耕作制度及土壤管理.doc

耕作制度及土壤管理任何耕作措施或土壤管理计划的主要目的都是保持生产能够持续获利。自1935年开始，美国土壤保持局（Soil Conservation Service）在这方面给予了很大关注。土壤保持实质是良好的土壤管理，其内容远不止防止土壤流失。无论是植物养分不足，还是耕作制度不合理，土壤侵蚀都是土壤管理不良的症状。侵蚀是土壤破坏的症状而不是原因，主要原因是缺乏养分，尤其是缺氮。第一节 产量趋势美国作物产量自1900年以来逐步提高，但其显著增长起始于1950年代（参见第一章图1-1）。1982年美国三种主要作物，玉米、大豆和小麦的平均产量各为480公斤/亩、144公斤/亩和159公斤/亩。玉米和小麦是创纪录的高产，而大豆产量平了1979年达到的高产水平。改良品种、增加密度、防治病虫、改进耕作和增加施肥等，都对增产有贡献。19301979年美国明尼苏达州农民种植玉米所采用的一系列技术和管理措施汇入表14-1中。各种技术改进对玉米增产的贡献见于表14-2。表14-1. 50年(1930-1979)间美国明尼苏达州每十年玉米生产措施所发生的变化措施10年平均值30年代40年代50年代60年代70年代1979杂交品种播种面积(%)8829698100100各种播种方法所占百分比(%)方形穴播9070471缺资料穴播245510缺资料条播294589缺资料播量(株/亩)205022202590262031003320肥力粪肥(吨/亩)1.21.10.930.870.60.53商业肥料施肥面积(%)缺资料缺资料14.067.093.095.0总量(公斤/亩)0.33.44.65.815.815.3氮(N) (公斤/亩)缺资料缺资料1.12.26.57.5磷(P2O5) (公斤/亩)缺资料缺资料1.61.053.73.4钾(K2O) (公斤/亩)缺资料缺资料0.660.992.12.2绿肥(草木樨)(百万亩)2.44.531.2病虫草防治中耕次数3.03.02.82.61.61.5除草剂处理面积(%)-痕量12588993杀虫剂处理面积(%)-4293233耕作秋耕(%)21缺资料70666272春耕(%)79缺资料30262610深松或少耕(%)-81218行距(厘米)107107102969190播种日期，5月212120191311*虫害玉米螟传播经济侵害水平玉米根叶甲传播经济侵害水平产量(公斤/亩)134164210285356419*最后5年平均。资料来源：Cardwell. Agron. J., 74: 984 (1982).表14-2. 1930-1979间美国明尼苏达州生产措施的变化引起的玉米增产栽培措施或限产因素及其增减产单位变化率或变化值1930比1979相差*对1979年产量的贡献公斤/亩净收益(%)1930年前产量水平(公斤/亩)-134-杂交品种双杂交(公斤/亩)24.7100%的面积24.79三杂交(公斤/亩)10.917%的面积1.91单杂交(公斤/亩)20.975%的面积15.76遗传收益(公斤/亩/年)2.450年121.743肥料N(7.5公斤N/亩时公斤/公斤N)18.993%玉米面积133.547植株密度(2050株/亩以上时公斤/百株)47.4127060.321除草剂(公斤/亩)69.993%的面积6523行距(公斤/亩/厘米)0.68-17厘米11.54播种日期(公斤/亩/天)2.4310天24.38条播对穴播(公斤/亩)27.279%21.58秋耕(公斤/亩)29.351%14.95轮作 大豆(公斤/公斤N)18.91.7公斤N/亩32.311 苜蓿/三叶草(公斤/公斤N)18.9-0.48公斤N/亩-9.1-3草木樨(公斤/公斤N)18.9-1.1公斤N/亩-21.2-7干扰效应(公斤/亩)58.3-33%的面积-19.4-7粪肥(含N约0.5%) (公斤/公斤N)18.9-2.23公斤N/亩-42.2-15有机质(%/年)-0.02750年=1.35%-38.1-13虫害玉米螟(公斤/亩/虫/株)-12.31.2虫/株-14.7-5玉米根叶甲(公斤/亩)-29.732.5%的面积-9.7-3土壤侵蚀(公斤/亩/厘米) (-0.1厘米/年)-4.650年=5厘米-23-8不明减产因素-65-23净收益2851977-1979年产量水平419*参照表14-1中30年代和1979年的实际水平。资料来源：Cardwell. Agron. J., 74: 984 (1982).1950年以前产量增长缓慢的部分解释见图14-1。根据美国俄亥俄州的估计，18701930年这60年中土壤生产力下降了40%。这大体上与对18901950年间美国衣阿华州土壤生产力所做的估计相符，且与肥力水平关系密切。