劉益珍 姜振輝

摘要：水旱輪作是克服水稻連作障礙的有效途徑。本文從稻田水旱輪作對水稻增產(chǎn)效應(yīng)、土壤理化性狀、土壤生物學(xué)特性、病蟲害生態(tài)調(diào)控以及溫室氣體減排效應(yīng)5個(gè)方面綜述了國內(nèi)外關(guān)于水旱輪作生態(tài)效應(yīng)的最新研究進(jìn)展，指出了目前我國稻田水旱輪作面臨的主要問題。最后，結(jié)合水旱輪作的模式特點(diǎn)提出，可以通過協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分，根據(jù)作物養(yǎng)分需求精準(zhǔn)施肥;重視有機(jī)肥的使用，有效利用秸稈還田技術(shù);改進(jìn)農(nóng)業(yè)管理措施，探索應(yīng)用生物炭技術(shù);多種農(nóng)作技術(shù)綜合應(yīng)用，在發(fā)展高效高產(chǎn)栽培技術(shù)等方面加以改進(jìn)，并對水旱輪作的研究方向進(jìn)行展望，以期為實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物高產(chǎn)和環(huán)境友好的目標(biāo)提供科學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：稻田;水旱輪作;生態(tài)效應(yīng);研究進(jìn)展;發(fā)展建議

中圖分類號： S181?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）20-0019-05

南方稻田耕作制度在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中占有重要地位，對我國的水稻生產(chǎn)起著舉足輕重的作用[1]。目前我國南方稻區(qū)主要以單季稻或“冬閑—稻—稻”的連作種植模式為主，由于實(shí)行長期連作以及長期依賴化學(xué)肥料，有機(jī)肥的使用較少，逐漸出現(xiàn)了稻田土壤養(yǎng)分失去平衡、作物抗病蟲害能力下降、稻田碳足跡增加和農(nóng)田生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題，造成農(nóng)田可持續(xù)利用能力下降，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，對我國的糧食安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成威脅[2]。

Chen等的研究表明，稻田水旱輪作是克服水稻連作障礙的有效途徑[3]。水旱輪作是指在同一田塊上，按季節(jié)有序地交替種植水稻和旱地作物（如小麥、玉米、油菜、蔬菜、棉花等）的一種種植模式，其中小麥—水稻和油菜—水稻輪作種植模式應(yīng)用最為廣泛。水旱輪作系統(tǒng)的顯著特征是土壤水熱條件交替變化，該系統(tǒng)遵循用地養(yǎng)地、高效高產(chǎn)和協(xié)調(diào)發(fā)展的原則，對維護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)和維持農(nóng)田的地力、保障糧食安全具有重要的理論和實(shí)踐參考價(jià)值[4-5]。然而，近年來這一體系也面臨著生產(chǎn)力下降或徘徊不前、養(yǎng)分管理不合理及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題[6]。因此，本文在查閱了國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上對水旱輪作的水稻增產(chǎn)效應(yīng)、土壤理化性狀、土壤生物學(xué)性狀、病蟲害調(diào)控以及農(nóng)田溫室氣體減排等生態(tài)效應(yīng)特征進(jìn)行綜合評價(jià)，指出水旱輪作系統(tǒng)存在的問題，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出發(fā)展建議，以解決水旱輪作系統(tǒng)中作物生產(chǎn)、資源利用和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)之間的矛盾，為發(fā)展節(jié)本簡化、環(huán)境友好、生態(tài)高效的可持續(xù)性農(nóng)業(yè)提供參考。

1?稻田水旱輪作的生態(tài)效應(yīng)

1.1?水稻增產(chǎn)效應(yīng)

