耕作学-第三-章-种植制度本科(2012.10).ppt

第六章种植制度 一种植制度二作物布局P41三种植方式 一 复种 二 间套作 三 轮 连作97 121 一种植制度 一 种植制度的含义 种植制度示意图 有两块地 作物种植在时间 不同年度间 上是轮作 连作 广义看复种与休闲都是在时间上对土地的利用不同 若从时间上 年度内 缩短就成为间 套作 若再进一步缩短就成为了混作 同时播种 所以间 套 混也可以认为是轮作的变型 种植方式 采用轮作 连作 休闲 复种 间 套作及混作等 在空间上是涉及到在不同地块上种什么作物类型 品种和种植多少面积 所以种植业是通过作物栽培在空间和时间上永续利用土地而进行的作物生产 从广义的角度分析 在时间上就是种植方式 从空间上土地利用就是作物布局 这二者的结合就是种植制度 很显然种植制度是农业生产上全局性问题 二作物布局P41 83 一 作物布局1作物布局的含义作物布局是指一个地区或生产单位栽培作物的种类 面积和在地域上 农田上 的分布 它是一个涉及到在空间不同地域的作物生产问题 大到国家 省 地 市 的作物布局 即地区布局或地理布局 我国几种主要优势农产品区域布局规划就是这种类型 它体现了不同类型的作物或品种类型对当地生态条件和社会经济条件的良好适应性 体现了区域优势特色 一个小的生产单位 作物布局常能体现出较好的效益 二 作物布局的原则 P44 4点 1作物生态适应性是基础 2社会需要是导向 但也要考虑经济效益与风险性 综合协调 3社会经济和科学技术条件 三种植方式 一 复种 sequentialcropping P83 1171指在同一田地上一个年度内种植两季或两季以上作物的种植方式 是一种在时间上集约利用土地的种植方式 例 一年一熟制 大豆 大豆 大豆 年间换茬种植 一年二熟制 小麦 中稻 小麦 中稻 年内换茬复种 一年三熟制 小麦 早稻 晚稻 小麦 早稻 晚稻2复种指数 衡量复种程度高低的指标 例 某农户有稻田10亩 2005年度采用下列形式种植 其中4亩 小麦 中稻 3亩 油菜 早稻 晚稻 3亩 冬闲 中稻 该农户本年度复种指数 解 复种指数 4 2 3 3 3 1 10 100 200 复种有两种方法 A接 平 换 茬复种 B套作复种 A小麦 中稻 小麦 中稻小麦 夏 玉米 小麦 夏 玉米B小麦 春 玉米 小麦 春 玉米 3复种的意义 1 是人多地少的国家 地区提高土地生产力的重要措施 我国农业现代化水平低于美国 耕地少于美国 我国以19 5亿亩耕地生产的粮食超过美国28 2亿亩生产的粮食 其原因在于美国复种少 耕地粮食亩产200kg 而我国为342 5kg 高71 1983年资料 日本是水稻高产国 农业现代化水平高于我国 1988年水稻平均亩产397 而浙江省1989年平均耕地亩产796 1kg 这得益于耕地复种指数达到249 2 中国是世界上复种面积最大的国家 1990年全国平均复种指数为155 1 南方多在200 以上 最高的浙江省达254 韩国130 9 1980 日本气候适宜复种 60年代曾达140 现压缩到102 主要是粮食进口政策所致 谷物自给率仅46 小麦自给率4 仅大米有剩余 日本进口粮食应占用的耕地相当与日本耕地的两倍之多 足立 1987年 印度120 左右 菲律宾136 1987 泰国129 1987 埃及是灌溉农业 高达188 2 有利于缓和粮 经 饲 果 茶等作物的争地矛盾 促进全面增产 3 有利于稳产 4复种的条件 1 热量条件 A年平均气温法 见下图B积温法 积温比年平均气温更有效 如 北纬45 哈尔滨年平均气温3 5 比北纬51 的伦敦要低6 多 但 10 积温哈要多500 所以伦敦只能种植麦类 马铃薯和甜菜等耐寒喜凉作物 黑龙江还可以种植喜温的水稻 利用不同地区的积温条件 10 和不同作物播种 成熟所需积温进行对比 见下图 C生长期法 一般以无霜期 日 或 10 日数表示生长期长短 见下图 积温法利用最广泛 但要注意积温条件与最热月和最冷月平均气温的结合 如 昆明与济南 10 积温基本相同 但7月平均气温分别是20 25 左右 所以济南能种植棉花而昆明不能 华北地区 10 积温能满足某些柑橘类植物的热量要求 4000 4300 但冬季平均绝对最低温度在 10 下 柑橘不能越冬而不能栽培 复种方式积温计算 P98 Cti ft st 或Rt 其中 Cti 某作物播种至成熟 10 积温 ft 农耗时间 st 苗床积温 Rt 套作积温 作物历 作物与积温 热量与复种 看出 热带 亚热带地区进行复种的热量条件好 可一年三熟 暖温带仅一年两熟 东北一年一熟 例一 小麦 夏玉米 北京常年 10 活动积温4000 冬小麦 0 活动积温2200 小麦 早熟夏玉米 小麦夏收后复种早熟玉米品种 需农耗时间 10 活动积温100 玉米品种至成熟需 10 活动积温2200 共需 10 活动积温是 2200 500 100 2200 早熟 4000 这里500是 10 的活动积温 换算成 10 的活动积温 南方可减去700 800 积温是恰恰满足 但若考虑玉米收后再播种冬小麦的100 的农耗时间 积温就不足 即一熟有余 两熟不足 若小麦 中熟夏玉米 套作 节约400 活动积温 2200 500 400 2600 中熟 3900积温 玉米收后再加上播种冬小麦的100 的农耗时间 