田永強(qiáng) 高麗紅

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193）

資源和環(huán)境問(wèn)題是世界各國(guó)農(nóng)業(yè)生存和發(fā)展面臨的首要問(wèn)題。如何協(xié)調(diào)人口、生產(chǎn)資源和環(huán)境三者的關(guān)系，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重中之重。隨著人口增長(zhǎng)，有限的土地已經(jīng)不能滿足國(guó)民對(duì)蔬菜需求的生產(chǎn)（Vitousek et al.，2009）；于是，提高土地利用率和土地集約化經(jīng)營(yíng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)的重要組成部分（Guo et al.，2010），其面積由20世紀(jì)80年代的0.03萬(wàn)hm2發(fā)展到2010年的467萬(wàn)hm2（劉步洲和陳端生，1989；喻景權(quán)，2010）。與露天種植體系相比，日光溫室所創(chuàng)造的人工環(huán)境通常適于蔬菜生長(zhǎng)，并能增加蔬菜產(chǎn)量和為農(nóng)戶創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益（李天來(lái) 等，2006）。但是，連作、簡(jiǎn)單輪作和肥料的過(guò)分投入是日光溫室蔬菜生產(chǎn)中的常見(jiàn)現(xiàn)象，由此帶來(lái)的土壤理化性狀?lèi)夯⑽⑸飬^(qū)系失衡和植物源有害物累積等問(wèn)題普遍引起了土壤質(zhì)量退化和作物產(chǎn)量下降（Yao et al.，2006；Guo et al.，2010）。溫室土壤質(zhì)量下降問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，如何阻控土壤功能衰退，修復(fù)并保持土壤健康，實(shí)現(xiàn)設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)上亟待解決的問(wèn)題。

夏季休閑是我國(guó)北方日光溫室蔬菜種植體系中用來(lái)改良土壤環(huán)境的傳統(tǒng)措施（Guo et al.，2008）。傳統(tǒng)的休閑在改良退化土壤中的作用非常有限。此外，在夏季休閑期日光溫室常常進(jìn)行揭膜曬地，而夏季又是我國(guó)北方的多雨季節(jié)，土壤養(yǎng)分隨雨水下滲而污染地下水。取代傳統(tǒng)休閑的方法之一是在夏季種植生長(zhǎng)周期短、耐熱的深根系作物阻控養(yǎng)分流失（Guo et al.，2008）。這種作物被稱(chēng)為夏季填閑作物。已有許多深根系作物被歐洲、美國(guó)（Logsdon et al.，2002；Thomsen，2005）和中國(guó)（Guo et al.，2008；Tian et al.，2009，2010）科技工作者分別用作冬季和夏季填閑作物來(lái)阻控硝酸鹽淋失、防治土壤退化和促進(jìn)作物生長(zhǎng)。國(guó)外有關(guān)填閑作物的研究由來(lái)已久，且較深入。我國(guó)有關(guān)夏季填閑作物對(duì)蔬菜生長(zhǎng)影響的研究不多，且相關(guān)研究多不涉及土壤生物學(xué)環(huán)境，或涉及但研究不夠深入。本文重點(diǎn)從土壤生物學(xué)環(huán)境入手，綜述夏季填閑作物改良退化設(shè)施菜田土壤，實(shí)現(xiàn)蔬菜生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的可能性，為我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 土壤生物學(xué)環(huán)境是維系設(shè)施菜田土壤功能的關(guān)鍵

土壤生物學(xué)環(huán)境惡化是土壤功能衰退的主要原因之一（Bagayoko et al.，2000），在設(shè)施菜田尤為典型（Yao et al.，2006）。良好的土壤生物學(xué)環(huán)境，如土壤微生物結(jié)構(gòu)和功能多樣性增加、土壤碳素與氮素礦化-固定平衡、植物寄生線蟲(chóng)的減少、植物非寄生線蟲(chóng)增加等，能夠有效阻控土壤功能衰退并提高土壤-作物系統(tǒng)生產(chǎn)力（Wardle et al.，2004；Hines et al.，2006）。一般來(lái)講，設(shè)施菜田土壤生物學(xué)環(huán)境主要包括土壤微生物、土壤動(dòng)物（主要是線蟲(chóng)）以及土壤養(yǎng)分。設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中物理調(diào)控、病蟲(chóng)害的防治和養(yǎng)分的供給能力基本依賴(lài)人為投入而不是自然的生態(tài)過(guò)程，然而在高投入的設(shè)施菜田生態(tài)系統(tǒng)中，土壤生物學(xué)環(huán)境的重要性常常被忽視（李琪 等，2007）。因此，在集約化種植體系下，根據(jù)作物生長(zhǎng)需求將土壤生物學(xué)環(huán)境作為一種資源來(lái)認(rèn)識(shí)和保護(hù)，并按照其對(duì)菜田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行管理是設(shè)施蔬菜生產(chǎn)向可持續(xù)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的最關(guān)鍵途徑。

