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洛桑试验站的长期定位试验:简介及体会

    英国洛桑试验站( Rothamsted Experimental Station,现称Rothamsted Research,洛桑研究所) 是世界著名的农业研究所,该所进行的一些长期定位试验至今已有150~170 年的历史,为农学、土壤学、植物营养学、生态学和环境科学的发展做出了重要贡献,被称为“经典试验”。这些长期试验对探索现代农业可持续性仍然有着重要的指导意义。作者有幸于1992 至2011 年在洛桑试验站工作20 年,多次用到了长期定位试验及保存的样品,对这些试验的宝贵价值深有感触,特撰此文予以介绍。

 

1 长期定位试验的历史与沿革

 

    洛桑试验站最早的田间试验开始于1843 年,最初的目的是比较不同有机、无机肥料对作物产量的效应。当时李比希( Liebig) 提出矿质营养学说不久,曾认为植物的氮素来自于空气。洛桑试验站的创始人Lawes 对此有异议,认为植物的氮素源于土壤,便设立了一系列田间试验加以验证。

 

    Lawes 是牛津大学化学系的学生,他在自家卧室研究用骨灰加硫酸产生过磷酸钙,并取得专利进行工厂化生产,用所得利润支持科学研究,为世界农业发展做出了杰出的贡献。他设立了Lawes 农业公益基金,防止他的艺术家儿子挥霍其遗产,为长期定位试验能够保持下来奠定了经济基础。

 

    洛桑试验站有多个长期定位试验,保持至今超过百年的试验有7 个,其中以Broadbalk 小麦试验、Hoosfield 大麦试验和Park Grass 牧草试验最为著名。试验包括了一系列氮、磷、钾、镁、钠、硅、有机肥处理及不施肥对照,氮处理包括了不同水平氮量和氮形态( 铵、硝。在这些试验中,与不施肥的对照相比,肥料的增产效应非常明显( 图1 显示了Broadbalk 小麦试验的部分结果) 。


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图1 Broadbalk 长期定位试验小麦产量变化趋势

    图1 还表明,对于Broadbalk 小麦试验,合理施用化肥的处理可以获得与有机肥处理同样的产量。图1 从一个侧面反映了过去一个多世纪的农业发展史,清楚地显示了肥料、育种、轮作和植保对小麦产量的重要贡献。其中,20 世纪60 年代引入小麦矮秆品种,使得产量跳跃性地增加,对肥料的反应也更为明显,这便是众所周知的“绿色革命”

 

    长期试验的处理并非一成不变。开始每个处理试验小区面积均较大,后来根据试验结果及农业发展的新需求将小区分裂。在裂区中保留了原有的处理,也引入了新的处理,如轮作、施用石灰、使用农药和秸秆还田等处理,另外对一些处理停止施用肥料,以供观察土壤肥力和植物多样性的变化。20 世纪90 年代还在轮作中引入玉米这一C4 植物,以便后人采用13C 同位素比率研究土壤碳的转化。

 

    试验处理缺少重复是洛桑试验站长期定位试验的一个先天缺陷。剑桥大学数学系毕业生Fisher 1919 至1933 年在洛桑试验站工作,分析长期试验的数据,很快意识到这些长期试验的缺陷,在此基础上建立了试验设计、方差分析等一系列现代统计方法,成为生物统计学最重要的奠基人。Fisher 还在群体遗传学研究中做出了杰出的贡献,因此著名进化生物学家Dawkins 称Fisher 为自达尔文以来最重要的生物学家。

 

2 元素循环

 

    洛桑试验站的长期定位试验影响了世界各地的农业科研工作者,类似的长期试验在多个国家( 包括我国) 先后建立。洛桑试验站的长期试验有一个独特的优势——试验样品的长久保存,自始至今已经累计保存约30 万份土壤、植物、肥料样品。这些样品为后人研究元素循环、环境变化提供了极为宝贵的材料。

 

    全球土壤碳总量大约是大气碳的2 倍,土壤有机碳不仅对土壤肥力至关重要,而且对全球碳循环有着重要影响。土壤碳库变化缓慢,短期试验难以准确反映土壤含碳量的变化。基于洛桑试验站的长期试验及其保存的土壤样品, Jenkinson 等建立了世界上第一个土壤碳循环模型,该模型被广泛应用于预测不同耕作系统土壤碳量的变化以及全球气候变化中土壤碳的作用。