稻田水旱輪作可促使水稻分蘗早、快、數(shù)量多，提高葉面積擴(kuò)展指數(shù)和葉綠素含量，使地上部干物質(zhì)積累量明顯增多，增加有效穗數(shù)和結(jié)實(shí)率，從而提高水稻產(chǎn)量[7-9]。Linh等研究發(fā)現(xiàn)，水旱輪作能明顯促進(jìn)水稻根系對土壤養(yǎng)分的吸收，輪作后的水稻株高、千粒質(zhì)量、每穗實(shí)粒數(shù)、根系深度、秸稈產(chǎn)量和水稻產(chǎn)量與傳統(tǒng)的水稻連作相比，均有一定程度的提高[10]。由于水旱2季作物對養(yǎng)分的吸收規(guī)律不同會(huì)導(dǎo)致土壤的養(yǎng)分積累特點(diǎn)和產(chǎn)出有所差異，不同的水旱輪作體系對作物產(chǎn)量的影響各不相同[3]。合理有效的水旱輪作模式一般能夠使得農(nóng)業(yè)產(chǎn)量增加5%～8%，高效的輪作方式則能夠使農(nóng)作物產(chǎn)量增長達(dá)到10%～15%，有的輪作方式則更高，甚至能夠達(dá)到20%左右[11]。然而，也有研究認(rèn)為，水旱輪作對作物產(chǎn)量增加的效果不明顯，長期的水旱輪作甚至?xí)档妥魑锂a(chǎn)量[12]。作物的生長及產(chǎn)量除了受水旱輪作體系中土壤干濕交替變換的影響外，還與旱季作物和水稻季的施肥種類和數(shù)量有很大的關(guān)系，養(yǎng)分缺失會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)，過量施肥則可能造成作物對肥力的奢侈吸收，也會(huì)起不到增產(chǎn)作用[13]?？傊?，水旱輪作對水稻產(chǎn)量的影響與輪作模式、土壤類型、施肥情況等一系列因素有關(guān)，水稻的最佳增產(chǎn)效應(yīng)應(yīng)該[LM]從多個(gè)方面綜合考慮。

1.2?土壤理化性狀

多數(shù)研究表明，水旱輪作能改善土壤理化性質(zhì)，消除長期淹水對土壤結(jié)構(gòu)的不良影響，增加土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，并有效阻止土壤酸化和土壤的次生潛育化[3，14]，對土壤容重和土壤團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定性也有一定的影響[15-16]。在水旱輪作系統(tǒng)中，土壤季節(jié)性的干濕交替使土壤的氧化還原過程更替進(jìn)行，土壤中一些養(yǎng)分元素形態(tài)和有效性也隨之變化[3，17]。淹水條件下土壤中的Fe3+、Mn4+、NO3-、SO42-分別被還原成Fe2+、Mn2+、NH4+、S2-，P、K、Si、Mo、Cu和Co等元素的有效性提高，同時(shí)N、S、Zn等元素的有效性降低[18-19];旱作條件會(huì)增加土壤的氧化還原電位，土壤中的部分養(yǎng)分元素被氧化生成高價(jià)態(tài)的難溶性沉淀，該元素對植物的有效性降低[6]。同時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)的礦化和腐殖化過程以及土壤中的碳氮循環(huán)也受到干濕頻繁交替的影響[16，20]。在水稻生長季節(jié)，有機(jī)物會(huì)在還原細(xì)菌的作用下進(jìn)行嫌氣分解，促進(jìn)甲烷的產(chǎn)生[21]，此時(shí)土壤中的氮主要以有利于水稻吸收和利用的銨態(tài)氮（NH4+-N）形式存在[22]。在旱季作物生長季節(jié)，良好的通氣條件使土壤處于氧化狀態(tài)，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)礦化，也加速了土壤有機(jī)質(zhì)的流失[23];同時(shí)由于好氧狀態(tài)下土壤有機(jī)質(zhì)礦化產(chǎn)生的NH4+-N更易硝化為NO3--N，有利于旱季作物的吸收和利用[24]?？傮w來說，水旱輪作厭氧和好氧狀態(tài)的頻繁交替循環(huán)加速了土壤碳氮的循環(huán)，導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)分解的速度更快，這有助于促進(jìn)土壤養(yǎng)分的釋放，提高土壤中速效N、P、K含量[15]。水旱輪作系統(tǒng)中土壤理化性狀的變化可能受多種因素的影響，不同輪作體系具有不同的特點(diǎn)，其中還有許多問題有待今后進(jìn)一步研究解決。

