,1,2, 李书鑫1, 刘胜群,1,*, 李向楠,1,2,*Research advances of cover crops and their important roles
JIAN Shu-Lian,1,2, LI Shu-Xin1, LIU Sheng-Qun,1,*, LI Xiang-Nan,1,2,*通讯作者: *刘胜群, E-mail:lsq@iga.ac.cn, Tel:0431-85542270;李向楠, E-mail:lixiangnan@iga.ac.cn, Tel:0431-82536087
收稿日期:2020-10-14接受日期:2021-06-15网络出版日期:2021-06-22
| 基金资助: |
Corresponding authors: *lsq@iga.ac.cn, Tel:0431-85542270;lixiangnan@iga.ac.cn, Tel:0431-82536087
Received:2020-10-14Accepted:2021-06-15Published online:2021-06-22
| Fund supported: |
作者简介 About authors
E-mail:jianshulian1122@163.com
摘要
在农作物种植系统中, 田间杂草、土壤因素对作物的生长发育、产量和品质的影响一直都是农业领域关注的热点。大量使用化肥和除草剂可以达到作物增产、除草的目的, 但其对土壤和环境造成的负面影响, 严重制约了农业生产的可持续发展。种植覆盖作物是一种实现农业可持续发展的新策略, 可以达到控制杂草、减少氮肥施用、改善土壤质量等目的。本文主要从覆盖作物的起源与发展过程、主要种类和作用及其种植制度等方面, 总结了目前覆盖作物的研究进展及其在作物种植中的应用, 以期为覆盖作物在我国农业生产中的研究与应用提供理论基础。
关键词：
Abstract
In crop planting system, the influences of field weeds and soil properties on crop growth and development, yield, and quality have always been paid close attention to agriculture field. Overdose applications of chemical fertilizers and herbicides are beneficial for crop yield and well control of weeds, however, their negative impacts on soil and environment seriously restrict the sustainable development of agricultural production. Planting cover crops have been considered as a novel strategy to achieve sustainable agricultural development, which can help to control weeds, reduce nitrogen application, and improve soil quality. We summarize the current research advance progress of cover crops and their application in crop cultivation, including the origin and development process, main types, functions, and cropping systems of cover crops, in order to provide a theoretical basis for the research and application of cover crops in agriculture production in China.
Keywords：
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本文引用格式
蹇述莲, 李书鑫, 刘胜群, 李向楠. 覆盖作物及其作用的研究进展. 作物学报, 2022, 48(1): 1-14 DOI:10.3724/SP.J.1006.2022.03058
JIAN Shu-Lian, LI Shu-Xin, LIU Sheng-Qun, LI Xiang-Nan.
作为世界上第一大粮食生产与消费国, 我国用世界9%的耕地养活了世界近20%的人口, 在耕地面积有限的前提下, 通过不断提高粮食单位面积产量来实现粮食总产量的持续增加[1], 所取得的成果令世人瞩目。然而, 我们要面对农业生产中出现的一系列问题, 如长期大量使用除草剂, 依赖增加化肥和农药等农业投入来提高粮食产量, 土地“重用轻养”, 导致土壤水肥蓄保能力下降、耕层变薄、土壤酸化、有机质量减质退等[2], 进而影响作物养分吸收利用, 导致作物产量和品质下降, 还可能引发农业面源污染等问题。比如, 高肥可导致土壤中氮和磷残留过高, 过多的肥料经雨水冲刷或地表径流污染水体[3]。此外, 由于长期大量施用除草剂, 导致杂草形成抗药性, 也成为全球农业面临的一个重要挑战[4]。统计显示, 已知有超过200种杂草对至少一种除草剂具有抗性[5], 并且除草剂的使用会造成环境污染, 传统控制杂草的化学方法的可持续性受到了质疑[6]。覆盖作物(cover crops)被认为是在兼顾主栽作物产量前提下, 实现农业可持续生产的新策略[7]。
田间覆盖作物是指在主栽作物生长期间和(或)收获后, 在时间和空间上填充土壤裸露间隙的作物[8,9]。也有研究者认为覆盖作物是指对覆盖土壤有积极作用的一切作物, 尤其是指对防止土壤侵蚀, 增加土壤有机质有积极作用的作物, 或者是覆盖于土壤表面用来控制杂草的作物[10]。与传统绿肥作物在休闲期种植, 培肥地力的目标不同, 覆盖作物与主栽作物可能存在较长一段时间的共生期, 并且以覆盖地表, 抑制田间杂草, 兼顾提高肥料利用率和土壤质量, 减少田间水土流失, 降低作物歉收风险和田间病虫害, 改善农田微生态等为目标[6-7,11-13]。因此, 覆盖作物已成为许多种植系统的重要组成部分, 并且得到了广泛的应用[14]。