 

    从Broadbalk 长期定位试验的土壤碳库变化动态( 图2)可以看出,与对照小区相比,长期施用化肥( N、P、K)的处理土壤碳有所增加,并非像有些人认为的长期施用化肥必然导致土壤碳库的递减,这是由于施肥促进作物生长,增加进入土壤的作物残茬的缘故。施用有机肥的小区土壤有机碳含量显著增加,尤其是试验的前70 年,之后土壤有机碳逐渐接近一个新的水平,说明有机碳的投入与分解渐趋平衡。

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图2 Broadbalk 长期定位试验土壤碳库变化动态( 符号代表实测值,线代表RothC 模型模拟结果)

 

    相反,Hoosfield 长期定位试验中一个120 多年前停止施用有机肥的处理,目前土壤有机碳含量仍然明显高于无机肥处理,说明了土壤有机质分解的缓慢。此外,人类燃烧煤与石油导致空气CO2浓度增加的同时,使13C/12C 比率( δ13C) 下降,这一变化也清楚地记载于长期定位试验的植物样品中。

 

    氮肥是农业生产的重要要素,但是氮肥使用不当会带来诸多环境问题。Lawes 在长期定位试验的早期就已经关注氮素损失的问题,并就此发表过一系列的文章。20 世纪80 年代,Powlson 等通过15N 标记,详细地测定了氮素循环过程及通量,为建立氮循环模型提供了关键的数据。

 

    英国冬小麦生产体系中,氮的主要损失途径是硝酸盐淋失,淋失量随着氮肥用量的增加而增加,尤其是氮肥用量超过最佳经济投入量时尤甚( 图3) 。

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图3 Broadbalk 长期定位试验不同处理氮素淋失量

 

    图3 还表明,施用有机肥的处理小区,由于肥料施用量较大( 每年鲜质量35 t·hm-2) ,导致较多的硝酸盐淋失。此外,即使在100 多年未曾施用氮肥的对照小区,仍然存在少量硝酸盐淋失,其主要来源是大气氮沉降,这说明要完全消除氮素损失是不可能的。联合国粮农组织的统计数据( http:/ /faostat.fao.org /) 表明,我国肥料生产效率( 即总产量与肥料用量的比例) 显著低于发达国家,如何提高氮素利用率是我国农业生产面临的重要问题。

 

    磷矿是不可再生的资源。世界的磷矿资源有限,按目前磷矿的消耗量计算,世界储量将在三、四百年内被耗竭,因此,如何高效利用现有的磷肥资源对农业的可持续发展至关重要。

 

    以前普遍认为,磷肥容易被土壤固定,不易淋失。Broadbalk 长期定位试验表明,当土壤碳酸氢钠可提取磷( Olsen 法) 达60 mg·kg-1以上,渗漏水的磷浓度迅速增加。虽然磷的淋失量只占土壤磷总量很小的部分,但是从土壤淋失的磷进入水体容易引发富营养化,造成水体污染。

 

    长期定位试验的结果还表明,土壤对磷肥的固定并非不可逆转,当磷肥停止施用以后,被固定的磷逐渐释放出来,作物可利用的土壤磷量大大超过碳酸氢钠可提取的磷量,但是当可提取磷低于大约15 mg·kg-1,作物容易缺磷导致减产。因此,维持土壤适量的有效磷,确保作物高产又避免磷的淋失,是土壤养分管理的一个重要目标。

 

    硫是植物必需的营养元素,但是由于大气硫沉降以及一些化肥( 如过磷酸钙) 含硫素,以往少见作物缺硫现象。英国是工业革命最早的国家,由此带来的环境问题,特别是燃煤引起的大量二氧化硫排放导致大气污染和酸雨,多年困扰这个老牌的工业化国家。

 

    自20 世纪60、70年代起,英国采取了比较严厉的环境保护措施,二氧化硫排放量逐年快速下降,至21 世纪初排放量已下降到150 年前的水平。大气硫沉降对土壤-植物硫循环产生了深刻的影响,这从洛桑长期定位试验保存的土壤和植物样品硫稳定性同位素比率变化趋势可以清楚看到( 图4) ,小麦籽粒和秸秆硫同位素比率( δ34S) 随着二氧化硫排放增加而下降,而从1970 年以后则随着排放量的下降而增加,根据同位素比率估算,在二氧化硫排放达高峰的年代,来源于大气的硫占小麦吸收硫总量的一半。