积温刚好满足 并且可以种植生育期较长增产潜力高的中熟品种类型 例二 水田 麦 稻二熟制优点 1 气候利用稳妥 风险性小 麦稻两熟集中分布区 10 积温在4500 5200 年平均温度15 16 稻麦两熟积温4500 5000 是比较充实的 冬半年少雨 夏半年多雨 日照充足 与小麦一水稻生长发育配合较理想 水稻后期受秋风危害的可能性较少 比较稳产 2 单季稻增产潜力大 一年两熟 水稻生长季较充实 可选用生育期较长的品种 如太湖地区的一季粳稻亩产一般在500 600kg 西南地区 江苏已形成水稻亩产水平500kg 小麦250 300kg 全年亩产750 800kg的机械化配套的稻麦两熟耕作制度 3 省工省本 便于用养结合 据调查 用工与成本比双季稻三熟制低1 3左右 农耗期比三熟制长 有利于提高土壤耕作等农活质量 在热量条件较充实的地区有2个月左右空闲季节 可填闲种植短生育期绿肥 有利于提高地力 麦 稻二熟制积温计算某地积温5000 10 冬小麦 0 积温需2200 即需 10 积温为2200 600 1600 晚熟中稻品种需 10 积温3500 育秧40 50天 节约积温700 10 所以麦 稻二熟制需积温是1600 3500 700 4400 10 积温利用率 1600 3500 5000 102 如果不育秧节约积温700 麦 稻二熟1600 3500 农耗时间 5100 积温5000 不够 例三 2 水分条件 降水量与灌溉 满足热量条件后 还有看水分条件 水分条件不但看总量 还看全年的分布 如果过于集中 往往出现季节性干旱 影响复种 在湿润的南方地区常见 干旱地区没有灌溉便没有农业 也谈不上复种 半干旱地区降水不足 常常利用土地休闲为下季作物蓄水 提高复种后水分的消耗增加 下图 有灌溉就能提高复种 同时放弃低产的粟 高粱等 种植高产的小麦 玉米等 3 社会经济技术条件 需投入更多的劳力 畜力 机械和肥料等农用物资 否则会出现 三三见九 不如二五得十 现象 适宜的品种 迟播早熟 苗期长势旺 适于间套作 和促早发早熟的技术 5复种技术 1 作物组合技术A利用休闲季节增种一季作物B短生长期的填闲利用C再生栽培 如发展再生稻 2 品种合理搭配技术 A适宜的品种 迟播早熟 苗期长势旺 适于间套作 B短生育期作物替代长生育期作物 3 复种时几种节约积温的种植技术 p109 采用短生育期的早熟品种和促进早熟的技术 乙稀利 地膜覆盖技术 减少前后季间农耗时间 如机械化 少免耕等 套种 改直播为前作收获前的育苗移栽 减少本田期 作物晚播技术 培育耐晚播的品种 增加播种密度等 5复种增产的原因怎样提高单位面积产量 或者说提高光能利用率 无非是以下条途径 一是提高光合速率 二是增加光合作用面积 三是延长光合作用时间 四是综合 干物质生产能力 g 叶面积系数 净同化率 g d 光合持续时间 d 多少世纪来 科学家们设想通过改变作物的遗传特性以提高单位叶面积的光合效率 但是近年来 许多研究得出 同一作物在一般正常的外界环境与栽培管理条件下 光合效率差剐不大 或者虽有差别但反映在产量上效果并不明显 例如 美国有人通过对22个从古到今的玉米种测定后发现 经过几个世纪的改良 光合速率并没有什么增加 小麦 水稻 甘薯 菜豆 棉花 大麦 苜蓿等也是如此 有的栽培种还不如野生种 伊文斯 澳 综合大量试验结果后得出 没有确切的证据可以说明作物单位面积产量的增加是由于光合速率的提高 这样 在遗传工程还没有取得新的突破之前 增加光合面积与光合时间就成为提高光能利用率的两个主要方面 一般在低水肥条件下 主要矛盾是叶面积系数较小 增加的主攻方向应该是以增加叶面提高单产为主 在水肥差 叶面积少的情况下 过分强调复种 就会出现 三三见九 不如二五得十 的现象 而随着水肥条件改善与密度和叶面积的增加 再增加的叶面积与增产的相关性越来越小 过多的叶子反而减少了光照叶面积 净光合率下降 以至造成减产 在这种情况下 再强调提高单产就很困难 因此在生长季节允许的地方 如热带 亚热带和暖温带的地区 变一熟为二熟或三熟以延长光合时间就成为增产的主攻方向 即时间集约型 根据1973 1978年16个玉米试验处理的结果分析 作为反映叶面积与生长日数综合指数的叶一日积 即平均叶面积系数与生长日数的乘积LAD 与玉米产量的相关系数高达0 895 其中在低叶面积系数时 生长日数与产量的相关系数只为O 19 而在较高叶面积系数时则达0 42 这说明 随着产量与叶面积的增长 延长光合时间增加复种指数的增产作用就越来越大 可见在低水肥低产量水平下 即社会经济技术条件差 提高单产是增产的主要途径 而在水肥高 产量高水平下 即社会经济技术条件好 争取复种就成为增产的重要途径 根据建国以来的经验教训 增加复种必须因地制宜 而且要以生产条件的改善为前提 否则将劳而无功 一般 作物单产产量如玉米低于300公斤 亩 不适于采用复种 以改善生产条件 增加叶面积 提高单产为主 玉米高于400公斤 亩 在热量 水分和社会经济条件许可下 可采用复种 延长光合时间 进一步年度总产 一熟制和二熟制光合势 d 的比较 哥斯达黎加热带农业研究中心 在社会经济技术条件好 生长期足够长的地区也应注意一熟制和多熟制的关系 6复种的主要形式 1 一年一熟制 二年三熟制 在积温少或北方旱地 春玉米 春玉米 大豆 一年一熟制春玉米 冬小麦 