全球人口持续增加与耕地面积减少的矛盾导致农业生产需以提高单产来增加总产。大量投入化学制品，如化肥、农药等，成为提高作物单产的重要方式。然而，这种方式反之带来一系列生态环境问题，如大气、土壤、水体污染等。由于农村劳动力缺乏和农业机械化水平的不断提高，规模化、集约化的生产方式成为目前农业发展的基本趋势。为了便于集中管理，种植作物相对单一。这种长期单一的种植制度持续消耗耕地地力，过度开采地下水，大量使用化肥农药，最终导致耕地质量退化、土壤养分失衡、水资源短缺、农田生物多样性降低、病虫草害严重等问题。
近年来，人们的饮食结构逐步发生变化，由精细粮转为粗细粮搭配。对花生、甘薯、大豆等相关制品的需求逐渐增加。根据国家农业转方式、调结构的重大战略部署，种植结构调整迫在眉睫。合理的轮作制度具有调节土壤肥力状况、改善土壤理化性状、防除或减轻病虫草害、增加生物多样性等作用。如何创建与区域承载力相适应的粮食作物、油料作物、块根类作物、绿肥作物、覆盖作物的新型多样化轮作制度以及配套耕地质量提升、作物茬口组配，资源优化分配，病虫草害防治、全程机械化的关键技术已成为世界范围内相关政府、专家、学者和大众共同关注的焦点。因此，构建新型多样化轮作制度对缓解资源压力、保障农业可持续发展具有重要意义。
1 多样化轮作制度发展历程
轮作是我国传统农业的精华，由古至今被世界各地所推行。我国古代轮作大致分为3种类型。一是豆谷轮作。据北魏时期农学专著《齐民要术》所记载，那个时代的农民虽并不了解豆科作物根瘤可固定空气中的氮素，但已充分认识到豆科作物在轮作中养地的作用。将豆类作物作为前茬作物，既可促进作物生长发育，又能提高土壤肥力。豆谷轮作的主要方式有大豆-小麦，绿豆、小豆-谷子，大豆-谷子、黍、稷，小豆-春小麦等。二是粮绿肥轮作。我国从西周时期已经开始种植野生绿肥作物。种植下茬作物前，将绿肥作物就地打碎还田，沤烂后可培肥地力，提高后茬作物产量。粮肥轮作的主要方式有谷子-胡麻(绿肥)，小麦-绿豆(绿肥)，小麦-苜蓿，水稻-苕草，水稻-翘荛等。三是水旱轮作。主要是指南方地区一年两熟的稻-麦、稻-油菜、稻-豆等轮作方式。
同样，其他国家也早已认识到轮作的重要性，主要也是分为3种类型。一是在欧洲盛行的“三圃轮作制”，即冬季作物(小麦、裸麦)→夏季作物(大麦、燕麦)→休闲，3年1个循环。二是粮草轮作制。进入17世纪，随着畜牧业的快速发展，对牧草的需求增加。三圃制中的休闲圃被牧草圃所代替。三是粮草根菜类轮作制。进入18世纪，三圃制发展为四圃轮作制，主要形式为冬季作物(小麦等)→根菜类(芜菁)→夏季作物(大麦等)→红三叶(一年生牧草)[1]。
由上述可以看出，世界人民早在古代就已认识到多样化轮作的用地养地的精髓。我国很多农谚，如“倒茬如上粪”“要想庄稼好、三天两头倒”就是对当时轮作效应的通俗描述。利用豆科作物的根瘤菌固氮来维持土壤氮素平衡、利用绿肥作物秸秆的还田沤腐维持土壤有机质平衡、利用不同作物茬口特性来优化资源配置来保障土地持续产出。同时对于一些连作障碍导致的病虫草害，通过实施轮作可进行有效控制。
2 多样化轮作制度国内外研究现状
2.1 多样化轮作制度的产量效应
某一种轮作模式是否增产与多种因素有关，比如，土壤肥力、作物类型、不同茬口以及耕作管理等。在基础地力水平较低的田块实施轮作，作物增产效果显著，而在中等或高肥力田块会削弱轮作的增产效应[2]。前茬作物类型不同对后茬作物产量影响存在差异。前茬为麦类作物，其对后茬作物的产量影响较小；而与根茎类作物或油料作物轮作使后茬作物产量提高15%～19%；当前茬作物为豆科作物时，后茬作物产量优势显著高于其他作物[3-5]。在粮菜轮作系统中，大豆茬的玉米较连作增产5%，而马铃薯茬和甘蓝茬的玉米较连作减产3%[6]。Behnke等[7]在美国伊利诺斯州布置的15 a玉米-大豆长期轮作定位试验研究发现，玉米产量提高20%，大豆产量提高5%。这说明将豆类作物加入轮作系统，利用其生物固氮和养地功能可提高系统整体生产力。耕作栽培管理方式同样也影响轮作系统中作物产量效应。传统耕作方式下的轮作产量效应大于保护性耕作；不施氮或施低氮条件下(0～120 kg/hm2)轮作的产量效应大于高氮投入(>120 kg/hm2)[3]。
