金朝强 聂立孝

摘要：栽培管理措施会影响稻麦轮作系统中土壤有机碳和氮素养分的积累，进而影响稻麦产量。综述了本领域最新的研究成果，详细解析了稻麦轮作系统中土壤的耕作方式、稻麦的种植方式以及水分和氮肥的管理方式影响土壤中有机碳和氮素积累以及稻麦产量的机制，并提出了保持稻麦轮作系统土壤肥力和提高稻麦产量的相关建议，以期为中国的稻麦生产提供一定的理论指导。

关键词：稻麦轮作;耕种方式;水氮运筹;有机碳;氮素

中图分类号：S158.5         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）14-0012-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.14.002 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Cultivation management measures will affect the accumulation of organic carbon and nitrogen nutrients in the soil of rice-wheat rotation system， and then affect the yield of rice and wheat. The latest research results in this field were reviewed， and the soil tillage， rice and wheat planting and water and nitrogen management methods which affected soil organic carbon and nitrogen accumulation and rice and wheat yield in rice-wheat rotation system were analyzed in detail，and the relevant suggestions for maintaining the soil fertility and increasing the yield of rice and wheat in rice-wheat rotation system were put forward， in order to provide certain theoretical guidance for rice and wheat production in our country.

Key words： rice-wheat rotation; cultivation practice; water and nitrogen management practice; organic carbon; nitrogen

水稻和小麦都是世界上重要的粮食作物，也是中国分布面积最广的农作物。稻麦轮作是世界上面积最大的种植方式之一，全球总种植面积达2 400万hm2，其中，中国的种植面积达1 050万hm2，且主要分布于长江流域[1]。近年来，人口增加、气候环境变化以及土地耕作施肥影响下的粮食生产力问题逐渐成为国内外关注的焦点，探讨如何维持粮食高产和稳产具有重要意义。土壤有机碳是通过微生物作用所形成的腐殖质、动植物残体和微生物体中碳的合称，是植物与土壤生物生命活动所需碳素养分的主要来源，同时也是土壤重要的理化性质之一，与土壤质量和农业生产力密切相关。土壤有机碳还能够调节土壤的理化性质和生物学特性，提高土壤稳定性，其在土壤中的含量受土壤微生物的种类和丰度的影响较大。因此，研究土壤有机碳的变化对维持全球农业生态系统的可持续性有重要的意义。氮是作物体内许多重要有机化合物的成分之一，也是限制作物生长和产量形成的首要因素，对改善农产品品质也有明显的作用[2]。土壤中的氮素绝大部分以有机态形式存在，有机氮需经过土壤微生物的矿化作用，转化成无机氮才能被作物吸收利用。土壤氮素和有机碳存在一定的耦合关系，氮素变化能够影响土壤的固碳作用[3]，土壤有机碳对氮素的矿化、固定和反硝化也有重要作用[4]，其相互耦合作用对作物生产以及气候变化等具有重要意义[5]。本研究根据当前的相关文献，分析和总结了耕种方式和水氮运筹对稻麦轮作系统中土壤有机碳和氮素养分含量以及作物产量的影响，以期为中国的稻麦生产提供一定的理论支持。

1 耕种方式

耕种方式指耕耘土壤和种植作物所采用的方法。中国常见的耕作方式主要有传统的翻耕和近些年兴起的旋耕以及免耕少耕等;常见的水稻种植方式有传统的手工移栽、直播和机插秧以及与其他一些栽培管理措施搭配结合而成的复合种植方式[6-8]，小麦种植方式相对较少，主要通过手工撒播和机械条播进行种植。土壤耕作和种植作物可以改变土壤环境，进而改变土壤的理化性质和生物学特性。不同耕作和作物种植方式对土壤养分的动态变化和作物产量有很大的影响。

