(guān)注。豆科作物與禾本科作物輪作除了可以增加生物固氮外, 還可以增加農(nóng)田作物多樣性、控制農(nóng)田病蟲草害、減少溫室氣體排放。2016年中央一號文件明確提出了“探索實行耕地輪作休耕制度試點”, 農(nóng)業(yè)部也聯(lián)合多部門印發(fā)了“探索實行耕地輪作休耕制度試點方案”。這些都表明我國已經(jīng)將豆科作物與禾本科作物輪作上升到國家戰(zhàn)略的高度。歐盟也非常重視豆科作物與非豆科作物輪作模式, Brisson等[18]研究表明, 1994—2008年期間, 由于減少豆科作物種植面積, 增加油菜種植面積, 法國小麥單產(chǎn)年平均降低0.035 t?hm-2。因此, 很多專家也呼吁恢復(fù)豆科作物的種植面積, 為與之輪作的非豆科作物提供更多的氮素、更好地控制病蟲草害、更顯著地增加農(nóng)田作物多樣性與土壤生物多樣性。

2 豆科作物與禾本科作物輪作的國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 豆科作物與禾本科作物輪作對產(chǎn)量的影響

在現(xiàn)代化肥工業(yè)建立之前, 種植豆科作物是提升地力、提高糧食作物產(chǎn)量的主要途徑之一。美國密蘇里大學(xué)從1888年開始設(shè)計玉米、燕麥()、小麥、三葉草()、貓尾草()、貓尾草6年輪作試驗以及玉米、小麥和三葉草的3年輪作試驗。30年以后的結(jié)果表明, 在6年輪作試驗中, 玉米增產(chǎn)60.4%, 燕麥增產(chǎn)3.0%,小麥增產(chǎn)32.0%; 而3年輪作試驗中, 玉米和小麥分別增產(chǎn)30.8%和40.8%[13]。在俄亥俄和特拉華的長期試驗同樣表明輪作可以顯著增加作物產(chǎn)量; 很多研究還表明, 玉米-大豆2年輪作體系中, 玉米的產(chǎn)量通常比連作提高5%~20%, 如果種植1年玉米再種植5年大豆后, 玉米的產(chǎn)量可以提高15%[11]。國內(nèi)的大量研究也表明, 豆科與禾本科作物輪作同樣可以增加產(chǎn)量。高菊生等[19]在湖南祁陽連續(xù)28年的長期定位試驗表明, 實行紫云英()-雙季稻()輪作后, 28年稻谷平均產(chǎn)量比油菜()-雙季稻、黑麥草()-雙季稻及冬閑雙季稻增產(chǎn)6.2%、8.5%和28.8%。

2.2 豆科作物與禾本科作物輪作增產(chǎn)的氮效應(yīng)

對于豆科作物與禾本科作物輪作增產(chǎn)的機(jī)制, 國內(nèi)外學(xué)者開展了較多的研究。Yusuf等[20]在非洲尼日利亞研究玉米與大豆和豇豆輪作時發(fā)現(xiàn), 利用氮平衡法測定的豆科作物與禾本科作物輪作的氮效應(yīng)為124~279 kg?hm-2。近年來, 隨著根際沉積N研究方法上突破, 利用根際沉積氮來探討豆科作物與禾本科作物輪作的氮效應(yīng)亦取得重要進(jìn)展。Wichern等[21]研究發(fā)現(xiàn), 豆科作物與禾本科作物根際沉積氮占地下部分生物量總氮的比例不同, 豆科作物平均為73%, 而禾本科作物平均為57%。本研究組前期研究表明, 燕麥的根際沉積氮為44.7 kg?hm-2, 而綠豆的根際沉積氮為94.2 kg?hm-2, 豆科作物根際沉積氮是禾本科作物的2.1倍[22]。還有報道表明豆科與禾本科作物輪作體系中, 禾本科作物氮吸收量的5%~34%來自于前茬豆科作物根際沉積氮[23-24]。Peoples等[25]的田間試驗也表明, 大豆后茬的禾本科作物地上部超過30%的氮素來源于大豆根際沉積氮。其他學(xué)者的研究還表明, 豆科作物在固氮過程中釋放大量的氫氣, 這些氫氣被土壤中相關(guān)微生物所氧化產(chǎn)生能量促進(jìn)固氮菌固氮, 進(jìn)而促進(jìn)輪作作物的生長[26-27]。還有研究結(jié)果顯示, 豆科作物與禾本科作物輪作增產(chǎn)的主要原因是氮素等養(yǎng)分的利用效率得以提高[28-29]。

