王 俊,薄晶晶,付 鑫

1 陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710127 2 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院, 西安 710127

尋找可持續(xù)的管理措施以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)產(chǎn)、固碳、增益目標(biāo)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究的主要任務(wù)之一[1]。在主要糧食作物收獲至播種的休閑期間種植填閑作物(cover crop 或 catch crop)[2-3]可以增加地表覆蓋,保護(hù)土壤。填閑作物通常并不用于經(jīng)濟(jì)生產(chǎn),但在其生長期間,可以通過生物量積累攝取土壤中多余養(yǎng)分,用于降低土壤硝態(tài)氮淋溶,防止土壤和水體污染[4]。而在糧食生產(chǎn)系統(tǒng)中,填閑作物通常在生長一定時間后可以翻耕入土用作綠肥(green manure)以補(bǔ)充土壤養(yǎng)分供應(yīng)或者刈割收獲后用作飼草[5-6]。已有研究表明,這種耕種方式具有改良土壤結(jié)構(gòu)、增加額外碳輸入、促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)、刺激微生物活性、提高土壤肥力和作物產(chǎn)量、抑制雜草生長和病蟲害以及控制土壤侵蝕等多種生態(tài)效益[7],因此,近年來在世界很多地區(qū)得到了大面積推廣。

黃土高原地區(qū)是我國主要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)之一,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以種植業(yè)為主,種植業(yè)又以糧食作物為主。除具有灌溉條件的地區(qū)外,其他地區(qū)大部分采用旱作一年一熟的耕作制度,其中以小麥和玉米單作一熟制最為常見[8]。在這種傳統(tǒng)耕作制度中,無論是夏糧區(qū)還是秋糧區(qū),糧食作物收獲后均會出現(xiàn)幾個月的休閑期。以冬小麥系統(tǒng)為例,每年6月中下旬小麥?zhǔn)斋@,9月中下旬播種,期間伴隨約3個月的夏季休閑用于儲存降水。然而休閑期間正值雨季與夏季高溫并行,大量水分由裸土表面蒸發(fā)損失,降雨利用效率較低[9]。在降水有限的條件下,系統(tǒng)高生產(chǎn)力的維持需要持續(xù)的肥料投入,而這又會引起溫室氣體排放增加及土壤硝態(tài)氮淋溶等系列環(huán)境問題。因此,能否考慮將填閑作物代替裸地,建立一個可持續(xù)的糧食作物-填閑作物輪作系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、固碳、減排目標(biāo)是一個值得深入探討的命題。本文通過文獻(xiàn)梳理,分析填閑作物種植引起的農(nóng)田土壤水、肥、生產(chǎn)力等生態(tài)過程以及環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益形成過程的變化規(guī)律,旨在探討填閑種植在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的可行性。

1 填閑種植研究進(jìn)展

1.1 填閑種植的土壤生態(tài)效應(yīng)

與傳統(tǒng)裸地休閑相比,引種填閑作物其生長、翻壓、腐解過程均對土壤生態(tài)過程產(chǎn)生了顯著影響,具體表現(xiàn)在改變水分循環(huán)、改善養(yǎng)分供應(yīng)、刺激微生物活動和改良土壤結(jié)構(gòu)等幾個方面。

