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Ecological effects of cover crops

覆盖作物的生态效应



全 文 :覆 盖 作 物 的 生 态 效 应 3
刘晓冰1  宋春雨1 3 3  Stephen J . Herbert 2  邢宝山1
(1 中国科学院黑龙江农业现代化研究所 ,哈尔滨 150040 ;2 美国麻省大学植物与土壤科学系 ,Amherst 01003 MA USA)
【摘要】 评述了农田生态系统中主要覆盖作物在减少土壤损失、降低表土迳流、增加土壤养分、减少 NO -3
淋溶、减轻水质污染及病虫草防除中的作用与效应 ,讨论了覆盖作物管理对农业持续发展的影响.
关键词  覆盖作物  土壤侵蚀  养分循环  病虫草
文章编号  1001 - 9332 (2002) 03 - 0365 - 04  中图分类号  S142 ,S181  文献标识码  A
Ecological effects of cover crops. L IU Xiaobing1 , SON G Chunyu1 , Stephen J . Herbert2 , XIN G Baoshan1
(1 Heilongjiang Institute of A gricultural Moderniz ation , Chinese Academy of Sciences , Harbin 150040 ;
2 Depart ment of Plant and Soil Sciences , U niversity of M assachustts , A m herst , 01003 , MA USA ) . 2Chin. J .
A ppl . Ecol . ,2002 ,13 (3) :365~368.
This paper reviewed the effects of cover crops in reducing soil loss ,surface runoff ,NO -3 leaching and water pollu2
tion ,and elucidated roles of cover crops in controllling pest insects , weeds and diseases , and increasing soil nu2
trients. The potential roles and appropriate application of cover crops in sustainable development of agriculture
were also discussed.
Key words  Cover crops , Soil erosion , Nutrient cycling , Insect and disease control.
3 中国科学院知识创新工程重大项目 ( KZCX12Y2CA204) .3 3 通讯联系人.
1999 - 03 - 15 收稿 ,1999 - 06 - 23 接受.
1  引   言
覆盖作物是指在作物生产期间 ,果园的树与树或藤与藤
之间或作物收获后 ,能在时间或空间上填充土壤裸露间隙的
作物 , 即覆盖作物的种植不是为了收获[ 5 ] . Hughes 等
(1957)把覆盖作物定义为种植在需要控制水蚀、风蚀及养分
淋溶损失严重地块上的作物. 按生物学特性划分 ,覆盖作物
一般可分为两类 ,即非豆类覆盖作物和豆类覆盖作物.
据记载 ,早在三千年前我国的周朝就已应用覆盖作物来
改善土壤生产力 [3 ] . 在殖民时期的美洲 , Thomas Jefferson 在
弗尼吉亚推荐用茸毛野豌豆和三叶草等越冬覆盖作物作为
下季作物的 N 源. 1898 年 ,有关学者在亚拉巴马对黑麦、红
三叶草和茸毛野豌豆对棉花的 N 营养进行了研究. 1932~
1945 年 ,进行了覆盖作物减少 N 淋溶的研究 ;1942 年 ,因第
二次世界大战爆发化肥供应短缺 ,马里兰大学推广杂志建议
种植茸毛野豌豆和其它一年生越冬豆类作物替代化肥 N.
1967 年 , Moschler 等[19 ]发现黑麦是免耕玉米生产体系中适
宜的越冬覆盖作物. 自 Mitchell 等 [18 ]发现豆类覆盖作物比
谷类覆盖作物更有利于免耕生产体系后 ,覆盖作物的研究及
应用更趋活跃. 随着研究的深入 ,人们认识到覆盖作物不仅
是 N 的供应者、土壤培肥的建设者和土壤侵蚀的保护者 ,而
且在杂草防除、病虫防治、防止地 (表) 下水污染、美化环境、
确保人类健康等各方面都起着非常重要的作用. 本文试图归
纳有关覆盖作物管理的生态效应及机制 ,探讨覆盖作物管理
对农业持续发展的影响.
