耕作制度與土壤管理

耕作制度與土壤管理任何耕作措施或土壤管理計劃的主要目的都是保持生產能夠持續(xù)獲利。自1935年開始，美國土壤保持局（SoilConservationService）在這方面給予了很大關注。土壤保持實質是良好的土壤管理，其內容遠不止防止土壤流失。無論是植物養(yǎng)分不足，還是耕作制度不合理，土壤侵蝕都是土壤管理不良的癥狀。侵蝕是土壤破壞的癥狀而不是原因，主要原因是缺乏養(yǎng)分，尤其是缺氮。第一節(jié)產量趨勢美國作物產量自1900年以來逐步提高，但其顯著增長起始于1950年代（參見第一章圖1-1）。1982年美國三種主要作物，玉米、大豆和小麥的平均產量各為480公斤/畝、144公斤/畝和159公斤/畝。玉米和小麥是創(chuàng)紀錄的高產，而大豆產量平了1979年達到的高產水平。改良品種、增加密度、防治病蟲、改進耕作和增加施肥等，都對增產有貢獻。1930~1979年美國明尼蘇達州農民種植玉米所采用的一系列技術和管理措施匯入表14-1中。各種技術改進對玉米增產的貢獻見于表14-2。(表：表14-150年(1930-1979)間明尼蘇達州每十年玉米生產措施所發(fā)生的變化)注釋：*最后5年平均。資料來源：Cardwell.Agron.J.,74:984(1982).1950年以前產量增長緩慢的部分解釋見圖14-1。根據(jù)美國俄亥俄州的估計，1870~1930年這60年中土壤生產力下降了40%。這大體上與對1890~1950年間美國衣阿華州土壤生產力所做的估計相符，且與肥力水平關系密切。土壤有機質以及供氮已呈現(xiàn)下降趨勢。磷、鉀、鈣、鎂和硫等元素的取走一般大于以糞肥和商業(yè)化肥形態(tài)歸還的數(shù)量。(圖：圖14-11950年以前產量增長緩慢的部分原因)補償因素的結果，如改良品種、栽培措施、機械、排水，增加施肥和施石灰，防治病蟲害等，使1870~1930年間美國俄亥俄州的玉米產量增長了約15%。假如保持了土壤肥力，使用這些開發(fā)的技術，作物產量本應增加40%~60%。俄亥俄州的資料表明，僅用某段時期的產量趨勢來衡量土壤肥力是錯誤的。1930~1982年間，俄亥俄州的作物產量增加了2倍。在全美國具有同樣顯著的增長。技術迅速進步使產量顯著增長，肥料只是其中一項。美國農業(yè)部1964年估計，如果取消氮、磷肥料，伊利諾斯州的玉米可能減產37%，佛羅里達州的葡萄柚可能減產94%，亞利桑那州的苜?？赡軠p產34%?，F(xiàn)在這些數(shù)值可能還會更大。假若對衣阿華州的玉米不施肥，就可能需要再多29%的土地。這將意味著由于不適宜的土地投入生產，遭受侵蝕的可能性更大。在發(fā)展中國家報道過更令人震驚的結果。墨西哥小麥產量從1943年的51.7公斤/畝增加到1978~1980年的240公斤/畝（80%灌溉）。(表：表14-21930-1979年明尼蘇達州生產措施的變化引起的玉米增產量)栽培措施或限產因素及其增減產單位變化率或變化值1930比1979相差*對1979年產量的貢獻公斤/畝凈收益(%)1930年前產量水平(公斤/畝)--134-雜交品種雙雜交(公斤/畝)24.7100%的面積24.79三雜交(公斤/畝)10.917%的面積1.91單雜交(公斤/畝)20.975%的面積15.76遺傳收益(公斤/畝/年)2.450年121.743肥料N(7.5公斤N/畝時公斤/公斤N)18.993%玉米面積133.547植株密度(2050株/畝以上時公斤/百株)47.4127060.321除草劑(公斤/畝)69.993%的面積6523行距(公斤/畝/厘米)0.68-17厘米11.54播種日期(公斤/畝/天)2.4310天24.38條播對穴播(公斤/畝)27.279%21.58秋耕(公斤/畝)29.351%14.95輪作大豆(公斤/公斤N)18.91.7公斤N/畝32.311苜蓿/三葉草(公斤/公斤N)18.9-0.48公斤N/畝-9.1-3草木樨(公斤/公斤N)18.9-1.1公斤N/畝-21.2-7干擾效應(公斤/畝)58.3-33%的面積-19.4-7糞肥(含N約0.5%)(公斤/公斤N)18.9-2.23公斤N/畝-42.2-15有機質(%/年)-0.027×50年=1.35%-38.1-13蟲害玉米螟(公斤/畝/蟲/株)-12.31.2蟲/株-14.7-5玉米根葉甲(公斤/畝)-29.732.5%的面積-9.7-3土壤侵蝕(公斤/畝/厘米)(-0.1厘米/年)-4.6×50年=5厘米-23-8不明減產因素-65-23凈收益2851977-1979年產量水平419栽培措施或限產因素及其增減產單位變化率或變化值1930比1979相差*對1979年產量的貢獻公斤/畝凈收益(%)1930年前產量水平(公斤/畝)--134-雜交品種雙雜交(公斤/畝)24.7100%的面積24.79三雜交(公斤/畝)10.917%的面積1.91單雜交(公斤/畝)20.975%的面積15.76遺傳收益(公斤/畝/年)2.450年121.743肥料N(7.5公斤N/畝時公斤/公斤N)18.993%玉米面積133.547植株密度(2050株/畝以上時公斤/百株)47.4127060.321除草劑(公斤/畝)69.993%的面積6523行距(公斤/畝/厘米)0.68-17厘米11.54播種日期(公斤/畝/天)2.4310天24.38條播對穴播(公斤/畝)27.279%21.58秋耕(公斤/畝)29.351%14.95輪作大豆(公斤/公斤N)18.91.7公斤N/畝32.311苜蓿/三葉草(公斤/公斤N)18.9-0.48公斤N/畝-9.1-3草木樨(公斤/公斤N)18.9-1.1公斤N/畝-21.2-7干擾效應(公斤/畝)58.3-33%的面積-19.4-7糞肥(含N約0.5%)(公斤/公斤N)18.9-2.23公斤N/畝-42.2-15有機質(%/年)-0.027×50年=1.35%-38.1-13蟲害玉米螟(公斤/畝/蟲/株)-12.31.2蟲/株-14.7-5玉米根葉甲(公斤/畝)-29.732.5%的面積-9.7-3土壤侵蝕(公斤/畝/厘米)(-0.1厘米/年)-4.6×50年=5厘米-23-8不明減產因素-65-23凈收益2851977-1979年產量水平419注釋：*參照表14-1中30年代和1979年的實際水平。資料來源：Cardwell.Agron.J.,74:984(1982).雖然干旱地區(qū)水比肥更是限制因子，但包含頻繁夏休閑的種植制度使土壤肥力和生產力嚴重下降。在干旱地區(qū)改進管理措施，尤其是在不好的年景，同在較濕潤的地區(qū)一樣重要。例如，美國大平原的9個州1930~1939年和1950~1956年間年降雨量極低，分別只有518毫米和526毫米。但小麥產量差別很大，30年代為47.5公斤/畝，而1952~1956年為68.1公斤/畝。大多數(shù)低雨量地區(qū)土壤生產力的下降多與風蝕和水蝕以及休閑期易移動養(yǎng)分向深層的滲漏有關，并非真是作物耗竭了肥力。與之相反的是東南部的土壤，本身肥力較低而且已經集約耕種了100~200年。實驗站小區(qū)和先進農民的產量不斷增長至關重要，因為他們對應該怎樣做起著引導作用。在那里種植在試驗田的作物產量不斷增加，州平均產量也會不斷增長（盡管仍比試驗站的低得多）。這表明了繼續(xù)集中研究以克服產量限制因子影響的重要性。第二節(jié)耕作及土壤的管理目標所有耕作制度的目的均應是為農業(yè)措施維持最高的利潤。評價作物和土壤管理制度維持高產的效果時，有幾個因素必須牢記在心：(a)有機質和土壤耕性；(b)植物養(yǎng)分供應；(c)草、蟲、病害發(fā)生率；(d)水分吸收和土壤侵蝕。由于土壤特性不同，因此需要不同的管理措施。比如，有一種富含有機質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內不致發(fā)生問題。