姚兆磊^,1, 张继宗^1,2, 杜玉琼¹, 刘玉华^1,2, 张立峰^,1,2,*1河北农业大学农学院, 河北保定 071000
²农业农村部张北农业资源与生态环境重点野外科学观测试验站, 河北张家口 076450

Productivity evaluation of crop rotation in cold and arid region of Northern China

YAO Zhao-Lei^,1, ZHANG Ji-Zong^1,2, DU Yu-Qiong¹, LIU Yu-Hua^1,2, ZHANG Li-Feng^{,1,2,* 1}College of Agronomy, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, Hebei, China
²Zhangbei Agricultural Resource and Ecological Environment Key Field Research Station, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Zhangjiakou 076450, Hebei, China

通讯作者: ^*张立峰, E-mail: zlf@hebau.edu.cn

第一作者联系方式: E-mail: 1273990544@qq.com
收稿日期:2020-03-18接受日期:2020-07-2网络出版日期:2020-08-18

基金资助:

本研究由国家公益性行业(农业)科研专项项目.201503120 河北省重点研发计划项目.18227004D

Received:2020-03-18Accepted:2020-07-2Online:2020-08-18

Fund supported:

Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest.201503120 Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest.18227004D

摘要
为明确华北寒旱区主栽作物的茬口适应性机制与轮作效果, 提出适宜区域种植的轮作组合, 本研究于2015—2019年采用交叉式设计, 对马铃薯、蚕豆、饲用玉米、莜麦、甜菜5种作物进行了以年际间为重复的轮作定位试验。结果表明, 各茬口马铃薯、莜麦、甜菜产量分别是连作的1.30~1.68、1.28~1.48、1.25~1.48倍, 甜菜茬蚕豆产量较连作减产10.58%, 莜麦茬、甜菜茬饲用玉米产量较连作减产9.10%~15.42%; 10种轮作组合的轮作土地当量比(LERr)值为1.09~1.68, 与连作相比, 均表现为有利效应, 其中莜麦→马铃薯、甜菜→马铃薯、饲用玉米→马铃薯、蚕豆→马铃薯、莜麦→甜菜的LERr值较高。蚕豆、饲用玉米作物耐连作; 就产量而言, 华北寒旱区适宜种植的轮作组合为莜麦→马铃薯、甜菜→马铃薯、饲用玉米→马铃薯、蚕豆→马铃薯和莜麦→甜菜。
关键词： 华北寒旱区;作物;轮作;土地当量比

Abstract
To understand mechanisms of crop adaptability to various previous crop croppings, evaluate crop performance on the croppings, and identify suitable crop combinations for rotation of major crops in the cold and arid region of Northern China. A five-year field experiment was conducted using five crops from 2015 to 2019, including potato (Solanum tuberosum), faba bean (Vicia faba), forage maize (Zea mays), oat (Avena sativa), and beet (Beta vulgarwas). Yields of potato, oat, and beet in rotation were 1.30-1.68, 1.28-1.48, and 1.25-1.48 times of those in continuous cropping of single crops, respectively. Yield of faba bean on beet cropping was 10.58% lower than that of continuous faba bean while yield of forage maize on oat or beet stubble was 9.10%-15.42% lower than that of continuous forage maize. The LERr of 10 crop combinations was 1.09-1.68, indicating positive effects of rotation. Combinations of oat → potato, beet → potato, forage maize → potato and faba bean → potato had higher LERr, indicating faba bean and forage maize might be more durable of continuous cropping. In terms of productivity, suitable crop combinations for rotation in the area were oat → potato, beet → potato, forage maize → potato, faba bean → potato and oat → beet.
Keywords：the cold and arid region of Northern China;crop;rotation;land equivalent ratio


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本文引用格式
姚兆磊, 张继宗, 杜玉琼, 刘玉华, 张立峰. 华北寒旱区作物轮作的生产效应[J]. 作物学报, 2020, 46(12): 1923-1932. doi:10.3724/SP.J.1006.2020.04071
YAO Zhao-Lei, ZHANG Ji-Zong, DU Yu-Qiong, LIU Yu-Hua, ZHANG Li-Feng. Productivity evaluation of crop rotation in cold and arid region of Northern China[J]. Acta Crops Sinica, 2020, 46(12): 1923-1932. doi:10.3724/SP.J.1006.2020.04071