覆盖作物可应用于耕作系统中, 也可应用于免耕系统中, 针对温带地区覆盖作物的389篇文献统计显示, 覆盖作物种植于耕作系统中占61%, 免耕中占20% (其余的没有明确耕作制度)[15]。在美国, 农民已通过种植覆盖作物的方式增加空闲期农田覆盖度、减少草甘膦等有机磷类除草剂的使用[16]。研究者关注覆盖作物并对此开展了大量研究, 本文主要从覆盖作物的起源与发展过程、主要种类和作用及其种植制度等方面, 总结了目前覆盖作物的研究进展及其在作物种植中的应用, 以期为覆盖作物在我国农业生产中的研究与应用提供理论基础。
1 覆盖作物的起源与发展过程
据记载, 早在3000年前我国的周朝就已应用覆盖作物来改善土壤, 并以此提高生产力[9,17]。在美洲殖民时期, 研究者在弗尼吉亚开始尝试利用毛叶苕子(Vicia villosa R.)和三叶草等豆科覆盖作物为后茬作物提供氮源[9]。1898年, 在亚拉巴马研究者利用黑麦(Secale cereale L.)、红三叶草(Trifolium pretense L.)和毛叶苕子来研究棉花的氮素利用情况[9]。1932—1945年, 研究者关注氮素在土壤中的损失, 并开展了覆盖作物在减少氮淋溶方面的研究[9]。1942年, 由于第二次世界大战造成化肥供应短缺, 马里兰大学建议在田间种植毛叶苕子和其他一年生越冬豆科作物代替化肥为作物提供氮素营养[9]。1967年, 研究者发现黑麦是免耕玉米生产体系中适宜的越冬覆盖作物, 并且发现豆科覆盖作物比谷类覆盖作物更有利于免耕生产体系, 自此覆盖作物的研究及应用越来越活跃[18,19]。自20世纪70年代以来, 覆盖作物的播种面积大幅增加[14], 覆盖作物不仅在小麦、玉米和大豆等作物中应用, 也逐渐在蔬菜和果园中开始应用[20,21,22] (表1和表2)。在我国, 覆盖作物的作用和研究在近10年才备受关注, 并且在我国北方和中部地区进行了一定面积的种植和应用(表2)。随着研究的深入, 人们认识到覆盖作物不仅可以为作物提供氮素、改善土壤肥力和减少土壤侵蚀, 而且在控制田间杂草、降低病虫害发生风险、降低地(表)下水污染等方面, 都起着至关重要的作用[9]。
Table 1
表1
表1国外部分国家不同地区覆盖作物的种类
Table 1
| 位置 Location | 地区 Region | 年份 Year | 主栽作物 Main crop | 覆盖作物 Cover crop | 参考文献 Reference |
|---|---|---|---|---|---|
| 美国东北部 Northeast US | 马里兰州 Maryland | 2001-2002 | 大豆 Soybean | 黑麦, 饲料萝卜 Rye, fodder radish 油菜, 油料萝卜 Canola, oilseed radish | [73] |
| 特拉华州 Delaware | 1989-1991 | 玉米 Maize | 黑麦 Rye | [74] | |
| 美国中北部 North-central US | 爱荷华州 Iowa | 1994-1998 | 大豆 Soybean | 燕麦, 黑麦 Oat, rye | [75] |
| 爱荷华州 Iowa | 1994-1997 | 大豆 Soybean | 燕麦, 黑麦 Oat, rye | [76] | |
| 密歇根州 Michigan | 1994-1996 | 冬小麦-玉米 Winter wheat-maize | 埃及三叶草 Berseem clover 中红三叶草 Medium red clover 一年生苜蓿 Annual medic species | [77] | |
| 明尼苏达州 Minnesota | 2008-2009 | 番茄 Tomato 甜椒 Bell pepper 西葫芦 Zucchini | 冬黑麦 Winter rye 毛叶苕子 Hairy vetch | [20] | |
| 位置 Location | 地区 Region | 年份 Year | 主栽作物 Main crop | 覆盖作物 Cover crop | 参考文献 Reference |
| 美国中部 Central US | 科罗拉多州 Colorado | 2006-2008 | 马铃薯 Potato | 一年生黑麦草 Annual ryegrass 大麦, 向日葵 Barley, sunflower 高粱-苏丹草 Sorghum-Sudan grass 芥菜, 油菜, 豌豆 Mustard, canola, pea | [78] |
| 美国东南部 Southeast US | 乔治亚州 Georgia | 1994-1997 | 番茄 Tomato | 毛叶苕子 Hairy vetch | [79] |
| 加拿大东南部 Southeast Canada | 魁北克省 Quebec | 1993-1994 | 玉米 Maize | 绛车轴草 Crimson clover 埃及三叶草 Berseem clover 波斯三叶草 Persian clover 草莓三叶草 Strawberry clover 地三叶草 Subterranean clover 黄花草木犀 Yellow sweet clover 天蓝苜蓿, 苜蓿 Black medic, alfalfa 冬黑麦, 毛叶苕子 Fall rye, hairy vetch 红三叶草+黑麦草 Red clover + ryegrass 白三叶草+黑麦草 White clover + ryegrass | [28] |
| 加拿大中南部 South-central Canada | 曼尼托巴省 Manitoba | 1997-1999 | 冬小麦 Winter wheat 秋黑麦 Fall rye | 黑扁豆 Black lentil 山黧豆 Chickling vetch 苜蓿, 红三叶草 Alfalfa, red clover | [80] |
| 荷兰中部 Central Netherlands | 海尔德兰省 赫宁根市 Gelderland Wageningen | 2003-2004 | 黑小麦 Triticale | 白羽扇豆 White lupin 饲料萝卜 Fodder radish 冬季油菜 Winter oilseed rape 意大利黑麦草 Italian ryegrass 冬黑麦, 苜蓿 Winter rye, alfalfa | [81] |