2.2 多样化轮作制度的生态环境效应
对于轮作的生态环境效应，国内外学者进行了较多的研究。实行轮作可实现“减肥、减药、节水、固碳减排”，促进农业环境持续健康发展。
2.2.1 减肥提效 主要是指减少氮肥的投入。豆科作物通过根瘤固定的氮素是免费的氮肥资源。据估计，全球通过豆科作物固定的氮素高达1.3亿t[8]，发展豆科作物是解决氮肥不足、生态污染和能源紧缺问题的重要途径。有研究表明，将豆科作物加入轮作系统中可显著提高土壤的碳矿化率和酶活性，进而提高土壤有机碳和全氮含量[9-10]，在减少氮肥施用量的前提下，实现稳产或增产。在美国农业部农场的一项长期定位试验的氮平衡研究中表明，小麦单作的氮平衡呈负平衡(-39～-36 kg/(hm2. a))，通过与油菜、豌豆、亚麻轮作后，系统氮平衡范围为9～25 kg/(hm2·a)。说明通过合理轮作降低了系统氮投入，增加了氮盈余[11]。
2.2.2 减药控害 是维持世界农业绿色健康可持续发展的关键技术之一。合理轮作是综合防治病虫草害、减少化学药剂使用量的重要途径。大豆孢囊线虫病是世界大豆主产区的主要虫害问题，美国每年因大豆线虫病减产5～15亿美元[12]。研究表明，不同茬口下的作物根渗出物对大豆孢囊线虫卵的孵化有一定的抑制作用，因此，可通过茬口组配来减轻大豆孢囊线虫病的为害[13-14]。同时，前人研究发现，不同前茬作物对油菜根肿病的发生危害程度存在差异，其中大豆-油菜轮作可显著降低油菜根肿病的发病率，其主要是由于大豆作为前茬作物时，油菜根际的可抑制根肿菌侵染的微生物群落含量显著提高，这可作为油菜根肿病防治的重要生物防治资源[15]。作物的伴生性杂草与作物的生活习性相似，很难进行防治。通过轮作后改变了农田生态环境，一些伴生或寄生性杂草失去寄主植物，进而减少或抑制对作物的危害[16]。如高粱-小麦轮作可显著抑制杂草[17]。与抑草原理类似，改变害虫的生态环境和食物链，不利于害虫正常生产和繁衍，从而达到减轻或消灭虫害的目的。乔月静等[18]研究表明，与甘薯连作相比，通过轮作可显著提高甘薯根际线虫群落多样性，降低线虫数量，同时通过增加轮作长度也可打破病菌、杂草种子库、害虫的生病周期，降低病虫草害基数[19]。实行多种作物轮作可实现高产的同时，以更少的化学制品投入进行病虫草害和养分管理，从而改善农业生态系统环境[20]。
2.2.3 节水增效 是实现缺水区域农业持续稳定发展的关键所在。不同作物对土壤水分、养分需求存在差异。通过不同作物间的时序和空间配置，可充分利用不同土层的土壤水分，同时在一定程度上可增加土壤储水量，提高水分利用效率。Huang等[21]在黄土高原地区的轮作模式研究表明，通过玉米、豌豆与小麦轮作使小麦水分利用效率提高了33%。Yang等[22]研究表明，与麦玉模式相比，粮棉油模式的周年灌溉量减少116 mm，节水22.6%，并且增加了深层土壤储水量。因此，与浅根作物或块根作物轮作，可为冬小麦等下茬深根作物提供良好的土壤水分条件，实现空间上的水分互补。结合区域资源特性和市场需求进行结构性节水，如降低熟制和季节性休耕是维持地下水资源高效利用的重要方式[23]。
2.2.4 固碳减排 对缓解气候变暖给农业带来的负面效应具有重要意义。有关轮作的固碳减排效应，前人进行了较多的研究。Meyer-Aurich等[24]基于20 a的长期定位试验表明，玉米-苜蓿轮作系统中土壤固碳量高达289 kg/(hm2. a)，高于玉米-大豆轮作和玉米单作。Gan 等[25]在加拿大地区的研究表明，轮作中加入油料作物和豆类作物有利于降低的碳足迹。因此，通过发展多样化轮作可增加土壤有机碳库、降低温室气体排放和硝态氮淋洗[26-28]。
综上，发展多样化轮作制度是实现种植业节能、减排、增效、绿色的重要途径之一。