依据国家区域重大发展战略, 位于华北长城沿线的生态环境脆弱地区被明确定位为京津冀的重要生态保障区和水源涵养地。该区属高寒半干旱生态类型区, 气候低温冷凉, 无霜期短, 作物种类多样, 为典型的喜凉类作物雨养一熟区^[1]。为解决该区农业生产所面临的作物连年种植与作物间轮作选配不合理导致的作物减产、农田资源利用低效等问题, 可通过作物间适宜的时序轮换与倒茬种植, 以利用不同作物茬口的水分、养分等土壤环境因素差异, 实现作物稳产、高产^[2]。因此, 选配适生作物与优化轮作关系, 成为促进华北寒旱区农田生态资源高效利用、农牧生产可持续发展的迫切需求。研究认为, 适宜的轮作种植能使受益作物产量增加2.4%~ 96.6% ^[3,4,5,6,7], 经济增收11.6%~352.0%^[8,9]。选用浅根性一年生粮油作物与多年连作苜蓿进行倒茬, 不仅使冬油菜、冬小麦较其连作增产34.9%、45.0%, 而且2年内使连作苜蓿导致的深层干化土壤的水分恢复2.8%、2.0% ^[8]; 轮作2~12年粮食作物期间, 年均土壤水分恢复厚度为123.1 cm ^[10]。加入豆科作物的轮作有效改善了土壤养分, 与玉米连作相比, 大豆→玉米2个轮作周期后玉米田土壤全氮增加9%, 无机氮增加11.65%, 玉米平均产量增加了29.58%^[11]。在粮菜倒茬中, 大豆茬玉米较玉米连作增产5%, 而马铃薯茬和甘蓝茬的玉米产量只有连作的97% ^[12]。对于存在作物自毒、专性寄生的土传病虫害的作物^[13,14], 轮作倒茬则对参试各作物的产量与品质具有显著的“双赢”效果^{[15,16,17,18]}。然而, 在轮作中茬口效应存在多样性, Tucker等^[19]研究表明, 由于紫花苜蓿严重耗竭底土水分, 自苜蓿翻耕后至第一茬小麦成熟期之间的水分无法补充, 苜蓿后第一茬小麦籽粒产量仅有连作的97%。当接续玉米茬口时, 玉米根系分泌物效应降低了烟草品质, 使烟叶蛋白质、钾和烟碱含量分别减少18.0%、19.0%和12.5%^[20]。农田生产中的作物间轮作关系, 实质上是以土壤为载体的种群间时序演替关系。现代生态学所抽象的种群间9种基本感应机制^[21], 同样可引以揭示作物间的倒茬与轮作效应; 而作物间轮作的综合效果, 则需要归一化的定量指标进行评价。本研究在设置田间定位试验、监测作物间轮作关系的产量效果基础上, 通过作物间轮作关系的生态学定性评价、定量分析, 明确华北寒旱区主栽作物间轮作关系及作物组配机制, 以期为该区农业生产提供合理的轮作制度。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2015年4月到2019年10月在河北省张家口市农业部(张北)农业资源与生态环境重点野外观测试验站(41°09′N, 114°42′E)进行。试验区平均海拔1420 m, 年均降水量382.5 mm, 年均温3.9℃, 区域气候冷凉, 无霜期135 d, ≥10℃积温2426.3℃ ^[22], 属于高寒半干旱生态类型区。区域常年作物生长季(5月至9月)降水量343.4 mm, 试验年2016年生长季(5月至9月)降水428.1 mm, 为降水偏丰年; 2017、2018、2019年生长季(5月至9月)降水分别为282.1、303.7、303.3 mm, 为降水偏旱年。试验田土壤类型为草甸栗钙土, pH 7.7, 含全氮1.09 g kg^-1、全磷0.54 g kg^-1、全钾22.03 g kg^-1、有机质18.53 g kg^-1、碱解氮80.68 mg kg^-1、速效磷34.10 mg kg^-1、速效钾76.63 mg kg^-1。

1.2 试验材料与设计

选择华北寒旱区具有代表性的5种主栽作物作为供试材料, 分别为马铃薯(Solanum tuberosum)品种‘小白花’、蚕豆(Vicia faba)品种‘崇礼蚕豆’、饲用玉米(Zea mays)品种‘巡青518’、莜麦(Avena sativa)品种‘坝莜1号’、甜菜(Beta vulgarwas)品种‘KWH-6231’。

采用交叉式设计(表1), 5种作物年际间两两组合, 形成10种轮作模式, 且每种轮作模式的倒茬关系年内实施, 另有5种作物的连作模式, 共计15种种植模式。即共有25个试验小区, 小区面积为120 m², 作物一年一熟。为了有效减少试验土壤误差, 定位实施, 年际间重复。试验田作物雨养旱作生产。各作物施肥参照作物常年施肥量。各作物播种与收获日期见表2。

