孙万仓, 裴新梧, 马骊, 王学芳, 武军艳, 李学才, 蒲媛媛,刘丽君, 柴鹏, 李孝泽, 贾玉娟, 王积军, 刘芳, 陈其鲜, 沈金雄
(1.甘肃农业大学农学院,甘肃省油菜工程技术研究中心,甘肃省干旱生境作物学重点实验室,兰州 730070;2.中国农业科学院生物技术研究所,北京 100081;3.甘肃农业职业技术学院,兰州 730030;4.西峰区农业技术推广中心,甘肃 庆阳 745000;5.中国科学院西北生态环境资源研究院,兰州 730000;6.酒泉职业技术学院,甘肃 酒泉 735009;7.全国农业技术推广服务中心,北京 100125;8.甘肃省农业技术推广总站,兰州 730020;9.华中农业大学,作物遗传改良国家重点实验室,武汉 430070)
在我国北方前茬作物收后和后茬作物播前的两季作物之间,农田处于空闲期。如果在空闲期播种覆盖作物(cover crop),可以解决土壤地表裸露问题[1-2]。在冬季生长越冬的覆盖作物则为冬季覆盖作物,主要有豆科(Leguminosaesp.)、禾本科及十字花科3大类,如冬油菜(Brassica rapaL.)、冬豌豆(Pisum sativumL.)、冬亚麻荠(Camelina sativaL.)、冬毛苕子(Vicia villosaRoth)、冬小黑麦(Triticale)、冬黑麦(Secale cerealL.)、冬小麦(Triticum aestivumL.)等。早在殖民时期的美洲,就有学者提出利用茸毛野豌豆(Vicia sepiumL.)和三叶草(TrifoliumL.)等冬季覆盖作物作为下季作物的氮源;1942年,第二次世界大战爆发导致化肥供应短缺,人们再次尝试种植茸毛野豌豆和其他豆类作物替代氮肥;研究发现,黑麦是免耕玉米生产体系中适宜的冬季覆盖作物[2]。覆盖作物不仅能够解决土壤裸露风蚀问题,保护和培肥土壤,而且在杂草防除、病虫害防治、防止冬春季土壤水分蒸散损失和地表(下)水污染、美化环境等方面具有重要作用[2-3]。
覆盖作物利用在我国古已有之,早在3 000年前的周朝就已开始应用覆盖作物改善土壤肥力[2]。目前气候变暖、地下水位不断下降,我国北方农田土壤风蚀成为常发性灾害,农田健康水平下降及化肥农药滥用等导致了严峻的生态环境问题,并影响农业可持续发展,人们不得不重新审视冬季覆盖作物,以期发现新的冬季覆盖作物、认识和挖掘新的利用价值,破解当前的农田生态困境。本文综述了近年来冬季覆盖作物研究进展,探讨了冬季覆盖作物及其生态和经济效益以及对北方农业可持续发展的重要意义,旨在为冬季覆盖作物在农业生产中的研究与应用提供理论与技术支撑。
由于20世纪人们片面追求粮食生产对土壤进行的各种掠夺式经营以及其他人类生产活动与气候变暖的影响,我国北方土壤风蚀加剧、危害程度加重,造成大面积土地沙漠化,是当今最具威胁的环境灾害之一。截至1999年底,全国荒漠化土地总面积达262.2万km2,占国土总面积的27.4%[4-10]。荒漠化土地中,以大风造成的风蚀荒漠化土地为主,占 1.607×106km2[11-15],主要分布于西北、华北及东北地区。其中,河西走廊风蚀带超过700 km2,8 951 km2耕地正在遭受不同程度的风蚀[16];新疆风蚀面积约9.80×105km2,约占全疆侵蚀面积的82%[17];黑龙江风蚀面积达8 906.95 km2,其中西部的松嫩沙地风沙化土地面积已达 5 960 km2[7]。东北黑土区黑土层已由20世纪50年代开垦初期的80~100 cm下降到20~30 cm,每年仍以0.4~0.5 cm的速度在减少[13]。内蒙古后山地区及河北坝上地区近50年年均风蚀厚度为0.1~0.3 cm,山东黄淮海平原0.1 cm以上,陕北长城沿线在0.12 cm以上[11,14-15],河西走廊风蚀带的耕地达0.4~0.5 cm[16]。新疆库尔勒农田土地风蚀深度为0.236 cm·a−1;沙化耕地为0.399 cm·a−1[17]。