另有一種粉壤土，有機質含量低，可能耕性不良，用同樣的管理措施馬上引起麻煩。最重要的是按照管理的需要來評價土壤。應該利用試驗數(shù)據(jù)來說明管理措施對不同土壤的影響。圖14-2表明，不能認為侵蝕理所當然，重要的是必須以盡量減小水蝕、風蝕破壞性影響的方式進行生產。美國1/3以上的耕地都遭受嚴重侵蝕，這足以使土壤生產壽命大大縮短。表14-2表明，侵蝕抵消了美國明尼蘇達州為達到更高玉米產量所取得的進步。(圖：圖14-21977年美國土壤保持局所進行的國家資源調查發(fā)現(xiàn)的土壤侵蝕)第三節(jié)土壤有機質一度曾特別強調土壤有機質含量是土壤生產力的一項指標。隨著氮肥用量增加，依賴有機質釋放氮來獲得玉米、小麥等作物的高產是不必要甚至不明智的。曾幾何時，加拿大草原上夏休閑地被認為供氮自足，但現(xiàn)在其中20%以上需要化肥氮。Bradfield（1963）對此總結如下：對大多數(shù)農民來說，在他們的土壤中得到更多有機質惟一的經濟辦法是在他們自己的農場上生長更多的有機物質。更大的作物意味著更多根、更多莖稈和殘茬及更多牲畜飼料，因此有更多有機肥料還田。種植這些較大作物最便宜的辦法是用更充足的化肥和良好培肥的輪作，土壤經過如此管理得以從化肥中取得最大效益。這需要最好的種子、最合適的栽培措施和最有效地利用全部有機殘留物。有機農業(yè)加上化肥將在我們的豐產土壤上獲得更高的產量和更多的有機質。應該維持還是提高有機質含量?回答這個問題有必要考察有機質的一些功能：(a)具有養(yǎng)分（如氮、磷、硫、硼、鋅等）庫的作用；(b)提高離子交換量；(c)為微生物活動提供能量；(d)釋放CO2；(e)提高持水量；(f)穩(wěn)定結構、改善耕性；(g)提供表面保護從而減少結塊和增加滲透；(h)減輕壓實影響；(i)緩沖土壤酸度、堿度和鹽度的急劇變化。有趣的是，有機質的這些功能，除保護表面和防止壓實外，大多數(shù)都依賴其分解。因此，生產大量殘茬及其隨后的分解對良好的作物和土壤管理必不可少。很明顯，北極地區(qū)作物營養(yǎng)問題之一是低溫阻止有機質分解，有機質甚至積累在礫石脊上。相反，亞熱帶和熱帶雖產生大量有機質，但其分解極快。僅僅為了維持而維持有機質不是農業(yè)的實用方法。應用保持最高利潤生產的管理系統(tǒng)更現(xiàn)實。土壤有機質最大的來源是當季作物提供的殘茬。因此，選擇種植制度和殘茬處理的方法同等重要。合理的管理和施肥能提高產量，這是農民關心的主要問題。高產還會產生大量副產物-有機殘茬。所以，為達到高產而管理土壤的同時也改良了土壤。美國密執(zhí)安州立大學的工作人員指出：“我們用來奪取高產的措施最好地保護和培肥了我們的土壤”。一、耕作制度的影響耕作制度通過以下幾種方式影響土壤有機質。(一)耕作可增加通氣性，因而促進微生物活動，增加土壤有機碳的損失據(jù)報道，有機質下降最快的是在開墾耕種后最初的10年，爾后幾十年繼續(xù)以逐漸遞減的速率減少，最后達到表觀平衡，在美國大平原北部盛行的耕作條件下大約為40年后達到。因此，行播作物比例大的耕種制度比密植作物或草皮植物為主的耕作制度使有機質損失快得多。在一些情況下，耕作增加了富含有機質而施氮不足的土壤上非豆科植物的產量。這可能部分地與通氣改善對有機質分解和隨后氮釋放的影響有關，而且新的表面不斷暴露，使土壤有更多濕潤和干燥的機會。當然，所有這些都造成土壤氮的逐漸耗竭，增加了土壤有機碳的損失（表14-3）。(表：表14-3不同土壤上殘茬覆蓋和常規(guī)管理制度下耕作引起的處女草地碳的損失)土壤深度(厘米)碳損失率(%)蒙大拿、北達科他及懷俄明州*北達科他州格蘭特縣**殘茬覆蓋常規(guī)0~15.241273815.2~30.520714注釋：*每州兩個田間站，耕種40年后于1950年取樣。**36個農場地塊耕種約70年后于1979年取樣。資料來源：Bauer和Black.SoilSci.Soc.Am.J.,45:1166(1981).(二)耕作過度有促進土壤侵蝕的趨勢耕作過度導致有機質和其他組分的物理損失。但在耕種或休閑期開始的最初耕作通常可改善土壤結構、孔隙度和粗糙度，增加水分滲透和土壤抗侵蝕能力。(三)各種耕作制度提供不同的作物殘茬量粒用玉米每畝可向土壤提供0.5~1.15噸莖，0.16~0.33噸根。青貯玉米莖葉和籽粒都被取走。禾本科-豆科飼草可生產大約同等數(shù)量的殘體，但大部分都在刈草中和放牧時被取走了。小粒谷物產量高時，如果禾草留在田里可返還0.5噸殘茬，但取走禾草就只有0.08噸還田。花生的地上部、仁果和許多根都被移走，這是一種促使有機質更快損失的耕作制度。在養(yǎng)畜計劃中，牲畜消費籽粒和植株部分，只有部分有機質能還田，然后糞肥施在最靠近畜舍的地里。(四)各種耕作制度中植物殘茬含氮量與土壤有機質的積累密切相關如果翻下的殘茬含氮低，大部分碳將分解為CO2逸走，直至碳氮比達到10∶1或12∶1。施足氮肥的玉米莖葉中可能至少含氮1.0%，雖然認為含0.75%的更典型。反之，施少量氮肥的玉米秸中也許含量低于0.5%。從這點和產出更多有機物來看，施足肥比少施肥的玉米禾莖在維持有機質方面更有效。大多數(shù)含氮1.5%的作物殘體無需增加氮量使之更迅速地分解轉變?yōu)楦迟|。第五章已討論過殘茬分解需要足夠的氮。已有不少加入額外的氮對加速殘茬分解和促進土壤有機質形成的影響的討論。表14-4中的數(shù)據(jù)表明，給分解的麥秸增加供氮，在增大含氮百分比和提高邊際碳濃度的同時，也能大大降低C/N比。(表：表14-4無土培養(yǎng)63天麥秸分解中施硝酸銨、硫酸銨對C/N比和氮及碳濃度的影響)處理時間C/NN(%)C(%)秸稈起始1070.3840.4秸稈加氮300.3840.4秸稈63天后1160.3540.8秸稈加氮760.5541.7注釋：資料來源：Cochran等.SoilSci.Soc.Am.J.,44:978(1980).衛(wèi)在某些翁條件下，缺辱硫可阻止有礦機殘茬分解撓。這在第八卵章中已做過閣討論，該章剩指出一些條費件下必須施樣用硫肥促使迫施用的有機鏟物分解。脾(五)旱土壤有機質悲已在許糾多地區(qū)不同雜土壤上做了量大量工作來指確定耕作制誘度對土壤有得機質的影響鍬?？偟膩碚f行，處女地土緊壤上開始的雷試驗即使用斷最好的耕作孤制度也難維晃持其土壤有變機質。在試捕驗開始前有凱機質已被耗嗚盡的土壤上通，草地或密蓋植作物以及冬中耕次數(shù)少誘的作物比例爸大的種植制哥度可能造成朋有機質和含評氮量的增加堤。館年均溫種度高的地區(qū)愉，如美國南燥部，分解可吹在1年大部斬分時間連續(xù)吸進行。在這斤種環(huán)境下難撤以提高有機樓質含量。反同之，美國北瞞部土壤有機迷質含量即使扮耗盡也較易圣通過某些種壯植制度來增顛加，尤其是饅以少耕并歸闊還較多作物栽殘茬為特點究的耕作制度宮。表14-反5的例子很孤好地說明，垂在減少休閑僵頻度并增加雜還田有機殘周體的制度中渡，土壤有機打質和全氮均內增加了。擋(表：表1姨4-5耕評種37年后植耕作制度和匙糞肥對土壤魂氮和有機質虹的影響)輪作方式有機質(%)全氮(%)對照糞肥對照糞肥休閑-小麥3.74.10.190.28休閑-小麥-小麥4.95.50.260.30休閑-小麥-小麥-小麥4.75.50.250.28小麥連作7.27.60.360.38平均5.15.60.270.31苜蓿休閑-小麥-小麥-小麥5.8-0.28-禾本科草休閑-小麥-小麥-小麥6.3-0.31-近注釋：資料宗來源：Ri原dley和緩Hedli坊n.Ca億n.J.捕Soil弱Sci.狗,48:命315錢(1968銜).雀許多因恒素決定種植蓮制度到底增必加還是減少叛土壤有機質款。關鍵問題宵是保持大量匠作物殘體（受莖葉和根）搞通過土壤循努環(huán)。