我国草田轮作的历史、理论与实践概览

邢福,周景英,金永君,孙璐,张建峰,岳伟,宝桩,倪楠,钱英

(1.东北师范大学草地科学研究所 植被生态科学教育部重点实验室,吉林 长春130024;2.内蒙古图牧吉国家级自然保护区,内蒙古 音德尔137600)

轮作是一种在同一田地上有顺序地轮换种植不同作物或轮换采用不同复种方式的种植方式,是农田用地和养地相结合、提高作物产量和改善农田生态环境的一项农业技术措施[1]。在春秋战国时期,我国农耕制度中的轮作是伴随着土地连作制度的出现而逐渐形成的[2]。传统的农耕制度中通常都是不同作物的连作或者轮作。将牧草种植引入到农作制度中,就出现了所谓的“草田轮作”。北魏贾思勰《齐民要术》中称绿肥轮作为“美田之法”,并且认为“其美与蚕矢(屎)、熟粪同“[3]。当时的绿肥轮作已经较广泛地应用在粮田和菜田上,例如实行绿豆(Vigna radiata)、小豆(Vigna umbellata)、胡麻(Sesamum indicum)等绿肥作物与谷子(Setaria italica)的轮作复种。据此认为,魏晋南北朝时期,我国北方旱地农业中已经形成了比较成熟的绿肥轮作。“绿肥-水稻(Oryza sativa)”轮作是我国较为古老的一种草田轮作模式。我国南方水稻主产区历来就有稻田种植绿肥的习惯[4]。

草田轮作具有提高土壤肥力、增加作物产量、减少病虫危害、保持水土以及提高单位面积土地经济收益等一系列优点[5-7]。在欧洲、美国、澳大利亚等国家被广泛采用[8-11]。新中国成立以来,草田轮作在曲折中发展,其重要性逐渐被广大群众所认识。“藏粮于草“、发展草地农业是中国农业发展的必由之路[12]。本研究依据国内外有关文献资料,就我国草田轮作的历史、理论基础、轮作模式、生态效益与经济效益加以总结归纳,以草地农业思想为指导,结合我国粮食安全问题阐述草田轮作的现实必要性与可行性,分析我国出现的2次“种草高潮”的经验得失,提出我国推行与强化草田轮作研究与实践的建议。

1 我国轮作制的发展与研究历史

1.1 我国古代农耕制度演变及草田轮作制的出现

追溯历史,古代夏商周时期实行的是“撂荒休耕”制度。当时没有人工施肥措施,土地种植1年后地力大减,于是被撂荒,下1年的耕种则选择在已经撂荒2年或3年的土地上进行。撂荒休耕制出现的重要前提条件是地广人稀。另外,早期农业中的粗放经营以及由此而造成的土地肥力降低,在无任何人工措施追加肥力的情况下,只有通过休耕才有可能实现土地肥力自然恢复。因此,“易田制”等轮荒性质的土地耕作形式,是与当时生产技术以及人地关系相适应的[2]。

光阴荏苒,至春秋战国时期基本形成了土地连作制度。为了保证地力的恢复,人们在对土地进行施肥的同时,开始考虑农耕技术上的改进与合理轮作[2]。北魏农学家贾思勰在其所著的《齐民要术》中总结前人经验说:“谷田必须岁易”;“麻欲得良田,不用故墟”;“稻无所缘,唯岁易为良”。就是说,无论是谷田、麻田还是稻田,轮作易地都会达到减少杂草、提高产量的效果。早在《战国策》和《憧约》中,已反映出战国时的韩国和汉初的四川很可能就出现了大豆(Glycine max)和冬麦的轮作。公元2世纪时,后汉郑玄注《周礼·幕氏》时更明确地提到,当时就有收麦后接着种粟或大豆的习惯。这说明,大豆和谷类作物之间轮作的历史很早[13]。至6世纪时,从《齐民要术》的记载中可以看出,当时的黄河流域存在着大豆和粟、麦、黍等相当普遍的轮作。特别是宋代《陈奠农书》曾总结性地指出,收稻后种豆,可以“熟土壤而肥沃之”。在唐宋时代,我国华北形成了二年三熟制的农作物轮作模式[14,15],其作物组合模式一般为小麦(Triticum aestivum)※大豆※秋杂粮。

由此看来,中国古代农耕制度中的轮作在春秋战国时期伴随着土地连作制度的出现就逐渐形成了。之后,农田轮作的方式不断发展变化、轮作地域也不断扩大。例如,明清时期晋中平川盆地两年三熟地带,有套种轮作历史,例如,冬小麦套种玉米(Zea mays),夏种谷子和移栽高粱(Sorghum bicolor)[16]。

