进入20世纪, 特别是第二次世界大战以后, 化肥工业在世界范围内迅猛发展。据统计, 20世纪50年代以来, 世界范围内, 化学氮肥用量增加了7倍^[1]。为保障粮食安全, 预计2050年氮肥用量将达到1.3亿~1.5亿t∙a^-1, 是20世纪70年代的4~5倍^[2]。与此同时, 世界农业主要发展方向是农业生产专业化、农场经营规模化、作物布局单一化、生产过程机械化及收获产品经济高效化^[3], 有机肥及豆科作物固氮作用逐渐被边缘化, 豆科作物与禾本科作物轮作及间套作的种植模式在生产中种植面积逐渐萎缩^[4]。进入21世纪, 过量施用氮肥带来了一系列生态环境问题已引起广泛的关注, 特别是温室气体排放增加^[5]、农田生物多样性丧失^[6]、土壤酸化及水体富营养化等^[7-8]。如何构建既不依赖过量的外源化肥投入, 减少农业生产对环境的负面影响, 又能保障粮食安全的新型种植模式成为世界范围内农业科学家、环境保护者、社会大众及农政管理者关注的焦点。因此, 重新审视豆科作物与禾本科作物轮作体系的作用及前景, 对于保障农业可持续发展具有重要意义。

1 豆科作物与禾本科作物轮作的重要作用

豆科作物生物固氮是节约化石能源、降低农业生产成本的重要措施, 是免费的氮肥资源。化学氮肥生产是高耗能的产业, 需要消耗大量化石能源。据测算, 每生产1 kg氮肥需要消耗38 000 kJ化石能源^[9]。全球豆科作物年固氮量高达1.3亿t^[10], 仅此一项节约的化石能源相当于1.69亿t的标准煤。近年来, 世界各国都希望通过发展豆科作物的生物固氮作用来解决氮肥不足、环境污染及能源紧缺等问题。美国中西部地区通过豆科作物苜蓿(Medicago sativa)与玉米(Zea mays)轮作, 每年节省的氮肥成本可以达到5 000万~9 000万美元^[11]。巴西通过种植大豆(Glycine max), 每年生物固氮量可以达到460万t, 节约成本约为1.3亿美元^[1]。因此, 挖掘豆科作物的生物固氮作用, 建立合理的豆科作物与非豆科作物轮作体系是减少氮肥投入、缓解能源压力、降低生产成本、实现农业可持续发展的重要途径。

豆科作物与非豆科作物轮作在世界范围内广泛分布, 是实现农业可持续发展的重要技术。目前, 世界上已知的豆科植物约750个属, 近2万个种, 我国已记载的有172属1 485种, 还有许多豆科植物正在不断被发现和记载^[12]。目前在生产上大面积种植的豆科作物有大豆、豌豆(Pisum sativum)、花生(Arachis hypogaea)、芸豆(Phaseolus vulgaris)、绿豆(Vigna radiata)、红豆(V. angularis)、鹰嘴豆(Cicer arietinum)、扁豆(Lablab purpureus)以及各种豆科牧草等。围绕豆科作物地力培肥作用, 已形成很多豆科作物与非豆科作物的轮作模式, 如古希腊与古罗马的三圃制、英国1730年的诺福克(Norfolk)4年轮作模式以及美国1794年提及的6年轮作模式, 都是豆科作物与非豆科作物轮作的典范^[13]。Vance^[14]研究表明, 豆科绿肥可为与之轮作的作物提供氮大约100 kg∙hm^-2, 相当于节约肥料成本60~90美元∙hm^-2。Gan等^[15]在加拿大萨斯卡切温研究表明, 利用豆科作物代替休闲与小麦(Triticum aestivum)轮作, 在3年的轮作周期内, 籽实产量增加35.5%, 蛋白质产量增加50.9%, 肥料利用率提高33%。此外, Jensen等^[16]利用多点试验研究表明, 种植豆科作物可以减少N₂O的排放, 与依赖化肥进行作物生产系统相比, N₂O的排放量减少59.9%。Drury等^[17]研究表明, 当玉米连作时, N₂O排放量折合N为2.62 kg∙hm^-2, 玉米与小麦轮作时, N₂O排放量折合N为1.64 kg∙hm^-2, 玉米与大豆轮作时, N₂O排放量折合N为1.34 kg∙hm^-2, N₂O排放量显著降低。

豆科作物与禾本科作物轮作兼具生态与集约的特征, 是生态集约农业的重要内容, 已引起广泛关注。豆科作物与禾本科作物轮作除了可以增加生物固氮外, 还可以增加农田作物多样性、控制农田病虫草害、减少温室气体排放。2016年中央一号文件明确提出了“探索实行耕地轮作休耕制度试点”, 农业部也联合多部门印发了“探索实行耕地轮作休耕制度试点方案”。这些都表明我国已经将豆科作物与禾本科作物轮作上升到国家战略的高度。欧盟也非常重视豆科作物与非豆科作物轮作模式, Brisson等^[18]研究表明, 1994—2008年期间, 由于减少豆科作物种植面积, 增加油菜种植面积, 法国小麦单产年平均降低0.035 t∙hm^-2。因此, 很多专家也呼吁恢复豆科作物的种植面积, 为与之轮作的非豆科作物提供更多的氮素、更好地控制病虫草害、更显著地增加农田作物多样性与土壤生物多样性。

