填閑種植及其在黃土高原旱作農業區的可行性分析

王 俊,薄晶晶,付 鑫

1 陜西省地表系統與環境承載力重點實驗室, 西安 710127 2 西北大學城市與環境學院, 西安 710127

尋找可持續的管理措施以實現農田生態系統穩產、固碳、增益目標是當前農業生態學研究的主要任務之一[1]。在主要糧食作物收獲至播種的休閑期間種植填閑作物(cover crop 或 catch crop)[2-3]可以增加地表覆蓋,保護土壤。填閑作物通常并不用于經濟生產,但在其生長期間,可以通過生物量積累攝取土壤中多余養分,用于降低土壤硝態氮淋溶,防止土壤和水體污染[4]。而在糧食生產系統中,填閑作物通常在生長一定時間后可以翻耕入土用作綠肥(green manure)以補充土壤養分供應或者刈割收獲后用作飼草[5-6]。已有研究表明,這種耕種方式具有改良土壤結構、增加額外碳輸入、促進養分循環、刺激微生物活性、提高土壤肥力和作物產量、抑制雜草生長和病蟲害以及控制土壤侵蝕等多種生態效益[7],因此,近年來在世界很多地區得到了大面積推廣。

黃土高原地區是我國主要的旱作農業區之一,農業生產以種植業為主,種植業又以糧食作物為主。除具有灌溉條件的地區外,其他地區大部分采用旱作一年一熟的耕作制度,其中以小麥和玉米單作一熟制最為常見[8]。在這種傳統耕作制度中,無論是夏糧區還是秋糧區,糧食作物收獲后均會出現幾個月的休閑期。以冬小麥系統為例,每年6月中下旬小麥收獲,9月中下旬播種,期間伴隨約3個月的夏季休閑用于儲存降水。然而休閑期間正值雨季與夏季高溫并行,大量水分由裸土表面蒸發損失,降雨利用效率較低[9]。在降水有限的條件下,系統高生產力的維持需要持續的肥料投入,而這又會引起溫室氣體排放增加及土壤硝態氮淋溶等系列環境問題。因此,能否考慮將填閑作物代替裸地,建立一個可持續的糧食作物-填閑作物輪作系統以實現穩產、固碳、減排目標是一個值得深入探討的命題。本文通過文獻梳理,分析填閑作物種植引起的農田土壤水、肥、生產力等生態過程以及環境和經濟效益形成過程的變化規律,旨在探討填閑種植在黃土高原旱作農業區的可行性。

1 填閑種植研究進展

1.1 填閑種植的土壤生態效應

與傳統裸地休閑相比,引種填閑作物其生長、翻壓、腐解過程均對土壤生態過程產生了顯著影響,具體表現在改變水分循環、改善養分供應、刺激微生物活動和改良土壤結構等幾個方面。

填閑種植對農田土壤水分循環的影響主要體現在生長耗水、抑制蒸發和增強土壤保水能力三個方面。而對后續糧食作物而言,最重要的是休閑期間的降水儲存效率、播前土壤水分貯量以及水分周年平衡是否會發生顯著變化。與裸地休閑相比,填閑作物生長過程中需要蒸騰耗水,因此如果遭遇嚴重干旱年份、填閑作物自身生長需水較大或者管理不當(例如沒有提前收割),填閑種植可能會導致土壤水分的過度消耗。已有研究表明,填閑種植對土壤水分平衡的影響程度與當地氣候條件、填閑作物類型和管理措施(如種植時間長短、收割方式等)有關。例如Ward等[10]在澳大利亞西南部、Restovich等[11]在南美潘帕斯地區以及Whish等[12]進行的模擬研究均表明,種植填閑作物對旱作農田水分平衡以及后續糧食作物水分利用并沒有產生很大影響。Krueger等[13]在美國西部玉米單一連作系統研究發現,冬季填閑作物(黑麥草)在玉米播種前2—4周終止對土壤水分沒有影響,但如果推遲到播種前2天收割則加劇了土壤水分消耗。而Daigh等[14]在美國中西部地區發現,在極端干旱年份,在玉米-大豆輪作系統中引入黑麥草不僅沒有降低土壤水分,反而改善了表層土壤水分條件。究其原因,可能在于填閑種植改善了土壤物理結構,包括降低土壤容重[15]、提高土壤孔隙度和透氣性[[16]、提高土壤持水能力和水分入滲能力[17]等。例如Blanco-Canqui等[17]進行的15年長期試驗研究表明,土壤入滲能力在種植填閑作物后提高了3倍。另外與裸地相比,填閑種植顯著增加了地表覆蓋,也有助于土壤水分保護與恢復[10]。