Table 1
表1
表1试验小区种植方式
Table 1Planting pattern of experimental plot

试验小区 Experimental plot	年份Year					试验小区 Experimental plot	年份Year
	2015	2016	2017	2018	2019		2015	2016	2017	2018	2019
1	B	P	B	P	B	14	FB	FM	FB	FM	FB
2	O	P	O	P	O	15	P	FM	P	FM	P
3	FM	P	FM	P	FM	16	B	O	B	O	B
4	FB	P	FB	P	FB	17	O	O	O	O	O
5	P	P	P	P	P	18	FM	O	FM	O	FM
6	B	FB	B	FB	B	19	FB	O	FB	O	FB
7	O	FB	O	FB	O	20	P	O	P	O	P
8	FM	FB	FM	FB	FM	21	B	B	B	B	B
9	FB	FB	FB	FB	FB	22	O	B	O	B	O
10	P	FB	P	FB	P	23	FM	B	FM	B	FM
11	B	FM	B	FM	B	24	FB	B	FB	B	FB
12	O	FM	O	FM	O	25	P	B	P	B	P
13	FM	FM	FM	FM	FM	—	—	—	—	—	—

P: potato; FB: faba bean; FM: forage maize; O: oat; B: beet.
P: 马铃薯; FB: 蚕豆; FM: 饲用玉米; O: 莜麦; B: 甜菜。

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Table 2
表2
表2试验作物播种期与收获期
Table 2Sowing and harvesting dates of experimental crops

作物 Crop	播种与收获日期 Sowing and harvesting date (month/day)
	2015		2016		2017		2018		2019
	播种 Sowing date	收获 Harvesting date	播种 Sowing date	收获 Harvesting date	播种 Sowing date	收获 Harvesting date	播种 Sowing date	收获 Harvesting date	播种 Sowing date	收获 Harvesting date
马铃薯Potato	04/30	09/18	05/02	08/25	04/25	09/16	04/28	09/12	05/03	09/17
蚕豆Faba bean	05/04	08/21	05/04	08/24	05/19	08/26	05/15	09/09	05/14	09/16
饲用玉米Forage maize	05/26	09/20	05/22	08/26	05/19	09/11	05/15	09/15	05/14	09/21
莜麦Oat	05/31	09/16	05/21	09/03	05/25	09/08	05/23	09/01	05/23	09/18
甜菜Beet	05/23	10/07	05/25	10/01	05/27	10/01	05/29	10/03	05/20	09/28

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1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量测定 在测产区测定各作物的实际收获产量。各作物测定项目包括: (1)马铃薯: 在测产区内, 首先进行五点取样, 每点取1株马铃薯作为样品, 称取薯块、株体鲜重; 将样品带回实验室后烘干, 称其干重, 计算出干率。而后收获剩余面积的马铃薯, 称取薯块、株体鲜重。(2)饲用玉米: 在测产区内, 首先进行3点取样, 每点取2 m双行饲用玉米, 称取鲜重, 待自然风干后, 称其干重, 计算出干率。而后收获剩余面积的饲用玉米, 称取植株(除根部)鲜重。(3)蚕豆、莜麦: 将测产区收获, 自然风干后测得生物产量; 脱粒后测得经济产量。(4)甜菜: 在测产区内, 首先进行五点取样, 每点取1株甜菜作为样品, 称取叶丛、块根鲜重; 烘干后称其干重, 计算出干率。而后收获剩余面积的甜菜, 称取叶丛、块根鲜重。

1.3.2 土地利用效果评价 借鉴土地当量比(land equivalent ratio, LER)原理^[23], 比较茬口对后茬作物生产的影响。以连作产量为对照(CK), 采用了作物土地当量比(LERc)和轮作土地当量比(LERr)概念^[24]。

LERc = Yr/Yc

式中, Yc为某作物连作单位面积产量(kg hm^-2), Yr为该作物倒茬下单位面积产量(kg hm^-2)。

LERc > 1时, 说明茬口对后茬作物具有促进增产的有利效应, 以“+”表示; LERc < 1时, 说明茬口对后茬作物具有减产的有害效应, 以“-”表示; LERc = 1时, 则茬口对后茬作物生产无明显影响, 以“0”表示。

轮作土地当量比(LERr)是以各作物连作的产量为对照, 比较轮作时作物以土地面积为量纲的生产效果。

$\text{LERr=}\frac{\text{1}}{n}\sum\limits_{i=1}^{n}{\text{Y}{{\text{r}}_{i}}/\text{Y}{{\text{c}}_{i}}}$

式中, Yc_i为轮作系统中第i作物连作单位面积平均产量(kg hm^-2), Yr_i为该作物轮作下单位面积产量(kg hm^-2), n为轮作系统中的作物数量。

LERr > 1时, 说明轮种作物具有促进轮作系统增产的有利效应, 以“+”表示; LERr < 1时, 说明轮种作物具有使轮作系统减产的有害效应, 以“-”表示; 若LERr = 1时, 说明轮种作物对轮作系统生产无明显影响, 以“0”表示。

1.3.3 病情指数调查 马铃薯早疫病与甜菜褐斑病鉴定均按照试验调查记载9级标准进行^[25,26], 病情指数计算公式: 病情指数 = [∑(各级病叶数 × 相对级数的代表值)/(总叶数 × 最高级数的代表值)] × 100