土壤风蚀导致农田退化,土地生产力受到严重影响[18]。内蒙古奈曼土壤风蚀造成土壤有机质损失量为22~58 t·km−2·a−1;土壤日有机碳和氮素损失量平均为 1.52和0.15 kg·hm−2[19−20]。在春季风灾严重地区,每年被刮走的肥沃土层高达1~2 cm,折合每公顷流失表土120~240 t,每年每公顷流失全 N 24~48 kg,P2O518~35 kg,全 K 25.2~50.4 kg[13]。青海共和盆地因土壤风蚀损失固体物 质 1.63×106t·km−2·a−1,其中每年 损失有机质3.308×106t,损失 N 和 P2O5分别为 2.583×105和9.200×105t;每年损失粉沙和粘土分别为5.142×107和1.5815×107t。每年仅肥力损失相当于5.605×105t尿素和4.600×106t过磷酸钙的总和[21-22]。
农田风蚀引起的扬尘影响距离达1 000 km左右,影响冰川对太阳光的反射,故土壤风蚀还会使冰川融化加快[23],并带来城市大气污染等问题。京津地区的大气扬尘除85%由当地空气污染所致外,有15%来自西北荒漠及黄土高原的土壤风蚀[24]。石家庄市区地面起尘量总计 28 559 t·a−1,裸地年起尘量占市区起尘量的21.2%[25];天津2002年大气颗粒物来源解析结果显示,土壤风蚀尘的分担率全年平均达27%,居各排放源之首[19]。土壤风蚀起尘是造成城市空气颗粒物污染超标的主要原因之一。
我国北方以春小麦、春玉米等春播作物为主,春播秋收的一年一熟制和传统的土壤耕作方式导致农田裸露时间长、表层土壤细碎易风蚀。刘玉璋等[26]研究表明,人为因素引起的风蚀量占总风蚀量的78.6%,对土壤沙化、荒漠化的贡献率达到50%左右,对土壤养分失衡的贡献率为30%左右。农田土壤风蚀主要发生在冬春土壤裸露程度最高时期,裸露耕地常年风蚀量是草地的14.5倍[27],春季起尘量占全年起尘量的 50% 以上[19]。河西走廊农田耕地面积为沙漠面积的47.7%,年产粉尘量达1 560万~1 950万t,但平均输移粉尘量占总起尘量的68.8%,1 hm2春播农田产生的粉尘量相当于1.5 hm2沙漠产生的粉尘量[16]。李少昆等[28]研究表明,南疆巴楚冬小麦与林地输沙量均为0.236 g·cm−2,而活化灌丛沙堆为 0.389 g·cm−2,前者为后者的60.7%;和田苜蓿地输沙量为0.125 g·cm−2,弃耕砂质农田为 4.665 g·cm−2,前者为后者的2.7%。在内蒙古中部春季风蚀高发期,平均土壤日风蚀量为 241.20 kg·hm−2[12,17]。李昂等[29]对甘肃省酒泉市肃州区研究显示,9月到翌年5月,裸露地平均土壤风蚀量为23.97 kg·m−2;1年生甘草地平均风蚀量为10.67 kg·m−2,4 年生甘草风蚀量为4.72 kg·m−2,较裸露地降低了96.1%。可见,土壤风蚀发生的根本原因在于缺少地表覆盖物,农田裸露导致土壤风蚀发生,为沙尘暴的形成提供了重要沙尘源[30]。
土壤表面不同形式的覆盖物由于隔断了风、水等侵蚀因子与土壤的直接接触,能够有效减少风雨侵蚀所造成的水土流失。甘肃砂田是我国人民创造的一种防止水土流失的无机物覆盖方式;美国及加拿大等国家或地区在收获作物时进行高茬收获,在田间保留长茬就是为了避免农田土壤表面长期裸露所采用的有机覆盖方式[1]。
