有机农耕——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（Soil Conservation Service）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14-1 50年(1930-1979)间明尼苏达州每十年玉米生产措施所发生的变化 )
 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14-2 1930-1979年明尼苏达州生产措施的变化引起的玉米增产量 )
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。  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损失快得多。在一些情况下，耕作增加了富含有机质而施氮不足的土壤上非豆科植物的产量。这可能部分地与通气改善对有机质分解和随后氮释放的影响有关，而且新的表面不断暴露，使土壤有更多湿润和干燥的机会。当然，所有这些都造成土壤氮的逐渐耗竭，增加了土壤有机碳的损失（表14-3）。 (表：表14-3 不同土壤上残茬覆盖和常规管理制度下耕作引起的处女草地碳的损失 )
耕作过度导致有机质和其他组分的物理损失。但在耕种或休闲期开始的最初耕作通常可改善土壤结构、孔隙度和粗糙度，增加水分渗透和土壤抗侵蚀能力。 (三)各种耕作制度提供不同的作物残茬量 粒用玉米每亩可向土壤提供0.5~1.15吨茎，0.16~0.33吨根。青贮玉米茎叶和籽粒都被取走。禾本科-豆科饲草可生产大约同等数量的残体，但大部分都在刈草中和放牧时被取走了。小粒谷物产量高时，如果禾草留在田里可返还0.5吨残茬，但取走禾草就只有0.08吨还田。花生的地上部、仁果和许多根都被移走，这是一种促使有机质更快损失的耕作制度。在养畜计划中，牲畜消费籽粒和植株部分，只有部分有机质能还田，然后粪肥施在最靠近畜舍的地里。 (四)各种耕作制度中植物残茬含氮量与土壤有机质的积累密切相关 如果翻下的残茬含氮低，大部分碳将分解为CO2逸走，直至碳氮比达到10∶1或12∶1。 施足氮肥的玉米茎叶中可能至少含氮1.0%，虽然认为含0.75%的更典型。反之，施少量氮肥的玉米秸中也许含量低于0.5%。从这点和产出更多有机物来看，施足肥比少施肥的玉米禾茎在维持有机质方面更有效。大多数含氮1.5%的作物残体无需增加氮量使之更迅速地分解转变为腐殖质。第五章已讨论过残茬分解需要足够的氮。 已有不少加入额外的氮对加速残茬分解和促进土壤有机质形成的影响的讨论。表14-4中的数据表明，给分解的麦秸增加供氮，在增大含氮百分比和提高边际碳浓度的同时，也能大大降低C/N比。 (表：表14-4 无土培养63天麦秸分解中施硝酸铵、硫酸铵对C/N比和氮及碳浓度的影响 )
(五)土壤有机质 已在许多地区不同土壤上做了大量工作来确定耕作制度对土壤有机质的影响。总的来说，处女地土壤上开始的试验即使用最好的耕作制度也难维持其土壤有机质。在试验开始前有机质已被耗尽的土壤上，草地或密植作物以及中耕次数少的作物比例大的种植制度可能造成有机质和含氮量的增加。 年均温度高的地区，如美国南部，分解可在1年大部分时间连续进行。在这种环境下难以提高有机质含量。反之，美国北部土壤有机质含量即使耗尽也较易通过某些种植制度来增加，尤其是以少耕并归还较多作物残茬为特点的耕作制度。表14-5的例子很好地说明，在减少休闲频度并增加还田有机残体的制度中，土壤有机质和全氮均增加了。 (表：表14-5 耕种37年后耕作制度和粪肥对土壤氮和有机质的影响 )
二、施用植物养分的效果 种植制度中石灰和肥料用量不仅影响收获的作物产量及其组成，也影响作物残体生产量。更大量的植物养分带来作物残体量的增加对维持有机质是重要的。另外，提高产量意味着遍布的根系在更深的土壤中分布有机质。 (一)氮 表14-6的数据表明了氮对玉米籽粒和茎秆产量的影响。施氮量较多不但提高籽粒产量，也使茎秆产量增加50%。籽粒比茎秆产量提高得更快是值得注意的。 (表：表14-6 氮对玉米籽粒和茎秆产量的影响* )
 在美国伊利诺斯州南部Cisne粉壤上12年间对施过石灰、磷和钾的玉米-大豆-小麦（豆科、禾本科）轮作施用氮、提高土壤含氮量0.014%，含碳量0.15%。 (二)磷 磷对提高春小麦籽粒和秸秆产量的效果十分显著。应记住，低磷土壤中施足磷肥可增加还田植物残体量。这些残体有助于保持甚至增加土壤有机质。 (三)其他养分 其他养分，如钾、石灰、硫或微量元素的增产反应，也会增加残茬量。图14-4表明了在增加冬小麦籽粒和秸秆产量方面硫的单独影响和氮-硫交互影响。  (四)增加有机质对土壤养分有效性的影响 简单提一下有机质对土壤中固有的养分有效性的影响。有机质分解时释放出大量CO2被认为对释放某些养分，特别是无机磷相当重要。CO2溶于水中形成碳酸，结果降低了土壤pH值。该效应在中性或碱性土壤上相当重要。在这种条件下，pH值的暂时下降会增加其他元素如硼、铜、锌、锰、铁和磷的释放速度。 一般认为，有机质分解的某些中间产物可形成络合或螯合离子。磷或某些微量养分与这些离子连结并保持在弱离子化状态。这种离子处于不被土壤固定而能被植物利用的形态。 三、表土与底土 侵蚀性土壤上营利性作物生产一直是重要的农业问题。众所周知，通常在底土上非豆科作物减产，在通透性好的土壤上这主要由于缺少有机质、继而氮释放降低所致。 美国俄亥俄州在移去表土的通透性底土和高粘粒含量的紧实底土上的研究提供了有意思的例证。用玉米、小粒谷物和苜蓿轮作。通透性底土施足石灰、磷和钾玉米产量是生长于表土上产量的95%。因苜蓿提供了氮，故施氮没有明显效应。 紧实底土上玉米和豆科作物很难保苗，非豆科作物产量一般很低。一旦苜蓿保住苗，干草产量还是令人满意的。 该研究结果表明，通透性好的底土上非豆科作物施氮或在轮作中加入苜蓿可得高产。但在一些年份湿度可能成为限制性因素，因水分进来得少且底土有效持水量较低。 问题的另一方面涉及暴露的底土中锌的有效性，有时还有磷和硫的有效性。为灌溉而平整土地裸露出底土，上面种植的玉米和豆科作物等缺锌会变得十分严重。此种土壤上的缺锌由高pH值、石灰、低有机质和土壤压实而加重。土地整平后缺硫似乎主要由于有机质含量低所致。 第四节 轮作中的豆科植物 多年来，饲用豆科作物在一些轮作中起骨干作用。现在其主要目的是提供大量优质饲料，或是干草或是放牧场。另外的好处是对伴生作物或后作提供氮素。此外，种植豆科作物，尤其是深根的如苜蓿和草木樨，对物理性状不良的土壤也有益处。 表14-7表明，5年中豆科后茬种大麦比不施氮且无豆科前茬的大麦总共多吸收氮2.25~6公斤/亩，产量提高215~251公斤/亩。这些数值还有点儿保守，因1969年“非豆科”小区夏休闲使得1970年大麦获得高产，同时吸氮量也高。从中还可以看到，豆科的有益效果在耕翻后最初几年非常明显，甚至5年后继续有残效。 (表：表14-7 豆科后茬大麦的产量和氮吸收 )