2  覆盖作物与水土流失
  土壤侵蚀是全球性的现象 ,即便在应用土壤保持措施已
50 多年的美国 ,每年由于侵蚀损失的土壤仍有 6. 0 ×109 t ,
据报道 ,美国 1. 7 ×108 hm2 的农用耕地中 ,有 20 %的土地需
要恢复肥力. 其它国家如澳大利亚每年损失土壤 9. 0 ×107 t ,
津巴布韦每年平均因侵蚀而导致的 N、P 损失分别为 1. 6 ×
106 t 和 2. 4 ×105 t ,非洲 35 %的土地受到侵蚀或盐渍化的影
响[16 ,30 ] .覆盖作物的主要功能之一就是防止风蚀、水蚀而导
致的土壤侵蚀 ,若以一个作物生长周期为观测对象 ,覆盖作
物减少土壤侵蚀量达 20. 2 %~92. 6 %(表 1) ,若以多个作物
生长周期为观测对象 ,覆盖作物减少土壤侵蚀量达 4. 9 %~
90. 9 %[30 ] . 试验发现 ,覆盖作物减少土壤侵蚀效应与耕作体
系和作物种类有关. Rasnake 等[22 ]在采用夏大豆的试验中发
现常规耕作体系覆盖作物减少土壤侵蚀效果 (20. 2 %~
36. 2 %)明显好于免耕体系 (27. 6 %~8714 %) ;而 McDowell
(1990)在棉花试验所得结果则相反 (表 1) . 覆盖作物也能明
显减少迳流量 ,幅度可达 3. 4 %~7117 % ,其效果取决于试
验地点、覆盖度和种植体系等因素 [30 ] . 目前认为 ,覆盖作物
减少水土流失的原因有如下几点 :1)为土壤颗粒的分离和运
输提供了阻力 ;2)增加了土壤载水和持水的能力 ;3) 分解的
植物残体保持了土壤有机质水平 ;4) 提供连续的土地覆盖 ,
保护土壤免受雨水的影响 ;5)降低陆地表面的流动的速度和
承载力 ;6)改善土壤团聚体和土壤结构 ,水分渗透能力增强.
3  覆盖作物与 C循环
  在 C 循环中 ,覆盖作物主要是通过植物呼吸、光合、有机
应 用 生 态 学 报  2002 年 3 月  第 13 卷  第 3 期                               
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Mar. 2002 ,13 (3)∶365~368
表 1  不同耕作体系下覆盖作物与土壤侵蚀损失
Table 1 Soil erosion losses in different tillage systems including cover crops compared to no cover crop systems
夏季作物
Summer crop
冬季覆盖作物
Winter cover crop
耕作体系
Tillage system
土壤损失
Soil loss
(t·hm - 2)
减少比例
Reduced
percentage
( %)
地点与文献
Location and
reference
大豆 Soybean 无覆盖 No cover 免耕 No2till 2. 69 0. 00 密苏里 [32 ]
繁 缕 Chickweed 0. 47 82. 5 Missouri
加拿大兰草 Canada bluegrass 0. 20 92. 6
大豆 Soybean 无覆盖 No cover 常规 Conventional 8. 25 0. 00 田纳西 Tennessee
小 麦 Wheat 1. 85 77. 6 Bradley and Shelton
无覆盖 No cover 免耕 No2till 0. 124 0. 00 (1987)
小 麦 Wheat 0. 099 20. 2
