草田轮作研究的重要性

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草田轮作，就是将牧草与作物在一定的地块、一定的年限内，按照规定好的顺序进行轮换种植的一种合理利用土地的耕作制度［1］。实施草田轮作，对合理地利用土地资源，改善土壤肥力，实现农牧业的可持续生产具有重要意义［2］。草田轮作的最早雏形是作物和绿肥的轮作。绿肥指所有能翻耕到土里作为肥料用的绿色植物［3］，绿肥植物和饲用植物在生物学特性、种类和经济利用等方面是有区别的，但一般从农业生产的经济效益和植物的综合利用考虑，二者又是不宜分割的。一种植物既可作为绿肥植物又可作为饲用植物［4］，而且，我国的牧草在绿肥植物中占有绝大部分比例，主要包括紫云英（Astragalussinicus）、紫花苜蓿（Medicagosativa）、草木樨（Melilotusofficina－lis）、黑麦草（Loliumperenne）、箭筈豌豆（Viciasa－tiva）、毛苕子（V．villosa）、沙打旺（A．adsurgens）、红豆草（Onobrychisviciifolia）、小冠花（Coronillavaria）、亚历山大三叶草（Trifoliumalexandri－num）、无芒雀麦（Bromusinermis）、扁穂冰草（Agropyroncristatum）、老芒麦（Elymussibiri－cus）、披碱草（E．dahuricus）、百脉根（Lotuscornic－ulatus）、山黧豆（Lathyrussativus）、秣食豆（Gly－cinemax）和田菁（Sesbaniacannabina）等。我国古代劳动人民就认识到草田轮作具有提高土壤有机质［5］，增加氮素供给、改善土壤物理性、维持土壤养分平衡和防止土壤侵蚀等作用［6］。用地与养地结合的草田轮作制度是我国传统耕作制度的精华。在未来的种植结构中，饲用作物和牧草的种植面积将大幅度增加［7］。而草田轮作是满足饲料粮需求和养地作用的最佳耕作制度，也是实现由传统的粮经“二元”结构，向粮经饲“三元”结构转变的重要措施。   1我国草田轮作的研究历史   1．1我国古代有关草田轮作的记载   几千年以前，我国的劳动人民就开始利用绿肥培肥地力等一系列农业技术措施来促进农业生产。在我国的种植业历史上，种草应该是农作物种植的先导［8］。粮肥轮作作为草田轮作的最初形态，在我国有着悠久的历史和丰富的经验。我国从战国时期开始了轮作复种制，汉代北方轮作复种制已相当普遍。东汉郑玄的《周礼》中，就谈到谷子（Setariaitalica）、冬麦（Triticumaesti－vum）和大豆（G．max）轮作复种［9］。苜蓿在关中、天水等地种植较广泛［10］。魏晋南北朝是我国粮肥轮作的发端。西晋郭义恭的《广志》中说：“苕草，色青黄，紫华，十二月稻下种之，蔓延殷盛，可以美田”。隋唐和南宋时代，南方的绿肥作物与粮食作物的轮作复种制有了初步发展，不仅普及了一年两熟制，而且还出现了一年三熟制。元代，南方和北方轮作复种制都有新的发展。在北方，继承和发展了粮食作物与绿肥作物的轮作复种制［9］。明代是我国粮食作物与绿肥作物轮作得到全面发展的时期。不论南方还是北方，都发展了粮食作物与绿肥作物的轮作复种制。在《农政全书》、《天工开物》、《沈氏农书》、《张氏补农书》等书中多处叙述了我国南方用蚕豆（V．faba）、大麦（Hordeumvulgare）、黄花苜蓿（M．falcata）作棉田绿肥，苕子、紫云英、黄花苜蓿作稻田绿肥的经验。