劉曉冰，張興義， Oswaldo Ernst ，Mario Perez-Bidegain

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150081；2. Facultad de Agronomia, Universidad de la Republica, Montevideo 12900,Uruguay)

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烏拉圭的作物-牧草輪作和耕作體系長期觀測研究

劉曉冰1，張興義1， Oswaldo Ernst2，Mario Perez-Bidegain2

(1.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150081；2. Facultad de Agronomia, Universidad de la Republica, Montevideo 12900,Uruguay)

不同于世界其他黑土區(qū)，始于20世紀(jì)60年代烏拉圭的作物-牧草輪作制是很有影響和特色的種植體系。它是一個(gè)更具多樣性，具有更強(qiáng)的抗御氣候和經(jīng)濟(jì)變化緩沖力的系統(tǒng)。本文介紹了烏拉圭作物-牧草輪作幾個(gè)體系的構(gòu)成，重點(diǎn)評述了基于作物-牧草多體輪作制長期定位試驗(yàn)不同耕作體系對土壤有機(jī)碳動(dòng)態(tài)、土壤侵蝕和氧化亞氮排放的影響。特定生態(tài)環(huán)境和特別的種植體系下得出的不同于其他地區(qū)的研究結(jié)果或結(jié)論，對進(jìn)一步深入理解農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的區(qū)域性意義重大。表3，參21。

烏拉圭；作物-牧草輪作；免耕；長期定位試驗(yàn)；土壤有機(jī)碳

0　引　言

烏拉圭地處南美洲30° S～35° S，屬于溫帶亞濕潤氣候帶， 全國年平均降雨1 200 mm，南方1 000 mm，東北1 500 mm，日平均氣溫冬季13℃，夏季25℃，即冬季較寒冷，但無降雪、土壤無凍融；夏季較熱，降雨季節(jié)分布相當(dāng)均勻，但熱季的潛在蒸騰蒸發(fā)量較大。由此，秋冬季土壤水分充足(7月份，60 mm)，而春夏季土壤水分相對虧缺(1月份，100 mm)。

自西班牙人入駐以來，畜牧業(yè)生產(chǎn)一直是烏拉圭經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。目前肉牛、奶牛和綿羊及其制品仍然是主要農(nóng)產(chǎn)品。烏拉圭總土地面積約為1 600萬hm2(2.4億畝)，只有5%的林地，80%的景觀由自然與再生的多年生和一年生頂級(jí)C3、C4草原植被組成，放牧草地占總土地面積75%。由于氣候因素，傳統(tǒng)上，烏拉圭的多數(shù)土地處于永久的自然草原植被狀態(tài)，用于草食動(dòng)物生產(chǎn)，其余占20%的土地以不同輪作方式種植作物和人工牧草，主要分布在粘淀濕潤軟土和變性土(Arguidolls和Vertisols)。近些年來，由于商品價(jià)格的上漲，農(nóng)業(yè)土地面積不斷增加，而且免耕面積增加到農(nóng)業(yè)土地的50%以上[1]。

農(nóng)業(yè)土壤退化(土壤肥力耗竭、土壤侵蝕)是烏拉圭政府部門、農(nóng)業(yè)工作者及農(nóng)戶關(guān)注的主要問題。這主要源于常規(guī)耕作及其作物輪作的弊端。Diaz-Rosello[2]指出，與世界其他國家類似，常規(guī)耕作下作物輪作28年后，土壤有機(jī)碳(SOC)損失25%。盡管如此，烏拉圭的土壤科學(xué)家們認(rèn)為他們土壤的SOC含量要比世界同類地區(qū)的土壤高[3-4]。為防止土壤退化，基于長期定位試驗(yàn)結(jié)果，烏拉圭的種植體系從20世紀(jì)后半葉開始經(jīng)歷了(1)從原有作物的長期輪作向常規(guī)耕作基礎(chǔ)上的一年生作物與牧草輪作過渡，和(2)逐步向基于作物-牧草輪作的免耕體系方向過渡兩個(gè)階段[1]。