绿肥作物肥田的道理很早就被我国劳动人民所认知。西汉《汜胜之书》中已有瓜、薤、小豆间作和桑、黍混作的记载;东汉已形成禾、麦、豆的轮作复种制。北魏时轮作制已臻成熟,其特点是广泛采用禾谷类和豆类轮作。这一时期的轮作经验集中反映在《齐民要术》中。另据《广志》记载,早在西晋时,已有水稻与苕子(Vicia spp.)的轮作。明代又出现了水稻与紫云英(Astragalussinicus)的轮作方式。清代《抚郡农产考略》也说“红花草(紫云英)比萝卜(Raphanussativus)、菜子尤肥田,为早稻所必须,可以固本助苗,其力量可敌粪料一二十石”。明清时期,稻、草轮作发展很快,栽培的绿肥种类也增多,除红花草外,还有陵苕等[17]。直到20世纪六七十年代,“绿肥-水稻”轮作依然是我国南方水稻主产区较为经典的草田轮作模式。例如江西省,当时“绿肥-早稻-晚稻”轮作的种植面积占稻田总播种面积的2/3以上[4]。因此,绿肥作物与水稻轮作可能是我国最古老的草田轮作模式,并沿用至今、经久不衰。

据《吕氏春秋》记载,公元前129年,汉使张骞出使西域将苜蓿(Medicago sativa)引种至我国[18]。汉代以来,苜蓿就因为养马而大量种植并逐渐成为轮作牧草。据陕西三原杨秀元《农言著实》对关中地区的轮作复种制记载,当时已经有把苜蓿纳入轮作的种植制度。这种方式一般是连种五、六年苜蓿之后再连种三、四年小麦[19]。由此看来,苜蓿和苕子可能是我国最早被引入草田轮作制度的牧草。

1.2 我国当代草田轮作的发展历程

20世纪50年代初,我国学习前苏联经验推广草田轮作,但没有坚持下来[20]。当时,在全面学习苏联经验的社会背景下,苏联的草田轮作理论与耕作制度也被引进并在生产中应用[21]。当时认为,“草田轮作”是威廉斯土壤学中“执行土壤学的生物学路线,种植多年生牧草来改良土壤结构和提高土壤肥力”学说的具体措施。苏联学者强调,实行草田轮作是建立在农牧配合基础上的,必须建立多年生牧草混合区,农区简单的作物倒茬不是真正的草田轮作。实行草田轮作的先决条件是区划土地,建立畜牧业基础,选定牧草种子,决定轮作程序。一批前苏联的草田轮作著作也被译成中文出版[22-24]。

在“六五”和“七五”期间,国家启动了一系列草田轮作研究与技术推广项目,针对不同地区提出了不同的粮草轮作模式[25]。20世纪80年代,国家发出了在黄土高原“种草种树”的号召,一时间西北地区各地掀起了种草的“热潮”。1984年,由中国农业科学院土壤肥料研究所完成的中国绿肥区划,将草田轮作作为粮肥轮作的内容之一列入[26]。1985-1987年,甘肃先后召开了3次全省规模的草田轮作种草养畜试验示范现场报告会,极大地推动了甘肃全省草田轮作的发展[27-29]。此时期一批科学家和政府官员提出并论证立草为业、发展草业的概念和发展战略[30-32]。1984年6月,钱学森在有人提出草业的基础上,从理论上提升,指出“草业是作为产业的概念提出来的,它是以草原为基础,利用日光、通过生物创造财富的产业”[33]。草产业理论促使对草地经营的认识和发展达到前所未有的新高度。1987年,国务院在转发全国牧区工作会议纪要的批示中明确提出:“立草为业,发展畜牧,草业先行”的方针。按照1997年任继周提出的草地农业理论[34],特别强调“引草入田、草田轮作是草地农业的重要技术环节”。20世纪90年代,中山大学的杨中艺等[35]开始进行“多花黑麦草(Lolium multiflorum)-水稻”草田轮作系统研究。2000年,中央决定实施西部大开发战略,推进草地经营进入新阶段。2002年9月18日,国务院下发了《关于加强草原保护与建设的若干意见》,这是建国以来第1个专门针对草原工作出台的政策性文件。

