轮作种植制度的生态经济效益分析及发展建议

于台泽，贾 伟，安晓慧，金书秦，魏 雪,5，李 颖，张 丹,6

（1大自然保护协会TNC，北京 100600；2农业农村部耕地质量监测保护中心，北京 100125；3华颂种业股份有限公司，内蒙古赤峰 025150；4农业农村部农村经济研究中心，北京 100810；5明尼苏达大学，美国明尼阿波利斯 55455；6南京农业大学，南京 210095）

0 引言

连续多年种植相同物种或密切相关的物种会导致土壤生态失调，对作物产量与品质造成很大的影响，不仅会造成土壤养分流失的问题，还会使得病虫害加重等问题频发[1]。为解决此类问题，许多专家学者提出了轮作的种植方式，即在每个生长/播种周期和季节，在同一土地上种植不同的作物[2]。美国伊利诺伊大学Bullock[3]认为，轮作所带来的经济效益十分可观，没有任何肥料或农药可以达到轮作所能带来的产量提升效果。大自然保护协会(TNC)Michael Doane[4]指出，多样化的作物轮作有助于土壤积累养分，减少土壤侵蚀并增加土壤碳固存。轮作在中国有悠久的历史，早在战国时期的《氾胜之书》就已经提出朴素的轮作模式，即禾谷类作物与豆科作物的轮作有利于提高谷物产量。现代轮作制度理念与中国农业绿色发展的理念高度一致，在保证农民收入的同时，有利于缓解中国耕地质量退化、地力退化、土壤污染等生态危机[5]。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划纲要》提出要继续通过不断扩大试点范围、加大资金投入的方法普及轮作制度，扩大作物轮作和休耕制度的试验范围，同时开展成体系的保护成效监测，探索符合中国国情的轮作制度[6]。另外，随着集约化生产造成农业问题的加剧，近些年国内的一些农业企业与机构也开始进行轮作试验，深入探索轮作技术，寻求高效益的轮作模式[7]。

本研究通过将轮作与连作的效益进行对比，从生态和经济两方面具体讨论轮作的优势以及国内外相关研究进展，其中经济效益包括轮作对于作物品质、产量、连作障碍以及杂草管理的影响，生态效益包括轮作对于土壤理化性状、土壤酶活性以及碳排放的影响，并且阐述轮作在中国发展战略当中的重要地位；另一方面，通过文献资料的收集，将国内外轮作政策进行对比，为中国轮作技术的发展模式、政策实施、宣传推广和监测评估提出建议。

1 轮作的经济效益

轮作，可以在保证土壤健康的情况下提高农民的收益。一方面，轮作能够有效提高作物产量，使农民获得更多收入，另一方面，轮作可以有效减轻连作障碍、降低病虫害发生率、平衡养分吸收、降低作物施肥量，从而减少用于购买农药、化肥等产品的成本投入，实现节本增效，取得更高的净收益[8]。

1.1 轮作能够有效提高作物品质及产量

中国人口众多，土地资源稀缺，因此粮食安全一直是治国理政的头等大事。在当前构建以国内大循环为主体、国际国内双循环为特征的互相促进新发展格局的背景下，中国的粮食安全问题一再被强调。可是除了小麦、水稻、玉米等主粮作物自给率较高，部分作物仍依赖进口。

合理轮作能够有效地改善土壤健康状况，减少病虫害的发生，同时提高土壤供水、供肥的能力，最终实现品质提升和产量收益增加。Dayegamiye等[9]在加拿大魁北克省，2008—2011年间的马铃薯轮作试验表明，将马铃薯与玉米、小麦、燕麦等多种作物进行轮作，马铃薯的产量与连作相比均有所提升，其中马铃薯-燕麦的轮作组合产量提升幅度最大，为12.8%；Kelley等[10]通过10年的长期轮作研究证明，冬小麦与大豆轮作后产量提升幅度最高，为24.4%。轮作不仅可以提升粮食作物的产量，对于果蔬类作物的生产也有明显的提升效果。陈少灿等[11]研究发现，将分蘖洋葱与大白菜进行轮作处理后，大白菜单株平均产量提升明显，与之前的产量相比，增加了约53.1%。可见，轮作对提高作物产量具有明显的促进作用。另外，轮作能够改善农田土壤肥力状况、水分状况，从而有利于作物从农田当中汲取更多的养分和水分，免受病虫害的威胁，并减少化肥、农药等产品的使用，通过降低成本提高单位面积经济收益与产值。晋艳等[12]对油菜-烤烟轮作与烤烟连作的对比研究发现，连作烟株的产值较低，仅为轮作产值的29.93%，轮作后，中上等烟所占比例提升了约两倍，平均价格大大降低。可见，通过轮作，作物的产量和品质得到有效提高，使农民取得了更高水平的经济回报率。

