轮作定义

轮作是指在同一块田地里，在不同的生长季节种植各种作物的过程。它减少了对单一营养来源的依赖、虫害和杂草压力，以及耐药杂草和害虫出现的可能性。

单一作物种植，或连续几年在同一地点种植相同的作物，会逐渐耗尽土壤中的某些养分，并滋生高度竞争性的害虫和杂草群落。如果养分利用不平衡，虫害和杂草群落不多样化，单一作物的生产将严重依赖外部投入。另一方面，精心规划的轮作可以更有效地利用各种作物提供的生态系统服务，从而减少对人工肥料和除草剂的需求。轮作还可以增加土壤有机质和结构，减少侵蚀，并增强农场系统的弹性。

历史

农民们早就知道，通过适当的轮作，例如种植春季作物供牲畜食用，而不是种植谷物供人类食用，可以恢复或保持肥沃的土壤。公元前6000年，近东的农民在不了解化学知识的情况下，交替种植小麦和豆类。

两田制

两田制轮作涉及一年种植一半土地，而另一半休耕。第二年再将田地轮换。两田制和三田制系统自东周时期就已在中国使用。欧洲的农民从查理曼大帝统治时期（卒于814年）开始，从两田制作物轮作改为三田制作物轮作。

三田制

从中古世纪末到20世纪，欧洲农民采用三田轮作制，将可用土地分成三部分。第一块地分成三部分：一部分在秋季种植黑麦或冬小麦，第二部分种植春燕麦或大麦，第三部分休耕。通过这种方式轮换三块地，每三年会有一块地休息和休耕。如果一个人拥有总共800英亩（2.4平方公里）的肥沃土地，他只能使用两田制种植300英亩。而在新的三田轮作制下，他可以种植（并随后收获）500英亩。但是，额外作物的产量增加带来的影响远不止于此。北欧的大部分春季作物是豆类，这改善了人口的总体营养状况。

四田轮作

诺福克四茬制是四田轮作的一个例子。16世纪初，瓦斯兰（今比利时北部）的农民发明了四田轮作，18世纪英国农学家查尔斯·汤森（Charles Townshend，1674-1738）推广了这种轮作。四作物顺序——小麦、芜菁、大麦和三叶草——包括牧草和饲料作物，使牲畜全年都可以繁殖。四田轮作是英国农业革命期间的一项重大发展。牧草轮作是指草地和耕地交替使用的做法。

现代创新

在美国，乔治·华盛顿·卡弗（George Washington Carver，1850年代-1943年）研究了轮作技术，并指导南方农民将花生和豌豆等能补充土壤养分的作物，与棉花等会耗尽土壤养分的作物轮作。

在世界各地，20世纪中叶的“绿色革命”期间，传统的轮作方法被用硝酸铵或尿素等肥料对土壤进行表层施肥，并通过石灰调节pH值所取代。这些技术旨在提高产量，通过简化种植、收割和灌溉来为专用作物准备土壤，并减少浪费和低效率。

作物选择

以下关于每种作物的陈述提供了对其相互关系的初步评估：

• 增加土壤有机质含量
• 管理过多或不足的养分，
• 它如何导致或阻止水土流失，
• 与其他作物杂交产生杂交后代
• 影响田间生态系统和附近的食物网。

农民轮作的目标，可能包括杂草控制、增加土壤氮素供应、防止侵蚀以及改善土壤结构和生物量等，通常与作物的选择有关。根据讨论作物轮作时所讨论的品质，作物以多种方式分类：按科、营养需求/益处和/或盈利能力（即，经济作物与覆盖作物）。

例如，适当关注植物科对于减少病虫害至关重要。然而，对覆盖作物进行排序和定位以围绕所需的收入作物是许多农民认为有效的轮作管理策略。以下分类是简化的，并取决于作物的品质和用途。

行栽作物

行栽作物包括许多重要的市场商品，如蔬菜。这些作物对土地要求更高，尽管它们有时对农民来说最有价值。由于行栽作物通常根系较浅，生物量较低，它们对土壤结构影响很小，并且几乎不产生废弃物。行栽作物田地中微生物分解有机质的速度更快，为后续植物留下的养分更少，因为植物周围大部分土壤暴露在雨水和交通的干扰下。

换句话说，尽管这些作物可能对农业有价值，但它们会耗尽土壤中的养分。轮作技术用于协调即时盈利能力与长期产量。

豆类

固氮作物和需氮作物之间的相互作用是轮作的一个关键益处。苜蓿和三叶草是豆科植物，它们在根系的根瘤中储存可用的大气氮。植物拔除后，未收集的根部生物量会分解，释放储存的氮供后续作物使用。豆科植物拥有粗大、深埋的主根，可提升土壤，改善吸水和耕性。

牧草和谷物

由于谷物和牧草对土壤结构和质量有诸多益处，因此它们常被用作覆盖作物。广阔而发达的根系为周围土壤提供了大量的结构和大量的生物量，以构成土壤的有机质。

牧草和谷物对于杂草控制至关重要，因为它们与不需要的植物争夺养分和土壤空间。

绿肥

绿肥是一种被添加到土壤中的作物。绿肥可以用固氮的豆科植物和像牧草这样的养分清除剂来制作。豆科植物的绿肥是氮的极佳来源，特别是对于有机系统而言，但与牧草不同，豆科植物的生物量不会形成持久的土壤有机质。

制定轮作计划

在设计轮作时，需要考虑许多因素。在规划有效的轮作时，必须考虑市场、农场规模、劳动力供应、天气、土壤类型、种植程序以及其他不变和可变的生产因素。轮作还应考虑一种作物如何与另一种作物播种，以及一种作物离开后土壤对后续作物的状态。例如，固氮作物（如豆类）应始终先于耗氮作物。同样，低残留或低生物量的作物应与高生物量的作物（如牧草和豆类的混合物）相平衡。