2 草田轮作的经济效益与生态效益

2.1 增产并提高后茬作物品质

大量的研究和生产实践证明,草田轮作能够提高后茬作物产量及其籽粒品质。甘肃静宁县甘沟乡将紫花苜蓿、红豆草(Onobrychissativa)和百脉根(Lotuscorniculatus)引入粮田轮作,效益分析表明,豆科牧草对后茬作物有明显增产效果。3种牧草对后作(玉米、冬小麦、春小麦)的蛋白质产量(收获体蛋白质总量)增产幅度分别为14.8%～30.3%,17.0%～25.7%,15.5%～32.8%;等价产量(收获体蛋白质、脂肪和淀粉总量之和)增产幅度依次为1.7%～29.5%,7.3%～23.2%,11.9%～32.8%[36]。甘肃省临夏县北塬灌区实行草田轮作后,豆科饲草茬地对春小麦增产效果显著。田间试验结果表明,在施肥量相同的情况下,紫花苜蓿茬地和复种箭筈豌豆(Vicia sativa)茬地的小麦分别增产14.06%和11.96%,即达到5.396和5.297 t/hm2[37]。

将苜蓿引入草田轮作系统,苜蓿后茬作物产量通常都有明显提高,一般增产20%～30%,低产田可增产1倍以上的产量[38]。山西运城地区,苜蓿后作的小麦增产 66.9%、棉花(Gossypium spp.)增产62%、谷子增产87.5%、玉米增产7.4%,甘薯(Ipomoeabatatas)增产1倍[39]。在内蒙古莫力达瓦达斡尔族自治旗进行的试验表明,苜蓿后茬种植的玉米产量比作物后茬平均提高14.3%[40]。苜蓿能增加后作作物的蛋白质含量。Hobbs[8]在美国堪萨斯州曼哈顿的试验表明,连作小麦和高粱籽粒蛋白质含量分别为13.4%和8.9%,而苜蓿-作物轮作的蛋白质含量分别为14.2%和10.8%。在江西农业大学试验站水稻田连续5年的试验结果显示,稻田轮作系统的总初级生产力、光能利用率、辅助能利用率分别比连作系统高17.47%,9.87%和5.0%。氮、磷、钾的养分利用率也同样明显高于连作系统[41]。

2.2 减少杂草和病虫害

草田轮作是防止作物病虫草害的一项重要措施。研究证明,与连作耕作制度相比较,稻田轮作系统对作物病、虫、草害有一定的抑制作用。冬季种植的黑麦草长势强,对杂草有一定的抑制作用。年内旱田改水田,使杂草由旱地杂草为主转为以水田杂草为主,且杂草种类大大减少,无优势种杂草出现。越冬的黑麦草可以抑制下茬水稻的稻纵卷叶螟(Cnaphalocrocis medinalis)的发病率,年内换茬可减少作物虫害[4]。

合理的苜蓿与作物轮作可减少作物病、虫、草害。牧草与作物轮作打破了害虫和病害的生活周期和寄生关系,并有助于杂草控制和减少农药的使用[42,43]。据报道,苜蓿茬可降低棉花黄萎病的发生[44];使玉米免遭根寄生虫危害[45];苜蓿后茬种植向日葵(Helianthus annus),田间杂草数量明显减少[46]。在加拿大艾伯塔省莱斯布里奇半干旱大草原的一项长期研究中发现,杂草密度和物种组成受几年内不同的轮作、耕作及抽样时间影响;在所有的轮作系统中,休耕地和传统耕作地中存在更多的杂草[47]。

在西藏农区,采用豆科作物、油菜(Brassicacampestris)、箭筈豌豆等轮作后的农田,多食性害虫中的蛴螬和地老虎比麦类连作田下降12.6%～18.0%,寡食性害虫(主要是麦蚜)以及甘蓝夜蛾(Mamestra brassicae)等也比同类作物连作田减少79.11%和73.55%,种植豆科作物的后作青稞中的条纹病发病率比青稞连作田降低21.0%～29.0%,黑穗病发病率比青稞连作田低17.0%～38.0%[42]。

2.3 改土肥田

大量试验证明,将苜蓿引入作物轮作系统可以有效地改良土壤,提高土壤肥力[47-49]。甘肃庆阳地区轮作试验表明,种植苜蓿3年后又种2年冬小麦的土地,测定0～40cm土层的有机质和含氮量分别为1.21%和0.087%,而连种3年的小麦地0～40cm土层有机质与含氮量分别为1.03%和0.071%,苜蓿茬比小麦茬土壤有机质和含氮量分别提高17.5%和22.5%[50]。研究表明,种植苜蓿能够大幅度提高土壤氮净矿化率[51],增加其后茬作物的速效氮供给。与农田后茬种植牧草相反,苜蓿草地轮作为农田以后,土壤全氮和有机质会迅速下降,土壤退化过程加速[52,53]。

