刘晓冰，张兴义， Oswaldo Ernst ，Mario Perez-Bidegain

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150081；2. Facultad de Agronomia, Universidad de la Republica, Montevideo 12900,Uruguay)



乌拉圭的作物-牧草轮作和耕作体系长期观测研究

刘晓冰1，张兴义1， Oswaldo Ernst2，Mario Perez-Bidegain2

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150081；2. Facultad de Agronomia, Universidad de la Republica, Montevideo 12900,Uruguay)

不同于世界其他黑土区，始于20世纪60年代乌拉圭的作物-牧草轮作制是很有影响和特色的种植体系。它是一个更具多样性，具有更强的抗御气候和经济变化缓冲力的系统。本文介绍了乌拉圭作物-牧草轮作几个体系的构成，重点评述了基于作物-牧草多体轮作制长期定位试验不同耕作体系对土壤有机碳动态、土壤侵蚀和氧化亚氮排放的影响。特定生态环境和特别的种植体系下得出的不同于其他地区的研究结果或结论，对进一步深入理解农业生产的区域性意义重大。表3，参21。

乌拉圭；作物-牧草轮作；免耕；长期定位试验；土壤有机碳

0　引　言

乌拉圭地处南美洲30° S～35° S，属于温带亚湿润气候带， 全国年平均降雨1 200 mm，南方1 000 mm，东北1 500 mm，日平均气温冬季13℃，夏季25℃，即冬季较寒冷，但无降雪、土壤无冻融；夏季较热，降雨季节分布相当均匀，但热季的潜在蒸腾蒸发量较大。由此，秋冬季土壤水分充足(7月份，60 mm)，而春夏季土壤水分相对亏缺(1月份，100 mm)。

自西班牙人入驻以来，畜牧业生产一直是乌拉圭经济的基础。目前肉牛、奶牛和绵羊及其制品仍然是主要农产品。乌拉圭总土地面积约为1 600万hm2(2.4亿亩)，只有5%的林地，80%的景观由自然与再生的多年生和一年生顶级C3、C4草原植被组成，放牧草地占总土地面积75%。由于气候因素，传统上，乌拉圭的多数土地处于永久的自然草原植被状态，用于草食动物生产，其余占20%的土地以不同轮作方式种植作物和人工牧草，主要分布在粘淀湿润软土和变性土(Arguidolls和Vertisols)。近些年来，由于商品价格的上涨，农业土地面积不断增加，而且免耕面积增加到农业土地的50%以上[1]。

农业土壤退化(土壤肥力耗竭、土壤侵蚀)是乌拉圭政府部门、农业工作者及农户关注的主要问题。这主要源于常规耕作及其作物轮作的弊端。Diaz-Rosello[2]指出，与世界其他国家类似，常规耕作下作物轮作28年后，土壤有机碳(SOC)损失25%。尽管如此，乌拉圭的土壤科学家们认为他们土壤的SOC含量要比世界同类地区的土壤高[3-4]。为防止土壤退化，基于长期定位试验结果，乌拉圭的种植体系从20世纪后半叶开始经历了(1)从原有作物的长期轮作向常规耕作基础上的一年生作物与牧草轮作过渡，和(2)逐步向基于作物-牧草轮作的免耕体系方向过渡两个阶段[1]。

2015年11月，我们对乌拉圭的主要农业研究机构进行了为期5天的访问，参观了实验基地及其试验站，并与有关研究人员进行了学术交流，发现他们的种植体系和研究结果很有地域特色。本文基于乌拉圭研究者提供的部分资料和一些公开发表的论文整理而成，旨在明晰乌拉圭特色种植体系的不同构成，深入理解长期实施不同体系后SOC的变化，为我国农牧交错带适宜类型区确定持续发展措施提供成功技术体系借鉴。

1　作物-牧草轮作制长期定位试验及其构成

借鉴新西兰的模式，位于乌拉圭东岸共和国派桑杜省(Paysandu)La Estanzuela 市郊的乌拉圭国立农业研究院(INIA)农业试验站(34° 20′S， 57° 43′W)于1962年建立，并于1963年开始实施作物-牧草多体轮作种植模式的长期定位试验，目的是评估7个种植体系的持续性。每个体系6年为一个周期，小区宽25 m，长200 m，坡度2%～4%，土壤类型为粉砂粘性壤土，属于典型的粘淀湿润软土(Typic Arguidoll)。该区属于亚湿润气候，年平均温度17℃，冬季和夏季平均气温分别为12℃和24℃。