冬季覆盖作物是一种生物覆盖方式,主要功能是在土壤表面形成植被覆盖层。在覆盖作物生长期间,一方面减缓、减少地表径流,使更多的雨水渐渗进入土壤,同时减少地面水分蒸发。虽然覆盖作物生长中的蒸腾作用要消耗一定土壤水分,但在冬季被低温、冰雪杀死后就不再消耗水分,它所形成的覆盖层能有效减少水分蒸发,从而保存土壤水分。由于我国北方冬季漫长,冬季覆盖作物冬前生长期短、越冬期短,通过覆盖减少蒸发量保存的水量远远大于其生长所消耗的水分。土壤颗粒表面附着薄膜水时,水膜的静电作用使颗粒间的粘着力增大,增加土壤抗御风蚀的能力[30-31]。故冬季覆盖作物的直接作用是在土壤和侵蚀因子间形成隔离层而减少风蚀,减轻了土壤水分蒸散而保持土壤水分;同时,土壤含水量的增加有助于减轻风和水造成的土壤侵蚀。
化肥的使用是现代化农业必不可少的环节,但同时,化肥过量使用所引起的环境污染也日益严重。我国在占全球7%的耕地上使用了超过全球30%的化肥[32]。2008年,我国化肥用量5 239万t,占世界总用量的31.4%,但利用效率不到30%,单位面积施肥量达到340.8 kg·hm−2,远远高于发达国家为防止水体污染提出的225 kg·hm−2的临界值。2010年第一次全国污染源普查公报公布,我国种植业氮流失总量与磷流失总量分别为159.78万、10.87万t,分别占全国主要污染源物排放总氮和总磷的34%和26%[33];2016年单位面积化肥用量已达 359 kg·hm−2[34]。过度使用的化肥渗入土壤,土壤胶体很少吸附硝态氮,很容易流入地下水和江河湖泊,而化肥中其他形态的氮在土壤微生物的作用下也很容易转化为硝态氮,污染地下水体,受污染的水域中硝酸盐和亚硝酸盐含量剧增,改变生态环境。这种农业污染使人类饮用水中的硝酸盐、亚硝酸盐含量超标,同时,氮挥发释放N2O进入大气,加剧温室效应,也导致土壤健康水平下降,有害物质排放增大,加剧农田退化,降低其生态服务功能,对农业的可持续发展形成了重大隐患和威胁[35]。
化肥对环境的污染主要是氮污染。降雨时化肥中的氮素随地表径流进入水源或地下水,随地下水进入井水和江河,从而造成污染。化肥的这种污染主要发生在农田裸露闲置期或休闲期。在有作物生长的情况下,由于植被对地表的覆盖和作物对土壤水分、养分的消耗利用,进入环境的氮素基本上得到控制。作物收获后,一方面当季施入的化肥还有一部分残存在土壤内;另一方面,作物残体的分解亦可释放出大量可溶性氮素,此时,土壤表面没有植被生长,大量氮素无法被吸收利用,还会通过下渗和地表径流造成水源污染。在地表覆以作物残渣虽可有效控制氮素随雨水地表径流进入水源的问题,但不能控制氮素进入地下水后随地下水进入江河的问题。由于覆盖会导致土壤水分增加,还可能加剧江河污染。在农田的闲置期种植覆盖作物可解决农田裸露问题,一方面植物较之植物残渣能更有效地控制地表径流;另一方面,覆盖作物能将土壤中的可溶性氮吸收固定在植物体内;同时,植物的蒸腾作用使土壤水分降低,并且不是流向地下而是流向植物根系,从而有效控制硝酸盐进入地下水。种植覆盖作物有可能成为一项简便易行、投资少、收效大的控制化肥污染水源的方法。所以,覆盖作物因其能够减轻乃至控制化肥对环境的污染而应受到重视。