土壤有机质以及供氮已呈现下降趋势。磷、钾、钙、镁和硫等元素的取走一般大于以粪肥和商业化肥形态归还的数量。图14-1. 1950年以前产量增长缓慢的部分原因美国俄亥俄州自1870年以来改良措施本应使1930年单位面积产量提高40%-60%，但累计增产却低于15%，改良措施仅稍高于补偿土壤生产力的降低，只有采用合理的土壤管理计划才能提高产量。Ohio State Agr. Ext. Serv. Bull. 175 (1936)补偿因素的结果，如改良品种、栽培措施、机械、排水，增加施肥和施石灰，防治病虫害等，使18701930年间美国俄亥俄州的玉米产量增长了约15%。假如保持了土壤肥力，使用这些开发的技术，作物产量本应增加40%60%。俄亥俄州的资料表明，仅用某段时期的产量趋势来衡量土壤肥力是错误的。19301982年间，俄亥俄州的作物产量增加了2倍。在全美国具有同样显著的增长。技术迅速进步使产量显著增长，肥料只是其中一项。美国农业部1964年估计，如果取消氮、磷肥料，伊利诺斯州的玉米可能减产37%，佛罗里达州的葡萄柚可能减产94%，亚利桑那州的苜蓿可能减产34%。现在这些数值可能还会更大。假若对衣阿华州的玉米不施肥，就可能需要再多29%的土地。这将意味着由于不适宜的土地投入生产，遭受侵蚀的可能性更大。在发展中国家报道过更令人震惊的结果。墨西哥小麦产量从1943年的51.7公斤/亩增加到19781980年的240公斤/亩（80%灌溉）。虽然干旱地区水比肥更是限制因子，但包含频繁夏休闲的种植制度使土壤肥力和生产力严重下降。在干旱地区改进管理措施，尤其是在不好的年景，同在较湿润的地区一样重要。例如，美国大平原的9个州19301939年和19501956年间年降雨量极低，分别只有518毫米和526毫米。但小麦产量差别很大，30年代为47.5公斤/亩，而19521956年为68.1公斤/亩。大多数低雨量地区土壤生产力的下降多与风蚀和水蚀以及休闲期易移动养分向深层的渗漏有关，并非真是作物耗竭了肥力。与之相反的是东南部的土壤，本身肥力较低而且已经集约耕种了100200年。实验站小区和先进农民的产量不断增长至关重要，因为他们对应该怎样做起着引导作用。在那里种植在试验田的作物产量不断增加，州平均产量也会不断增长（尽管仍比试验站的低得多）。这表明了继续集中研究以克服产量限制因子影响的重要性。第二节 耕作及土壤的管理目标所有耕作制度的目的均应是为农业措施维持最高的利润。评价作物和土壤管理制度维持高产的效果时，有几个因素必须牢记在心：(a)有机质和土壤耕性；(b)植物养分供应；(c)草、虫、病害发生率；(d)水分吸收和土壤侵蚀。由于土壤特性不同，因此需要不同的管理措施。比如，有一种富含有机质的粉粘壤土可能耕性良好，采用降低耕性的管理措施在短期内不致发生问题。另有一种粉壤土，有机质含量低，可能耕性不良，用同样的管理措施马上引起麻烦。最重要的是按照管理的需要来评价土壤。应该利用试验数据来说明管理措施对不同土壤的影响。图14-2表明，不能认为侵蚀理所当然，重要的是必须以尽量减小水蚀、风蚀破坏性影响的方式进行生产。美国1/3以上的耕地都遭受严重侵蚀，这足以使土壤生产寿命大大缩短。表14-2表明，侵蚀抵消了美国明尼苏达州为达到更高玉米产量所取得的进步。图14-2. 1977年美国土壤保持局所进行的国家资源调查发现的土壤侵蚀Fraedrich. Farm Futures, 8(9): (1980)第三节 土壤有机质一度曾特别强调土壤有机质含量是土壤生产力的一项指标。随着氮肥用量增加，依赖有机质释放氮来获得玉米、小麦等作物的高产是不必要甚至不明智的。曾几何时，加拿大草原上夏休闲地被认为供氮自足，但现在其中20%以上需要化肥氮。Bradfield（1963）对此总结如下：对大多数农民来说，在他们的土壤中得到更多有机质惟一的经济办法是在他们自己的农场上生长更多的有机物质。更大的作物意味着更多根、更多茎秆和残茬及更多牲畜饲料，因此有更多有机肥料还田。种植这些较大作物最便宜的办法是用更充足的化肥和良好培肥的轮作，土壤经过如此管理得以从化肥中取得最大效益。这需要最好的种子、最合适的栽培措施和最有效地利用全部有机残留物。有机农业加上化肥将在我们的丰产土壤上获得更高的产量和更多的有机质。应该维持还是提高有机质含量?回答这个问题有必要考察有机质的一些功能：(a)具有养分（如氮、磷、硫、硼、锌等）库的作用；(b)提高离子交换量；(c)为微生物活动提供能量；(d)释放CO2；(e)提高持水量；(f)稳定结构、改善耕性；(g)提供表面保护从而减少结块和增加渗透；(h)减轻压实影响；(i)缓冲土壤酸度、碱度和盐度的急剧变化。有趣的是，有机质的这些功能，除保护表面和防止压实外，大多数都依赖其分解。因此，生产大量残茬及其随后的分解对良好的作物和土壤管理必不可少。