为什么我们要改变洛桑研究所的长期实验？

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【文章信息】

原名：Why do we make changes to the long-term experiments at Rothamsted?

中文名：为什么我们要改变洛桑研究所的长期实验？

期刊：European Journal of Agronomy

2023影响因子：5

在线发表时间：2024.02.05

通讯作者：Paul R. Poulton

E-mail：paul.poulton@rothamsted.ac.u

第一单位：英国洛桑研究所

摘       要

   本文讨论了英国东南部洛桑实验站长期田间实验的变更原因。这些实验是研究土地管理、大气污染和气候变化对土壤肥力及作物产量可持续性影响的重要资源。论文指出，为了保持这些实验的相关性，有时需要进行一些改变，例如引入新的栽培品种和审慎使用农药。同时，强调了修改实验设计时应该经过仔细考虑和跨学科科学家的讨论，并提醒人们认识到一个实验所能实现的限制。此外，文章还举例说明了对洛桑实验站实验进行的某些变更及其结果，并强调了保存作物和土壤样本对未来研究的价值。

研究背景

     长期实验（LTEs）提供了通常无法通过其他方式获得的宝贵信息，用于理解和评估农作物系统和农业实践的可持续性或其他方面。这些信息包括作物产量的趋势以及与之相关的杂草、害虫和疾病发生的趋势及关于土壤性质变化的数据，其中一些只有在多年或几十年后才会变得明显，包括土壤有机物含量、pH值、营养库、作物对营养的可用性以及土壤物理和生物学的某些方面的趋势。LTE的最大的好处是多年来处理的连续性。但有些情况下需要或者希望改变管理方式，这是确保实验的继续或完整性所必需的，如在某些处理中难以控制杂草、或土壤侵蚀严重的情况、为了保持LTE与该地区当前农业实践一致，或者解决新出现的科学问题。

   本文的目的是举例说明在罗瑟姆斯特德的LTEs中所做的一些改变，为什么这些改变被认为是必要的，以及这些改变的后果是什么。我们希望其中的一些例子可以帮助那些可能经验较少的其他LTEs的管理者；这种情况出现在由于老员工退休或缺乏书面记录而导致管理连续性较差的地方。

研  究 方 法

实验是在英国东南部的对比土壤类型上进行的。位于罗瑟姆斯特德的粉砂质粘壤土，在沃本，土壤是砂质粘壤土，这两个地点相距30公里。分析现有实验设计的局限性和当前农业实践的变化需求。提出变更实验设计的建议，并强调在实施前需要跨学科的讨论和评估。通过具体案例说明变更实验设计的必要性和效果。

主 要 内 容

     对洛桑试验站 LTEs的修改是在不同学科的经验丰富的科学家之间进行了长时间的讨论后进行；且多学科的方法是至关重要的。避免做出改变以适应在其他地方进行的短期实验最好地回答的研究路线，任何处理或管理的变化将保持多年不变。唯一的例外是在耕地实验上种植的品种可能每四五年更换一次。对洛桑试验站实验所做的一些改变以及导致这些改变的原因将对其他LTEs具有相关性。讨论了如何利用LTEs来解决意外的问题，存档样本的价值以及评估气候变化影响的问题。因此，我们的讨论围绕三个主题展开：

1. 确保实验的原始目的和/或其延续性和完整性不受损害所需的必要改变

2. 计划的改变以确保实验仍然与该地区当前的农业实践相关，并解决新的或新兴的科学问题

3. LTEs作为环境和管理变化的记录。

1、土壤酸碱度 

     在罗瑟姆斯特德的LTEs中，最明显的基本变化例子是关于酸化、杂草控制和营养管理的变化。在长期施肥变酸的土壤上，将石灰撒在土壤上可以改善其可工作性和产量。由于土壤变酸对土壤根部的破坏性较大，因此通过石灰矫正土壤pH值，基于此状况，被用来研究pH值和缺乏作物对微生物群落的影响。与耕地LTEs相比，石灰处理已成为罗瑟姆斯特德公园草地实验的一个组成部分；这可能是世界上最重要的生态实验。部分地块在1903年或1920年被划分，每四年向每个地块的一半施用4吨/公顷的CaCO₃。在接下来的45-60年里，即使施用了石灰，接受硫酸铵形式的氮肥的地块也变得越来越酸，而接受硝酸钠形式的氮肥的地块则没有。故研究施用氮的数量和形式、土壤pH值和物种数量之间的相互作用，设置了硝酸钠和硫酸铵减半施肥处理。随着大气氮沉降减少约50%，整个实验中豆科植物在草地中的比例、物种丰富度和多样性都有所增加。

2、杂草控制      

       在罗瑟姆斯特德的耕地实验中，杂草最初是通过手工锄草和偶尔的裸露休耕来控制的。然而，在20世纪初，劳动力变得稀缺，控制杂草变得更加困难，谷物产量显著减少。在洛桑试验站实验中，该实验足够大，可以将其划分为五个部分；定期裸露休耕被依次引入各部分以控制杂草，小麦产量得以恢复。除草剂在1950年代引入，一些部分又回归到连续种植小麦。其中一个部分的一半从未接受过除草剂处理。小麦的产量大大降低，需要定期休耕以试图控制杂草。这个部分有超过50种耕地杂草，其中一些在英国是最稀有的。这些杂草是研究除草剂抗性的科学家宝贵的材料来源。