夏大豆 二年三熟制 春玉 冬小麦 夏甘薯 二年三熟制 冬小麦 夏大豆 绿豆 糜谷 冬小麦 夏休闲 二年三熟制冬小麦 冬小麦 夏玉米 二年三熟制春甘薯 冬小麦 夏花生 夏芝麻 夏大豆 二年三熟制 二年三熟制作物历 2 一年二熟制旱地 一年二熟 我国二熟制稻田主要复种方式 3 一年三熟制稻田三熟制 旱地一年三熟制小麦 玉米 红薯 我国复种的特点 套作复种和接 平 换 茬复种 耐寒作物 小麦为主 与喜温作物的搭配 二 间 intercropping 套作 relaycropping P117 1155 1概念净作 清作 单作 一个完整的生育期内 只种植一种作物 间作 在同一田地上于同一生长期内 分行或分带相间种植两种或两种以上的作物的种植方式 表示 混作 没有明显行的排列 同期混合种植两种或两种以上作物的种植方式 可以认为是间作的一种初级形式 表示 套作 在前作物的生育后期 在其行间或带间播种或移栽后一种作物的种植方式 它是一种积温节约的技术 表示 净作是单一群体 只有种内的竞争关系 后三种为复合群体 有种内 种间的两层竞争关系 小麦与喜温作物套作的春季炕土 小麦与蔬菜 玉米的间作 p118 间套作的异同A共处期长短不同 间作共处期长 大于整个生育期的1 2 甚至整个生育期 B基本效益不同 间 混作主要是利用空间差 地上和 或 地下 禾谷类 豆类 空间集约型 套作除利用空间差外 主要是利用提早播种的时间差 使主作增产 P150小麦 玉米 干薯 或主作平产但附带收获了副作 P149小麦 棉花 复种指数提高使全年增产 小部分时间空间集约型 大多数时间是时间集约型 C计算复种指数不同 间 混作不计入复种面积 套作计入复种面积 D相同的是 一年内收获了几种作物 间作是同一季节的作物 而套作是不同季节的作物 间 混 套作主要作用 A通过不同生态位 植株形态 生理习性不同 的作物或品种搭配种植 在种植业边缘区域和投入水平低的地区将自然风险 干旱 不良温度 病虫危害等 洚低到最小 保证全年的稳产性 早在现代单一栽培体系出现之前就已进入此混合栽培生产 是一种最古老的种植形式 B在投入水平高的传统农区这种多样化种植 以充实和扩展农田生态位 提高资源 自然资源外 丰富的劳动力资源 的利用率 从而提高全年的总产和经济效益 C增加地表覆盖减少水土流失 3合理间套作的衡量p119 1 土地当量比LER landequivalentratio LER yi yi 式中yi代表单位面积内间 套 混作中的i个产量 yii代表该作物在同样单位面积上的单作产量 LER 1代表间套混作有利 幅度越大越有利 同理LER亦用于间套混作经济效益 密度等衡量 或用总相对产量RYT relativeyieldtotal yi yii四川盆地旱三熟 小麦 玉米 甘薯土地当量比 产量 180 300 375 400 1050 1500 2 24其中计算式的第一 二 三项分别代表小麦 玉米和甘薯的产量 公斤 667m2 括号中的值为间作总面积上的产量kg 亩 括号外的值为占地面积上的产量 P肥用量 亩 6行小麦 2行大豆 行距和间距均是15cm 一个复合带1 2m 小麦和大豆占地比例 0 75 0 25 小麦有优势而大豆无 高度差和增加N素供应 可能还与种间相生有关 甘肃河西走廊 小麦 大豆LER5583 5759 380 1470 0 9694 0 2585 1 2279 种间互补作用和竞争作用的多种类型 A A A A A作物替换B作物的2元复合群体常见的产量效益类型 其中最常见的是a图 一个增加 一个约减 但总LER增加 2 密植效应是指间 混 套作复合群体的混合密度大于单作所起的增产 增值 效应 P127四川盆地旱三熟 小麦 玉米 甘薯 密度土地当量比A小麦 玉米密度当量比 12 20 3000 3000 1 6 其中12 20分子是小麦套作有效穗数 万 667m2 分母净作有效穗数 3000 3000是玉米套作与净作的穗 667m2 B玉米 甘薯密度当量比 3000 3000 3000 6000 1 5其中3000 6000代表甘薯套作与净作的穴数 667m2 4间 混 套作的原理P123 1 高斯排他假说净作是单一群体 只有种内的竞争关系 后三种人工复合群体 有种内 种间的两层竞争关系 人工复合群体在资源利用上的竞争 竞争 个体间相互抑制的负向相互作用生态位分异 不同动物之间的竞争 如果食物互不相同 又不以彼此为猎取对象 种间几乎没有竞争 这群动物可以视为在群落中称为占据不同的生态位 如 空间 时间和营养生态位的分化 对动物的一些实验表明 当两种动物的生态位相似时 两个种间的竞争强度最大 这些研究支持以下看法 即生态位相互重叠的种间竞争异常剧烈 以至于它们不可能继续共存于一个群落之内 这一假说称为高斯排他假说 P42 48农业生态学骆世明2001 它在进化和动物生态学中有着特别的意义 并已被用作作物混作的理论基础 高斯假说是否也那样适用于植物 尚待进一步证实 竞争排斥原理告诉我们 环境稳定时 生态位完全相同的两个物种是不存在的 在一个稳定的群落中 没有任何两个种是直接的竞争者 自然选择不是加剧之间直接的竞争 而是促进生态位分化 自然界的群落是一个生态位上分化的系统 各种群在空间 时间和资源利用方面趋向于相互补充 而不是直接的竞争者 因此 具有物种多样性的群落比单一物种的群落更有效地利用环境资源 