很明显，北极地区作物营养问题之一是低温阻止有机质分解，有机质甚至积累在砾石脊上。相反，亚热带和热带虽产生大量有机质，但其分解极快。仅仅为了维持而维持有机质不是农业的实用方法。应用保持最高利润生产的管理系统更现实。土壤有机质最大的来源是当季作物提供的残茬。因此，选择种植制度和残茬处理的方法同等重要。合理的管理和施肥能提高产量，这是农民关心的主要问题。高产还会产生大量副产物-有机残茬。所以，为达到高产而管理土壤的同时也改良了土壤。美国密执安州立大学的工作人员指出：“我们用来夺取高产的措施最好地保护和培肥了我们的土壤”。一、耕作制度的影响耕作制度通过以下几种方式影响土壤有机质。(一)耕作可增加通气性，因而促进微生物活动，增加土壤有机碳的损失据报道，有机质下降最快的是在开垦耕种后最初的10年，尔后几十年继续以逐渐递减的速率减少，最后达到表观平衡，在美国大平原北部盛行的耕作条件下大约为40年后达到。因此，行播作物比例大的耕种制度比密植作物或草皮植物为主的耕作制度使有机质损失快得多。在一些情况下，耕作增加了富含有机质而施氮不足的土壤上非豆科植物的产量。这可能部分地与通气改善对有机质分解和随后氮释放的影响有关，而且新的表面不断暴露，使土壤有更多湿润和干燥的机会。当然，所有这些都造成土壤氮的逐渐耗竭，增加了土壤有机碳的损失（表14-3）。表14-3. 美国北部大平原不同土壤上残茬覆盖和常规管理制度下耕作引起的处女草地碳损失土壤深度(厘米)碳损失率(%)蒙大拿、北达科他及怀俄明州*北达科他州格兰特县*残茬覆盖常规015.241273815.230.520714*每州两个田间站，耕种40年后于1950年取样。* 36个农场地块耕种约70年后于1979年取样。资料来源：Bauer和Black. Soil Sci. Soc. Am. J., 45: 1166 (1981).(二)耕作过度有促进土壤侵蚀的趋势耕作过度导致有机质和其他组分的物理损失。但在耕种或休闲期开始的最初耕作通常可改善土壤结构、孔隙度和粗糙度，增加水分渗透和土壤抗侵蚀能力。(三)各种耕作制度提供不同的作物残茬量粒用玉米每亩可向土壤提供0.51.15吨茎，0.160.33吨根。青贮玉米茎叶和籽粒都被取走。禾本科-豆科饲草可生产大约同等数量的残体，但大部分都在刈草中和放牧时被取走了。小粒谷物产量高时，如果禾草留在田里可返还0.5吨残茬，但取走禾草就只有0.08吨还田。花生的地上部、仁果和许多根都被移走，这是一种促使有机质更快损失的耕作制度。在养畜计划中，牲畜消费籽粒和植株部分，只有部分有机质能还田，然后粪肥施在最靠近畜舍的地里。(四)各种耕作制度中植物残茬含氮量与土壤有机质的积累密切相关如果翻下的残茬含氮低，大部分碳将分解为CO2逸走，直至碳氮比达到101或121。施足氮肥的玉米茎叶中可能至少含氮1.0%，虽然认为含0.75%的更典型。反之，施少量氮肥的玉米秸中也许含量低于0.5%。从这点和产出更多有机物来看，施足肥比少施肥的玉米禾茎在维持有机质方面更有效。大多数含氮1.5%的作物残体无需增加氮量使之更迅速地分解转变为腐殖质。第五章已讨论过残茬分解需要足够的氮。已有不少加入额外的氮对加速残茬分解和促进土壤有机质形成的影响的讨论。表14-4中的数据表明，给分解的麦秸增加供氮，在增大含氮百分比和提高边际碳浓度的同时，也能大大降低C/N比。表14-4. 无土培养63天麦秸分解中施硝硫酸铵对C/N比和氮及碳浓度的影响处理时间C/NN(%)C(%)秸秆起始1070.3840.4秸秆加氮300.3840.4秸秆63天后1160.3540.8秸秆加氮760.5541.7资料来源：Cochran等. Soil Sci. Soc. Am. J., 44: 978 (1980).在某些条件下，缺硫可阻止有机残茬分解。这在第八章中已做过讨论，该章指出一些条件下必须施用硫肥促使施用的有机物分解。(五)土壤有机质已在许多地区不同土壤上做了大量工作来确定耕作制度对土壤有机质的影响。总的来说，处女地土壤上开始的试验即使用最好的耕作制度也难维持其土壤有机质。在试验开始前有机质已被耗尽的土壤上，草地或密植作物以及中耕次数少的作物比例大的种植制度可能造成有机质和含氮量的增加。年均温度高的地区，如美国南部，分解可在1年大部分时间连续进行。在这种环境下难以提高有机质含量。反之，美国北部土壤有机质含量即使耗尽也较易通过某些种植制度来增加，尤其是以少耕并归还较多作物残茬为特点的耕作制度。表14-5的例子很好地说明，在减少休闲频度并增加还田有机残体的制度中，土壤有机质和全氮均增加了。表14-5. 