| 法国东南部 Southeast France | 法国东南部 有机农场 Organic farms in southeastern France | 2008-2010 | 冬小麦 Winter wheat 春小麦 Spring wheat 玉米 Maize | 苜蓿 Alfalfa 天蓝苜蓿 Black medic 红三叶草 Red clover 白三叶草White clover | [82] |
| 日本中部 Central Japan | 茨城县 Ibaraki University | 2000-2001 | 旱稻 Upland rice | 黑麦 Rye 红三叶草 Red clover | [3] |
| 茨城县 Ibaraki University | 2003-2005 | 旱稻 Upland rice | 黑麦 Rye 毛叶苕子 Hairy vetch | [83] |
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Table 2
表2
表2中国不同地区种植覆盖作物的种类
Table 2
| 位置 Location | 地区 Region | 年份 Year | 主栽作物 Main crop | 覆盖作物 Cover crop | 参考文献 Reference | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 华中 Central China | 湖北荆州 Jingzhou, Hubei | 2013-2014 | 水稻 Rice | 油菜, 小麦 Oilseed rape, wheat | [84] | |
| 湖北十堰 Shiyan, Hubei | 2016-2018 | 猕猴桃 Kiwi fruit | 波斯菊, 百日草 Coreopsis, zinnia 黑麦草, 早熟禾 Ryegrass, bluegrass 紫羊茅, 白三叶 Red fescue, white clover 红三叶, 毛叶苕子 Red clover, hairy vetch | [21] | ||
| 湖北十堰 Shiyan, Hubei | 2016-2018 | 猕猴桃 Kiwi fruit | 黑麦草, 白三叶 Ryegrass, white clover | [22] | ||
| 位置 Location | 地区 Region | 年份 Year | 主栽作物 Main crop | 覆盖作物 Cover crop | 参考文献 Reference | |
| 华中 Central China | 湖北十堰 Shiyan, Hubei | 2018 | 茶 Tea | 波斯菊, 百日草 Coreopsis, zinnia 黑麦草, 早熟禾 Ryegrass, bluegrass 紫羊茅, 白三叶 Red fescue, white clover 红三叶, 毛叶苕子 Red clover, hairy vetch | [85] | |
| 湖南华容 Huarong, Hunan | 2014-2017 | 双季稻 Double-crop rice | 油菜, 马铃薯 Oilseed rape, potato 黑麦草, 紫云英 Ryegrass, milk vetch | [53] | ||
| 湖南长沙 Changsha, Hunan | 2004-2015 | 双季稻 Double-crop rice | 油菜, 马铃薯 Oilseed rape, potato 黑麦草, 紫云英 Ryegrass, milk vetch | [86] | ||
| 湖南长沙 Changsha, Hunan | 2004-2007 | 双季稻 Double-crop rice | 油菜, 马铃薯 Oilseed rape, potato 黑麦草, 紫云英 Ryegrass, milk vetch | [87] | ||
| 湖南益阳 Yiyang, Hunan | 2010-2012 | 双季稻 Double-crop rice | 油菜 Oilseed rape 黑麦草, 紫云英 Ryegrass, milk vetch | [88] | ||
| 华东 Eastern China | 安徽怀远 Huaiyuan, Anhui | 2017-2018 | 冬小麦/夏玉米 Winter wheat/ summer maize | 苜蓿, 油菜 Alfalfa, oilseed rape 萝卜, 毛叶苕子 Radish, hairy vetch | [89] | |
| 安徽淮南 Huainan, Anhui | 2015 | 蓝莓 Blueberry | 白三叶 White clover | [90] | ||
| 华北 North China | 天津南开 Nankai, Tianjin | 2009-2010 | 冬闲田 Winter fallow field | 二月兰 Orychophragmus violaceus 草木犀, 苜蓿 Sweet clover, alfalfa 毛叶苕子, 黑麦草 Hairy vetch, ryegrass | [91] | |
| 山西太原 Taiyuan, Shanxi | 2016 | 玉米 Maize | 大豆 Soybean | [92] | ||
| 东北 Northeast China | 辽宁沈阳 Shenyang, Liaoning | 2011-2015 | 大豆/玉米 Soybean/maize | 黑麦 Rye | [93] | |
| 辽宁朝阳 Chaoyang, Liaoning | 2012-2015 | 大豆/玉米 Soybean/maize | 黑麦, 燕麦 Rye, oat 谷子, 卷心菜 Millet, cabbage 野豌豆, 毛叶苕子 Vetch, hairy vetch 饲用高粱, 萝卜 Fodder sorghum, radish | [94] | ||
| 西北 Northwest China | 陕西榆林 Yulin, Shaanxi | 2014-2015 | 马铃薯 Potato | 苜蓿, 草木犀 Alfalfa, sweet clover 冬小麦, 黑麦草 Winter wheat, ryegrass | [95] | |
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2 覆盖作物的种类