連續(xù)的鹽良好管理，購包括施足肥燕，有助于這言一點。丈二、施普用植物養(yǎng)分躲的效果駱種植制伏度中石灰和睬肥料用量不垃僅影響收獲僚的作物產量登及其組成，承也影響作物改殘體生產量喝。更大量的澡植物養(yǎng)分帶摔來作物殘體鞠量的增加對茂維持有機質赤是重要的。跡另外，提高軟產量意味著絞遍布的根系跟在更深的土廣壤中分布有斷機質。檢(一)里氮疊表14津-6的數(shù)據(jù)乞表明了氮對姜玉米籽粒和尾莖稈產量的剛影響。施氮業(yè)量較多不但檔提高籽粒產刃量，也使莖葬稈產量增加愚50%。籽篇粒比莖稈產模量提高得更勤快是值得注謎意的。樓(表：表1傻4-6氮貍對玉米籽粒聾和莖稈產量喪的影響*河)施氮量籽粒莖稈公斤/畝095.3271.13217.8251.76341.5380.99420.1409.412427.6399.6璃注釋：*施撐用了足量的繳磷和鉀。資破料來源：K晃rantz千和Chan嘉dler.鍋Nort捷hCar惜olina讀Agr.推Exp.監(jiān)Sta.繭Bull腳.366期(rev植.1954水).連施氮肥至和土壤耗氮蜜間的一般關每系見圖14想-3。該圖儲表明，土壤牽氮的年損失射以及土壤有脅機質損失隨鄰大量施氮而表減少。如果聯(lián)施氮等于或貝略高于作物拍取走的氮，葡土壤氮損失蚊似乎會減至映最小。體(圖：圖1擺4-3施謙氮肥與土壤翅耗氮的關系宇)計在美國潤伊利諾斯州饑南部Cis石ne粉壤上降12年間對僅施過石灰、狠磷和鉀的玉繭米-大豆-副小麥（豆科動、禾本科）尺輪作施用氮飄、提高土壤注含氮量0.紗014%，濱含碳量0.貢15%。憶(二)蘭磷變磷對提炒高春小麥籽詠粒和秸稈產碰量的效果十額分顯著。應既記住，低磷奧土壤中施足膀磷肥可增加奸還田植物殘允體量。這些戒殘體有助于閉保持甚至增泳加土壤有機霸質。淡(三)笨其他養(yǎng)分叼其他養(yǎng)沙分，如鉀、乒石灰、硫或殖微量元素的飾增產反應，居也會增加殘司茬量。圖1熔4-4表明捎了在增加冬陣小麥籽粒和悠秸稈產量方史面硫的單獨摧影響和氮-覽硫交互影響襲。疼(圖：圖1欠4-4硫弱和硫---紹氮交互作用唇對小麥及其趙秸稈產量的美影響)披(四)血增加有機質喊對土壤養(yǎng)分宅有效性的影茶響嫂簡單提全一下有機質碰對土壤中固伶有的養(yǎng)分有蘿效性的影響該。有機質分速解時釋放出終大量CO狼2書被認為對釋康放某些養(yǎng)分濤，特別是無綱機磷相當重嚇要。罪CO他2樓溶于水中形鞏成碳酸，結項果降低了土家壤pH值。抹該效應在中獅性或堿性土宰壤上相當重屢要。在這種使條件下，p膨H值的暫時叛下降會增加菠其他元素如伸硼、銅、鋅臭、錳、鐵和宵磷的釋放速諸度。勁一般認坡為，有機質嶄分解的某些啊中間產物可泳形成絡合或象螯合離子。媽磷或某些微咳量養(yǎng)分與這糞些離子連結視并保持在弱偶離子化狀態(tài)息。這種離子丸處于不被土著壤固定而能議被植物利用率的形態(tài)。心三、表憤土與底土蕉侵蝕性猴土壤上營利歪性作物生產倆一直是重要敬的農業(yè)問題結。眾所周知搜，通常在底畝土上非豆科贏作物減產，觸在通透性好塞的土壤上這視主要由于缺肆少有機質、些繼而氮釋放培降低所致。淡昏美國俄衫亥俄州在移稠去表土的通熔透性底土和膀高粘粒含量篩的緊實底土聰上的研究提溜供了有意思乒的例證。用句玉米、小粒節(jié)谷物和苜蓿紹輪作。通透執(zhí)性底土施足呢石灰、磷和督鉀玉米產量艱是生長于表遼土上產量的出95%。因餐苜蓿提供了妻氮，故施氮波沒有明顯效救應。淘緊實底頓土上玉米和室豆科作物很或難保苗，非憲豆科作物產歲量一般很低膚。一旦苜蓿螺保住苗，干餅草產量還是裂令人滿意的引。頁該研究饑結果表明，凝通透性好的兆底土上非豆企科作物施氮聰或在輪作中蠅加入苜?？晌５酶弋a。但鄙在一些年份那濕度可能成美為限制性因竹素，因水分驢進來得少且值底土有效持灑水量較低。幣問題的懷另一方面涉河及暴露的底制土中鋅的有此效性，有時淹還有磷和硫鑼的有效性。矩為灌溉而平廢整土地裸露六出底土，上寫面種植的玉蜂米和豆科作族物等缺鋅會扣變得十分嚴揉重。此種土些壤上的缺鋅倦由高pH值把、石灰、低深有機質和土粗壤壓實而加解重。土地整摘平后缺硫似偷乎主要由于庭有機質含量蝦低所致。發(fā)第四節(jié)們輪作中的災豆科植物興多年來光，飼用豆科煩作物在一些烤輪作中起骨孝干作用?，F(xiàn)應在其主要目龜?shù)氖翘峁┐笱恿績?yōu)質飼料喪，或是干草達或是放牧場尸。另外的好鑄處是對伴生暗作物或后作警提供氮素。觸此外，種植像豆科作物，據(jù)尤其是深根妹的如苜蓿和毛草木樨，對位物理性狀不行良的土壤也爸有益處。調表14賭-7表明，黎5年中豆科游后茬種大麥程比不施氮且玩無豆科前茬甚的大麥總共淘多吸收氮2俊.25~6喬公斤/畝，誦產量提高2屠15~25炭1公斤/畝快。這些數(shù)值蜜還有點兒保晴守，因19妨69年“非欺豆科”小區(qū)貪夏休閑使得賽1970年痕大麥獲得高憂產，同時吸歷氮量也高。距從中還可以挽看到，豆科睜的有益效果芹在耕翻后最兆初幾年非常皂明顯，甚至澡5年后繼續(xù)腸有殘效。知(表：表1臣4-7豆找科后茬大麥嶺的產量和氮壺吸收)不同前茬大麥產量(公斤/畝)*不同前茬大麥吸氮量(公斤/畝)非豆科苜蓿**紅三葉草**非豆科苜蓿紅三葉草1970236.9147.2251.34.463.35.12197196.9183.1183.11.984.791.65197293.3179.5143.61.984.133.141973114.9186.7172.31.983.472.48197496.9125.7132.81.492.151.82197579.0111.393.3---總計718933.4976.511.8817.8214.19平均122.1154.4161.6---襯注釋：*所苗有小區(qū)施磷居、鉀和硫。立**1撈968和1間969年種交植。資料來敲源：Lei獎tch.餃見Alfa洲lfaP囑roduc剖tion削inth酬ePea窄ceRi竿verR衡egion民,pp.泛C1-C穴5.Be寧averl裝odge,糠Albe緊rta:膀Alber漲taAg女ricul班ture斜andA拔gricu樓lture舊Cana反daRe爺searc市hSta遠tion,黎1976舟.盡管輪作中的豆科如此有益，這一措施并不總吸引種植者。一些地區(qū)的豆科作物可能不便被農民利用，或沒有飼料作物市場或其導致的土壤高氮水平可能對烤煙等作物有害。在美國西部和加拿大較干旱地區(qū)徹底吸取土壤蓄水也是個缺點。第五章開頭提到過許多有關根瘤菌和其他共生微生物的固氮作用。但有關輪作中豆科有益特性的幾點要在下節(jié)討論。一、豆科固氮單質氮占空氣體積的78%。有一類細菌叫做根瘤菌或共生菌，可通過附著在豆科根部、并生成根瘤來利用空氣中的游離氮。這種互利關系稱為共生現(xiàn)象。細菌進入單細胞根毛而形成根瘤。然后細菌大量增生，向根毛基部生長，刺穿根皮質，結果大量細胞增生，并形成含有數(shù)百萬細胞的根組織團塊的根瘤。根瘤不應和某些線蟲感染混淆，后者僅使植物根增粗。根瘤細菌利用寄主植物的碳水化合物和礦物質來固定大氣氮。這些氮可被寄主植物利用，也可排到瘤外的土壤被附近生長的其他植物利用，或在豆科植物死亡或翻壓后通過根瘤或豆科殘體分解釋放出來。二、固氮量根瘤菌固氮量隨產量水平、接種效率、從土壤中獲得的氮數(shù)量（無論是有機質分解的還是殘留氮）以及環(huán)境條件而變。最佳pH值、水分、通氣和養(yǎng)分供應是必不可少的。高產豆科作物如大豆、苜蓿和花生含有大量氮。通常植物中全部氮的50%~80%由根瘤菌固定。美國伊利諾斯大學的Welch（私人通信）估計，伊利諾斯州的土壤上每35公斤大豆取走1公斤土壤氮，而且大豆固定植株總氮量的45%以上。但淺色土壤上大豆可固定80%以上的氮。其他豆科植物表現(xiàn)得大同小異。