填閑種植對農(nóng)田土壤水分循環(huán)的影響主要體現(xiàn)在生長耗水、抑制蒸發(fā)和增強(qiáng)土壤保水能力三個方面。而對后續(xù)糧食作物而言,最重要的是休閑期間的降水儲存效率、播前土壤水分貯量以及水分周年平衡是否會發(fā)生顯著變化。與裸地休閑相比,填閑作物生長過程中需要蒸騰耗水,因此如果遭遇嚴(yán)重干旱年份、填閑作物自身生長需水較大或者管理不當(dāng)(例如沒有提前收割),填閑種植可能會導(dǎo)致土壤水分的過度消耗。已有研究表明,填閑種植對土壤水分平衡的影響程度與當(dāng)?shù)貧夂驐l件、填閑作物類型和管理措施(如種植時間長短、收割方式等)有關(guān)。例如Ward等[10]在澳大利亞西南部、Restovich等[11]在南美潘帕斯地區(qū)以及Whish等[12]進(jìn)行的模擬研究均表明,種植填閑作物對旱作農(nóng)田水分平衡以及后續(xù)糧食作物水分利用并沒有產(chǎn)生很大影響。Krueger等[13]在美國西部玉米單一連作系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),冬季填閑作物(黑麥草)在玉米播種前2—4周終止對土壤水分沒有影響,但如果推遲到播種前2天收割則加劇了土壤水分消耗。而Daigh等[14]在美國中西部地區(qū)發(fā)現(xiàn),在極端干旱年份,在玉米-大豆輪作系統(tǒng)中引入黑麥草不僅沒有降低土壤水分,反而改善了表層土壤水分條件。究其原因,可能在于填閑種植改善了土壤物理結(jié)構(gòu),包括降低土壤容重[15]、提高土壤孔隙度和透氣性[[16]、提高土壤持水能力和水分入滲能力[17]等。例如Blanco-Canqui等[17]進(jìn)行的15年長期試驗(yàn)研究表明,土壤入滲能力在種植填閑作物后提高了3倍。另外與裸地相比,填閑種植顯著增加了地表覆蓋,也有助于土壤水分保護(hù)與恢復(fù)[10]。

除了影響土壤水分循環(huán)外,引種填閑作物也直接改變了土壤碳氮循環(huán)過程和土壤養(yǎng)分的有效性。與裸地休閑相比,種植填閑作物增加了額外的碳輸入,因此被認(rèn)為是一種非常有效的農(nóng)業(yè)固碳措施[3, 18-19]。Poeplau等[3]進(jìn)行的一項(xiàng)文獻(xiàn)分析研究發(fā)現(xiàn),填閑種植系統(tǒng)表層土壤有機(jī)碳年均增加速率可達(dá)(0.32±0.08) Mg/hm2,全球尺度固碳潛力可達(dá)到(0.12±0.03) Pg C/a。盡管多數(shù)研究均顯示土壤有機(jī)碳在填閑種植后顯著增加,但其增加幅度取決于氣候(尤其是降水)、土壤質(zhì)地、填閑作物類型以及管理方式等因素[18,20- 23]。例如de Rouw等[21]在熱帶地區(qū)試驗(yàn)表明,引種填閑作物種植并沒有增加免耕系統(tǒng)的碳輸入,沙質(zhì)土壤由于團(tuán)粒構(gòu)成較差,種植冬季填閑作物帶來的土壤碳輸入也很有限[23]。Sainju等[24]在北美平原的研究表明,在灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)填閑種植對提高土壤碳含量和土壤質(zhì)量方面較旱作農(nóng)田效果要更為明顯。另外有研究表明,豆科較非豆科填閑作物在將生物量碳固定成土壤碳方面似乎更為有高效[18,20,22]。例如Mazzoncini等[22]進(jìn)行的15年長期試驗(yàn)研究表明,非豆科填閑作物的固碳速率為0.17 Mg C hm-2a-1,而豆科填閑作物則可達(dá)0.41—0.43 Mg C hm-2a-1。與冬季種植填閑作物相比,夏季填閑作物由于具有更高的生物量輸入,其平均固碳速率和碳活化力(lability)也更高[19]。除此之外,也有研究表明填閑作物在短期內(nèi)對土壤有機(jī)碳含量無明顯影響[25],但會改變土壤活性碳分組比例[24,26]。

與裸地休閑相比,填閑種植還可以有效改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力。填閑作物根系殘留(地上部分用作飼草)或翻壓還田用作綠肥后,其殘余分解則可以為后續(xù)糧食作物提供一種“可更新的氮源”,產(chǎn)生顯著的“氮肥效應(yīng)”,減少農(nóng)田化肥用量[5,27- 30]。Hubbard等[29]在美國東南部的3年試驗(yàn)表明,填閑作物通過生物量輸入可使土壤全氮含量提高0.1—0.5 mg/kg。Murungu等[30]在南非的研究表明,冬季填閑作物分解過程中可以釋放出大量氮磷養(yǎng)分,翻壓124天后,野豌豆生物量只剩了7%,最大凈氮磷礦化分別達(dá)到了84.8 mg N/kg和3.6 mg P/kg,而非豆科的燕麥干物質(zhì)則剩了40%,氮磷凈礦化則僅為13.7 mg N/kg和2.8 mg P/kg。Ovalle等[31]研究表明,豆科填閑作物每年約有10%的生物量氮返回了土壤,相當(dāng)于27%—30%的化肥回收率。但需要注意填閑作物殘余礦化釋放氮磷養(yǎng)分與后續(xù)糧食作物養(yǎng)分吸收的同步性問題,因?yàn)樘铋e作物作為綠肥使用時,其真正意義上的養(yǎng)分貢獻(xiàn)只有在后續(xù)糧食作物養(yǎng)分需求旺盛時期進(jìn)行同期礦化釋放才能成立。

