農業生產中輪作可持續性的研究進展

普布多吉+格桑卓瑪+頓珠+徐容容

近年來許多研究指出，輪作可以在增加糧食產量的基礎上保持或者提高土壤有機質含量，實現可持續生產。土壤有機質是土壤中含有碳、氮的組成和結構不均的有機化合物，其是表征土壤質量的重要指標，影響著土壤中的各個生態過程，對土壤多種理化性質都有影響，其主要來源為土壤中的動植物殘體和有機肥料。有機質含量豐富的土壤中營養元素不易流失、利用率較高，微生物活動旺盛，利于作物生長和環境保護。

1 對土壤有機質含量的影響

土壤有機質（SOM）包括腐殖質、動植物殘體和微生物。研究指出輪作植物中的豆科植物因其較強的固氮能力，根系活動較為旺盛，因此提高了養分有效性，增加了作物產量。

對苜蓿的研究指出，豆科植物能夠促進土壤有機質的積累，主要是因為豆科植物根際含氮量較高且根系發達，其成熟后的殘留根系或植株留在土壤中增加了土壤肥力。另一方面，發達的根系促進了根際微生物的生長，因此在實際農業生產中常將豆科植物作為綠肥還田或者進行輪作。

作為土壤有機質中的重要部分，土壤有機碳（SOC）反應了土壤的理化性質和肥力，有機碳含量豐富的土壤更適宜農業生產。輪作可以提高土壤有機碳含量，原因可能是與休閑相比，輪作過程中植物體增多，相應的土壤微生物含量也增加，而土壤中植物殘體和微生物殘體都會提高土壤的有機碳含量，也可以說輪作過程中施入土壤的碳含量有所增加。但不同作物的種植方式不同，對碳的固定能力也有差異。在實際輪作過程中可以考慮依據作物的生理特性選擇合適的輪作模式。

輪作過程中有機碳含量會隨著土深的增加而減小，親緣性越小的植物進行輪作時土壤中的有機成分差異越大，因此會促使各種微生物的生長，產生更高的微生物量碳；此外，親緣性較小的植物在輪作過程中會促進營養物質的高效利用，比如利用早稻與蔬菜在氮、磷營養特性上的差異，提高了營養物質的表觀利用率，減輕了營養物質的過度積累。

2 對土壤腐殖質含量的影響

作為有機質的重要部分，腐殖質與土壤中的微生物密切相關。輪作增加了土壤中的微生物多樣性，由此可推斷土壤中的腐殖質含量也會增加。土壤有機質累積條件下，腐殖質的礦化速率會受到限制，此時微生物的活動變得更加重要。許多輪作系統通過種植綠肥來提高土壤中的腐殖質含量，并且對微生物多樣性產生了深刻的影響。微生物-腐殖質-植物三者之間的影響是相互的。種植綠肥會使根際的不動桿菌和假單胞菌含量上升，而這兩種微生物在促進植物生長方面發揮了重要的作用。

3 對土壤團聚體的影響

土壤團聚體是可以表征土壤肥力的結構單元，是有機-無機物組成的綜合體。它的存在意味著土地有著比較優良的持水透氣性能，疏松性適宜。土壤有機質含量與土壤團聚體的形成—密切相關，或者說土壤團聚體、微生物量碳（MBC）和土壤有機碳（SOC）的含量是密切相關的。有機質中的多糖和腐殖質在土壤團粒的形成過程和穩定性方面起著重要作用，其中腐殖質是土壤團聚體形成的膠結劑。

土壤中的微生物會通過胞外聚合物等吸附土壤顆粒從而促進土壤團聚體的形成，研究指出促進土壤團聚體的形成又可以提高微生物應對干旱脅迫的能力，促進微生物生長。此外，MBC作為SOC的重要組成部分，與其相關的土壤團聚體決定了土壤儲存SOC的能，SOC對土壤結構和相應的性質（如土壤保水性、容積密度）的影響也是通過促進土壤團聚體的形成實現的。有機質含量的增加會促進土壤中營養元素含量的增加，而土壤團聚體與土壤有機物含量的關系意味著土壤團聚體也會影響SOC含量，事實上，土壤團聚體中的有機碳的穩定性與團聚體大小密切相關。

4 對土壤中氮磷元素的影響

土壤中的氮磷等作為重要的營養元素，是植物生長的必需物質，大多數研究指出輪作過程中土壤有機質含量增加時氮磷含量也會有所增加，或其流失量降低，系統的可持續性增強。農業生產中對氮磷研究較多的為其有效態。有效磷也可稱為速效磷，是指可以被植株直接吸收的磷，土壤中的有效磷含量比較高時，植物體對磷的響應就會更好；有效氮也可稱為堿解氮，包括無機態氮和一部分有機態氮，其與土壤有機質含量密切相關；速效氮是可被植物直接吸收的氮，一般來說，速效氮小于或等于有效氮。輪作會提高土壤中的有效元素含量或者速效元素含量，并提高土壤肥力。

5 對作物產量的影響

研究指出，輪作會提高作物生產潛能，減少害蟲和疾病，并會提高作物的生態服務功能。與小麥連作相比，輪作可以顯著提高小麥籽粒量和秸稈量，但不同的輪作方式對試驗結果也有一定影響，分析指出這主要是輪作系統促進了作物對氮、鉀、鐵等元素的吸收。

從有機質角度分析，輪作可以提高土壤中的有機質含量，從而促進作物產量的增加。在對包括玉米和大豆的不同輪作系統進行試驗后，結果表明適當增加輪作系統的作物多樣性可以提高或維持玉米和大豆的產量，同時減少了農業生產對環境的不利影響，但也有研究指出并不是輪作系統中作物多樣性越豐富越有利于產量的增加。即便如此，輪作中的作物多樣性仍是其系統高效和持續化的重要原因。

在生物角度分析，輪作時土壤中的微生物種類和數量會有較大變化，其會促進作物對營養物質的吸收，從而提高作物產量，改善作物質量。此外，土壤中也含有多種可以影響作物生長的動物，輪作所帶來的土壤性質的變化同樣會影響相關生物的活動特性。并不是所有的輪作形式都有利于作物生長，比如當將玉米與牧草輪作時，危害玉米生長的金線蟲含量反而增加了，因此玉米的產量會相對減少。

（作者單位：1.858700西藏吉隆縣氣象局；

2.858300西藏聶拉木縣氣象局；

3.851100西藏浪卡子縣農牧局）endprint