覆盖作物能否被农业生产者接受,很大程度上取决于其经济效益。如果因种植覆盖作物而降低了主要作物的产量,经济效益下降,即使覆盖作物有控制污染、保持水土等积极作用,也不易被农业生产者所接受。覆盖作物对主作物产量的影响因覆盖作物种类、种植方式、当地的土壤气候条件以及年度间气候等不同而不同。连作导致土壤养分失衡、作物产量下降,而轮作倒茬则能提高产量。种植冬季覆盖作物,相当于在轮作体系中新增加了一次轮作,有利于提高作物产量。这种增产作用不仅在于覆盖作物的轮作倒茬能平衡土壤养分,还在于能够减轻病、虫、杂草的危害。目前作为覆盖作物利用的植物主要有冬小黑麦、冬黑麦、冬小麦等禾本科作物及豌豆、毛苕子等豆科作物。豆科覆盖作物和根瘤菌共生,通过固氮作用将空气中的分子态氮转变为植物可以利用的氨态氮,大气中的N2转变为植物体内的含氮化合物。在玉米、小麦等主要作物播种前后将其杀死,植物体内的氮素就逐渐以植物能够利用的形态释放出来,供玉米等主要作物利用,在减少化肥使用量的同时提高了主要作物的产量。禾本科覆盖作物虽不能固氮,但其从土壤中吸收氮素的能力远强于豆科作物,能有效防止土壤中的氮素向下移动到根际以外和进入地下水,能将本来会损失掉的那部分土壤氮素固定在其体内,当其死亡分解后将体内所含的氮素留在土壤中,增加土壤氮素含量。当土壤中残留的禾本科植物组织被土壤微生物分解时,不但不能将其中的氮释放出来,还会吸收土壤中的可溶性氮素来满足微生物自身生长的需要,从而使玉米等在其生长早期处于氮饥饿状态。禾本科覆盖作物往往导致玉米等产量降低。所以,豆科、禾本科混合作为覆盖作物,可以解决氮素平衡,提高主要作物产量更为理想。
在农业生态系统中,农作物将太阳能转化为化学能,生产有机质,为系统内的一切生物活动提供能量基础。在一季有余、二季不足的地区,农田裸露闲置期的光热条件虽然不能满足主要农作物生产之需,但剩余光热能可为其他冬季覆盖作物的非主要植物利用。冬季覆盖作物生长到一定阶段,可收获其营养体作为家畜饲草饲料或覆盖作物之用。无论是单纯作为防水土流失的覆盖物,还是作为绿肥,或是作为饲草饲料,覆盖作物所固定的能量对维持农业生态系统的健康具有重要意义。
近年,我国冬季覆盖作物研究取得重要进展,目前研发推广应用的主要有冬油菜、小黑麦、冬亚麻荠、冬毛苕子、冬小麦、二月兰[Orychophragmus violaceus(L.)O.E.Schulz]等。冬油菜、冬亚麻荠为强冬性十字花科作物,播种量小、宜于飞播、播种简单、成本低、生长快,而且营养体大、覆盖度高、植株及残茬腐烂分解快;冬毛苕子等为豆科植物,能固氮,但营养体小、种植成本高;冬黑麦、冬小黑麦、冬小麦等为禾本科,抗寒性强、耐迟播,但营养体小、种植成本高、植株及残茬分解慢。豆科与禾本科覆盖作物的缺点主要在于用种量大、不宜飞播、种植成本高。
甘肃农业大学等研究显示,冬油菜和冬小麦春季地上枯落物干重分别为252.5和85.2 g·m−2,地表覆盖度分别为 95.0% 和 70.2%[36-37];李琳等[38]等研究报道,冬油菜、小黑麦和冬小麦的地表覆盖度分别为90.0%、72.0%和88.0%。赵秋等[39]的研究也证实,冬季覆盖作物与冬闲田处理的覆盖度和地上生物量差异显著;二月兰、毛苕子、冬黑麦、冬油菜和草木樨地上部生物量分别为 6 059、6 520、3 620、6 880 和 4 034 kg·hm−2,分别 为 冬 闲 田(1 125 kg·hm−2)的 538.58%、579.56%、321.78%、611.56%、358.58%;冬季地面覆盖度分别为94.1%、97.5%、82.7%、95.2%和76.5%,显著高于冬闲田(11.2%)。王学芳等[36]研究显示,冬季覆盖能够显著降低风蚀量,冬油菜、冬小麦、麦茬的风蚀模数分别为22.3、23.3、83.5 kg·hm−2·h−1,分别为春播处理(543.6 kg·hm−2·h−1)的4.10%、4.28%、15.36%。二月兰、毛苕子、冬黑麦、冬油菜和草木樨等作物覆盖的风蚀总量分别为 45.66、36.28、71.69、49.65 和 99.68 g·m−2·min−1,分别为冬闲田(245.55 g·m−2·min−1)的18.59%、14.77%、29.20%、20.22% 和 40.59%,冬油菜、毛苕子和二月兰覆盖的抗风蚀能力尤其明显[39]。