大豆 Soybean 无覆盖 No cover 常规 Conventional 9. 98 0. 00 肯塔基 [22 ]
小 麦 Wheat 1. 26 87. 4 Kentucky
无覆盖 No cover 免耕 No2till 0. 47 0. 00
小 麦 Wheat 0. 30 36. 2
棉花 Cotton 无覆盖 No cover 常规 Conventional 82. 37 0. 00 密西西比[20 ]
茸毛野豌豆 Hairy vetch 22. 50 72. 7 Mississippi
无覆盖 No cover 免耕 No2till 22. 06 0. 00
茸毛野豌豆/ 小麦 Hairy vetch/ Wheat 2. 54 88. 5
质分解而起作用 ,这一点与农艺作物相似. 但覆盖作物与农
艺作物作用的时间不同 ,覆盖作物是在农艺作物种植前或收
获后隔离 C ,并且覆盖作物是在农作物积累大量 C 时分解
C. Bruce 等[4 ]研究发现 ,当红三叶草纳入到免耕高粱生产体
系后 ,土壤 C 几乎增加 2 倍 ,团聚体稳定性提高 50 % , Kuo
等[15 ]在饲料玉米试验中 ,比较了黑麦、黑麦草、澳洲冬豌豆、
茸毛野豌豆的作用 ,同样发现了类似结果 ,鉴于前两者的地
上部生物量可达 4~5t·hm - 2 ,具有增加土壤 C 的潜力 ,认为
非豆类覆盖作物对土壤有机 C 的影响更有利. 覆盖作物对土
壤 C 循环的影响与诸多因素有关. Herbert 等 [12 ]发现不同作
物分解率不同 ,茸毛野豌豆分解速率比黑麦草快 ,主要是其
木质素含量不同所致. 同种作物在不同的收获时期其在土壤
中分解速率也不同 ,秋季收获的茸毛野豌豆分解速率明显高
于春天收获的 ,主要是由于不同时期植株体内木质素及半纤
维素含量的差异所致 [13 ] . 因此 ,覆盖作物的化学组成是决定
C转化的重要因素. 此外 ,覆盖作物对 C 循环的影响是一个
渐进的过程 ,覆盖作物应用后前 5 年 30cm 耕层中的土壤 C
增加的很少 ,只有应用后的 5~10 年才显著增加[14 ] . Lee
等[16 ]利用 EPIC 模型对 100 年后典型玉米带覆盖作物和耕
作方式对 0~15cm 耕层土壤中的 C 进行了预测 ,也得出类
似结论 ,认为如采用现行的常规耕作方式 ,100 年后将减少
土壤 C 0. 4t·hm - 2 ,利用免耕加上覆盖作物则增加 7. 3t·
hm - 2 ,提高土壤 C 两倍 ,即覆盖作物的长期作用可以弥补耕
作而致的损失 ,对保持土壤质量相当有益.
4  覆盖作物与 N循环
  覆盖作物影响 N 循环是因为它既是 N 库 ,又是 N 的源.
作为库 ,它吸收利用那些可能通过挥发、淋溶而损失掉的不
同形态的 N ,将其转化为植物养分 ,同时也通过生物固 N 积
累贮存 N ;作为源 ,覆盖作物的残体可以缓慢释放养分 ,为下
季作物提供 N ,有时甚至可以完全替代化肥 N. 覆盖作物作
为 N 的源与库 ,因覆盖作物的种类、生育期、质量、气候及种
植管理方式而异. 由表 2 表明 ,湿润温带条件下豆类冬季
覆盖作物可积累N67~170kg·hm - 2 ,而干旱、冷凉气候下仅
表 2  美国不同区域覆盖作物含 N量、C/ N及为粮食作物提供的相当于化肥 N的数量
Table 2 Nitrogen content , C/ N and fertilizer N equivalency of winter cover crops for grain crop production in several U. S. locations
地点和土壤