1.1 耕种方式对稻麦轮作系统土壤有机碳的影响

适当的土壤耕作可以提高土壤有機碳含量，提高耕层土壤有机碳密度[9]。不同耕作方式对不同土层有机碳含量的影响不同。在稻麦轮作系统中，与传统的翻耕相比，免耕可以提高表层土壤有机碳的含量，这主要是因为免耕可以减少进入深层土壤的有机碳的量，使有机碳主要集中于表土层[10-13]。与免耕相比，传统翻耕会把表层土壤中的有机碳翻入下层土壤中，因而可以提高深层土壤中有机碳的含量。Balesdent等[14]用13C标记区分土壤原有有机质和新输入的有机质发现，在免耕条件下，新输入的碳主要集中于表土层，而在传统耕作条件下新输入的碳几乎全部集中于耕作层。总体来说，保护性耕作减少了土壤耕作次数， 减少了土壤中大团聚体的转化，促进了微团聚体中有机碳的封闭，降低了土壤有机碳的矿化速率[10，11]，有利于土壤有机碳的积累。

在稻麦轮作系统中，水稻的种植方式对稻田土壤的理化性质和生物学特性有很大影响，土壤的理化性质和生物学特性的差异又会影响后茬小麦的生长发育，而小麦的生长发育又会反作用于土壤。因此，在稻麦轮作系统中，水稻的种植方式对整个轮作系统的土壤性质有很大影响。任万军等[15]研究发现，与传统插秧和常规抛秧相比，免耕高留茬抛秧可以明显提高土壤有机碳、全氮和碱解氮含量。还有研究表明，与常规水作水稻相比，水稻裸地旱作和覆膜旱作均会降低土壤有机碳含量[16，17]。覆秸秆旱作水稻-大麦轮作系统土壤有机碳含量始终高于常规淹水水作水稻-大麦轮作系统、覆盖薄膜旱作水稻-大麦轮作系统和裸地旱作水稻-大麦轮作系统[17，18]。这可能是因为覆盖的秸秆持续腐烂，补充了土壤中被消耗的有机碳，同时，覆盖秸秆改变了轮作系统的土壤环境，使该轮作系统中土壤微生物的种类和丰度与其他3种轮作系统产生差异，对土壤有机碳含量的变化产生了不同影响。

1.2 耕种方式对稻麦轮作系统土壤氮素的影响

任何耕作措施都会对土壤的理化性质产生影响，长期实行单一方式的土壤耕作会产生不利于作物生长的土壤条件[19]，进而影响土壤养分的转化与循环。有研究表明，在免耕条件下，全氮和速效氮主要集中在土壤表层，旋耕土壤表层全氮和速效氮的含量也高于翻耕土壤，可能是翻耕使得下部的土壤翻到上层，使得上层土壤的全氮和速效氮被稀释[12，13，20]，均匀分布于耕作层。崔思远等[21]经过研究也发现，在稻麦轮作系统中，与水稻季翻耕、小麦季旋耕和水稻小麦两季都旋耕的耕作方式相比，水稻季免耕、小麦季每2年浅旋1次的耕作方式可以明显提高0～5 cm土壤有机碳和全氮含量，而水稻季翻耕、小麦季旋耕与其他2种耕作方式相比，可以明显提高10～20 cm土壤全氮含量。总体来说，与连续翻耕相比，免耕或者免耕结合其他耕作方式可以提高土壤氮素储量[22]。表1为部分研究中不同耕作方式对稻麦轮作系统土壤有机碳和氮素含量的影响。

有研究表明，与传统移栽和机播水稻相比，水稻直播可以提高耕层土壤有机碳和全氮的含量[23]，为微生物增殖提供充足的养分，有利于土壤养分的逐步释放，最终有利于水稻产量的提高[24]。有研究发现，与常规水作水稻相比，水稻覆草旱作可以提高稻田土壤中的全氮含量，而水稻裸地旱作和覆膜旱作会降低稻田土壤中全氮和碱解氮含量[16，17]，这可能是因为覆盖在地面上的草质腐解释放了大量养分，补充了土壤中消耗的养分，而裸地旱作水稻稻田土壤中通气条件较好，有利于微生物的增殖和活性的提高，加速了土壤中有机质的矿化和氮素的损失。李勇[8]经过研究发现，旱作水稻后茬大麦的吸氮能力远大于水作水稻后茬大麦，这主要是受土壤的通气条件影响。淹水会破坏土壤的团粒结构，使黏粒增加，导致土壤通气能力下降，不利于麦作根系的生长[25]。表2为部分研究中水稻不同种植方式对稻麦轮作系统土壤有机碳和氮素含量的影响。