1.2 轮作能有效减轻连作障碍和病虫害问题

长期连作会影响土壤微生物区系的发展，并且导致生物多样性失调，即有益微生物在土壤中的比例减少，同时病原微生物的比例增加，进而引发由种植等活动造成的植物病虫害[13]，导致连作障碍频发，另外，研究显示，随着连作年限的增加，病虫害的问题也会随之加重，加剧对生态环境的破坏[14]。而轮作能够通过提高土壤中微生物群落数量、微生物丰度、土壤细菌/真菌比以及微生物碳氮的含量来减少土传病害的发生。轮作后，土壤中的营养物质如碳源、氮源和其他能量流增加，有助于微生物的繁殖，另外，致病真菌数量的减少降低了其与细菌形成的营养竞争，从而促进细菌产生抗生素和胞外酶，使土壤微生态系统恢复平衡，减轻连作障碍对作物生产的影响[15]。刘星等[16]通过变性梯度凝胶电泳的技术进行试验，比较了马铃薯连作和马铃薯-玉米轮作这两种种植模式，分析其土壤真菌群落结构的情况，结果表明，与轮作相比，马铃薯连作增加了导致马铃薯土传病害的某个镰孢菌(Fusariumsp)、腐皮镰孢菌(Fusarium solani)以及黄萎病菌(Verticillium dahliae)的种群或个体数量；Zhao等[17]通过高通量测序(High-throughput Sequencing)的方法探究了马铃薯连作和轮作对土壤细菌群落的影响，发现轮作土壤中的硝基癒疮木胶类节杆菌(Paenarthrobacter nitroguajacolicus)、乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus)和根瘤菌(Rhizobium etli)等有益菌的丰度要高于连作土壤。轮作通过提高土壤中微生物的丰度和微生物群落数量，控制有害的病原菌数量，加强了作物抵御土传病害的能力，从而使得作物受到土传病害影响的几率大大减少，为作物产量和品质的提升提供保障。颜志波等[18]在湘西水稻两熟制地区进行了试验，探究了冬种黑麦草对于稻瘟病发生的影响，发现黑麦草与水稻轮作可以控制稻瘟病越冬菌丝的存活力，从而降低其数量，在试验中，将冬种黑麦草田和同时期的冬闲田对比，发现前者的病叶（穗）率低约53%，病情指数低约67%；Adhikari等[19]在尼泊尔奇旺(Chitwan)的作物轮作田间试验发现，番茄与玉米、羊角豆、豇豆或者抗病番茄轮作后，细菌性青枯病(bacterial wilt)的发病延迟了1～3周，并且严重程度降低了20%～26%。可见，轮作可以有效减轻连作所带来的危害，解决病虫害发生率过高的问题，在实现提高作物品质的同时，改善土壤健康与生态环境，降低农业生产者成本，助力农业绿色发展。