引種填閑作物除了對土壤碳氮循環(huán)產(chǎn)生較大影響外,也必然會影響到土壤的理化性質(zhì)和微生物活動。Zhu等[15]和Blanco-Canqui等[32]研究發(fā)現(xiàn),填閑作物使表層土壤容重降低了4%,且提高了土壤水分入滲能力和土壤團(tuán)聚作用團(tuán)聚體及穩(wěn)定性。而Chavarría等[33]研究發(fā)現(xiàn),填閑種植顯著增加了土壤總細(xì)菌和革蘭氏陽性菌生物量,并提高了土壤酶活性。趙娜等[34]在渭北旱區(qū)的研究結(jié)果表明,種植不同的夏季綠肥均能夠降低土壤容重,提高土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量,且3種綠肥處理土壤肥力和其他性狀指標(biāo)的無明顯差異。而李紅燕等[35]研究發(fā)現(xiàn),引種長武懷豆和油菜能夠增加土壤的速效養(yǎng)分和酶活性,培肥效果優(yōu)于綠豆和毛葉苕子,且生物量可能是其影響作用的主要控制因素。填閑種植對土壤理化性質(zhì)和微生物活動的影響總體來說是正向的,但相關(guān)機(jī)理性研究還有待進(jìn)一步深入。

1.2 填閑種植的環(huán)境效益

填閑種植的環(huán)境效益,主要體現(xiàn)在影響溫室氣體排放、減少土壤氮淋溶和控制土壤侵蝕等方面。填閑作物翻耕入土后,增加了底物供給,直接改變了土壤溫室氣體排放過程[36]。多數(shù)研究表明,引種填閑作物,尤其在其作為綠肥期間顯著刺激了土壤呼吸過程[36- 38],其中填閑作物生物量和土壤碳氮比是兩個主要影響因素[31]。Bavin等[38]研究表明,冬季種植黑麥草由于其殘余分解顯著提高了土壤CO2累積釋放量。根據(jù)Basche等[39]的文獻(xiàn)分析,約60%的試驗(yàn)結(jié)果顯示填閑種植刺激了N2O排放,而另外的40%則報(bào)道了相反結(jié)果,變異性主要來自于氮肥用量、填閑作物類型、翻耕與否、測定時間及降水狀況,尤其是降水量及其變率越高,填閑種植對土壤NO2排放的刺激作用就越明顯。而Sanz-Cobena等[36]在地中海地區(qū)農(nóng)田系統(tǒng)的研究表明,填閑種植顯著促進(jìn)了農(nóng)田土壤CO2和N2O排放,但對土壤CH4吸收沒有影響。需要注意的是,填閑種植在刺激溫室氣體排放的同時也增加了土壤有機(jī)碳的輸入,填閑種植能否起到固碳減排效果主要取決于增加的碳輸入能否足夠補(bǔ)償增加的溫室氣體排放[38]。

填閑作物除了增加土壤氮供應(yīng)外,在其生長期間可以吸收土壤中前季剩余的硝態(tài)氮,從而可以降低氮素淋溶,防止土壤和地表水體污染[3- 4,40- 41]。Tonitto等[2]綜述指出,種植非豆科和豆科填閑作物后土壤硝態(tài)氮淋溶平均可分別減少70%和40%。Salmerón等[42]的對美國灌溉玉米系統(tǒng)模擬結(jié)果也顯示,填閑種植導(dǎo)致硝態(tài)氮淋溶下降了31%。然而近期基于北美和歐洲地區(qū)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行的一項(xiàng)Meta分析結(jié)果表明[43],種植冬季填閑作物對氮淋溶的影響存在較大變異,從減少78%到增加36%,變異性主要來自于氣候因子、土壤性質(zhì)和管理措施(尤其是糧食作物的氮肥用量)。近年來,為了提高作物產(chǎn)量,黃土高原地區(qū)氮肥施用量快速增加,但由于作物吸收移除的氮相對穩(wěn)定,導(dǎo)致土壤氮?dú)埩粢苍絹碓酱?深層礦質(zhì)氮累積和氮淋溶現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重,引種填閑作物可能是降低氮淋溶,控制土壤和水體污染的一個重要手段,相關(guān)工作尚未見報(bào)道。