與禾本科混種的飼用豆科一般為兩種作物供氮。但在南部，因生長季較長、輪牧以及更充分地利用牧草，故要對禾本科-豆科混播草場施用N-P-K化肥。三、豆科作物固氮與商業(yè)氮肥從前輪作中包括豆科作物的原因之一是供氮，但隨著合成氮工業(yè)的發(fā)展可使用并不昂貴的氮肥，農業(yè)不再依賴豆科提供這一元素。農民應選擇須遵循的計劃已變成一門經濟學，他們應選擇使投資產生最大凈收益的計劃。未來氮肥的成本尚不肯定。第十章討論過天然氣原料成本的增長對氮肥生產成本的影響。結果人們再次對豆科作物作為非豆科作物需氮的部分可代替來源的可能性產生極大興趣。但很顯然，若每45公斤玉米需氮1公斤，每公斤氮值2.2美元，即使氮肥投入成本達4.89美分/公斤玉米仍可獲得利潤。某些地區(qū)，尤其一些熱帶國家，得不到商業(yè)化肥或種植者沒錢買。因此，精心設計的包含豆科的種植制度對于幫助非豆科生長供氮則至關重要。但主要障礙是經常缺少合適的豆科植物種類。當豆科作物在養(yǎng)畜農業(yè)體系中作飼料時問題就不同了。豆科具有雙重目的，飼養(yǎng)牲畜和為糧食作物提供部分氮素。此系統(tǒng)中豆科作物必須至少提供部分飼料。另一種方法是只種禾本科飼草并重施氮肥。飼養(yǎng)試驗表明，豆科作物優(yōu)于施氮的禾本科牧草。豆科作物一般品質好，包括高蛋白、高礦物質濃度和各種有益的生物化學差異。四、豆科作物可為玉米提供大量的氮素一般認為，玉米生產必須施氮肥補充豆科固定的數(shù)量。生長良好的苜蓿向一般產量的玉米提供足夠的氮素，但對高產玉米不夠。美國俄亥俄州的試驗結果表明，苜蓿后茬玉米需要增加如下氮量：每畝第一年3.75公斤，第二年7.5公斤，第三年11.25公斤，第四年15公斤。豆科作物產生的氮量通常不是固定的。輪作中依賴豆科為作物供氮，但常常供應不足。這可能由豆科缺苗、接種不好或肥力不足造成。解釋試驗結果時，有時很難確定是否有足夠植物養(yǎng)分使豆科充分生長。翻壓長得好的豆科可提供氮素7.5公斤/畝。但農民常過高估計豆科草地的質量而屆時只能供給一半或數(shù)量更少。另一擔心的問題是翻壓豆科的時間對殘體分解釋放有效氮的影響。早翻壓將有更多分解時間并積累氮。美國衣阿華州三個地點兩年的平均結果表明，馬德里甜車軸草和拉迪諾三葉草后茬的玉米產量分別為347和380公斤/畝。但只施氮3.8公斤/畝和7.1公斤/畝的玉米產量分別為376和410公斤/畝。第五節(jié)輪作與連作連作即單一種植。世界各地都有其例-遠東的水稻、美國半濕潤地區(qū)的小麥和南部的棉花。雖然單一種植一度被認為是不良農作制度，但1950年代大大增加的氮肥供應激起在侵蝕不甚嚴重的土壤上連作玉米的興趣。已有的資料表明，不同輪作的價值應在不因植物養(yǎng)分供應不足而限制作物產量的條件下重新考察。玉米植株沒有什么會使其難于在土壤上立足的內在因素。直到1950年仍用連作玉米小區(qū)例示這種種植制度不受歡迎。大多數(shù)小區(qū)未施充足的肥料，尤其是氮，且又與包含豆科的輪作進行比較。因此，連作玉米表現(xiàn)較差。自那時起，已有更合理的對比。高產條件下的結果表明，連作玉米比輪作玉米產量低15%。美國伊利諾斯大學的Morrow小區(qū)試驗表明，7年平均產量，連作玉米為577公斤/畝，而玉米-大豆輪作為673公斤洗/畝。在一在些時期缺水醬時，連作玉讀米可能優(yōu)于郵苜蓿后茬玉駛米。苜蓿吸保取剖面深層賠的水，使后辱作玉米可能申缺水。箭連作玉健米并非全農挽場種玉米，槳而是玉米可由能種在更適睛合的地塊而飽將飼草作物弟種在其他地務上。比如，痛一座農場有姑平地和坡地煎，這位農場攤主的玉米種甩植需求和土耐壤的耕種需切要則可通過辦平地種玉米們和坡地種草恢來解決。才用計算碎來比較輪作泥和連作玉米丟的收益。種潛植者能接受奏連作玉米在收一定程度上晨產量較低，鋼但經濟上更宵賺錢?？钜徊缱骺v物對下茬可沿能有不良影爺響，無論是撐同一種還是晉不同種作物伙。有些證據(jù)藍表明，根釋緩放的物質或糕殘茬分解形有成的物質有閘毒。比較連德作玉米與玉揭米-大豆輪止作即為一例洞。苜蓿后種懂苜蓿通常不苦理想，原因慮不明。異株年克生現(xiàn)象是縫用來描述一陽種植物對其短他作物的拮擾抗作用的術頸語。更多有犬關雜草競爭竊的這種毒素棚抑制現(xiàn)象參貫見第二章。咳一、病示、草、蟲的丈防治掌單一種吩植可能導致雹某些病、草蒸、蟲害難于黎防治。在大感多數(shù)情況下池，引種無關菊的或不易受倚影響的作物賽或采用其他每耕種措施將源有助于控制驚這類問題。綿為控制小麥新和其他谷物瞞的根腐病，漏將合理種植炕順序、抗病釀品種、無病低原種子、田蛇間消毒等措棄施結合起來嘉是必要的。漿關于氯化物朵對小麥及其刮他谷物旱地內根腐和全蝕存根腐的限制條作用的新資葵料可參考第蛙三章。豆科寫植物、其他錯雙子葉植物辭、甚至燕麥伙、大麥或玉墓米等谷物通斜常在小麥發(fā)融生全蝕病時歉都適合作替傻代作物。然原而在一些情妨況下，甚至經在苜蓿、大奧豆和牧草后港種小麥這種糖病仍很嚴重惡。噴谷物根份腐病以外的堡大量病害可蠶通過輪作控求制，尤其同辱時采取種子慧處理、合理躲栽培和田間踩消毒等措施訊。輪作減輕殊玉米根腐病渴，輪作結合塑田間衛(wèi)生還密減輕幾種幼蔥苗病的嚴重魔程度。同一勾塊地上易感績染的作物應仗每隔3~4罩年種一次。范作物倒綁茬是防治以戶一年生作物搜根為食的線劍蟲的重要手病段。美國南脈部常在輪作壽中用牧草作慮物控制根結還線蟲。亞利鄉(xiāng)桑那州種植嚴2年以上抗小根結病苜蓿役后種植棉花裂獲得可喜產摔量。二年無猶草休閑也有濕效控制根結繞病，很少能孫通過作物輪緒作防治細菌赤病或病毒病得。暮(一)竿雜草思作物輪哲作控制雜草郊的作用取決跌于特定的雜譽草和所用方陶法對它的控割制能力。如予果農民想種瞧的任何作物絮中全部雜草格都能方便地軋被控制，作代物輪作就不閘會是防治雜最草計劃中的逼重要組成部懸分。但在有它些情況下，理對有防治困扎難的雜草，付輪作是必需玩的。嘗(二)剛害蟲挨輪作曾粱是害蟲管理彩的常用措施曉，但隨著1豈950年代碰價格便宜且產效果好的有早機殺蟲劑的西發(fā)展，輪作蒸的應用減少辟了?，F(xiàn)在人終們又重新對識輪作產生興誓趣，因害蟲常對化學藥品酷產生抗性且反投入成本不拔斷提高。對抽一年中只有族很少幾代或賽發(fā)育一代需牲一季以上的多害蟲輪作十絨分奏效。主延要作物蟲害頃嚴重問題最頌突出的例子劑是北方玉米碎長角根葉甲分。在美國伊暢利諾斯州和肺衣阿華州，千大豆、玉米營輪作已取代崖了需自動使鉗用土壤殺蟲破劑以持續(xù)控辭制這一害蟲爬。阿肯色州忍以大豆代替格胡枝子與水類稻輪作，最頑初解決了葡佛萄肖葉甲（鎮(zhèn)grape題cola而spis）莖的問題。輪追作只能部分神成功地控制可棉鈴蟲。適擠時播種高粱聾為棉花防治思棉鈴蟲，而屢棉鈴蟲很少沉傷害高粱。勉二、土攏壤耕性的影咳響剃一般認各為，用今天堪的土壤管理懇措施維護大戚多數(shù)土壤的耳物理性質就礙不再需要作股物輪作了。線現(xiàn)今的作物呀生產措施為巡土壤提供了面良好的植物對覆蓋并歸還斑大量作物殘馬體。另外，赤耕作減少，惠由此而來的辜壓實的有害教影響及破壞路土壤結構也旅減少。重要遣的問題不是喉單一種植對仿比輪作，而津是涉及兩個漁因素：還田咬殘體量和輪別作中所需土夜壤耕作的性掃質。踩輪作能策極大改善許認多中等和細三質地土壤的光結構和耕性招。草地禾本喉科和輪作中驢豆科對土壤轉明顯產生有蕉益影響。先溉前為生草地緊的土壤，翻么耕時易于破奪碎并剪切為袖理想的松軟央種床。當輪牌作中種植少膊耕作物時通橡常降低細質歇地土壤上的額耕翻牽引力噸。內排水的抵改善減少了偵積水和土壤哪排掉多余水陪的時間。信單一種匪植的玉米很避獨特，因其兇在許多土壤卡上能合理保堂持令人滿意霞的土壤物理挺狀況。補償斧因素為玉米睡單收籽粒時退有數(shù)噸殘體膏還田，且其營很適合少耕薯并減少土壤白上機械作業(yè)逮往來造成的太破壞。