第五章开头提到过许多有关根瘤菌和其他共生微生物的固氮作用。但有关轮作中豆科有益特性的几点要在下节讨论。 一、豆科固氮 单质氮占空气体积的78%。有一类细菌叫做根瘤菌或共生菌，可通过附着在豆科根部、并生成根瘤来利用空气中的游离氮。这种互利关系称为共生现象。 细菌进入单细胞根毛而形成根瘤。然后细菌大量增生，向根毛基部生长，刺穿根皮质，结果大量细胞增生，并形成含有数百万细胞的根组织团块的根瘤。根瘤不应和某些线虫感染混淆，后者仅使植物根增粗。 根瘤细菌利用寄主植物的碳水化合物和矿物质来固定大气氮。这些氮可被寄主植物利用，也可排到瘤外的土壤被附近生长的其他植物利用，或在豆科植物死亡或翻压后通过根瘤或豆科残体分解释放出来。 二、固氮量 根瘤菌固氮量随产量水平、接种效率、从土壤中获得的氮数量（无论是有机质分解的还是残留氮）以及环境条件而变。最佳pH值、水分、通气和养分供应是必不可少的。高产豆科作物如大豆、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。 美国伊利诺斯大学的Welch（私人通信）估计，伊利诺斯州的土壤上每35公斤大豆取走1公斤土壤氮，而且大豆固定植株总氮量的45%以上。但浅色土壤上大豆可固定80%以上的氮。其他豆科植物表现得大同小异。 与禾本科混种的饲用豆科一般为两种作物供氮。但在南部，因生长季较长、轮牧以及更充分地利用牧草，故要对禾本科-豆科混播草场施用N-P-K化肥。 三、豆科作物固氮与商业氮肥 从前轮作中包括豆科作物的原因之一是供氮，但随着合成氮工业的发展可使用并不昂贵的氮肥，农业不再依赖豆科提供这一元素。农民应选择须遵循的计划已变成一门经济学，他们应选择使投资产生最大净收益的计划。 未来氮肥的成本尚不肯定。第十章讨论过天然气原料成本的增长对氮肥生产成本的影响。结果人们再次对豆科作物作为非豆科作物需氮的部分可代替来源的可能性产生极大兴趣。但很显然，若每45公斤玉米需氮1公斤，每公斤氮值2.2美元，即使氮肥投入成本达4.89美分/公斤玉米仍可获得利润。 某些地区，尤其一些热带国家，得不到商业化肥或种植者没钱买。因此，精心设计的包含豆科的种植制度对于帮助非豆科生长供氮则至关重要。但主要障碍是经常缺少合适的豆科植物种类。 当豆科作物在养畜农业体系中作饲料时问题就不同了。豆科具有双重目的，饲养牲畜和为粮食作物提供部分氮素。此系统中豆科作物必须至少提供部分饲料。另一种方法是只种禾本科饲草并重施氮肥。饲养试验表明，豆科作物优于施氮的禾本科牧草。豆科作物一般品质好，包括高蛋白、高矿物质浓度和各种有益的生物化学差异。 四、豆科作物可为玉米提供大量的氮素 一般认为，玉米生产必须施氮肥补充豆科固定的数量。生长良好的苜蓿向一般产量的玉米提供足够的氮素，但对高产玉米不够。美国俄亥俄州的试验结果表明，苜蓿后茬玉米需要增加如下氮量：每亩第一年3.75公斤，第二年7.5公斤，第三年11.25公斤，第四年15公斤。 豆科作物产生的氮量通常不是固定的。轮作中依赖豆科为作物供氮，但常常供应不足。这可能由豆科缺苗、接种不好或肥力不足造成。解释试验结果时，有时很难确定是否有足够植物养分使豆科充分生长。翻压长得好的豆科可提供氮素7.5公斤/亩。但农民常过高估计豆科草地的质量而届时只能供给一半或数量更少。另一担心的问题是翻压豆科的时间对残体分解释放有效氮的影响。早翻压将有更多分解时间并积累氮。 美国衣阿华州三个地点两年的平均结果表明，马德里甜车轴草和拉迪诺三叶草后茬的玉米产量分别为347和380公斤/亩。但只施氮3.8公斤/亩和7.1公斤/亩的玉米产量分别为376和410公斤/亩。 第五节 轮作与连作 连作即单一种植。世界各地都有其例-远东的水稻、美国半湿润地区的小麦和南部的棉花。虽然单一种植一度被认为是不良农作制度，但1950年代大大增加的氮肥供应激起在侵蚀不甚严重的土壤上连作玉米的兴趣。已有的资料表明，不同轮作的价值应在不因植物养分供应不足而限制作物产量的条件下重新考察。玉米植株没有什么会使其难于在土壤上立足的内在因素。 直到1950年仍用连作玉米小区例示这种种植制度不受欢迎。大多数小区未施充足的肥料，尤其是氮，且又与包含豆科的轮作进行比较。因此，连作玉米表现较差。自那时起，已有更合理的对比。高产条件下的结果表明，连作玉米比轮作玉米产量低15%。美国伊利诺斯大学的Morrow小区试验表明，7年平均产量，连作玉米为577公斤/亩，而玉米-大豆轮作为673公斤/亩。在一些时期缺水时，连作玉米可能优于苜蓿后茬玉米。苜蓿吸取剖面深层的水，使后作玉米可能缺水。 连作玉米并非全农场种玉米，而是玉米可能种在更适合的地块而将饲草作物种在其他地上。比如，一座农场有平地和坡地，这位农场主的玉米种植需求和土壤的耕种需要则可通过平地种玉米和坡地种草来解决。 用计算来比较轮作和连作玉米的收益。种植者能接受连作玉米在一定程度上产量较低，但经济上更赚钱。 一茬作物对下茬可能有不良影响，无论是同一种还是不同种作物。有些证据表明，根释放的物质或残茬分解形成的物质有毒。比较连作玉米与玉米-大豆轮作即为一例。苜蓿后种苜蓿通常不理想，原因不明。异株克生现象是用来描述一种植物对其他作物的拮抗作用的术语。更多有关杂草竞争的这种毒素抑制现象参见第二章。 一、病、草、虫的防治 单一种植可能导致某些病、草、虫害难于防治。在大多数情况下，引种无关的或不易受影响的作物或采用其他耕种措施将有助于控制这类问题。为控制小麦和其他谷物的根腐病，将合理种植顺序、抗病品种、无病原种子、田间消毒等措施结合起来是必要的。关于氯化物对小麦及其他谷物旱地根腐和全蚀根腐的限制作用的新资料可参考第三章。豆科植物、其他双子叶植物、甚至燕麦、大麦或玉米等谷物通常在小麦发生全蚀病时都适合作替代作物。然而在一些情况下，甚至在苜蓿、大豆和牧草后种小麦这种病仍很严重。 谷物根腐病以外的大量病害可通过轮作控制，尤其同时采取种子处理、合理栽培和田间消毒等措施。轮作减轻玉米根腐病，轮作结合田间卫生还减轻几种幼苗病的严重程度。同一块地上易感染的作物应每隔3~4年种一次。 作物倒茬是防治以一年生作物根为食的线虫的重要手段。美国南部常在轮作中用牧草作物控制根结线虫。亚利桑那州种植2年以上抗根结病苜蓿后种植棉花获得可喜产量。二年无草休闲也有效控制根结病，很少能通过作物轮作防治细菌病或病毒病。 (一)杂草 作物轮作控制杂草的作用取决于特定的杂草和所用方法对它的控制能力。