除了影響土壤水分循環外,引種填閑作物也直接改變了土壤碳氮循環過程和土壤養分的有效性。與裸地休閑相比,種植填閑作物增加了額外的碳輸入,因此被認為是一種非常有效的農業固碳措施[3, 18-19]。Poeplau等[3]進行的一項文獻分析研究發現,填閑種植系統表層土壤有機碳年均增加速率可達(0.32±0.08) Mg/hm2,全球尺度固碳潛力可達到(0.12±0.03) Pg C/a。盡管多數研究均顯示土壤有機碳在填閑種植后顯著增加,但其增加幅度取決于氣候(尤其是降水)、土壤質地、填閑作物類型以及管理方式等因素[18,20- 23]。例如de Rouw等[21]在熱帶地區試驗表明,引種填閑作物種植并沒有增加免耕系統的碳輸入,沙質土壤由于團粒構成較差,種植冬季填閑作物帶來的土壤碳輸入也很有限[23]。Sainju等[24]在北美平原的研究表明,在灌溉農業區填閑種植對提高土壤碳含量和土壤質量方面較旱作農田效果要更為明顯。另外有研究表明,豆科較非豆科填閑作物在將生物量碳固定成土壤碳方面似乎更為有高效[18,20,22]。例如Mazzoncini等[22]進行的15年長期試驗研究表明,非豆科填閑作物的固碳速率為0.17 Mg C hm-2a-1,而豆科填閑作物則可達0.41—0.43 Mg C hm-2a-1。與冬季種植填閑作物相比,夏季填閑作物由于具有更高的生物量輸入,其平均固碳速率和碳活化力(lability)也更高[19]。除此之外,也有研究表明填閑作物在短期內對土壤有機碳含量無明顯影響[25],但會改變土壤活性碳分組比例[24,26]。

與裸地休閑相比,填閑種植還可以有效改善土壤養分供應能力。填閑作物根系殘留(地上部分用作飼草)或翻壓還田用作綠肥后,其殘余分解則可以為后續糧食作物提供一種“可更新的氮源”,產生顯著的“氮肥效應”,減少農田化肥用量[5,27- 30]。Hubbard等[29]在美國東南部的3年試驗表明,填閑作物通過生物量輸入可使土壤全氮含量提高0.1—0.5 mg/kg。Murungu等[30]在南非的研究表明,冬季填閑作物分解過程中可以釋放出大量氮磷養分,翻壓124天后,野豌豆生物量只剩了7%,最大凈氮磷礦化分別達到了84.8 mg N/kg和3.6 mg P/kg,而非豆科的燕麥干物質則剩了40%,氮磷凈礦化則僅為13.7 mg N/kg和2.8 mg P/kg。Ovalle等[31]研究表明,豆科填閑作物每年約有10%的生物量氮返回了土壤,相當于27%—30%的化肥回收率。但需要注意填閑作物殘余礦化釋放氮磷養分與后續糧食作物養分吸收的同步性問題,因為填閑作物作為綠肥使用時,其真正意義上的養分貢獻只有在后續糧食作物養分需求旺盛時期進行同期礦化釋放才能成立。