耕种37年后耕作制度和粪肥对土壤氮和有机质的影响轮作方式有机质(%)全氮(%)对照粪肥对照粪肥休闲-小麦3.74.10.190.28休闲-小麦-小麦4.95.50.260.30休闲-小麦-小麦-小麦4.75.50.250.28小麦连作7.27.60.360.38平均5.15.60.270.31苜蓿休闲-小麦-小麦-小麦5.8-0.28-禾本科草休闲-小麦-小麦-小麦6.3-0.31-资料来源：Ridley和Hedlin. Can. J. Soil Sci., 48: 315 (1968).许多因素决定种植制度到底增加还是减少土壤有机质。关键问题是保持大量作物残体（茎叶和根）通过土壤循环。连续的良好管理，包括施足肥，有助于这一点。二、施用植物养分的效果种植制度中石灰和肥料用量不仅影响收获的作物产量及其组成，也影响作物残体生产量。更大量的植物养分带来作物残体量的增加对维持有机质是重要的。另外，提高产量意味着遍布的根系在更深的土壤中分布有机质。(一)氮表14-6的数据表明了氮对玉米籽粒和茎秆产量的影响。施氮量较多不但提高籽粒产量，也使茎秆产量增加50%。籽粒比茎秆产量提高得更快是值得注意的。表14-6. 氮对玉米籽粒的茎秆产量的影响*施氮量籽粒茎秆公斤/亩095.3271.13217.8251.76341.5380.99420.1409.412427.6399.6*施用了足量的磷和钾。资料来源：Krantz和Chandler. North Carolina Agr. Exp. Sta. Bull. 366 (rev.1954).施氮肥和土壤耗氮间的一般关系见图14-3。该图表明，土壤氮的年损失以及土壤有机质损失随大量施氮而减少。如果施氮等于或略高于作物取走的氮，土壤氮损失似乎会减至最小。图14-3. 施氮肥与土壤耗氮的关系。年损失氮随氮以作物含氮百分数表示的还田数量的增加而减少。圆点为高于337.5公斤/亩全氮的土壤；圆圈为低于187.5公斤/亩全N的土壤。Melsted. “New Concepts of management of corn belt soil.” 在A. G. Norman编辑的Advances in Agronomy, Vol. 6. Academic Press Inc., 1954版权在美国伊利诺斯州南部Cisne粉壤上12年间对施过石灰、磷和钾的玉米-大豆-小麦（豆科、禾本科）轮作施用氮、提高土壤含氮量0.014%，含碳量0.15%。(二)磷磷对提高春小麦籽粒和秸秆产量的效果十分显著。应记住，低磷土壤中施足磷肥可增加还田植物残体量。这些残体有助于保持甚至增加土壤有机质。(三)其他养分其他养分，如钾、石灰、硫或微量元素的增产反应，也会增加残茬量。图14-4表明了在增加冬小麦籽粒和秸秆产量方面硫的单独影响和氮-硫交互影响。图14-4. 第四茬小麦作物硫的残效对小麦籽粒及其秸秆的增产效应。施氮量指第一茬小麦施氮量；第二、三、四茬每茬施氮3.7公斤/亩。Ramig等, Agron. J., 167: 219 (1975)(四)增加有机质对土壤养分有效性的影响简单提一下有机质对土壤中固有的养分有效性的影响。有机质分解时释放出大量CO2被认为对释放某些养分，特别是无机磷相当重要。CO2溶于水中形成碳酸，结果降低了土壤pH值。该效应在中性或碱性土壤上相当重要。在这种条件下，pH值的暂时下降会增加其他元素如硼、铜、锌、锰、铁和磷的释放速度。一般认为，有机质分解的某些中间产物可形成络合或螯合离子。磷或某些微量养分与这些离子连结并保持在弱离子化状态。这种离子处于不被土壤固定而能被植物利用的形态。三、表土与底土侵蚀性土壤上营利性作物生产一直是重要的农业问题。众所周知，通常在底土上非豆科作物减产，在通透性好的土壤上这主要由于缺少有机质、继而氮释放降低所致。美国俄亥俄州在移去表土的通透性底土和高粘粒含量的紧实底土上的研究提供了有意思的例证。用玉米、小粒谷物和苜蓿轮作。通透性底土施足石灰、磷和钾玉米产量是生长于表土上产量的95%。因苜蓿提供了氮，故施氮没有明显效应。紧实底土上玉米和豆科作物很难保苗，非豆科作物产量一般很低。一旦苜蓿保住苗，干草产量还是令人满意的。该研究结果表明，通透性好的底土上非豆科作物施氮或在轮作中加入苜蓿可得高产。但在一些年份湿度可能成为限制性因素，因水分进来得少且底土有效持水量较低。问题的另一方面涉及暴露的底土中锌的有效性，有时还有磷和硫的有效性。为灌溉而平整土地裸露出底土，上面种植的玉米和豆科作物等缺锌会变得十分严重。此种土壤上的缺锌由高pH值、石灰、低有机质和土壤压实而加重。土地整平后缺硫似乎主要由于有机质含量低所致。第四节 轮作中的豆科植物多年来，饲用豆科作物在一些轮作中起骨干作用。现在其主要目的是提供大量优质饲料，或是干草或是放牧场。另外的好处是对伴生作物或后作提供氮素。此外，种植豆科作物，尤其是深根的如苜蓿和草木樨，对物理性状不良的土壤也有益处。