土壤微生物群落是土壤中的活性組分，其群落的變化能夠引發(fā)土壤一系列生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的改變，如養(yǎng)分循環(huán)、能量流通、有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)換等，進(jìn)而影響地上部植株生產(chǎn)力（Wardle et al.，2004；Manzoni et al.，2008）。因此，土壤微生物群落被廣泛認(rèn)作土壤質(zhì)量不可分割的一部分（Schutter et al.，2001）。土壤微生物不僅控制著土壤有機(jī)質(zhì)和重要營(yíng)養(yǎng)元素的生物轉(zhuǎn)化，還深刻影響著土壤物理-化學(xué)性質(zhì)，如土壤容重、pH值和EC值的變化（Kemmitt et al.，2006），以及其他生物的活動(dòng)（Bagayoko et al.，2000）。此外，土壤微生物群落與土壤線蟲(chóng)密切相關(guān)。例如Griffiths等（1993）研究發(fā)現(xiàn)微生物活性的增加能使大麥農(nóng)田土壤中食細(xì)菌線蟲(chóng)雌蟲(chóng)的比例迅速增大，最終導(dǎo)致整個(gè)線蟲(chóng)種群數(shù)量的增加。

土壤線蟲(chóng)作為土壤中數(shù)量最豐富的后生動(dòng)物，是土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分礦化等生態(tài)過(guò)程的主要調(diào)節(jié)者（李琪 等，2007）。線蟲(chóng)群落組成在一定程度上能夠反映出植被變化和人為管理擾動(dòng)下土壤質(zhì)量的變化（Wheeler et al.，2008）。植被是決定植物寄生線蟲(chóng)分布的主要因素之一（Klironomos，2002）。蔬菜作物一旦受到植物寄生線蟲(chóng)入侵，其寄主作物生產(chǎn)力迅速下降（Tian et al.，2011）。此外，土壤微生物，如真菌、細(xì)菌和放線菌等，都可作為蔬菜寄生線蟲(chóng)的天敵或與其存在互惠共生的關(guān)系（Wardle et al.，2004）。雖然植物寄生線蟲(chóng)對(duì)作物產(chǎn)量有深刻影響，但其絕對(duì)數(shù)量與作物產(chǎn)量并不一定呈簡(jiǎn)單的負(fù)線性相關(guān)。例如，Bagayoko等（2000）調(diào)查非洲尼日爾農(nóng)田發(fā)現(xiàn)，雖然多雨區(qū)植物寄生線蟲(chóng)數(shù)與作物產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，但是沙地低肥區(qū)較低的植物寄生線蟲(chóng)數(shù)依舊能?chē)?yán)重為害作物根系而造成減產(chǎn)。因此，在集約化種植體系下，探討設(shè)施菜田植物線蟲(chóng)影響作物生產(chǎn)力的機(jī)制顯得尤為重要。

綜上所述，土壤生物是一個(gè)豐富的資源庫(kù)，土壤生物群落與土壤-作物系統(tǒng)生產(chǎn)力和生物修復(fù)密切相關(guān)。所以，研究設(shè)施菜田土壤生物學(xué)環(huán)境與體系生產(chǎn)力之間的關(guān)系將有助于更好地對(duì)退化菜田土壤進(jìn)行修復(fù)，進(jìn)而提高和維持菜田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。根據(jù)已有的研究，植被及其殘?bào)w（地上部和根）的引入能夠顯著影響土壤生物、物理和化學(xué)過(guò)程（Klironomos，2002）。因此，通過(guò)引入填閑作物及其殘?bào)w還田來(lái)改良主栽蔬菜土壤生物學(xué)環(huán)境具有可操作性。