1.3 轮作能够有效控制杂草

在作物生产中，杂草的生长往往会引发许多问题，例如杂草会与作物进行竞争，导致作物生长所需的空间、光照、养分、水分等资源不足，产量及质量下降[20]。因此，在生产中，农民通常使用除草剂来进行化学除草与杂草控制，而大多数除草剂会危害土壤健康，对生态环境造成严重破坏。轮作能够对杂草群落与土壤种子库产生影响，从而降低杂草的密度以及土壤种子库中杂草种子数量[21]。许艳丽等[22]通过定位试验，比较了小麦连作、小麦-大豆-小麦迎茬、以及玉米-大豆-小麦轮作条件下土地杂草群落变化，结果显示，与小麦连作12年相比，麦豆麦迎茬轮作组和玉米豆麦轮作组的杂草数量较小麦连作分别下降73.33%与79.12%。轮作可以丰富杂草种类的多样性，在一定程度上减少每种杂草的优势度，从而防止单一杂草成为优势种，丰富的物种多样性有助于农田生态系统的良好运行[22]。高菊生等[23]对湖南长期稻-稻-紫云英轮作田间杂草多样性的研究发现，轮作能够有效降低杂草密度，减少早稻期间的杂草种类，但是，轮作并没有减少晚稻期间杂草的种类，这保障了杂草品种的多样性。通过对于杂草密度的控制以及杂草多样性的丰富，轮作可以帮助农民更高效地进行杂草管理，并且规避了因使用除草剂所造成的环境污染问题。

2 轮作的生态效益

为了追求粮食高产，农民更倾向选择高收益的作物进行连作，并且通过投入大量的化肥农药来保证较高的产量，这很大程度地破坏了土壤健康，损害了生态效益。2014年发布的《全国土壤污染综合调查报告》[24]表明全国土壤总超标率为16.1%，其中耕地土壤点位超标率为19.4%，主要污染物为镉、镍、铜、砷、汞、铅、滴滴涕和多环芳烃；另外，每年土壤的流失约占中国土地面积的1/6，受农药严重影响的耕地面积超过1333万hm2[25]。可见，在保证国家粮食安全的基础上，农业的绿色发展、农村生态环境的改善将成为未来中国农业发展的重中之重。2015年通过的《关于加快推进生态文明建设的意见》中也提到，要充分了解“尊重自然、顺应自然、保护自然”的理念，坚持“绿水青山就是金山银山”[26]。轮作具有较高的生态效益，符合中国环境发展战略的理念，不但可以增加作物产量，还能改善土壤健康状况，增强土壤的容纳能力，有效净化污染物，减少温室气体排放。因此，轮作可以保障生产过程中的清洁发展，同时提供人畜健康所需的生态环境，降低政府所需处理温室气体的成本，在一定程度上解决中国土壤退化、资源利用率低和环境恶化等严重问题，从而实现提质增产、资源高效、环境安全、经济发展、农民增收等目标[27]。许多研究表明，轮作通过有效增加碳固存，减少温室气体的排放，也可以降低温室效应所带来危害，如高温、干旱等造成的作物减产和可耕地减少[28]。

2.1 轮作能有效改善土壤理化性状

轮作对于改良土壤结构、改善土壤理化性质，增加土壤中氮、磷、钾等元素的有效性有明显的促进作用。Wright等[29]在新西兰奥克兰的研究中发现马铃薯与洋葱轮作后，土壤有机质和土壤氮含量相比于连作分别提升12%和11%；Dayegamiye[9]在加拿大魁北克省马铃薯轮作的田间试验中发现，马铃薯与燕麦轮作后，土壤有机质与氮含量相比连作分别提升9.5%和12.5%；另外Goff[30]在美国爱荷华州的研究发现，与连作相比，将紫花苜蓿与玉米进行轮作，可以使土壤碳含量提高25%，土壤团粒的稳定性增加35%。于寒等[31]的研究发现，大豆轮作使得土壤中速效磷和速效钾含量显著高于连作。此外，轮作也能够有效加强土壤抗冲性及土壤抗蚀性，减少在农业生产过程中恶性土壤侵蚀带来的严重危害，减轻水土流失所造成的农业面源污染[32]。张瑜等[33]在吉林省进行了保护性耕作对玉米耕地水土流失防治效应影响的研究，结果发现相比于连作，轮作使得耕地径流量减少29.9%，年产生泥沙量减少95.5%，水土流失情况得到了有效改善，减少了水旱灾害发生的概率，同时有效防止农田土壤中的污染物流失到水体当中，减轻了农业面源污染，保护了生态环境。