1.4 数据统计

采用Microsoft Excel与SPSS统计分析试验数据。以年际间作为重复, 通过运用LSD法和Duncan’s法进行多重比较, 处理间的差异显著性水平为P<0.05 ^[27]。

2 结果与分析

2.1 茬口对作物经济产量的影响

试验在2015年创造茬口的基础上, 2016年之后为年际间重复。由表3可知, 与马铃薯连作相比, 其他茬口马铃薯4年的平均产量均高于连作, 是连作的1.30~1.68倍, 以莜麦茬马铃薯的平均产量最高。统计分析表明, 饲用玉米茬、莜麦茬马铃薯平均产量与连作间差异显著, 其他茬口马铃薯平均产量与连作间差异不显著。与蚕豆连作相比, 甜菜茬蚕豆减产10.58%, 其他3个茬口蚕豆的平均产量是连作的1.01~1.28倍, 但不同茬口的蚕豆产量间差异不显著。不同茬口下饲用玉米平均产量与蚕豆相似, 与连作相比差异均不显著; 但马铃薯茬饲用玉米产量显著高于甜菜茬饲用玉米产量。马铃薯茬饲用玉米较连作增产13.07%, 莜麦茬、甜菜茬饲用玉米产量较连作减产9.10%~15.42%。与莜麦连作相比, 其他4种茬口莜麦的产量是连作的1.28~1.48倍, 以马铃薯茬莜麦的平均产量最高。统计分析表明, 不同茬口莜麦与连作间产量无显著差异。比较各茬口下甜菜的平均产量, 表明倒茬较连作甜菜能够显著增产, 达25.07%~47.64%, 其中马铃薯茬甜菜产量最高。

Table 3
表3
表3各茬口作物的经济产量
Table 3Economic yield of crops at different croppings (kg hm^-2)

作物 Crop	年份 Year	茬口Cropping
		马铃薯茬 Potato cropping	蚕豆茬 Faba bean cropping	饲用玉米茬 Forage maize cropping	莜麦茬 Oat cropping	甜菜茬 Beet cropping
马铃薯 Potato	2016	2163.07	4254.37	4238.45	5833.94	4308.85
	2017	2801.63	3776.77	4504.18	4358.62	3416.63
	2018	3592.31	5504.73	6470.60	6405.94	5898.10
	2019	4711.07	5725.97	5339.61	5714.08	3615.10
	平均Average	3317.02 a	4815.46 ab	5138.21 b	5578.15 b	4309.67 ab
蚕豆 Faba bean	2016	1684.84	1775.89	3289.14	1838.42	1758.38
	2017	2207.77	1540.77	1739.20	1570.79	1288.98
	2018	1333.05	1435.22	1750.29	1533.71	966.93
	2019	2771.22	1978.16	1858.91	1915.53	2003.43
	平均Average	1999.22 a	1682.51a	2159.39a	1714.61a	1504.43a
饲用玉米 Forage maize	2016	13,861.37	14,350.51	12,467.90	11,515.76	8099.60
	2017	17,271.16	16,558.21	16,776.81	13,681.24	12,204.87
	2018	19,993.85	16,922.10	16,420.76	17,487.80	16,897.30
	2019	17,130.04	18,201.34	14,700.37	12,189.03	13,858.04
	平均Average	17,064.11 b	16,508.04 ab	15,091.46 ab	13,718.46 ab	12,764.95 a
莜麦 Oat	2016	3151.58	2601.30	2101.05	1950.98	2451.23
	2017	2486.32	2090.49	2646.33	1525.14	1597.04
	2018	2207.76	2059.03	1854.65	1148.67	1316.63
	2019	2206.59	2173.76	2298.03	2162.77	3353.97
	平均Average	2513.06 a	2231.15 a	2225.02 a	1696.89 a	2179.72 a
甜菜 Beet	2016	12173.89	10865.77	9355.20	9456.63	8393.31
	2017	11,378.05	9843.94	11,423.90	9293.52	7019.03
	2018	9471.98	9519.76	9543.03	8795.43	6151.40
	2019	11,485.23	10,670.61	9484.93	10,160.39	8583.51
	平均Average	11,127.29 c	10,225.02 bc	9951.77 bc	9426.49 b	7536.81 a

Different lowercase letters represent significant difference (P < 0.05).
不同小写字母代表差异显著(P < 0.05)。

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综上分析, 蚕豆、饲用玉米作物较耐连作; 马铃薯、莜麦、甜菜作物不适宜连作。马铃薯、甜菜作物在生长中期出现的病害较其他茬口严重。由图1可知, 马铃薯连作的早疫病病情指数为24.72, 是蚕豆茬、饲用玉米茬、莜麦茬、甜菜茬马铃薯早疫病病情指数的1.15~2.48倍; 甜菜连作的褐斑病病情指数为27.87, 是马铃薯茬、蚕豆茬、饲用玉米茬、莜麦茬甜菜病情指数的1.69~2.93倍, 这成为马铃薯、甜菜连作减产的重要原因。