这表明，明代以后在我国长江以南和黄淮流域草田轮作的种植方式已经相当广泛［11］。这种既充分用地又积极养地的方法，逐渐成为我国农作制中的传统经验。在清代又发展了粮肥轮作复种的两年三熟制和棉肥轮作复种的一年两熟制。清代对绿肥的应用比以前更加广泛，黍（Panicummil－iaceum）、稷（P．milaceumvar．effusum）、麦、棉（Gossypium）、稻（O．sativa）等，均与绿肥轮作复种，其范围之广，种类之多，都是可观的［9］。张宗法的《三农纪》中所说的“苕子……稻初黄时，漫撒田中，至明年四、五月收获”就是对清代我国的长江中下游地区盛行粮肥套种经验的总结［12］。明清时期，对绿肥作物与粮食作物轮作从理论和技术上，都得到了丰富和发展，且用地和养地的方式方法不断完善，形式多样化，使得绿肥作物和粮食作物的轮作应用范围不断扩大。   1．2民国时期的草田轮作   民国时期，江南作物种植制度以棉稻轮作为主。轮作形式以两年三熟制为主，种棉后种植苜蓿、紫云英等绿肥作物。由于肥料匮乏和劳动力短缺，绿肥在江南的种植有所增加［13］。黄河上游区域以耐干旱的农作物为主，糜子（P．miliaceum）、谷子、豆类、燕麦（Avenasativa）、莜麦（A．nuda）、高粱（Sorghumbicolor）等具有一定的种植区域［14］。此时的草田轮作除养地外，主要是为了缓解人口的快速增长而引起的人地矛盾。如阴山北麓农牧交错带的草田轮作制度，是用来满足人口增加的口粮需求和饲养牲畜［15］。而以冬小麦为核心的一年两熟制在华北地区比较普遍，轮作模式极为繁复。主要是恢复土壤肥力，起到养地的作用［16］。我国东北南部是按高梁－谷子－大豆的次序换茬种植，东北北部是按大豆－谷子－小麦－高粱的次序换茬种植；西北半干旱地区按扁豆（Lablabpurpureus）、小麦、马铃薯（Solanumtuberosum）的次序倒茬种植，这种轮作制补偿了地力的消耗，保持了土壤肥力［17］。当时，政府对牧草的重要性有了较高的认识，在少数民族地区设立有垦牧科的专业，课程涉及到牧草、垦殖、畜牧等［18］。民国时期对草田轮作的研究已比较细致，叶和才与刘含莉［19］就针对华北土壤普遍缺乏氮肥及有机质的问题，进行了绿肥对土壤氮素及有机质影响的研究。   2我国草田轮作的研究现状   #p#分页标题#e#

利用绿肥与作物轮作、间作和套种养地在我国传统农业中发挥了极其重要的作用，是我国农业能够持续5000余年土地肥力不衰的一个重要原因。我国农区种草一直是以绿肥为主，20世纪50年代大约为3．33×106hm2，60年代达4．00×106hm2，70年代超过6．67×106hm2，最高年份接近10．00×106hm2，之后开始下降，一直保留在6．67×106hm2上下。近年来，随着畜牧业发展，农区种草在迅速回升，南方逐步形成柱花草（Stylosanthesguianen－sis）、一年生黑麦草（L．multiflorum）为主的种草模式，北方呈现紫花苜蓿、青刈黑麦草及沙打旺为主的种草模式。这些模式均经过若干年的实践，具有较强的生命力，可以在相应地区推广［20］。我国目前对草田轮作的研究报道主要体现在4个方面。   2．1草田轮作潜力及重要性的研究   引草入田，实现粮草轮作、间作和套种，是充分利用农田资源，提高复种指数的重要途径。收获牧草既可解决农区草食畜禽的饲料来源，又可起到增产粮食和提高经济效益的作用［21］。