豆科牧草一方面直接固氮,另一方面其根系在土壤中会积累大量残体从而增加土壤有机质含量。新疆呼图壁县种牛场的测定结果显示,3年生苜蓿茬地积累干残体30 735 kg/hm2,折合氮465 kg/hm2、磷94.7 kg/hm2、钾1 477.5 kg/hm2,相当于1.5×105kg优质厩肥[49]。种植沙打旺(Astragalusadsurgens)使土壤每年固氮225 kg/hm2,有机质、磷、钾含量也大幅度提高。在盐碱低产田轮种苜蓿,2年后土壤0～20cm含盐量由0.22%～0.24%下降到0.05%～0.06%;5年后轮作小麦,产量比对照区增加1倍以上。在黄土高原水土流失严重的地区,在轮作种植沙打旺、苜蓿4年后,有机质含量提高1倍,氮含量增加2.7倍,同时还保持了水土[54]。

在吉林省岗地农田黑土上进行的“玉米-草木樨(Melilotus suaveolens)”轮作试验表明,与玉米连作相比较,轮作提高了土壤孔隙度,从而改善岗平地黑土的通气有余、持水不足、易于干旱和沙化的状况;同时,草田轮作可以增加土壤细菌、真菌和放线菌的数量,增强微生物的总体活性,改善土壤的环境条件[55]。

Garcí a-Préchac等[56]综合乌拉圭大量长期试验发现,将休耕整合到草田轮作系统中,与连续休耕相比,虽然连续休耕可以更大限度地降低土壤侵蚀程度,但是再加上轮作系统将会使土壤中氮和水分得到最优化的利用,并且可以保持和增加土壤有机碳的含量,更具经济和生态效益。

在美国中央大平原连续15年的野外试验中发现,作物的轮作与休耕和连续播种相比,可提高土壤质量特性,如增加微生物群体及其群落成分以及一些酶的活性。而这些特性亦可能导致其他土壤因素的增强,如土壤有机质含量、水分渗透、土壤中水稳定大团聚体等物理特性,从而提高小麦对水分的利用和土壤生产力的保持[57,58]。

2.4 保持水土

牧草特别是多年生牧草,通常比农作物具有更发达的根系。草本植物根系集中分布在0～30cm地表土层中且根系密集。庞大的根系系统和地上密集的草层能够缓解地表径流、减少水土流失,起到良好的水土保持作用,提高降水利用效率。研究表明,当降水量为340mm时,裸地水土流失量为6 750 kg/hm2,耕地为3 570 kg/hm2,林地为600 kg/hm2,而草地仅93 kg/hm2[59]。在立陶宛丘陵地区的研究表明,“禾草-禾谷类”作物轮作(禾草>50%)在2°～5°,5°～10°和10°～14°的坡地上能减少土壤流失 77%～81%;与“禾谷类作物-禾草”轮作(禾草<50%)相比,10°～14°坡地上实行“禾草-禾谷类作物”轮作可显著增加土壤团粒稳定性,当然这2种轮作模式都能降低土壤侵蚀度[60]。

研究发现,长期单一种植的苜蓿草地,会在土壤中出现很深的“干土层”,从而影响了苜蓿产量。但在苜蓿与作物的轮作系统中,土壤水分状况会逐渐恢复[61,62]。

3 我国的草田轮作模式

3.1 南亚热带地区“黑麦草※水稻”轮作模式

多花黑麦草别名意大利黑麦草,为禾本科一年生植物,原产于地中海沿岸、北非及亚洲西南等地。它是欧洲最古老的牧草之一,作为刈割、放牧的主要草种,在世界各地广泛栽培。在澳大利亚、新西兰、英国、西欧及美、日等国广泛种植,作为奶牛、肉牛和绵羊的饲料。我国从20世纪40年代中期引进,开始在华东、华中及西北等地区试种。

1990年,杨中艺开始在广东省深圳市研究建立“多花黑麦草※水稻”草田轮作系统,将多花黑麦草引入我国南亚热带草田轮作体系,主张在我国南方地区实行“黑麦草※水稻”草田轮作[63,64]。具体地,就是在水田冬闲期栽培黑麦草来生产优质青饲料,使粮食作物和饲料作物的争地矛盾得以缓解。多年来,对“黑麦草※水稻”草田轮作系统的增产肥田效应与生态机理、高产栽培技术以及综合效益等方面进行了较为全面而深入的研究[65-70]。

试验证明,“黑麦草※水稻”草田轮作系统能够适应我国南亚热带水田冬闲期的气候条件,中、晚熟多花黑麦草品种具有比较明显的产量优势。轮作系统中黑麦草后作的早稻、晚稻的平均增产幅度达10%[65]。“黑麦草※水稻”轮作增产肥田的原理除黑麦草可改善土壤理化特性[69]、增加土壤酶活性[70]以外,黑麦草根茬腐解物中可能存在能刺激水稻生长的活性物质[71];稻田土壤微生物参与并促进了黑麦草的物质生产过程;黑麦草使后作水稻增产的现象与黑麦草的根际活性有关[66]。