2.2 轮作能有效增加土壤酶活性

土壤酶活性可以衡量生物化学反应的程度，从而表征土壤肥力的水平，较高的土壤酶活性可说明土壤肥力较高，土壤健康状况良好[34]。轮作能够有效增加土壤酶活性，提高土壤肥力。周勃等[35]在水稻水旱轮作的试验中发现，土壤的过氧化氢酶、磷酸酶以及蔗糖酶的活性相比棉花连作平均提高约8.67%、55.80%和36.17%。万年鑫等[36]研究发现，玉薯轮作与薯玉轮作中的土壤脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性较播种前分别升高了5.71%、2.19%、4.85%和52.07%、32.23%、11.62%，且远高于马铃薯连作的土壤酶活性。在果蔬作物方面，洪洁等[37]研究发现生菜-菠菜轮作比生菜连作的过氧化氢酶活性提高了12.81%，且土壤中细菌的丰富度和多样性有所增加；苹果与葱轮作后的土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶和磷酸酶活性分别提高了23.4%、5.1%、29.8%和12.8%[38]。可见，轮作能够有效提高各类作物种植体系中的土壤酶活性，提升土壤肥力，保障土壤健康。

2.3 轮作能够减少农业生产温室气体排放

农业生产会产生大量温室气体，主要包括CO2、CH4、N2O等，受种植模式、化肥施用、机械作业、灌溉等多种因素的影响[39]，轮作能够有效降低农田温室气体排放。轮作的增产效应利于提高氮肥的使用效率、减少休耕过程的碳损失，提升土壤碳固存效率，从而降低碳排放并且增加碳固定[40]。同时轮作生物量的增加提高了作物残茬还田量，增加了土壤的碳输入，对减缓气候变化做出贡献[41]。已有的研究表明，马铃薯轮作比连作减少了约50%的CH4排放量[42]，另外轮作处理的马铃薯N2O排放量仅为连作处理的34.4%～52.4%[43]；研究显示双季稻连作经过紫云英-早稻-甘薯/大豆的轮作处理后，其周年全球增温潜势及排放强度分别较双季稻连作下降了1.87%和6.35%[44]；Behnke等[45]在美国伊利诺斯州的试验发现，玉米大豆轮作相比于玉米连作，N2O排放量减少了35%。可见，轮作对减少农业生产过程中温室气体排放的作用显著，能够有效减缓温室气体增加带来的海平面上升、水旱灾害加剧等风险[46]，具有可观的生态效益。

3 国内外轮作政策比较

由于体制、国情的不同，中国与其他国家的轮作政策存在着一定的差异。虽然中国已经拥有一套较为科学、准确的轮作实施体系，不过由于轮作试点推行不久，在技术、经验以及思路等方面与其他一些发达国家仍有差距，因此本研究将对国内外的轮作政策进行对比（见表1），以发现中国目前存在的问题。

表1 中外轮作制度对比

据对比，在宣传与推广机制上，中国目前主要通过鼓励合作社或规模化土地使用者来开展轮作，导致目前轮作的规模不大，许多农民对轮作相关优势及制度并不了解，轮作意愿不强，农业技术无法得到有效的推广[59]；而其他国家在轮作的推广当中，除了政府的宣传推广以外，通常会有其他机构（如民间组织、高校等）对农业推广进行辅助，这使得政策下达的权威性以及民间的接受程度都得到了极大的保障。在补贴方式上，中国主要通过中央财政对轮作休耕制度试点地区给予补贴，未有效融入市场机制，补贴的发放存在诸多问题，同省或者同市往往补贴标准都是相同的，没有将天气、经济、环境等条件综合考虑[60]，缺乏灵活性，极大地打击农民轮作的积极性，不利于轮作制度的发展；而在其他国家，更多的机构参与到了轮作补贴当中，市场机制与轮作补贴制度有机结合，补贴的形式更为多样，补贴的金额也更加合理和灵活。在轮作监管上，中国仍以政府为主导进行监管；而在其他国家，监管往往基于更加先进的科技，且建立更为完整的数据库以及评价标准，同时具有第三方机构进行辅助。

4 结论和建议

综上所述，轮作在经济和生态方面均有很高的效益。在经济效益方面，轮作可以有效减少病虫害发生率等连作障碍，降低农药、化肥的投入，促进作物产量和品质的提高，有效增加农民的收入。在生态效益方面，轮作可以改善土壤健康，提升土壤中营养物质的含量和有效性，提高土壤酶活性和土壤肥力，有效增加土壤碳的固存，减少温室气体的排放。