对国内外覆盖作物的种植种类统计显示, 豆科、禾本科和十字花科覆盖作物居多, 其中以豆科、禾本科最多, 并且这些覆盖作物多应用于玉米、小麦和大豆等主栽作物的种植系统中(表1和表2)。2.1 豆科
豆科覆盖作物具有生物固氮、根系发达、抗逆性强、生长迅速、结实量大、繁殖方便等特点, 在覆盖作物种植中发挥着重要作用[23]。常见的豆科覆盖作物有毛叶苕子、地三叶草(Trifolium subterraneum L.)、红三叶草、白三叶草(Trifolium repens L.)、绛车轴草(Trifolium incarnatum L.)、野豌豆(Vicia sepium L.)、大豆(Glycine max (L.) Merr.)、豌豆(Pisum sativum L.)、草木犀(Melilotus officinalis L.)和苜蓿(Medicago sativa L.)等(表1和表2)。豆科覆盖作物通过与固氮细菌共生从大气中获取并固定氮素, 其不与作物存在氮素竞争, 还可以通过根瘤菌共生结瘤固氮, 增加土壤氮含量, 为主栽作物提供大量氮, 增加作物的氮素吸收, 从而减少主栽作物的氮素投入[24,25,26]。此外, 豆科覆盖作物还可以在不降低主栽作物产量的情况下抑制田间杂草[6]。2.2 禾本科
禾本科覆盖作物具有分蘖性强、碳氮比(C/N)高、生物产量高和播种时间灵活等特点, 在覆盖作物种植中较常用。常见的禾本科覆盖作物有黑麦、黑麦草(Lolium perenne L.)、一年生黑麦草(Lolium multiflorum L.)等(表1和表2)。种植禾本科覆盖作物可以通过增加生物产量和群体层次, 与杂草争夺空间、光、水和营养物质直接抑制杂草生长(如减少杂草密度和生物量), 也可以通过释放化感化合物和作为杂草生长的物理屏障间接抑制杂草生长[27,28]。禾本科覆盖作物也可以增加土壤的水分可用性、减缓土壤退化、增强灌溉土地的土壤功能[29,30]。豆科和禾本科覆盖作物混合种植可以加速覆盖作物的冠层建成, 占据杂草生态位, 从而有效抑制杂草[31]。豆科和禾本科覆盖作物混合种植, 既可以充分发挥豆科植物固氮功能, 又可以使禾本科植物有效清除土壤残留氮和磷等[32]。但由于不同覆盖作物生长发育存在不同步性, 以及不同地区的气候特点和土壤条件存在差异, 致使不同地点豆科和禾本科覆盖作物混合种植的结果不同[33,34]。因此, 因地制宜探索适合该地区的覆盖作物种类或最佳的覆盖作物组合。
2.3 十字花科
十字花科覆盖作物具有生长速度快、主根大、扎根深、抗冻性强等特点。常见的十字花科覆盖作物有油菜(Brassica napus L.)、萝卜(Raphanus sativus L.)和芥菜(Brassica juncea (L.) Czern. et Coss.)等(表1和表2)。十字花科植物含有硫代葡萄糖苷, 在酶解后释放化感物质(如异硫氰酸酯), 可有效抑制杂草[35]。研究显示, 与裸地无覆盖作物相比, 田间种植油菜、芥菜覆盖作物降低了杂草密度、杂草干重和杂草种类的数量[35]。十字花科覆盖作物可有效清除作物收获后土壤中残留的氮[36]。例如, 芜菁(Brassica rapa L.)、萝卜、油菜因其主根较长, 可以吸收土壤深层的氮, 芥菜因其根系较浅、多分枝, 可吸收土壤浅层的氮[36]。十字花科覆盖作物由于生长迅速、生物量大、根系强健的特点, 有助于缓解土壤压实, 增加水分入渗[37], 特别是在免耕系统中。3 覆盖作物的作用
3.1 抑制杂草, 减少对除草剂的需求
在20世纪上半叶, 最常用的杂草控制方法是轮作和间作[28]。采用耕作方法是一种控制杂草的有效方法, 此方法在杂草繁殖前将其杀死, 从而阻止杂草种子产生[16]。但耕作会导致杂草种子在田间传播, 并且频繁的行间耕作也容易引起土壤侵蚀[16]。随着除草剂的发明和广泛使用, 机械除草已较少使用。但除草剂的大量使用不仅造成环境污染, 还使一些杂草产生了除草剂抗性, 加大了除草剂的需求。种植覆盖作物是农作物种植系统中抑制杂草的一种有效手段[38]。覆盖作物通过占据杂草生态位, 与杂草直接竞争光照、营养和水分等资源, 从而抑制杂草的生长[6,39]。豆科覆盖作物对主栽作物产量没有显著影响, 但显著降低了田间杂草的生物量[6]。研究显示, 玉米行间播种毛叶苕子时, 玉米产量没有下降, 但显著减少了杂草生物量[40,41]。禾本科和十字花科覆盖作物也可以抑制杂草。如当在夏末或秋季种植黑麦时, 黑麦的生命周期与冬季一年生杂草的生命周期重叠, 可以抑制杂草生长[27]。油菜、芥菜和饲料萝卜覆盖作物可抑制杂草, 但其杂草抑制程度有限[35,42]。覆盖作物的使用通常能在不降低作物产量的情况下抑制田间杂草生长, 但覆盖作物与杂草竞争的同时, 也有可能与主栽作物竞争, 因此选择适宜的覆盖作物以及合理的田间管理方法是限制覆盖作物与主栽作物竞争的关键所在[6]。
3.2 固氮, 减少氮素淋失
化学肥料, 特别是氮肥的施用, 对提高农作物产量起着至关重要的作用[43], 但是过高的氮肥施用, 会造成氮素的损失和资源浪费, 甚至造成环境污染。因为NO3-氮易移动, 不易被土壤中的阴离子胶体吸附, 所以当土壤中含有大量的NO3-时, NO3-会随土壤水分在根际中自由移动, 并淋溶到地下水中[9]。在农作物种植系统中种植覆盖作物已被认为是解决氮损失问题的有效方案[44]。覆盖作物可吸收土壤中的NO3-氮来固定氮[45], 从而降低了土壤中的矿质氮, 使硝态氮淋失达到最小化[46]。研究显示, 北欧地区豆科覆盖作物年均固氮量可达100 kg hm-2 [47]。玉米种植系统中种植覆盖作物毛叶苕子可使玉米的氮素吸收量增加79 kg hm-2 [48]。在玉米-大豆-冬小麦轮作系统中种植豆科覆盖作物绛车轴草、毛叶苕子、红三叶草减少了土壤残余氮, 与无覆盖作物处理的土壤比较, 种植覆盖作物从淋失氮中节省纯氮约50.9 kg hm-2, 这不仅减少了土壤矿质氮的积累和氮淋失的可能性, 而且为后续作物提供了可利用的氮素[25]。在美国中部雨养玉米种植地区, 在玉米种植系统中混合种植豌豆、红三叶草、黑麦作为覆盖作物可降低80%的氮素淋失; 冬豌豆作为覆盖作物可使玉米氮吸收量增加40 kg hm-2 [49]。因此种植豆科覆盖作物可降低氮肥投入, 提高主栽作物氮素利用效率[48]。但不同种类的覆盖作物对氮素利用效率的影响存在差异, 并且可能受生态条件、种植方式和时间、还田方式等因素影响。
3.3 防治病虫害, 减少杀虫剂的使用