2 填閑作物是維持種植體系土壤功能的生物途徑

在高投入的農(nóng)田體系中，由于土壤的物理調(diào)控、病蟲(chóng)害防治和養(yǎng)分供給基本依賴(lài)人為而不是自然的生態(tài)過(guò)程，時(shí)空上的能量流動(dòng)和養(yǎng)分循環(huán)常常被忽視（郭瑞英，2007）。為了保證高產(chǎn)的同時(shí)獲得優(yōu)質(zhì)，集約化種植時(shí)需要投入足夠的養(yǎng)分；但是，集約化種植體系下作物生長(zhǎng)迅速，根系不發(fā)達(dá)，使得養(yǎng)分供給時(shí)處于相對(duì)較高的臨界水平（Chen et al.，2004）。此外，集約化種植體系中傳統(tǒng)的連作和簡(jiǎn)單輪作更多的是依賴(lài)農(nóng)藥化肥。然而，過(guò)量施用氮肥使得我國(guó)北方很多集約化農(nóng)田不但氮肥利用效率相當(dāng)?shù)停↗u et al.，2009），而且造成土壤嚴(yán)重酸化（Guo et al.，2010）。因此，發(fā)展環(huán)境友好的種植體系是增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)功能的有效途徑。然而，由于集約化種植對(duì)于作物種類(lèi)以及產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量要求的局限，大幅度改變?cè)蟹N植體系并不可行。因此，充分利用傳統(tǒng)種植體系休閑間隙，選擇適宜的作物進(jìn)行種植，使得在不改變主栽作物生長(zhǎng)期的情況下實(shí)現(xiàn)種植體系的環(huán)境友好變?yōu)榭赡埽℅uo et al.，2008）。利用休閑期種植深根作物阻控氮素淋失（Ju et al.，2007），或提高土壤中磷素的有效性（Maroko et al.，1999），或改善土壤微生物和線蟲(chóng)環(huán)境（Tian et al.，2011），或通過(guò)生物固氮輸入額外氮素（van Noordwijk，1999），提高體系內(nèi)養(yǎng)分循環(huán)方面的作用效果已得到了國(guó)內(nèi)外科研工作者的普遍認(rèn)可。

2.1 填閑作物由來(lái)、概念及發(fā)展

植草休耕（Vegetated fallows）是許多熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的一部分（Bunemann et al.，2004）。在傳統(tǒng)的種植周期中，主要的經(jīng)濟(jì)作物收獲后，為了土壤培肥和降低雜草蟲(chóng)害，通常有一段長(zhǎng)時(shí)間（可長(zhǎng)達(dá)15 a）的植草休耕期，即這段時(shí)間任由自然發(fā)生的木本植被生長(zhǎng)（Szott et al.，1999）。即便是對(duì)食物需求很大的人口密集區(qū)，自然休耕現(xiàn)象也很普遍（Swinkels et al.，1997）。但是，在對(duì)食物需求量較大的種植區(qū)，由于休閑期相對(duì)較短，休閑期植被主要由牧草和雜草構(gòu)成，而這些植被對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)相當(dāng)有限。在這種情況下，如果種植豆科作物，可以使土壤獲得額外的氮素輸入（van Noordwijk，1999）。事實(shí)上，早在20世紀(jì)初，利用休閑期種植作物來(lái)減少氮素淋溶的思想就已被提出了。據(jù)筆者所知，1996年，Hartemink等（1996）首次在公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中稱(chēng)具有深根系的田菁屬植物能夠從表層土壤捕獲硝態(tài)氮。1997年，Vos和van derPutten（1997）提出氮素捕獲作物（Nitrogen-catch crop）的概念：主要作物收獲后，在多雨季節(jié)種植的作物以吸收土壤氮素、降低耕作系統(tǒng)中的氮素淋溶損失，并將所吸收的氮素轉(zhuǎn)移給后季作物。Sanchez（1999）稱(chēng)氮素捕獲作物為改良休耕作物（Improved fallow-crop），而Szott等（1999）稱(chēng)之為“管理休耕作物”（Managed fallow-crop）。氮素捕獲作物包含于覆蓋作物（Cover crop）中。由于在字面意思上，“填閑作物”較“覆蓋作物”更能直觀體現(xiàn)其“為填補(bǔ)休閑期空白而種植的作物”之意，因此，本文將休閑期種植的氮素捕獲作物和覆蓋作物（包括生物固氮作物）統(tǒng)稱(chēng)為填閑作物（Catch crop）。與已有文獻(xiàn)中填閑作物側(cè)重調(diào)控土壤養(yǎng)分循環(huán)方面的作用有所不同，本文中填閑作物的作用主要體現(xiàn)在其阻控集約化設(shè)施菜田土壤質(zhì)量衰退或修復(fù)退化土壤功能上。嚴(yán)格意義上，填閑也屬于輪作范疇。但是，與傳統(tǒng)輪作相比，填閑并沒(méi)有大幅度改變集約化生產(chǎn)體系主栽經(jīng)濟(jì)作物的種植習(xí)慣，是一種簡(jiǎn)單、特殊而有效的輪作模式。我們稱(chēng)這種利用短期空閑進(jìn)行輪作的種植模式為填閑。那么，本文中，填閑作物可以定義為：在設(shè)施菜田中，主栽蔬菜作物收獲后，在輪換種植間隙較短的時(shí)間內(nèi)種植的修復(fù)并保持土壤功能，改善后季作物生長(zhǎng)發(fā)育的作物。