经济效益和生态效益都很重要，虽然实际生产中二者可能存在此消彼长的关系，但是农业生产中应该在发展与保护中寻找平衡点，找到合适的轮作模式从而实现发展与保护的双赢。大自然保护协会与中国农业科学院、先正达集团中国、雪川农业发展股份有限公司进行了3年的马铃薯轮作试验，对轮作的经济、生态、环境效益进行了量化分析，发现了两年三作的草田轮作是当地生态和经济双赢的轮作方式[7]。

中国自古就有轮作的种植习惯，多种多样的轮作种植方式倍受重视，并在生产中积累了大量的种植经验。但是，针对不同轮作种植模式中作物上下茬口的搭配、新的作物品种的引入、不同轮作体系的栽培、耕作、管理与养分调控、经济与生态效益的评估等方面的研究仍显不足，缺乏定量化的分析与系统的评价。同时，社会经济的发展和集约化种植模式的推广应用，也为传统的轮作种植模式提出了挑战，适应新型轮作种植模式的相关技术研究需要进一步深入研究。此外，中国也存在新型轮作种植模式经验不足、农民对新技术接受水平不高、政策推广制度不完善、补贴落实不科学等问题，阻碍了新型轮作种植模式的推广应用进程。针对上述问题，中国应因地制宜完成基础技术研发、技术推广、政策落实、大数据建立等工作，发展不同轮作模式，特别是新型轮作模式的效益评估，为科学、准确地评估轮作种植制度提供技术支撑，为中国乡村振兴事业的发展奉献力量。

4.1 制定科学的轮作制度，发展适用的轮作技术模式

中国土地辽阔，资源丰富，不同地区的气候、土地状况、作物种植及人民需求的情况不同，因此当政府制定轮作制度时应多方面综合考虑，针对各个地区不同自然条件和社会经济条件来确定经济环境双赢的轮作方式，并根据轮作制度的不同提供相应的轮作耕作、种植、管理的配套技术。比如《2019年全国耕地质量等级情况公报》中显示，黄土高原区以及内蒙古及长城沿线区的土地平均等级分别为6.47等和6.28等，植被覆盖率低，荒漠化严重，水资源缺乏[61]，所以此地区的大部分农民选择种植旱地作物，如马铃薯、小麦等。因此，在考虑将轮作应用到这些作物时，更多的应注重土壤的保护以及水资源的利用率，大自然协会在马铃薯轮作的研究中发现，在6种轮作方式当中，马铃薯-黑麦草/燕麦这种两年三季的轮作模式，由于能够充分利用冬季的种植时间，具有最高的经济效益与生态效益，所以，在干旱半干旱地区，运用多熟制轮作，同时种植覆盖作物可以获得更高的经济效益及生态效益[7]。而在中国南方，如长江中下游区、西南区，气候适宜，耕地平均等级为4.72等和4.98等[61]，土壤条件优越，所以在南方应用轮作制度能够在保持土壤健康的同时兼顾产量的提升，如在水稻的种植中加入绿肥、豆类、牧草、以及其他高效经济作物，丰富种植作物种类、多样化轮作方式以及种植模式[62]，这样可以有效增加轮作的经济效益，帮助农民节本增收，同时增加土壤有机质，防止由于种植单一作物所带来的土壤连作障碍[63]。