乞尚需更吧多有關輪作芝中需要深根孩豆科植物的陸土壤條件的猛資料，亦需音知道更多關紫于高施肥行絨播作物（如暴玉米）連續(xù)命生產數(shù)年增盞產的土壤條枕件。在這競掠爭的年代，圓只維持產量遮是不夠的?；艔头N，譯如小粒谷物痰-大豆或小甘粒谷物-玉僑米，在生長蝴季較長且有失可能灌溉的領地區(qū)三作甚耗或四作水稻項，正在更大劑程度上予以圓考慮。一年鉛四作產稻谷鉤1.8噸/障畝是可能的秀。這須最大渾限度地利用格土壤、陽光億和水資源。辨如果肥力充房足、病蟲防獄治得好并對跑品種進行改歪良，土壤生文產力會逐漸肅提高。因此日，要把更多雅的注意力導銅向測量每年山單位面積的艇產量。鄰三、兩舌種耕作制度宮的優(yōu)點問(一)蛾輪作轉(a)災深根豆科植租物可在所有女地塊上循環(huán)桿性種植；扁(b)示具有連續(xù)的閃植被覆蓋減諷輕侵蝕和水損分流失；批(c)烈土壤耕性極淘佳；令(d)哲作物根系營件養(yǎng)范圍和養(yǎng)暴分需要不同頸，如深根與映淺根、吸肥鄉(xiāng)強與吸肥弱壯的、固氮的呈與非豆科的岸根系；穗(e)默有利防草防擔蟲，盡管化龜學藥劑正變翁得更有效；宮(f)翅有利防病，交改變作物殘釋體助長土壤號生物間競爭消，有助于減肯少病原體；遼(g)淘拓寬勞力分德配且使收入粘多樣化。騰(二)澆連作或單一贈種植匙(a)憐利潤可能增注加；勺(b)永土壤可能特繳別適合一種高作物，如玉羅米、水稻或墓牧草；茅(c)凱氣候可能對佛一種作物合潔適，如美國爽玉米帶中玉沫米比燕麥更昂適應，小麥激在大平原地燕區(qū)更好；珍(d)斃機械和建筑舊費用可能較煎低；穗(e)躬種植者可能喚更偏愛某一搖種作物并成帥為專家，很扶少有人對種閥植多種作物篩又飼養(yǎng)牲畜令樣樣在行，愉單一種植更燦需要技能，啄包括防治害察蟲，控制侵塔蝕和施肥；歐(f)蝶種植者可能憂不想把時間躍一年到頭花塊在農作上。俱第六節(jié)貼耕作制度會的其他肥力墊效應掠一、對胞地表養(yǎng)分濃駕度的影響拆各種作鄰物植株中主葡要、次要和渴微量養(yǎng)分含猛量變化甚大牌。另外，作排物會從不同羞土壤區(qū)域吸產收養(yǎng)分，因謎此選擇種植遵順序對作物刻營養(yǎng)很重要菜。深根作物幕從底土吸收激某些養(yǎng)分，奮當其殘體在鬼表土中分解毯，淺根作物橫會從殘留養(yǎng)升分中受益。朽脖在土壤愛中某種特定緒微量養(yǎng)分接鏈近其邊緣含會量時，前茬治作物很可能頸極大影響這室種元素對后兆作的供應。征例如C捎ollin亂gton壤揭土上連作的節(jié)黑麥含鉬1敘.1ppm伐，而黑麥和致巢菜輪作則煩含鉬11.束1ppm（液表14-8世）。這表明種隨著黑麥和餐巢菜殘體在償表土中分解甩，比單種黑照麥有更多的座鉬變得更有爬效。可能這犬是一種種植析制度或輪作腔最重要的有每益效應，對琴那些未含在奸肥料中的元備素尤其如此揉。漫熱帶及練亞熱帶地區(qū)彼的森林是作勾物將養(yǎng)分運姓輸?shù)降乇淼睦鐦O好例子。陪枯枝、落葉猜和莖分解后控留下養(yǎng)分形復成輪墾的基盞礎，居民清便理樹木并焚岸燒，然后種版2~5年。惰此后表土中餓養(yǎng)分幾乎耗形盡，再令土帽地生長樹木坡恢復元氣。刑二、對卷土壤磷和鉀爽的影響兩耕作措誤施對磷和鉀耐水平的凈效宇應取決于作利物收獲部分褲取走的養(yǎng)分訓、土壤提供體的養(yǎng)分和補惕充施肥。我槍們已在第十素三章討論過碰作物養(yǎng)分含濁量的變化以經及輪作施肥忘所引起的變挺化。這可以既烤煙為例來底加以說明（積表14-9貨）。(表：表14-8某些作物植株微量養(yǎng)分組成)作物植株微量元素含量(ppm)硼鉬銅錳鋅鈷種在Sassafras壤土上菜豆地上部501.620501120.64胡蘿卜地上部300.9181201630.38黑麥151.51248930.30黑麥和巢菜903.417902630.72黑麥草152.919801230.76種在Collington壤土上菜豆地上部752.219405510.24胡蘿卜地上部560.8181604600.28黑麥301.115324560.20黑麥和巢菜10011.116804651.32黑麥草302.420801750.30注釋：資料來源：Bear.SSSAProc.,13:380(1948).(表：表14-9施肥和作物(煙草)養(yǎng)分消耗對土壤養(yǎng)分水平的影響)養(yǎng)分收支數(shù)量(公斤/畝)土壤養(yǎng)分水平(公斤/畝)NP2O5K2O施5-10-15肥112.55.62511.2516.875施13-0-44肥151.9506.6煙葉取走2256.3751.12511.625凈獲得量1.210.12511.85與此相反，花生很少施或不施肥，長得好的花生（每畝133公斤花生仁果和167公斤干莖葉）取走的營養(yǎng)元素約為18公斤N/畝、3公斤P2O5/畝和13.9公斤K2O/畝。可以想象，種煙草和種花生的土壤具有很大差別。但這些差異不斷趨于減小，因為與煙草輪作的作物只需施少量肥，而與花生輪作的作物重施肥。定期土壤化驗能看出肥力水平的變化，而了解取走和添加的養(yǎng)分能幫助解釋變化趨勢?？上У氖侵挥胁坏?0%的田地可能被化驗。但前面章節(jié)中指出的，土壤化驗總結在揭示耕作制度對土壤肥力狀況的影響時也有效。在研究和推廣項目中，利用這些總結在制定全面解決與肥力需要及維持有關的耕作制度問題時會有幫助。第七節(jié)輪作對土壤和水分流失的影響單位面積土壤流失（A）［噸/畝/年］是降雨（R）、坡長（L）、坡度（S）、土壤侵蝕性（K）、耕作及管理（C）和保持措施（P）各因子的乘積，用方程表示為：這里要討論的主要是耕作及管理，土壤肥力是其重要組成部分。作物產量越高，徑流越少；水分進入土壤的比例越大、徑流越小。侵蝕是結果，而不是土壤破壞的主要原因。主要原因是缺肥（尤其是氮）和植物群體不足。與土壤流失有關的耕作制度或肥力管理的若干特點如下：(a)覆蓋和植物冠層的濃密度。這可防止雨滴沖擊和蒸發(fā)。蒸騰水分（這樣就為更多的水騰出空間）的數(shù)量為又一影響因素。殘茬和莖稈降低水流速度和蒸發(fā)量。殘茬翻入土中使土壤更滲水。研究揭示了雨滴像炸彈爆炸一樣沖擊土壤時的巨大動能，這有助于更好地理解植物覆蓋對攔截這種力量的極端重要性。(b)土壤上栽培作物的生長時間對密植作物，如小粒谷物或飼草作物生長時間的比例。(c)與降雨分布和強度有關的作物生長時間。5~9月間最脆弱。(d)根系類型和數(shù)量。(e)還田殘茬量。(d)、(e)兩條影響土壤結構。USDA的研究人員Wischmeir和Smith確定了作物產量水平對土壤流失的影響。他們研制了一系列曲線表示覆蓋和植物冠層對遭受雨滴沖擊的土壤流失的減緩效果。美國密蘇里州的研究表明，對小粒谷物施肥可減輕侵蝕（表14-10）。(表：表14-10對小粒谷物施肥可減輕侵蝕)作物肥料土壤流失(噸/畝)大豆茬小麥無肥0.710-18-170.44玉米茬燕麥無肥0.610-18-170.30這些效應主要是施肥使生長的作物覆蓋更茂密、根系更發(fā)達的結果。美國俄亥俄州東部山地小流域在玉米-小麥-牧草-牧草輪作中，實行改進的措施包括約施3倍的化肥和糞肥量、土壤pH值從5.4提高到6.8，其效應見于表14-11，約增產50%，徑流和侵蝕大大降低。管理措施未造成土壤特性間的強烈差異。對徑流和侵蝕的效果，部分是因通過春季覆蓋迅速更好地保護土表、整個生長季中濃密覆蓋和所種作物根系分布更為廣泛。采用等高種植而不是垂直坡度的直壟豎行。(表：表14-11管理水平對作物產量、徑流和侵蝕的影響(1945-1968))現(xiàn)行措施改進措施玉米產量(公斤/畝)340487小麥產量(公斤/畝)100153干草產量(公斤/畝)287520生長季中徑流(厘米)1.91.0高峰徑流量(厘米/小時)2.31.5玉米地侵蝕量(噸/畝/年)0.7070.207注釋：資料來源：Edwards等.SSSAProc.37:927(1973).