自绿色革命以来, 杀虫剂的使用对提高农业生产率有着很大的贡献, 但也导致农业生态系统的环境污染和生物多样性降低[50]。覆盖作物已被证明可以打破病虫害的循环, 减少了杀虫剂的需求, 并可为农场内部和外部环境带来好处[45]。覆盖作物可通过管理农田及其周围的生境, 提供一个稳定的环境, 帮助天敌群落的扩散, 从而减轻害虫的数量和伤害[51]。并且覆盖作物可以产生不利于许多土传病害的土壤环境, 产生对寄主有益的微生物群体而控制病害, 聚藏有益的节肢动物, 有利于有益线虫的繁殖以及产生可减少有害线虫群体的化合物等控制昆虫的危害[8]。通过研究黑麦、绛车轴草等覆盖作物对棉花天敌丰富度和多样性、主要的害虫种群、生物防治服务和棉花产量的影响, 发现黑麦促进了棉花早期天敌群落的丰富度和多样性, 并且显著减少了蓟马的侵染[51]。除此之外, 豆科覆盖作物可以改善有益昆虫的栖息地, 十字花科覆盖作物产生含硫代葡萄糖苷的残留物(2~6 mg hm-2)可抑制植物寄生线虫和土壤病害[45]。此外, 在植被单一的果园生态系统中, 种植覆盖作物也可改善园中生态条件, 可为果园中害虫的天敌提供较好的栖息场所, 利用天敌可自然控制害虫, 同时对果树病害和草害也有一定抑制作用, 从而给生态系统提供了良好的循环条件[52]。这种防治病虫害的生物方法可以减少杀虫剂的使用, 从而减少对环境的污染。
3.4 提高土壤微生物活性及群落多样性
微生物群落功能多样性是土壤质量变化重要的指标, 微生物是土壤的重要组成部分, 可以提供有关土壤质量的有用信息, 被广泛用于测量土壤的理化性质、生态环境和植物生长情况等[53]。种植覆盖作物对土壤微生物群落结构、数量和多样性产生显著的影响, 土壤宏观种群和微生物数量的增加是土壤性质和整体土壤生态系统服务改善的动态指标[7]。研究发现, 在冬小麦种植系统中, 与不种植覆盖作物相比, 添加覆盖作物奥地利冬季豌豆增加了土壤微生物数量、微生物生物量C, 显著提高了酶活性(脲酶、磷酸酶和脱氢酶活性)[54]。另外, 在玉米种植系统中, 覆盖作物绛车轴草增加了土壤微生物生物量、异养细菌数量(如芽孢杆菌数量增加260%、放线菌数量增加310%、可培养细菌数量增加120%)和土壤酶活性(如碱性磷酸酶、芳香基硫酸酯酶和β-葡萄糖苷酶), 并且显著高于传统施肥、无农药处理的土壤[55]。在美国哥伦布玉米免耕种植系统中, 种植一年生黑麦草和冬季黑麦与燕麦(Avena sativa L.)混合覆盖作物, 与无覆盖作物处理相比, 种植覆盖作物显著增加了土壤微生物的生物量[56]。此外, 覆盖作物还可以显著提高作物根际丛枝菌根真菌的数量和土壤有益微生物的生物量, 并且可以扩大菌根圈至更深的土壤层, 有利于作物生长[57]。
3.5 改善土壤质量
随着拖拉机、联合收割机等农业机械的广泛使用, 土壤压实越来越受到关注[7]。当土壤湿润和容易压实时, 机械播种、施肥和收获等田间作业, 也会造成土壤压实[7]。研究表明, 土壤压实会降低土壤的水分、热量和气体流通量, 影响作物的养分和水分的吸收, 从而影响根系生长和作物生产[58]。种植覆盖作物可以减轻土壤压实, 降低土壤对压实的敏感性, 比如油菜或萝卜这些扎根深的覆盖作物, 可以穿透紧实的土层, 像耕作工具或生物钻机一样, 减轻土壤的压实[7]。在美国马里兰州的不同土壤(粉沙壤土、沙壤土和壤土)上种植覆盖作物(饲料萝卜、油菜和黑麦), 均显著降低了土壤的压实程度[59]。覆盖作物终止生长后, 其主根还会产生大的生物通道或大孔隙, 从而增加水分和空气的流动, 使主栽作物的根系向更深层次扎根生长[59]。覆盖作物还可以通过改善土壤团聚性和增加土壤有机碳浓度来降低土壤的压实性[7]。覆盖作物对土壤团聚体稳定性的快速改善, 可以提高水分、养分和碳的储存, 提高土壤孔隙度和根系生长, 同时降低土壤的可蚀性[60]。从长远来看, 覆盖作物通过增加土壤的团聚性, 从而改善土壤的水力特性, 即水分下渗、土壤保水能力等[7]。覆盖作物通过保护土壤表面和改善土壤表面性质来增加水分下渗, 还通过增加土壤大孔隙度和孔隙连通性来增加水分传导率, 这样可以增加降水的捕获和水的储存[7]。如在美国阿肯色州粉沙壤土上种植冬黑麦、毛叶苕子和绛车轴草增加了土壤孔隙度、饱和导水率和保水能力等土壤物理性质[61]。
3.6 减少土壤侵蚀量
在农作物种植系统中, 频繁耕作会造成土壤侵蚀。研究显示, 在半干旱地区种植覆盖作物, 可以有效减少水土流失, 且截获更多的雨水或灌溉用水[7,62]。种植覆盖作物使径流损失减少80%, 泥沙损失减少40%到96% [7,63]。在美国爱荷华州进行了一项为期3年的研究发现, 黑麦和燕麦在3年中, 使细沟侵蚀分别减少了54%和89% [63]。风蚀也是半干旱地区土壤侵蚀的重要方式, 种植覆盖作物可有效减少风蚀[7]。在冬末和早春, 由于没有主栽作物而导致土壤裸露, 大风导致土壤容易受到风蚀的影响[7]。若此地区利用覆盖作物进行地表覆盖, 则可有助于减少风蚀发生风险[62]。覆盖作物通过物理保护土壤表面, 改善土壤结构特性, 增加土壤有机碳, 以及在主栽作物不存在时用根系固定土壤, 从而减少潜在的土壤侵蚀能力, 以达到减少土壤侵蚀风险的效果[7]。
4 覆盖作物的种植制度
种植覆盖作物可提高主栽作物产量, 但覆盖植物对主栽作物产量的影响是可变的[64]。例如, 在美国宾夕法尼亚, 主栽作物为玉米的覆盖作物的研究显示, 覆盖作物可有效抑制杂草、防止氮淋失等, 但对玉米产量产生了负面影响[64]。因为覆盖作物与杂草竞争水分养分等资源的同时, 同样也可能与主栽作物竞争资源[6]。不当的覆盖作物种植方式可能导致作物减产。所以, 覆盖作物在农作物种植系统中的种植模式、播期、播种量、播种方式、收获期和施肥量等直接影响覆盖作物的作用效果和主栽作物的产量。4.1 覆盖作物的种植模式
覆盖作物和主栽作物之间的不同种植模式, 依二者在时间和空间上的重叠程度不同而不同[6]。在农作物种植系统中, 覆盖作物与主栽作物的种植模式主要有以下几种(图1): (1) 覆盖作物作为“活”的覆盖物, 主栽作物可以直接播种到由提前播种出苗的覆盖作物形成的“活地膜”中[65], 主栽作物与覆盖作物同时收获(模式2); (2) 主栽作物与覆盖作物同步播种, 即主栽作物和覆盖作物在同一天播种, 或相隔几天播种[6], 覆盖作物播种于主栽作物的行间, 主栽作物与覆盖作物同时收获(模式3); (3) 覆盖作物与主栽作物采用类似套作的方式种植, 即在主栽作物生长后期的株、行间种植覆盖作物, 包括主栽作物成熟前或成熟时播种覆盖作物[6,66] (模式4); (4) 主栽作物与覆盖作物同步播种, 但不同步收获(模式5); (5) 主栽作物直接播种到覆盖作物形成的“活地膜”中, 主栽作物与覆盖作物不同时收获(模式6)。以上几种模式覆盖作物与主栽作物生长周期的重叠时间不同, 最终可能导致主栽作物和覆盖作物之间出现“双赢”、“多赢”、“双输”或“多输”等不同的效益[6]。图1