填閑作物增加了地表覆蓋,同時通常還具有很高的根系密度,能夠顯著改善土壤團(tuán)聚作用和土壤強(qiáng)度[44- 45],從而產(chǎn)生良好的水土保持效益[32,46- 47]。例如在北美平原地區(qū),Griffin等[47]發(fā)現(xiàn),盡管引種黑麥草和紅豆草對馬鈴薯集約種植系統(tǒng)的產(chǎn)量影響不大,但可以通過改良土壤結(jié)構(gòu)、提高團(tuán)粒穩(wěn)定性來顯著減少土壤侵蝕。Blanco-Canqui等[32]的研究也表明,免耕冬小麥系統(tǒng)種植冬季或春季填閑作物后,土壤風(fēng)蝕和水蝕敏感性均有顯著下降。最近Basche等[48]利用APSIM模型模擬研究表明,冬季填閑系統(tǒng)在美國中西部地區(qū)能防止約11%—29%的土壤侵蝕,引種冬季填閑作物和免耕相結(jié)合后,由降水徑流導(dǎo)致的土壤流失量降低了90%,僅在填閑作物種植期間土壤侵蝕量較休閑處理降低了98%。黃土高原土壤侵蝕嚴(yán)重,引種填閑作物能否改善本地區(qū)農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)、防止土壤侵蝕尚待進(jìn)一步研究。

1.3 填閑種植的經(jīng)濟(jì)效益

填閑種植是否會影響后續(xù)糧食作物的生長和產(chǎn)量形成主要取決于氣候條件、填閑作物類型和管理方式等因素[49- 51]。不少研究發(fā)現(xiàn),由于較高的生物輸入量改善了土壤肥力狀況,填閑作物可以有效地提高后續(xù)作物產(chǎn)量[52-53]。例如Balkom等[52]的研究表明,與夏季休閑相比,夏季引種印度麻使后續(xù)玉米產(chǎn)量提高了1.2 Mg/hm2。Bergkvist等[53]在瑞典南部的試驗(yàn)研究表明,由于出色的供氮能力,在不施肥條件下種植豆科三葉草可使后續(xù)大麥干物質(zhì)增加1.9—2.4 Mg/hm2。然而Tonitto等[2]綜述發(fā)現(xiàn),非豆科冬季填閑作物對后續(xù)糧食作物產(chǎn)量影響不大,而引種豆科填閑作物后糧食作物產(chǎn)量較裸地休閑平均下降了約10%,但由于減少了約28%的氮肥需求,因此對產(chǎn)量的總體影響仍是正面的。Kramberg等[54]、Salmerón等[55]的研究均表明,種植非豆科填閑作物會導(dǎo)致后續(xù)作物產(chǎn)量的下降。采用增施氮肥、混播等合理的管理方式有助于解決非豆科填閑作物對后續(xù)作物產(chǎn)量的負(fù)面影響問題。例如Sainju等進(jìn)行的系列研究[20,24,56]發(fā)現(xiàn),黑麥草與野豌豆作為填閑作物時混播要比各自單播更能提高后續(xù)糧食作物產(chǎn)量。