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图4 Broadbalk 长期定位试验对照区小麦籽粒与秸秆硫稳定性同位素34S/32S 比率(δ34S) 反映了大气二氧化硫排放量变化趋势

 

    大气硫沉降对土壤有机硫的形态也产生了显著的影响。我们采用同步辐射X-射线吸收光谱的方法测定了土壤硫的化学价态,发现土壤硫的价态受大气沉降、土地利用方式及有机肥施用影响,大气硫沉降导致土壤硫更多地以氧化态( S6+、S4+) 存在,而有机肥施用增加了还原态( S2) 的硫。

 

    20 世纪90 年代以后,由于大气硫沉降量低于作物需求量,作物缺硫现象日趋普遍。当Broadbalk 小麦长期试验的1 个小区停止施用含硫肥料1 年之后,小麦便出现明显的缺硫症状,不但产量降低,而且小麦的面包烘烤品质也下降。这个例子说明了硫具有污染元素和植物营养的两重性。随着我国过去30 多年经济的高速发展,二氧化硫排放量也大幅度增加,硫的污染元素效应更值得关注。

 

    Lawes 开始长期试验的时候,人们并不知道植物需要微量元素。有些微量元素对人体健康至关重要。据估计,全球有20 多亿人缺铁或锌,近10 亿人缺硒。在发展中国家,微量元素缺乏尤为普遍。“绿色革命”为世界粮食生产做出了巨大贡献,但也有人认为,单纯以产量为目标的育种与栽培方式可能导致营养品质的下降。

 

    我们对长期定位试验小麦籽粒的分析结果表明,自1960 年代中期引入矮秆品种以后,籽粒的微量元素锌、铁、铜、锰含量下降了20%~40%,其主要原因是籽粒产量增加引起的稀释效应。相反,施用氮肥既可以增加籽粒产量,往往又能提高微量元素的含量。如何通过育种及其他手段破解产量与营养品质之间常见的负相关,是农业科学研究的一项重要课题。

 

3 生物多样性

 

    生物多样性对生态系统的稳定性和服务功能至关紧要。洛桑试验站的多年生牧草长期定位试验( Park Grass) 至今已有156 年,提供了大量关于植物、土壤微生物和动物多样性及其动态的数据,成为世上最著名的植物生态学试验之一。Park Grass 试验表明,植物物种的多样性随着施肥和土壤酸化而下降,不施肥的对照小区有40 多种植物共存,长期施用铵态氮肥导致土壤严重酸化,pH 值降至4 以下,只有3 种耐铝毒的植物存在。

 

    Park Grass 试验包括了不同养分和施石灰水平共96 个小区,除了土壤pH 之外,土壤养分状况对植物物种多样性也产生了巨大影响。比如,在施用石灰维持土壤pH 6 左右的小区,植物物种多样性随着施肥而减少,尤其是N 与P都施用的小区多样性降低最为明显( 图5) 。Park Grass 试验给我们的启示是,要恢复受人类活动影响而减少了的植物物种多样性,关键是降低土壤氮、磷养分有效性和防止土壤过度酸化。

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图5 Park Grass 长期定位试验养分处理对植物物种多样性的影响

 

    土壤微生物种类及数量繁多,并且99% 以上的微生物种类难以培养,因此为研究土壤微生物的多样性和功能带来了极大的挑战。据估计,每克土壤所含的微生物基因的数量为人类基因组的300 多倍。近年来随着基因组测序技术的快速发展,测定土壤的宏基因组( metagenome) 已经成为可能。

 

    国际土壤宏基因组测序协作组( http://www.terragenome.org/) 选择了Park Grass 长期定位试验的土壤进行宏基因组测序,正是看中这个试验的悠久历史及详尽的数据记载。这项工作的开展将极大地促进土壤微生物学的研究。

 

4 作物病原菌流行动态

 

现在已经无从考证Lawes 为什么要花费很多精力与资金把试验样品保存下来,这也许跟英国人的博物馆精神有关,访问过伦敦大英博物馆的人对此精神会深有感触。在长期定位试验开始的19 世纪中叶,人们对大多数现在的科学常识仍一无所知。比如,遗传物质DNA 是20 世纪以来的研究热点,又如pH 这一简单的概念直到1909 年才由丹麦化学家Sorensen 提出。

 