图1

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图1各茬口马铃薯、甜菜的病情指数

Fig. 1Disease index of potato and beet at different croppings

2.2 作物对茬口的适应性

由表4可知, 2016—2019年蚕豆茬、饲用玉米茬、莜麦茬、甜菜茬的马铃薯作物土地当量比(LERc)平均值分别为1.52、1.63、1.81、1.41, 与连作相比, 该4种茬口对马铃薯生产均表现为“有利效应”, 但2019年甜菜茬马铃薯LERc值为0.77, 表现为“有害效应”, 说明甜菜茬口对马铃薯生产的效应受年份环境的明显影响。统计分析表明, 莜麦茬马铃薯与连作相比增产效果显著, 说明马铃薯更适应莜麦茬口。

Table 4
表4
表4不同种植模式下作物土地当量比
Table 4Crop land equivalent ratio under different cropping patterns

作物 Crop	年份 Year	马铃薯茬 Potato cropping		蚕豆茬 Faba bean cropping		饲用玉米茬 Forage maize cropping		莜麦茬 Oat cropping		甜菜茬 Beet cropping
		作物土地 当量比 LERc	效应Effect	作物土地当量比LERc	效应Effect	作物土地 当量比 LERc	效应 Effect	作物土地 当量比 LERc	效应Effect	作物土地 当量比 LERc	效应Effect
马铃薯	2016	1.00	0	1.97	+	1.96	+	2.70	+	1.99	+
Potato	2017	1.00	0	1.35	+	1.61	+	1.56	+	1.22	+
	2018	1.00	0	1.53	+	1.80	+	1.78	+	1.64	+
	2019	1.00	0	1.22	+	1.13	+	1.21	+	0.77	-
	Average	1.00 a	0	1.52 ab	+	1.63 ab	+	1.81 b	+	1.41 ab	+
蚕豆	2016	0.95	-	1.00	0	1.85	+	1.04	+	0.99	-
Faba bean	2017	1.43	+	1.00	0	1.13	+	1.02	+	0.84	-
	2018	0.93	-	1.00	0	1.22	+	1.07	+	0.67	-
	2019	1.40	+	1.00	0	0.94	-	0.97	-	1.01	+
	Average	1.18 ab	+	1.00 ab	0	1.29 b	+	1.03 ab	+	0.88 a	-
饲用玉米	2016	1.11	+	1.15	+	1.00	0	0.92	-	0.65	-
Forage	2017	1.03	+	0.99	-	1.00	0	0.82	-	0.73	-
maize	2018	1.22	+	1.03	+	1.00	0	1.06	+	1.03	+
	2019	1.17	+	1.24	+	1.00	0	0.83	-	0.94	-
	Average	1.13 b	+	1.10 b	+	1.00 ab	0	0.91 a	-	0.84 a	-
莜麦	2016	1.62	+	1.33	+	1.08	+	1.00	0	1.26	+
Oat	2017	1.63	+	1.37	+	1.74	+	1.00	0	1.05	+
	2018	1.92	+	1.79	+	1.61	+	1.00	0	1.15	+
	2019	1.02	+	1.01	+	1.06	+	1.00	0	1.55	+
	Average	1.55 b	+	1.38 ab	+	1.37 ab	+	1.00 a	0	1.25 ab	+
甜菜	2016	1.45	+	1.29	+	1.11	+	1.13	+	1.00	0
Beet	2017	1.62	+	1.40	+	1.63	+	1.32	+	1.00	0
	2018	1.54	+	1.55	+	1.55	+	1.43	+	1.00	0
	2019	1.34	+	1.24	+	1.11	+	1.18	+	1.00	0
	Average	1.49 b	+	1.37 b	+	1.35 b	+	1.27 b	+	1.00 a	0

Different lowercase letters represent significant difference (P<0.05). “+, -, 0” indicate that there are positive, negative and no effect of previous crops on yield increasing in next growing season, respectively.
不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。“+、-、0”分别表示茬口对后茬作物具有促进增产的有利效应、减产的有害效应和无明显影响。

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甜菜茬的蚕豆LERc值为0.88, 甜菜茬口对接茬的蚕豆生产表现为“有害效应”; 马铃薯茬、饲用玉米茬、莜麦茬的蚕豆LERc值分别为1.18、1.29、1.02, 表现为“有利效应”, 同时马铃薯、饲用玉米、莜麦茬口在不同年份条件下对于蚕豆生产均出现过有害效应。统计分析表明, 饲用玉米茬口较甜菜茬口对蚕豆具有显著的增产效果, 各茬口较连作对蚕豆生产的影响均无显著差异。表明, 蚕豆的茬口适应性较强。