不同的作物種類和耕作措施將會影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體成本,種植填閑作物能否在改善土壤質(zhì)量和環(huán)境效益的同時提高其經(jīng)濟(jì)效益,是決定填閑種植是否被農(nóng)民接受而得到廣泛推廣的重要因素,但目前相關(guān)研究相對較少。一方面,引種填閑作物會增加種植成本,這既包括填閑作物播種、收獲和耕作過程產(chǎn)生的燃油、機(jī)械、勞動力等直接和間接的成本投入[57],也包括填閑種植改變土壤水肥和產(chǎn)量形成過程產(chǎn)生的間接成本變化。國外學(xué)者Igos等[58]的研究結(jié)果表明,填閑種植黑麥草不會有額外的經(jīng)濟(jì)效益,并且由于種植成本的不確定性(填閑作物產(chǎn)品價格、燃油價格)等,在不同地區(qū)引種填閑作物對成本投入的增加幅度不同。然而,種植填閑作物尤其是豆科綠肥,能夠顯著提高土壤肥力,減少化肥投入,合理的填閑管理也能有效提高糧食作物產(chǎn)量,增加經(jīng)濟(jì)收入,因此填閑種植的經(jīng)濟(jì)效益可能并不一定就是負(fù)面的。例如Chen等[59]研究發(fā)現(xiàn),在小麥連作體系中引種扁豆提高了后續(xù)小麥產(chǎn)量,從而提高了種植系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益,但是與將扁豆作為綠肥還田相比,先收獲小扁豆籽粒并將剩余部分還田管理模式就有更高的經(jīng)濟(jì)效益。

2 填閑種植在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的可行性分析

2.1 填閑種植的土壤水分限制作用

黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以旱作為主,干旱少雨是影響黃土高原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要限制因素,而夏季休閑期時正值雨熱同季,不僅光熱資源白白浪費(fèi),而且地表因缺乏植被覆蓋,大量水分以蒸發(fā)的形式損失,休閑期儲水效率平均僅為35%—40%[60]。根據(jù)作者在陜西長武進(jìn)行的觀測結(jié)果[9,61],本地區(qū)冬小麥單一連作系統(tǒng)夏閑期降水貯存效率多年平均僅為28%—34%,這意味著大約60%—70%的休閑期降水被無效蒸發(fā)。因此,引種填閑作物是否能夠起到防止土壤蒸發(fā),以及是否會過度消耗土壤水分進(jìn)而影響后續(xù)糧食作物生長是決定填閑種植在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)能否適用的首要問題[62]。

如前所述,填閑作物生長一方面會消耗土壤水分,另一方面則可以通過遮蔭抑蒸降低水分損失,并通過改良土壤物理結(jié)構(gòu)來促進(jìn)水分有效存貯。近年來,國內(nèi)已有學(xué)者在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)開展了綠肥填閑種植試驗(yàn)研究,但就填閑種植的水分效應(yīng)而言仍存在較大矛盾。例如張樹蘭等[63]、仇化民等[64]進(jìn)行的小麥試驗(yàn)結(jié)果表明,種植填閑作物并不會影響土壤水分以及下一季糧食作物的水分利用,甚至可以通過改善土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)提高表層土壤含水量[65]。而鄧建強(qiáng)等[66]對隴東旱塬冬小麥-飼草輪作的研究發(fā)現(xiàn),引種飼用油菜顯著降低了小麥播前土壤貯水量。李婧等[67]、趙娜等[68]在黃土高原南部進(jìn)行的研究也表明,在冬小麥播前,夏閑期種植綠肥0—200 cm土層貯水量較夏季休閑相比降低了17.3%—20.6%,對填閑作物進(jìn)行提前翻壓是避免土壤水分過度消耗的有效措施[67]。

填閑作物品種、降水狀況以及有效的管理措施可能是限制填閑種植在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)推廣的關(guān)鍵因素。一方面,不同填閑作物對水分的需求狀況存在較大差異(圖1)[69],在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)應(yīng)優(yōu)先選擇一年生寬葉、中低耗水作物品種,如夏季填閑系統(tǒng)中可以種植非豆科的珍珠米、狐尾草、莧菜和豆科的鷹嘴豆、豇豆等,冬季填閑系統(tǒng)中可以種植大麥、燕麥、黑麥草、紫花豌豆、小扁豆、羽扇豆、埃及三葉草等。另一方面,黃土高原地區(qū)降水多年平均年降水量等值線從東南部的800 mm左右遞減至西北部不足200 mm[70],具有極大的時空變異性。根據(jù)張樹蘭等[63]、仇化民等[64]研究,在種植制度上一季有余、兩季不足、年降水量500 mm左右的東南部半濕潤易旱區(qū)地區(qū),小麥?zhǔn)斋@后引種填閑作物是可行的。而在降水偏少的半干旱地區(qū)目前尚未見填閑種植系統(tǒng)的相關(guān)報(bào)道,需要開展區(qū)域降水梯度上的對比研究。另外本地區(qū)降水年內(nèi)和年際間分配均極不均勻[70],降水多集中在夏季休閑期。姚致遠(yuǎn)等[71]發(fā)現(xiàn)在夏休閑期降水豐富的年份,種植綠肥較裸地在小麥播前土壤貯水量減少了9—60 mm,而在較干旱的年份,綠肥種植導(dǎo)致小麥播前土壤貯水量減少了60—110 mm。因此,填閑種植要根據(jù)休閑期降雨量的多少而進(jìn)行適時調(diào)整,通過控制填閑作物種植時間(提前翻壓或收割)、降低種植密度等措施避免土壤水分過度消耗[67]。