李琳等[38]研究表明,春播裸露地表起沙量达65.02 g·min−1·m−1,冬油菜、小黑麦和冬小麦起沙量分别为0.29、0.74和0.78 g·min−1·m−1,与裸露地表相比,起沙量分别降低了99.55%、98.86%和98.80%。蒋学玮等[17]研究显示,新疆南疆绿洲外围2 km宽的植被带,覆盖度由0增至15%~20%,风速可降低37%~40%;覆盖度由0增至35%~40%,风速可降低48%;覆盖度由0增至55%,风速可降低54%,同时可降低流沙量达50%~90%。研究显示,植被覆盖度达到60%左右即可基本解决土壤风蚀问题[11,15]。
甘肃农业大学在甘肃省武威市的试验结果显示,冬油菜和冬小麦春季最大吸水量为1 226.3和517.0 g·m−2,最大蓄水量为 973.8 和 412.8 g·m−2,均高于裸露地和麦茬覆盖等地表类型;0—10 cm土壤含水量为11.8%和8.5%,分别为春播处理的2.62、1.88倍[37]。赵秋等[39]研究显示,二月兰、毛苕子、冬黑麦、冬油菜和草木樨土壤含水量分别为21.36%、21.52%、21.57%、23.5%和22.77%,分别为冬闲处理(20.69%)的103.24%、104.01%、104.25%、113.58%、110.05%;冬闲田、二月兰、毛苕子、冬黑麦、冬油菜和草木樨土壤田间饱和持水量分别为48.82%、52.50%、54.68%、52.68%、58.61% 和55.34%,冬季覆盖作物较冬闲田增加8.50%~20.80%。上述结果主要原因在于冬季覆盖作物虽在生长前期消耗一定水分,但在越冬期间由于叶片干枯,地表有枯叶覆盖,减少了土壤水分蒸发,故具有良好的保水效果。同时,土壤水分的增加增大了土壤起动风速,对减轻土壤风蚀具有重要作用[2,40]。
冬季覆盖作物有助于改善土壤容重和孔隙度状况,增加有机质含量。赵秋等[39]研究显示,二月兰、毛苕子、冬黑麦、冬油菜和草木樨等冬季覆盖作物处理的土壤容重分别为1.24、1.26、1.23、1.21和1.25 g·cm−3,分别为冬闲田(1.30 g·cm−3)的95.38%、96.92%、94.62%、93.08%、96.15%;土壤总孔隙度分别为49.52%、48.71%、49.66%、50.61%和48.98%,分 别为 冬闲 田(46.94%)的 105.50%、103.77%、105.79%、107.82%、104.35%;土壤有机质含量也均高于冬闲田处理。王学芳等[37]研究表明,冬油菜和冬小麦的土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶及微生物量的损失量均极显著低于裸露春播处理,冬油菜地表1 g风干土中的土壤有机质、碱解N、速效P、速效K、过氧化氢酶、脲酶、碱性磷酸酶、转化酶活性和微生物量等的损失量,分别是裸露春播地表的1/6、1/8、1/3、1/2.6、1/15、1/64、1/11、1/6和1/26。此外,冬季覆盖作物处理的全碳和有机碳含量也均呈上升趋势[33]。
冬季覆盖作物成熟早,为改传统的一年一熟为一年二熟/二年三熟周年绿色覆盖生产提供了时空条件。2015—2016年,甘肃农业大学等先后在甘肃省武威、会宁、庆阳等地进行了冬油菜/冬小麦+玉米/大豆/向日葵/马铃薯/荞麦/糜子/饲草/蔬菜的周年覆盖绿色高效种植模式试验示范,周年覆盖种植模式总收益均高于小麦或玉米一季种植模式,其中,在甘肃省武威市冬油菜复种马铃薯、冬油菜复种青玉米和冬油菜复种玉米的经济效益分别较对照(玉米)高215.5%、125.8%和119.4%(表1)[40-41]。