另外，在制定科学的轮作制度的同时，轮作相关的配套技术同样值得被重视，一是采用保护性耕作措施，保护性耕作是指减少耕作，利用作物的残茬覆盖土地，从而帮助土壤保持养分，减少环境恶化。周少平等[64]在黄土高原西部对玉米-小麦-大豆轮作系统进行了保护性耕作的试验，结果显示，相比于传统耕作，在传统耕作+秸秆覆盖的情况下，玉米产量增长了9.97%，在免耕+秸秆覆盖的条件下，系统平均贮水量增加7.4 mm，因此保护性耕作大大增加了轮作所带来的效益。二是选择更加高效的节水灌溉方式，秦欣等[65]通过对于华北地区冬小麦和夏玉米轮作的研究发现，相比于重度灌溉，节水灌溉可以使得轮作系统周年产量提高5.19%，周年水分利用率提高18.97%，因此，在轮作原本所能带来的效益的基础上，节水灌溉可以进一步提升作物产量以及水分利用率，并且可以有效利用雨水，对于地下水的依赖大大降低。三是轮作体系中加入覆盖作物，覆盖作物可以保护土壤，减少作物养分的流失，起到抑制杂草，降低病虫害发生率的作用，同时可以有效固碳，减少温室气体的排放，Chu等[66]在田纳西大学选择将小麦、黑麦、燕麦等覆盖作物加入玉米-大豆轮作生产体系，发现多物种混合覆盖后，土壤水分含量从17%增长到21%，土壤无机氮含量从15.8 mg/kg增长到20.5 mg/kg，同时大豆产量为4550 kg/hm2，而无覆盖组大豆产量低于4000 kg/hm2，轮作产生的生态效益与经济效益得到了进一步提高。因此，应用适用的轮作相关技术可以改善土壤健康，提升产量，带来更可观的经济效益与生态效益。

4.2 加强轮作宣传与推广

农民是农业生产活动的主要实施者，中国大部分农民因受教育程度不高，存在缺乏农业知识与技术、环境保护意识落后等问题，因此加强农业相关推广，不仅可以提高农民的思想水平，还可以有效宣传轮作政策及轮作方法。如美国一直执行着“三位一体”的合作农业推广体制，即教育、科研与推广有机结合的模式，将高校科研与农业推广紧密结合，有助于将高校的科研成果进行转化，再由专门的农业推广人员用通俗易懂的语言撰写论文，并发放给农民；同时高校、各个州或者组织都会定期举行农业研讨会和教育培训，使得农民有足够的机会了解轮作等相关知识，有效提高农民的思想水平和知识储备，使得他们在今后的种植过程中能运用更科学、更环保的轮作方式[52]。在中国，可以借鉴其他国家的做法，采取以下方式进行宣传和推广。一是以村、镇或县为单位，定期举办研讨会，参会人员可以包括农民、农企员工、高校教授、政府工作人员等，为他们提供一个良好的平台来加强理论与实践的联系；二是通过相关的培训，让农民了解当地轮作的相关措施以及政策，在培训期间，政府工作人员还可以切实了解到农业工作者的想法及需求，为以后的工作改进提供可靠的依据；三是大力发展民间自发组织，可以有效辅助政府工作，同时更加贴近于农民自身的需求，有助于对农民的培训与教育。

4.3 科学落实政策——灵活的补贴体系是中国轮作发展的重要保证

一是针对补贴政策单一、一刀切的问题，政府应该加强补贴的细化程度，进行差别化补偿、精准补贴，针对不同地区、不同作物种类制定不同的补贴标准，以防存在多补和少补的问题；二是简化发放补贴程序，尽可能地使政府部门与农民直接对接，以防出现效率低下、贪污、挪用等现象；三是多样化补贴方式，完善补贴评价体系，从不同层面上多角度准确地分析农民的需求，如在美国，直接付款的补贴方式已经非常少见，作物保险计划、收入担保补贴以及价格支持等是主流的补贴方式，通过保障收入、提供资金等方式可以有效降低农民的风险[54]，保险公司、信托公司、政府部门等不同机构均参与农作物生产的补贴，能够更准确、科学地对农民种植计划进行评估并根据市场反馈进行合理补贴。

4.4 建立合理评估机制、及时调整政策

轮作是一项长期的政策，政府应定期地进行检验与评估。由于缺少经验，中国轮作政策的落实仍然存在漏洞，因此定期进行检验与评估能够准确找出其中的问题，并及时进行调整，将轮作效率最大化。其中最重要的一环是制定详细、准确的标准评估体系，以便于基层组织进行验收，美国与加拿大均以土壤普查资料、耕地地理信息资料和社会经济资料为基准建立环境效益评估体系，并且注重根据全球粮食产量和市场情况调整轮作方式，取得了良好效果[52]。中国近阶段也应着手完善土壤、地理信息等数据库，制定准确指标，同时加快推进遥感技术等监测手段，协同第三方机构，定期进行轮作评估，及时进行相关调整，使得轮作制度走向健康的发展道路。