耕作制度与土壤管理

耕作制度与土壤管理任何耕作措施或土壤管理计划的主要目的都是保持生产能够持续获利。自1935年开始，美国土壤保持局（SoilConservationService）在这方面给予了很大关注。土壤保持实质是良好的土壤管理，其内容远不止防止土壤流失。无论是植物养分不足，还是耕作制度不合理，土壤侵蚀都是土壤管理不良的症状。侵蚀是土壤破坏的症状而不是原因，主要原因是缺乏养分，尤其是缺氮。第一节产量趋势美国作物产量自1900年以来逐步提高，但其显著增长起始于1950年代（参见第一章图1-1）。1982年美国三种主要作物，玉米、大豆和小麦的平均产量各为480公斤/亩、144公斤/亩和159公斤/亩。玉米和小麦是创纪录的高产，而大豆产量平了1979年达到的高产水平。改良品种、增加密度、防治病虫、改进耕作和增加施肥等，都对增产有贡献。1930~1979年美国明尼苏达州农民种植玉米所采用的一系列技术和管理措施汇入表14-1中。各种技术改进对玉米增产的贡献见于表14-2。(表：表14-150年(1930-1979)间明尼苏达州每十年玉米生产措施所发生的变化)措施10年平均值30年代40年代50年代60年代70年代1979杂交品种播种面积(%)8829698100100各种播种方法所占百分比(%)方形穴播9070471缺资料穴播245510缺资料条播294589缺资料播量(株/亩)205022202590262031003320肥力粪肥(吨/亩)1.21.10.930.870.60.53商业肥料施肥面积(%)缺资料缺资料14.067.093.095.0总量(公斤/亩)0.33.44.65.815.815.3氮(N)(公斤/亩)缺资料缺资料1.12.26.57.5磷(P2O5)(公斤/亩)缺资料缺资料1.61.053.73.4钾(K2O)(公斤/亩)缺资料缺资料0.660.992.12.2绿肥(草木樨)(百万亩)2.44.531.2病虫草防治中耕次数3.03.02.82.61.61.5除草剂处理面积(%)-痕量12588993杀虫剂处理面积(%)--4293233耕作秋耕(%)21缺资料70666272春耕(%)79缺资料30262610深松或少耕(%)---81218行距(厘米)107107102969190播种日期，5月212120191311*虫害玉米螟传播经济侵害水平玉米根叶甲传播经济侵害水平产量(公斤/亩)134164210285356419注释：*最后5年平均。资料来源：Cardwell.Agron.J.,74:984(1982).1950年以前产量增长缓慢的部分解释见图14-1。根据美国俄亥俄州的估计，1870~1930年这60年中土壤生产力下降了40%。这大体上与对1890~1950年间美国衣阿华州土壤生产力所做的估计相符，且与肥力水平关系密切。土壤有机质以及供氮已呈现下降趋势。磷、钾、钙、镁和硫等元素的取走一般大于以粪肥和商业化肥形态归还的数量。(图：图14-11950年以前产量增长缓慢的部分原因)补偿因素的结果，如改良品种、栽培措施、机械、排水，增加施肥和施石灰，防治病虫害等，使1870~1930年间美国俄亥俄州的玉米产量增长了约15%。假如保持了土壤肥力，使用这些开发的技术，作物产量本应增加40%~60%。俄亥俄州的资料表明，仅用某段时期的产量趋势来衡量土壤肥力是错误的。1930~1982年间，俄亥俄州的作物产量增加了2倍。在全美国具有同样显著的增长。技术迅速进步使产量显著增长，肥料只是其中一项。美国农业部1964年估计，如果取消氮、磷肥料，伊利诺斯州的玉米可能减产37%，佛罗里达州的葡萄柚可能减产94%，亚利桑那州的苜蓿可能减产34%。现在这些数值可能还会更大。假若对衣阿华州的玉米不施肥，就可能需要再多29%的土地。这将意味着由于不适宜的土地投入生产，遭受侵蚀的可能性更大。在发展中国家报道过更令人震惊的结果。墨西哥小麦产量从1943年的51.7公斤/亩增加到1978~1980年的240公斤/亩（80%灌溉）。