表1 冬季覆盖作物及其不同种植方式经济效益[40-41]Table 1 Winter cover crops and economic benefits under different planting methods[40-41]
进入21世纪后,我国生态环境问题日趋严峻,农业生产也面临各种亟待解决的问题,如土壤风蚀、干旱、地膜污染与化肥污染等,需要通过创新农业技术、特别是创新覆盖农业技术来解决所面临的问题。冬季覆盖农业技术是人们解决自然条件严酷地区水热资源不足和土壤风蚀问题、保护生态环境、提高综合效益的创新与发明。冬季覆盖作物及其高效环保生产技术节本增效、环境友好,无论是经济效益、生态效益,还是社会效益,均具有显著优势[40-41],发展以冬季覆盖作物为核心的农田覆盖环保栽培技术,是解决北方风蚀区农田风蚀与生态环境问题、提高经济与生态效益的有效途径。
近几十年来,基于农业生产的需求,冬季覆盖作物及其高效环保技术研发取得了重要进展。从目前的情况看,美国主要是利用禾本科与野生豌豆等豆科植物作为覆盖作物[3,42],主要推广和应用既防止土壤风蚀,又提高土地生产力和增加土地经济效益的农田管理技术[3,15,42]。我国北方土壤风蚀沙化区冬季严寒,且蒸发量大,研究人员针对冬亚麻荠、冬小麦、冬油菜等作物越冬问题进行了多年协作攻关,取得了显著成效。东北农业大学等先后育成了东农冬麦1号、牡冬麦1号、苏引6号等一批强抗寒冬小麦品种,在新疆、宁夏、陕北、长春、黑龙江等地试种成功,越冬率达到85%以上,冬小黑麦、冬小麦产量达6 000 kg·hm−2,较春播品种增产20%以上[43];甘肃农业大学等研发出抗−30℃极端低温的超强抗寒冬油菜等十字花科冬季覆盖作物品种[44-47],覆盖度达95.0%左右,生物产量(干物质)达15 000 kg·hm−2,旱地籽粒产量可达3 000 kg·hm−2,较春播油料作物增产30%以上;同时,研发出毛苕子等豆科覆盖作物[36],提出了多种北方风蚀区冬季覆盖作物配套栽培技术与高效环保种植模式[40-45]。这些技术及抗寒冬季覆盖作物品种的研发成功,使北方冬季覆盖作物的推广和应用有了坚实的技术保障和支撑[40,43-45],既解决了冬季覆盖问题,提高了生态效益,又有效提高了经济效益,使农业生产与环境保护有机结合。
农业生态问题如风蚀、农药化肥污染、土地生产力衰退和生态服务功能下降等均与农田裸露有关。发展冬季覆盖作物是投资最少、见效最快的生态环境保护措施,也是藏粮于地的重要举措。我国北方地域辽阔、生态条件差异巨大,现有冬季覆盖作物与覆盖技术不能满足不同产业、不同生态条件的需要。如何根据不同生态区的特点将冬季覆盖作物纳入种植体系,解决覆盖作物与主作物之间的合理搭配是发展和推广应用冬季覆盖作物需要解决的主要问题。因此,需要对冬季覆盖作物品种培育及利用等关键技术进行研发和集成优化,形成适应不同地区现代农业的冬季覆盖作物及集成技术,因地制宜发展具有中国特色的冬季覆盖作物与周年覆盖高效环保种植技术体系。
在我国现行的农业价值观中,冬季覆盖技术的生态效益本身未赋予任何价值,是否增产成为农业技术是否值得推广和应用的唯一标准。冬季覆盖作物及周年覆盖高效环保种植技术对于农业可持续发展的重要性尚未被我国国民、农业科技工作者和政府官员所认识。要在科学研究基础上计算出冬季覆盖作物的生态效益价值,作为农业技术的重要参数和经济指标。要立章建制,更新农业价值观,使“裸露有害、覆盖有益”的理念得到普及,加快生态效益货币化、市场化、经济化,保障我国农业可持续发展。