该长期定位试验基本的作物种植顺序是包括4种作物和1种绿肥作物的3年轮作，即，高粱-小麦、向日葵-玉米和燕麦。另一种作物种植顺序是用大豆替代了高粱和玉米。期间1974年、1983年和2008年有所调整，2008年后所用试验均为免耕。氮磷化肥的施用测土施肥，一年生谷物收获并移走籽实，牧草定期切割以促进放牧，饲料残体留在小区中。每年的3月或者是4月采集0～15 cm 耕层土壤，测定有机碳、全氮、pH、有效磷(Bray 1, 树脂法)、交换性钾。并对所用样品烘干研磨、保存归档。7个种植体系及其详细轮作方式和处理组成见表1[5]。

在自然牧区，作物-牧草多体轮作种植模式主要以增添豆科牧草和增施磷肥，而不是把自然牧区变成人为的新的牧草体系，因此，影响较小。然而，在作物种植区，尽管多年生牧草种植的第一年有土壤侵蚀和牧草产量下降的危险，但由于作物生产的施肥量较多，土壤有效磷含量相对高，豆科牧草的表现尚好，而且该体系具有省时、节本、减少土壤退化的优点。由此，该体系作为一个能够恢复多年农作物轮作导致的生产力下降的策略，被逐渐采纳，并成为作物生产和肥牛育肥有机结合的典范走向成功[6]。

2　作物-牧草轮作制下SOC和碳储量的变化

对上述长期定位试验的4个种植体系的SOC年际变化趋势分析表明，从1963年-2015年的52年中，对于3年作物3年牧草和2年作物4年牧草处理，SOC的总体趋势是实施30年后呈现略有逐渐增加的趋势，而仅包含作物轮作的SOC呈现明显下降，尤以轮作不施肥下降显著。与1963年的SOC含量相比，作物轮作不施肥下降50%，作物轮作施肥下降20%[5]。一般而言，SOC在牧草阶段增加，在作物阶段降低，但两个阶段结束后SOC无净变化。对1964年-1990年间结果的回归分析表明，作物轮作导致每年减少Ap层SOC 540 kg·hm-2，而作物-牧草多体轮作制减少Ap层SOC 80 kg·hm-2[1]。

进一步对52年后7种种植体系的碳储量差异(以每公顷土壤重量2 500 Mg·hm-2)分析指出，52年后，3年作物3年百脉根、3年作物3年牧草混播和2年作物4年牧草种植体系的碳储量没有差异，介于54 Mg C hm-2～57 Mg C hm-2，并以2年作物4年牧草碳储量最高，而这3种体系与其他4种种植体系的碳储量差异显著。作物轮作不施肥碳储量最低，为31 Mg C hm-2，施肥条件下正常作物轮作(即6年轮作周期均为作物且正常施肥)和以大豆为主的轮作之间无差异，而4年作物2年红三叶草居中，为49 Mg C hm-2。由此可见，(1)就农作物轮作种植而言，要注重施肥的作用，不施肥将显著降低有机碳储量；(2)作物轮作和牧草轮作有机结合，是保持土壤有机碳库的有效途径。

3　不同耕作方式下多年生牧草-作物轮作长期定位试验及其SOC动态

作物-牧草多体轮作种植模式体系导致两个潜在的问题：表土压实和土壤表面残茬减少。加之乌拉圭降雨量分布及其土壤特性，土壤水蚀风险很高，而免耕能够降低土壤有机质的矿化并降低土壤侵蚀作用。由此，研究者们从1993年开始，设计了不同耕作方式下多年生牧草-作物轮作的长期定位试验，类似于该区盛行的三年作物(每年种植两季)，三年牧草主要牧草试验，作物种植顺序见表2。试验是随机区组设计，三次重复，每小区10 m宽，50 m长。