2.2 填閑作物阻控種植體系土壤功能衰退的可行性

雖然利用填閑作物阻控氮素?fù)p失和提高磷素利用效率的思想提出較早，但一直不是科學(xué)研究中的熱點(diǎn)。隨著非洲土地植草休耕引起的有效磷素虧缺現(xiàn)象加重（Niang et al.，2002），及美國(guó)（Strock et al.，2004）、歐洲（Thomsen，2005）和中國(guó)（Ju et al.，2007）等地氮素過(guò)量施入及硝酸鹽淋失的加重，填閑作物的研究又引起研究者們的興趣。在集約化生產(chǎn)中，填閑作物的種植能夠?qū)崿F(xiàn)在不大幅度改變種植體系的情況下有效提高土壤的貯存能力和養(yǎng)分循環(huán)能力，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好。例如，在非洲傳統(tǒng)的植草休耕生產(chǎn)體系中，磷素常常是玉米地的限制因子，如果增施氮肥的同時(shí)忽略增施磷肥，玉米難以增產(chǎn)（Jama et al.，1997）。然而，即使沒(méi)有額外的磷素輸入，引入填閑作物（豆類(lèi)）的玉米-豆類(lèi)輪作體系的玉米年產(chǎn)量要顯著高于沒(méi)有休閑期的玉米連作或玉米-休閑輪作體系（Smestad et al.，2002）。說(shuō)明豆類(lèi)作為填閑作物提高了土壤中磷素的有效性，阻控了玉米地有機(jī)質(zhì)損失，增強(qiáng)了養(yǎng)分循環(huán)能力（Bunemann et al.，2004）。從草地和灌木生產(chǎn)系統(tǒng)到現(xiàn)代集約耕作系統(tǒng)，有關(guān)填閑作物的實(shí)踐與理論表明，填閑作物對(duì)維持非自然生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力具有重要作用。

與諸多陸地生態(tài)系統(tǒng)外來(lái)植物與土著植被因?yàn)橥瑫r(shí)空存在而常常引起競(jìng)爭(zhēng)（Callaway &Ascheloug，2000；Packer & Clay，2000）的情況不同，填閑作物與主栽作物不存在時(shí)空上的碰撞；因此，二者之間的同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)也就不存在可能性。然而，二者是不同時(shí)間出現(xiàn)在同一土地上的植物群體，由于不同時(shí)間對(duì)于相同地塊土壤養(yǎng)分、微生物、線蟲(chóng)的作用使得間接的相互影響必然存在，或正或負(fù)。因此，有效的填閑作物的選擇顯得尤為重要。在環(huán)境友好的基礎(chǔ)上，保證主栽作物健康地生長(zhǎng)是填閑作物的唯一使命。不同植物物種對(duì)土壤環(huán)境的影響不同，因此，應(yīng)根據(jù)不同時(shí)期土壤質(zhì)地的變化，在相同或不同時(shí)間選擇多種填閑作物才能綜合阻控土壤功能衰退。現(xiàn)有的研究表明，生物多樣性是保證生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ)（van der Heijden et al.，1998；Klironomos，2002）。盡管在集約化種植體系中難以實(shí)現(xiàn)同一地塊同一時(shí)間植物多樣性，但根據(jù)生產(chǎn)需要不斷改變填閑作物種類(lèi)可以使同一地塊在時(shí)空轉(zhuǎn)換中呈現(xiàn)植物多樣性。

根據(jù)持續(xù)農(nóng)業(yè)的理念，在作物種植體系引入一種或多種有效的填閑作物來(lái)阻控土壤功能衰退提高系統(tǒng)生產(chǎn)力具有十分重要的意義。我國(guó)設(shè)施蔬菜栽培大面積推廣不過(guò)二十多年，但是造成的土壤功能衰退問(wèn)題已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重（Guo et al.，2010）。雖然人們也認(rèn)識(shí)到連作帶來(lái)的土壤和產(chǎn)品質(zhì)量下降問(wèn)題，但是由于生存的需要，農(nóng)戶常常依靠過(guò)量施用化肥或在大量施肥的基礎(chǔ)上進(jìn)行果菜類(lèi)不同物種的簡(jiǎn)單輪作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于產(chǎn)量和效益的追求，但這不利于設(shè)施土壤健康保持及其可持續(xù)利用。因此，在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的休閑期種植填閑作物將成為阻控土壤功能衰退、提高主栽作物產(chǎn)量的有效途徑。