任继周和林慧龙［22］指出我国粮食安全面临巨大挑战，其中人的口粮长期预测不过2亿t，我国自给无虑，而饲料等非口粮用粮达5亿t。数量巨大的饲料用粮需求是对我国粮食安全真正的威胁。我国农区尚有49．69×106hm2的土地资源发展草业，发展空间巨大。农区的出路在于引草入田，实行草田轮作，部分农田拿出来种草，不但不会降低粮食产量，反而可以提高粮食产量，这就是藏粮于草，经济而又安全［23］。草田轮作有利于农牧并举、农牧结合，提高整个农业系统的生产效率，进而充分利用光、热、水和土地资源，提高系统的生产力［20］。任继周和侯扶江［24］提出了用食物当量来衡量一切可以作为食物物质的食用价值的评价方法。我国的草地资源以农田当量计，南方15省（市、区）为40．32×106hm2农田当量，北方草原地区和农耕地区为49．15×106hm2农田当量，全国共可折合89．47×106hm2新增农田［25］。实行草地农业，预期新增土地资源0．79亿hm2农田当量，可满足我国食物中长期规划7亿t食物当量的目标，与目前水平相比农民可增收1．15倍［26］。   2．2草田轮作效益的研究   草田轮作的巨大生命力，已在全世界所有发达国家的高效农业中显示出作用［27］。引草入田，利用草的经济和生态功能，发展质量效益农业，以实现农牧业生产的可持续发展［28］。在东北平原区的研究表明，“粮食－牧草－经济作物”三元结构的草田轮作是获得良好生态效益和经济效益的有效途径，粮草轮作既提高了粮食产量，提供了充足的蛋白质饲料，又改善了生态环境，可收到一举数得的功效［29］。草田轮作后，豆科饲草茬地对春小麦增产效果显著［30］。采用苜蓿与植物轮作方式，可明显提高作物产量［31］，提高土地利用效率［32］。黄土丘陵半干旱区，草田轮作配套技术是提高土地生产力、促进农田生态系统向良性循环转化的根本措施［33］，可改善土壤肥力，促进土壤健康［34］。夏收后耕地复种箭筈豌豆和毛苕子可显著提高耕地生产效能［35］。牧草与农作物的轮作倒茬和间作套种技术等，是集生态效益、经济效益、社会效益于一体的草地农业生产模式，具有广泛的推广应用前景［36］。在南方农区的草田轮作试验证明了草田轮作为现代农业和草地畜牧业的发展提供了新的生产模式，社会效益、经济效益、生态效益显著［37］。南方农区可利用冬闲田轮作黑麦草饲养奶水牛，具有较好的经济、社会效益［38］，冬闲田种植黑麦草，早稻和晚稻的平均增产幅度达10％［39］。“黑麦草－水稻”草田轮作系统一般一个冬季的产出在1．5万元•hm－2以上［40］。实行草田轮作，比单一种植粮食作物可获得更高的生态效益和经济效益［41］。通过草田轮作，培肥地力，提高单产，在保证粮食不减产的前提下，土地生产水平可提高20％～100％［42］。草田轮作可以很好地抑制农田杂草的发生，还可以减少土壤中活动的杂草种子数量［43］。草田轮作收获的牧草不但可直接作为商品，而且可通过家畜转化成肉、蛋、奶、毛等畜产品。草田轮作既提高了粮食产量，又为家畜提供了充足的蛋白质饲料，还起到改善生态环境的作用。   2．3草田轮作不同模式的研究   我国以占世界7％的耕地养活占世界22％的人口，人均耕地资源不足的压力比其他国家都要大。随着人们对肉、奶、蛋等畜产品需求的增大，饲料缺口极大。在农区和灌溉条件较好的牧区、半农半牧区通过草田轮作，发展粮经饲“三元”种植，已成为解决我国饲料缺乏及饲料生产用地紧缺的有效方法。实行草田轮作，利用牧草发展畜牧业、渔业、扩大肥源、培肥地力，这是中国南方农区发展草业最有效的模式，具有投资少、周期短、用途广、潜力大［44］的特征。