对于饲用玉米, 莜麦茬、甜菜茬的饲用玉米LERc值分别为0.91、0.84, 与连作相比, 这2种茬口对饲用玉米生产均表现为“有害效应”; 马铃薯茬、蚕豆茬的玉米LERc值分别为1.13、1.10, 表现为“有利效应”。马铃薯、蚕豆茬口较莜麦、甜菜茬口对饲用玉米具有显著的增产效果; 与饲用玉米连作相比, 不同茬较连作对饲用玉米无显著差异。表明饲用玉米的茬口适应性较强。

莜麦与甜菜生产对于各茬口的反应相似, 不同茬口莜麦、甜菜的LERc值均大于1, 且年际间比较稳定, 与连作相比各茬口对于两作物生产均表现为“有利效应”。统计分析表明, 只有马铃薯茬口较连作莜麦增产显著, 而所有茬口的甜菜都较连作甜菜显著增产, 马铃薯茬口的甜菜LERc值达1.49。表明莜麦与甜菜的茬口适应性强。

分析如上20种茬口衔接方式中, 有17种即占85%的衔接方式表现出“有利效应”, 但只有12种即占60%的衔接方式比较稳定; 有3种即占15%的衔接方式对接茬作物产生“有害效应”。

2.3 作物轮作效果的分析

2016—2019年10种轮作组合和5种连作组合的土地利用效果如表5。10种轮作组合的LERr平均值为1.09~1.68, 与连作相比, 均表现为有利效应。甜菜→蚕豆、甜菜→饲用玉米、莜麦→饲用玉米3种轮作组合两作物间具有偏利补偿效果; 其他7种轮作组合两作物间具有互利增益效果, 其中饲用玉米→马铃薯、莜麦→马铃薯、甜菜→马铃薯、甜菜→莜麦4种轮作组合受年际环境的影响较小, 4种轮作组合中莜麦→马铃薯LERr值显著高于饲用玉米→马铃薯、甜菜→莜麦轮作组合, 莜麦→马铃薯LERr值最高为1.68, 其他3种轮作组合受年际间环境的影响轮作效果存在宽幅的差异。

Table 5
表5
表5作物种植模式的轮作土地当量比
Table 5Crop rotation land equivalent ratio of cropping patterns

种植模式 Cropping pattern	年份 Year	轮作土地当量比LERr	效应Effect	种植模式 Cropping pattern	年份 Year	轮作土地当量比LERr	效应Effect
连作马铃薯	2016	1.00	0	甜菜→马铃薯	2016	1.72	++
Continuous cropping potato	2017	1.00	0	Beet→Potato	2017	1.42	++
	2018	1.00	0		2018	1.59	++
	2019	1.00	0		2019	1.06	+-
	Average	1.00 a	0		Average	1.45 cd	+
连作蚕豆 Continuous cropping faba bean	2016	1.00	0	饲用玉米→蚕豆	2016	1.50	++
	2017	1.00	0	Forage maize→Faba bean	2017	1.06	+-
	2018	1.00	0		2018	1.13	++
	2019	1.00	0		2019	1.09	+-
	Average	1.00 a	0		Average	1.20 abc	+
连作饲用玉米 Continuous cropping forage maize	2016	1.00	0	莜麦→蚕豆	2016	1.19	++
	2017	1.00	0	Oat→Faba bean	2017	1.20	++
	2018	1.00	0		2018	1.43	++
	2019	1.00	0		2019	0.99	+-
	Average	1.00 a	0		Average	1.20 abc	+
连作莜麦	2016	1.00	0	甜菜→蚕豆	2016	1.14	+-
Continuous cropping oat	2017	1.00	0	Beet→Faba bean	2017	1.12	+-
	2018	1.00	0		2018	1.11	+-
	2019	1.00	0		2019	1.13	++
	Average	1.00 a	0		Average	1.13 ab	+
连作甜菜	2016	1.00	0	莜麦→饲用玉米	2016	1.00	0
Continuous cropping beet	2017	1.00	0	Oat→Forage maize	2017	1.28	+-
	2018	1.00	0		2018	1.34	++
	2019	1.00	0		2019	0.95	+-
	Average	1.00 a	0		Average	1.14 ab	+
蚕豆→马铃薯	2016	1.46	+-	甜菜→饲用玉米	2016	0.88	+-
Faba bean→Potato	2017	1.39	++	Beet→Forage maize	2017	1.18	+-
	2018	1.23	+-		2018	1.29	++
	2019	1.31	++		2019	1.03	+-
	Average	1.35 bc	+		Average	1.10 ab	+
饲用玉米→马铃薯	2016	1.54	++	甜菜→莜麦	2016	1.20	++
Forage maize→Potato	2017	1.32	++	Beet→Oat	2017	1.19	++
	2018	1.51	++		2018	1.29	++
	2019	1.15	++		2019	1.37	++
	Average	1.38 bc	+		Average	1.26 abc	+
莜麦→马铃薯	2016	2.16	++
Oat→Potato	2017	1.6	++
	2018	1.85	++
	2019	1.12	++
	Average	1.68 d	+