如果农民想种的任何作物中全部杂草都能方便地被控制，作物轮作就不会是防治杂草计划中的重要组成部分。但在有些情况下，对有防治困难的杂草，轮作是必需的。 (二)害虫 轮作曾是害虫管理的常用措施，但随着1950年代价格便宜且效果好的有机杀虫剂的发展，轮作的应用减少了。现在人们又重新对轮作产生兴趣，因害虫对化学药品产生抗性且投入成本不断提高。对一年中只有很少几代或发育一代需一季以上的害虫轮作十分奏效。主要作物虫害严重问题最突出的例子是北方玉米长角根叶甲。在美国伊利诺斯州和衣阿华州，大豆、玉米轮作已取代了需自动使用土壤杀虫剂以持续控制这一害虫。阿肯色州以大豆代替胡枝子与水稻轮作，最初解决了葡萄肖叶甲（grape colaspis）的问题。轮作只能部分成功地控制棉铃虫。适时播种高粱为棉花防治棉铃虫，而棉铃虫很少伤害高粱。 二、土壤耕性的影响 一般认为，用今天的土壤管理措施维护大多数土壤的物理性质就不再需要作物轮作了。现今的作物生产措施为土壤提供了良好的植物覆盖并归还大量作物残体。另外，耕作减少，由此而来的压实的有害影响及破坏土壤结构也减少。重要的问题不是单一种植对比轮作，而是涉及两个因素：还田残体量和轮作中所需土壤耕作的性质。 轮作能极大改善许多中等和细质地土壤的结构和耕性。草地禾本科和轮作中豆科对土壤明显产生有益影响。先前为生草地的土壤，翻耕时易于破碎并剪切为理想的松软种床。当轮作中种植少耕作物时通常降低细质地土壤上的耕翻牵引力。内排水的改善减少了积水和土壤排掉多余水的时间。 单一种植的玉米很独特，因其在许多土壤上能合理保持令人满意的土壤物理状况。补偿因素为玉米单收籽粒时有数吨残体还田，且其很适合少耕并减少土壤上机械作业往来造成的破坏。 尚需更多有关轮作中需要深根豆科植物的土壤条件的资料，亦需知道更多关于高施肥行播作物（如玉米）连续生产数年增产的土壤条件。在这竞争的年代，只维持产量是不够的。 复种，如小粒谷物-大豆或小粒谷物-玉米，在生长季较长且有可能灌溉的地区三作甚或四作水稻，正在更大程度上予以考虑。一年四作产稻谷1.8吨/亩是可能的。这须最大限度地利用土壤、阳光和水资源。如果肥力充足、病虫防治得好并对品种进行改良，土壤生产力会逐渐提高。因此，要把更多的注意力导向测量每年单位面积的产量。 三、两种耕作制度的优点 (一)轮作 (a)深根豆科植物可在所有地块上循环性种植； (b)具有连续的植被覆盖减轻侵蚀和水分流失； (c)土壤耕性极佳； (d)作物根系营养范围和养分需要不同，如深根与浅根、吸肥强与吸肥弱的、固氮的与非豆科的根系； (e)有利防草防虫，尽管化学药剂正变得更有效； (f)有利防病，改变作物残体助长土壤生物间竞争，有助于减少病原体； (g)拓宽劳力分配且使收入多样化。 (二)连作或单一种植 (a)利润可能增加； (b)土壤可能特别适合一种作物，如玉米、水稻或牧草； (c)气候可能对一种作物合适，如美国玉米带中玉米比燕麦更适应，小麦在大平原地区更好； (d)机械和建筑费用可能较低； (e)种植者可能更偏爱某一种作物并成为专家，很少有人对种植多种作物又饲养牲畜样样在行，单一种植更需要技能，包括防治害虫，控制侵蚀和施肥； (f)种植者可能不想把时间一年到头花在农作上。 第六节 耕作制度的其他肥力效应 一、对地表养分浓度的影响 各种作物植株中主要、次要和微量养分含量变化甚大。另外，作物会从不同土壤区域吸收养分，因此选择种植顺序对作物营养很重要。深根作物从底土吸收某些养分，当其残体在表土中分解，浅根作物会从残留养分中受益。 在土壤中某种特定微量养分接近其边缘含量时，前茬作物很可能极大影响这种元素对后作的供应。 例如Collington壤土上连作的黑麦含钼1.1ppm，而黑麦和巢菜轮作则含钼11.1ppm（表14-8）。这表明随着黑麦和巢菜残体在表土中分解，比单种黑麦有更多的钼变得更有效。可能这是一种种植制度或轮作最重要的有益效应，对那些未含在肥料中的元素尤其如此。 热带及亚热带地区的森林是作物将养分运输到地表的极好例子。枯枝、落叶和茎分解后留下养分形成轮垦的基础，居民清理树木并焚烧，然后种2~5年。此后表土中养分几乎耗尽，再令土地生长树木恢复元气。 二、对土壤磷和钾的影响 耕作措施对磷和钾水平的净效应取决于作物收获部分取走的养分、土壤提供的养分和补充施肥。我们已在第十三章讨论过作物养分含量的变化以及轮作施肥所引起的变化。这可以烤烟为例来加以说明（表14-9）。 (表：表14-8 某些作物植株微量养分组成 )
(表：表14-9 施肥和作物(烟草)养分消耗对土壤养分水平的影响 )
定期土壤化验能看出肥力水平的变化，而了解取走和添加的养分能帮助解释变化趋势。可惜的是只有不到10%的田地可能被化验。但前面章节中指出的，土壤化验总结在揭示耕作制度对土壤肥力状况的影响时也有效。在研究和推广项目中，利用这些总结在制定全面解决与肥力需要及维持有关的耕作制度问题时会有帮助。 第七节 轮作对土壤和水分流失的影响 单位面积土壤流失（A）［吨/亩/年］是降雨（R）、坡长（L）、坡度（S）、土壤侵蚀性（K）、耕作及管理（C）和保持措施（P）各因子的乘积，用方程表示为： A = R.L.S.K.C.P 这里要讨论的主要是耕作及管理，土壤肥力是其重要组成部分。作物产量越高，径流越少；水分进入土壤的比例越大、径流越小。 侵蚀是结果，而不是土壤破坏的主要原因。主要原因是缺肥（尤其是氮）和植物群体不足。 与土壤流失有关的耕作制度或肥力管理的若干特点如下： (a)覆盖和植物冠层的浓密度。这可防止雨滴冲击和蒸发。蒸腾水分（这样就为更多的水腾出空间）的数量为又一影响因素。残茬和茎秆降低水流速度和蒸发量。残茬翻入土中使土壤更渗水。研究揭示了雨滴像炸弹爆炸一样冲击土壤时的巨大动能，这有助于更好地理解植物覆盖对拦截这种力量的极端重要性。 (b)土壤上栽培作物的生长时间对密植作物，如小粒谷物或饲草作物生长时间的比例。 (c)与降雨分布和强度有关的作物生长时间。5~9月间最脆弱。 (d)根系类型和数量。 (e)还田残茬量。(d)、(e)两条影响土壤结构。 USDA的研究人员Wischmeir和Smith确定了作物产量水平对土壤流失的影响。他们研制了一系列曲线表示覆盖和植物冠层对遭受雨滴冲击的土壤流失的减缓效果。 美国密苏里州的研究表明，对小粒谷物施肥可减轻侵蚀（表14-10）。 (表：表14-10 对小粒谷物施肥可减轻侵蚀 )
美国俄亥俄州东部山地小流域在玉米-小麦-牧草-牧草轮作中，实行改进的措施包括约施3倍的化肥和粪肥量、土壤pH值从5.4提高到6.8，其效应见于表14-11，约增产50%，径流和侵蚀大大降低。管理措施未造成土壤特性间的强烈差异。对径流和侵蚀的效果，部分是因通过春季覆盖迅速更好地保护土表、整个生长季中浓密覆盖和所种作物根系分布更为广泛。采用等高种植而不是垂直坡度的直垄竖行。 (表：表14-11 管理水平对作物产量、径流和侵蚀的影响(1945-1968) )