第八節(jié)冬季復被作物冬季復被作物秋種春壓，可為非豆科、豆科或二者結合。最后一種組合方式有若干優(yōu)點，可產生大量的有機質，非豆科植物從固氮受益，因非豆科一般更易成活，至少能保證一種作物成苗。一、增加氮利用綠肥豆科作物的重要原因之一是能提供充足的氮。供氮量取決于根和翻壓的地上部分的數(shù)量。因此植物生長量愈大愈理想。種植非豆科作物時，只有來自土壤的氮和所施肥料氮還田。雖然某些特殊情況下（如煙草種植前）需要非豆科作物，但更常見是選種豆科作物，以其提供的氮對這種措施更有保證。在美國新澤西州研究了不同氮水平的巢菜和黑麥復被作物對青貯玉米生產的影響。施氮量為13.5公斤N/畝的黑麥茬青貯玉米得到4.2噸/畝的最高產量。未施肥的巢菜茬青貯玉米產量略低，為4噸/畝，卻獲得了單位面積最高的凈收入和每噸最低的生產成本。二、增加有機質冬季種植復被作物的好外之一是為土壤提供有機質。有機質當然是影響極細砂壤和細質地土壤耕性的因素。綠肥有助于維持，有時甚至提高土壤有機質。在美國北卡羅來納州含有機質低的土壤上，結合種植巢菜為復被作物和對玉米施高氮增加了有機質，在有機質含量較高的土壤上維持了有機質水平，改善了水分入滲。對于作物殘體還田量較少的輪作，維持土壤生產力特別困難。延長輪作期使之包括充足施肥的小粒谷物、玉米和綠肥作物會有好處。研究發(fā)現(xiàn)，這在蔬菜種植地區(qū)是必要的。一些地區(qū)青貯玉米和高粱面積正不斷擴大。這使土壤表面幾乎不遺留殘茬。收獲后立即播種燕麥和黑麥或收前飛播將有助于保護土壤。三、供應養(yǎng)分綠肥中的磷甚至比磷肥更有效，這可能是因其在分解中逐漸釋放、局限于施肥的位置、存在有機酸保持其有效性和形成某些復合離子。美國新澤西州的Seabrook農業(yè)公司實施了一項有意思的綠肥計劃。這家企業(yè)種植大量蔬菜，發(fā)現(xiàn)有必要從復被作物獲取大量有機質以取得蔬菜最高產量。大多數(shù)蔬菜只有少量植物殘體還田。因此，小粒谷物如大麥或小粒谷物加絳三葉草被有效利用。復被作物及時播種，每畝可翻壓0.5~0.8噸干物質。由于前茬蔬菜作物殘留極高的肥分，復被作物生長良好，產生大量有機質，其每畝含氮高達7.5公斤、磷2.25公斤和鉀18.75公斤。翻壓時施氮以保證有機質迅速分解，更多的肥料直接施于蔬菜作物，但更大份額的養(yǎng)分來自有機質分解。這意味著蔬菜作物只需較少施肥，受化肥損害的機會就少。另外，養(yǎng)分在整個耕層分布。四、防止土壤侵蝕一般認為，防止侵蝕是種植冬季復被作物最重要的作用之一，但其效益與年降雨分布有關。在美國南部，強降雨大多發(fā)生在夏季月份。對該問題的重要研究表明，在早春以普通方式翻壓冬季復被作物對土壤流失的影響一般不大。將黑麥殘茬放在行間地表上的覆蓋地邊處理比翻壓秸稈效果好得多。如果不擾動夏季作物的地面殘體和雜草，可能比秋播復被作物提供更多保護。土壤表面覆蓋的百分比越大，土壤流失越小。新整的土地極易侵蝕，需要經很長時間復被作物才能提供足夠保護，有效制止土壤流失。例如玉米之后種黑麥復被時，與厚實的玉米殘茬相比，黑麥一般沒有額外效應。秋天處理玉米秸的方法對土壤流失影響甚大。將秸稈切碎比玉米收后秸稈留在地里可使土壤流失減少1/2（圖14-5）。切碎的玉米秸提供一墊層防止土壤受雨滴沖擊。從土壤保持觀點看，圓盤耙切碎的玉米秸并不理想。因此，土地不秋翻時，切碎玉米秸稈為表面覆蓋提供良好的可能性。(圖：圖14-5每小時60毫米的模擬降雨下玉米秸桿殘茬對入滲和土壤流失的影響)對于多年生作物，如陡坡地上種植的桃和蘋果，連續(xù)復被有助于減輕侵蝕。由于樹木與復被作物共占土地，所以必須小心，尤其是年輕果園，防止競爭水和氮。一些適于種菜的腐泥土上，以一定間隔種一條小粒谷物或一行樹有助于減少風蝕損失。休閑地翻下肥料使氮和磷損失最少（表14-12）。這是在坡度6%的粉壤上，利用1小時內降63.5毫米的模擬雨量，間隔14天后得到結果。所以，若無覆蓋，該坡度上肥料不翻下去，養(yǎng)分損失機會則很大。(表：表14-12粉壤土上127毫米人工降雨條件下混入方式對徑流水中養(yǎng)分流失的影響*)混入方式不同前茬流失養(yǎng)分(克/畝)休閑早熟禾草地可溶性磷可溶性銨態(tài)+硝態(tài)氮可溶性磷可溶性銨態(tài)+硝態(tài)氮無肥對照3.08910.1531翻入土中4.27770.1552圓盤耙切入土中21.0821440.8361表面施用47.0319585.33222注釋：*休閑土壤用11.25公斤N/畝硝酸銨N和3.75公斤P/畝過磷酸鈣處理。前茬為草地的地區(qū)用15公斤N/畝和3.75公斤P/畝以懸浮液形式處理。資料來源：Nelson.Fert.Solut.,17:10(May-June1973).五、殘效綠肥作物分解很迅速，但還是能清楚地看出其殘效。通常認為年平均溫度高時的砂質壤土上殘效最小。但美國南部以燕麥為指示作物獲得的資料結果卻出人意外。在Norfolk砂壤土上巢菜種植一年后，其殘效生產119.5公斤/畝燕麥。Norfolk壤砂土上巢菜種植二年后其殘效為76.5公斤/畝。Norfolk砂壤土上高施氮玉米殘效顯著。一般認為，殘效來自分解的秸稈以及土壤中的殘留氮。這種土壤上高施氮量的殘效比巢菜的殘效低得多。六、放牧在小粒谷物或其他作物的生長量和土壤狀況允許時可在晚秋和冬天放牧。無論是殘留的還是施入的，必須有充足的肥力，同時也需要額外施氮。放牧提供了從復被作物獲利的確鑿證據(jù)。第九節(jié)牲畜糞肥牲畜糞肥是畜牧業(yè)的副產品。任何成功的企業(yè)都應充分利用副產品，牲畜糞肥也不例外。有效處理牲畜糞肥正受到越來越多的重視，其理由如下：(a)公法92-500授權美國環(huán)境保護局（U.S.EnvironmentalProtectionAgency）使所有水體重新凈化。所有牲畜糞肥必須限制在牧場或育肥欄中。糞肥淋出液不得污染地下水。(b)許多牲畜以圈養(yǎng)和育肥，其廢物處理是有效經營的一部分。為廢棄物尋找市場要花些力氣。一、收集和處置原先的辦法是收集糞肥或糞肥+墊草，并將其撒進地里。以后則開發(fā)出液體糞尿系統(tǒng)。牲畜糞肥用水洗入坑、氧化槽或糞尿池中。處理和貯存糞肥的方法影響植物養(yǎng)分如氮、磷和鉀的最終含量。不同系統(tǒng)中氮損失列于表14-13。除露天場和糞尿池液體糞尿系統(tǒng)外，磷和鉀在所有情況下只損失5%~15%。露天場上磷、鉀損失約50%。糞尿池中大量磷沉淀出來，從施入土地的液體中損失掉。(表：表14-13處理和貯存方法對牲畜糞肥中氮損失的影響)處理和貯存方法氮損失*(%)固體系統(tǒng)每天刮凈拖走25糞包35露天場55深坑(用于禽糞)20液體系統(tǒng)厭氧坑25氧化槽60糞尿池80注釋：*根據(jù)施入土地的糞肥成分與新排糞肥中的成分對比，對各系統(tǒng)的稀釋效應做了校正。資料來源：Sutton等.PurdueUniv.1D-101(1975).大田施用糞肥的三種主要方法是：(a)氣候、土壤和作物允許時撒施固體物質；(b)將加水糞漿注入土壤或噴撒于地面；(c)將糞漿注入噴灌系統(tǒng)。氮損失受施用方法的影響（表14-14）。若將糞肥立即混入土壤會減少氮揮發(fā)。液體豬糞注入20厘米深，并加入硝化抑制劑使氮保持銨態(tài)而其有效性大為改善。在大規(guī)模飼養(yǎng)經營中，牲畜圈在欄內，糞肥被干燥裝袋，專用于草坪和花卉，是十分有價值的副產品。(表：表14-14糞肥施用方法對氮揮發(fā)損失的影響)施用方法糞肥類型氮損失*（%）撒施，不耕作固體21液體27撒施，耕作**固體5液體5開溝施液體5灌溉液體30注釋：*施用4天后損失的氮占糞肥中全氮百分數(shù)。