2015年11月，我們對烏拉圭的主要農(nóng)業(yè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了為期5天的訪問，參觀了實(shí)驗(yàn)基地及其試驗(yàn)站，并與有關(guān)研究人員進(jìn)行了學(xué)術(shù)交流，發(fā)現(xiàn)他們的種植體系和研究結(jié)果很有地域特色。本文基于烏拉圭研究者提供的部分資料和一些公開發(fā)表的論文整理而成，旨在明晰烏拉圭特色種植體系的不同構(gòu)成，深入理解長期實(shí)施不同體系后SOC的變化，為我國農(nóng)牧交錯(cuò)帶適宜類型區(qū)確定持續(xù)發(fā)展措施提供成功技術(shù)體系借鑒。

1　作物-牧草輪作制長期定位試驗(yàn)及其構(gòu)成

借鑒新西蘭的模式，位于烏拉圭東岸共和國派桑杜省(Paysandu)La Estanzuela 市郊的烏拉圭國立農(nóng)業(yè)研究院(INIA)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站(34° 20′S， 57° 43′W)于1962年建立，并于1963年開始實(shí)施作物-牧草多體輪作種植模式的長期定位試驗(yàn)，目的是評估7個(gè)種植體系的持續(xù)性。每個(gè)體系6年為一個(gè)周期，小區(qū)寬25 m，長200 m，坡度2%～4%，土壤類型為粉砂粘性壤土，屬于典型的粘淀濕潤軟土(Typic Arguidoll)。該區(qū)屬于亞濕潤氣候，年平均溫度17℃，冬季和夏季平均氣溫分別為12℃和24℃。

該長期定位試驗(yàn)基本的作物種植順序是包括4種作物和1種綠肥作物的3年輪作，即，高粱-小麥、向日葵-玉米和燕麥。另一種作物種植順序是用大豆替代了高粱和玉米。期間1974年、1983年和2008年有所調(diào)整，2008年后所用試驗(yàn)均為免耕。氮磷化肥的施用測土施肥，一年生谷物收獲并移走籽實(shí)，牧草定期切割以促進(jìn)放牧，飼料殘?bào)w留在小區(qū)中。每年的3月或者是4月采集0～15 cm 耕層土壤，測定有機(jī)碳、全氮、pH、有效磷(Bray 1, 樹脂法)、交換性鉀。并對所用樣品烘干研磨、保存歸檔。7個(gè)種植體系及其詳細(xì)輪作方式和處理組成見表1[5]。

在自然牧區(qū)，作物-牧草多體輪作種植模式主要以增添豆科牧草和增施磷肥，而不是把自然牧區(qū)變成人為的新的牧草體系，因此，影響較小。然而，在作物種植區(qū)，盡管多年生牧草種植的第一年有土壤侵蝕和牧草產(chǎn)量下降的危險(xiǎn)，但由于作物生產(chǎn)的施肥量較多，土壤有效磷含量相對高，豆科牧草的表現(xiàn)尚好，而且該體系具有省時(shí)、節(jié)本、減少土壤退化的優(yōu)點(diǎn)。由此，該體系作為一個(gè)能夠恢復(fù)多年農(nóng)作物輪作導(dǎo)致的生產(chǎn)力下降的策略，被逐漸采納，并成為作物生產(chǎn)和肥牛育肥有機(jī)結(jié)合的典范走向成功[6]。

2　作物-牧草輪作制下SOC和碳儲(chǔ)量的變化

對上述長期定位試驗(yàn)的4個(gè)種植體系的SOC年際變化趨勢分析表明，從1963年-2015年的52年中，對于3年作物3年牧草和2年作物4年牧草處理，SOC的總體趨勢是實(shí)施30年后呈現(xiàn)略有逐漸增加的趨勢，而僅包含作物輪作的SOC呈現(xiàn)明顯下降，尤以輪作不施肥下降顯著。與1963年的SOC含量相比，作物輪作不施肥下降50%，作物輪作施肥下降20%[5]。一般而言，SOC在牧草階段增加，在作物階段降低，但兩個(gè)階段結(jié)束后SOC無凈變化。對1964年-1990年間結(jié)果的回歸分析表明，作物輪作導(dǎo)致每年減少Ap層SOC 540 kg·hm-2，而作物-牧草多體輪作制減少Ap層SOC 80 kg·hm-2[1]。