冬季复被作物秋种春压，可为非豆科、豆科或二者结合。最后一种组合方式有若干优点，可产生大量的有机质，非豆科植物从固氮受益，因非豆科一般更易成活，至少能保证一种作物成苗。 一、增加氮 利用绿肥豆科作物的重要原因之一是能提供充足的氮。供氮量取决于根和翻压的地上部分的数量。因此植物生长量愈大愈理想。 种植非豆科作物时，只有来自土壤的氮和所施肥料氮还田。虽然某些特殊情况下（如烟草种植前）需要非豆科作物，但更常见是选种豆科作物，以其提供的氮对这种措施更有保证。 在美国新泽西州研究了不同氮水平的巢菜和黑麦复被作物对青贮玉米生产的影响。施氮量为13.5公斤N/亩的黑麦茬青贮玉米得到4.2吨/亩的最高产量。未施肥的巢菜茬青贮玉米产量略低，为4吨/亩，却获得了单位面积最高的净收入和每吨最低的生产成本。 二、增加有机质 冬季种植复被作物的好外之一是为土壤提供有机质。有机质当然是影响极细砂壤和细质地土壤耕性的因素。绿肥有助于维持，有时甚至提高土壤有机质。在美国北卡罗来纳州含有机质低的土壤上，结合种植巢菜为复被作物和对玉米施高氮增加了有机质，在有机质含量较高的土壤上维持了有机质水平，改善了水分入渗。 对于作物残体还田量较少的轮作，维持土壤生产力特别困难。延长轮作期使之包括充足施肥的小粒谷物、玉米和绿肥作物会有好处。研究发现，这在蔬菜种植地区是必要的。一些地区青贮玉米和高粱面积正不断扩大。这使土壤表面几乎不遗留残茬。收获后立即播种燕麦和黑麦或收前飞播将有助于保护土壤。 三、供应养分 绿肥中的磷甚至比磷肥更有效，这可能是因其在分解中逐渐释放、局限于施肥的位置、存在有机酸保持其有效性和形成某些复合离子。 美国新泽西州的Seabrook农业公司实施了一项有意思的绿肥计划。这家企业种植大量蔬菜，发现有必要从复被作物获取大量有机质以取得蔬菜最高产量。大多数蔬菜只有少量植物残体还田。因此，小粒谷物如大麦或小粒谷物加绛三叶草被有效利用。复被作物及时播种，每亩可翻压0.5~0.8吨干物质。由于前茬蔬菜作物残留极高的肥分，复被作物生长良好，产生大量有机质，其每亩含氮高达7.5公斤、磷2.25公斤和钾18.75公斤。 翻压时施氮以保证有机质迅速分解，更多的肥料直接施于蔬菜作物，但更大份额的养分来自有机质分解。这意味着蔬菜作物只需较少施肥，受化肥损害的机会就少。另外，养分在整个耕层分布。 四、防止土壤侵蚀 一般认为，防止侵蚀是种植冬季复被作物最重要的作用之一，但其效益与年降雨分布有关。在美国南部，强降雨大多发生在夏季月份。 对该问题的重要研究表明，在早春以普通方式翻压冬季复被作物对土壤流失的影响一般不大。将黑麦残茬放在行间地表上的覆盖地边处理比翻压秸秆效果好得多。 如果不扰动夏季作物的地面残体和杂草，可能比秋播复被作物提供更多保护。土壤表面覆盖的百分比越大，土壤流失越小。新整的土地极易侵蚀，需要经很长时间复被作物才能提供足够保护，有效制止土壤流失。例如玉米之后种黑麦复被时，与厚实的玉米残茬相比，黑麦一般没有额外效应。 秋天处理玉米秸的方法对土壤流失影响甚大。将秸秆切碎比玉米收后秸秆留在地里可使土壤流失减少1/2（图14-5）。切碎的玉米秸提供一垫层防止土壤受雨滴冲击。从土壤保持观点看，圆盘耙切碎的玉米秸并不理想。因此，土地不秋翻时，切碎玉米秸秆为表面覆盖提供良好的可能性。  对于多年生作物，如陡坡地上种植的桃和苹果，连续复被有助于减轻侵蚀。由于树木与复被作物共占土地，所以必须小心，尤其是年轻果园，防止竞争水和氮。一些适于种菜的腐泥土上，以一定间隔种一条小粒谷物或一行树有助于减少风蚀损失。 休闲地翻下肥料使氮和磷损失最少（表14-12）。这是在坡度6%的粉壤上，利用1小时内降63.5毫米的模拟雨量，间隔14天后得到结果。所以，若无覆盖，该坡度上肥料不翻下去，养分损失机会则很大。 (表：表14-12 粉壤土上127毫米人工降雨条件下混入方式对径流水中养分流失的影响* )
绿肥作物分解很迅速，但还是能清楚地看出其残效。通常认为年平均温度高时的砂质壤土上残效最小。但美国南部以燕麦为指示作物获得的资料结果却出人意外。在Norfolk砂壤土上巢菜种植一年后，其残效生产119.5公斤/亩燕麦。Norfolk壤砂土上巢菜种植二年后其残效为76.5公斤/亩。 Norfolk砂壤土上高施氮玉米残效显著。一般认为，残效来自分解的秸秆以及土壤中的残留氮。这种土壤上高施氮量的残效比巢菜的残效低得多。 六、放牧 在小粒谷物或其他作物的生长量和土壤状况允许时可在晚秋和冬天放牧。无论是残留的还是施入的，必须有充足的肥力，同时也需要额外施氮。放牧提供了从复被作物获利的确凿证据。 第九节 牲畜粪肥 牲畜粪肥是畜牧业的副产品。任何成功的企业都应充分利用副产品，牲畜粪肥也不例外。有效处理牲畜粪肥正受到越来越多的重视，其理由如下： (a)公法92-500授权美国环境保护局（U. S. Environmental Protection Agency）使所有水体重新净化。所有牲畜粪肥必须限制在牧场或育肥栏中。粪肥淋出液不得污染地下水。 (b)许多牲畜以圈养和育肥，其废物处理是有效经营的一部分。为废弃物寻找市场要花些力气。 一、收集和处置 原先的办法是收集粪肥或粪肥+垫草，并将其撒进地里。以后则开发出液体粪尿系统。牲畜粪肥用水洗入坑、氧化槽或粪尿池中。 处理和贮存粪肥的方法影响植物养分如氮、磷和钾的最终含量。不同系统中氮损失列于表14-13。除露天场和粪尿池液体粪尿系统外，磷和钾在所有情况下只损失5%~15%。露天场上磷、钾损失约50%。粪尿池中大量磷沉淀出来，从施入土地的液体中损失掉。 (表：表14-13 处理和贮存方法对牲畜粪肥中氮损失的影响 )
(a)气候、土壤和作物允许时撒施固体物质； (b)将加水粪浆注入土壤或喷撒于地面； (c)将粪浆注入喷灌系统。 氮损失受施用方法的影响（表14-14）。若将粪肥立即混入土壤会减少氮挥发。液体猪粪注入20厘米深，并加入硝化抑制剂使氮保持铵态而其有效性大为改善。在大规模饲养经营中，牲畜圈在栏内，粪肥被干燥装袋，专用于草坪和花卉，是十分有价值的副产品。 (表：表14-14 粪肥施用方法对氮挥发损失的影响 )
牲畜粪肥组成因牲畜种类和年龄、消费的饲料、所用垫草和粪尿管理系统而异。用最普通的贮存方法处理不同等级牲畜粪肥，其中的干物质、氮、磷、钾水平见于表14-15、表14-16、表14-17。正如所料，固体粪尿系统中干物质最多。粪肥以液体处理时氮最多，磷和钾一般也较多。 (表：表14-15 不同类型牲畜粪肥的近似干物质和肥料养分组成及价值(固体处理系统) )