维持较高的生产力 并具有较高的稳定性 但是不少生态学家也对竞争排斥原理提出异议 根据竞争排斥原理可推论 生态位相似的物种倾向于不能共同生活在一起 但野外凋查 的数据并不支持这一观点 王刚和张大勇 1996 近缘种的共存 而不是排斥 在自然界是普遍规律 许多研究也表明 一个生态位一个物种的理论不能提供令人满意的解释 Hlutchinson认为下列3种情况下可能就不会出现竞争排斥现象 环境不稳定 物种之间不能达到平衡 资源不是限制因子 物种资源不存在激烈的竞争 环境变动 在某些物种绝灭之前已改变竞争方向 这种理论暗示着 生长习性十分相近的植株混作 即单作 植株间的干扰竞争较之习性不同的植株间的干扰要严重 然而 植物利用不同空间或不同资源 生态位分异 Nichedifferentivation 的机会比动物小得多 动物可以利用多种形态的食物 虽然元素的构成相同 所有植物都需要相同的光照 二氧化碳 水分和养分资源 除了豆科植物能像利用土壤中的氮那样利用大气中的氮以外 植物种间在资源需要方面几乎完全重叠 2 间 混作在资源利用上的互补互补作用 在时间和空间上对资源的较大利用 间 混作在资源利用上的互补作用可以来自两个方面 一是共生期间对不同空间的利用 二是在时间上部分共生 自然界的植物群落中的空间上的分层性和时间上的演替性是植物间存在着互补的正向作用的典型典范 P124自然界中由乔木 灌木 草本或苔藓植物组成群落的空间上的分层性和温带草原群落时间演替性 A共生期间对不同空间 地上 大气资源 光 温和气 地下 土壤资源 水 肥 的利用 光资源不同的空间共生的作物实现生态位分异的惟一途径是从不同空间获取资源 但是在大气资源利用方面很少能够互补 因为水 肥资源足够 光照能被任何完全封垄的叶片冠层完全截获 最高100 单作达到完全封垄和多作种植 空间集约型 一样容易 另外植物对光的竞争是不对称的竞争 空间集约型的高位作物在光强 光质上优势 和矮位作物并不是按播种面积比例分配太阳辐射 如果没有完全封垄 正如在土壤水 肥资源形成制约时经常发生的情况 则无论作物冠层如何排列都几乎没有区别 因为那样所有的叶子都可以得到光照 最终产量主要取决于有限的土壤资源 土壤资源在土壤资源 养分和水资源 有限 作物的根系的生长习性又有显著差异时 有时能够通过利用不同的空间形成互补 在作物A和B混作时 浅根的A得不到的土壤资源可能被深根的B获得 这样两种作物就有可能互补 混作的产量可以期望超过任何一个作物单作的产量 即RYT 1 在这种情况下 通过混作对土地进行空间不均匀处理 提高了对稀缺土壤资源的利用 但是 如果水分和养分供应充足 每个作物都可以由其通常的根区轻易地各取所需 或培育C型品 则互补作用的基础就不复存在了 再混作RYT降低 如上图肯尼亚供氮充分的玉米单作可轻易地产出籽粒5 10t hm2 菜豆的单作产量可望达到2 3t hm2以上 而在缺乏养分和土壤障碍问题时玉米菜豆间作总产2 810t hm2 肯尼亚供氮充分的单作玉米可轻易地产出籽粒5 10t hm2 菜豆的产量可望达到2 3t hm2以上 表中肯尼亚玉米单作产量低一定是由于缺氮 而菜豆单作产量低则说明存在病虫害 其他养分或酸性土壤等问题 从上看出 以利用不同土壤资源为基础的互补作用的可能性显然取决于资源水平 土壤资源有限的情况是实现互补作用的最好时机 一般说来 土壤表层 表土20 内 的养分供给量最大 大多数作物都可以得到 而水资源分布于整个土壤剖面 因此 在不包括豆科的混作中 对水资源的生态位分异可能比对养分的更大 发达国家这种复合种植为什么并不广泛 除了不便机械操作外 原因就在于此 作物生态学李雁鸣译2002 P48 B是在时间上部分共生长的生长季在时间上为生态位分异创造了机会 当单一作物不能完全利用生长季时 生长时间可通过加上其他作物来延长 即接续种植的时间集约型 发达国家最常见的例子是把冷凉季节生长的禾本科牧草和温暖季节生长的豆科牧草混播创建的牧草群体 P21图2 8 这样做不但延长了生长季节 而且整个季节青饲料的分布比单一种植更为均匀 但是RYT值很少超过1 禾本科牧草和豆科牧草对N肥的不同反应所致 因此 主要的优点似乎是改善动物营养 高蛋白的豆科饲料与生产力较高 纤维素较多的牧草互相平衡 增加固氮及饲料在一年中更均匀的分配 在发达国家认为这种复合种植 overlap 优于单作是基于4点 在土壤资源有限 作物的根系的生长习性又有显著差异时 其中一个种豆科作物 可看成对不同空间资源N的利用 即用空气中的和用土中的 利用作物不同种类搭配种植对某些病 虫 草的抑制有利 是在时间上部分共生延长总生育期 时间集约型 而对大气资源的光照和二氧化碳利用方面很少能够互补 5合理间 套 混作增产的原因 资源的互补 不同种类的作物在人工复合群体中具有空间的成层性和时间的演替性 1 单一作物群体的叶面积变化成抛物线变化 苗期 成熟期漏光现象严重 而最繁茂的中期 群体中下部受光不好 而上层又常常超过光饱和点 即平面受光 间 套作时 漏光损失可由复合群体其他作物的叶面积截获 间套作时高位作物与矮位作物的同时存在 矮位作物的生长带就是高位作物带的通风透光的 走廊 把单作的平面受光变成分层次的立体受光 增加中下部受光强度和时间 改善了光质和CO2的流通量 增强了生长发育的物质基础 所以间 