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美國紫花苜蓿與玉米輪作的效益分析

作者:第一論文網 更新時間:2015年10月30日 10:03:34

近年來,導致美國玉米種植面積持續增加的因素很多,其中包括市場需求增加、專注于種植小宗作物的大型農場發生轉變以及品種改良和田間管理技術的發展。根據美國農業普查,在過去的30年里,玉米與大豆的種植面積已經分別增加了64%和255%,但是紫花苜蓿種植和放牧草地的面積同期卻分別減少了15%和28%。在美國中西部,飼草產量的減少也十分明顯,種植紫花苜蓿與放牧草地的面積分別減少了67%和53%。

盡管農業正在轉變成“以玉米為中心”,但是多年生牧草如紫花苜蓿、高羊茅在農業輪作上對糧食作物長期種植的成功也起到了關鍵的作用。

1牧草在農作物輪作上的優勢

無論種植何種植物,輪作都有許多好處。如生產者可以通過多元化種植來降低經濟風險,打亂各種病蟲害的循環周期,并可以增加治理雜草的靈活性。

牧草比起其他糧食作物而言還有更多的優勢。豆科牧草(如紫花苜蓿、三葉草等)與根瘤菌共生,可以把大氣中的氮轉化為植物可利用的氮,從而減少植物對氮肥的需求。多年生牧草在為作物提供養分的同時,減少了土壤流失和營養素淋失。龐大的根系可以固定土壤中的碳,改良土壤質量如土壤團粒的穩定性、土壤密度以及水分的滲透性。

2牧草與糧食作物之間的區別

大豆雖然可以與根瘤菌共生,但它固定的氮比豆科牧草要少。研究表明,紫花苜蓿與玉米輪作第一年固定的氮可以代替將近150kg/hm2的氮肥。此外,紅三葉與紫花苜蓿的氮肥替代值(NFRV)相似(12 kg/hm2),但大豆的氮肥替代值差不多只有這些牧草的一半(62kg/hm2)。

毫無疑問,大豆能固定更多氮,但由于籽實產量較大而導致氮肥替代值較低。大豆中蛋白質含量很高,根瘤菌共生體提供的大部分氮在籽粒鼓粒期分配到種子中。然而多年生豆科牧草固定的氮更平均地分配給了地上莖葉和地下根系,地下根系可以存儲氮,所以收獲后更多的氮留在了土壤中。雖然大豆固定的氮量比豆科牧草少,但是對生產者來說仍然有可利用的價值。由于大豆是一年生的作物,對下一茬的作物沒有影響。

因為在輪作中的牧草通常是多年(2~3年)生的,豆科牧草固定的氮每年積累成為一個很大的氮庫,氮庫逐漸礦化對玉米所需的養料有很大的好處。在種植紫花苜蓿和紅三葉兩年后,它們仍然可以為玉米提供大量的氮素,但是大豆提供的就十分少了(圖1)。

值得注意的是,如果牧草用于放牧,其提供的氮素量將會更多。放牧草地有一個很大的回收氮素及其他營養元素的作用,因為相比被收割的干草而言(80%~100%的土壤養分被帶走),僅僅只有20%~40%的土壤養分被牲畜帶走。這對于在輪作中,需要大量養料的后續作物有很重要的影響。例如,冷季型的高羊茅或鴨茅,每公頃產出8 125kg的干草大概會轉移136kg的氮、45kg的 P2O5和198kg的 K2O。放牧草地大概每公頃會保留90kg的氮、34kg的P2O5和136kg的K2O,相當于玉米對這些營養素需求量的70%、60%和58%。

糧食收獲后將秸稈留在地里也會促進土壤養分的循環,但是它的養分含量會比牧草低很多,并且如果秸稈數量較多的話,還可能會造成其他問題。

3增加的碳與對土壤質量的影響

除了增加土壤肥力和促進營養循環外,將牧草加入作物輪作中還可提供大量的碳來改良土壤質量。大量的根系以及頻繁落葉,使得土壤成為植物與外界環境的養分循環中的一個碳庫,這個碳庫通常扮演“膠水”的角色。它改良了土壤結構,同時也改善了水分的滲透和滯留能力,降低了土壤團粒密度,增加了土壤通透性。

與其他糧食作物輪作可能會增加土壤中的碳,特別是在免耕的情況下。但是研究發現,糧食輪作的優勢較牧草與糧食輪作的少。在Iowa州的一個長期輪作研究中發現,與連續種植玉米相比,兩年玉米—紫花苜蓿輪作可使土壤碳含量增加25%。同時,與小粒谷物輪作可使土壤碳含量增加10%,然而加入大豆輪作后土壤碳含量增加最低。同樣的,紫花苜蓿、小粒谷物和大豆輪作分別使土壤團粒的穩定性增加了35%、17%和 1%,這表明牧草在改善土壤質量上有很大的潛能。

4輪作對玉米產量的影響

經比較分析,任何種類作物與玉米輪作后,玉米的產量都會超過連續種植玉米的產量(圖2)。玉米與其他糧食作物輪作(如大豆或小粒谷物)得到1 200L/hm2的最低增產,但使用紫花苜蓿以及禾草或小粒谷物與豆科牧草間作得到了相似的接近2 000L/hm2的最大增產。這意味著相對于僅僅提供大量的氮來說,草地中養分循環與碳的沉積可能發揮了更大的作用。

在輪作循環中引入多年生牧草,即使只有短短的幾年,也可以對玉米種植體系的可持續發展起到重要作用。與其他糧食作物相比,更高的玉米產量與更低的肥料需求以及土壤質量的改善,使得種植牧草成為更適合長期的投資。在過去的15年里,當與大豆和小麥相比時,市場與牧草生產關系已經十分緊密。實際上,牧草的田間管理很容易,輪作時種植者不應有什么顧慮。

牧草和畜牧業經營者應該思考,玉米在和其他作物輪作中會帶來什么優勢,當把玉米與紫花苜蓿輪作的效益分析后,就可以找到發展生產,提高產量的潛力。

原載:[美]Progressive Forage Grower,2016.5.1,17(5):22-23.

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