2.2 填閑種植的肥力效應(yīng)

黃土高原地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)低于全國平均水平[40],填閑種植能否提高土壤有機(jī)質(zhì)也引起國內(nèi)不少學(xué)者關(guān)注。按照傳統(tǒng)的填閑種植方式,填閑作物收獲后大多被作為飼料和燃料移除(尤其是甘肅、寧夏、青海等地),由于土壤存留的根茬生物量有限,因此對土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)并不大[56]。而如果將填閑作物翻壓還田用作綠肥,則能起到顯著的固碳效益。例如趙娜等[68]在陜西長武的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在小麥播種前種植并翻壓一季長武懷豆較裸地對照耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了1.0 g/kg。姚志遠(yuǎn)等[71]研究也發(fā)現(xiàn),與休閑處理相比,種植并翻壓綠肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)含量在冬小麥?zhǔn)斋@后分別提高了3.9%—11.7%和3.2%—7.6%,且綠肥種植在不施肥條件下對土壤有機(jī)碳的提高效果更為顯著。除增加土壤有機(jī)質(zhì)外,填閑種植在黃土高原地區(qū)也能夠顯著改善土壤氮素供應(yīng)。例如張達(dá)斌等[5]研究表明,旱作冬小麥田夏閑豆科綠肥還田后土壤全氮含量增加了4.5%—10.8%。趙娜等[34]則發(fā)現(xiàn),與夏季休閑相比,綠肥翻壓入土4周后土壤全氮含量就有增加的趨勢,在小麥?zhǔn)斋@后,長武懷豆處理土壤全氮仍提高了5.9%。而姚志遠(yuǎn)等[71]研究結(jié)果表明,引入豆科綠肥4年后,土壤全氮含量并沒有明顯變化。雖然不同研究地區(qū)引入綠肥對土壤全氮的影響效果不一,但在相同的施氮水平下,在夏閑期種植綠肥均會導(dǎo)致土壤礦化氮的提高。王崢等[72]研究發(fā)現(xiàn),種植綠肥處理的土壤剖面都有明顯的硝態(tài)氮積累峰,且綠肥還田對土壤硝態(tài)氮的影響主要發(fā)生在200 cm以上的土層,而李富翠等[73]研究發(fā)現(xiàn),種植綠肥雖提高了硝態(tài)氮含量但對銨態(tài)氮含量沒有影響。

需要注意的是,填閑作物種類和管理措施(播種、翻壓、耕作、施肥等)對填閑種植的肥力效應(yīng)具有顯著影響。豆科填閑作物能夠通過生物固氮作用為后續(xù)糧食作物提供更多的有效氮。由于碳氮比差異,豆科作物殘余分解速度更快,其生物量氮的釋放要更快速有效[2,67]。非豆科作物具有更好的吸氮能力,因此種植后容易導(dǎo)致土壤出現(xiàn)一個氮虧缺狀態(tài),另外由于具有較高的碳氮比,其殘余分解時可能會造成土壤氮固定,因此非豆科填閑作物種植后一般需要增施氮肥加以補(bǔ)充土壤氮庫[27]。胡鐵成等[74]研究得出,引種4種不同豆科綠肥后0—100 cm土壤硝態(tài)氮積累量均有不同程度地提高,而引種非豆科綠肥則降低了硝態(tài)氮含量。目前來看,黃土高原地區(qū)的相關(guān)研究多集中在豆科綠肥種植,對非豆科填閑作物的固碳效果和養(yǎng)分釋放能力的研究較少