進(jìn)一步對52年后7種種植體系的碳儲(chǔ)量差異(以每公頃土壤重量2 500 Mg·hm-2)分析指出，52年后，3年作物3年百脈根、3年作物3年牧草混播和2年作物4年牧草種植體系的碳儲(chǔ)量沒有差異，介于54 Mg C hm-2～57 Mg C hm-2，并以2年作物4年牧草碳儲(chǔ)量最高，而這3種體系與其他4種種植體系的碳儲(chǔ)量差異顯著。作物輪作不施肥碳儲(chǔ)量最低，為31 Mg C hm-2，施肥條件下正常作物輪作(即6年輪作周期均為作物且正常施肥)和以大豆為主的輪作之間無差異，而4年作物2年紅三葉草居中，為49 Mg C hm-2。由此可見，(1)就農(nóng)作物輪作種植而言，要注重施肥的作用，不施肥將顯著降低有機(jī)碳儲(chǔ)量；(2)作物輪作和牧草輪作有機(jī)結(jié)合，是保持土壤有機(jī)碳庫的有效途徑。

3　不同耕作方式下多年生牧草-作物輪作長期定位試驗(yàn)及其SOC動(dòng)態(tài)

作物-牧草多體輪作種植模式體系導(dǎo)致兩個(gè)潛在的問題：表土壓實(shí)和土壤表面殘茬減少。加之烏拉圭降雨量分布及其土壤特性，土壤水蝕風(fēng)險(xiǎn)很高，而免耕能夠降低土壤有機(jī)質(zhì)的礦化并降低土壤侵蝕作用。由此，研究者們從1993年開始，設(shè)計(jì)了不同耕作方式下多年生牧草-作物輪作的長期定位試驗(yàn)，類似于該區(qū)盛行的三年作物(每年種植兩季)，三年牧草主要牧草試驗(yàn)，作物種植順序見表2。試驗(yàn)是隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，三次重復(fù)，每小區(qū)10 m寬，50 m長。

Salvo等[7]詳細(xì)報(bào)道了實(shí)施免耕和常規(guī)耕作，多年生牧草輪作耕層0～6 cm，6 cm～12 cm，12 cm～18 cm的有機(jī)碳含量及其組成的變化效應(yīng)。他們的研究表明，9.5年之后，常規(guī)耕作與免耕的不同耕層深度的有機(jī)碳沒有差異：1994年18 cm耕層內(nèi)初始的有機(jī)碳是21.4 g·kg-1，2003年常規(guī)耕作與免耕的有機(jī)碳分別是19.8 g·kg-1和20.0 g·kg-1，即此牧草-作物輪作體系下，與免耕相比，常規(guī)耕作并未導(dǎo)致有機(jī)碳損失的增加。然而，研究者們發(fā)現(xiàn)常規(guī)耕作SOC的組成差異較大，尤其是顆粒有機(jī)碳(POM)含量明顯減少，并以>200 μm POM減少比例最多，三個(gè)耕層分別減少53%，71%和79%?？傮w上，顆粒有機(jī)碳與土壤有機(jī)碳比值，由起始期18.4%降到6.8%，即大部分顆粒有機(jī)碳礦化并以CO2形式釋放到大氣中，而礦質(zhì)結(jié)合的有機(jī)碳含量沒有變化。因此，與SOC比較，POM是土壤利用和管理的更為敏感的指標(biāo)。另外，他們還有一個(gè)很有意義的結(jié)果，即9.5年之后，0～18 cm耕層只有14.5%的SOC是新鮮的SOC，來自作物的碳投入只有17%保持到0～6 cm表層。并估測土壤有機(jī)質(zhì)半減期為28年，POM有機(jī)碳的半減期為5年，而礦質(zhì)結(jié)合的有機(jī)碳的半減期為400年。由此提出，即使是常規(guī)耕作條件下，只要是作物輪作體系中有多年生牧草加入同樣可以維持SOC水平。Terra 等[8]也曾指出，免耕條件下牧草-作物輪作8年的SOC含量與自然牧草植被的SOC相近，但POM含量下降32%。Steinbach 和Alvarez[8]報(bào)道，南美阿根廷條件下， 60個(gè)試驗(yàn)研究中有13個(gè)的SOC比常規(guī)耕作的低，初始SOC低的增加15%，而初始SOC高的損失5%。

表2　常規(guī)耕作和免耕作物-牧草輪作的作物種植順序(1993-2003)

注：多年生牧草組成是高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb)，百脈根(LotuscorniculatusL.)和白三葉草(TrifoliumrepensL.),下同.