引種填閑作物除了對土壤碳氮循環產生較大影響外,也必然會影響到土壤的理化性質和微生物活動。Zhu等[15]和Blanco-Canqui等[32]研究發現,填閑作物使表層土壤容重降低了4%,且提高了土壤水分入滲能力和土壤團聚作用團聚體及穩定性。而Chavarría等[33]研究發現,填閑種植顯著增加了土壤總細菌和革蘭氏陽性菌生物量,并提高了土壤酶活性。趙娜等[34]在渭北旱區的研究結果表明,種植不同的夏季綠肥均能夠降低土壤容重,提高土壤有機質和速效鉀含量,且3種綠肥處理土壤肥力和其他性狀指標的無明顯差異。而李紅燕等[35]研究發現,引種長武懷豆和油菜能夠增加土壤的速效養分和酶活性,培肥效果優于綠豆和毛葉苕子,且生物量可能是其影響作用的主要控制因素。填閑種植對土壤理化性質和微生物活動的影響總體來說是正向的,但相關機理性研究還有待進一步深入。

1.2 填閑種植的環境效益

填閑種植的環境效益,主要體現在影響溫室氣體排放、減少土壤氮淋溶和控制土壤侵蝕等方面。填閑作物翻耕入土后,增加了底物供給,直接改變了土壤溫室氣體排放過程[36]。多數研究表明,引種填閑作物,尤其在其作為綠肥期間顯著刺激了土壤呼吸過程[36- 38],其中填閑作物生物量和土壤碳氮比是兩個主要影響因素[31]。Bavin等[38]研究表明,冬季種植黑麥草由于其殘余分解顯著提高了土壤CO2累積釋放量。根據Basche等[39]的文獻分析,約60%的試驗結果顯示填閑種植刺激了N2O排放,而另外的40%則報道了相反結果,變異性主要來自于氮肥用量、填閑作物類型、翻耕與否、測定時間及降水狀況,尤其是降水量及其變率越高,填閑種植對土壤NO2排放的刺激作用就越明顯。而Sanz-Cobena等[36]在地中海地區農田系統的研究表明,填閑種植顯著促進了農田土壤CO2和N2O排放,但對土壤CH4吸收沒有影響。需要注意的是,填閑種植在刺激溫室氣體排放的同時也增加了土壤有機碳的輸入,填閑種植能否起到固碳減排效果主要取決于增加的碳輸入能否足夠補償增加的溫室氣體排放[38]。

填閑作物除了增加土壤氮供應外,在其生長期間可以吸收土壤中前季剩余的硝態氮,從而可以降低氮素淋溶,防止土壤和地表水體污染[3- 4,40- 41]。Tonitto等[2]綜述指出,種植非豆科和豆科填閑作物后土壤硝態氮淋溶平均可分別減少70%和40%。Salmerón等[42]的對美國灌溉玉米系統模擬結果也顯示,填閑種植導致硝態氮淋溶下降了31%。然而近期基于北美和歐洲地區相關試驗進行的一項Meta分析結果表明[43],種植冬季填閑作物對氮淋溶的影響存在較大變異,從減少78%到增加36%,變異性主要來自于氣候因子、土壤性質和管理措施(尤其是糧食作物的氮肥用量)。近年來,為了提高作物產量,黃土高原地區氮肥施用量快速增加,但由于作物吸收移除的氮相對穩定,導致土壤氮殘留也越來越大,深層礦質氮累積和氮淋溶現象也越來越嚴重,引種填閑作物可能是降低氮淋溶,控制土壤和水體污染的一個重要手段,相關工作尚未見報道。

填閑作物增加了地表覆蓋,同時通常還具有很高的根系密度,能夠顯著改善土壤團聚作用和土壤強度[44- 45],從而產生良好的水土保持效益[32,46- 47]。例如在北美平原地區,Griffin等[47]發現,盡管引種黑麥草和紅豆草對馬鈴薯集約種植系統的產量影響不大,但可以通過改良土壤結構、提高團粒穩定性來顯著減少土壤侵蝕。Blanco-Canqui等[32]的研究也表明,免耕冬小麥系統種植冬季或春季填閑作物后,土壤風蝕和水蝕敏感性均有顯著下降。最近Basche等[48]利用APSIM模型模擬研究表明,冬季填閑系統在美國中西部地區能防止約11%—29%的土壤侵蝕,引種冬季填閑作物和免耕相結合后,由降水徑流導致的土壤流失量降低了90%,僅在填閑作物種植期間土壤侵蝕量較休閑處理降低了98%。黃土高原土壤侵蝕嚴重,引種填閑作物能否改善本地區農田土壤結構、防止土壤侵蝕尚待進一步研究。