1.3 耕种方式对稻麦轮作系统作物产量的影响

大量研究表明，在稻麦轮作系统中，免耕可以提高小麦产量，但对水稻产量的影响有不同说法。免耕会造成水稻减产，可能是因为免耕稻田土壤养分聚集于表层，水稻生育期内免耕稻田表层土壤养分大量损失，导致免耕稻田土壤养分含量低于翻耕稻田，水稻生长中后期供肥不足，早衰减产[12];而免耕提高了水稻产量可能是因为免耕土壤养分含量较高。之所以出现不同结果，可能是受试验地区气候条件和种植方式的影响，如水稻季水作免耕稻田土壤养分聚集于表层，随水分的淋溶和渗漏土壤养分损失较多，导致水稻减产;而水稻季旱作则会减少土壤养分的损失，提高水稻产量。土壤翻耕会导致稻麦轮作系统作物产量降低，主要原因可能是翻耕破坏了耕层原有土壤结构，使土壤养分损失加剧，降低了表层土壤的肥力水平[20]。

水稻季水稻的种植方式会影响水稻生长的小环境，最终影响稻田土壤的特性和水稻产量。李勇[8]的研究结果显示，覆盖秸秆旱作水稻能提高或达到常规水作水稻的产量，而覆膜旱作和裸露旱作水稻产量比常规水作水稻分别平均减产7%和21%。李金才等[26]也发现，裸露旱作水稻群体干物质积累量明显低于常规水作水稻，干物质的运转和分配也受到一定影响，导致水稻的分蘖成穗率、穗粒数、结实率和粒重均低于常规水作水稻，最终导致水稻产量降低。但梁永超等[27]发现，在超稀植（5.3万～6.4万穴/hm2）条件下，覆膜旱作水稻的产量能达到甚至超过淹灌或节水灌溉水稻的产量。而范明生[28]认为，覆盖秸秆旱作则会造成水稻减产，这可能是受试验地区气候条件的影响。有大量研究结果表明，前茬水稻水作导致土壤板实，不利于后茬作物扎根和生长而导致减产[29，30]。孙文娟等[31]的研究表明，水稻旱作后土壤的理化性质优于水作，有利于小麦生长。梅俊豪等[32]的研究结果也证实了这一点。

综上所述，免耕可以提高土壤有机碳和氮素含量，也可以提高稻麦的周年产量，还可以降低稻麦生产过程中的劳动量，是一种比较理想的耕作方式。但长期免耕会导致土壤板结、养分层次化分布严重、播种困难、作物根系无法深扎，而过度耕作则会破坏土壤耕层结构，导致土壤肥力下降、有机质损耗、温室气体排放增加等问题。水稻直播可以提高土壤有机碳和全氮的含量，在水肥管理得当的情况下，还可以提高水稻产量，是当前主要推广的水稻种植方式之一，但直播水稻的抗倒伏能力相对较弱，在稻季强风多发区要慎重选择。因此，在稻麦生产过程中，耕作方式要多样化，以免耕为主，其他耕作方式为辅，多种耕作方式交替使用，根据当地的氣象条件选择合适的种植方式，只有这样才能持续获得较高的经济效益和生态效益。

2 水氮运筹

水分和氮素是作物生长发育过程中必不可少的物质基础，二者在作物生长发育过程中相辅相成，缺一不可。水稻不同生育时期对水分和氮素的需求量不同，常见的水稻灌溉技术有传统的淹灌以及近些年新兴起的控制灌溉和间歇灌溉等[33];常见的水稻施肥技术有“前促”施肥法、“前促、中控、后补”施肥法、“前稳、中促、后保”施肥法以及新推广的实地施肥法等;小麦对灌溉的要求相对较低，一般只需要在播种前、越冬前、返青期、拔节期、孕穗期和灌浆期根据土壤墒情进行适量灌溉即可。由于小麦是旱作，氮肥利用率较低，生育期较长，且成熟时间较集中，因此，小麦施肥讲究肥随水施，少量多次，适时适量[7]，只有这样才能提高氮肥的利用效率，在减少肥料投入的同时获得高产。