Note:The components of perennial grassers areFestucaarundinaceaSchreb,LotuscorniculatusL. andTrifoliumrepensL., the same as follows.

這些結(jié)論與其他地區(qū)免耕條件下土壤有機(jī)碳含量的增加結(jié)果不同。由于該種植系統(tǒng)每年種植兩季作物并組合多年生牧草，土壤裸露時(shí)間短，植被連續(xù)覆蓋，減少了土壤易發(fā)生侵蝕的機(jī)會(huì)。此外，免耕條件下牧草-作物輪作有機(jī)碳的增加程度與牧草類型、放牧狀態(tài)和作物階段的養(yǎng)分管理有關(guān)[10]。

4　作物-牧草輪作制對土壤侵蝕的影響

Garcla-Prechac等[1]綜合比較了兩種土壤(Typic Argiudoll and Abruptic Argiudoll)上不同耕作方式下7種體系的7年和18年的土壤侵蝕平均量。結(jié)果表明，常規(guī)耕作作物輪作體系的土壤平均年侵蝕量最高，為19.2 Mg·hm-2·a-1，而簡化耕作(Reduced tillage)作物輪作體系、常規(guī)耕作作物-牧草多體輪作制和簡化耕作作物-牧草多體輪作制的侵蝕量分別為8.6 Mg·hm-2·a-1、7.2 Mg·hm-2·a-1和4.4 Mg·hm-2·a-1；免耕作物輪作體系的土壤平均年侵蝕量只有3.2 Mg·hm-2·a-1，免耕作物-牧草多體輪作制為1.3 Mg·hm-2·a-1，自然牧草最低僅為1.2 Mg·hm-2·a-1?？傮w上，作物-牧草輪作體系由常規(guī)耕作轉(zhuǎn)換為免耕后，土壤侵蝕速率降低50%。

進(jìn)一步的研究表明，作物輪作體系最先發(fā)生徑流，其次是作物輪作下的免耕，最晚的是作物-牧草多體輪作下的免耕[11]。由于免耕100%的殘茬覆蓋，與常規(guī)耕作徑流發(fā)生的時(shí)間延遲72%(30.3 s vs.108.2 s)，而且徑流量減少31%，一旦牧草體系加入徑流量將會(huì)顯著減少。我國學(xué)者鄭粉莉教授等[11]曾指出，常規(guī)耕作的徑流速率要比免耕的高出1.7倍 ～ 1.9倍。他們提出，與常規(guī)耕作比較，免耕降低徑流25%，由于雨滴對裸露土壤的作用，引起團(tuán)聚體破壞，產(chǎn)生更多的顆粒和小團(tuán)聚體，降低滲透速率，增加徑流導(dǎo)致土壤侵蝕。

由于常規(guī)耕作基礎(chǔ)上的作物輪作降低土壤生產(chǎn)力，被認(rèn)為不是持續(xù)的。鑒于免耕條件下，牧草加入到作物輪作體系中，牧草密集的細(xì)根促進(jìn)團(tuán)聚體作用，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性迅速增加，由此提出免耕條件下的作物-牧草多體輪作制是避免土壤侵蝕的可持續(xù)的體系。實(shí)際上，2004年以來，烏拉圭有52%的農(nóng)作物農(nóng)場和25%的奶牛場采納免耕。

5　作物輪作與多年生牧草-作物輪作長期試驗(yàn)及其SOC動(dòng)態(tài)