许多畜牧场中粪肥仍是肥力计划的主要内容。除非畜牧场种植超常大量的豆科植物、消费极大量商业饲料，而利用各处来的肥力外，家畜生产本身趋于逐渐耗竭土壤肥力。 有人曾做过许多粪肥对作物生产的效果与施等氮、磷、钾量商业肥料效果的比较。英国洛桑的细砂壤上连作小麦使用100多年商业肥料一直与粪肥效果一样。但通常是粪肥更好。美国科罗拉多州施粪肥4.45吨/亩比每年施16.5、27、34.5公斤/亩氮肥的玉米平均增产83.6公斤/亩。 (表：表14-16 不同类型牲畜粪肥的近似干物质和肥料养分组成及价值(液体处理系统)* )
(表：表14-17 每年每牲畜单位养分价值(克/公斤活体质量) )
四、放牧牲畜粪肥的分布 牲畜粪肥不太被人注意的问题之一是放牧牲畜粪肥的分布。这是牧场维持施肥的一个问题。在美国北卡罗纳州进行的几年的研究确定了粪肥分布的情况。每英亩（约合6亩）放养一个肉牛牲畜单位，观察给定面积上粪肥分布与时间的关系发现，对于像氮这样的元素，保持有效浓度不超过一年，大约10%的放牧面积被其有效覆盖。另一方面，像磷那样的元素不会大量淋洗和移动，10年后仍能从所施一定量粪肥中见到一些效应。资料表明，几乎牧场全部面积10年中都有积存的粪肥。钾在土壤中的保持期介于氮磷之间，粪肥留下的钾至少5年还有一定程度的肥效。在此期间，其覆盖面积约占60%。 (表：表14-18 实验室测量表土无肥和厩肥处理的田间持水量、萎蔫点和有效水(1966-1971年平均) )
五、粪肥的益处 粪肥的良好作用虽未明确，但可能包括以下一个或几个方面： (a)增加铵态氮供应； (b)由于复合等原因，磷和微量养分提高了移动性和有效性； (c)增加持水力； (d)改善土壤结构同时相应增加入渗速率并减低土壤容重； (e)植冠中的CO2水平提高，特别是因植株密度大而空气流通受限制时； (f)增加缓冲能力以防pH值急剧变化； (g)络合Al3+从而减少其毒性。 第十节 污水 因人口压力、法律更严格和能源成本增加，污水处理厂中经加工的污水处理日益受到更多的关注。美国约有18000个城市污水处理厂。所处理的污水中约75%来自生活污水，其余25%为工业污水。 所有污水处理过程的最终产物是污水污泥和污水排出液。前者是一般描述污水处理过程中所产生固体的术语。污水排出液基本是清水，植物养分含量极低，含微量有机质。可以经氯气处理后排入河流和湖泊。图14-6描绘了废水处理的主要阶段和步骤。  污水污泥由几种方式处置，包括：①以认可的方式归还农田再循环；②焚烧，有机质和氮损失掉，燃料消耗掉；③埋入垃圾填埋场，在那里产生甲烷许多年。 一、处理 污水厂设计从废水原污泥或未处理的污泥中去除固体和有机物质。然后，污泥在厌氧和好氧环境中通过消化处理被分解。从原污泥中分解的液体流出物可喷在石床或砾石床上，或用机械通气。进一步的处理可能包括氯气处理或用活性碳吸附。 二、污泥组成 污泥是非均质物质，其成分每个城市都不同，甚至在同一城市中每天都不同。制订土地施用污泥计划前，必须在一段时期中获得有代表性的污泥样品，测定其典型化学分析组成。 表14-19总结了美国伊利诺斯大学对具有代表性的新鲜的、处理的及好氧消化的污泥的分析报告。 (表：表14-19 污泥的典型分析 )
农地利用污泥既有好处，同时也有问题。施用污泥要考虑以下几个方面。 (一)益处 污泥可作为氮、磷、钾以及硼、铜、铁、锰和锌等微量元素的来源，也是有机质的来源。污泥的这种处置方法是比焚烧或填埋更节省成本的可行替代方法。 (二)问题 必须合理施用，并利用土壤管理技术以保护环境和人畜健康。因为可能施入过量的氮会造成硝态氮运移到地表水和地下水中，所以必须仔细监测。 须小心预防镉对作物的污染。镉虽对人体健康无直接问题，但美国环境保护局还是确定了有关施用镉的最高限量。 污泥也有传播疾病的可能性，因为有细菌、寄生虫和病毒存在。通过好氧和厌氧消化、风干、堆沤和石灰稳定处理污泥，都有助于降低病原体含量。 作物被稳定有机化合物如多氯联苯（PCB）污染可能是个问题。通过混合可能使污染减到最小，PCB含量高于10ppm的污泥都应强迫进行这种处理。 其他难点包括令人讨厌的气味和因铜、铅、镍、锌等重金属离子的拮抗作用影响作物生长。异味可由注施入土解决。 (三)施用量 利用土壤化验和施肥推荐结合污泥的特点可确定其法定施用量。污泥年施用量以满足作物需氮量的最低用量或以不超过镉允许限度的最高用量为宜。 1.氮 从表14-19中看出，污泥中含无机氮和有机氮。因表面施用污泥可能的挥发损失高达总铵量的20%~50%，而且有机组分中只能部分释放大约20%~30%的氮，所以很难确定准确施氮量。如果污泥混入土壤，几乎没有铵损失。第一年20%有机氮矿化，随后几年每年约释放3%的残留氮。 单施污泥于土壤，其所增加的氮和磷在一些地区可高达： (a)全氮60公斤/亩（900公斤/公顷）； (b)铵态氮30公斤/亩（450公斤/公顷）； (c) P2O577公斤/亩（1150公斤/公顷）。 在施用污泥的土地上，施污泥后至少两年内无需再施氮、磷肥。但不应忽视可能要调整其他养分的平衡，如钾、硫的不平衡。 2.镉 当镉是主要关心的问题时，污泥应只用于pH 6.5以上的土壤。对烟草、叶菜类和根茎作物，施镉量应少于33克/亩。其他作物的最高允许量，在1987年1月1日以后规定从135克/亩降为不得超过33克/亩。 污泥施用地点的年限由金属的累积加入量决定。镉和其他重金属在土壤中累积的指标由各大学、USDA和环境保护局制定，总结于表14-20。以阳离子交换量作土壤控制因素不一定意味着所有这些金属都保持在交换性复合体上，而是说明阳离子交换量（CEC）被选作一个较易测定的土壤性质。这一性质又与土壤成分呈正相关，这些土壤成分可使施入土壤的污泥中的金属对植物的有效性降低到最小程度。在没什么农业价值的土壤上含镉量较高是可以允许的。 美国普渡大学已制定一种工作表用来计算农田上的污泥施用量。该表使用以下资料。 污泥组成资料： (a)全氮(N)； (b)铵态氮(NH4+-N)； (c)硝态氮(NO3--N)； (d)磷(P)； (e)钾(K)； (f)铅(Pb)； (g)锌(Zn)； (h)铜(Cu)； (i)镍(Ni)； (j)镉(Cd)； (k) 多氯联苯（超过10ppm时，污泥必须混入土壤）。 (表：表14-20 对使用污泥的农业土壤建议的金属最高量 )
(a)有效P和K； (b)种植作物的N、P、K推荐施肥量； (c)土壤pH值和调节土壤pH值到6.5的石灰需要量； (d)土壤阳离子交换量（CEC）。 加拿大艾伯塔省不同等级处置场地的几类污泥单次施用的最大允许量列于表14-21。最大用量范围为0.17~1.7吨/亩。 (表：表14-21 各等级垃圾场和污泥种类的最大污泥固体施用量和污泥含氮量(一次施用) )