表14-7表明，5年中豆科后茬种大麦比不施氮且无豆科前茬的大麦总共多吸收氮2.256公斤/亩，产量提高215251公斤/亩。这些数值还有点儿保守，因1969年“非豆科”小区夏休闲使得1970年大麦获得高产，同时吸氮量也高。从中还可以看到，豆科的有益效果在耕翻后最初几年非常明显，甚至5年后继续有残效。表14-7. 豆科后茬大麦的产量和氮吸收不同前茬大麦产量(公斤/亩)*不同前茬大麦吸氮量(公斤/亩)非豆科苜蓿*红三叶草*非豆科苜蓿红三叶草1970236.9147.2251.34.463.35.12197196.9183.1183.11.984.791.65197293.3179.5143.61.984.133.141973114.9186.7172.31.983.472.48197496.9125.7132.81.492.151.82197579.0111.393.3-总计718933.4976.511.8817.8214.19平均122.1154.4161.6-*所有小区施磷、钾和硫。 * 1968和1969年种植。资料来源：Leitch. 见Alfalfa Production in the Peace River Region, pp. C1-C5. Beaverlodge, Alberta: Alberta Agriculture and Agriculture Canada Research Station, 1976.尽管轮作中的豆科如此有益，这一措施并不总吸引种植者。一些地区的豆科作物可能不便被农民利用，或没有饲料作物市场或其导致的土壤高氮水平可能对烤烟等作物有害。在美国西部和加拿大较干旱地区彻底吸取土壤蓄水也是个缺点。第五章开头提到过许多有关根瘤菌和其他共生微生物的固氮作用。但有关轮作中豆科有益特性的几点要在下节讨论。一、豆科固氮单质氮占空气体积的78%。有一类细菌叫做根瘤菌或共生菌，可通过附着在豆科根部、并生成根瘤来利用空气中的游离氮。这种互利关系称为共生现象。细菌进入单细胞根毛而形成根瘤。然后细菌大量增生，向根毛基部生长，刺穿根皮质，结果大量细胞增生，并形成含有数百万细胞的根组织团块的根瘤。根瘤不应和某些线虫感染混淆，后者仅使植物根增粗。根瘤细菌利用寄主植物的碳水化合物和矿物质来固定大气氮。这些氮可被寄主植物利用，也可排到瘤外的土壤被附近生长的其他植物利用，或在豆科植物死亡或翻压后通过根瘤或豆科残体分解释放出来。二、固氮量根瘤菌固氮量随产量水平、接种效率、从土壤中获得的氮数量（无论是有机质分解的还是残留氮）以及环境条件而变。最佳pH值、水分、通气和养分供应是必不可少的。高产豆科作物如大豆、苜蓿和花生含有大量氮。通常植物中全部氮的50%80%由根瘤菌固定。美国伊利诺斯大学的Welch（私人通信）估计，伊利诺斯州的土壤上每35公斤大豆取走1公斤土壤氮，而且大豆固定植株总氮量的45%以上。但浅色土壤上大豆可固定80%以上的氮。其他豆科植物表现得大同小异。与禾本科混种的饲用豆科一般为两种作物供氮。但在南部，因生长季较长、轮牧以及更充分地利用牧草，故要对禾本科-豆科混播草场施用N-P-K化肥。三、豆科作物固氮与商业氮肥从前轮作中包括豆科作物的原因之一是供氮，但随着合成氮工业的发展可使用并不昂贵的氮肥，农业不再依赖豆科提供这一元素。农民应选择须遵循的计划已变成一门经济学，他们应选择使投资产生最大净收益的计划。未来氮肥的成本尚不肯定。第十章讨论过天然气原料成本的增长对氮肥生产成本的影响。结果人们再次对豆科作物作为非豆科作物需氮的部分可代替来源的可能性产生极大兴趣。但很显然，若每45公斤玉米需氮1公斤，每公斤氮值2.2美元，即使氮肥投入成本达4.89美分/公斤玉米仍可获得利润。某些地区，尤其一些热带国家，得不到商业化肥或种植者没钱买。因此，精心设计的包含豆科的种植制度对于帮助非豆科生长供氮则至关重要。但主要障碍是经常缺少合适的豆科植物种类。当豆科作物在养畜农业体系中作饲料时问题就不同了。豆科具有双重目的，饲养牲畜和为粮食作物提供部分氮素。此系统中豆科作物必须至少提供部分饲料。另一种方法是只种禾本科饲草并重施氮肥。饲养试验表明，豆科作物优于施氮的禾本科牧草。豆科作物一般品质好，包括高蛋白、高矿物质浓度和各种有益的生物化学差异。四、豆科作物可为玉米提供大量的氮素一般认为，玉米生产必须施氮肥补充豆科固定的数量。生长良好的苜蓿向一般产量的玉米提供足够的氮素，但对高产玉米不够。美国俄亥俄州的试验结果表明，苜蓿后茬玉米需要增加如下氮量：每亩第一年3.75公斤，第二年7.5公斤，第三年11.25公斤，第四年15公斤。豆科作物产生的氮量通常不是固定的。轮作中依赖豆科为作物供氮，但常常供应不足。这可能由豆科缺苗、接种不好或肥力不足造成。解释试验结果时，有时很难确定是否有足够植物养分使豆科充分生长。