2.3 填閑作物維持和修復(fù)土壤功能的有效性

通過(guò)促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)來(lái)改良后季作物土壤養(yǎng)分的供求狀況是研究者們普遍關(guān)注的問(wèn)題。與填閑作物阻控氮素?fù)p失的研究相比，這方面的研究并不明確。事實(shí)上，在集約化種植體系中，后季作物土壤功能的強(qiáng)弱直接關(guān)系到系統(tǒng)生產(chǎn)力的高低。來(lái)自非洲西部半干旱地區(qū)的研究顯示，填閑期種植豆類(lèi)作物常常對(duì)主栽谷類(lèi)作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響（Bagayoko et al.，1996；Bationo et al.，1998）。普遍認(rèn)為，豆類(lèi)生物固氮的行為提高了土壤中有效氮的含量，而這些有效氮能夠被谷類(lèi)作物利用。但是，在非洲薩赫勒地區(qū)，在增施氮肥的情況下，填閑期種植豆類(lèi)作物依然能夠提高谷類(lèi)作物（粟和高粱）的產(chǎn)量（Bationo et al.，1998）。也有報(bào)道顯示在豆類(lèi)對(duì)土壤全氮的影響不明顯的情況下，種植豆類(lèi)后谷類(lèi)作物的產(chǎn)量也提高了（Bationo et al.，1998）。因此，有學(xué)者認(rèn)為，填閑作物增加主栽作物產(chǎn)量是因?yàn)槠湟鹆朔N植體系內(nèi)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與活性及其生物量的變化（Klose & Tabatabai，2000）。一方面，作物根系的分泌物和死亡的根是微生物豐富的能源物質(zhì)，其地上部可以為土壤微生物提供大量凋落物（Ferris et al.，2004）。另一方面，這些物質(zhì)也可能對(duì)病原生物構(gòu)成威脅，如夏季休閑期種植青蒜可降低黃瓜致病菌的積累（吳艷飛等，2006）。更多的研究表明，微生物多樣性可能是維持土壤功能的基礎(chǔ)（Mader et al.，2002；Stocking，2003）。此外，填閑作物-土壤線蟲(chóng)互作機(jī)制也可能是影響后季作物生產(chǎn)力的主要因素。Wheeler等（2008）研究指出，冬季休閑期種植填閑作物不存在阻控后季玉米植物病原線蟲(chóng)為害機(jī)制，必須使用其他的阻控手段減小植物病原線蟲(chóng)給后季玉米帶來(lái)的危害。不過(guò)，McSorley和Dickson（1995）的研究表明，利用冬季填閑作物阻控后季作物受寄生線蟲(chóng)為害是可行的，但僅僅針對(duì)某一關(guān)鍵病原線蟲(chóng)種群（如根結(jié)線蟲(chóng)）的填閑作物的引入是危險(xiǎn)的，因?yàn)槠鋵?dǎo)致其他病原線蟲(chóng)為害加重。因此，能夠阻控后季作物受多種寄生線蟲(chóng)為害的填閑作物才是有效的。

綜上，填閑作物對(duì)土壤功能和后季作物生產(chǎn)力的影響是多因素綜合作用的結(jié)果。因此，單純以土壤生物圈中的某一因素來(lái)預(yù)測(cè)填閑作物的有效性并不可靠。土壤-植物系統(tǒng)的復(fù)雜性決定了判定填閑作物是否有效必須綜合考慮其給土壤生物圈各種因素帶來(lái)的影響。在一個(gè)高投入的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，特別是設(shè)施菜田體系，人為管理的過(guò)分干擾可能會(huì)混淆或者掩蓋某些參數(shù)與作物生產(chǎn)力的關(guān)系。這也就增加了評(píng)判填閑作物有效性的難度。如叢枝菌根真菌促進(jìn)植物對(duì)磷素吸收和增加植物多樣性的效果只有在低肥力土地上才能顯現(xiàn)出來(lái)（Wardle et al.，2004）。盡管如此，多尺度研究填閑作物的有效性是必要的。