1.3 填閑種植的經濟效益

填閑種植是否會影響后續糧食作物的生長和產量形成主要取決于氣候條件、填閑作物類型和管理方式等因素[49- 51]。不少研究發現,由于較高的生物輸入量改善了土壤肥力狀況,填閑作物可以有效地提高后續作物產量[52-53]。例如Balkom等[52]的研究表明,與夏季休閑相比,夏季引種印度麻使后續玉米產量提高了1.2 Mg/hm2。Bergkvist等[53]在瑞典南部的試驗研究表明,由于出色的供氮能力,在不施肥條件下種植豆科三葉草可使后續大麥干物質增加1.9—2.4 Mg/hm2。然而Tonitto等[2]綜述發現,非豆科冬季填閑作物對后續糧食作物產量影響不大,而引種豆科填閑作物后糧食作物產量較裸地休閑平均下降了約10%,但由于減少了約28%的氮肥需求,因此對產量的總體影響仍是正面的。Kramberg等[54]、Salmerón等[55]的研究均表明,種植非豆科填閑作物會導致后續作物產量的下降。采用增施氮肥、混播等合理的管理方式有助于解決非豆科填閑作物對后續作物產量的負面影響問題。例如Sainju等進行的系列研究[20,24,56]發現,黑麥草與野豌豆作為填閑作物時混播要比各自單播更能提高后續糧食作物產量。

不同的作物種類和耕作措施將會影響農業生產的整體成本,種植填閑作物能否在改善土壤質量和環境效益的同時提高其經濟效益,是決定填閑種植是否被農民接受而得到廣泛推廣的重要因素,但目前相關研究相對較少。一方面,引種填閑作物會增加種植成本,這既包括填閑作物播種、收獲和耕作過程產生的燃油、機械、勞動力等直接和間接的成本投入[57],也包括填閑種植改變土壤水肥和產量形成過程產生的間接成本變化。國外學者Igos等[58]的研究結果表明,填閑種植黑麥草不會有額外的經濟效益,并且由于種植成本的不確定性(填閑作物產品價格、燃油價格)等,在不同地區引種填閑作物對成本投入的增加幅度不同。然而,種植填閑作物尤其是豆科綠肥,能夠顯著提高土壤肥力,減少化肥投入,合理的填閑管理也能有效提高糧食作物產量,增加經濟收入,因此填閑種植的經濟效益可能并不一定就是負面的。例如Chen等[59]研究發現,在小麥連作體系中引種扁豆提高了后續小麥產量,從而提高了種植系統的經濟效益,但是與將扁豆作為綠肥還田相比,先收獲小扁豆籽粒并將剩余部分還田管理模式就有更高的經濟效益。

2 填閑種植在黃土高原旱作農業區的可行性分析

2.1 填閑種植的土壤水分限制作用

黃土高原地區農業生產以旱作為主,干旱少雨是影響黃土高原農業生產的主要限制因素,而夏季休閑期時正值雨熱同季,不僅光熱資源白白浪費,而且地表因缺乏植被覆蓋,大量水分以蒸發的形式損失,休閑期儲水效率平均僅為35%—40%[60]。根據作者在陜西長武進行的觀測結果[9,61],本地區冬小麥單一連作系統夏閑期降水貯存效率多年平均僅為28%—34%,這意味著大約60%—70%的休閑期降水被無效蒸發。因此,引種填閑作物是否能夠起到防止土壤蒸發,以及是否會過度消耗土壤水分進而影響后續糧食作物生長是決定填閑種植在旱作農業區能否適用的首要問題[62]。

如前所述,填閑作物生長一方面會消耗土壤水分,另一方面則可以通過遮蔭抑蒸降低水分損失,并通過改良土壤物理結構來促進水分有效存貯。近年來,國內已有學者在黃土高原旱作農業區開展了綠肥填閑種植試驗研究,但就填閑種植的水分效應而言仍存在較大矛盾。例如張樹蘭等[63]、仇化民等[64]進行的小麥試驗結果表明,種植填閑作物并不會影響土壤水分以及下一季糧食作物的水分利用,甚至可以通過改善土壤團聚結構提高表層土壤含水量[65]。而鄧建強等[66]對隴東旱塬冬小麥-飼草輪作的研究發現,引種飼用油菜顯著降低了小麥播前土壤貯水量。李婧等[67]、趙娜等[68]在黃土高原南部進行的研究也表明,在冬小麥播前,夏閑期種植綠肥0—200 cm土層貯水量較夏季休閑相比降低了17.3%—20.6%,對填閑作物進行提前翻壓是避免土壤水分過度消耗的有效措施[67]。