我国南方还有“多花黑麦草+光叶苕子(Vicia villosa)※玉米”轮作系统、“多花黑麦草+光叶苕子※高丹草(高粱与苏丹草杂交种,Sorghum bicolor×Sorghum sudanense)”轮作系统[72]以及“黑麦草※玉米”轮作模式[73]。还筛选出了适合我国南方稻区的“紫云英※早玉米※晚稻”等轮作系统[4]。

3.2 甘肃省“冬小麦※豆科牧草※玉米”等多种轮作模式

甘肃省可能是我国草田轮作试验研究最多、民间轮作模式最多样化的省份[74]。通过对甘肃庆阳地区的51种不同轮作复种模式进行的系统评价,发现其中8种轮作模式明显优于其他种植系统。其中,“冬小麦/一年生豆科牧草※玉米”模式、“冬小麦+草木樨※草木樨/冬小麦”模式比较适宜当地推广[75]。这些轮作模式经营粗放、管理简单,投资省、效益高,适宜于人少地多、土壤贫瘠、土地投资投能不足的残塬沟壑区及塬边或山地梯田。在甘肃陇东地区,常用的轮作方式是“苜蓿(6～8年)※谷子或胡麻※冬小麦(3～4年)”,或者“苜蓿(3～5年)※玉米(套大豆)※冬小麦”;陇中地区为“苜蓿(5～8年)※糜(Panicum miliaceum)或稻※马铃薯(Solanum tuberosum)或豌豆(Pisum sativum)※小麦(3年)”。另外,甘肃武威市平川灌区“小麦套种草木樨※压翻种玉米※单种小麦”的三年三区轮作方案的增产和提高土壤肥力效果也十分明显[76]。

3.3 陕西等地的“苜蓿※冬小麦”轮作与混作模式

陕西榆林和延安地区,春季和夏季将苜蓿与胡麻、荞麦(Fagopyrum esculentum)混种;山西晋南、陕西关中在秋季将苜蓿与冬小麦、油菜混种;内蒙古把苜蓿分别与荞麦、油菜、小麦、糜子、谷子混种,都取得良好效果。山西西南地区,苜蓿田每年留在土壤中的根量为6 750 kg/hm2,增加了土壤的有机质,使后茬小麦增产30%左右;陕西关中地区,苜蓿后茬小麦可连续增产3年,增产幅度30%～50%,提高小麦蛋白质含量20%～30%[39]。河北省冀东县的做法是种4～5年苜蓿,然后倒茬,即“苜蓿※谷子※玉米※棉花”或“苜蓿※谷子※小麦※玉米※棉花”[49]。在内蒙古乌拉盖地区无霜期仅90～100 d的条件下进行苜蓿轮混作,轮作方式为“小麦(2年)※苜蓿+油菜※苜蓿※苜蓿※苜蓿※苜蓿※小麦※青攸麦”。从前5年的情况看,效果良好,效益比小麦连作高得多。此外,就“苜蓿-冬小麦”轮作系统土壤水分时空动态、产量响应以及根系入侵真菌等方面也进行了研究[77,78]。

3.4 新疆的八区、六区草田轮作模式

新疆生产建设兵团农一师四团一连地处天山南麓的山间小盆地,土壤类型属龟裂性棕漠土,成土母质以砾质冲洪积物为主。自1963年开始坚持八区草田轮作制度(六粮二草),到1982年进入第3个轮作周期的第4年。20年来,全连平均粮食单产3 150 kg/hm2。其中,轮作区内单产3 136.5 kg/hm2,非轮作区2 500.5 kg/hm2。轮作区比非轮作区增产25.5%。成功的轮作模式为“苜蓿※苜蓿※冬小麦※冬小麦+绿肥※玉米※王米※水稻+基肥※春小麦+苜蓿”。这种方式高秆和矮秆作物交替种植,连作最多2年,增加了水旱轮作。这样充分利用了土壤中的养分,增加了绿肥和基肥,达到了产量稳步上升、地力不断提高的目的[79]。另外,新疆生产建设兵团阿克苏农垦四团采取八年八区轮作制,轮作模式为“小麦+苜蓿※苜蓿※苜蓿※玉米※玉米※玉米※水稻※小麦+草木樨”。把苜蓿、草木樨引入农田,使土壤有机质和氮素含量分别增加2和1倍,小麦单产提高1倍多。