试验样品的保留为后人验证新的科学假设提供了宝贵的材料。Bearchell 等采用定量PCR 测定了Broadbalk 长期定位试验小麦秸秆纹枯病病原菌DNA 160 多年来的动态变化,发现引起纹枯病的2 种主要病原真菌( Phaeosphaeria nodorum 和Mycosphaerella graminicola) 的比例与英国SO2排放量有着很好的相关性( 图6) ,说明环境条件如空气污染很可能影响病原菌的群体动态,该研究结果以封面故事在美国科学院院刊PNAS 上发表。

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图6 Broadbalk 长期定位试验小麦纹枯病流行病学研究( 病原菌Phaeosphaeria nodorum 与Mycosphaerella graminicola DNA 比率与二氧化氯排放量的关系)

 

5 有机与无机污染物积累与归趋

 

    长期定位试验保存下来的土壤与植物样品为检测人类活动产生的污染物及其归趋提供极佳的材料。研究发现,长期定位试验的对照区土壤多环芳烃( PAHs) 浓度在1880 至1990 年的100 多年间增加了6 倍( 由0.3 mg·kg-1增至1.8 mg·kg-1) ,二恶英类污染物( PCDD/Fs) 增加了3 倍( 由30 ng·kg-1增至90 ng·kg-1) ,这些污染物通过大气沉降进入土壤,并且持久性地存在于土壤中。

 

    随着多氯联苯( PCBs) 生产和使用的增加,其在土壤中的浓度也随之增加,但由于这类污染物挥发性较高,当其被禁止生产之后,其在土壤中的浓度也随之下降,除了部分被微生物降解,很可能还从土壤重新挥发进入大气。

 

    与有机污染物不同,重金属不可能被降解,一旦在土壤累积,将很难去除。由于磷矿粉含重金属镉,磷肥是镉的重要来源,长期定位试验的分析结果清楚地显示了施用磷肥处理小区土壤与植物的镉浓度增加。由于动物饲料往往添加了铜和锌,这2 种重金属浓度在施用有机肥的小区增加明显。铅主要来自大气沉降, 20 世纪80 年代中期之前,大量含铅汽油的使用使得土壤与植物铅浓度显著增加,含铅汽油禁用之后,植物铅浓度随之下降。

 

    长期定位试验的样品还被用于检测放射性核素,这些核素来自于核弹爆炸试验或核电站泄漏。虽然爆炸试验地离英国洛桑试验站很遥远,但是大气循环将释放出来的放射性核素传遍了全世界。分析表明,Park Grass 长期定位试验的牧草样品清楚地记载了20 世纪50—60 年代一些国家进行了核弹爆炸,这段时间内采集的牧草样品显示了多个放射性核素239+240Pu、235+238U 与137Cs 浓度的高峰。1986 年的切尔诺贝利核电站泄漏事故,也清楚地记载于牧草样品中。

 

6 结束语

 

    本文介绍的只是洛桑试验站长期定位试验很少的部分成果,从中对其多重的用途可窥一斑。值得指出的是,有些试验结果可能具有广泛适用性,而另外一些结果则局限于试验地点特定的土壤、气候和耕作条件。

 

    农业生态系统中很多过程进展缓慢,环境条件也在不断地发生难以预测的变化,短期试验不能揭示长期的变化趋势,因此,长期定位试验是不可替代的研究手段。洛桑试验站的经验还表明,长期定位试验有着许多预想不到的用途,这些用途远远超过了试验初期的预期。过去170 年来,科学知识突飞猛进,但是长期定位试验并没有因此过时,原因是这些试验为验证新的科学问题提供了重要工具。

 

    长期定位试验虽然重要,但是由于建立及维持这些试验耗资耗时,不可能也不应该随意设立。设立长期定位试验需要长远的目光,稳定的科研队伍、科研条件和经费保障,需要充分进行可行性分析,也需要有明确的科学问题,还要有足够的灵活性允许将来探索新的问题。

 

    试验设计当然必须符合生物统计学要求设计区组与重复,并考虑空间变异性; 另外,应适当考虑采用较大的小区面积,以便将来需要时进行裂区处理。洛桑试验站的另一个宝贵经验是样品的长期保存,这为长期定位试验增值起到关键性的作用。最后,如何确保多学科的交叉与合作,允许、鼓励外单位甚至是国外感兴趣的科研人员共享试验材料,是充分挖掘长期定位试验价值的关键。