研究作物对污泥的反应在美国一些州（如威斯康星州）已进行了50年。过去25年中对此又重新产生了兴趣。由于可能的环境影响，预计将来会做更多的工作。 一些制定规章的机构限制污泥对若干作物的施用，如牧草、油料作物、小粒谷物、商业草皮和树木。不能接受的作物可能有根茎作物、蔬菜和水果、烟草和奶牛牧草地。一般建议施污泥后3年内不要直接在污泥处理的牧草地上放牧。施于小麦比施于大麦好。建议施污泥后头两个生长季不种燕麦。 作物对污泥的反应至少在施用第一年与商业化肥相同，且因所增加植物养分的残效，后几年会比商业化肥更佳。污泥有机质有可能与粪肥很相似的许多优良效果，可持续很长时间。另外，所施的养分可能要用一年或数年时间才有效地分布在根区。 四、污水排出液 这种液体可以是对作物有价值的水和养分资源，也可以是土地和水体的污染源。过去25年研究了施污泥后土壤特性对植物生长的影响。 污水处理是个大问题，要涉及大量用水。因此，用污水灌溉的土壤须为：①内部排水良好且中等质地，pH值在6.5~8.2之间；②可支持树木、灌木或草的茂密植株。必须定期监测地下水中的硝酸盐。 美国和欧洲对小粒谷物、玉米、大豆和马铃薯等多种作物进行了废水灌溉研究。在美国和其他地方还研究了利用排出液浇树的问题。 加拿大选择了牧草作物，因其生长季长，水的季节蒸散量高、吸肥多，又有稳定土壤和防止土壤侵蚀的能力。因人类不直接食用牧草，所以不大可能传播人类疾病。 用污水排出液灌溉的5种牧草的产量如表14-22所示。当系统最佳利用废水时，苜蓿是最适合的牧草作物。废水不能为禾木科草高产提供足够的氮。 (表：表14-22 废水和化肥对5 种牧4年干物质年产量的影响 )
第十一节 耕作 传统上，北美许多地区用有壁式铧犁为一年生作物翻耕整地，或秋耕或春耕，视土壤和气候而定。所有作物残茬基本都翻下去。随后还有二次耕翻作业，如圆盘耙耙地和大田翻耕。 这些年人们又对发展防止水土流失保护土壤的耕作措施增加了兴趣。地面残茬量和表面粗糙度对防止水土流失都有作用。作物残茬管理得到发展，更多收获后的残茬、叶和根留在地表或近地表处。自从1930年就在美国大平原地区研究了残茬覆盖，尤其是针对小麦和其他小粒谷物，目前正在被广泛应用。 一、保护性耕作 这一术语用于描述任何与无垄或无覆盖耕作相比减少水土流失的耕作制度。 (一)优点 (a)提高作物产量，平地、细质地、排水不良的土壤除外； (b)减少土壤水蚀和风蚀； (c)改善入渗，提高水分利用效率； (d)因作物能种在坡度更大的地面上，所以可增加作物安全行播的土地面积； (e)改善播种和收获期； (f)降低机械和燃料成本。 (二)缺点 (a)更多的灾害，如虫、病、草和啮齿动物； (b)春季土壤温度低，造成发芽慢和成苗问题，而垄作有帮助； (c)需要更强的管理能力。 (三)保护性耕作的类型 1. 深松土 凿式工具可耕到20~40厘米深，凿尖距为30~40厘米。地表留下大量残体且表面粗糙。 2. 残茬覆盖 使用两类耕作设备：一类如圆盘耙、凿形松土犁和中耕机，这可使作物残茬混入土壤；另一类如除草铲或平铲和杆式中耕机，这类切入地表以下而不翻动土壤。追求最高水分利用效率和减少风蚀是残茬覆盖的主要目标。 3. 免耕 由装在播种机前带有圆盘开沟器的凹槽犁刀在先前未耕翻的地上整出一条5厘米宽的播种区。在玉米和大豆残体或小粒谷物残茬上用这种方法播种很成功。有很大比例的残茬留在地表。免耕在排水良好的土壤上十分成功。 窄锄式开沟器或狭角双圆盘开沟器也用于少耕或免耕播种。免耕条播机可以在开沟器下有高达400psi（约28.1公斤/厘米2）的压力，而传统条播机压力只有70~75psi（约4.9~5.3公斤/厘米2）的压力。 现在美国和加拿大一些地方，尤其是两国西部干旱地区，用气流播种机免耕播种。用空气分配种子到开沟器是1950年代末和1960年代初德国研制的。这一思路1970年代在澳大利亚进一步发展用在旱地大农场上播种谷物。到1970年代末，气流播种机占澳大利亚播种机市场的65%。 典型的气流播种装置示意图见图14-7。气流播种机操作很简单。种子从籽粒箱中经计量进入气流中，由气流带入主歧管。从这个主歧管籽粒被平均分配到各更小的支歧管，然后到每个中耕机除草铲或凿型松土犁后面的塑料排种管。气流播种机的主要优点之一是其仅有三个活动部件。  大多数气流播种机都能以两种方式施肥。播种时它能用来同种子一起施肥，一只箱中计量化肥，另一只箱中计量种子，并通过同一条排种管排施。另外，装上凿头或铲刀和备用条施肥开沟器，也能条施化肥。装配一些其他装置后在播种作业时可条施流体肥料。 (四)耕播 这是一次性耕作-播种作业。播种装置在前一年耕种时或收获后的垄上作业。播种机铲除老秸秆、根簇和土块到行间区。这也许在细质地、排水差的土壤上最有用。年复一年垄被保持在原位，因而车轮道也在相同位置。 二、耕作效果 耕作效果因土壤、作物和气候条件而有很大不同。这些效果将在以下各节讨论。 (一)地表残茬 不同耕作制度间的差异如表14-23所示。免耕在地表留下比例更大的残茬。 (表：表14-23 播种后立即覆盖残茬(玉米连作) )
有些种类的耕作增加土壤流失（图14-8），但免耕显著降低土壤流失。  (三)土壤温度 由于地表未翻压作物残茬的隔热作用，保护性耕作比常规耕作使土温在生育早期偏低。5月和6月份，免耕根区上部15厘米土温比常规耕作低4~5℃。Black和Siddoway在美国蒙大拿州发现耕翻的7.6厘米和12.5厘米深处（耕地深度15.2厘米）测量的日平均土温分别比免耕的高2℃和3℃。这一温度差别大约维持50天。 作物残茬和土壤有机质的分解，继而氮、磷和硫等植物养分的释放受低温限制。因此，必需养分的循环可能被延迟。土温低会阻碍根系发育和活动。 作物残茬在热带和亚热带地区对土温的冷却效应被认为是有利的。 (四)水分关系 耕作方法影响水分损失。增加地表残茬及加大地表粗糙度可减少径流和土壤侵蚀。 减少耕作或增多地表残茬时水分入渗多。免耕后土壤有效水增加（图14-9）。如果常规耕作造成严重压实的话，少耕可以在湿润的春季加快水分从地面下移。但免耕播种后的土壤容重通常比常规耕法的土壤容重高。  如果土壤条件许可，深松土到约38厘米会逐渐创造一具有吸收水分更多、土壤持水量更大的深根区。这样在生长关键阶段可能多提供25~50毫米水。 三、保护耕作的施肥 用壁式铧犁耕翻时养分撒在地表翻下与土壤混合。保护性耕作很少翻耕甚或不翻耕，因此，撒施养分会留在地表或接近地表。在有些情况下，保护性耕作不太成功可能与根区的肥力低有关。 (一)磷和钾 第十三章谈到保护性耕作和用有壁犁耕翻相比，磷和钾更趋向于集中在土表数厘米处。美国明尼苏达州的一项研究表明，壁式铧犁耕翻处理的玉米抽丝期穗叶含钾量为2.2%，免耕处理的为1.9%。在保护性耕作开始之前可培养中等的或较高的土壤磷、钾的水平。