3 設(shè)施蔬菜種植體系中填閑作物的選擇

在設(shè)施生產(chǎn)中，主要的蔬菜多屬于淺根系（Guo et al.，2008；Verma et al.，2007）。設(shè)施蔬菜地常處在半封閉狀態(tài)下，這種土地種植蔬菜幾年以后，土壤肥力狀況將發(fā)生顯著變化，主栽作物因土壤障礙而造成產(chǎn)量下降的問(wèn)題普遍存在（Yao et al.，2006）。因此，填閑作物應(yīng)具備兩點(diǎn)要求：一是在較短生長(zhǎng)期內(nèi)，地上部及根系生長(zhǎng)迅速、生物量大、根系深（深根系有利于接觸更廣的土壤容積）等特點(diǎn)；二是能有效地改變土壤中養(yǎng)分的分布、改良土壤結(jié)構(gòu)和土壤生物學(xué)環(huán)境，對(duì)下茬作物根系生長(zhǎng)產(chǎn)生友好影響。我國(guó)北方溫室栽培茬口決定了填閑作物種植應(yīng)在6月中旬至9月上旬，所選填閑作物要求生長(zhǎng)期更短，耐高溫及耐澇性強(qiáng)。由于代謝途徑的差異，C4作物較 C3作物光合作用強(qiáng)，生長(zhǎng)迅速且生物量大，根系較發(fā)達(dá)，其中莧菜、青貯玉米、糯玉米或甜玉米依其生物學(xué)特性，較適合作為填閑作物（任智慧 等，2003）。研究表明，非豆科的雙子葉植物（油菜、普通白菜）優(yōu)于麥類(lèi)，這是由于雙子葉植物屬于主根系，由主根軸發(fā)展根系，而麥類(lèi)是冠狀的須根系。Garand等（2001）認(rèn)為，從阻控氮素?fù)p失的角度看，苜蓿是豆科作物，自身可以固氮，屬于無(wú)效的填閑作物，但它可以作為綠肥為春小麥提供更多的氮素，在一定程度上能夠達(dá)到填閑作物的效果。Tian等（2011）根據(jù)多年定位研究認(rèn)為，在溫室夏季休閑期配套種植莧菜和茼蒿，不僅可以有效改善退化連作土壤微生物環(huán)境，而且可以通過(guò)提高非植物寄生線蟲(chóng)/線蟲(chóng)比值增加主栽作物產(chǎn)量。而窄葉羽扇豆之類(lèi)的豆科作物，由于其種子價(jià)格較高，即使能夠作綠肥也不可能作為一種常規(guī)的填閑作物；但是，它可以用來(lái)修復(fù)較差的土壤結(jié)構(gòu)。但也有研究顯示豆科的生物固氮功能并不影響其作為填閑作物的優(yōu)越性，因?yàn)樗軌蛱岣咄寥乐泻蠹咀魑锟衫玫挠行У浚˙ationo et al.，1998）。十字花科比麥類(lèi)根系深并且生長(zhǎng)迅速，在非豆科的雙子葉植物中最有可能找到根系迅速下扎的作物（Thoroup- Kristensen，1993）。對(duì)于受植物病原線蟲(chóng)為害的設(shè)施菜田而言，前面提到的選擇依據(jù)必須做出相應(yīng)的調(diào)整。在這個(gè)時(shí)候，選擇能夠阻控后季作物受多種寄生線蟲(chóng)為害的填閑作物才是有效的（McSorley & Dickson，1995）。當(dāng)然，對(duì)于受某單一植物病原線蟲(chóng)為害的地塊而言，選擇能夠作為該線蟲(chóng)寄主的填閑作物也是有效的（Tzortzakakis & Trudgill，2005）。主栽作物病原線蟲(chóng)為害嚴(yán)重的地塊，即便選擇了適宜的填閑作物，可能仍需要其他手段輔助，如殺線蟲(chóng)劑（Wheeler et al.，2008），才能獲得理想的產(chǎn)出。

可見(jiàn)，放之各地而有效的填閑作物并不存在。生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)土壤生物圈的實(shí)際情況有針對(duì)性地選擇。找到能夠同時(shí)具備所有修復(fù)土壤功能需要的機(jī)制的填閑作物幾乎不可能，因此，同時(shí)選擇多種填閑作物，或不斷變換填閑作物的種類(lèi)，或與其他可行的措施相結(jié)合，應(yīng)該是未來(lái)從根本上解決集約化種植體系所面臨問(wèn)題的有效途徑。