**施后立即耕作.資料來源：Sutton等.PurdueUniv.1D-101(1975).二、糞肥的成分牲畜糞肥組成因牲畜種類和年齡、消費的飼料、所用墊草和糞尿管理系統(tǒng)而異。用最普通的貯存方法處理不同等級牲畜糞肥，其中的干物質、氮、磷、鉀水平見于表14-15、表14-16、表14-17。正如所料，固體糞尿系統(tǒng)中干物質最多。糞肥以液體處理時氮最多，磷和鉀一般也較多。(表：表14-15不同類型牲畜糞肥的近似干物質和肥料養(yǎng)分組成及價值(固體處理系統(tǒng)))牲畜類型糞尿處理系統(tǒng)干物質(%)養(yǎng)分(公斤/噸粗糞尿)價值***有效N*全N**P2O5K2O(美元/噸)豬無墊草182.74.54.13.65.1墊草182.33.63.23.24.14肉牛無墊草151.853.24.54.26墊草503.69.58.211.810.44奶牛無墊草181.84.11.84.53.36墊草212.34.11.84.53.6家禽無草4511.81521.815.424.72有草7516.325.420.415.426.22深坑(堆肥)762030.82920.435.16注釋：*主要為銨態(tài)氮，生育期中對植物有效。**銨態(tài)氮加有機氮，釋放緩慢。***每公斤價值為有效N53美分，P2O566美分，K2O26美分，C.D.Spies1983年計算。資料來源：Sutton等.PurdueUniv.1D-101(1975).三、完全肥力系統(tǒng)中的糞肥許多畜牧場中糞肥仍是肥力計劃的主要內容。除非畜牧場種植超常大量的豆科植物、消費極大量商業(yè)飼料，而利用各處來的肥力外，家畜生產本身趨于逐漸耗竭土壤肥力。有人曾做過許多糞肥對作物生產的效果與施等氮、磷、鉀量商業(yè)肥料效果的比較。英國洛桑的細砂壤上連作小麥使用100多年商業(yè)肥料一直與糞肥效果一樣。但通常是糞肥更好。美國科羅拉多州施糞肥4.45噸/畝比每年施16.5、27、34.5公斤/畝氮肥的玉米平均增產83.6公斤/畝。(表：表14-16不同類型牲畜糞肥的近似干物質和肥料養(yǎng)分組成及價值(液體處理系統(tǒng))*)牲畜類型糞尿處理系統(tǒng)干物質(%)養(yǎng)分(公斤/噸粗糞尿)價值***有效N*全N**P2O5K2O(美元/千加侖)豬液體池49.116.312.28.615.18氧化槽2.55.410.912.28.613.26糞尿池11.41.80.90.21.8肉牛液體池1110.918.112.215.417.94氧化槽37.312.78.213.212.72糞尿池10.91.84.12.33.78奶牛液體池85.410.98.213.211.76糞尿池11.11.81.82.32.4家禽液體池132936.316.343.537.68注釋：*主要為銨態(tài)氮，生育期中對植物有效。**銨態(tài)氮加有機氮，釋放緩慢。***千加侖=約4噸。每公斤價值為有效N53美分，P2O566美分，K2O26美分，C.D.Spies1983年計算。資料來源：Sutton等.PurdueUniv.1D-101(1975).(表：表14-17每年每牲畜單位養(yǎng)分價值(克/公斤活體質量))處理方法豬肉牛奶牛肉雞NP2O5K2ONP2O5K2ONP2O5K2ONP2O5K2O糞包撒施841071246377997750112215200149撒施耕翻1021071247777999150112263200149露天場撒施586180444564513059---撒施耕翻706180534564613059---糞坑撒施951111196982958754107---刀溝施12411111994829511454107---灌溉921111196582958454107---糞尿池灌溉242589181871231480---注釋：資料來源：Sutton等.PurdueUniv.1D-101(1975).糞肥對增加土壤有效水含量有良好作用（表14-18）。此項研究中另一有趣的發(fā)現(xiàn)是糞肥有能力緩和由反復施用N-P-K化肥造成的土壤酸化。四、放牧牲畜糞肥的分布牲畜糞肥不太被人注意的問題之一是放牧牲畜糞肥的分布。這是牧場維持施肥的一個問題。在美國北卡羅納州進行的幾年的研究確定了糞肥分布的情況。每英畝（約合6畝）放養(yǎng)一個肉牛牲畜單位，觀察給定面積上糞肥分布與時間的關系發(fā)現(xiàn)，對于像氮這樣的元素，保持有效濃度不超過一年，大約10%的放牧面積被其有效覆蓋。另一方面，像磷那樣的元素不會大量淋洗和移動，10年后仍能從所施一定量糞肥中見到一些效應。資料表明，幾乎牧場全部面積10年中都有積存的糞肥。鉀在土壤中的保持期介于氮磷之間，糞肥留下的鉀至少5年還有一定程度的肥效。在此期間，其覆蓋面積約占60%。(表：表14-18實驗室測量表土無肥和廄肥處理的田間持水量、萎蔫點和有效水(1966-1971年平均))土壤無糞肥廄肥田間持水量(%)萎蔫點(%)有效水(%)田間持水量(%)萎蔫點(%)有效水(%)Bery細砂壤19.44.814.622.65.816.7Hazelmere壤土21.67.414.124.38.815.6Nampa粘壤23.89.214.627.510.017.5注釋：資料來源：Hoyt和Rice.Can.J.SoilSci.,57:425(1977).美國印第安納州的研究揭示，低載畜量時牲畜排泄物對土壤肥力基本無效。高產草場上載畜量高，一段時間內排泄物對土壤肥力會有良好的作用。牧場上精料飼喂對土壤肥力影響很大，每增加0.75噸/畝谷物飼料，可增加53個犢-日的放牧量。五、糞肥的益處糞肥的良好作用雖未明確，但可能包括以下一個或幾個方面：(a)增加銨態(tài)氮供應；(b)由于復合等原因，磷和微量養(yǎng)分提高了移動性和有效性；(c)增加持水力；(d)改善土壤結構同時相應增加入滲速率并減低土壤容重；(e)植冠中的CO2水平提高，特別是因植株密度大而空氣流通受限制時；(f)增加緩沖能力以防pH值急劇變化；(g)絡合Al3+從而減少其毒性。第十節(jié)污水因人口壓力、法律更嚴格和能源成本增加，污水處理廠中經加工的污水處理日益受到更多的關注。美國約有18000個城市污水處理廠。所處理的污水中約75%來自生活污水，其余25%為工業(yè)污水。所有污水處理過程的最終產物是污水污泥和污水排出液。前者是一般描述污水處理過程中所產生固體的術語。污水排出液基本是清水，植物養(yǎng)分含量極低，含微量有機質?？梢越浡葰馓幚砗笈湃牒恿骱秃?。圖14-6描繪了廢水處理的主要階段和步驟。(圖：圖14-6廢水處理的幾個階段)污水污泥由幾種方式處置，包括：①以認可的方式歸還農田再循環(huán)；②焚燒，有機質和氮損失掉，燃料消耗掉；③埋入垃圾填埋場，在那里產生甲烷許多年。一、處理污水廠設計從廢水原污泥或未處理的污泥中去除固體和有機物質。然后，污泥在厭氧和好氧環(huán)境中通過消化處理被分解。從原污泥中分解的液體流出物可噴在石床或礫石床上，或用機械通氣。進一步的處理可能包括氯氣處理或用活性碳吸附。二、污泥組成污泥是非均質物質，其成分每個城市都不同，甚至在同一城市中每天都不同。制訂土地施用污泥計劃前，必須在一段時期中獲得有代表性的污泥樣品，測定其典型化學分析組成。表14-19總結了美國伊利諾斯大學對具有代表性的新鮮的、處理的及好氧消化的污泥的分析報告。(表：表14-19污泥的典型分析)組分干物質含量(%)有機碳50氮銨態(tài)氮2有機氮3全氮5P2O56.8K2O0.5Ca3Mg1S0.9Fe4Zn0.5Cu0.1Mn0.05B0.01Cd0.015Pb0.1Ni0.04注釋：資料來源：“UtilizationofsewageSludgeonagriculturalland,”Univ.IllinoisSoilManag.Conserv.Ser.SM-29(1975).