1.3?土壤生物學(xué)特性

土壤微生物和酶活性能夠促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化，對作物的生長發(fā)育和土壤肥力具有重要的調(diào)節(jié)功能[25-26]。在水旱輪作體系中，干濕交替的環(huán)境改變了土壤的結(jié)構(gòu)和通氣性，對土壤微生物的組成、豐度、多樣性和活性都有顯著的影響[27-29]。Murugan等的研究表明，豆稻輪作田的微生物數(shù)量明顯高于水稻單作[30]。陳曉娟等研究了不同耕作方式下土壤微生物的特性，結(jié)果表明，水旱輪作地塊的細(xì)菌和真菌豐度比值以及革蘭氏陽性菌的相對含量明顯高于旱地和稻田連作土壤[31]。土壤微生物活性的改變會(huì)增加土壤中作物所需營養(yǎng)元素的可用性，從而促進(jìn)作物的生長。對于土壤酶活性的變化趨勢，董艷等的研究表明，與連作相比，水旱輪作可以促進(jìn)土壤的生化反應(yīng)，提高土壤酶活性[32]。Roldán等研究發(fā)現(xiàn)，對連作棉田土壤實(shí)施棉花—水稻輪作后，土壤過氧化氫酶、磷酸酶、蔗糖酶活性均有了很大程度的提高[33]。目前，大多數(shù)短期田間試驗(yàn)研究表明，合理的水旱輪作對土壤微生物和酶活性具有積極的影響，可以促進(jìn)作物的生長和提高作物的產(chǎn)量。

1.4?病蟲害生態(tài)調(diào)控效應(yīng)

合理的水旱輪作是改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境、減輕作物病、蟲、草害的有效措施[34]。在水旱輪作系統(tǒng)中，稻田在淹水時(shí)期趨于無氧狀態(tài)，旱作時(shí)期則處于好氧狀態(tài)，很少有生物能同時(shí)適應(yīng)有氧和無氧2種環(huán)境[19]。因此，水旱輪作系統(tǒng)中土壤的干濕交替變化形成了不利于病蟲害蔓延的生態(tài)環(huán)境，有助于防止某些病蟲害的發(fā)生，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)作物的增產(chǎn)[35]。黃國勤等的研究表明，與水稻連作相比，水旱輪作處理在病、蟲、草害等方面都有不同程度的減少[36]。Fujisaka等研究發(fā)現(xiàn)，淹水條件能促使油菜菌核病、小麥條斑病、煙草立枯病等旱田病原菌向死亡或減少的方向發(fā)展[37]。然而也有研究表明，水旱輪作會(huì)增加某些病蟲害的傳播和影響范圍[38]。Nagarajah等的研究發(fā)現(xiàn)，原本只危害水稻的莖腐病和葉枯病等，水旱輪作后既危害水稻又危害小麥[39]。此外，由于水田和旱田雜草的生態(tài)習(xí)性有所不同，水旱輪作能明顯地降低田間雜草密度，減少田間雜草的種類，有效防止雜草的瘋長[21，40]。強(qiáng)勝等的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水稻—棉花輪作體系下的自然雜草密度明顯低于連作棉田，其中雜草的種群數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)在兩者之間也有顯著的差異[41]。也有研究報(bào)道，水旱輪作能抑制雜草的生長量，但對雜草種類的影響較小。譚景艾等的研究表明，與水稻—休閑處理相比，水稻—綠肥輪作對水稻田中生長的雜草種類無影響，主要雜草仍然為鴨舌草和稗草，但其發(fā)生程度顯著減少[42]。總體來說，水旱輪作中反復(fù)的水旱交替，對于某些土傳病蟲害和雜草實(shí)現(xiàn)生態(tài)防治是可能的，但關(guān)于這些病蟲害的發(fā)生規(guī)律和解決措施還需要深入探索[43]。