2.3 多样化轮作制度的生物多样性
通过多样化轮作无疑从时空角度增加了农田生物多样性。作物轮作影响土壤细菌多样性和活性。土壤微生物活性和代谢多样性有助于土壤团聚体的形成和养分循环[29]。Venter等[30]通过Meta-analysis表明，多样化轮作模式使微生物的丰富度和多样性分别增加15.1%,3.4%。因此,可以通过设计特定和多样化的作物轮作来减少农业集约化的负面影响，如土壤养分失衡、生物多样性降低[31]。因此，构建适宜当地的轮作模式可改善土壤细菌群落结构，提高土壤系统生产力[32]。
2.4 多样化轮作制度中覆盖作物效应
覆盖作物一般是指种植在两季作物之间休闲期的作物，生长期为2～8个月，种植下茬作物前粉碎还田。种植覆盖作物具有一定的生态效益，它可改善土壤物理属性，减少土壤侵蚀，提高生物多样性[33]，还有研究认为，覆盖作物并没有改善耕作制度下的杂草管理[34]。有关覆盖作物对水分平衡影响的研究认为，覆盖作物可降低土壤蒸发和深层渗漏，但相比裸地，覆盖作物本身确增加了植株蒸腾和蒸散量，降低了地下水补给量[35]。在大田生产中，可通过合理优化管理措施来平衡覆盖作物的这种作用和反作用之间的关系。通过合理施肥和选择适宜的覆盖作物种类可改善土壤养分，降低硝态氮淋洗，减少对水体的污染[36-38]。种植豆类覆盖作物，可利用其生物固氮作用，减少化学氮肥的投入，同时为后茬作物提供有效养分[39]；种植非豆类作物，如黑麦草、冬黑麦、饲草等，其在恢复土壤矿质氮方面效果显著[40]。Wulanningtyas等[41]在日本的一项研究表明，采用免耕与黑麦作为覆盖作物可提高土壤有机质，是保持土壤健康的有效耕作管理技术。因此，在作物轮作体系中合理利用覆盖作物是有机农业过渡期维持农业生产力的有效途径。
2.5 多样化轮作制度研究方法
2.5.1 固碳减排效应量化方法 前人对轮作系统固碳减排效应的评价方法主要包括：采集箱法+气相色谱分析系统实测法[42-44]、微气象学法[45-47]、农业生态系统模型-DNDC(DeNitrification and DeComposition)[48-49]、IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)排放因子法[50-51]等。采集箱+气相分析系统实测法是在箱内空气与外界无任何交换的情况下，通过单位时间内气体浓度变化来计算，是在小尺度范围内测定农田温室气体排放量，该方法操作简单，但破坏了被测地块上的自然状态，导致温室气体挥发通量的低估。微气象学法是直接测定测试区上方空气中的温室气体浓度变化，该方法测定准确性较高，可真实反映田间温室气体挥发情况，但所需仪器设备昂贵，测试面积要求足够大(>1 hm2)，气象条件要求高等。DNDC模型是对农田生态系统碳氮循环过程进行模拟。该模型输入参数包括：基础地理信息、气象资料、土壤属性、农业管理措施等。IPCC排放因子法是对农田氮源投入进行汇总(化肥氮、有机物质氮、秸秆氮)并根据氮排放因子进行计算，其优势是计算参数容易获取，计算简单方便，但氧化亚氮排放受多种因素影响，如气候、土壤、农田管理等，使用该方法计算时采用统一的参数及排放因子，不能精确反映外界因素变化导致的氧化亚氮排放差异。以上方法均是基于生命周期评价(LCA)计算轮作系统周年所有投入的农资及生产资料在生产、运输和使用过程中直接或间接排放的温室气体总量。Goglio 等[52]基于LCA对比了上述不同量化方法对轮作系统温室气体排放量的影响，分析发现方法间对土壤CO2 排放量的模拟无显著差异，但只有DNDC方法对N2O的模拟值与实测值最相近。选择哪种分析方法对生态系统碳排放进行评估需根据当地气候、土壤、农田管理等各种因素综合考虑。