2.3 豆科作物與禾本科作物輪作有利于控制農(nóng)田病蟲草害

作物輪作是病蟲草害綜合防治的重要技術(shù)措施之一, 在除草劑2,4-D沒有開發(fā)以前, 輪作、覆蓋作物及機(jī)械滅草是控制雜草的主要措施。Forcella等[30]發(fā)現(xiàn), 土壤經(jīng)過7~8年的連續(xù)種植玉米后, 盡管使用了化學(xué)除草劑與機(jī)械滅草, 土壤中雜草的種子數(shù)仍然高達(dá)1 500~3 000個?m-2, 而玉米與大豆輪作土壤中的雜草種子數(shù)僅為200~700個?m-2。Liebman等[31]比較了26個輪作和連作對雜草種群密度和生物量影響, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 除了1個試驗結(jié)果高于對照, 5個試驗結(jié)果與對照持平外, 其余的20個試驗結(jié)果都明顯低于對照。在蟲害方面, Ware[32]研究發(fā)現(xiàn), 在美國中部地區(qū), 連作玉米的根部害蟲數(shù)量高于經(jīng)濟(jì)防治閾值的30%, 而玉米與大豆輪作土壤中, 根部害蟲數(shù)量則低于經(jīng)濟(jì)防治閾值的1%。在防治線蟲方面, 輪作無疑也是最好的措施之一。

2.4 豆科作物與禾本科作物輪作可以增加農(nóng)田的生物多樣性

與連作相比, 輪作無疑從時間和空間方面增加了農(nóng)田的生物多樣性。在時間層面上, 通過不同作物輪作, 增加了同一地塊的生物多樣性, 同時由于不同作物根系分泌物的種類與數(shù)量不同, 也引起地下土壤生物多樣性的增加; 在空間層面上, 由于在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)作物輪作, 使得同一時間區(qū)域內(nèi)種植作物的種類增多。Orr等[33]應(yīng)用DGGE(變性梯度凝膠電泳技術(shù))和q-PCR(熒光定量PCR)技術(shù)研究有機(jī)與常規(guī)管理措施對聯(lián)合固氮菌多樣性與活性影響時發(fā)現(xiàn), 豆科作物與禾本科作物輪作, 土壤微生物多樣性明顯增加, 功能固氮基因的表達(dá)量也得以增加。此外, 很多野生生物主要是以農(nóng)田作為重要生境, 美國中西部的研究表明, 實行作物輪作, 有利于保持當(dāng)?shù)匾环N土著野雞種群的生存與繁衍。

3 展望

3.1 協(xié)調(diào)作物茬口, 開發(fā)推廣豆禾輪作田間綜合管理技術(shù), 提高輪作綜合效應(yīng)

從作物種類、品種篩選及前后茬作物對養(yǎng)分需求的差異互補性等方面篩選不同的作物, 構(gòu)建豆科作物與禾本科作物輪作模式。以作物產(chǎn)量、地力培肥效應(yīng)、溫室氣體排放、生物多樣性、養(yǎng)分資源消耗、病蟲草害防控、硝酸鹽淋溶等多個指標(biāo)對輪作茬口進(jìn)行綜合評價[34]。由于不同作物養(yǎng)分需求的差別, 尤其是專業(yè)化、規(guī)模化的生產(chǎn)后, 上下茬不同作物管理方面的差異會對下茬作物造成影響, 如我國東北地區(qū)由于施用長殘留除草劑, 通常會對下茬作物造成藥害, 生產(chǎn)中可以適當(dāng)考慮篩選合適的除草劑及雜草防除方式, 避免相互間輪作時造成藥害, 從而達(dá)到合理輪作的目標(biāo)。

3.2 設(shè)置長期定位試驗, 研究輪作響應(yīng)農(nóng)業(yè)生態(tài)前沿問題

全球氣候變化、農(nóng)田土壤退化、土壤地力下降及農(nóng)田生物多樣性喪失等是當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重大課題。針對我國不同生態(tài)類型區(qū)生產(chǎn)中出現(xiàn)的主要問題, 設(shè)置豆科作物與禾本科作物長期輪作定位試驗, 研究豆科作物與禾本科作物長期輪作對當(dāng)前農(nóng)業(yè)前沿生態(tài)問題的響應(yīng)機(jī)制, 為宏觀層面的輪作政策制定和微觀層面的技術(shù)集成示范及機(jī)理機(jī)制研究提供參考。

3.3 評價輪作生態(tài)環(huán)境效應(yīng), 建立輪作生態(tài)補償機(jī)制

圍繞豆科作物與禾本科作物輪作, 目前所有的研究主要集中在產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益與農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)方面, 缺乏環(huán)境效應(yīng)評價。今后在開展全方位調(diào)查研究基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步挖掘豆科作物與禾本科作物輪作效應(yīng)的潛在價值, 通過農(nóng)業(yè)環(huán)境支付、綠色支付以及碳匯市場溫室氣體減排支付等措施將非市場產(chǎn)品貨幣化, 制定豆科作物與禾本科作物輪作的農(nóng)業(yè)生態(tài)補償政策, 建立生態(tài)補償長效機(jī)制。