轮作中可利用的作物种类或完成轮作所需的时间没有限制。当出现增加收益或改善土壤质量的机会时，轮作的决定可以在几年前、几个季节前，甚至在轮作开始前做出。

实施

轮作技术在有机种植系统中普遍存在，可能受益于额外的实践，如牲畜和肥料的加入、间作或复种。

牲畜的加入

使用重要草皮和保护性耕作的最有效方法是增加牲畜，因为它们可以通过粪便将这些作物中的养分散布到整个土壤中，而不是通过出售干草将养分从农场带走。

混合农业，即种植作物并结合牲畜，可以实现作物的轮作和养分的循环。牲畜产生粪便来补充作物养分并提供役力，而作物残茬则作为牲畜的食物来源。这些过程促进了养分的内部循环，并减少了对人工肥料和大型设备的需求。牛、羊和/或山羊还有额外的好处，它们可以生产牛奶，并在困难时期作为经济作物。

间作

间作和伴生种植是多重种植系统的两个例子，它们在单个季节或轮作期间提供更多的多样性和复杂性。“三姐妹”方法通过将玉米与蔓生豆、南瓜和蔓生南瓜间作，说明了伴生种植。在这种安排中，豆类提供氮，玉米支撑豆类并充当“屏障”以保护南瓜藤免受害虫侵害，而蔓生南瓜则充当杂草抑制冠层和对饥饿的浣熊的威慑。

双季作是一种普遍的做法，即在同一个生长季节连续种植两种作物，通常是不同物种的作物，或者将一种作物（例如，蔬菜）与覆盖作物（例如，小麦）持续种植。这对于农田很有帮助，因为农田通常缺乏资源来种植覆盖作物以恢复土壤，不像大型农场那样。采用多重种植的小农场可以最大限度地利用现有土地资源的轮作优势。

好处

农艺师将轮作作物对产量的益处称为“轮作效应”。轮作系统有很多好处。与产量增加相关的方面主要归因于单一栽培农业技术有害影响的缓解。在某些情况下，有益的轮作效应与营养改善、昆虫、病原体和杂草胁迫减少以及土壤结构改善有关。

轮作种植系统的其他优势包括生产成本的改善。更多样化的农业和/或牲畜产出更均匀地分散了总体财务风险。投入品采购使用频率降低，最终作物可以用更少的投入品实现其生产目标。因此，轮作是一种增强农业系统的强大技术，同时还能提高短期和长期产量。

土壤有机质

在轮作中使用多种作物，可增加土壤有机质，改善土壤结构，并改善土壤生物和化学活性环境。更多的土壤有机质可带来更好的水渗透和保水能力，从而提高抗旱性并减少侵蚀。

土壤中的有机质是活微生物和分解中的生物量的混合物。从本质上讲，轮作增加了植物残骸（如草皮、绿肥和其他生物量）的暴露。轮作需要较少的集约化耕作，因为生物量聚集增加了养分保持和利用，从而减少了对更多养分的需求。随着土壤通过耕作受到扰动和氧化，环境不利于土壤微生物的多样性和生长。这些细菌负责为植物提供养分。相比之下，微生物活性低的土壤为植物提供的养分要少得多，即使土壤中仍然存在相同数量的生物量。这是因为“活性”土壤有机质对土壤的生产至关重要。

通过竞争，土壤微生物还能减少病害和害虫的活动。此外，植物分泌的化学物质和根系分泌物会改变土壤环境和杂草栖息地。因此，轮作减少了化感作用和竞争性杂草条件，并增加了养分利用率带来的产量。

碳固存

研究表明，轮作显著增加了土壤有机碳（SOC）的含量，土壤有机碳是土壤有机质的主要组成部分。碳是三种植物大量营养素之一，与氧和氢并列。长期高度多样化的轮作已被证明在提高SOC方面更成功，而耕作等土壤扰动是SOC水平指数下降的原因。在巴西，当免耕技术与严格的轮作相结合时，SOC固存率已达到每年每公顷0.41公吨。

大气碳固存对通过从空气中去除二氧化碳来降低气候变化速度和提高作物产量具有重要意义。

固氮

轮作通过增加养分为土壤提供帮助。豆科植物，如豆科植物家族的成员，其根系上长有根瘤，其中生活着根瘤菌，这是一种固氮细菌。根瘤菌从植物中吸收养分和水，将大气中的氮转化为氨气。然后氨气转化为有机化合物，作物可以将其用作氮源。这个过程被称为结瘤。因此，将它们与谷物（禾本科）和其他依赖硝酸盐的植物轮作具有良好的农业意义。植物可利用的氮量取决于多种变量，包括豆科植物的类型、根瘤菌的效率、土壤的特性以及植物营养必需养分的可用性。

病原体和害虫控制

轮作还能控制可能缓慢渗透土壤的害虫和疾病。通过干扰害虫的生命周期及其栖息地，连续的作物变化可以减少害虫的数量。相同分类科的植物之间，害虫和疾病通常是相同的。通过定期轮作作物并用覆盖作物占据土壤，而不是让其休耕，可以阻止或控制害虫周期，特别是那些受益于残留在越冬的害虫。例如，根结线虫在温暖气候和沙质土壤中缓慢积累到高水平，对某些植物来说是一个严重的问题，它会通过阻碍植物根部的循环而显著降低植物产量。当种植一种非线虫宿主作物一个季节时，土壤中的根结线虫水平会大幅降低，从而使下一个季节无需土壤熏蒸即可种植敏感作物。

这项技术在有机农业中特别有用，因为害虫管理必须在不使用合成杀虫剂的情况下完成。