这在前面已做过讨论。这种要求在某些经济条件下或在某些地域是不可行的。 使用凿式犁比耕播或免耕有更多的磷和钾翻下土中。免耕时如果地域和土壤允许，每隔4~5年定期翻耕一次可能更理想。其原因有两个： (a)全耕层分配肥力保证避免因位置不同而产生的养分无效，尤其在旱年时表层根系活动减弱。 (b)养分含量高的径流和表土侵蚀对环境有害，在经济上是一种损失。如前所述，通常以播种时条施较为有利。 美国华盛顿州东部冬小麦生产获得的结果表明了实行保护性耕作肥料需求如何变化。在这一特定地区，氮和硫一般只定期在常规耕种制度上施用。该研究所得结论为： (a)只有所有4种养分都施用才能获得最高产量； (b)在保护性耕作中施用硫肥的利益似乎比在常规耕作中的更大； (c)在免耕中施磷肥尤为重要； (d)即使通常认为该地区土壤供钾充足，但增施钾仍有益。 (二)氮 美国肯塔基州和马里兰州等几个地区的研究表明，免耕比常规耕作（如壁式铧犁耕翻）需要表面施用更多的氮。免耕需要施更多氮可能有几个原因： (a)氨可挥发； (b)化肥氮被免耕表土累积的有机质层中的微生物固定； (c)耕翻时更多的氮从土壤有机质中矿化； (d)一些地区免耕的生产潜力更高； (e)土壤的水分运动越多，硝酸盐损失越大。 在土表下施氮肥比表施可大大提高玉米产量。 (三)石灰 免耕时土壤表面可能很快变酸，因大部分氮都施在土表。0~5厘米的土层取土样一般比更深的下层土酸性强。因此，密切注视表面5厘米的土壤pH值很重要。某些除草剂，如三嗪，在地表低pH值时失去活性，可能破坏防治杂草。第十一章曾详细讨论过这些问题。 四、对免耕有利的因素 两项新产品对促进免耕耕种制度可行性有很大作用，它们是： (a)更有效的除草剂； (b)地表有大量残茬时仍能有效工作的播种机。 五、采用免耕的时机 免耕这项措施的应用肯定会不断增多，预计到本世纪末，美国50%以上的耕地将以免耕制度种植。免耕有吸引力的特点是： (a)在坡地上进行行播作物生产更切实可行。更少损失养分、土壤和水； (b)提高水分利用效率； (c)免耕玉米生产能很方便地作为大豆后茬； (d)复种行播作物如大豆、高粱或玉米紧随小麦收后种植在许多地方均有可能； (e)在逐渐衰退的牧场上播种豆科或非豆科植物可以同样的原理完成。肥料可施于种子下面或撒施。用除草剂来杀死或抑制现有的禾本科草或杂草，并且这种方法可用于那些非此不能耕种的坡地，就像用在平地上一样； (f)减少能量、时间和机械成本。 第十二节 遥感 遥感这一术语用来描述收集和分析地球表面特征资料。基础信息由安装在飞机或空间飞行器内外的照像机和其他成像系统得到。虽然遥感远远超出获取和分析航拍的范围，但航拍领域仍是基本要素。 航空摄影技术的范围受摄像胶片感光乳剂的光谱灵敏度、图像滤光器光谱分辨率以及与通过无人空间飞行器所获照片有关的逻辑问题的限制。这些限制已通过发展各种安装在地球轨道卫星上的非摄像成像系统所克服。通过卫星成像系统为科学家们提供了用常规航空摄影术不能得到的地球图像。这种卫星系统反复覆盖大片地区，空间分辨率可对0.5公顷地面积进行研究。 通过卫星成像，可监测天然和人为的大地覆盖物的变化，若用常规方法需要成千上万幅航拍片。卫星成像的判读是一门较新的科学，可能还要一些时候才能依靠从研究卫星成像来估计作物情况。但目前卫星成像已用来说明天气系统的位置和规模。图14-10是加拿大草原省份和美国北部部分地区的卫星成像，显示遭受晚夏霜冻的影响区域。  航空摄影和田间调查对详细研究较小的地区仍有必要。近年来，航空摄影作为研究工具成功地用于研究家畜和野生动物的密度、森林蓄存量、洋流运动、大面积土地利用情况、土壤物理和化学性质、植物病害、虫害、作物长势、冬季寒冷对多年生作物如苜蓿和秋季播种的小粒谷物的伤害等。 红外航空作物摄影技术越来越被公认为是监测作物生产系统的可靠手段。近红外胶片用来在海拔约2400米高度拍摄垂直照片。这种照片通常覆盖2.6平方公里土地的面积。 健壮的绿色植物反射大量红外光线，而处于干旱、缺乏营养、病、草和喷洒化学药剂损害等状态下的作物不反射红外光线。这种差异能清楚地记录在红外胶片上。其他能被这种技术检测到的作物生产问题包括排水不良、群体成活差、化肥和除草剂施用不匀。大量这类问题可在图14-11中识别，这是一张红外航片的黑白复制品。 注：深黑部分在红外照片中对应于深红色，代表健康植物生长。复制品的灰色部分相当于原片上的粉红色，表示生长差的植物。图中白色部分在红外照片上对应绿色，代表从作物禾苗间裸露的土壤或植物生长稀疏。 ①由撒施颗粒肥料不匀引起；②得不到液体肥料；③田地中心部分未施氮肥；④亚麻地排水问题；⑤田地外边缘未施磷肥。 [John Deere. The Furrow, p. 27 (January, 1978)] 第十三节 产量潜力 在个体种植者的农田上测定土壤产量潜势是十分重要的。不同土壤的作物潜势不同。可能在一种土壤上种玉米产量为1250 公斤/亩，在另一种土壤上产量为630公斤/亩。在一种土壤上种大豆产量为450公斤/亩，而另一种土壤上产量仅为225公斤/亩；一种土壤上小麦产量为720公斤/亩，另一种土壤上产量仅为360公斤/亩；苜蓿在一种土壤上产量为2吨/亩，另一种土壤上产量为1吨/亩。 为高产的努力成功与否主要决定于管理计划的细节执行得好坏，侥幸心理要不得。试看高产地区的一些建议。每块地的具体建议都不同，取决于作物、目标产量、以往的管理、产量史、农民是否接受变革和其他因素。这些因素包括： (1)产量目标：制订高而现实的目标。 (2)土壤：应为农场最有生产力、排水良好的土壤。 (3)耕作：如果土壤类型合适，考虑深松土，耕播或免耕。 (4)杂交种或品种：使用为该地区培育的有高产潜势的两个或多个品种。 (5)行距：考虑窄行及行内株距均匀。 (6)播种日期：早播，具体日期取决于作物和地区。 (7)防虫：务求完全彻底。采用防重于治的计划。 (8)时间：至少实践5年。 (9)轮作：要实施在轮作中各种作物互利的轮作。 (10)肥力：保持土壤pH值在6.2~7.0之间。西部土壤上可稍高些，南部及东南部土壤稍低些。提高土壤磷和钾的水平并加以维持是值得的。按产量指标施氮，不要克扣。如有任何增产机会，切记要施用中量和微量养分。如有粪肥应施用粪肥。 (11)土壤测定：每年取样化验尽可能多的参数。 (12)植株分析：生育期中取几次样品，密切观察所有必需营养。 (13)测量：一定要仔细测量产量和品质，如籽粒蛋白质等等。 (14)计算：了解经营的成本效率。计算每单位产量的生产成本。 (15)评价：确定适于全农场采用的高产管理措施。 只有农民才能断定何种管理措施对其最经济。化肥经销商肯定可以帮助农民获得高产。经销商鼓励顾客在其自己的农场上试验用于测试最高产量研究的技术的经济可行性。 