Different lowercase letters represent significant difference (P < 0.05). “+, -, 0” indicate that there are positive, negative and no effect of rotation crops on system yield increasing, respectively.
不同小写字母代表差异显著(P < 0.05)。“+、-、0”分别表示轮种作物具有促进轮作系统增产的有利效应、减产的有害效应和无明显影响。

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统计分析表明, 与连作相比, 蚕豆→马铃薯、饲用玉米→马铃薯、莜麦→马铃薯、甜菜→马铃薯的LERr值显著高于连作, 其余轮作组合的LERr值与连作间差异不显著; 各轮作组合间相比, 莜麦→马铃薯的LERr值与甜菜→马铃薯轮作组合间无显著差异, 但显著高于其余8种轮作组合; 甜菜→马铃薯的LERr值显著高于莜麦→饲用玉米、甜菜→蚕豆、甜菜→饲用玉米; 其余各轮作组合间无显著差异。

结合表4分析表明, 甜菜→饲用玉米轮作组合2016年LERr值为0.88, 莜麦→蚕豆、莜麦→饲用玉米轮作组合2019年LERr值分别为0.99、0.95 (表5), 说明轮作的两作物间产生了强偏害效应对弱偏利效应的偏害负偿效果; 莜麦→饲用玉米轮作组合在2016年LERr值为1.00 (表5), 说明作物间产生了偏害效应与偏利效应的利害抵偿效果。

3 讨论

轮作增产的实质是避免连作的障碍, 提高作物对茬地资源的利用效率。当存在作物专性寄生的土传病害时, 随着连作年数延长, 病害加重, 作物出现减产^[28], 作物间轮作倒茬, 能够有效降低作物的病情指数。宋树慧等^[29]探究不同前茬对马铃薯病害发生和产量的影响表明, 蚕豆茬马铃薯较连作4年马铃薯黑痣病病情指数降低60.88%, 增产51.44%; 王长魁等^[30]研究表明, 通过豆科、禾本科作物与甜菜轮作倒茬种植, 使甜菜褐斑病的发病率较连作降低17.46%~24.30%, 相应甜菜增产82.26%~90.72%。本试验表明, 轮作下马铃薯、甜菜的早疫病、褐斑病病情指数是连作的40.3%~87.0%、34.1%~59.2%, 相应较连作马铃薯、甜菜增产29.93%~68.17%、25.07%~47.64%, 与前人研究结果一致。通过轮作创造抑制病害生长的环境, 是感病作物成功生产的关键。

轮作中作物选配的原则是发挥作物对茬口效应的适合性, 选出具有时序互利合作或偏利合作的轮作方式。本研究中, 当马铃薯作为前茬作物时, 对后茬作物均表现为有利效应, 且较其他茬口对后茬作物具有较高的LERc值; 而作为后茬作物时, 马铃薯均表现为受益效应。马铃薯与其他作物进行轮作产生互利效应, 可能与马铃薯连作病害加重^[31], 以及与马铃薯较玉米、麦类作物对土壤水分的恢复能力强等有关^[32]。甜菜作为前茬作物, 对后茬蚕豆和饲用玉米具有有害效应; 但作为后茬作物时, 甜菜均表现为受益效应。甜菜与其他作物进行轮作产生偏利补偿作用, 可能与甜菜产生自毒物质影响连作产量^[33], 且生育期长、根系庞大, 对土壤水分的消耗量大等有关^[34,35]。因此, 组配轮作方式时, 在充分利用主作物最高受益的基础上, 选择对副作物减效最低或有利效应的组合至为重要。

通过定性与定量方法对作物的茬口特性与茬口适应性进行评价, 成为进行作物间组配、选择适宜轮作方式的基础。轮作的实质是以土壤作为载体的种群间时序演替关系。对于作物茬口特性与茬口适应性的定性评价, 本试验在作物种群间9种感应机制^[21]的基础上, 将轮作方式中作物间的关系定义为茬口对后茬作物的有利、有害效应, 作物间的互利增益效果、偏利补偿效果、利害抵偿效果、偏害负尝效果、互害效果; 对于作物轮作系统的农田资源综合利用效果的定量评价, 本试验在土地当量比(LER)概念^[23]的基础上, 利用作物土地当量比(LERc)和轮作土地当量比(LERr)的概念, 量化不同轮作方式以土地资源面积为量纲的产出效果, 为揭示自然属性下的农田轮作生产效果探索了有效途径, 而结合农田生产的社会属性, 全面评价轮作生产效果的方法需要进一步完善。