涉及。另外填閑作物的肥力效應(yīng)可能與終止翻壓時間、耕作與施肥等管理措施有關(guān),例如Sainju等的研究[20,24,56]發(fā)現(xiàn),豆科與非豆科填閑作物混播要比各自單播具有更高的固碳能力,并能顯著提高土壤供氮水平。李紅燕等[35]在黃土高原地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn),綠肥在小麥?zhǔn)斋@后播種的方式較小麥?zhǔn)斋@前播種對土壤養(yǎng)分的改善作用更為明顯。而王崢等[72]研究結(jié)果表明,綠肥在小麥播前翻壓處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于在小麥播種前15天翻壓處理,表明綠肥播前翻壓更有利于提升土壤肥力。此外,已有研究表明,綠肥對土壤肥力的影響與綠肥翻壓的生物量有關(guān),一定程度上翻壓的生物量越大培肥效果越好[75],若綠肥翻壓的生物量過小則起不到改良土壤的作用,但過多作物秸稈還田會影響后續(xù)作物出苗率[2,54],因此合理的綠肥翻壓還田量也是有效改善土壤肥力的重要手段。

2.3 填閑種植的產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益

在黃土高原地區(qū),引種填閑作物對后續(xù)作物產(chǎn)量的影響研究結(jié)果不一。張春等[75]進(jìn)行的試驗(yàn)表明,夏閑期種植4種綠肥均可以不同程度的提高冬小麥產(chǎn)量,冬小麥的穗數(shù)、穗粒重和千粒重較裸地休閑處理分別提高了30.5%—51.9%、27.6%—37.4%和3.8%—10.9%。楊寧等[76]則發(fā)現(xiàn)夏閑豆科綠肥與冬小麥輪作對后續(xù)冬小麥產(chǎn)量沒有顯著影響,但輪作第二季后冬小麥產(chǎn)量顯著提高。而李可懿等[77]在陜西長武的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),翻壓一季豆科綠肥會導(dǎo)致后續(xù)小麥產(chǎn)量減低9.7%—26.6%。趙娜等[68]則發(fā)現(xiàn)夏閑期種植綠肥顯著降低了后續(xù)作物冬小麥的可用水量,其對小麥生長的影響從苗期就已經(jīng)出現(xiàn),并最終導(dǎo)致了產(chǎn)量的下降。

黃土高原地區(qū)降水匱乏,糧食作物產(chǎn)量通常不高,即使增加投入通常也不一定可以獲得較高的產(chǎn)量,因此本地區(qū)的農(nóng)民通常會選擇成本最低的裸地休閑耕作方式。而部分農(nóng)戶在夏閑期會種植蕎麥、糜子、蔬菜等填閑作物,其主要目的就是在糧食農(nóng)作物受災(zāi)減產(chǎn)后,還可以將這些作物用作飼料或燃料來彌補(bǔ)損失?；菸纳璠78]通過在休閑期種植三種不同的豆科牧草發(fā)現(xiàn),引種豆科牧草不但不會對后續(xù)小麥生產(chǎn)造成不良影響,每畝還可以收獲約1000 kg鮮草,產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益。然而姚志遠(yuǎn)等[79]研究表明,盡管在夏休閑期種植綠肥能減少氮肥的投入,但化肥成本的減少幅度相對于種子和田間管理成本的增加幅度來說幾乎可以忽略不計(jì),且豆科填閑作物收割時,其籽粒未能作為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物收獲,填閑種植反而降低了冬小麥單一連作系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益。因此綜合來看,通過抑蒸保墑和提高肥力,從而提高后續(xù)作物的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)收入水平是填閑種植在黃土高原地區(qū)能否得到推廣的關(guān)鍵因素,應(yīng)合理選擇耗水少的填閑作物品種(圖1)[69],控制種植時間并降低種植密度,盡量避免出現(xiàn)土壤水分耗竭而導(dǎo)致后續(xù)糧食作物減產(chǎn)。

