種植模式對(duì)南方作物產(chǎn)量及資源利用效率的影響

龔松玲 曹 培 高珍珍 李成偉 劉章勇 朱 波

（1長(zhǎng)江大學(xué)主要糧食作物產(chǎn)業(yè)化湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，434025，湖北荊州；2長(zhǎng)江大學(xué)濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心，434025，湖北荊州）

江漢平原作為湖北省典型稻作區(qū)，水稻種植面積占全省水稻總面積的40%[1]，在我國(guó)水稻生產(chǎn)中占有重要的地位，提高該地區(qū)周年產(chǎn)量水平對(duì)保障糧食安全有重要意義。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件及農(nóng)產(chǎn)品需求的變化，該區(qū)稻田種植制度也在不斷變化：一方面，玉米生產(chǎn)的需求與生產(chǎn)潛力較大（玉米常年缺口近50%），玉米產(chǎn)需矛盾較為嚴(yán)峻[2-3]；另一方面，再生稻具有省工、省種、節(jié)水和稻米品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)，正成為我國(guó)南方稻作區(qū)水稻種植的一種重要的輕簡(jiǎn)化種植模式[4]。

前人研究表明，春玉米－晚稻模式周年產(chǎn)量、光能生產(chǎn)效率、積溫生產(chǎn)效率、水分利用率及經(jīng)濟(jì)效益較雙季稻模式分別提高18.3%、14.1%、16.4%、37.2%和44.3%[5]。針對(duì)水稻－玉米系統(tǒng)，國(guó)外對(duì)產(chǎn)量、生產(chǎn)潛力和種植布局等領(lǐng)域開展了相關(guān)研究，通過生長(zhǎng)模型模擬認(rèn)為玉米－水稻生產(chǎn)潛力有較大的上升空間[6-7]。雙季玉米的周年光能和積溫生產(chǎn)效率及籽粒光能利用效率要顯著高于傳統(tǒng)的冬小麥－夏玉米模式和優(yōu)化的冬小麥－夏玉米模式[8-9]。早稻、晚稻和雙季稻生長(zhǎng)季太陽(yáng)總輻射極顯著下降，≥10℃積溫顯著增加，光能和熱量利用效率均顯著增加，太陽(yáng)總輻射是影響早稻和晚稻氣象產(chǎn)量的主要因子，通過以增加積溫為主的栽培技術(shù)來(lái)提高雙季稻光熱資源利用效率，可實(shí)現(xiàn)水稻周年高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[10]。有研究表明，雙季玉米模式較傳統(tǒng)冬小麥－夏玉米模式的周年產(chǎn)量平均增幅為2.3%，周年光能和積溫生產(chǎn)效率平均分別增加26.1%和6.5%，周年經(jīng)濟(jì)效益顯著增加，平均為1 628元/hm2[11]。研究表明玉米－水稻兩熟種植方式的種植制度能夠更合理地反映光熱資源利用效率，而且產(chǎn)投比高，噸糧能耗低[12]。目前，關(guān)于多樣化種植制度共存條件下不同種植模式對(duì)溫光資源利用缺乏系統(tǒng)的比較研究。

本研究通過設(shè)置雙季稻、玉米－水稻水旱輪作和再生稻3種不同的稻田種植模式，研究不同種植模式對(duì)稻田周年產(chǎn)量及資源利用效率的影響，探索適宜江漢平原生產(chǎn)的種植制度，為種植制度與溫光資源利用效率的研究積累資料，為協(xié)調(diào)水稻和玉米生產(chǎn)提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年3月至2018年11月在湖北省荊州市江陵縣三湖農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)基地進(jìn)行（112°31'E，30°12'N）。該區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均降水量900～1 100mm，年平均氣溫16.0℃～16.4℃。試驗(yàn)期間的平均降水量和氣溫如圖1所示。試驗(yàn)前為冬閑－單季稻制，土壤為潮土，耕層（0～20cm）土壤基本理化性狀為全碳26.44g/kg、全氮2.44g/kg、堿解氮170.88mg/kg、全磷0.38g/kg、速效磷12.67 mg/kg、全鉀17.76g/kg、速效鉀159mg/kg、pH 6.92。

圖1 試驗(yàn)期間的平均氣溫和降水量Fig.1 Mean temperature and total rainfall during experimental period