一种办法是与少数种植能手一起干，帮他们建立高产区。这既可与个别顾客一起干，也可组织一个高产俱乐部，在那里农民可公开交流经验。 美国中西部有个高产俱乐部就是如何运作的好例子。围绕一位关心顾客的经销商和一位农业顾问组织了十人农民小组。这种俱乐部的运作如下： (a)地块：玉米-大豆轮作每块10英亩（约60亩），共20英亩（共120亩）。 (b)农民：他（她）提供所有物资、劳力、调查情况；监测作物并准确记录；与俱乐部中其他农民公开分享计划和结果。 (c)经销商：他（她）提供技术、协调和提供情报；生育期搞几次诊断会诊；收获后召集小组成员交流结果和计划意见。 成功的俱乐部取决于每个成员具有强烈的责任心、分享成果、公开经验，并以之去推动出色的管理。这不是竞赛，不是农民之间的竞争，而是共同学习经验。它强调长年逐渐改善管理和提高产量。 小结 (1)过去10年中出现的显著增产，是改进管理包括更充足施肥的结果。在此之前产量增长缓慢。 (2)作物和土壤管理计划的目的应是实现从耕种措施中保持最高利润。必须考虑耕性、吸取水分和侵蚀等因素和植物养分供应及治虫的效果。 (3)耕作制度主要通过产生的残茬量来影响土壤有机质数量。随着施用植物营养提高产量，得到更大量残茬。 (4)有机质作为养分库，可提高交换量，为微生物提供能量，释放CO2，改善耕性、增加持水量、提高地表保护。除最后一项外，所有这些作用都取决于有机质分解。所以，积累在土壤中的有机质本身并非最终物质。重要的是生产大量有机质及其随后的分解。 (5)土壤侵蚀的问题之一与供肥少，特别是供氮量少有关。在透水良好的底土上，充足的施肥和考虑土壤含水量的谨慎适用耕作措施与其他良好的管理措施配合对获得令人满意的产量大有帮助。 (6)轮作中豆科的主要作用，除粒用豆科外，主要提供大量优质饲草。另外的效益是为一些土壤提供氮素。随着商业氮肥工业的发展，在大多数情况下，仅仅为增加土壤氮而种豆科植物是不经济的。 (7)一般认为，豆科第一年后茬玉米必须补充施氮才能获得高利润。 (8)豆科牧草或豆科-非豆科混播牧草可减少氮肥需要量，饲喂的牲畜表现极佳。 (9)豆科固氮量取决于土壤氮或残留化肥氮的供应量。当土壤供氮多时，豆科可能只固定其所需氮的50%以下。 (10)土壤、阳光和水资源允许的地方一年可种2~4季。复种在美国很平常。一些热带地区，三作或四作也可能。 (11)世界许多地方都实行单一种植，即连作一种作物。连作玉米可能比轮作玉米产量稍低，但考虑生产成本和轮作中其他作物价值时，连作可能在经济上更有利。 (12)轮作中的饲草作物（包括豆科作物）可改善耕性和吸水，而连续种植行播作物有利压实并破坏土壤结构。尚需长期高产效应的资料。 (13)深根作物可以把养分带到地面。耕作措施对肥力水平的影响决定于被收获部分取走的、土壤提供的和补充施肥的数量。 (14)侵蚀的主要原因是养分贫乏。耕作制度对土壤流失的影响可被覆盖密度大大改变，这要由更充足的施肥和更密的播种来增加密度。 (15)冬季复被作物提供残茬，若是豆科作物，还能供氮。这在冬天土地上很少留有残体的耕作制度中最有用。不确定的一点是生长量。早播迟翻有助于增加其生长量。 (16)厩肥是畜牧业的一种有价值的副产品。因挥发和淋洗损失，一般能实现其价值的不到1/3~1/2。只在农场上单用粪肥会使土壤肥力逐渐耗竭，但对设计良好的石灰、施肥和土壤管理计划它却是有价值的补充。 (17)来自城市处理工厂中的人粪尿和污泥已受到更多的关注。污泥能提供大量必需元素。但重金属可能产生有毒影响，尚待解决。 (18)保护耕作是一种原理而不是一种实践。更多的残茬留于地表。这基于减少机械在农田上行驶，造成良好的土壤耕性、降低生产成本，如果再注意其他限制因素的话，一般会增产，并能提高肥料的有效利用。 (19)当最大利润产量的耕作制度与保护耕作同时实施时，可创造出更深的根层，以吸取更多的水和提高持水力。生长关键阶段可多提供25~50毫米水。 (20)直接在草地或作物残茬上的免耕播种要用更多的除草剂，但节省了能量、水，并保护了土壤。在轻质土壤和由于侵蚀损失不适合其他耕作的坡地上实行免耕播种尤为重要。 (21)以农场规模建立最高产量体系，在更广泛的条件下来检验这种体系并帮助农民确定他们在特殊条件下进行何种工作。 讨论题 1.为什么用若干年的产量趋势来衡量土壤生产力可能会令人产生误解?如果停止植物育种研究，产量趋势有可能出现什么情况? 2.为什么大学和政府研究小区的最高产量的持续提高有助于省区产量的提高? 3.作物和土壤管理项目的目标是什么? 4.解释为什么施氮量与氮的作物移走量相等时有助于减少有机质的损失。 5.在什么土壤条件下每年进行玉米-小粒谷物（或紫花苜蓿）轮作可能更优于玉米施商品氮肥及其他养分?在什么条件下玉米施商品氮肥的种植制度更有利? 6.豆科植物能固定的总氮量受哪些因素影响? 7.你所在地区什么土壤可以提高有机质?什么土壤条件下施用有机质而不是施用养分会有益? 8.生长在被侵蚀土壤上的玉米对哪一种养分最有可能产生显著的产量反应?为什么? 9.表土流失是个严重的问题。其严重程度因土壤不同而有很大差异。你所在地区哪些土壤上这种流失可能最为严重? 10.植物残体的分解为什么很重要?在未分解状态下它们的作用是什么? 11.列出轮作和单作的优点。 12.你所在地区什么种植制度耗竭土壤磷和钾?请解释。在什么种植制度下这些养分会增加? 13.除了作物移走，氮、磷、钾还会通过什么方式损失?除了施肥，还可以用什么方式增加对它们的供应? 14.你的所在地区有没有农民过分依靠一种豆科植物来提供种植制度中所需氮的例子?请加以解释。 15.请解释水土流失的一个主要后果是植物养分的耗竭这一说法。 16.在什么种植制度下可能适合种植冬季复被作物?为什么? 17.如果有机肥是施用植物养分的惟一肥源，农场的肥力水平为什么会逐渐下降?解释一个牧场的肥力分布问题。 18.可以采取哪些措施来防止有机肥中的植物养分损失? 19.在你的所在地区有哪些最常用的有机肥存储和施用体系?它们有效吗? 20.什么是污水污泥?污水污泥处理是否存在问题?请解释。 21.什么是污水?在它的处理上是否存在问题?请解释。 22.来自污水处理厂的污泥中哪些主要养分的含量一般较低?你的地区使用污泥吗?如果用，用在什么地方? 23.你所在地区使用污水吗?如果用，用在什么地方?它有哪些益处? 24.什么是保护性耕作?它有哪些优点? 25.免耕适合于你所在的地区吗?如果适合，在什么地方?为什么? 26.免耕后有时更难以种植吗?请解释。 27.免耕种植下能用气流播种机播种吗?气流播种机有其他用途吗? 参考文献 1. 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