在乌鲁木齐市五一农场进行了六区草田轮作试验,其模式为“苜蓿(2年)※冬小麦※冬小麦※绿肥※玉米※油料+苜蓿”。其中,油料作物是油菜或者油葵。六区草田轮作中,苜蓿占地1/3,冬小麦面积占1/3,玉米和油料面积占1/3。经过一个轮作周期,小麦、玉米、油料的平均产量比对照农田分别增产37.74%,42.39%和29.10%,而且经济效益显著[80]。

3.5 东北平原区“玉米※向日葵※草木樨”轮作模式

东北平原区位于我国农牧交错带的东段,具有开展粮草轮作的生态条件。但同时也是我国重要的粮食产区,农作物用地与饲草料用地矛盾比较突出。引草入田,发展农区草业,对于缓解该地区的人土(地)矛盾、草畜矛盾有重要意义。在吉林省长岭县和农安县的试验表明,东北平原区优化草田轮作组合为:向日葵(1年)※草木樨(1～2年)※玉米(1～2年);草木樨(2年)※玉米(1～2年)※烟草(Nicotiana tabacum)(1年)※大豆(1年)※玉米(2年)[81]。以牧草连作、草经轮作、粮草轮作或粮草经轮作的生态效益较好,而玉米连作的生态效益较差。引草入田后,草地农业生态系统优化生产模式仍以玉米为主,但应适当增加苜蓿、草木樨等豆科牧草的比例。轮作中加入向日葵、烟草等经济作物可以提高粮草轮作的经济效益。

3.6 东北嫩江西岸粮草七区轮作模式

位于黑龙江省嫩江西岸的甘南县查哈阳农场,属寒温带大陆性气候,年平均气温1.76℃。年降水量平均为443.27mm,无霜期为115～120 d,适宜水、旱田作物生长。自1987年开始在新立分场种植紫花苜蓿,实行粮草轮作、肥田、养牛和提高经济效益的探讨。粮草七区轮作,即三区苜蓿、二区小麦、一区杂粮(玉米),一区甜菜(Beta vulgaris)或大豆。第3年翻压一区苜蓿,以后每年种一区苜蓿翻压一区苜蓿[82]。1990年开始大面积推广,参加轮作的种草面积达4 166 hm2。经过6年种植紫花苜蓿实行草田轮作的实践,取得了奶牛业大发展以及农业增产的效果。

3.7 西藏日喀则地区的4年轮作制

西藏自治区农业部门把种植绿肥作为全自治区农业技术重点推广项目之一,大面积推广粮草轮作[11]。农作物布局推行“三三制”,即青稞(Hordeum vulgare var.nudum)、小麦、豆类和油菜的播种面积各占1/3,3年为1个轮作周期。日喀则部分地区实行4年轮作制,即“春青稞※麦豌混作※小麦※油豌混作”[42]。西藏地区海拔高,气候冷凉,无霜期短,参与轮作的豆科牧草具少年生、生长迅速的特点,较常用的有豌豆、草木樨、毛苕子等。

以上是依据文献报道作的草田轮作模式的总结。其中有的是试验研究,有的已经在生产中应用推广。全国各地的草田轮作模式可能远远不止这些,民间可能有其他轮作模式尚没有被记录、报道。

4 大力推行草田轮作的现实必要性

4.1 保障国家粮食安全的需要

任继周[83]提出了中国食物构成的新趋势——“2+5”模式。按照目前我国粮食结构和消费量匡算,至2020年口粮需求为2×108t,饲料粮消费则增加到近5×108t,两者之和约为7×108t。可将这一格局称为中长期规划的“2+5”模式,即人用2×108t与畜用5×108t,两者之和为7×108t。大约食物当量中人用占30%,畜用占70%。以“2+5”的食物当量为目标,在保证生产质优量足人用口粮的前提下,还要生产超过口粮2倍以上的饲料。对此,传统农业系统将无能为力。

在饲料用粮成为我国粮食生产主要压力的情况下,如果继续坚持传统的“粮-猪农业”,饲料用粮需求数量巨大,势必对中国的食物安全造成严重威胁。而建立草地农业系统,将人食与畜食分开,走节粮型、非粮型饲料道路是减小粮食生产压力、优化中国人口食物结构、确保粮食安全的一项有效措施。“藏粮于草”,发展草地农业是必由之路[12]:第一,扩大人工种草面积;第二,加强农区草田轮作;第三,推行空闲田种植饲料作物。因此,从国家粮食安全战略高度考虑,要树立草地农业思想,引草入田,大力推行草田轮作[84-86]。