研究者們同樣設(shè)計(jì)了不同耕作條件下多年生牧草-作物輪作與作物輪作對比長期定位試驗(yàn)，并比較分析了SOC動(dòng)態(tài)，見表3。結(jié)果表明，12年之后，無論是作物輪作和作物-牧草輪作，免耕的SOC比常規(guī)耕作的SOC平均高出7%，而土壤有機(jī)氮(STN)變化則不同于SOC。STN均下降，其中作物輪作的降低幅度最大，降低10%(1.63 g·kg-1vs. 1.93 g·kg-1)。作物-牧草輪作下兩種耕作體系能夠緩解STN降低幅度56%。并發(fā)現(xiàn)作物-牧草輪作下C/N比有所下降。與作物輪作相比，作物-牧草輪作潛在的有機(jī)氮礦化度高，即作物輪作增加對N的需求。他們的研究還表明，作物-牧草輪作的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD)比作物輪作的增加140%。免耕比常規(guī)耕作的MWD高(2.52 mm vs.1.55 mm)：免耕條件下，牧草比作物輪作的MWD提高了24%。作物輪作條件下，免耕比常規(guī)耕作對MWD的影響明顯(2.24 mm vs. 0.91 mm)。大團(tuán)聚體的穩(wěn)定性是暫時(shí)的，而且對農(nóng)業(yè)管理措施相當(dāng)敏感，因?yàn)樽鳛榉€(wěn)定劑的真菌菌絲和細(xì)菌產(chǎn)物相當(dāng)脆弱[13]。也就是說，一旦體系轉(zhuǎn)換成常規(guī)耕作這種團(tuán)聚體改善的結(jié)果就會(huì)消失。

表3　作物輪作和作物-牧草輪作的作物種植順序(1993-2004)

6　作物輪作和耕作對氧化亞氮排放的影響

自然和農(nóng)業(yè)土壤是氧化亞氮(N2O)重要來源。據(jù)估計(jì)，每年全球的排放分別為6.0 Tg N2O和4.2 Tg N2O[12]。烏拉圭環(huán)境氣候變化部的報(bào)告認(rèn)為，該國99%的N2O排放來自于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。研究表明土地利用方式影響N2O的排放強(qiáng)度，作物種類對N2O的排放影響很大，草原植物和非谷類作物遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于谷類作物[13]。耕作方式對N2O的排放影響變化較大，其與環(huán)境關(guān)系較大[16]。有研究認(rèn)為，免耕導(dǎo)致很高的N2O的排放[16]，而常規(guī)耕作導(dǎo)致N2O的排放增加的很少甚至沒有變化[18]。

7　結(jié)束語

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)性依賴于很多因素，但是其中兩個(gè)主要因素就是控制土壤侵蝕和保持SOC的水平。通過土壤管理措施增加SOC依賴于(1)土壤原有的SOC含量；(2)潛在的凈生產(chǎn)能力和(3)當(dāng)?shù)貧夂驐l件。免耕體系下的作物-牧草多體輪作制是烏拉圭現(xiàn)行生態(tài)和生產(chǎn)條件下的更持續(xù)的管理體系，因?yàn)樵擉w系能夠改善土壤質(zhì)量，減輕土壤侵蝕。但是，必須指出，這種體系是在烏拉圭以及阿根廷的部分地區(qū)資源稟賦、人口和經(jīng)濟(jì)現(xiàn)狀下實(shí)施的[21]，我國相應(yīng)類型區(qū)只能借鑒不可照搬。

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Long-term Studies on Crop-pasture Rotations and Different Tillage Systems in Uruguay

LIU Xiaobing1, ZHANG Xingyi1, Oswaldo Ernst2, Mario Perez-Bidegain2

(1.KeyLaboratoryofMollisolsAgroecology,NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,CAS,Harbin150081,China; 2.FacultaddeAgronomia,UniversidaddelaRepublica,Montevideo12900,Uruguay)

Crop-pasture rotations in Uruguay since 1960s, the predominant and unusual cropping systems around the world are the most influential farming systems. This system is a more economically and climatically buffered system due to its higher diversity. This paper describes the basic components of several crop-pasture rotations, and summarizes the impacts of long-and middle-term crop-pasture rotations under different tillage systems on soil organic carbon, soil erosion and nitrous oxide emissions. Different results and conclusions obtained from the given ecological conditions and cropping systems in Uruguay lends significance in further understanding the importance of regional variability for agricultural production.

Uruguay; crop-pasture rotations; no-till; long-term studies; soil organic carbon

10.11689/j.issn.2095-2961.2016.03.001

2095-2961(2016)03 -0129-06

2016-03-21.

國家科技支撐計(jì)劃課題(2014BAD11B01-A01).

劉曉冰(1963-)，男，黑龍江肇源人，研究員，博士，研究方向?yàn)樽魑锷砩鷳B(tài)和土壤管理.

張興義(1966-)，男，黑龍江密山人，研究員，博士，研究方向?yàn)楹谕了帘３?

S19

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