4 填閑作物殘?bào)w還田是阻控土壤功能衰退的生物措施

填閑作物的另一個(gè)重要作用是通過(guò)殘?bào)w還田改良后季作物土壤環(huán)境。填閑作物收獲后，將其殘?bào)w作為綠肥翻入土壤，對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)、土壤結(jié)構(gòu)、土壤微生物和線蟲(chóng)的分布等都將構(gòu)成影響（Guo et al.，2008；Tian et al.，2011）。例如，填閑作物殘?bào)w還田使微生物量顯著提高，從而刺激了食細(xì)菌和真菌線蟲(chóng)的繁殖（Ferris et al.，2004）。對(duì)于植物殘?bào)w而言，其C/N比在研究中比較重要。填閑作物殘?bào)wC/N比降低會(huì)引起食細(xì)菌和真菌線蟲(chóng)的成倍繁殖（Ilieva-Makulec et al.，2006）。中等C/N比（16～18）的殘?bào)w能夠最大限度地促進(jìn)土壤線蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)循環(huán)而提供更多的有效氮素供作物吸收（Porazinska et al.，1999）。因此，C/N比適度的填閑作物殘?bào)w還田有助于使養(yǎng)分循環(huán)維持在一個(gè)比較穩(wěn)定的水平（Dupont et al.，2009）。事實(shí)上，在持續(xù)農(nóng)業(yè)中，對(duì)于集約化種植體系而言，填閑作物殘?bào)w還田是控制氮素礦化-固定平衡的最佳手段。例如，在后季作物生長(zhǎng)初期，并不需要過(guò)多礦質(zhì)氮，這個(gè)時(shí)候，C/N比適度的殘?bào)w促使微生物固定氮素而避免了礦質(zhì)氮素過(guò)分淋失（Lal，2008）。在生長(zhǎng)中期，作物也能通過(guò)強(qiáng)有力的根系吸收足夠的礦質(zhì)氮素。對(duì)于C/N比過(guò)高的殘?bào)w而言，其促使微生物過(guò)分固定無(wú)機(jī)氮素而大大減少了土壤中后季作物可利用的有效氮素，可能不利于作物生長(zhǎng)（Jensen，1997）。當(dāng)然，也有研究指出這種影響并不存在（Guo et al.，2008）。

綜上，在選擇適宜的填閑作物的基礎(chǔ)上對(duì)殘?bào)w進(jìn)行科學(xué)管理能夠阻控土壤功能衰退。但是對(duì)于那些嚴(yán)重受植物病原線蟲(chóng)為害的設(shè)施菜田而言，病原線蟲(chóng)的過(guò)分干擾可能會(huì)混淆或者掩蓋殘?bào)w還田與作物生產(chǎn)力的關(guān)系。即使其阻控土壤功能衰退的機(jī)制確實(shí)存在，填閑作物殘?bào)w對(duì)于后季作物生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)仍有可能被掩蓋。這個(gè)時(shí)候，表象并不一定真實(shí)。所以，透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)才是揭示填閑作物殘?bào)w還田的根本原則。

5 研究展望

5.1 填閑作物對(duì)作物-土壤互作反饋機(jī)制的影響

蔬菜作物與其生長(zhǎng)的土壤環(huán)境互作是聯(lián)結(jié)土壤和蔬菜作物生態(tài)的紐帶。在設(shè)施蔬菜種植體系中，與外界不同的高溫高濕環(huán)境以及養(yǎng)分循環(huán)速率高（吳鳳芝，2000）等因素都直接影響蔬菜作物-土壤互作機(jī)制。蔬菜作物-土壤體系互作反饋機(jī)制不僅影響體系內(nèi)各生物學(xué)因子，如主栽蔬菜作物、微生物和線蟲(chóng)等對(duì)外界人為干擾（包括種植填閑作物）的響應(yīng)機(jī)制，且能夠創(chuàng)造大規(guī)模的反饋機(jī)制以改變?nèi)藶楦蓴_尺度的大小。

5.2 土壤線蟲(chóng)與設(shè)施蔬菜種植體系生產(chǎn)力的關(guān)系

我國(guó)有關(guān)不同填閑作物阻控設(shè)施菜田土壤功能衰退的相關(guān)研究，多從植物營(yíng)養(yǎng)和土壤微生物學(xué)角度入手（Guo et al.，2008；Tian et al.，2011），忽視了土壤線蟲(chóng)對(duì)體系生產(chǎn)力存在的重要作用。線蟲(chóng)與土壤微生物和植物營(yíng)養(yǎng)元素間存在普遍關(guān)聯(lián)。因此，未來(lái)研究應(yīng)從線蟲(chóng)相關(guān)的土壤食物網(wǎng)（Nematode-based soil food webs）入手，進(jìn)一步揭示線蟲(chóng)作用的潛在機(jī)制。如線蟲(chóng)物種和功能多樣性、營(yíng)養(yǎng)類(lèi)群或線蟲(chóng)生活史等與設(shè)施蔬菜種植體系生產(chǎn)力的關(guān)系。此外，在設(shè)施菜田種植普遍引起土壤有機(jī)質(zhì)礦化加速的情況下，線蟲(chóng)對(duì)于土壤碳素礦化和固持的影響亦應(yīng)當(dāng)引起重視。