3、作物营养 

在任何LTE中，营养管理都是至关重要的。许多研究已经建立起来，以研究不同组合的有机肥料和/或无机肥料对产量的影响。他们的目的可能是测试例如施用的N肥对产量的影响，这将需要其他营养素（或杂草、害虫和疾病）不限制产量。通常这意味着那些其他营养素（P，K等）被作为基础施肥应用，但要确保这些基础营养素的差异性吸收不会混淆结果。设置了施肥、绿肥轮作等试验，由于常年的种植，表层土壤中的可交换K浓度过低，所有处理的基础K都增加了，并且每五年都会施加额外的“校正”K，主要是对更易于通过淋洗失去K的连续耕地轮作的土壤。"校正" K的目标是将所有地块的表层土壤中的可交换K浓度提高到250mg /kg。现在定期审查并更新肥料应用。肥料的应用现在已被定期审查和更新。植物可利用的磷维持在> 26 mg/kg。

4、机械化

早期耕地实验最初是由牛和马耕犁的，深度约为10-15厘米。拖拉机在20世纪初引入，耕犁深度增加到约20厘米。随着更强大的拖拉机的出现，耕犁深度仍然限制在<23厘米。这很重要，因为几乎所有的表土样本都取到23厘米（9英寸）深，现在取得的土壤可以直接与100或150年前取得的土壤进行比较。如果有可能增加耕犁深度，必须非常小心确保在任何改变之前或之后取样的土壤是可比的，可能通过在任何改变之前立即取样超过可能的新耕犁深度的土壤。另外，随着收割机-捆绑机，逐渐替代了人工，因此，比较了由饲料收割机获得的产量和那些在田间制作干草过程中会有一定损失的干草的产量，找到转换因子，可以用来比较1960年前后的生产量。

5、作物品种和轮作的变化

     为使实验与该地区的农业实践保持相关性，可能需要对种植方式进行改变。绿色革命出现后，改为种植短穗小麦。小麦实验中一部分恢复为连续种植小麦，其他部分则种植了作物轮作。短秆品种允许将肥料N的最大施用量增加到每公顷192公斤，且在大雨中作物“倒伏”的可能性较小。测试的N的主要形式从硫酸铵改为硝酸钙铵，后来改为纯硝酸铵。杀菌剂的引入意味着可以通过进一步提高测试的N的最大施用量到每公顷288公斤来利用现代品种的高产潜力。定期更换品种，尤其是当地正在种植的品种，至少五年内仍将保留在全国推荐列表中的品种，从而提供了一定程度的连续性。

6、施肥

      氮肥施用由一开始的一次施用，到后期农民建议的春季氮肥分为两到三次施用，旨在减少氮的损失并增加作物对氮的利用。对于两年休耕后的第二茬和第三茬小麦，平均来说，分次施肥有很大的好处。磷肥经过150多年的时间，不再在某些洛桑试验站实验的地块上施用磷肥。在2000年，表层土壤中植物可利用磷的浓度范围为65 - 100 mg/kg，远高于当时农民被建议保持其土壤的值。故决定在一些地块上暂停施用磷肥，直到Olsen P下降到更合理的农艺价值，即大约30 mg/kg Olsen P。由于工业革命的进行，大气中硫的输入量高达每公顷65公斤，硫的数量超过了满足耕地作物需求的程度，后20年不再施用硫肥，到2000年，这一输入量已降至约每公顷5kg硫，并且不再足以完全满足高产谷物作物的需求。在洛桑试验站，硫默认作为K和Mg肥料的一部分进行施用，因为这些肥料以硫酸盐的形式施用。

7、土地利用的变化

      在19世纪80年代，对洛桑试验站小麦和大豆实验的部分进行了重大改变。一个小的未施肥区域被围栏隔离并放弃。因为长期的耕作管理使得地上生物量中积累的碳储量增加和土壤体积密度/重量的改变。如果要计算土壤中SOC或N的数量随时间的变化，则需要考虑到管理变化前后相同质量的土壤。当土壤从连续耕地变为草地或永久草地，或者施用大量有机肥料时，也需要进行同样的校正。当土壤从林地清除或犁出长期草地并且体积密度增加时，需要进行反向校正。多用模型来研究不同土地利用类型下不同时间尺度上SOC的变化。在2008年，即实验开始的50多年后，决定在实验的特定地块或区域内反转处理。经过2.5年的改变，使用湿筛法测量土壤团聚体稳定性。与团聚体稳定性的结果相反，基于> 2 mm团聚体的X射线计算机断层扫描揭示的土壤结构表明，土地利用变化后土壤孔隙度的变化大多需要7-10年才能显现出来。一个例外是从裸露休耕转变为草地导致孔径分布的变化在2年内发生。目前，该地点用于量化土地利用变化后微生物和中型动物种群的变化。

8、肥料耗竭试验

       由于饥荒和肥料进口难度增大，探究各种有机肥料对市场花园作物产量的影响。堆肥、污水污泥、污泥堆肥和蔬菜堆肥与FYM和肥料进行了为期20多年的比较。残留效应对耕地作物的测量一直持续到1973年。后期受政策影响，将处理后的污水作为有机肥料提供给农民使用。因意识到食品健康问题，故停止试验，已经开展多年污泥的实验用来探究20-40年前施用的污泥中金属污染物的积累和持久性。其中的肥料、土壤及种植的作物样本被干燥并存档。恢复种植后，连同存档的样本一起，对其重金属含量进行了分析，探究金属在犁耕层中停留时间。在2000年初，实验的完整性受到了一个当地道路拓宽计划的威胁，这将影响到实验的四个区块中的两个，决定将40个地块（每个5米x 8米）的土壤进行物理移动。2005年，实验的另一侧挖了一个等效的区域，深度为25厘米，然后将每个地块的土壤分别移动到新的位置，深度为25厘米，移动了超过800吨的土壤。

主 要 结 论

    长期田间实验需要定期评估和更新，以确保其与现代农业实践保持一致性和相关性。变更实验设计应基于实际需求和科学论证，避免仅仅为了变化而变化。保存和管理好实验数据和样本对于未来研究和验证长期实验结果至关重要。