1.5?溫室氣體減排效應(yīng)

為促進(jìn)農(nóng)田溫室氣體減排，國內(nèi)外已有學(xué)者對水旱輪作生產(chǎn)體系下溫室氣體的排放作了大量研究。Linquist等的研究表明，CH4主要來源于稻田系統(tǒng)，因?yàn)榈咎锉砻娴难退畬訛镃H4的產(chǎn)生和排放提供了良好的厭氧環(huán)境[44]，N2O則主要來自旱地系統(tǒng)和水稻烤田期[45]。與水稻連作相比，水旱輪作系統(tǒng)中干濕的轉(zhuǎn)化可能會(huì)導(dǎo)致CH4和N2O的排放呈“污染交換”的形式[46]，即水田轉(zhuǎn)為旱地可以明顯減少甲烷的排放量[47-49]，但土壤的干濕交替使土壤的嫌氣和通氣狀態(tài)交替發(fā)生，會(huì)加快土壤中的硝化和反硝化過程，從而增加N2O的產(chǎn)生量和排放量[50]。Weller等的研究表明，將水稻連作模式轉(zhuǎn)變?yōu)樗递喿髂Ｊ剑珻H4排放量減少了61%～88%[48]。此外，施肥也是影響水旱輪作系統(tǒng)中溫室氣體排放的重要因素，其中氮肥施用是N2O出現(xiàn)排放高峰的主要驅(qū)動(dòng)力[51]，而施用有機(jī)肥如秸稈還田等能為產(chǎn)甲烷菌提供極為豐富的產(chǎn)CH4基質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致稻田CH4的排放量增加[52]。Liu等的研究表明，施用Fe（Ⅲ）肥增加了稻麥輪作周期N2O的排放量，但顯著減少了CH4和CO2的排放量[53]?？偠灾?，水旱輪作種植模式會(huì)影響農(nóng)田溫室氣體的排放，但栽培耕作方式、水肥管理措施等區(qū)域性差異以及土壤、氣候等自然因素也會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田CH4和N2O的產(chǎn)生和排放規(guī)律不盡相同。因此，在以后的研究中，可從整個(gè)水旱輪作系統(tǒng)的角度出發(fā)，利用碳足跡（指某種活動(dòng)引起的或某種產(chǎn)品在其生命周期內(nèi)積累的直接和間接溫室氣體的總排放量）的評價(jià)方法[54]，估算水旱輪作生產(chǎn)過程中碳足跡的時(shí)空變化特征，分析CH4和N2O排放引起的綜合溫室效應(yīng)潛勢，可以為農(nóng)業(yè)低碳排放提供科學(xué)的策略。

2?發(fā)展建議

目前在我國水旱輪作體系中，養(yǎng)分的投入主要以施用化肥為主，有機(jī)肥施用較少，同時(shí)由于對土壤養(yǎng)分在水旱輪作系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)缺乏充分的認(rèn)識(shí)，多數(shù)農(nóng)戶在肥料調(diào)控方面往往忽視了土壤干濕交替和作物季節(jié)間的轉(zhuǎn)化對土壤養(yǎng)分釋放與利用的影響，也沒有考慮到作物對養(yǎng)分元素的需求規(guī)律，肥料施用不合理的現(xiàn)象比較常見。不合理的施肥方式，不僅影響了水旱輪作的生產(chǎn)力，其導(dǎo)致的資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境問題也引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。因此，挖掘水旱輪作系統(tǒng)的生產(chǎn)潛力，實(shí)現(xiàn)該體系養(yǎng)分資源的高效利用，減輕其對環(huán)境的負(fù)面影響對我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。筆者通過查閱文獻(xiàn)了解了近幾年來農(nóng)業(yè)田間管理措施的發(fā)展情況，為優(yōu)化水旱輪作系統(tǒng)養(yǎng)分管理提出以下4點(diǎn)建議。