套作复合群体的混合密度 总密度 常常大于单作时的密度 人工复合群体的立体受光 单一群体平面受光 2 单一作物群体地上 下部生长一致 即地上 地下分布的层次一样 对水 肥等地下资源和光等地上资源需求一致 在最繁茂时期 对生活因子的竞争加剧 如光 肥 水 导致生境共享植物的生活因子降低 使生长发育不良 而在间套作的人工复合群体中 交替出现生长高峰期 缓解了对生活因子的竞争 图示 四川盆地旱三熟 3 在间套作的人工复合群体中 可通过人为选择搭配 把不同形态 高度 不同生育期 不同营养特性和有利的生化互作反应 植物相生 化感作用 的作物组合在一起 利用相互间的互补作用 缓解种内 种间的竞争 如高杆与矮杆 深根与浅根 近似于空间生态位分化 长叶与圆叶 生理习性分异 长与短生育期 近似于时间生态位分化 喜氮 禾谷类 与固氮作物 豆科 相搭配 近似于营养生态位分化 如 A地上部分处于一层内 地下入土深浅不同 蚕豆 小麦 B地上部分高矮搭配 地下部分处于一层内 棉花 芝麻 玉米 大豆 C地上部分高矮杆与地下入土深浅根P146 枣粮间作 桐粮间作 玉米 或棉花 花生 果树与油菜 或大豆 使地上和地下层加厚 D在广东和江浙一带利用优越的自然资源 在高矮杆间作中 加入果树 形成 三层楼 E稻鱼结构 稻萍结构P153 果园 或荒地 坡 养鸡结构 果园养食用菌等结构等 4 在套作时还利用了后作的提早播种的时间效应 有利于趋利避害 提高后作产量 两方面 和为后作提供早茬口 6间 套 混作的竞争表现 1 空间的竞争 P126 130 单作作物群体内光强分布特点 单作作物群体内光质分布特点P130复合群体光分布特点 高位作物空间上光的均匀性 且强 质量好 光合作用强 具有生长优势 而矮位作物光水平分布的不均匀性且弱 质量差 光合作用低 光的形态建成作用必然会对小麦 棉花形成不同长势长相的影响 因此高位作物的边行优势和矮位作物的边行劣势同时形成 2 时间上的竞争 P130主要表现在套作中的前 后各茬作物争季节的矛盾上 因为在一年一熟情况下 可从获得单一作物最高产量出发 选择最适宜的作物种类和品种 但套作后为使套作方式提高总产量 则必须使前 后茬作物在生长期方面协调 不能因追求前茬高产而选用长生育期品种 不正常地加长作物共存期 或延迟套种时间 虽然作物共存期变短 但降低后作产量 失去套作的意义 间作情况下 也存在时间上的竞争 生育期相近的作物间作 作物种间的竞争大于生育期有差别的作物 一个合理的间作应有一定的高度差和时间差 P13 3 间套作复合群体内对土地因素的竞争P131套作时 作物共存期短于间作 种间关系的密切程度相对较小 但在共存期间 前茬作物处于生育中后期 后茬作物却只是苗期阶段 后者对地下养分 水分的竞争明显处于不利地位 而且往往比间作复合群体中矮位作物的 竞争力还弱 A水 肥竞争麦 棉方式 据中国农业科学院土壤肥料研究所观测 当棉苗出现两片真叶 根长20cm多时 小麦已进入灌浆期 棉苗根系周围分布大量麦根 图 麦 棉争水矛盾突出 在春旱的4 5月份 套种棉行 耕层土壤含水率的值常较单作棉田减少2 3 旱情严重时 可达4 5 能在田间见到棉苗萎蔫 甚至死苗 陕西省棉花研究所测定 套种 棉花播前 4月11日 0 20cm土层处有效氮的 含量比单作棉低14 4 0 658ppm 有效磷低21 5 81ppm 小麦收获后 6月13日 又分别降低19 2 B作物代谢产物对其它作物所产生的抑制作用植物间相生相克现象 也是作物之间不利关系的方面 据董钻研究 蓖麻与鹰嘴豆间作时 蓖麻根系向鹰嘴豆相反的方向伸展 而鹰嘴豆的根系却趋向蓖麻一方 其原因是由于鹰嘴豆根系分泌的酸性物质对蓖麻根冠的生长起有毒作用 此外 如已知作物共同生长时 大麻和大豆相互抑制 养麦 菜豆对玉米有不利影响等 尽管已有的研究不能完全揭示当代栽培作物在代谢产物方面的关系 但是可以说明 在组成间 混 套作复合群体 它们之间不仅存在对阳光 水分和营养物质的竞争 而且还有分泌物之间的影响 C对播种面积的竞争套作的前茬作物播种时需要预留套种地带 存在播种面积的竞争 例如四川小麦 玉米 红薯 小麦预留套种带较宽 80 100cm 虽然小麦通过边行优势可以适当弥补减少播种面积的损失 但一般减产仍有20 30 上 7边际效应和行比间混套作中边行优势 高位作物 与边行劣势 矮位作物 是同时并存的 边际 缘 效应 作物群体边缘部分与中间部分个体生产量的差额 作物边缘效应的绝对值随水平边距递增而减少 高 矮位作物间作时的边行优 劣势 边际劣势产生原因P133 在间套作时 高位作物的阴蔽下 矮位作物带的光形态建成作用导致弱苗 直射光的时间短 因此土温低 养分分解慢 特别是春季更明显 其次是在套作时 前作物 高位作物 的根系向套作带吸收水肥 形成套作带的水肥贫乏区 麦 棉时 小麦形成的水肥贫乏区可达到33 40cm 使棉花幼苗的生长不良 1 边际效应与行比配置P140 为最大限度发挥边行优势 减少边行劣势 一般高位作物 间作的高位作物 套作中的前作 不可多于 而矮位作物 间作的矮位作物 套作中的后作 不可少于边际效应所影响行数的两倍 这是间套作中作物间行比选择的一般原则 即 高位作物要窄 矮位作物要宽 例上表中 玉米 大豆 玉米应 6行 即每一行都有边行优势 大豆 4行 即大豆最少4行 玉米最多6行 可达较大的LER 