填閑作物品種、降水狀況以及有效的管理措施可能是限制填閑種植在黃土高原旱作農業區推廣的關鍵因素。一方面,不同填閑作物對水分的需求狀況存在較大差異(圖1)[69],在旱作農業區應優先選擇一年生寬葉、中低耗水作物品種,如夏季填閑系統中可以種植非豆科的珍珠米、狐尾草、莧菜和豆科的鷹嘴豆、豇豆等,冬季填閑系統中可以種植大麥、燕麥、黑麥草、紫花豌豆、小扁豆、羽扇豆、埃及三葉草等。另一方面,黃土高原地區降水多年平均年降水量等值線從東南部的800 mm左右遞減至西北部不足200 mm[70],具有極大的時空變異性。根據張樹蘭等[63]、仇化民等[64]研究,在種植制度上一季有余、兩季不足、年降水量500 mm左右的東南部半濕潤易旱區地區,小麥收獲后引種填閑作物是可行的。而在降水偏少的半干旱地區目前尚未見填閑種植系統的相關報道,需要開展區域降水梯度上的對比研究。另外本地區降水年內和年際間分配均極不均勻[70],降水多集中在夏季休閑期。姚致遠等[71]發現在夏休閑期降水豐富的年份,種植綠肥較裸地在小麥播前土壤貯水量減少了9—60 mm,而在較干旱的年份,綠肥種植導致小麥播前土壤貯水量減少了60—110 mm。因此,填閑種植要根據休閑期降雨量的多少而進行適時調整,通過控制填閑作物種植時間(提前翻壓或收割)、降低種植密度等措施避免土壤水分過度消耗[67]。

2.2 填閑種植的肥力效應

黃土高原地區土壤有機質含量遠低于全國平均水平[40],填閑種植能否提高土壤有機質也引起國內不少學者關注。按照傳統的填閑種植方式,填閑作物收獲后大多被作為飼料和燃料移除(尤其是甘肅、寧夏、青海等地),由于土壤存留的根茬生物量有限,因此對土壤有機質的貢獻并不大[56]。而如果將填閑作物翻壓還田用作綠肥,則能起到顯著的固碳效益。例如趙娜等[68]在陜西長武的試驗發現,在小麥播種前種植并翻壓一季長武懷豆較裸地對照耕層土壤有機質含量增加了1.0 g/kg。姚志遠等[71]研究也發現,與休閑處理相比,種植并翻壓綠肥處理的土壤有機質、活性有機質含量在冬小麥收獲后分別提高了3.9%—11.7%和3.2%—7.6%,且綠肥種植在不施肥條件下對土壤有機碳的提高效果更為顯著。除增加土壤有機質外,填閑種植在黃土高原地區也能夠顯著改善土壤氮素供應。例如張達斌等[5]研究表明,旱作冬小麥田夏閑豆科綠肥還田后土壤全氮含量增加了4.5%—10.8%。趙娜等[34]則發現,與夏季休閑相比,綠肥翻壓入土4周后土壤全氮含量就有增加的趨勢,在小麥收獲后,長武懷豆處理土壤全氮仍提高了5.9%。而姚志遠等[71]研究結果表明,引入豆科綠肥4年后,土壤全氮含量并沒有明顯變化。雖然不同研究地區引入綠肥對土壤全氮的影響效果不一,但在相同的施氮水平下,在夏閑期種植綠肥均會導致土壤礦化氮的提高。王崢等[72]研究發現,種植綠肥處理的土壤剖面都有明顯的硝態氮積累峰,且綠肥還田對土壤硝態氮的影響主要發生在200 cm以上的土層,而李富翠等[73]研究發現,種植綠肥雖提高了硝態氮含量但對銨態氮含量沒有影響。