Location and soil
耕作与夏季作物
Tillage and summer crop
覆盖作物
Cover crop
含 N 量
N content
(kg·hm - 2)
C/ N 相当与化肥 N
N fertilizer
equivalency
特拉华 ,砂壤土 免耕玉米 No2till corn 茸毛野豌豆 + 燕麦 Hairy vetch + oats 173 16 112
Delaware , Sandy loam 燕 麦 Oats 51 31 30
肯塔基 ,沉积壤土 免耕玉米 No2till corn 茸毛野豌豆 Hairy vetch 103 13 75
Kentucky , Silt loam 大花野豌豆 Big flower vetch 67 13 65
免耕高粱 No2till sorghum 茸毛野豌豆 Hairy vetch 103 13 126
大花野豌豆 Big flower vetch 67 13 135
黑 麦 Rye 14 57 0
乔治亚 ,粘壤土 免耕玉米 No2till corn 茸毛野豌豆 Hairy vetch 128 11 123
Geogia , Clay loam 红三叶草 Crimson clover 108 13 99
小 麦 Wheat 33 22 -
宾夕法尼亚 ,沉积壤土 常规玉米 Conventional corn 茸毛野豌豆 Hairy vetch 170 9 112
Pennsylvania , Silt loam
内布拉斯加 ,沉积粘壤土 常规玉米 Conventional 茸毛野豌豆 Hairy vetch 37 8 62
Nebraska , Silt clay loam 免耕玉米 No2till corn 茸毛野豌豆 Hairy vetch 37 8 -
马萨诸塞 ,砂壤土 常规甜玉米 Conventional sweet corn 茸毛野豌豆 Hairy vetch 145 12 134
Massachusetts , Sandy loam
663 应  用  生  态  学  报                   13 卷
积累 N 37kg·hm - 2 . 豆类覆盖作物可提供的相当于化肥 N
的数量介于 62~135kg·hm - 2 ,而非豆类覆盖作物可提供的
相当于化肥 N 的数量相当低或可忽略不计 [3 ,9 ,12 ,17 ,18 ,21 ] . 研
究表明 ,地下三叶草覆盖后 ,种植食用高粱可减少化肥 N
60kg·hm - 2 [3 ] ;茸毛野豌豆种植后 ,棉花少施 N 肥 34kg·
hm - 2 [20 ] ;红三叶草覆盖后 ,种植高粱不用施肥 [17 ] ;种植茸毛
野豌豆后 ,甜玉米不用施肥[12 ] ;豆类覆盖作物 ,可为下茬玉
米提供相当于最高产量时的 2/ 3 的化肥 N [2 ,8 ,23 ] . 覆盖作物
翻混到土壤后 ,很快就开始释放 N ,并在较短时间内释放出
绝大部分. 这与覆盖作物种类关系最大. Wagger[27 ]分析了红
三叶草、茸毛野豌豆、黑麦等覆盖作物的 N 释放方式 ,结果
表明 ,C/ N 比值变幅小且纤维素、半纤维素含量低的残体释
放的 N 多 ;风干八周后 ,茸毛野豌豆和红三叶草的 75 %~
80 %的 N (81~96kg N·hm - 2) 已释放出来 ,但黑麦仅释放出
50 %(24kg N·hm - 2) . Herbert 和刘国华[12 ]发现 ,茸毛野豌豆
在耕翻到土壤中的第二周 ,就已释放 60 %的体内 N ,第 18 周
时仅剩 20 % ,而此时黑麦仍有 60 %的 N 尚未释放.