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及田間管理

2年試驗(yàn)中按照生育期長(zhǎng)短和抗逆性選擇作物品種，早稻品種為“兩優(yōu)287”，晚稻品種為“金優(yōu)207”，再生稻品種為“兩優(yōu)6326”，春玉米品種為“鄭單958”。各作物種植方式、播種期、移栽期和收獲期如表1所示。試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：早稻－晚稻（DR）、春玉米－晚稻（MR）和再生稻（Rr），以DR處理為對(duì)照（CK），每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積98m2（長(zhǎng)14m，寬7m），各小區(qū)筑埂覆膜，防止水肥串流。

表1 不同模式播種、移栽和收獲期及生育期天數(shù)Table 1 Growth period and dates of sowing, transplanting and harvest of different patterns

雙季稻模式：早稻移栽密度22.4萬(wàn)穴/hm2（26.70cm×16.70cm），每穴3苗。早稻全生育期施肥量為 180kg N/hm2、75kg P2O5/hm2、180kg K2O/hm2，肥料為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%）。氮肥按照基肥∶分蘗肥∶穗肥5∶2∶3施用；磷肥作基肥一次施用；鉀肥按照基肥∶穗肥4∶3施用。于早稻收獲后泡田及整地，人工移栽晚稻，移栽密度22.4萬(wàn)穴/hm2（26.70cm×16.70cm），每穴3苗。晚稻全生育期施肥量為 180kg N/hm2、75kg P2O5/hm2和 150kg K2O/hm2。氮肥按照基肥∶分蘗肥∶穗肥2∶2∶1施用；磷和鉀肥施用同早稻。

春玉米－晚稻模式：春玉米采用廂作，廂寬1.00m，溝寬0.20m，廂溝模式單位寬度為1.20m，80cm+40cm寬窄行播種2行，窄行位于廂面，每個(gè)小區(qū)5廂。玉米按27.8cm株距人工移栽，密度為6.00萬(wàn)株/hm2，移栽后人工覆膜。玉米生長(zhǎng)期間，肥料于移栽時(shí)一次性基施，全生育期施肥量為 240kg N/hm2、135kg P2O5/hm2及 180kg K2O/hm2。春玉米收獲后泡田，破壞原廂溝模式進(jìn)行旋田整地，人工移栽晚稻，晚稻種植同雙季稻模式的晚稻。

再生稻模式：再生稻移栽密度同早稻。頭季稻全生育期施肥量為200kg N/hm2、75kg P2O5/hm2和180kg K2O/hm2，氮、磷和鉀肥施用同早稻。再生季施氮150kg/hm2（促芽肥∶提苗肥=1∶1），促芽肥在頭季齊穗后10d施入，提苗肥在頭季收獲后10d施入。頭季留茬高度為植株倒2葉葉枕處。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

試驗(yàn)地試驗(yàn)期間氣象資料由荊州市氣象局提供，主要包括日平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量等指標(biāo)。于收獲期每個(gè)小區(qū)按照大田平均穗數(shù)取6穴水稻，分莖、葉和穗；取代表性玉米植株3株，分莖、葉、鞘、穗軸、苞葉和籽粒，將上述材料于105℃下殺青30min，80℃下烘至恒重，測(cè)定干物質(zhì)重。

于收獲前調(diào)查水稻有效穗，選取各小區(qū)生長(zhǎng)均勻的3m2測(cè)產(chǎn)，脫粒并曬干，風(fēng)選清除雜質(zhì)后，測(cè)定總重和含水量。于收獲前調(diào)查玉米種植密度，每個(gè)小區(qū)收獲中間一個(gè)廂面兩個(gè)連續(xù)20株的果穗，自然風(fēng)干后考察穗粒數(shù)與千粒重，脫粒稱重。按照14%含水量折算水稻和玉米產(chǎn)量。

1.4 計(jì)算公式

光能生產(chǎn)效率指生育期間平均單位熱量生產(chǎn)的單位面積籽粒質(zhì)量[13]。積溫生產(chǎn)效率是指生育期間日均溫≥10℃有效積溫生產(chǎn)的單位面積籽粒質(zhì)量[14]。水分生產(chǎn)效率是指生育期間籽粒質(zhì)量與總耗水量比值，即平均每立方米水生產(chǎn)的單位面積籽粒質(zhì)量[15]。玉米季沒有灌溉，水稻季進(jìn)行間歇灌溉與曬田相結(jié)合。