需要注意的是,填閑作物種類和管理措施(播種、翻壓、耕作、施肥等)對填閑種植的肥力效應具有顯著影響。豆科填閑作物能夠通過生物固氮作用為后續糧食作物提供更多的有效氮。由于碳氮比差異,豆科作物殘余分解速度更快,其生物量氮的釋放要更快速有效[2,67]。非豆科作物具有更好的吸氮能力,因此種植后容易導致土壤出現一個氮虧缺狀態,另外由于具有較高的碳氮比,其殘余分解時可能會造成土壤氮固定,因此非豆科填閑作物種植后一般需要增施氮肥加以補充土壤氮庫[27]。胡鐵成等[74]研究得出,引種4種不同豆科綠肥后0—100 cm土壤硝態氮積累量均有不同程度地提高,而引種非豆科綠肥則降低了硝態氮含量。目前來看,黃土高原地區的相關研究多集中在豆科綠肥種植,對非豆科填閑作物的固碳效果和養分釋放能力的研究較少

涉及。另外填閑作物的肥力效應可能與終止翻壓時間、耕作與施肥等管理措施有關,例如Sainju等的研究[20,24,56]發現,豆科與非豆科填閑作物混播要比各自單播具有更高的固碳能力,并能顯著提高土壤供氮水平。李紅燕等[35]在黃土高原地區的研究發現,綠肥在小麥收獲后播種的方式較小麥收獲前播種對土壤養分的改善作用更為明顯。而王崢等[72]研究結果表明,綠肥在小麥播前翻壓處理的土壤有機質含量顯著高于在小麥播種前15天翻壓處理,表明綠肥播前翻壓更有利于提升土壤肥力。此外,已有研究表明,綠肥對土壤肥力的影響與綠肥翻壓的生物量有關,一定程度上翻壓的生物量越大培肥效果越好[75],若綠肥翻壓的生物量過小則起不到改良土壤的作用,但過多作物秸稈還田會影響后續作物出苗率[2,54],因此合理的綠肥翻壓還田量也是有效改善土壤肥力的重要手段。

2.3 填閑種植的產量與經濟效益

在黃土高原地區,引種填閑作物對后續作物產量的影響研究結果不一。張春等[75]進行的試驗表明,夏閑期種植4種綠肥均可以不同程度的提高冬小麥產量,冬小麥的穗數、穗粒重和千粒重較裸地休閑處理分別提高了30.5%—51.9%、27.6%—37.4%和3.8%—10.9%。楊寧等[76]則發現夏閑豆科綠肥與冬小麥輪作對后續冬小麥產量沒有顯著影響,但輪作第二季后冬小麥產量顯著提高。而李可懿等[77]在陜西長武的試驗發現,翻壓一季豆科綠肥會導致后續小麥產量減低9.7%—26.6%。趙娜等[68]則發現夏閑期種植綠肥顯著降低了后續作物冬小麥的可用水量,其對小麥生長的影響從苗期就已經出現,并最終導致了產量的下降。

黃土高原地區降水匱乏,糧食作物產量通常不高,即使增加投入通常也不一定可以獲得較高的產量,因此本地區的農民通常會選擇成本最低的裸地休閑耕作方式。而部分農戶在夏閑期會種植蕎麥、糜子、蔬菜等填閑作物,其主要目的就是在糧食農作物受災減產后,還可以將這些作物用作飼料或燃料來彌補損失。惠文森[78]通過在休閑期種植三種不同的豆科牧草發現,引種豆科牧草不但不會對后續小麥生產造成不良影響,每畝還可以收獲約1000 kg鮮草,產生較高的經濟效益。然而姚志遠等[79]研究表明,盡管在夏休閑期種植綠肥能減少氮肥的投入,但化肥成本的減少幅度相對于種子和田間管理成本的增加幅度來說幾乎可以忽略不計,且豆科填閑作物收割時,其籽粒未能作為經濟產物收獲,填閑種植反而降低了冬小麥單一連作系統的經濟收益。因此綜合來看,通過抑蒸保墑和提高肥力,從而提高后續作物的產量和經濟收入水平是填閑種植在黃土高原地區能否得到推廣的關鍵因素,應合理選擇耗水少的填閑作物品種(圖1)[69],控制種植時間并降低種植密度,盡量避免出現土壤水分耗竭而導致后續糧食作物減產。