我国中部地区的农区，实行草田轮作，既可解决吃粮问题，又可利用当地天然的山地草坡，大力发展“草畜农业”，获得更大收益，以实现其科学发展［28］。我国南方应用较广的草田轮作模式为黑麦草―水稻轮作模式，在水田冬闲期栽培意大利黑麦草，应用该模式每公顷水田在冬闲期可以生产64～87t优质青饲料，从而缓解了我国南方缺乏青饲料生产用地的问题，在水田冬种黑麦草后，后作水稻产量平均提高了10％［45］。目前，适应南方稻区发展的草田轮作模式还有紫云英－玉米、紫云英－水稻［46］、黑麦－杂交狼尾草（Pennisetumamericanum×P．purpureum）、小麦－杂交狼尾草［47］等。水稻－黑麦草、水稻－紫云英、水稻－光叶紫花苕（V．villosavar．glabres－cens）等也是比较常见的草田轮作模式［48］。此外，还有粮草套种、果草套种、林草套种等模式。从实践来看，这些模式的确是一条提高土地利用率、改善生态环境、提高农民经济收入的可行途径［49］。另外。还有（意大利黑麦草＋紫云英）－水稻、［意大利黑麦草＋南苜蓿（M．polymorpha）］－水稻、（意大利黑麦草＋白三叶草）－水稻等轮作模式，均可获得较高的总生产效率［50］。在草田轮作过程中，种草养畜模式形式多样，如适宜猪、兔、鹅的种植模式有紫花苜蓿－黑麦草－胡萝卜（Daucuscarotavar．sativus）模式及美国籽粒苋（Amaranthushypochondriacus）－黑麦草－白菜（Brassicapekinensis）模式；适宜牛、羊的种植模式有玉米（Z．mays）－黑麦草模式、杂交狼尾草－胡萝卜或大头菜（B．junceavar．megarrhiza）－多花黑麦草模式等［51］。苏丹草（S．sudanense）―黑麦草轮作已成为江汉平原地区一种新型的种植制度［52］。松嫩平原实行小麦与草木樨混播，次年翻压绿肥复种大豆，第3年种植玉米或杂粮的轮作方式［53］。在我国东北农牧交错区有玉米－苜蓿间作［54］。河南有紫花苜蓿、白三叶以及苇状羊茅（Festucaarundi－nacea）等优良牧草与花生（Arachishypogae）间作套种［55］。甘肃省纳入粮草轮作的牧草品种主要有苜蓿、红豆草、沙打旺等多年生豆科牧草，以及草木樨、箭筈豌豆和毛苕子等越年生或一年生豆科牧草［56］，因轮作期长短不同，选用的品种和轮作模式也不一样。冬小麦和一年生豆科牧草（白花草木樨、毛苕子、箭筈豌豆）的粮草复种模式也比较常见［57］。在甘肃河西绿洲生态条件下，草田轮作主要模式为玉米与不同绿肥作物（草木樨、箭筈豌豆、毛苕子等）的间作模式［58］。黄土丘陵沟壑区有紫花苜蓿与马铃薯间轮作模式［59］。内蒙古地区利用箭筈豌豆、草木樨和毛苕子与当地主要农作物进行轮作来培肥土壤，提高农作物及牧草产量［60］。西藏的轮作模式均由豆科作物或豆科饲料作物的形式参与轮换［61］，雅鲁藏布江中下游农区，冬青稞（H．vulgare）、早熟冬小麦等作物收获后，在7月底至8月上旬复种箭筈豌豆、雪莎（Trigonellafoenum－graecum）、油菜（B．campestri）等绿肥和饲料作物以增加牲畜饲料［62］，在西藏中部农区利用冬小麦套种箭筈豌豆的模式来提高水、热、田等资源的利用率［63］。新疆的草田轮作制是以种植苜蓿为中心的六区草田轮作，经济效益显著［64］。总之，草田轮作模式是根据各地具体情况，结合人们生活和生产的多种需求，以解决当地粮食增长、饲草料短缺、土壤肥力下降问题为主，通过不同轮作模式的合理应用，达到充分利用有限资源，提高土地生产力，增加农牧民收入的目的。