3.4 創(chuàng)新研究方法, 進(jìn)一步明確輪作高效機(jī)制機(jī)理

盡管輪作是一個傳統(tǒng)的農(nóng)藝技術(shù), 圍繞其增產(chǎn)機(jī)制方面也做了大量的工作, 但受到研究方法與研究手段的制約, 以往豆科作物與禾本科作物輪作效應(yīng)只能評價輪作的綜合效果。如何綜合運用模型模擬方法、分子生物學(xué)方法及15N同位素示蹤法評價豆科作物與禾本科作物輪作的氮效應(yīng)、病蟲害防控效應(yīng)、地力培肥效應(yīng)及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)將是未來發(fā)展的重要方向。

4 結(jié)語

豆科作物與禾本科作物輪作是世界上古老的一種農(nóng)作技術(shù), 有非常悠久的歷史。我國最早的農(nóng)學(xué)名著《齊民要術(shù)》中記載有“每歲一易, 必莫頻種”和“凡美田之法, 綠豆為上”[35]。另外, 我國很多民間諺語, 如“倒茬如上糞”、“豆茬種谷子, 準(zhǔn)備閑屋子”和“豆茬種谷, 必有后?！钡? 闡述的主要思想就是利用豆科作物輪作進(jìn)行地力培肥。豆科作物的生物固氮是我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要的氮素來源, 許倬云[36]在《漢代農(nóng)業(yè)》中提及, 春秋時期我國40%的耕地種植的是豆科作物, 可見我們的先輩在很早就開始重視豆科作物的肥田養(yǎng)地作用, 這也是維持我國農(nóng)業(yè)文明持續(xù)發(fā)展和農(nóng)田地力5 000年不衰退的重要原因[3]。作為20世紀(jì)60年代綠色革命的主要驅(qū)動因素, 化肥與農(nóng)藥在改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè), 發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)方面發(fā)揮了無可替代的作用, 但截至目前, 化學(xué)肥料與農(nóng)藥都不能完全彌補輪作效應(yīng)。

豆科作物與禾本科作物輪作的種植制度在培肥地力、提高作物產(chǎn)量、保持農(nóng)田生物多樣性、控制農(nóng)田病蟲草害、降低生態(tài)成本等方面發(fā)揮了重要作用, 非常契合當(dāng)前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求。應(yīng)對未來農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn), 挖掘豆科作物與禾本科作物輪作的潛在價值, 構(gòu)建適合我國不同區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的豆科作物與禾本科作物輪作體系對于推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革具有重要的現(xiàn)實意義。

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Progress and perspective of legume-gramineae rotations*

ZENG Zhaohai

(College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Legume-gramineae rotation is an important technology for sustainable agriculture, as well as an essence of traditional agriculture in China. The rotation of leguminous and gramineous crops is of great significance in reducing the use of synthetic N-fertilizer and pesticides in agriculturalproduction system, maintaining soil biodiversity, and improving the utilizationefficiency of nutrient resources. In this paper, we reviewed the importance of legume-gramineae rotation in the view of the current agricultural situation and issues. Progress on legume-gramineae rotation effects on yield effect, nitrogen effect on crop yield, pest and disease control, and biodiversity increase of farmland were discussed. The major challenges and breakthroughs on legume-gramineae rotation were proposed. Work could be done in the following fields: 1) coordinating the rotation crop stubble, developing and promoting the integrated management techniques of legume-gramineae rotation, and improving the comprehensive effects of crop rotation system; 2) designing long-term experiments to investigate the frontier issues of agricultural ecology in response to rotation; and 3) evaluating the ecological effects of crop rotation and establishing a mechanism for ecological subsidies of crop rotation. The role and prospect of legume-gramineae rotation was reviewed in this paper and it is of great importance to the sustainable development of agriculture.

Crop rotation; Leguminous crop; Graminaceous crop; Sustainable development

, ZENG Zhaohai, E-mail: zengzhaohai@cau.edu.cn

Nov. 16, 2017; accepted Nov. 21, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.171058

S344.1

A

1671-3990(2018)01-0057-05

2017-11-16

2017-11-21

*This study was supported by the National Natural Sciences Foundation of China (3167164) and the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest of China (20150321).

*國家自然科學(xué)基金項目(3167164)和公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(20150321)資助

曾昭海, 研究方向為現(xiàn)代農(nóng)作制。E-mail: zengzhaohai@cau.edu.cn

曾昭海. 豆科作物與禾本科作物輪作研究進(jìn)展及前景[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(1): 57-61

ZENG Z H. Progress and perspective of legume-gramineae rotations[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(1): 57-61