5  覆盖作物与养分淋溶
  覆盖作物在减少表土迳流的同时 ,也降低了迳流沉积运
输过程中的养分损失. 尤其是减少对地表水质量影响较大的
N、P 损失 ,这样既保证了地表水的质量 ,又增加了耕层中 N、
P 养分含量 ,有利于低投入或持续农业发展. 研究认为 ,覆盖
作物主要影响迳流中养分运输的形式从而影响养分的互
作[24 ] .覆盖作物在控制地下水质量中最大的作用 ,就是减少
NO -3 N 的淋溶 ,因为 NO -3 N 是最容易移动的养分 ,不被阴
离子土壤胶体吸附 ,这样当土壤中含有足够的 NO -3 ,且根际
下的水发生渗透时 ,NO -3 即随着渗透水在根际中自由移动 ,
并淋溶到地下水之中. 覆盖作物减少淋溶的机制为 :1) 蒸发
蒸腾作用 :覆盖作物的干物质生产需要水分 ,这样就减少了
水分的渗透从而减少 NO -3 的淋溶 ;2) N 的吸收同化 :对于谷
类覆盖作物而言 ,N 的吸收主要是通过干物质生产 ,而不是
由于其体内的含 N 量 ,这样 ,干物质生产多的谷类覆盖作物
通常固定大量的 NO -3 ;对于豆类作物而言 ,N 的吸收则是由
含 N 量和干物质生产两者决定 ,因为这些作物的含 N 量都
比较高 ,如野豌豆含 N 量一般为 3 %~4 % ,红三叶草为 2 %
~3 % ,这样相同的干物质产量时 ,野豌豆要比红三叶草多出
N 1. 5~2 倍[9 ] . 现有研究认为 ,非豆类覆盖作物比豆类覆盖
作物减少 NO -3 淋溶的作用强得多 ,非豆类覆盖作物平均降
低淋溶 70 % ,而豆类覆盖作物仅减少 23 %. 但是 ,豆类覆盖
作物与非豆类覆盖作物相比至少有两个优点 : 1) 生物固 N
提供更多的 N ; 2) 提供易分解的有机物质 , N 的矿化速率
快[9 ] . 此外 ,覆盖作物通过减少蒸发、增加降雨渗透、蒸腾利
用贮存的土壤水等方式影响夏季作物的水分关系 [11 ] ;也通
过对土壤/ 大气界面的作用而影响该流域的水文学特性
等[6 ,7 ] .
6  覆盖作物与杂草、病虫害防治
  覆盖作物不仅能够防止土壤侵蚀、改善养分循环 ,而且
可以防止杂草、控制病虫害、减轻地 (表) 下水污染. Teas2
dale[25 ]发现 ,茸毛野豌豆残茬可以抑制杂草 ,但完全控制仍
需辅以其它措施 ;White 等 [29 ]报道红三叶草和茸毛野豌豆的
田间残体及淋溶物抑制某些杂草 ,一些冬季一年生豆类覆盖
作物也能抑制杂草. 目前 ,研究者已有效地利用小麦、大麦、
燕麦、黑麦及食用高粱等来控制一年生阔叶杂草 ,并认为覆
盖作物抑制杂草的主要原因为 :1)覆盖作物比杂草更能竞争
养分和水分 ; 2) 覆盖作物残体或生育期间的冠层阻挡了光
照 ,改变了光波频率 ,改变了表土温度 ;3)生化他感作用起到
了天然除草剂的功效 [28 ] . Bugg[5 ]指出 ,覆盖作物对许多土传
病害产生不利的土壤环境 ,并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 ,有利于有益线虫繁殖及
产生可减少有害线虫群体的化合物等控制昆虫的危害于经
济阈限之下.
从以上研究可以看出 ,覆盖作物不仅是 N 的供应者、土
壤培肥的建设者、土壤侵蚀的保护者 ,而且在杂草防除、病虫
防治、防止地 (表)下水污染、确保人类健康、保护生态平衡等
方面起着重要作用. 必须指出 ,覆盖作物也对农田生态系统
有一定负作用 ,如黑麦残体的生化他感及对土壤物理性质的
影响 ,降低下茬玉米的产量[10 ] ;豆类覆盖作物抑制高粱根、
茎生长 ,导致感病性增强 [7 ] ;覆盖作物更适合湿润、半湿润地
区 ,而不完全适于干旱地区 [1 ,26 ] , 因此 ,要根据区域特点及
现行的耕作方式 ,对覆盖作物进行合理的应用.
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作者简介  刘晓冰 ,男 ,1963 年生 ,博士 ,研究员 ,主要从事
作物生理生态学研究 ,发表论文 50 篇 , Tel :045126602926 , E2
mail :xbxliu @0451. com
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