翻压长得好的豆科可提供氮素7.5公斤/亩。但农民常过高估计豆科草地的质量而届时只能供给一半或数量更少。另一担心的问题是翻压豆科的时间对残体分解释放有效氮的影响。早翻压将有更多分解时间并积累氮。美国衣阿华州三个地点两年的平均结果表明，马德里甜车轴草和拉迪诺三叶草后茬的玉米产量分别为347和380公斤/亩。但只施氮3.8公斤/亩和7.1公斤/亩的玉米产量分别为376和410公斤/亩。第五节 轮作与连作连作即单一种植。世界各地都有其例-远东的水稻、美国半湿润地区的小麦和南部的棉花。虽然单一种植一度被认为是不良农作制度，但1950年代大大增加的氮肥供应激起在侵蚀不甚严重的土壤上连作玉米的兴趣。已有的资料表明，不同轮作的价值应在不因植物养分供应不足而限制作物产量的条件下重新考察。玉米植株没有什么会使其难于在土壤上立足的内在因素。直到1950年仍用连作玉米小区例示这种种植制度不受欢迎。大多数小区未施充足的肥料，尤其是氮，且又与包含豆科的轮作进行比较。因此，连作玉米表现较差。自那时起，已有更合理的对比。高产条件下的结果表明，连作玉米比轮作玉米产量低15%。美国伊利诺斯大学的Morrow小区试验表明，7年平均产量，连作玉米为577公斤/亩，而玉米-大豆轮作为673公斤/亩。在一些时期缺水时，连作玉米可能优于苜蓿后茬玉米。苜蓿吸取剖面深层的水，使后作玉米可能缺水。连作玉米并非全农场种玉米，而是玉米可能种在更适合的地块而将饲草作物种在其他地上。比如，一座农场有平地和坡地，这位农场主的玉米种植需求和土壤的耕种需要则可通过平地种玉米和坡地种草来解决。用计算来比较轮作和连作玉米的收益。种植者能接受连作玉米在一定程度上产量较低，但经济上更赚钱。一茬作物对下茬可能有不良影响，无论是同一种还是不同种作物。有些证据表明，根释放的物质或残茬分解形成的物质有毒。比较连作玉米与玉米-大豆轮作即为一例。苜蓿后种苜蓿通常不理想，原因不明。异株克生现象是用来描述一种植物对其他作物的拮抗作用的术语。更多有关杂草竞争的这种毒素抑制现象参见第二章。一、病、草、虫的防治单一种植可能导致某些病、草、虫害难于防治。在大多数情况下，引种无关的或不易受影响的作物或采用其他耕种措施将有助于控制这类问题。为控制小麦和其他谷物的根腐病，将合理种植顺序、抗病品种、无病原种子、田间消毒等措施结合起来是必要的。关于氯化物对小麦及其他谷物旱地根腐和全蚀根腐的限制作用的新资料可参考第三章。豆科植物、其他双子叶植物、甚至燕麦、大麦或玉米等谷物通常在小麦发生全蚀病时都适合作替代作物。然而在一些情况下，甚至在苜蓿、大豆和牧草后种小麦这种病仍很严重。谷物根腐病以外的大量病害可通过轮作控制，尤其同时采取种子处理、合理栽培和田间消毒等措施。轮作减轻玉米根腐病，轮作结合田间卫生还减轻几种幼苗病的严重程度。同一块地上易感染的作物应每隔34年种一次。作物倒茬是防治以一年生作物根为食的线虫的重要手段。美国南部常在轮作中用牧草作物控制根结线虫。亚利桑那州种植2年以上抗根结病苜蓿后种植棉花获得可喜产量。二年无草休闲也有效控制根结病，很少能通过作物轮作防治细菌病或病毒病。(一)杂草作物轮作控制杂草的作用取决于特定的杂草和所用方法对它的控制能力。如果农民想种的任何作物中全部杂草都能方便地被控制，作物轮作就不会是防治杂草计划中的重要组成部分。但在有些情况下，对有防治困难的杂草，轮作是必需的。(二)害虫轮作曾是害虫管理的常用措施，但随着1950年代价格便宜且效果好的有机杀虫剂的发展，轮作的应用减少了。现在人们又重新对轮作产生兴趣，因害虫对化学药品产生抗性且投入成本不断提高。对一年中只有很少几代或发育一代需一季以上的害虫轮作十分奏效。主要作物虫害严重问题最突出的例子是北方玉米长角根叶甲。在美国伊利诺斯州和衣阿华州，大豆、玉米轮作已取代了需自动使用土壤杀虫剂以持续控制这一害虫。阿肯色州以大豆代替胡枝子与水稻轮作，最初解决了葡萄肖叶甲（grape colaspis）的问题。轮作只能部分成功地控制棉铃虫。适时播种高粱为棉花防治棉铃虫，而棉铃虫很少伤害高粱。二、土壤耕性的影响一般认为，用今天的土壤管理措施维护大多数土壤的物理性质就不再需要作物轮作了。现今的作物生产措施为土壤提供了良好的植物覆盖并归还大量作物残体。另外，耕作减少，由此而来的压实的有害影响及破坏土壤结构也减少。重要的问题不是单一种植对比轮作，而是涉及两个因素：还田残体量和轮作中所需土壤耕作的性质。轮作能极大改善许多中等和细质地土壤的结构和耕性。草地禾本科和轮作中豆科对土壤明显产生有益影响。先前为生草地的土壤，翻耕时易于破碎并剪切为理想的松软种床。当轮作中种植少耕作物时通常降低细质地土壤上的耕翻牵引力。内排水的改善减少了积水和土壤排掉多余水的时间。单一种植的玉米很独特，因其在许多土壤上能合理保持令人满意的土壤物理状况。