2 豆科作物与禾本科作物轮作的国内外研究进展 2.1 豆科作物与禾本科作物轮作对产量的影响

在现代化肥工业建立之前, 种植豆科作物是提升地力、提高粮食作物产量的主要途径之一。美国密苏里大学从1888年开始设计玉米、燕麦(Avena sativa)、小麦、三叶草(Trifolium repens)、猫尾草(Uraria crinita)、猫尾草6年轮作试验以及玉米、小麦和三叶草的3年轮作试验。30年以后的结果表明, 在6年轮作试验中, 玉米增产60.4%, 燕麦增产3.0%, 小麦增产32.0%;而3年轮作试验中, 玉米和小麦分别增产30.8%和40.8%^[13]。在俄亥俄和特拉华的长期试验同样表明轮作可以显著增加作物产量; 很多研究还表明, 玉米-大豆2年轮作体系中, 玉米的产量通常比连作提高5%~20%, 如果种植1年玉米再种植5年大豆后, 玉米的产量可以提高15%^[11]。国内的大量研究也表明, 豆科与禾本科作物轮作同样可以增加产量。高菊生等^[19]在湖南祁阳连续28年的长期定位试验表明, 实行紫云英(Astragalus sinicus)-双季稻(Oryza sativa)轮作后, 28年稻谷平均产量比油菜(Brassica campestris)-双季稻、黑麦草(Lolium perenne)-双季稻及冬闲双季稻增产6.2%、8.5%和28.8%。

2.2 豆科作物与禾本科作物轮作增产的氮效应

对于豆科作物与禾本科作物轮作增产的机制, 国内外学者开展了较多的研究。Yusuf等^[20]在非洲尼日利亚研究玉米与大豆和豇豆轮作时发现, 利用氮平衡法测定的豆科作物与禾本科作物轮作的氮效应为124~279 kg∙hm^-2。近年来, 随着根际沉积N研究方法上突破, 利用根际沉积氮来探讨豆科作物与禾本科作物轮作的氮效应亦取得重要进展。Wichern等^[21]研究发现, 豆科作物与禾本科作物根际沉积氮占地下部分生物量总氮的比例不同, 豆科作物平均为73%, 而禾本科作物平均为57%。本研究组前期研究表明, 燕麦的根际沉积氮为44.7 kg∙hm^-2, 而绿豆的根际沉积氮为94.2 kg∙hm^-2, 豆科作物根际沉积氮是禾本科作物的2.1倍^[22]。还有报道表明豆科与禾本科作物轮作体系中, 禾本科作物氮吸收量的5%~34%来自于前茬豆科作物根际沉积氮^[23-24]。Peoples等^[25]的田间试验也表明, 大豆后茬的禾本科作物地上部超过30%的氮素来源于大豆根际沉积氮。其他学者的研究还表明, 豆科作物在固氮过程中释放大量的氢气, 这些氢气被土壤中相关微生物所氧化产生能量促进固氮菌固氮, 进而促进轮作作物的生长^[26-27]。还有研究结果显示, 豆科作物与禾本科作物轮作增产的主要原因是氮素等养分的利用效率得以提高^[28-29]。

2.3 豆科作物与禾本科作物轮作有利于控制农田病虫草害

作物轮作是病虫草害综合防治的重要技术措施之一, 在除草剂2, 4-D没有开发以前, 轮作、覆盖作物及机械灭草是控制杂草的主要措施。Forcella等^[30]发现, 土壤经过7~8年的连续种植玉米后, 尽管使用了化学除草剂与机械灭草, 土壤中杂草的种子数仍然高达1 500~3 000个∙m^-2, 而玉米与大豆轮作土壤中的杂草种子数仅为200~700个∙m^-2。Liebman等^[31]比较了26个轮作和连作对杂草种群密度和生物量影响, 结果发现, 除了1个试验结果高于对照, 5个试验结果与对照持平外, 其余的20个试验结果都明显低于对照。在虫害方面, Ware^[32]研究发现, 在美国中部地区, 连作玉米的根部害虫数量高于经济防治阈值的30%, 而玉米与大豆轮作土壤中, 根部害虫数量则低于经济防治阈值的1%。在防治线虫方面, 轮作无疑也是最好的措施之一。