2.5.2 轮作系统水分循环 轮作系统水分循环的研究方法主要为农田水量平衡法，采用连续水分监测系统监测土壤水分变化，通过模型模拟周年蒸散量、深层渗漏量、土壤贮水量变化等。前人对不同轮作模式的水分循环规律进行了相关研究，研发了不同形式的计算模型，如田间量化分析的土壤-水分-大气-植物系统模型(SWAP模型)、基于土壤水分平衡的Kendy-模型[22]、达西公式算法[53]等，这些计算模型为轮作系统水分循环规律提供了有效量化工具。
2.5.3 轮作生态系统氮素循环 由于土壤氮库组成来源多样，采用同位素标记技术来评估轮作系统间氮素动态及定量作物氮营养来源对优化轮作养分管理制度具有重要意义[54-56]。Taveira等[57]利用15N同位素示踪技术对单一轮作和多样化轮作中的作物进行标记，定量了地上和地下作物残留氮素对后茬作物的贡献。
2.5.4 轮作系统稳定性评价 在未来气候变化背景下，系统的稳定性评价是轮作模式推广应用的重要前提。轮作系统的稳定性评价主要包括静态评价和动态评价[58-59]。静态评价是用来评估不同生态环境下的系统稳定性，通常用相关系数(CV)来表示；动态评价是用来评估同一生态环境下作物生产力变异，通常用Finlay-Wilkinson 回归系数来表示。
3 多样化轮作制度的未来发展方向
近些年，多样化轮作制度研究不断优化完善，资源利用率显著提高。利用不同类型作物对资源利用的时空差异性及作物间的相生相克原理进行品种筛选和茬口组配，优化资源配置，减轻病虫草害、减少化学制剂投入，实现农业提质、增效、绿色发展。推广应用多样化轮作制度是世界范围内实现农业可持续发展的重要途径。多样化轮制度的未来发展方向应集中在以下几点：
3.1 集成农机农艺配套综合管理技术，发展集约化轮作制度
有些种植模式由于经济效益低或者机械化程度不高，加之农村劳动力缺乏、人工费持续上涨，导致农民种植积极性不高。政策引导或实行补贴是推行多样化种植制度的关键途径。农业机械化、信息化、规模化是现代农业发展的重要基础，农艺技术措施是保障国家粮食安全的技术支撑。大力研发配套农机设备，实现多样化种植模式从种到收全程机械化作业，节省人力物力，辅之农业相关补偿政策，降低生产成本和经营风险，提高农民种植积极性。将先进的农机农艺进行有机融合，适度规模生产，全程智能、信息机械化操作，助力集约化轮作制度的大力发展。
3.2 建立多样化轮作模式综合评价制度，充分发挥轮作综合效应
前人对轮作模式的评价方面多集中在产量、经济效益方面，缺乏综合评价机制。未来应从多视角如生态、提质、增效以及系统稳定性等方面建立多样化轮作制度综合评价体系。将评价指标进行标准化、定量化，科学进行效应评价。综合管理技术措施，来充分挖掘轮作效应潜力。
3.3 创新轮作制度研究方法，探究轮作效应内在机制
采用长期定位试验是国内外轮作试验设计的主要方法，其特点是轮作周期长、工作量大。创新轮作设计方法，缩短研究进程是加快轮作制度推广应用的重要基础。针对不同生态类型区的资源环境特点及生产中的问题，设置长期定位区域化新型轮作制度试验，深入分析轮作效应内在机制，为相关政策引导和制度推广示范提供理论基础。在研究内容上，如何将耕作栽培学、生理学、生态学、分子生物学进行多学科交叉来研究轮作效应的内在机制成为未来多样化轮作制度发展的重要方向。
4 结语
多样化轮作制度是人们在长期生产实践中探索出来的耕地用养结合的农业技术，是维持我国农业系统生产力和几千年不衰退的重要措施。随着人口增多和耕地的减少以及劳动成本的增加，集约化单一种植制度逐步占据主导地位。大量化肥和农药的使用在发展现代农业发挥了重要作用，但随之带来了一系列生态环境问题。多样化轮作制度被政府、相关学者重新重视。中央文件也多次强调加强供给侧结构性改革，开展耕地轮作休耕制度试点。多样化的轮作制度在提高作物产量、培肥地力、减少化学试剂投入、节约水资源、防控病虫草害、降低温室气体排放等方面发挥了无可替代的作用。为应对未来农业发展面临的重大挑战，应充分挖掘轮作制度的潜力，构建区域化新型耕作制度，对持续推进我国农业绿色发展和资源高效利用具有重要战略意义。
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