三、農地施用污泥農地利用污泥既有好處，同時也有問題。施用污泥要考慮以下幾個方面。(一)益處污泥可作為氮、磷、鉀以及硼、銅、鐵、錳和鋅等微量元素的來源，也是有機質的來源。污泥的這種處置方法是比焚燒或填埋更節(jié)省成本的可行替代方法。(二)問題必須合理施用，并利用土壤管理技術以保護環(huán)境和人畜健康。因為可能施入過量的氮會造成硝態(tài)氮運移到地表水和地下水中，所以必須仔細監(jiān)測。須小心預防鎘對作物的污染。鎘雖對人體健康無直接問題，但美國環(huán)境保護局還是確定了有關施用鎘的最高限量。污泥也有傳播疾病的可能性，因為有細菌、寄生蟲和病毒存在。通過好氧和厭氧消化、風干、堆漚和石灰穩(wěn)定處理污泥，都有助于降低病原體含量。作物被穩(wěn)定有機化合物如多氯聯(lián)苯（PCB）污染可能是個問題。通過混合可能使污染減到最小，PCB含量高于10ppm的污泥都應強迫進行這種處理。其他難點包括令人討厭的氣味和因銅、鉛、鎳、鋅等重金屬離子的拮抗作用影響作物生長。異味可由注施入土解決。(三)施用量利用土壤化驗和施肥推薦結合污泥的特點可確定其法定施用量。污泥年施用量以滿足作物需氮量的最低用量或以不超過鎘允許限度的最高用量為宜。1.氮從表14-19中看出，污泥中含無機氮和有機氮。因表面施用污泥可能的揮發(fā)損失高達總銨量的20%~50%，而且有機組分中只能部分釋放大約20%~30%的氮，所以很難確定準確施氮量。如果污泥混入土壤，幾乎沒有銨損失。第一年20%有機氮礦化，隨后幾年每年約釋放3%的殘留氮。單施污泥于土壤，其所增加的氮和磷在一些地區(qū)可高達：(a)全氮60公斤/畝（900公斤/公頃）；(b)銨態(tài)氮30公斤/畝（450公斤/公頃）；(c)P2O577公斤/畝（1150公斤/公頃）。在施用污泥的土地上，施污泥后至少兩年內無需再施氮、磷肥。但不應忽視可能要調整其他養(yǎng)分的平衡，如鉀、硫的不平衡。2.鎘當鎘是主要關心的問題時，污泥應只用于pH6.5以上的土壤。對煙草、葉菜類和根莖作物，施鎘量應少于33克/畝。其他作物的最高允許量，在1987年1月1日以后規(guī)定從135克/畝降為不得超過33克/畝。污泥施用地點的年限由金屬的累積加入量決定。鎘和其他重金屬在土壤中累積的指標由各大學、USDA和環(huán)境保護局制定，總結于表14-20。以陽離子交換量作土壤控制因素不一定意味著所有這些金屬都保持在交換性復合體上，而是說明陽離子交換量（CEC）被選作一個較易測定的土壤性質。這一性質又與土壤成分呈正相關，這些土壤成分可使施入土壤的污泥中的金屬對植物的有效性降低到最小程度。在沒什么農業(yè)價值的土壤上含鎘量較高是可以允許的。美國普渡大學已制定一種工作表用來計算農田上的污泥施用量。該表使用以下資料。污泥組成資料：(a)全氮(N)；(b)銨態(tài)氮(NH4+-N)；(c)硝態(tài)氮(NO3--N)；(d)磷(P)；(e)鉀(K)；(f)鉛(Pb)；(g)鋅(Zn)；(h)銅(Cu)；(i)鎳(Ni)；(j)鎘(Cd)；(k)多氯聯(lián)苯（超過10ppm時，污泥必須混入土壤）。(表：表14-20對使用污泥的農業(yè)土壤建議的金屬最高量)金屬不同土壤CEC條件下金屬最高量(公斤/畝)＜5meq/100g土5-15meq/100g土＞15meq/100g土鉛3366132鋅16.53366銅8.2516.533鎳8.2516.533鎘0.330.661.32注釋：資料來源：Sommer等.PurdueUniv.AY-240(1980).土壤和作物資料：(a)有效P和K；(b)種植作物的N、P、K推薦施肥量；(c)土壤pH值和調節(jié)土壤pH值到6.5的石灰需要量；(d)土壤陽離子交換量（CEC）。加拿大艾伯塔省不同等級處置場地的幾類污泥單次施用的最大允許量列于表14-21。最大用量范圍為0.17~1.7噸/畝。(表：表14-21各等級垃圾場和污泥種類的最大污泥固體施用量和污泥含氮量(一次施用))污泥種類固體施用量*(干物)全N施用量地表撒施有效N用量**公斤/畝一級場二級場三級場一級場二級場三級場一級場二級場三級場消化16671333667604727302313糞尿穩(wěn)定池667533333534020272010未消化***3332671674033132016.76.7注釋：*表施固體含量低于5%的污泥施加最高水力負荷為6.7米3/畝/天。為獲得允許的污泥固體和氮用量可分幾次施用，每次施用之間要耕翻土壤。地下注施時無水力負荷限制。**有效N為銨態(tài)+硝態(tài)。地下注施有效N最高用量為一級場和二級場13.3公斤/畝，三級場為10公斤/畝。***未消化的污泥應儲存至少6個月，pH＞12，或揮發(fā)性固體含量少于固體總量的60%。資料來源：McCoy等.“Guidelinesfortheapplicationofmunicipalwastewatersludgetoagriculturallands,”AlbertaEnvironment(1982).(四)作物反應研究作物對污泥的反應在美國一些州（如威斯康星州）已進行了50年。過去25年中對此又重新產生了興趣。由于可能的環(huán)境影響，預計將來會做更多的工作。一些制定規(guī)章的機構限制污泥對若干作物的施用，如牧草、油料作物、小粒谷物、商業(yè)草皮和樹木。不能接受的作物可能有根莖作物、蔬菜和水果、煙草和奶牛牧草地。一般建議施污泥后3年內不要直接在污泥處理的牧草地上放牧。施于小麥比施于大麥好。建議施污泥后頭兩個生長季不種燕麥。作物對污泥的反應至少在施用第一年與商業(yè)化肥相同，且因所增加植物養(yǎng)分的殘效，后幾年會比商業(yè)化肥更佳。污泥有機質有可能與糞肥很相似的許多優(yōu)良效果，可持續(xù)很長時間。另外，所施的養(yǎng)分可能要用一年或數(shù)年時間才有效地分布在根區(qū)。四、污水排出液這種液體可以是對作物有價值的水和養(yǎng)分資源，也可以是土地和水體的污染源。過去25年研究了施污泥后土壤特性對植物生長的影響。污水處理是個大問題，要涉及大量用水。因此，用污水灌溉的土壤須為：①內部排水良好且中等質地，pH值在6.5~8.2之間；②可支持樹木、灌木或草的茂密植株。必須定期監(jiān)測地下水中的硝酸鹽。美國和歐洲對小粒谷物、玉米、大豆和馬鈴薯等多種作物進行了廢水灌溉研究。在美國和其他地方還研究了利用排出液澆樹的問題。加拿大選擇了牧草作物，因其生長季長，水的季節(jié)蒸散量高、吸肥多，又有穩(wěn)定土壤和防止土壤侵蝕的能力。因人類不直接食用牧草，所以不大可能傳播人類疾病。用污水排出液灌溉的5種牧草的產量如表14-22所示。當系統(tǒng)最佳利用廢水時，苜蓿是最適合的牧草作物。廢水不能為禾木科草高產提供足夠的氮。(表：表14-22廢水和化肥對5種牧4年干物質年產量的影響)廢水灌溉(厘米/年)化肥N-P(公斤/畝/年)牧草(公斤/畝)苜蓿?草雀麥阿爾泰野麥草高冰草平均*62.50-0579387399389353421.3d3.7-3.2629588595559511576.7c1250-0680623663639527626.7b3.7-3.2670765741782655722.7a平均*639.3a590.7b599.3b592.7b511.3c586.7注釋：*行平均值或列平均值為同一字母時Duncan多重檢驗在5%水平不顯著。資料來源：Bole和Bell.J.Environ.Qual.,7(2):222(1978).前面的討論指出，關于在作物上利用污泥或污水尚需更深入的了解，要求不斷