Salvo等[7]详细报道了实施免耕和常规耕作，多年生牧草轮作耕层0～6 cm，6 cm～12 cm，12 cm～18 cm的有机碳含量及其组成的变化效应。他们的研究表明，9.5年之后，常规耕作与免耕的不同耕层深度的有机碳没有差异：1994年18 cm耕层内初始的有机碳是21.4 g·kg-1，2003年常规耕作与免耕的有机碳分别是19.8 g·kg-1和20.0 g·kg-1，即此牧草-作物轮作体系下，与免耕相比，常规耕作并未导致有机碳损失的增加。然而，研究者们发现常规耕作SOC的组成差异较大，尤其是颗粒有机碳(POM)含量明显减少，并以>200 μm POM减少比例最多，三个耕层分别减少53%，71%和79%。总体上，颗粒有机碳与土壤有机碳比值，由起始期18.4%降到6.8%，即大部分颗粒有机碳矿化并以CO2形式释放到大气中，而矿质结合的有机碳含量没有变化。因此，与SOC比较，POM是土壤利用和管理的更为敏感的指标。另外，他们还有一个很有意义的结果，即9.5年之后，0～18 cm耕层只有14.5%的SOC是新鲜的SOC，来自作物的碳投入只有17%保持到0～6 cm表层。并估测土壤有机质半减期为28年，POM有机碳的半减期为5年，而矿质结合的有机碳的半减期为400年。由此提出，即使是常规耕作条件下，只要是作物轮作体系中有多年生牧草加入同样可以维持SOC水平。Terra 等[8]也曾指出，免耕条件下牧草-作物轮作8年的SOC含量与自然牧草植被的SOC相近，但POM含量下降32%。Steinbach 和Alvarez[8]报道，南美阿根廷条件下， 60个试验研究中有13个的SOC比常规耕作的低，初始SOC低的增加15%，而初始SOC高的损失5%。

表2　常规耕作和免耕作物-牧草轮作的作物种植顺序(1993-2003)

注：多年生牧草组成是高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb)，百脉根(LotuscorniculatusL.)和白三叶草(TrifoliumrepensL.),下同.

Note:The components of perennial grassers areFestucaarundinaceaSchreb,LotuscorniculatusL. andTrifoliumrepensL., the same as follows.

这些结论与其他地区免耕条件下土壤有机碳含量的增加结果不同。由于该种植系统每年种植两季作物并组合多年生牧草，土壤裸露时间短，植被连续覆盖，减少了土壤易发生侵蚀的机会。此外，免耕条件下牧草-作物轮作有机碳的增加程度与牧草类型、放牧状态和作物阶段的养分管理有关[10]。

4　作物-牧草轮作制对土壤侵蚀的影响

Garcla-Prechac等[1]综合比较了两种土壤(Typic Argiudoll and Abruptic Argiudoll)上不同耕作方式下7种体系的7年和18年的土壤侵蚀平均量。结果表明，常规耕作作物轮作体系的土壤平均年侵蚀量最高，为19.2 Mg·hm-2·a-1，而简化耕作(Reduced tillage)作物轮作体系、常规耕作作物-牧草多体轮作制和简化耕作作物-牧草多体轮作制的侵蚀量分别为8.6 Mg·hm-2·a-1、7.2 Mg·hm-2·a-1和4.4 Mg·hm-2·a-1；免耕作物轮作体系的土壤平均年侵蚀量只有3.2 Mg·hm-2·a-1，免耕作物-牧草多体轮作制为1.3 Mg·hm-2·a-1，自然牧草最低仅为1.2 Mg·hm-2·a-1。总体上，作物-牧草轮作体系由常规耕作转换为免耕后，土壤侵蚀速率降低50%。

进一步的研究表明，作物轮作体系最先发生径流，其次是作物轮作下的免耕，最晚的是作物-牧草多体轮作下的免耕[11]。由于免耕100%的残茬覆盖，与常规耕作径流发生的时间延迟72%(30.3 s vs.108.2 s)，而且径流量减少31%，一旦牧草体系加入径流量将会显著减少。我国学者郑粉莉教授等[11]曾指出，常规耕作的径流速率要比免耕的高出1.7倍 ～ 1.9倍。他们提出，与常规耕作比较，免耕降低径流25%，由于雨滴对裸露土壤的作用，引起团聚体破坏，产生更多的颗粒和小团聚体，降低渗透速率，增加径流导致土壤侵蚀。

由于常规耕作基础上的作物轮作降低土壤生产力，被认为不是持续的。鉴于免耕条件下，牧草加入到作物轮作体系中，牧草密集的细根促进团聚体作用，土壤团聚体稳定性迅速增加，由此提出免耕条件下的作物-牧草多体轮作制是避免土壤侵蚀的可持续的体系。实际上，2004年以来，乌拉圭有52%的农作物农场和25%的奶牛场采纳免耕。