3 研究展望

作為典型的旱作農業區,干旱缺水、土壤肥力水平低是限制黃土高原地區農田土壤生產力提高的兩個主要因素。如上所述,填閑種植系統具有改良土壤、提高土壤肥力和養分有效性,以及固碳減排、防止污染、控制侵蝕等多種生態效益,因此在本地區引入填閑種植來代替傳統的裸地休閑方式,實現資源高效利用,對傳統的旱作農田系統而言將是一個有益的嘗試,具有一定的可行性。盡管近年來國內已有學者對引種豆科綠肥的土壤水分、養分和作物生產力效應已展開了不少試驗性研究,但總體來看,填閑種植系統在黃土高原地區大面積推廣的理論研究體系尚未建立。考慮到氣候條件、填閑作物種類以及管理措施對填閑種植的重要影響,今后應對以下幾個問題開展深入研究：

1)填閑種植系統生產力形成機制。水肥是黃土高原旱作農田生產力形成的兩個主要限制因素,然而填閑作物種植后引起的水分消耗與土壤養分提高相對于后續糧食作物生產而言是一對矛盾體。前者可能會直接影響當季作物生產,后者則有助于提高作物-土壤系統的可持續性,這也也是導致填閑種植系統作物產量出現波動的主要原因。因此,應結合區域氣候條件,開展長期定位研究,將填閑種植的水肥兩方面效應有效結合,開展不同區域和水熱梯度上的對比觀測研究,闡明填閑種植系統生產力的形成機制。

2)填閑種植系統關鍵環境效益的形成機理。填閑種植增加了土壤有機碳的輸入,但也可能刺激了溫室氣體排放,從作物-土壤系統角度分析能否真正起到固碳減排效果值得深入研究探討。另一方面,填閑種植通過吸收土壤中多余礦質養分、改善養分循環過程的同時也起到了減少污染和化肥使用的效果,但這種效果在化肥用量不斷增加的黃土高原旱作農業區究竟如何尚不明確。另外黃土高原地區土壤侵蝕嚴重,引種填閑作物能否改善本地區農田土壤結構,保持水土,相關研究尚未見報道。需要針對填閑種植的固碳減排、減少淋溶污染和防止侵蝕等關鍵環境效益或影響的形成機理開展深入系統研究。

3)填閑作物選擇與管理措施問題。國內引種填閑作物種植研究較少,且大多數集中在豆科綠肥引種植措施的研究上。豆科和非豆科填閑作物對土壤水分、碳氮循環及環境等方面的影響作用差異明顯,因此應選擇合適的填閑作物,控制種植時間和田間管理方式來降低土壤水分消耗,改善土壤肥力。另外由于氣候區和耕作制度差異,黃土高原地區夏閑期水熱條件相對較好,填閑種植具有較強的可行性；而冬季休閑期相對時間周期較長,溫度偏低,可以考慮引種耐低溫低耗水的冬季填閑作物,這方面的工作尚待開展。另外在黃土高原“一年一熟”的寒旱區引種填閑作物,熱量是否能夠滿足作物生長需求也需要進一步研究。

4)填閑種植系統的生態經濟評價。填閑作物種植系統的經濟效益是影響填閑種植方式推廣和應用的重要因素。如何在改善土壤質量和環境效益的同時,通過選擇合理的填閑作物和耕作管理方式,降低成本投入,提高經濟產出,今后需要針對不同的填閑種植系統開展生態經濟分析研究。

5)填閑種植系統生態經濟效益綜合評估。填閑種植在黃土高原地區具有大面積推廣的理論基礎,考慮到當前的全球氣候變化背景,從生態系統可持續性角度分析,亟需在相關生態過程觀測與機理分析研究的基礎上,結合區域未來氣候變化情景,針對旱作農田填閑種植系統的生產力形成、固碳減排、減少淋溶、防止侵蝕效益以及經濟效益進行綜合模擬和評估。