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图1在主栽作物(白色)中种植覆盖作物(黑色)的主要模式[6]
Fig. 1Main pattern of planting cover crops (in black block) in the main crop cultivation system (in white block) [6]
优化主栽作物与覆盖作物的空间配置, 同时为二者创造良好的生长环境, 有利于覆盖作物作用效果的最大化。在垄作制度中, 除了传统的均匀垄种植外, 宽窄行种植也是一种重要的方式, 通过宽窄行的设置, 可改良田间通风状况, 改善田间微环境, 有利于光热资源利用[67]。因此主栽作物采用宽窄行种植, 在宽行行间种植覆盖作物, 可能会降低主栽作物和覆盖作物之间的资源竞争, 减少主栽作物冠层对覆盖作物的遮阴等负效应。
4.2 播期和收获期
覆盖作物的播期和收获期是影响覆盖作物效果和生物量的重要因素, 播期和收获期的确定与当地的气候特点有关。不同区域的自然条件和主栽作物的生长特点, 决定了某一区域覆盖作物的最佳种植时间。例如, 主栽作物为玉米, 若覆盖作物与玉米同时播种, 可能会由于苗期玉米生长较慢, 而覆盖作物生长较快, 覆盖作物冠层建成快于玉米冠层建成, 则会影响玉米生长。收获期对于覆盖作物同样重要, 收获期影响覆盖作物的生物产量及其C/N。报道显示, 豆科覆盖作物在开花期或花后收获较为适宜, 成熟期其C/N约为9∶1 [68,69]。同样禾本科覆盖作物花后生物量较高。播期会影响覆盖作物冬季的存活率和春季的生物量, 而收获期则会影响春季作物生物量积累和相关效益[70]。因此, 我们在兼顾主栽作物产量前提下, 充分考虑覆盖作物的生物学特性, 根据区域的自然条件和主栽作物的生长特点, 以覆盖作物的播期和收获期为手段, 同时优化覆盖作物的生物产量和C/N, 实现覆盖作物优势的最大化。
4.3 播种量、播种方式和施肥量
播种量、播种方式和施肥量同样影响覆盖作物生长。播种量和播种方式直接影响覆盖作物的出苗率、群体动态以及最终生物产量, 与覆盖度和还田量密切相关[71], 播种量的确定需同时兼顾经济、生态系统和作物产量方面利弊[72]。播种方法以撒播和条播较多。条播可将种子埋于土壤表面以下, 保证种子与土壤充分接触, 对出苗有利。撒播覆盖作物种子是一种新兴的快速播种方法, 其缺点是作物叶片或其他地上部的截留。通常施氮可增加覆盖作物如十字花科和禾本科覆盖作物生物产量(豆科覆盖作物除外)。由于禾本科覆盖作物的C/N较大, 所以可能需要增加氮肥用量, 而豆科覆盖作物和混合覆盖作物则不用增加施氮量。另外, 由于豆科覆盖作物可以为主栽作物供给氮, 所以可以适当减少氮肥用量。主栽作物产量、覆盖作物的生物产量、田间杂草情况和土壤质量是衡量覆盖作物功能的重要因素, 是种植覆盖作物关注的核心。其中, 作物产量是前提, 而覆盖作物生物产量则是衡量其抑制杂草和改善土壤质量的重要衡量指标, 直接决定其贡献率大小。因此, 需同时关注主栽作物、覆盖作物和土壤, 从地上和地下两个层面入手, 以不降低主栽作物产量为前提, 关注覆盖作物生物产量、碳氮含量和C/N、土壤养分和土壤有机碳含量、结合土壤温度和水分变化特征, 筛选并评价每个地区农作物种植系统中适宜的覆盖作物及其适宜的种植方式, 对其进行综合评价, 并评估其效益。
5 问题与展望
近年来, 农业生产中化肥、农药等大量施用, 造成土壤退化、结构与功能下降, 土壤耕层变薄、土壤酸化、有机质量减质退等, 进而影响作物养分吸收和利用, 导致作物产量和品质的下降, 同时引发农业面源污染等一系列生态环境问题[2], 严重制约了农业绿色可持续发展。在农作物种植系统中应用覆盖作物被认为是在兼顾作物产量前提下, 充分利用覆盖作物的功能, 实现农业可持续生产的理想策略。对覆盖作物作用的研究成果充分证明了覆盖作物在农业生产中的重要意义。我国关于覆盖作物的研究大多围绕覆盖作物对土壤微环境、土壤微生物和土壤有机质的影响等问题(表3)。较少关注覆盖作物在抑制杂草、控制病虫害、改善土壤质量中的作用。对不同地区适宜的覆盖作物种类的选择、种植覆盖作物的种植模式以及相关配套措施(包括种植方式、适宜的播期和收获期、播种量等)的制定等研究还有待深入, 不同地区覆盖作物的作用评价尚需深入研究。Table 3
表3
表3中国不同地区种植覆盖作物的种植情况
Table 3
| 地区 Region | 覆盖作物 Cover crop | 种植制度 Cropping system | 种植效果 Planting effect | 参考文献 Reference |
|---|---|---|---|---|
| 湖北荆州 Jingzhou, Hubei | 小麦 Wheat 油菜 Oilseed rape | 与水稻轮作 Crop rotation with rice | 促进冬闲期稻田CH4和CO2的排放。油菜>小麦。 Promoted CH4 and CO2 emission during winter slack season. Oilseed rape > wheat. | [84] |
| 湖北十堰 Shiyan, Hubei | 百日草 Zinnia 黑麦草 Ryegrass 早熟禾 Bluegrass 波斯菊 Coreopsis 紫羊茅 Red fescue 红三叶 Red clover 白三叶 White clover 毛叶苕子 Hairy vetch | 与猕猴桃间作 Intercropping with kiwi fruit | 提高了土壤微生物群落对碳源利用程度、功能多样性指数和丰富度指数。 Improved the carbon source utilization, functional diversity index, and richness index in soil microbial community. | [21] |