2.1 水氮运筹对稻麦轮作系统土壤有机碳的影响

适当的水分胁迫和提高氮肥施用量都有利于提高土壤有机碳含量。有研究表明，与常规灌溉相比，淹水灌溉会降低土壤有机碳含量，但二者差异不显著，而浅湿调控灌溉可以提高稻田土壤有机碳含量[34，35]，这可能是因为灌溉方式的不同导致土壤环境产生差异，进而影响了土壤微生物的活性和丰度，最终导致土壤有机碳含量产生差异。黄东迈等[36]用14C标记有机物料模拟旱地和水田的研究结果表明，不论何种土壤，有机质在淹水土壤中的分解速率均快于旱地土壤。在稻麦轮作系统中，稻田淹水能够促进有机物质的嫌气分解，增加土壤有机质的积累;而麦季的有氧条件有利于土壤有机质的矿化[37]。

施用肥料的种类会影响土壤有机碳的含量和分布。长期施用有机肥和化肥都会使表层土壤有机碳含量显著增加，但长期施用有机肥的土壤表土有机碳的累积速度较快，而长期施用化肥的土壤下层有机碳的累积量较多，这可能是因为长期施用有机肥的土壤，有机碳向下的迁移量较少，而长期施用化肥的土壤，有机碳向下的迁移量较多[38，39]。氮肥施用量会影响土壤有机碳的含量和存在形态。有研究结果表明，随着施氮水平增加，稻田土壤有机碳含量呈先升高后降低趋势[34]，这是因为适量增施氮肥可以提高土壤微生物活性和丰度，加快土壤中植物残茬的腐解，释放更多的有机质。

2.2 水氮运筹对稻麦轮作系统土壤氮素的影响

土壤含水量太高或太低都会导致土壤矿质氮含量的下降[40，41]，这或许是因为土壤含水量太高或太低都会影响土壤微生物的种类、丰度和活性，进而影响土壤氮素的矿化。与淹水灌溉和常规灌溉相比，浅湿调控灌溉可以有效提高土壤全氮、铵态氮和硝态氮含量，因为在浅湿调控灌溉条件下，土壤碳、氮资源充足，通气状况良好，有利于土壤微生物的繁殖和活性的提高，进而促进土壤中植物残茬的腐解，释放其中的养分，使土壤中养分含量增加[34]，但王伟[35]通过研究发现，浅湿调控灌溉土壤中全氮的含量高于淹水灌溉和常规灌溉，但二者之间差异不显著。两组试验结果不同，可能是受试验地区土壤条件的影响（表3）。

有研究发现，在稻麦轮作系统中，适量增施氮肥可以提高土壤中全氮的含量[35];土壤的供氮能力和可矿化氮在全氮中的比例也随施肥量的增加而增加[42]。肥料种类对土壤氮素的矿化过程也有影响。相较于单施化肥或有机肥，有机肥与化肥配施可以明显提高土壤氮素的矿化势和矿化率[43];施用鸡粪的土壤的氮矿化积累量和矿化率明显高于施用牛粪和猪粪的土壤[44]，这主要受有机肥中C/N比的影响[45]。

2.3 水氮运筹对稻麦轮作系统作物产量的影响

水分和氮素都是作物生长必不可少的物质。因此，在稻麦轮作系统中，水分和氮素的运筹管理会对周年作物产量产生很大影响。

控制灌溉技术的增产机理为在作物的非关键需水期，通过控制土壤水分条件，改变作物生理生态活动，促使作物根系和株型生长更趋合理化[35]。有研究结果显示，轻度或中度干湿交替灌溉，能够在减少农田灌溉用水量的同时保证水稻产量[46-48];但也有研究表明，干湿交替灌溉会引起水稻减产[49]。可见干湿交替灌溉对水稻产量表现的影响并不一致，出现这种情况可能是因为在不同试验中干湿交替的持续时间和程度不同。水氮之间存在相互作用，水分对作物生长发育的影响直接体现在对养分的吸收利用上，严重的水分胁迫会抑制作物根系生长，导致根系无法吸收养分，从而降低作物产量[50]。彭世彰等[51]研究表明，水稻根系间断性地受一定程度的水分胁迫后，会激发根系吸收的补偿功能，使叶片气孔保持在适宜的开度以减少蒸腾失水;在水稻的关键需水期，适当的水分胁迫可以促使水稻更有效地利用水分和养分，形成合理的群体结构，进而获得较高的产量，但如果胁迫程度过重则会严重影响水稻产量。Dobermann等[52]认为水分管理措施会影响土壤的供氮能力，进而影响作物产量，水分胁迫条件下不利于土壤有机氮的矿化，此时配施适量氮肥，才能满足水稻对氮素营养的需求。水分对小麦产量的影响与水稻类似。