2 带宽 厢宽 幅宽和间距 P139 3 除上述因素外 还应考虑主作与副作之分 来决定行比 小麦 棉花 以棉花为主时 应按棉花丰产要求的行距 确定带宽 小麦幅宽插入其内 小麦为主时 应按小麦丰产要求的行距 确定带宽 棉花幅宽插入其内 一个 复合 带宽是间套作的各个作物顺序种植一遍所占地面的宽度 包括各个作物的幅宽和间距 套作行 8主作与幅作主 副作的区别是由气候 耕地等自然资源特点和经济效益和喜好决定 1 从温 光 水资源分布特点看四川盆地小麦 耐寒作物 与水稻 喜温作物 的气候分布特点 占全年的比例 重庆 播种 成熟 日 月 小麦1 11 30 4水稻1 4 30 8郑州 小麦15 10 15 6玉米20 4 30 9 不同地域不同作物温 光 水资源占有特点 四川盆地从温 光 水资源分布特点看 小麦为代表的耐寒作物仅占全年的1 3左右 而以水稻为代表的喜温作物占全年的 3左右 所以前者在四川盆地称为 小春作物 后者称为 大春作物 即在四川盆地 小春作物 常为副作 大春作物 常为主作 副作要为主作适当让路 表现在 旱地麦 玉最明显 小麦为辅作 预留空行 玉米为主 早熟麦 油菜 早熟蔬菜等 稻田以水稻主 为水稻提供早 肥茬口 而在郑州耐寒作物小麦与喜温作物玉米并重 表现在小麦 玉米 我国东南部小麦 玉米 水稻主 副作的变化 P111我国东南部纬度愈高 积温下降 降雨量下降 北京 长治 同川小麦为主 早熟玉米套作两熟 济南 运城 西安小麦为主 中 早熟玉米套 复种两熟 徐州 郑州 汉中小麦玉米并重 中 晚熟玉米复种 套作两熟合肥 信阳 安康复种 套作两熟比例加大 小麦玉米并重 此线以南以水稻为主 玉米的地位下降 西南地区小麦为副 玉米为主 9 间 套作的调控技术 小麦 玉米 红薯 P141148 间作中影响矮位作物和套作中影响后作 如 小麦 玉米 生长的四个因素 动画 预留行宽度 玉米宽幅套作 玉米套作行预留较宽 和窄幅套作 株高差 缩短高度差有利与保证矮位作物的竞争优势 小麦应选用矮杆 早熟品种类型 同时玉米加强共生期的田间管理 促进生长 高 矮位作物间距离 间距 共处期时间长短 取决于播种早迟和小麦的成熟期早晚 宽幅套作可在前作收获前30 60天播种 管理水平高可在此范围内提早播种 反之迟播 窄幅套作一般提早7 10天播种 玉米 抓苗 的技术原则 P147 151麦田两熟套作 麦田三熟套作 实行规范化的玉米宽幅套作种植 2米带宽 小麦玉米各占50 前作选用矮杆早熟品种 玉米生育期较长的类型 这既是套作的时间效应所要求 又是后作在前作收获后 有足够的时间来克服边行劣势的后效而恢复正常生长的必要保证 麦收时玉米雌穗分化期不超过小穗分化期 这是所有套作都要遵循的基本原则 按照预留行宽度和管理水平确定播种期 加强共处期的田间管理 玉米营养钵育苗 3 4叶带土移栽 早中耕 早施苗肥 宽幅套作的还要早施拔节肥 早防鼠和及时收获前作 共处期田间管理好坏的标准 四川盆地 玉米窄幅套作在前作收获时应保证苗全 苗齐 玉米宽幅套作在前作收获时应保证玉米株高大于小麦 雌穗分化期不超过小穗分化期 3 间套例 P148 前图 中行距带宽6尺 2米 要求种植3000株 667 玉米 每穴一株时的株 窝 距的计算 667 10000 200 2 x 3000 x 11 3 前图 窄行距带宽4尺 4 3米 要求种植3000株 667 玉米时的株 窝 距的计算 667 10000 4 3 100 x 3000 x 16 9 10套作复种和接茬复种的比较当前中国间 套作种植 在共存期种间竞争不易全苗 苗壮 田间作业不便 播种 收获费事费工 不便机械化播种 管理和收获的缺点 主要取决与农机的配套改革 有逐年减少的趋势 同时接续 茬 复种虽然有农耗期及苗期光能利用不高的缺点 但没有种间竞争不良影响 只要积温够能保证后期正常成熟 排灌条件好 机械力强 如 当天收获小麦当天播种夏玉米 再加复种作物有早熟 高产品种保证 也可以获得省力节本高产 在黄淮海平原是当前主要的复种形式 可能是今后发展方向 所以 从实际出发 套作复种和接茬复种可选择使用 例三北碚各月平均气温 积温剩余法P100 一 冬小麦2200 0 减去 10 活动积温 30 9 4 7 5 9 4 792减去年前 10 13 9 30 420年后 10 活动积温还余 2220 792 420 980成熟期30 14 0 18 8 984所以4月下 5月上成熟 二 全年 10 活动积温 30 14 18 8 13 9 5800还可用于其他喜温作物 10 活动积温 小麦收后到小麦再播种期的积温 5800 420 980 4400 三 喜温作物播种 成熟需 10 活动积温 水稻 迟熟中稻 3600 玉米 中熟 2600 红薯 3600小麦 玉米 2200 792 2600 4008 4008与全年5800或2600与4400相减 小麦 水稻 2200 792 3600 5008 同上 小麦 红薯 2200 792 3600 5008 同上 例三四川盆地麦 玉 薯积温分析 重庆北碚 所以 四川盆地积温条件是 二熟有余 三熟不足 四 麦 玉 薯连环套作三熟积温 1玉米4月套作20天节约积温 4502红薯6月上旬 7月中 下旬与玉米套作50 60天节约积温13003麦 玉 薯连环套作三熟需要 10 活动积温4400 2600 