补偿因素为玉米单收籽粒时有数吨残体还田，且其很适合少耕并减少土壤上机械作业往来造成的破坏。尚需更多有关轮作中需要深根豆科植物的土壤条件的资料，亦需知道更多关于高施肥行播作物（如玉米）连续生产数年增产的土壤条件。在这竞争的年代，只维持产量是不够的。复种，如小粒谷物-大豆或小粒谷物-玉米，在生长季较长且有可能灌溉的地区三作甚或四作水稻，正在更大程度上予以考虑。一年四作产稻谷1.8吨/亩是可能的。这须最大限度地利用土壤、阳光和水资源。如果肥力充足、病虫防治得好并对品种进行改良，土壤生产力会逐渐提高。因此，要把更多的注意力导向测量每年单位面积的产量。三、两种耕作制度的优点(一)轮作(a)深根豆科植物可在所有地块上循环性种植；(b)具有连续的植被覆盖减轻侵蚀和水分流失；(c)土壤耕性极佳；(d)作物根系营养范围和养分需要不同，如深根与浅根、吸肥强与吸肥弱的、固氮的与非豆科的根系；(e)有利防草防虫，尽管化学药剂正变得更有效；(f)有利防病，改变作物残体助长土壤生物间竞争，有助于减少病原体；(g)拓宽劳力分配且使收入多样化。(二)连作或单一种植(a)利润可能增加；(b)土壤可能特别适合一种作物，如玉米、水稻或牧草；(c)气候可能对一种作物合适，如美国玉米带中玉米比燕麦更适应，小麦在大平原地区更好；(d)机械和建筑费用可能较低；(e)种植者可能更偏爱某一种作物并成为专家，很少有人对种植多种作物又饲养牲畜样样在行，单一种植更需要技能，包括防治害虫，控制侵蚀和施肥；(f)种植者可能不想把时间一年到头花在农作上。第六节 耕作制度的其他肥力效应一、对地表养分浓度的影响各种作物植株中主要、次要和微量养分含量变化甚大。另外，作物会从不同土壤区域吸收养分，因此选择种植顺序对作物营养很重要。深根作物从底土吸收某些养分，当其残体在表土中分解，浅根作物会从残留养分中受益。在土壤中某种特定微量养分接近其边缘含量时，前茬作物很可能极大影响这种元素对后作的供应。例如Collington壤土上连作的黑麦含钼1.1ppm，而黑麦和巢菜轮作则含钼11.1ppm（表14-8）。这表明随着黑麦和巢菜残体在表土中分解，比单种黑麦有更多的钼变得更有效。可能这是一种种植制度或轮作最重要的有益效应，对那些未含在肥料中的元素尤其如此。表14-8. 某些作物植株微量养分组成作物植株微量元素含量(ppm)硼钼铜锰锌钴种在Sassafras壤土上菜豆地上部501.620501120.64胡萝卜地上部300.9181201630.38黑麦151.51248930.30黑麦和巢菜903.417902630.72黑麦草152.919801230.76种在Collington壤土上菜豆地上部752.219405510.24胡萝卜地上部560.8181604600.28黑麦301.115324560.20黑麦和巢菜10011.116804651.32黑麦草302.420801750.30资料来源：Bear. SSSA Proc., 13: 380 (1948).热带及亚热带地区的森林是作物将养分运输到地表的极好例子。枯枝、落叶和茎分解后留下养分形成轮垦的基础，居民清理树木并焚烧，然后种25年。此后表土中养分几乎耗尽，再令土地生长树木恢复元气。二、对土壤磷和钾的影响耕作措施对磷和钾水平的净效应取决于作物收获部分取走的养分、土壤提供的养分和补充施肥。我们已在第十三章讨论过作物养分含量的变化以及轮作施肥所引起的变化。这可以烤烟为例来加以说明（表14-9）。表14-9. 施肥和作物(烟草)养分消耗对土壤养分水平的影响养分收支数量(公斤/亩)土壤养分水平(公斤/亩)NP2O5K2O施5-10-15肥112.55.62511.2516.875施13-0-44肥151.9506.6烟叶取走2256.3751.12511.625净获得量1.210.12511.85与此相反，花生很少施或不施肥，长得好的花生（每亩133公斤花生仁果和167公斤干茎叶）取走的营养元素约为18公斤N/亩、3公斤P2O5/亩和13.9公斤K2O/亩。可以想象，种烟草和种花生的土壤具有很大差别。但这些差异不断趋于减小，因为与烟草轮作的作物只需施少量肥，而与花生轮作的作物重施肥。定期土壤化验能看出肥力水平的变化，而了解取走和添加的养分能帮助解释变化趋势。可惜的是只有不到10%的田地可能被化验。但前面章节中指出的，土壤化验总结在揭示耕作制度对土壤肥力状况的影响时也有效。在研究和推广项目中，利用这些总结在制定全面解决与肥力需要及维持有关的耕作制度问题时会有帮助。第七节 轮作对土壤和水分流失的影响单位面积土壤流失（A）吨/亩/年是降雨（R）、坡长（L）、坡度（S）、土壤侵蚀性（K）、耕作及管理（C）和保持措施（P）各因子的乘积，用方程表示为：A = RLSKCP这里要讨论的主要是耕作及管理，土壤肥力是其重要组成部分。