在稻麦轮作系统中，氮肥施用量和施用种类都会影响稻麦产量。在中国的农业生产过程中氮肥施用量一般过高[53]。在小麦生产过程中，氮肥施用量过高，会导致小麦前期疯长，分蘖较多，群体较大且不合理，到生长后期，由于对养分和光照的竞争，会导致分蘖大量死亡，有效分蘖较少;同时，氮肥施用量过高会导致小麦开花延迟，由于小麦生长后期气温较高，空气湿度较低，氮肥施用量高的小麦与氮肥施用量低的小麦的成熟期相差较短，导致氮肥施用量高的小麦子粒灌浆期相对较短，粒重较低[54]，最终导致小麦产量不高。有研究发现，在中国的稻麦生产过程中，在传统氮肥施用量的基础上减氮20%不会导致水稻和小麦的产量降低[55]。在稻麦轮作系统中，相较于单施化学氮肥，适量地施用有机肥替代化肥对稻麦的地上部物质累积量和产量都有促进作用[56]。

综上所述，在稻麦轮作系统中，水稻季选用浅湿调控灌溉不仅有利于水稻產量的提高，还有利于土壤肥力的保持和提高，为后茬小麦的高产打下良好的基础。同时，肥料的施用最好与水分灌溉充分结合起来，做到以肥济水、以水调肥、水氮互作，这样才能提高肥料利用率。适量减施氮肥不仅有利于节约资源，还可以提高稻麦产量并减少对环境造成的污染，获得较高的经济效益和生态效益。例如，在中国的长江中下游稻-麦轮作区，在习惯氮肥施用量（水稻季纯氮210 kg/hm2，小麦季纯氮225 kg/hm2）的基础上水稻季减施氮肥20%，小麦季减施氮肥40%，只要运筹得当，不仅不会降低稻麦产量，还可以提高氮素利用率[57]。

3 小结

稻麦轮作是中国最重要的作物种植方式之一，优化稻麦轮作模式，减少对农业资源的浪费，提高稻麦产量，对维护中国的粮食安全有重要的意义。但是，当前中国稻麦生产的发展进入了瓶颈阶段，如何在减少农业投入和农业生产对环境污染的同时，保证稻麦产量和品质是现代农业工作者面临的重要问题。根据本研究所述内容，提出以下几点建议。①改进耕作方式。以免耕少耕为主，在配合使用其他耕作方式的同时，开发新的耕作模式以及配套的机械设备，保证耕作方式的多样性和高效性，保持土壤的生产力。②因时因地制宜，选择合适的种植方式。根据当地的气候条件和土壤状况选择合适的稻麦种植方式，必要时可以多种种植方式搭配使用，在种植作物的同时注意土壤肥力的保持和提高。③合理管水，改进灌溉方式。在稻麦生产中，灌水过多和过少都不利于稻麦高产，可以利用当前先进的信息技术以及灌溉设施，创新研究新型灌溉方式，在作物稻麦生产中适时适量供水，提高水资源的利用效率，扩大稻麦轮作的适种区域，保障中国粮食安全。④合理施肥，加快新型肥料的开发应用。不仅是在稻麦生产中，在所有农作物的生产过程中，氮肥施用量过多和过少都不利于作物产量的提高，还会对环境造成不利影响。因此，在稻麦生产过程中，要适量施用氮肥，将施肥与耕种方式、秸秆还田和水分管理相结合，注意有机氮肥和化学氮肥的搭配使用。另外，还要加快新型肥料的研究开发，降低新型肥料的生产成本，提高肥料利用率，在减少劳动投入的同时保持甚至提高土壤肥力，并减少对环境造成的污染，获得更高的经济效益和生态效益。

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