| 湖北十堰 Shiyan, Hubei | 黑麦草 Ryegrass 白三叶 White clover | 与猕猴桃间作 Intercropping with kiwi fruit | 改变了土壤环境因子, 并影响土壤微生物群落结构组成。 Changed the soil environmental factors and affected the composition in soil microbial community. | [22] |
| 湖北十堰 Shiyan, Hubei | 百日草 Zinnia 黑麦草 Ryegrass 早熟禾 Bluegrass 波斯菊 Coreopsis 紫羊茅 Red fescue 红三叶 Red clover 白三叶 White clover 毛叶苕子 Hairy vetch | 与茶树间作 Intercropping with tea | 显著增加茶园节肢动物群落的多样性、丰富度和均匀度指数。 Cover crops significantly increased the diversity, richness, and evenness indices of arthropod community in the tea orchard. | [85] |
| 湖南华容 Huarong, Hunan | 马铃薯 Potato 黑麦草 Ryegrass 油菜 Oilseed rape 紫云英 Milk vetch | 与双季稻轮作 Crop rotation with double- crop rice | 秸秆还田提高双季稻田根际土壤微生物对碳源的利用能力、物种丰富度和均匀度。马铃薯>油菜>紫云英>黑麦草。 Straw mulching improved the utilization of carbon sources, species richness and evenness of soil microorganisms. Potato > oilseed rape > milk vetch > ryegrass. | [53] |
| 湖南长沙 Changsha, Hunan | 马铃薯 Potato 黑麦草 Ryegrass 油菜 Oilseed rape 紫云英 Milk vetch | 与双季稻轮作 Crop rotation with double- crop rice | 秸秆还田增加了稻田总有机碳和活性有机碳含量。 马铃薯>紫云英>黑麦草>油菜。 Straw mulching increased the content of soil total organic carbon and active organic carbon in rice field. Potato > milk vetch > ryegrass > oilseed rape. | [86] |
| 湖南长沙 Changsha, Hunan | 马铃薯 Potato 黑麦草 Ryegrass 油菜 Oilseed rape 紫云英 Milk vetch | 与双季稻轮作 Crop rotation with double- crop rice | 提高土壤微生物量氮含量: 黑麦草>紫云英>马铃薯>油菜。 Cover crops increased soil microbial biomass nitrogen content: Ryegrass > milk vetch > potato > oilseed rape. 提高土壤有机质和有效养分含量。 Cover crops increased the content of soil organic matter and available nutrients. | [87] |
| 湖南益阳 Yiyang, Hunan | 油菜 Oilseed rape 黑麦草 Ryegrass 紫云英 Milk vetch | 与双季稻轮作 Crop rotation with double- crop rice | 秸秆还田提高了稻田土壤总有机碳和活性有机碳含量: 紫云英>黑麦草>油菜。 Straw mulching improved the total organic carbon and active organic carbon content of the paddy soil: Milk vetch > ryegrass > oilseed rape. 秸秆还田提高了土壤碳库活度、碳库活度指数、碳库指数和碳库管理指数: 紫云英>黑麦草>油菜。 Straw mulching improved soil carbon pool activity, index of carbon pool activity, carbon pool and carbon pool management: Milk vetch > ryegrass > oilseed rape. | [88] |
| 地区 Region | 覆盖作物 Cover crop | 种植制度 Cropping system | 种植效果 Planting effect | 参考文献 Reference |
| 安徽怀远 Huaiyuan, Anhui | 苜蓿 Alfalfa 萝卜 Radish 油菜 Oilseed rape 毛叶苕子 Hairy vetch | 与玉米轮作 Crop rotation with maize | 在压实土壤中的穿透能力: 萝卜+毛叶苕子>苜蓿、油菜。 The penetrability in compacted soil: Radish + hairy vetch > alfalfa, oilseed rape. | [89] |
| 安徽淮南 Huainan, Anhui | 白三叶 White clover | 与蓝莓间作 Intercropping with blueberry | 有效控制蓝莓行间杂草。 Effectively controlled weeds between blueberry rows. | [90] |