3600 450 1300 50基本满足 但积温很紧张 小麦常不能在正常播期播种而推迟 所以 在玉米带正常播期播种小麦 播种完小麦后 再收获红薯 形成麦薯带和玉米带的年间轮作 4 10 活动积温利用率 2200 792 2600 3600 5800 131 2 三 轮作 cropratation 与连作 continuouscropping P1571概念轮作 在同一田地上 不同年度间轮换种植不同的作物或不同的复种方式 连作 在同一田地上 不同年度间种植相同的作物或相同的复种方式 区别 农业年度例 大豆 大豆 大豆 小麦 玉米 小麦 玉米 复种连作 大豆 玉米 小麦 油菜 烟 小麦 中稻 复种轮作 重茬 前后季 茬 作物相同 偏重于同一种作物的连年或连季种植 有2种情况 大豆 大豆 小麦 早稻 晚稻 换茬 或 倒茬 前后季 茬 作物不同 也可换茬轮作 迎茬 隔一年种 大豆 玉米 大豆 即2年轮作 轮作 连作的其它解释 中国耕作制度 刘巽浩等农业出版社1993 轮作 在同一田地上有顺序地轮换种植不同作物的种植方式 即年内连作 在同一田地上连续种植相同作物的种植方式 小麦 玉米 小麦 玉米 是复种连作还是年内轮作 2轮 连作产生的历史背景 在远古时代的土地不能连续种植 A不翻地 不中耕 杂草丛生 农耕文化特点分析 B不施肥 土壤N P的过渡消耗 土壤肥力不能继续维持生长 一般2 3年后必须弃耕 重新 刀耕火种 远古时代农业 刀耕火种 的历史 合理性 分析 弃耕后土壤肥力的缓慢恢复 P195年复一年的营养物质的闭合式循环 使营养物质和有机质呈缓慢的上升式循环 C 有机质 N营养来自大气 有效的P K Ca等来自土壤内部的富集和活化 土壤结构来自于植物根系对土壤的穿插 切割和死亡后留下的通道 植被生长越好 闭合式循环的作用越明显 其中自生 共生固N菌和多年生的木本 多年生草本植物更重要 所以 天然植被是良好土壤肥力的缔造和保护者 免于风雨对土壤的侵蚀 但土壤肥力的恢复一般需几十 几百年时间 植被生长越好 时间越短 轮作在无肥或少肥的原始农业和传统农业阶段是 旱地 农作的基本技术 是保持耕地连续种植主要技术之一 如 传统农业阶段我国北方旱地的禾豆轮作 南方的 绿 肥稻复种轮作 西欧的诺尔福克轮作制 在工业革命后的商品经济时代连作的主要物质和技术支撑 化肥 P195 197 非常方便而高效快速地保持营养物质的平衡循环或上升式循环 由于产量增加 可返田的有机质数量也可呈现平衡循环或上升式循环 表8 3 6 使土壤培肥的方式发生了巨大的变化 从生物养地发展到化学养地和有机与无机结合的养地方式 P198 202 农药 杀虫 杀菌及除草剂 的大量而廉价供应 良种 先进的栽培技术的应用 抛荒 短期 采集 连续种植 土壤耕作 灌溉 有机肥 豆科作物和轮种 抛荒 长期 抛荒 短期 3连作障碍 P161同一作物在同一地块上连续种植 引起产量 品质下降的现象 连作障碍在旱地的蔬菜 瓜类 豆类 烟草等作物等中比较普遍 如黑龙江大豆 除对产量影响外 还对品质有影响 病粒率 虫粒率上升 城市郊区蔬菜地病虫害严重 温室的换土 美国棉花带由南方向西部的转移 连作障碍的两个特点 作物特异性 对不同种类作物特别是亲缘关系较远的异种作物之间 可以克服这种障碍 有害物质的浓度积累 连作年限的增加有加剧的趋势 见 蔬菜轮作设计的原则 化感作用 allelopathy 农业生态学骆世明 2001 P47 植物逆境生理生态学 赵福庚 何龙飞等 2004 P9 36 一节概念 植物化感作用 是植物与周围环境中生物之间的相互作用是植物通过释放化学物质到环境中而产生对自身和其他生物直接或间接的作用这些作用包括克生抑制 相互促进以及自毒等作用 是生态系统中植物的自然化学调控现象和植物适应环境的一种生态机制 两千多年前人们已经观察到化感现象 但是真正深入研究却仅仅是最近几十年来的事情 1937年德国科学家Molish首次提出了化感作用一词 它涵盖了各种植物之间包括微生物的生化相生及相克作用 之后Rice在他的专著中又进行了补充 国外在这一领域的研究日趋活跃 又称异株相克 互感 化感 克生抑制 相互促进以及自毒等作用 定名为化感作用 全国自然科学名词审定委员会 1992年 二节次生代谢产物植物化感物质主要是植物次生代谢物质 次生代谢产物在种间关系中的作用不论植物 动物还是微生物 生命活动的基本代谢物质都是蛋白质 核酸 脂肪和糖类 然而 次生代谢各种生物差别很大 同一属不同种的生物其次生代谢也不相同 次生代谢体现了生物的个性 次生代谢物是一些非基本生命活动所必需的物质 与生物的基础代谢无直接的关系 过去认为生物的次生代谢产物是基础代谢的一些废物 但进一步的研究发现次生代谢产物在调节生物种群间之相互关系上有着重要的作 用 是种群数量调节的重要机制 现已确定了结构的次生代谢产物超过3万种 主要是酚酸 水杨酸 阿魏酸等 类 生物碱 扁豆碱 烟碱 罂粟碱 吗啡 咖啡碱等 萜类 青蒿素等 黄酮类 醌类 羟基胡桃苷等 脂族化合物 非蛋白质氨基酸 聚乙炔类 生氰糖甙 单宁 多环芳香族化合物等 三节释放的方式植物化感作用是通过向环境释放化学物质而实现的 这些起作用的化学物质称为化感物质 植物化感物质主要是植物次生代谢物质 它们分布于植物的根 茎 叶 花 果实或种子中 其存在的部位影响其释放的方式 