作物产量越高，径流越少；水分进入土壤的比例越大、径流越小。侵蚀是结果，而不是土壤破坏的主要原因。主要原因是缺肥（尤其是氮）和植物群体不足。与土壤流失有关的耕作制度或肥力管理的若干特点如下：(a)覆盖和植物冠层的浓密度。这可防止雨滴冲击和蒸发。蒸腾水分（这样就为更多的水腾出空间）的数量为又一影响因素。残茬和茎秆降低水流速度和蒸发量。残茬翻入土中使土壤更渗水。研究揭示了雨滴像炸弹爆炸一样冲击土壤时的巨大动能，这有助于更好地理解植物覆盖对拦截这种力量的极端重要性。(b)土壤上栽培作物的生长时间对密植作物，如小粒谷物或饲草作物生长时间的比例。(c)与降雨分布和强度有关的作物生长时间。59月间最脆弱。(d)根系类型和数量。(e)还田残茬量。(d)、(e)两条影响土壤结构。USDA的研究人员Wischmeir和Smith确定了作物产量水平对土壤流失的影响。他们研制了一系列曲线表示覆盖和植物冠层对遭受雨滴冲击的土壤流失的减缓效果。美国密苏里州的研究表明，对小粒谷物施肥可减轻侵蚀（表14-10）。表14-10. 对小粒谷物施肥可减轻侵蚀作物肥料土壤流失(吨/亩)大豆茬小麦无肥0.710-18-170.44玉米茬燕麦无肥0.610-18-170.30这些效应主要是施肥使生长的作物覆盖更茂密、根系更发达的结果。美国俄亥俄州东部山地小流域在玉米-小麦-牧草-牧草轮作中，实行改进的措施包括约施3倍的化肥和粪肥量、土壤pH值从5.4提高到6.8，其效应见于表14-11，约增产50%，径流和侵蚀大大降低。管理措施未造成土壤特性间的强烈差异。对径流和侵蚀的效果，部分是因通过春季覆盖迅速更好地保护土表、整个生长季中浓密覆盖和所种作物根系分布更为广泛。采用等高种植而不是垂直坡度的直垄竖行。表14-11. 管理水平对作物产量、径流和侵蚀的影响(1945-1968)现行措施改进措施玉米产量(公斤/亩)340487小麦产量(公斤/亩)100153干草产量(公斤/亩)287520生长季中径流(厘米)1.91.0高峰径流量(厘米/小时)2.31.5玉米地侵蚀量(吨/亩/年)0.7070.207资料来源：Edwards等. SSSA Proc. 37: 927 (1973).第八节 冬季复被作物冬季复被作物秋种春压，可为非豆科、豆科或二者结合。最后一种组合方式有若干优点，可产生大量的有机质，非豆科植物从固氮受益，因非豆科一般更易成活，至少能保证一种作物成苗。一、增加氮利用绿肥豆科作物的重要原因之一是能提供充足的氮。供氮量取决于根和翻压的地上部分的数量。因此植物生长量愈大愈理想。种植非豆科作物时，只有来自土壤的氮和所施肥料氮还田。虽然某些特殊情况下（如烟草种植前）需要非豆科作物，但更常见是选种豆科作物，以其提供的氮对这种措施更有保证。在美国新泽西州研究了不同氮水平的巢菜和黑麦复被作物对青贮玉米生产的影响。施氮量为13.5公斤N/亩的黑麦茬青贮玉米得到4.2吨/亩的最高产量。未施肥的巢菜茬青贮玉米产量略低，为4吨/亩，却获得了单位面积最高的净收入和每吨最低的生产成本。二、增加有机质冬季种植复被作物的好外之一是为土壤提供有机质。有机质当然是影响极细砂壤和细质地土壤耕性的因素。绿肥有助于维持，有时甚至提高土壤有机质。在美国北卡罗来纳州含有机质低的土壤上，结合种植巢菜为复被作物和对玉米施高氮增加了有机质，在有机质含量较高的土壤上维持了有机质水平，改善了水分入渗。对于作物残体还田量较少的轮作，维持土壤生产力特别困难。延长轮作期使之包括充足施肥的小粒谷物、玉米和绿肥作物会有好处。研究发现，这在蔬菜种植地区是必要的。一些地区青贮玉米和高粱面积正不断扩大。这使土壤表面几乎不遗留残茬。收获后立即播种燕麦和黑麦或收前飞播将有助于保护土壤。三、供应养分绿肥中的磷甚至比磷肥更有效，这可能是因其在分解中逐渐释放、局限于施肥的位置、存在有机酸保持其有效性和形成某些复合离子。美国新泽西州的Seabrook农业公司实施了一项有意思的绿肥计划。这家企业种植大量蔬菜，发现有必要从复被作物获取大量有机质以取得蔬菜最高产量。大多数蔬菜只有少量植物残体还田。因此，小粒谷物如大麦或小粒谷物加绛三叶草被有效利用。复被作物及时播种，每亩可翻压0.50.8吨干物质。由于前茬蔬菜作物残留极高的肥分，复被作物生长良好，产生大量有机质，其每亩含氮高达7.5公斤、磷2.25公斤和钾18.75公斤。翻压时施氮以保证有机质迅速分解，更多的肥料直接施于蔬菜作物，但更大份额的养分来自有机质分解。这意味着蔬菜作物只需较少施肥，受化肥损害的机会就少。另外，养分在整个耕层分布。四、防止土壤侵蚀一般认为，防止侵蚀是种植冬季复被作物最重要的作用之一，但其效益与年降雨分布有关。在美国南部，强降雨大多发生在夏季月份。对该问题的重要研究表明，在早春以普通方