(表：表14-21930-1979年明尼苏达州生产措施的变化引起的玉米增产量)栽培措施或限产因素及其增减产单位变化率或变化值1930比1979相差*对1979年产量的贡献公斤/亩净收益(%)1930年前产量水平(公斤/亩)--134-杂交品种双杂交(公斤/亩)24.7100%的面积24.79三杂交(公斤/亩)10.917%的面积1.91单杂交(公斤/亩)20.975%的面积15.76遗传收益(公斤/亩/年)2.450年121.743肥料N(7.5公斤N/亩时公斤/公斤N)18.993%玉米面积133.547植株密度(2050株/亩以上时公斤/百株)47.4127060.321除草剂(公斤/亩)69.993%的面积6523行距(公斤/亩/厘米)0.68-17厘米11.54播种日期(公斤/亩/天)2.4310天24.38条播对穴播(公斤/亩)27.279%21.58秋耕(公斤/亩)29.351%14.95轮作大豆(公斤/公斤N)18.91.7公斤N/亩32.311苜蓿/三叶草(公斤/公斤N)18.9-0.48公斤N/亩-9.1-3草木樨(公斤/公斤N)18.9-1.1公斤N/亩-21.2-7干扰效应(公斤/亩)58.3-33%的面积-19.4-7粪肥(含N约0.5%)(公斤/公斤N)18.9-2.23公斤N/亩-42.2-15有机质(%/年)-0.027×50年=1.35%-38.1-13虫害玉米螟(公斤/亩/虫/株)-12.31.2虫/株-14.7-5玉米根叶甲(公斤/亩)-29.732.5%的面积-9.7-3土壤侵蚀(公斤/亩/厘米)(-0.1厘米/年)-4.6×50年=5厘米-23-8不明减产因素-65-23净收益2851977-1979年产量水平419栽培措施或限产因素及其增减产单位变化率或变化值1930比1979相差*对1979年产量的贡献公斤/亩净收益(%)1930年前产量水平(公斤/亩)--134-杂交品种双杂交(公斤/亩)24.7100%的面积24.79三杂交(公斤/亩)10.917%的面积1.91单杂交(公斤/亩)20.975%的面积15.76遗传收益(公斤/亩/年)2.450年121.743肥料N(7.5公斤N/亩时公斤/公斤N)18.993%玉米面积133.547植株密度(2050株/亩以上时公斤/百株)47.4127060.321除草剂(公斤/亩)69.993%的面积6523行距(公斤/亩/厘米)0.68-17厘米11.54播种日期(公斤/亩/天)2.4310天24.38条播对穴播(公斤/亩)27.279%21.58秋耕(公斤/亩)29.351%14.95轮作大豆(公斤/公斤N)18.91.7公斤N/亩32.311苜蓿/三叶草(公斤/公斤N)18.9-0.48公斤N/亩-9.1-3草木樨(公斤/公斤N)18.9-1.1公斤N/亩-21.2-7干扰效应(公斤/亩)58.3-33%的面积-19.4-7粪肥(含N约0.5%)(公斤/公斤N)18.9-2.23公斤N/亩-42.2-15有机质(%/年)-0.027×50年=1.35%-38.1-13虫害玉米螟(公斤/亩/虫/株)-12.31.2虫/株-14.7-5玉米根叶甲(公斤/亩)-29.732.5%的面积-9.7-3土壤侵蚀(公斤/亩/厘米)(-0.1厘米/年)-4.6×50年=5厘米-23-8不明减产因素-65-23净收益2851977-1979年产量水平419注释：*参照表14-1中30年代和1979年的实际水平。资料来源：Cardwell.Agron.J.,74:984(1982).虽然干旱地区水比肥更是限制因子，但包含频繁夏休闲的种植制度使土壤肥力和生产力严重下降。在干旱地区改进管理措施，尤其是在不好的年景，同在较湿润的地区一样重要。例如，美国大平原的9个州1930~1939年和1950~1956年间年降雨量极低，分别只有518毫米和526毫米。