5　作物轮作与多年生牧草-作物轮作长期试验及其SOC动态

研究者们同样设计了不同耕作条件下多年生牧草-作物轮作与作物轮作对比长期定位试验，并比较分析了SOC动态，见表3。结果表明，12年之后，无论是作物轮作和作物-牧草轮作，免耕的SOC比常规耕作的SOC平均高出7%，而土壤有机氮(STN)变化则不同于SOC。STN均下降，其中作物轮作的降低幅度最大，降低10%(1.63 g·kg-1vs. 1.93 g·kg-1)。作物-牧草轮作下两种耕作体系能够缓解STN降低幅度56%。并发现作物-牧草轮作下C/N比有所下降。与作物轮作相比，作物-牧草轮作潜在的有机氮矿化度高，即作物轮作增加对N的需求。他们的研究还表明，作物-牧草轮作的水稳定性团聚体的平均重量直径(MWD)比作物轮作的增加140%。免耕比常规耕作的MWD高(2.52 mm vs.1.55 mm)：免耕条件下，牧草比作物轮作的MWD提高了24%。作物轮作条件下，免耕比常规耕作对MWD的影响明显(2.24 mm vs. 0.91 mm)。大团聚体的稳定性是暂时的，而且对农业管理措施相当敏感，因为作为稳定剂的真菌菌丝和细菌产物相当脆弱[13]。也就是说，一旦体系转换成常规耕作这种团聚体改善的结果就会消失。

表3　作物轮作和作物-牧草轮作的作物种植顺序(1993-2004)

6　作物轮作和耕作对氧化亚氮排放的影响

自然和农业土壤是氧化亚氮(N2O)重要来源。据估计，每年全球的排放分别为6.0 Tg N2O和4.2 Tg N2O[12]。乌拉圭环境气候变化部的报告认为，该国99%的N2O排放来自于农业产业。研究表明土地利用方式影响N2O的排放强度，作物种类对N2O的排放影响很大，草原植物和非谷类作物远远高于谷类作物[13]。耕作方式对N2O的排放影响变化较大，其与环境关系较大[16]。有研究认为，免耕导致很高的N2O的排放[16]，而常规耕作导致N2O的排放增加的很少甚至没有变化[18]。

7　结束语

农业生产的持续性依赖于很多因素，但是其中两个主要因素就是控制土壤侵蚀和保持SOC的水平。通过土壤管理措施增加SOC依赖于(1)土壤原有的SOC含量；(2)潜在的净生产能力和(3)当地气候条件。免耕体系下的作物-牧草多体轮作制是乌拉圭现行生态和生产条件下的更持续的管理体系，因为该体系能够改善土壤质量，减轻土壤侵蚀。但是，必须指出，这种体系是在乌拉圭以及阿根廷的部分地区资源禀赋、人口和经济现状下实施的[21]，我国相应类型区只能借鉴不可照搬。

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Long-term Studies on Crop-pasture Rotations and Different Tillage Systems in Uruguay

LIU Xiaobing1, ZHANG Xingyi1, Oswaldo Ernst2, Mario Perez-Bidegain2

(1.KeyLaboratoryofMollisolsAgroecology,NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,CAS,Harbin150081,China; 2.FacultaddeAgronomia,UniversidaddelaRepublica,Montevideo12900,Uruguay)

Crop-pasture rotations in Uruguay since 1960s, the predominant and unusual cropping systems around the world are the most influential farming systems. This system is a more economically and climatically buffered system due to its higher diversity. This paper describes the basic components of several crop-pasture rotations, and summarizes the impacts of long-and middle-term crop-pasture rotations under different tillage systems on soil organic carbon, soil erosion and nitrous oxide emissions. Different results and conclusions obtained from the given ecological conditions and cropping systems in Uruguay lends significance in further understanding the importance of regional variability for agricultural production.

Uruguay; crop-pasture rotations; no-till; long-term studies; soil organic carbon

10.11689/j.issn.2095-2961.2016.03.001

2095-2961(2016)03 -0129-06

2016-03-21.

国家科技支撑计划课题(2014BAD11B01-A01).

刘晓冰(1963-)，男，黑龙江肇源人，研究员，博士，研究方向为作物生理生态和土壤管理.

张兴义(1966-)，男，黑龙江密山人，研究员，博士，研究方向为黑土水土保持.

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