2.1?協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分，根據(jù)作物養(yǎng)分需求精準(zhǔn)施肥

在水旱輪作系統(tǒng)中，養(yǎng)分的投入主要是氮磷鉀肥的施用，但傳統(tǒng)的施肥觀念和技術(shù)更多注重的是在目標(biāo)上追求產(chǎn)量，忽略了環(huán)境和產(chǎn)量的協(xié)調(diào)。在實(shí)際的田間管理中，氮肥的施用可遵循以推薦施肥量（150～250 kg/hm2）為主[55]，同時(shí)通過作物診斷（應(yīng)用ISPAD儀或硝酸鹽反射儀）等方式根據(jù)作物不同時(shí)期的養(yǎng)分吸收規(guī)律微調(diào)為輔的原則[6]。由于磷在旱季土壤中易被固定，當(dāng)季施用的磷肥大部分以固定態(tài)或有效態(tài)的形式殘留在土壤中[56]。而稻田淹水條件可以促進(jìn)土壤中磷的釋放，水稻能有效利用旱季施用的磷肥[57]。因此，磷肥的施用可遵循“重旱輕水”的原則，旱季適量施用以滿足作物需求，稻季可適當(dāng)減少磷肥的用量以挖掘土壤磷的潛力。土壤中速效鉀隨干濕交替環(huán)境的變化和有效磷類似，在固鉀能力比較強(qiáng)的土壤中，淹水條件會(huì)解離出含鉀礦物中的鉀，旱作土壤中這種情況則不易發(fā)生[58]。為緩解土壤缺鉀現(xiàn)狀、提高鉀肥的利用率，對于鉀肥的管理可以考慮旱季多施，水稻季少施的策略?？傮w來說，水旱輪作中肥料的施用可以遵循控氮減磷、適量補(bǔ)鉀的原則，同時(shí)可根據(jù)不同輪作體系作物的營養(yǎng)需求規(guī)律，利用測土配方施肥技術(shù)合理調(diào)整肥料用量，從輪作系統(tǒng)的角度實(shí)施養(yǎng)分資源的優(yōu)化配置和綜合管理，建立科學(xué)的施肥體系。

2.2?重視有機(jī)肥的使用，有效利用秸稈還田技術(shù)

在提倡高效、低碳、生態(tài)農(nóng)業(yè)的需求下，秸稈還田作為一項(xiàng)有效的生態(tài)農(nóng)業(yè)措施被大力推廣[59]。其中覆蓋和翻壓是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中秸稈還田的2種主要方式。有研究表明，在稻麥輪作系統(tǒng)中，將水稻和小麥秸稈翻壓填埋還田可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和改善土壤質(zhì)量[60-61]。還田后秸稈釋放的氮、磷、鉀以及其中微量營養(yǎng)元素能夠被作物吸收利用，可代替部分化肥的使用[62]。但是，與單施秸稈或單施化肥相比，秸稈配施化肥培肥土壤和作物增產(chǎn)的效果更佳[63]。Kasteel等的研究表明，秸稈覆蓋還田可以有效提高作物產(chǎn)量和降低土壤水分無效蒸發(fā)[64]。在水旱輪作系統(tǒng)中，結(jié)合土壤干濕交替的特點(diǎn)，可以采用旱季作物秸稈粉碎翻壓入稻田土壤，稻草秸稈覆蓋于旱作土壤表面，再配施化肥的還田措施，這樣不僅能有效利用2季作物秸稈中的養(yǎng)分，緩解傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化肥的依賴，還能改善土壤理化性狀和提高水分利用率，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.3?改進(jìn)農(nóng)業(yè)管理措施，探索應(yīng)用生物炭技術(shù)