但小麦产量差别很大，30年代为47.5公斤/亩，而1952~1956年为68.1公斤/亩。大多数低雨量地区土壤生产力的下降多与风蚀和水蚀以及休闲期易移动养分向深层的渗漏有关，并非真是作物耗竭了肥力。与之相反的是东南部的土壤，本身肥力较低而且已经集约耕种了100~200年。实验站小区和先进农民的产量不断增长至关重要，因为他们对应该怎样做起着引导作用。在那里种植在试验田的作物产量不断增加，州平均产量也会不断增长（尽管仍比试验站的低得多）。这表明了继续集中研究以克服产量限制因子影响的重要性。第二节耕作及土壤的管理目标所有耕作制度的目的均应是为农业措施维持最高的利润。评价作物和土壤管理制度维持高产的效果时，有几个因素必须牢记在心：(a)有机质和土壤耕性；(b)植物养分供应；(c)草、虫、病害发生率；(d)水分吸收和土壤侵蚀。由于土壤特性不同，因此需要不同的管理措施。比如，有一种富含有机质的粉粘壤土可能耕性良好，采用降低耕性的管理措施在短期内不致发生问题。另有一种粉壤土，有机质含量低，可能耕性不良，用同样的管理措施马上引起麻烦。最重要的是按照管理的需要来评价土壤。应该利用试验数据来说明管理措施对不同土壤的影响。图14-2表明，不能认为侵蚀理所当然，重要的是必须以尽量减小水蚀、风蚀破坏性影响的方式进行生产。美国1/3以上的耕地都遭受严重侵蚀，这足以使土壤生产寿命大大缩短。表14-2表明，侵蚀抵消了美国明尼苏达州为达到更高玉米产量所取得的进步。(图：图14-21977年美国土壤保持局所进行的国家资源调查发现的土壤侵蚀)第三节土壤有机质一度曾特别强调土壤有机质含量是土壤生产力的一项指标。随着氮肥用量增加，依赖有机质释放氮来获得玉米、小麦等作物的高产是不必要甚至不明智的。曾几何时，加拿大草原上夏休闲地被认为供氮自足，但现在其中20%以上需要化肥氮。Bradfield（1963）对此总结如下：对大多数农民来说，在他们的土壤中得到更多有机质惟一的经济办法是在他们自己的农场上生长更多的有机物质。更大的作物意味着更多根、更多茎秆和残茬及更多牲畜饲料，因此有更多有机肥料还田。种植这些较大作物最便宜的办法是用更充足的化肥和良好培肥的轮作，土壤经过如此管理得以从化肥中取得最大效益。这需要最好的种子、最合适的栽培措施和最有效地利用全部有机残留物。有机农业加上化肥将在我们的丰产土壤上获得更高的产量和更多的有机质。应该维持还是提高有机质含量?回答这个问题有必要考察有机质的一些功能：(a)具有养分（如氮、磷、硫、硼、锌等）库的作用；(b)提高离子交换量；(c)为微生物活动提供能量；(d)释放CO2；(e)提高持水量；(f)稳定结构、改善耕性；(g)提供表面保护从而减少结块和增加渗透；(h)减轻压实影响；(i)缓冲土壤酸度、碱度和盐度的急剧变化。有趣的是，有机质的这些功能，除保护表面和防止压实外，大多数都依赖其分解。因此，生产大量残茬及其随后的分解对良好的作物和土壤管理必不可少。很明显，北极地区作物营养问题之一是低温阻止有机质分解，有机质甚至积累在砾石脊上。相反，亚热带和热带虽产生大量有机质，但其分解极快。仅仅为了维持而维持有机质不是农业的实用方法。应用保持最高利润生产的管理系统更现实。土壤有机质最大的来源是当季作物提供的残茬。因此，选择种植制度和残茬处理的方法同等重要。合理的管理和施肥能提高产量，这是农民关心的主要问题。高产还会产生大量副产物-有机残茬。所以，为达到高产而管理土壤的同时也改良了土壤。美国密执安州立大学的工作人员指出：“我们用来夺取高产的措施最好地保护和培肥了我们的土壤”。一、耕作制度的影响耕作制度通过以下几种方式影响土壤有机质。(一)耕作可增加通气性，因而促进微生物活动，增加土壤有机碳的损失据报道，有机质下降最快的是在开垦耕种后最初的10年，尔后几十年继续以逐渐递减的速率减少，最后达到表观平衡，在美国大平原北部盛行的耕作条件下大约为40年后达到。因此，行播作物比例大的耕种制度比密植作物或草皮植物为主的耕作制度使有机质