2.4 豆科作物与禾本科作物轮作可以增加农田的生物多样性

与连作相比, 轮作无疑从时间和空间方面增加了农田的生物多样性。在时间层面上, 通过不同作物轮作, 增加了同一地块的生物多样性, 同时由于不同作物根系分泌物的种类与数量不同, 也引起地下土壤生物多样性的增加; 在空间层面上, 由于在区域内实现作物轮作, 使得同一时间区域内种植作物的种类增多。Orr等^[33]应用DGGE(变性梯度凝胶电泳技术)和q-PCR(荧光定量PCR)技术研究有机与常规管理措施对联合固氮菌多样性与活性影响时发现, 豆科作物与禾本科作物轮作, 土壤微生物多样性明显增加, 功能固氮nifH基因的表达量也得以增加。此外, 很多野生生物主要是以农田作为重要生境, 美国中西部的研究表明, 实行作物轮作, 有利于保持当地一种土著野鸡种群的生存与繁衍。

3 展望 3.1 协调作物茬口, 开发推广豆禾轮作田间综合管理技术, 提高轮作综合效应

从作物种类、品种筛选及前后茬作物对养分需求的差异互补性等方面筛选不同的作物, 构建豆科作物与禾本科作物轮作模式。以作物产量、地力培肥效应、温室气体排放、生物多样性、养分资源消耗、病虫草害防控、硝酸盐淋溶等多个指标对轮作茬口进行综合评价^[34]。由于不同作物养分需求的差别, 尤其是专业化、规模化的生产后, 上下茬不同作物管理方面的差异会对下茬作物造成影响, 如我国东北地区由于施用长残留除草剂, 通常会对下茬作物造成药害, 生产中可以适当考虑筛选合适的除草剂及杂草防除方式, 避免相互间轮作时造成药害, 从而达到合理轮作的目标。

3.2 设置长期定位试验, 研究轮作响应农业生态前沿问题

全球气候变化、农田土壤退化、土壤地力下降及农田生物多样性丧失等是当前我国农业可持续发展面临的重大课题。针对我国不同生态类型区生产中出现的主要问题, 设置豆科作物与禾本科作物长期轮作定位试验, 研究豆科作物与禾本科作物长期轮作对当前农业前沿生态问题的响应机制, 为宏观层面的轮作政策制定和微观层面的技术集成示范及机理机制研究提供参考。

3.3 评价轮作生态环境效应, 建立轮作生态补偿机制

围绕豆科作物与禾本科作物轮作, 目前所有的研究主要集中在产量、经济效益与农产品品质方面, 缺乏环境效应评价。今后在开展全方位调查研究基础上, 进一步挖掘豆科作物与禾本科作物轮作效应的潜在价值, 通过农业环境支付、绿色支付以及碳汇市场温室气体减排支付等措施将非市场产品货币化, 制定豆科作物与禾本科作物轮作的农业生态补偿政策, 建立生态补偿长效机制。

3.4 创新研究方法, 进一步明确轮作高效机制机理

尽管轮作是一个传统的农艺技术, 围绕其增产机制方面也做了大量的工作, 但受到研究方法与研究手段的制约, 以往豆科作物与禾本科作物轮作效应只能评价轮作的综合效果。如何综合运用模型模拟方法、分子生物学方法及15N同位素示踪法评价豆科作物与禾本科作物轮作的氮效应、病虫害防控效应、地力培肥效应及生态环境效应将是未来发展的重要方向。

4 结语

豆科作物与禾本科作物轮作是世界上古老的一种农作技术, 有非常悠久的历史。我国最早的农学名著《齐民要术》中记载有“每岁一易, 必莫频种”和“凡美田之法, 绿豆为上”^[35]。另外, 我国很多民间谚语, 如“倒茬如上粪”、“豆茬种谷子, 准备闲屋子”和“豆茬种谷, 必有后福”等, 阐述的主要思想就是利用豆科作物轮作进行地力培肥。豆科作物的生物固氮是我国传统农业生产重要的氮素来源, 许倬云^[36]在《汉代农业》中提及, 春秋时期我国40%的耕地种植的是豆科作物, 可见我们的先辈在很早就开始重视豆科作物的肥田养地作用, 这也是维持我国农业文明持续发展和农田地力5 000年不衰退的重要原因^[3]。作为20世纪60年代绿色革命的主要驱动因素, 化肥与农药在改造传统农业, 发展现代农业方面发挥了无可替代的作用, 但截至目前, 化学肥料与农药都不能完全弥补轮作效应。

豆科作物与禾本科作物轮作的种植制度在培肥地力、提高作物产量、保持农田生物多样性、控制农田病虫草害、降低生态成本等方面发挥了重要作用, 非常契合当前农业可持续发展的需求。应对未来农业发展面临的重大挑战, 挖掘豆科作物与禾本科作物轮作的潜在价值, 构建适合我国不同区域农业绿色发展的豆科作物与禾本科作物轮作体系对于推进农业供给侧结构性改革具有重要的现实意义。