3 研究展望

作為典型的旱作農(nóng)業(yè)區(qū),干旱缺水、土壤肥力水平低是限制黃土高原地區(qū)農(nóng)田土壤生產(chǎn)力提高的兩個主要因素。如上所述,填閑種植系統(tǒng)具有改良土壤、提高土壤肥力和養(yǎng)分有效性,以及固碳減排、防止污染、控制侵蝕等多種生態(tài)效益,因此在本地區(qū)引入填閑種植來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的裸地休閑方式,實(shí)現(xiàn)資源高效利用,對傳統(tǒng)的旱作農(nóng)田系統(tǒng)而言將是一個有益的嘗試,具有一定的可行性。盡管近年來國內(nèi)已有學(xué)者對引種豆科綠肥的土壤水分、養(yǎng)分和作物生產(chǎn)力效應(yīng)已展開了不少試驗(yàn)性研究,但總體來看,填閑種植系統(tǒng)在黃土高原地區(qū)大面積推廣的理論研究體系尚未建立?？紤]到氣候條件、填閑作物種類以及管理措施對填閑種植的重要影響,今后應(yīng)對以下幾個問題開展深入研究：

1)填閑種植系統(tǒng)生產(chǎn)力形成機(jī)制。水肥是黃土高原旱作農(nóng)田生產(chǎn)力形成的兩個主要限制因素,然而填閑作物種植后引起的水分消耗與土壤養(yǎng)分提高相對于后續(xù)糧食作物生產(chǎn)而言是一對矛盾體。前者可能會直接影響當(dāng)季作物生產(chǎn),后者則有助于提高作物-土壤系統(tǒng)的可持續(xù)性,這也也是導(dǎo)致填閑種植系統(tǒng)作物產(chǎn)量出現(xiàn)波動的主要原因。因此,應(yīng)結(jié)合區(qū)域氣候條件,開展長期定位研究,將填閑種植的水肥兩方面效應(yīng)有效結(jié)合,開展不同區(qū)域和水熱梯度上的對比觀測研究,闡明填閑種植系統(tǒng)生產(chǎn)力的形成機(jī)制。

2)填閑種植系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)境效益的形成機(jī)理。填閑種植增加了土壤有機(jī)碳的輸入,但也可能刺激了溫室氣體排放,從作物-土壤系統(tǒng)角度分析能否真正起到固碳減排效果值得深入研究探討。另一方面,填閑種植通過吸收土壤中多余礦質(zhì)養(yǎng)分、改善養(yǎng)分循環(huán)過程的同時也起到了減少污染和化肥使用的效果,但這種效果在化肥用量不斷增加的黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)究竟如何尚不明確。另外黃土高原地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重,引種填閑作物能否改善本地區(qū)農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu),保持水土,相關(guān)研究尚未見報(bào)道。需要針對填閑種植的固碳減排、減少淋溶污染和防止侵蝕等關(guān)鍵環(huán)境效益或影響的形成機(jī)理開展深入系統(tǒng)研究。

3)填閑作物選擇與管理措施問題。國內(nèi)引種填閑作物種植研究較少,且大多數(shù)集中在豆科綠肥引種植措施的研究上。豆科和非豆科填閑作物對土壤水分、碳氮循環(huán)及環(huán)境等方面的影響作用差異明顯,因此應(yīng)選擇合適的填閑作物,控制種植時間和田間管理方式來降低土壤水分消耗,改善土壤肥力。另外由于氣候區(qū)和耕作制度差異,黃土高原地區(qū)夏閑期水熱條件相對較好,填閑種植具有較強(qiáng)的可行性；而冬季休閑期相對時間周期較長,溫度偏低,可以考慮引種耐低溫低耗水的冬季填閑作物,這方面的工作尚待開展。另外在黃土高原“一年一熟”的寒旱區(qū)引種填閑作物,熱量是否能夠滿足作物生長需求也需要進(jìn)一步研究。

4)填閑種植系統(tǒng)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)評價。填閑作物種植系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益是影響填閑種植方式推廣和應(yīng)用的重要因素。如何在改善土壤質(zhì)量和環(huán)境效益的同時,通過選擇合理的填閑作物和耕作管理方式,降低成本投入,提高經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出,今后需要針對不同的填閑種植系統(tǒng)開展生態(tài)經(jīng)濟(jì)分析研究。

5)填閑種植系統(tǒng)生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益綜合評估。填閑種植在黃土高原地區(qū)具有大面積推廣的理論基礎(chǔ),考慮到當(dāng)前的全球氣候變化背景,從生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性角度分析,亟需在相關(guān)生態(tài)過程觀測與機(jī)理分析研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合區(qū)域未來氣候變化情景,針對旱作農(nóng)田填閑種植系統(tǒng)的生產(chǎn)力形成、固碳減排、減少淋溶、防止侵蝕效益以及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合模擬和評估。