#p#分页标题#e#   2．4草田轮作对土壤影响的研究   近年来，草田轮作系统中对土壤影响研究较多的为黑麦草―水稻轮作系统。研究表明，冬种黑麦草使土壤容积质量下降9．4％，土壤有机质质量分数提高了66％，土壤的全氮、全磷和有效氮、有效磷的质量分数分别提高了26％、32％、67％和33％［65］。冬种黑麦草增加了土壤酶的活性，使脲酶活性提高了2．75倍，转化酶活性提高了92．6％，土壤微生物生物量增加13倍，改善了土壤的微生物区系，细菌数量增加1．2倍，放线菌数量增加3．4倍，真菌数量下降了44％［66］。苜蓿－作物轮作系统的研究较为深入［67－69］，主要对苜蓿轮作后的土壤容重、孔隙度、饱和持水率、pH值、土壤养分消耗、土壤微生物量、土壤轻组碳氮及土壤呼吸商等进行了研究，苜蓿为轮作作物生长创造了良好的土壤环境。对冬牧70黑麦―水稻、多花黑麦草―水稻、小麦―水稻、冬牧70黑麦（Secalecereale）―杂交狼尾草、多花黑麦草―杂交狼尾草和小麦―杂交狼尾草6种不同的粮草复种方式土壤养分的季节变化研究表明［70］，冬季种植牧草与种植粮食作物比较降低了土壤pH值、增加了土壤有机质和速效养分。马效国等［71］用熏蒸法研究了土地利用方式对种草后茬土壤微生物生物量碳、氮的影响。结果表明，4龄苜蓿后茬种植小麦2年后，0～5cm土层微生物生物量碳比苜蓿生长地降低70mg•kg－1，苜蓿后茬连续种植小麦2年后，0～5cm土层微生物生物量氮比苜蓿生长地下降28％。王旭等［72］对燕麦与箭筈豌豆不同混作模式的根际土壤微生物数量进行的研究表明，燕麦与箭筈豌豆的间作混播种植方式能起到提高根际土壤微生物数量的作用。对稻―草轮作模式研究表明，种草使稻田土壤养分含量增加，物理性状改善，土壤生物活性提高，土壤动物数量增加［73］。最近几年，随着全球对环境变化的关注，有关草田轮作中土壤有机碳的研究也较多［74－75］。发现草粮轮作是改善土壤质量，实现土壤蓄存碳、固定CO2的重要途径［76］。目前，研究较多的粮草轮作系统为小麦与草地轮作，在该轮作系统中，随着草地种植次数的增加，土壤有机碳的含量有增加的趋势［77］。将农田恢复为林地和草地，有利于土壤有机碳含量的恢复和增加。栽培草地和高寒草甸的植物－土壤系统的总固碳量明显高于农田［78］。种草能够增加土壤有机质，特别是添加豆科植物后，土壤有机碳和微生物量碳氮的质量分数明显增加。草田轮作是能够增加土壤有机碳含量的重要措施［79］。   3小结   我国草田轮作具有悠久的历史，魏晋南北朝时期开始的粮肥轮作是我国草田轮作的发端。以后的各个时期，草田轮作在农业生产中都有发展和应用，积累了丰富的经验，形成了大量的理论与技术，有些沿用至今。我国古代草田轮作的主要目的是为了恢复地力及抑制病虫草害的发生，以提高农作物的产量。现代草田轮作是为了提高土地利用率、增加粮食和饲草产量。目前我国草田轮作的研究主要集中在草田轮作的潜力及重要性、轮作效益、轮作模式及草田轮作对土壤影响等方面。草田轮作是实现农业结构的转变和农牧业生产可持续发展的重要措施，是我国现阶段满足饲料粮需求和用地与养地相结合的最佳耕作制度之一。草田轮作是农业种植业结构调整，农牧并举，解决当前饲草饲料短缺、改善土壤肥力和提高整个农业系统生产效率的重要举措。因此，扩大草田轮作的应用范围，加大草田轮作系统的研究，是实现我国农牧区生态、经济和社会可持续发展和农牧民增收的有效途径。