4.2 调整农业产业结构的需要

发展节粮型畜牧业、变二元种植结构为三元种植结构是我国农业结构调整的长期战略任务。作物与家畜是农业系统的核心组分[87],优化农业结构应从2个方面展开:一是横向调整,调整种养比例,提高养殖业在农业中的份额;二是纵向调整,坚持以市场需求为导向,积极发展农产品加工业、流通业等,延伸农业产业链,形成农业生产的专业化分工协作体系[88]。多元化的种植结构必然包括引草入田实行草田轮作。养殖家畜应以节粮型的草食动物牛、羊、兔为主,而不是传统的耗粮型的“猪”。虽然目前我国草产业刚刚起步,“草产业链”尚不健全,但无论如何,“草”是这条产业链的“源头”或基础。

转变生产方式、发展人工饲草料生产、发展舍饲半舍饲养殖业,既是我国草原生态保护的迫切需求,也是我国西部广大地区发展高效畜牧业、促进地方经济发展的重要内容[33]。因地制宜,大力推行草田轮作将是我国调整农业结构的长期任务。当然,我国几千年的农耕制度和农耕文明绝非一朝一夕就能发生大的转变。但是,无论如何,必须千方百计地转变传统的农耕制度和落后的农业观念,否则我国粮食安全问题无法保障、农业可持续发展无法实现。

4.3 农牧民致富的迫切需要

“草”是农业系统能量链条(草-土-畜)中的重要环节。草田轮作一方面恢复并维持农田肥力,对于提高作物单产稳产有重要作用;另一方面生产出来的牧草(饲料)可以饲养家畜,使草产品转化为肉产品。草田轮作同时也大大提高了有限的土地资源利用效率,增加农牧民收入。例如,“黑麦草※水稻”草田轮作系统提高了土地利用率以及土地单位面积的产出,一般情况下一个冬季的产出在1.5万元/hm2以上[65]。

草田轮作生产的牧草既可直接饲养家畜,也可以加工成草产品而带来收益。据调查,甘肃、陕西等省份,2003年每1/15 hm2苜蓿生产纯收入高于小麦、玉米2 250元左右;甘肃玉门市人均种草已达0.21 hm2,来自草产业的人均纯收入已占当地农民人均纯收入的18.8%;辽宁阜新地区农民种植苜蓿的效益为种玉米的2倍以上;大连市和辽阳市的农户将一部分土地出租给草产业企业,并在企业工作,农户由此带来的收入为种玉米的2～3倍以上[87]。

4.4 保护生态环境的需要

草地生态系统是我国面积最大的陆地生态系统。中国草地面积约4亿hm2,占陆地面积的41.7%,是农田面积的近4倍。我国天然草原是环绕东北、华北和西部最大的绿色屏障[89]。草地退化加剧、草地牧业经营效益低下、牧区人文状况落后是目前我国草地资源经营中的三大问题[33]。20世纪90年代,我国草原退化面积扩大到50.2%,并且以每年1.33×106hm2的速度继续扩大,草原“三化”现象呈加剧的态势[90]。超载放牧一直是导致草地“三化”的主要原因。在过度依赖天然草地的经营体制下,饲草、饲料缺乏与超载放牧形成了一种恶性循环。饲草料缺乏一方面造成冬春季节家畜掉膘或者死亡,另一方面家畜主要依赖天然草地放牧加重了草地退化。如果在草原牧区适当发展人工草地,在农牧交错带以及农区实行草田轮作、引草入田,将是增加饲草、减缓草地放牧压力的有效途径。很多成功的案例已经证明了这一点。另外,草田轮作也是控制水土流失的需要,特别是坡耕地实行草田轮作,能有效地控制水土流失[91]。

5 大力推行草田轮作的可行性

5.1 政策保障

农业问题是我国的头等大事,党中央历来高度重视。国家的方针政策是决定农业发展走向的关键。正确的政策和政策连续性同样重要。建国以来,党中央制定了关于抗旱防涝、流域治理、种树种草、保护生态环境等一系列政策措施。人工种草和草田轮作多次被写进国务院或农业部的重要文件中。例如,20世纪80年代国家发出了在黄土高原“种草种树”的号召,西北各地掀起了“种草热潮”。1999年,国家开始在生态脆弱地区推行大规模退耕还林(草),同时也有针对性的倡导种草,对农区种草起到了推动作用。2002年,国务院办公厅转发农业部《关于加快畜牧业发展的意见》中明确指出:“半农半牧区实行草田轮作”。2007年1月“国务院关于促进畜牧业持续健康发展的意见”中指出:“在牧区、半农半牧区推广草地改良、人工种草和草田轮作方式,在农区推行粮食作物、经济作物、饲料作物三元种植结构”[92]。这些大政方针为推行草田轮作奠定了政策基础。