4 结论

在华北寒旱区草甸栗钙土农田, 蚕豆、饲用玉米作物耐连作, 马铃薯、莜麦、甜菜作物连作明显减产; 马铃薯、蚕豆、饲用玉米茬口对其他作物生产均表现为有利效应, 莜麦、甜菜茬口对饲用玉米表现为有害效应; 马铃薯、莜麦、甜菜作物的茬口适应性强, 蚕豆、饲用玉米的茬口适应性较强。在华北寒旱区草甸栗钙土农田, 适宜种植的轮作组合为莜麦→马铃薯、甜菜→马铃薯、饲用玉米→马铃薯、蚕豆→马铃薯和莜麦→甜菜。

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通过长期定位试验 ,研究了冀北高原栗钙土农田主要作物耗水特性及其倒茬效应。结果表明 ,春小麦、莜麦、豌豆、亚麻与马铃薯等作物间生长季农田耗水量差异不大 ,而不同作物与茬口间水分利用效率差异显著 ,前者变化在 1.34 7～ 11.177kg· ha- 1· mm- 1 ,后者相差 11.44 %～ 46 .6 6 %。本文以土地当量比 (L ER)为指标 ,定量评价了轮作倒茬的综合生物学效果 ,并进一步分析了 2～ 4年轮作周期下的高 L ER值作物轮作方式。
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2,籽粒钾素占转移钾的81.0%;休闲或与大豆、绿豆轮作的小麦花后植株钾素损失较多,分别为10.9,12.6和5.5kg/hm2,籽粒钾素占转移钾的52.9%,52.9%和66.8%。与秋豆-小麦轮作处理小麦增产的主要原因是花后植株能累积更多干物质和氮、磷养分,减少了花前累积于茎叶的钾素在花后的损失。]]>
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Conservation agriculture (CA) practices are being widely promoted in many areas in sub-Saharan Africa to recuperate degraded soils and improve ecosystem services. This study examined the effects of three tillage practices [conventional moldboard plowing (CT), hand hoeing (MT) and no-tillage (NT)], and three cropping systems (continuous maize, soybean-maize annual rotation, and soybean/maize intercropping) on soil quality, crop productivity, and profitability in researcher and farmer managed on-farm trials from 2010 to 2013 in northwestern Ghana. In the researcher managed mother trial, the CA practices of NT, residue retention and crop rotation/intercropping maintained higher soil organic carbon, and total soil N compared to conventional tillage practices after 4 years. Soil bulk density was higher under NT than under CT soils in the researcher managed mother trails or farmers managed baby trials after 4 years. In the researcher managed mother trial, there was no significant difference between tillage systems or cropping systems in maize or soybean yields in the first three seasons. In the fourth season, crop rotation had the greatest impact on maize yields with CT maize following soybean increasing yields by 41 and 49% compared to MT and NT maize, respectively. In the farmers' managed trials, maize yield ranged from 520 to 2700 kg ha(-1) and 300 to 2000 kg ha(-1) for CT and NT, respectively, reflecting differences in experience of farmers with NT. Averaged across farmers, CT cropping systems increased maize and soybean yield ranging from 23 to 39% compared with NT cropping systems. Partial budget analysis showed that the cost of producing maize or soybean is 20-29% cheaper with NT systems and gives higher returns to labor compared to CT practice. Benefit-to-cost ratios also show that NT cropping systems are more profitable than CT systems. We conclude that with time, implementation of CA practices involving NT, crop rotation, intercropping of maize and soybean along with crop residue retention presents a win-win scenario due to improved crop yield, increased economic return, and trends of increasing soil fertility. The biggest challenge, however, remains with producing enough biomass and retaining same on the field.

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甜菜褐斑病(Cercospora Leaf spot of sugar beet)又名叶斑病,俗称火聋叶子,是甜菜最主要的叶部病害之一.因该病病原菌(Cercospora beticola Sacc.)的寄主较多,所以分布极广,世界各甜菜种植区均有发生.西欧、中欧、巴尔干和美国的中、西部地区分布最广,危害最重.甜菜褐斑病在我国各甜菜产区均有发生,是我国东北、西北、华北3大甜菜产区的主要病害.甜菜褐斑病流行时,严重影响甜菜的块根产量和含糖率,给农业生产和制糖工业带来的损失是极其严重的.2002年,黑龙江省气候异常,在甜菜生长季节由于高温多雨的天气,褐斑病普遍发生.从哈尔滨工业大学糖业研究院试验地调查结果看,种植区的国内外甜菜品种褐斑病均有不同程度的发生,国外品种与国内品种相比发病较重.
Xia H M, Yang Y B, Han X W, Luo C F, Shi S Z . The harm and prevention of beet brown spot
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在作物栽培上运用作物与土壤、土壤与作物之间的关系,合理安排前作与后作的轮换顺序,使之获得增产并取养地之效,这与作物的茬口特性密切相关.
Sun Y P, Wang H Y, Wang Y L . Characteristics of crop stubble and field rotation
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