5.3 微生物多樣性與設(shè)施蔬菜種植體系生產(chǎn)力的關(guān)系

盡管一些研究認(rèn)為微生物群落功能和結(jié)構(gòu)多樣性可能是主導(dǎo)作物生產(chǎn)力的主因；但是，微生物多樣性在作物生產(chǎn)力方面的作用還不明確。在填閑作物的相關(guān)研究中，微生物多樣性指數(shù)不能被單獨(dú)作為評(píng)價(jià)蔬菜土壤-作物體系生產(chǎn)力高低的指標(biāo)，需結(jié)合其他指標(biāo)進(jìn)行多尺度綜合評(píng)價(jià)。此外，鑒于微生物多樣性研究方法間存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)，采用不同研究方法綜合評(píng)價(jià)微生物多樣性可有效消除或削弱研究方法誤差對(duì)潛在作用機(jī)制的掩蓋。

5.4 根際土壤生物學(xué)環(huán)境與設(shè)施蔬菜種植體系生產(chǎn)力的關(guān)系

非根際土壤（bulk soil）生物學(xué)環(huán)境是目前有關(guān)設(shè)施菜田研究的切入點(diǎn)，但是作物生產(chǎn)力與根際土壤（rhizosphere soil）生物學(xué)環(huán)境的關(guān)系大于其與非根際的關(guān)系已是多數(shù)研究者的共識(shí)（Kowalchuk et al.，2002；Lu & Conrad，2005）。未來(lái)有關(guān)設(shè)施菜田填閑作物的研究，應(yīng)當(dāng)綜合考慮根際和非根際生物學(xué)環(huán)境與種植體系生產(chǎn)力的關(guān)系；而根際調(diào)控可能不僅是植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)，也是土壤生物學(xué)關(guān)注的重點(diǎn)。

5.5 多因素綜合研究與單因素多尺度研究

毫無(wú)疑問(wèn)，設(shè)施蔬菜種植體系主栽作物生產(chǎn)力不可能是單因素調(diào)控的結(jié)果。在設(shè)施菜田相關(guān)研究中，有必要進(jìn)行多因素綜合研究和大面積調(diào)查，同時(shí)運(yùn)用數(shù)學(xué)手段，評(píng)價(jià)各指標(biāo)優(yōu)缺點(diǎn)和等級(jí)，即為菜田評(píng)價(jià)制定全國(guó)統(tǒng)一或局部地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。在某一因素的研究中，不同方法的采用常常使得研究結(jié)果發(fā)生變異；因此，單因素多尺度研究也是必要的。

5.6 不同填閑作物對(duì)同一菜田退化土壤的交替改良

在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)者常常在同一菜田交替采用不同填閑作物改良其退化土壤。而在科學(xué)研究中，學(xué)者們多從單一填閑作物入手。因此，未來(lái)研究有必要探究不同填閑作物在同一菜田的交替采用對(duì)退化土壤改良的作用機(jī)制，以便為蔬菜生產(chǎn)提供更實(shí)際可靠的理論依據(jù)。

5.7 健康或可持續(xù)設(shè)施菜田標(biāo)準(zhǔn)

雖然幾乎所有研究均設(shè)置對(duì)照作為評(píng)判不同填閑作物改良效果的標(biāo)準(zhǔn)，但是不同研究中對(duì)照處理千差萬(wàn)別。目前我國(guó)設(shè)施菜田土壤健康缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此，應(yīng)通過(guò)大面積調(diào)查并運(yùn)用數(shù)學(xué)手段制定健康設(shè)施菜田國(guó)家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)可使研究目標(biāo)具體化，也助于比較不同填閑作物的優(yōu)略性。

5.8 填閑作物改良設(shè)施菜田長(zhǎng)期效應(yīng)研究

有關(guān)設(shè)施菜田填閑作物的研究，報(bào)道年限多小于五年，而填閑作物的長(zhǎng)期采用是目前生產(chǎn)中比較常見(jiàn)的現(xiàn)象。因此，有必要研究填閑作物改良設(shè)施菜田的長(zhǎng)期效果。

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