2010年,第十一届全国人民代表大会第三次会议政府工作报告中明确提出,“加快转变经济发展方式,调整优化经济结构”是2010年的主要任务之一。这是我国调整农业结构及经营方式的大好机遇。“调整种植结构、实行粮草轮作”应当成为我国农业产业结构调整的重要内容。总之,新时期大力推行草田轮作已经拥有根本的政策保障。

5.2 草地农业理论指导

草地农业是由中国传统农业的精耕细作与西方“有畜农业”相结合发展而来的生态农业[83]。草地农业系统是一个能满足现代人的食物结构,并使得生态和生产两者兼顾而能持续发展的现代农业系统。它的4个生产层,即前植物生产层、植物生产层、动物生产层、后生物生产层,都具有直接或间接的生产功能。各层次间通过耦合机制亦具有效益放大的功能,而且系统生产具有弹性大、可调控性强、外延能力大的特征,与农、林系统比较,系统调控空间和综合生产潜力较大[93]。草地农业有利于保持土壤肥力、保持水土、节约化肥和水热资源、增加农牧民收入[94,95]。草地农业理论是指导和推行草田轮作的重要理论基础。

拿出一部分耕地用来种草会不会影响粮食总产量?这是民众和政府普遍关心的问题。单纯从口粮需求来看,目前我国完全能够保障现有粮食产量,而饲料粮正在或已经成为我国粮食需求的第一大项[96]。根据研究,在农业系统中,拿出20%的农田种草,实行草田轮作,不仅土地利用率提高了33%,降水利用率提高约20%,而且粮食总产量提高40%,单产提高60%,化肥用量降低1/3[97]。黄土高原地区大量的科学试验证明,压缩粮食作物播种面积并实行粮草轮作,使种草面积占耕地的20%～30%,粮食总产和单产都可成倍增加[98,99]。诚然,实行草田轮作,短期内粮食作物种植面积是减少了,但是中长期粮食产量则有增无减,而且高水平的单产由于土壤肥力恢复有望得以长期维持。

5.3 技术支撑

我国南方水稻产区实行草田轮作历史悠久并且已经比较广泛。据不完全统计,从1989年至1998年仅四川、广东、广西、江西四省推广黑麦草种植累计近33.3万公顷,新增产值31.44亿元,新增利税21.29亿元[100]。西北地区也进行了大量的草田轮作试验研究,某些较好的轮作模式也得以在一定区域内推广;东北、华北地区所见研究报道相对较少。已经推广成功的经验和探索中的模式都为大力推行草田轮作提供了技术保障。

线性规划方法是优化草地农业结构的有效技术手段。按照优化后的农业结构安排种植业、养殖业、肥料,实施科学管理,能够实现增产增收和农业可持续发展。这方面已有成功的案例可供参考[101,102]。

国外草田轮作的成功经验可供学习、借鉴。例如,澳大利亚实行“小麦※一年生苜蓿”或“小麦※三叶草”轮作制[103];日本和韩国培育了一系列早熟、浅根系等适应与水稻轮作的黑麦草品种;欧洲农业历史上长期占主导地位的“三田制”以及后来的“改良三圃式”,其实质就是草田轮作[9];美国中西部旱区实行草地农作制成为世界主要的苜蓿产地等等。

6 结束语

20世纪80年代“种草种树”和1999开始的“退耕还林(草)”掀起了2次几乎全国范围内的种草高潮。但是总体上,人工种草效果并不理想[7]。2次种草“高潮”给我留下几点重要的启示:1)种草必须与农民的长期利益相结合。只为恢复植被、改善生态环境,不可能成为现阶段人民群众的自觉行为。2)种草必须纳入到当地的种植制度中。如果只是为了完成政策性任务的需要,农牧民和地方政府不会有持久的种草热情。3)必须建立长期的示范和技术指导机制。种草或者草田轮作周期较长,只建不管不可能收到良好的效果。4)缺乏草产业链,市场运作机制不健全。产出的牧草必须转化为经济效益,否则必然挫伤农牧民继续种草的积极性。没有一个草产业化体系的稳定支撑,“一厢情愿”的种草必然以失败告终。

根据我国草田轮作现状及发展趋势,今后草田轮作的研究及推广可能重点围绕以下几个方面展开:1)中、小地域尺度的农业结构优化;2)适宜轮作的农作物及牧草品种选育;3)具有地域代表性的轮作模式及管理技术示范;4)北方半干旱区“苜蓿-农作物”轮作模式及技术示范;5)具有地域代表性的草产业链模式构建与示范。

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