| 天津南开 Nankai, Tianjin | 苜蓿 Alfalfa 黑麦草 Ryegrass 草木犀 Sweet clover 毛叶苕子 Hairy vetch 二月兰 Orychophragmus violaceus | 冬闲期 Winter slack season | 提高了氮素蓄积: 苜蓿>草木樨>毛叶苕子>二月兰>黑麦草。 Cover crops increased nitrogen accumulation: Alfalfa > sweet clover > hairy vetch > Orychophragmus violaceus > ryegrass. 黑麦草可明显降低土壤容重。 Ryegrass can significantly reduce soil bulk density. 毛叶苕子和苜蓿均可显著降低土壤pH。 Both hairy vetch and alfalfa can significantly reduce the pH of the soil. 二月兰和黑麦草可显著提高土壤水分含量。 Orychophragmus violaceus and ryegrass can significantly increase soil moisture content. | [91] |
| 山西太原 Taiyuan, Shanxi | 大豆 Soybean | 与玉米间作 Intercropping with maize | 提高了玉米的养分利用率。 Soybean improved the nutrient efficiency in maize. 提高了土壤含水量、玉米产量。 Soybean increased soil moisture content and maize yield. 改善田间小气候。 Soybean improved field microclimate. | [92] |
| 辽宁沈阳 Shenyang, Liaoning | 黑麦 Rye | 与作物轮作 Crop rotation with crop | 黑麦可提升土壤水稳性团聚体。 Rye can improve soil water stability aggregates. | [93] |
| 辽宁朝阳 Chaoyang, Liaoning | 燕麦 Oat 黑麦 Rye 谷子 Millet 野豌豆 Vetch 萝卜 Radish 卷心菜 Cabbage 毛叶苕子 Hairy vetch 饲用高粱 Fodder sorghum | 与大豆/玉米 间作 Intercropping with soybean or maize | 有改变土壤化学特性的潜力, 可增加土壤表层的有机质含量。 Had the potential to change the chemical characteristics of soil and increased the content of organic matter in soil surface layer. | [94] |
| 陕西榆林 Yulin, Shaanxi | 苜蓿 Alfalfa 草木犀 Sweet clover 冬小麦 Winter wheat 黑麦草 Ryegrass | 与马铃薯轮作 Crop rotation with potato | 土壤TOC、DOC、DON、TN含量: 苜蓿>草木犀> 冬小麦、黑麦草。 Soil TOC, DOC, DON, and TN content: Alfalfa > sweet clover > ryegrass, winter wheat. 土壤C/N: 苜蓿<草木犀、冬小麦、黑麦草。 Soil C/N: Alfalfa < sweet clover, ryegrass, winter wheat. 土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性: 苜蓿>草木犀、冬小麦、黑麦草。 The activities of soil phosphatase, sucrase, urease, and catalase: Alfalfa > sweet clover, ryegrass, winter wheat. | [95] |
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我国覆盖作物研究中存在的主要问题有: (1) 覆盖作物种类选择(表2和表3)。我国各地农业发展条件差异较大, 农作物种植存在区域性特点。所以, 对覆盖作物研究时, 应避免直接套用一种固定的覆盖作物的方式, 需因地制宜, 充分考虑不同地区主栽作物种类及其种植特点, 优选能充分发挥覆盖作物作用的覆盖作物种类。(2) 主栽作物和覆盖作物的种植模式。目前, 我国覆盖作物种植模式比较单一。一年生主栽作物多采用与覆盖作物轮换种植的方式, 即在一年生主栽作物收获后的空闲期种植覆盖作物; 多年生主栽作物, 如果树, 多采用在行间或行内间隙种植覆盖作物的方式(表3)。缺乏一年生主栽作物行间或行内种植覆盖作物的研究, 更鲜见关于其适宜播期、播量和收获时期的研究。(3) 覆盖作物的特点及作用研究。在农作物种植系统中种植覆盖作物, 覆盖作物需要适应主栽作物种植系统的环境条件。覆盖作物的地上部和根系的生物学特征发生变化用以适应这种生长条件, 因此对覆盖作物的生长发育特点、其对杂草的抑制作用、对土壤质量、土壤微生物和土壤微环境等作用的研究至关重要。(4) 覆盖作物还田后土壤物质转化与养分循环。覆盖作物还田降解是土壤微生物参与的物理和化学过程紧密结合的生态过程。覆盖作物还田后腐解物的养分释放规律以及腐解物-土壤-作物根系界面的微生物活性及其群落结构、其驱动机制都有待明确(图2)。
图2
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图2玉米/覆盖作物种植模式下玉米肥料利用及覆盖作物还田后腐解物养分释放与微生物驱动关系
Fig. 2Relationship between microbial drive and maize fertilizer utilization, release of decomposable nutrients after return of cover crops under maize and cover crops planting mode
综上所述, 将覆盖作物引入并应用到我国农作物种植系统中存在诸多基础性问题亟待解答。未来需要针对上述问题开展系统研究, 使覆盖作物更广泛地应用于农业种植系统中, 充分发挥覆盖作物在农业种植系统中的作用, 改善农田生态环境和农业面源污染, 实现农业生产可持续发展。
参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
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