生物炭具有比表面積大、含碳率高、多孔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，有研究表明，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中將生物炭均勻撒至土壤表面并與耕層土壤均勻混合，可以改變耕層土壤的理化性質(zhì)，提高土壤肥力，有利于促進(jìn)作物增產(chǎn)和溫室氣體減排[65-66]。生物炭對NH4+、NO3-等具有較好的吸附效果，減少了土壤中氮素流失，同時(shí)吸附的氮素可以被植物再利用，提高了養(yǎng)分的利用率[67-68]。肖亞楠等的研究表明，在節(jié)水灌溉稻田中施加生物炭不僅可以提高水稻產(chǎn)量和水分利用率，還能有效減少CH4的排放量[69]。裴俊敏等的研究表明，施加生物炭可改善土壤性質(zhì)，抑制土壤CO2排放，快速提高農(nóng)田有機(jī)質(zhì)的含量[70]。在農(nóng)田中施加生物炭對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土壤改良具有積極的影響，將其運(yùn)用到水旱輪作種植模式中，具有提升作物產(chǎn)量和防治生態(tài)環(huán)境污染的潛力價(jià)值，但目前關(guān)于在水旱輪作系統(tǒng)中施用生物炭的研究還相對較少，還有很多方面需要進(jìn)一步探索。

2.4?多種農(nóng)作技術(shù)綜合應(yīng)用，發(fā)展高效高產(chǎn)栽培技術(shù)

水旱輪作系統(tǒng)是一個(gè)綜合多種影響因素的復(fù)雜系統(tǒng)，在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可考慮將壟作覆蓋、少耕免耕等保護(hù)性農(nóng)業(yè)技術(shù)與秸稈還田、精準(zhǔn)定量施肥、施控釋肥以及病蟲草害綜合防控等農(nóng)作技術(shù)結(jié)合使用，發(fā)展高效高產(chǎn)栽培技術(shù)，以避免單一某項(xiàng)技術(shù)的缺陷，揚(yáng)長避短。這不僅可以減少化肥、農(nóng)藥等的使用量，還有利于提高土壤質(zhì)量和改善環(huán)境污染，對可持續(xù)、綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有極其重要的意義。

3?總結(jié)與展望

近年來，許多學(xué)者對水旱輪作種植模式下作物產(chǎn)量、土壤性質(zhì)和農(nóng)田溫室氣體排放等方面進(jìn)行了研究。大量研究結(jié)果表明，與水稻連作相比，合理的水旱輪作有助于促進(jìn)作物產(chǎn)量增長，改善土壤理化性質(zhì)和有效提高土壤質(zhì)量[11，19，21]。同時(shí)，水旱交替形成的特殊生態(tài)系統(tǒng)提高了土壤微生物的數(shù)量和多樣性，增加了土壤的酶活性，對防治作物病蟲草害和減少農(nóng)業(yè)溫室氣體排放量也有積極的影響。但目前該體系也面臨著生產(chǎn)力徘徊不前或下降、資源配置不合理、農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重等一系列問題。為解決該系統(tǒng)存在的問題，可以考慮從輪作體系中作物的生理生化指標(biāo)及作物根際微生態(tài)效應(yīng)等方面展開研究，了解水旱輪作系統(tǒng)的作用機(jī)制及水分、養(yǎng)分狀況的周期性變化規(guī)律，不斷改進(jìn)肥料管理策略和優(yōu)化傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)，力圖從資源高效利用和環(huán)境安全、土壤與作物生態(tài)效應(yīng)等角度出發(fā)，建立水旱輪作的養(yǎng)分資源綜合管理體系，以實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源高效、作物高產(chǎn)和環(huán)境友好的總體目標(biāo)。

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