常见的释放方式有以下四种 挥发 一些挥发性化感物质 主要是萜类 通过植物体表 茎 叶 花 进入环境而发挥作用 如洋槐 蒿属植物 桉属植物和鼠尾草属植物等产生的挥发性物质能抑制附近杂草的生长 淋溶 由于雨水或雾滴的作用 一些有机酸 氨基酸 萜类和酚类等水溶性化合物易被从植株表面淋溶下来 对周围植物产生影响 例如 菊科植物洋艾 从叶面上的腺状微毛溢出的物质 被雨水冲到土壤中 抑制周围其他植物的生长 蒿属植物叶的淋溶物对森林中的下层植物生长有抑制作用 锡生藤的叶的淋溶物可抑制大豆的生长 根的分泌 很多化感作用物是从根中分泌出来的 如小麦 燕麦 玉米 黄瓜 番茄的根都可分泌抑制性的物质 chou等 1992年 发现 水稻连作时 根分泌物中含有大量的酚酸类物质 这些物质的大量分泌抑制水稻根系的正常生长 是造成水稻减产的主要原因 植物残株的腐烂中释放 植物及其某些器官死后 其中的复合物或聚台物被微生物分解而释放出某些化合物 这对周围植物起化感作用 水稻 油菜 小麦 高粱 玉米作物的残株腐烂后可释放出体内相克物质 或通过微生物作用将原来无毒物质变化为有毒物质后进入土壤环境中 例如蕨是一种具有很强的化感能力的植物 在这些蕨类植物之间很少存在其他的草本植物 其化感物质就是由枯死的枝叶释放出来的酚类物质 主要成分是阿魏酸和咖啡酸 作用的结果 四节环境胁迫对植物化感物质的诱导假说一碳素 营养平衡 Carbon NutrientBalance CNB 假说cNB假说认为 物体内以c为基础的次生代谢物质 如酚类 萜烯类和其他一些仅以c H O为主要结构的化合物 与植物体内的c N 碳素 营养 比呈正相关 而以N为基础的次生代谢物质 如生物碱等含N化合物 与植物体内c N比呈负相关 该假说建立在植物营养对植物生长的影响大于其对光合作用影响的理论基础之 在营养胁迫时 植物生长的速度大为减慢 与之相比 光合作用变化不大 植物会积累较多c H元素 体内c N比增大 因此 酚类 萜烯类等以c为基础的次生代谢物质就会增多 然而 在遮荫条件下 光合作用降低 植物体内c N比降低 导致酚类 萜烯类等不含N次生代谢物质数量降低 cNB假说成功地预测了许多有关营养 光照对植物次生代谢物质的影响 但是许多研究也得出了一些相反的结论 这可能是由于不同植物之间确实存在着这种差异 二生长 分化平衡 Growth Differentiation Balance GDB 假说植物的生长发育从细胞水平上可分为生长和分化两个过程 前者主要包括细胞的分裂和增大 后者主要包括细胞的分化和成熟 次生代谢物质是细胞分化和成熟过程中生理活动的产物 GDB假说认为 在资源充足的情况下 植物以生长为主 而在资源匮乏的情况下 植物以分化为主 该假说与cNB假说具有相同的理论基础 但它比cNB假说的内容更为广泛 GDB假说认为 任何对植物生长影响超过对植物光合作用影响的环境因子 都会导致次生代谢物质的增多 如营养匮乏 低温 co2浓度升高等 尽管GDB假说较之cNB假说有了很大的适用范围 而且许多研究结果都支持这一假说 但它存在着与cNB假说同样的不足 如次生代谢的成本问题 这两个假说均认为次生代谢物质的产生是不会以减少植物生长为代价的 五节化感作用在农林业生产中的应用 一 化感作用与作物栽培耕作制度间套作在世界农业生产中 由于化感作用中抑制效应所造成的损失每年达数十亿美元 所以 应根据不同作物化感作用的性质和特点 特别是充分利用化感作用中的相生效应 在农业生产实践中进行合理布局 改进或调整某些作物原有的不合理的间 混 套等栽培技术和耕作制度 变害为利 化损失为收益 豆科作物与玉米或谷类间作 可明显提高玉米和谷类对P K ca的吸收 桃园间作小麦可减轻线虫的危害 轮作合理地利用轮作制度 不仅可以减少土壤中有抑制作用的化感物质的积累 尽可能避免连作中经常出现的自毒现象 还可以最大限度地利用轮作中一茬有明显抑制效应的植物的化感作用 既对当年也对下一茬植物发挥治草作用 研究表明 番茄不仅具有自毒作用 而且植株的挥发物和根系分泌物均对黄瓜的生长有明显抑制作用 因此 番茄种植应采用轮作方式 其水培或大棚种植时 应避免与黄瓜间作 利用植物根系分泌物或残体腐解后所产生的化感物质 来抑制土壤中致病微生物的萌发和生长繁殖 从而减轻植物病害 如前作是大麻 则几乎可以使马铃薯免遭晚疫病的侵害 前作若为苜蓿 可明显降低棉花凋萎病的发生 前作若为车轴草 亚麻的立枯病感染率则降低 二 作物秸秆还田技术的改进I秸秆还田中化感作用的抑制效应秸秆还田是植物营养元素循环利用的有效措施 也是保证我国农业持续发展的重要途径 所以其还田面积正在逐年扩大 然而秸秆如何还田才能起到有益无害的作用 正日益受到重视 有关作物秸秆还田的产量效应和土壤的培肥作用 已进行了较深入的研究 而秸秆还田中化感物质的抑制效应并未引足够的重视 秸秆经过雨水的淋浸和 或 微生物的腐解而释放出的化感物质 常对下茬作物产生不良的影响 如水稻秸秆腐烂产生的羟基苯甲酸 苯乙醇酸 香豆酸 丁香酸 香草酸 阿魏酸 丙炔酸 乙酸等抑制水稻幼苗生长 玉米 高粱 燕麦残株腐烂产生的咖啡酸 绿原酸 肉桂酸 香豆酸 阿魏酸 香草酸 没食子酸 香草醛 苯甲醛等可以抑制高粱 大豆 向日葵 粤草的正常生长 甘蔗秸秆腐解的羟基苯甲酸 香豆酸 丁香酸 阿魏酸 香草酸 甲酸 乙酸 草酸 丙二酸 酒石酸 苹果酸