光能生產(chǎn)效率（g/MJ）=籽粒產(chǎn)量/單位面積的太陽(yáng)輻射，積溫生產(chǎn)效率[kg/（hm2·℃·d）]=籽粒產(chǎn)量/生育期間有效積溫，水分利用效率（kg/m3）=籽粒產(chǎn)量/總耗水量，用水量=降水量+灌溉量，經(jīng)濟(jì)效益=產(chǎn)值-成本，產(chǎn)值=產(chǎn)量×單價(jià)，其中，水稻和玉米單價(jià)按當(dāng)年當(dāng)?shù)禺?dāng)季的收購(gòu)價(jià)計(jì)算。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用DPS軟件進(jìn)行方差分析。試驗(yàn)結(jié)果均以3次重復(fù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)誤來(lái)表示。

2 結(jié)果分析

2.1 不同種植模式中作物生育期差異

由表1可以看出，MR和DR模式的生長(zhǎng)期較為接近，歷時(shí)約220d，主要是由于DR模式第1季生育期比MR長(zhǎng)5～7d，生育期較為接近，第2季生育期一致。Rr模式的生育期相對(duì)較短，兩季歷時(shí)約210d，主要是由于再生季生育期較短，為80d左右，相比于DR模式，周年生長(zhǎng)期減少約10d。

2.2 不同種植模式產(chǎn)量差異

由圖2可知，對(duì)于第1季作物，2017年，MR、DR和Rr處理的產(chǎn)量分別為9.36、8.33和11.44t/hm2，Rr處理的產(chǎn)量顯著高于MR和DR處理，MR和DR處理之間呈顯著性差異。在2018年，Rr和MR處理產(chǎn)量顯著高于DR處理。相比于DR處理，MR和Rr處理的產(chǎn)量在2017年增幅分別為57.72%和36.80%，2018年增幅分別為19.99%和38.71%。

圖2 不同種植模式作物籽粒產(chǎn)量Fig.2 Crop grain yield under various cropping patterns

對(duì)于第2季作物，2017年，MR、DR、Rr處理產(chǎn)量分別為7.22、6.48和3.68t/hm2，與DR處理相比，MR處理產(chǎn)量增加11.42%，而Rr處理顯著降低43.20%，DR和MR處理之間無(wú)顯著差異，且二者的產(chǎn)量均顯著高于Rr處理。2018年，MR和DR處理產(chǎn)量顯著高于Rr處理，且MR和DR處理間無(wú)顯著性差異。從稻田不同種植模式系統(tǒng)周年來(lái)看，2017年和2018年各處理之間產(chǎn)量差異一致，MR處理顯著高于DR處理，DR與Rr處理之間無(wú)顯著差異。

2.3 不同種植模式對(duì)作物地上部生物量的影響

由圖3可知，第1季作物收獲后，MR、DR和Rr處理地上部生物量2017年分別為15.41、13.13和17.05t/hm2，2018年分別為12.02、8.98和15.72t/hm2。與DR處理相比，2017年MR和Rr處理的地上部生物量分別增加了17.36%和29.86%，Rr處理顯著高于DR處理，MR與DR處理之間無(wú)顯著差異。此外，2018年，與DR處理相比，MR和Rr處理的地上部生物量分別增加了33.85%和75.06%，Rr處理顯著高于MR和DR處理。

圖3 不同種植模式作物地上部生物量Fig.3 Crop aboveground biomass under various cropping patterns

第2季作物收獲后，2017年MR、DR和Rr處理地上部生物量分別為11.94、11.83和7.35t/hm2，2018年分別為12.16、11.51和6.83t/hm2。與DR處理相比，2017年MR處理地上部生物量增加了0.93%，而Rr處理顯著減少了37.87%，DR和MR處理之間無(wú)顯著差異，且二者的地上部生物量顯著高于Rr處理。從稻田不同種植模式系統(tǒng)周年來(lái)看，2017年各處理之間作物地上部生物量無(wú)顯著差異。2018年各處理之間作物地上部生物量為MR＞Rr＞DR。

2.4 不同種植模式的光能生產(chǎn)效率和積溫生產(chǎn)效率

由表2可知，從單季作物來(lái)看，對(duì)于第1季作物，2017年MR處理的光能生產(chǎn)效率顯著高于DR和Rr處理；2018年MR和Rr處理的光能生產(chǎn)效率比DR處理分別顯著提高0.01和0.08g/MJ，增幅分別為2.44%和19.51%。

表2 不同種植模式的光能生產(chǎn)效率和積溫生產(chǎn)效率Table 2 Production efficiency of solar radiation and accumulated temperature in different cropping patterns

對(duì)于第2季作物，2017年Rr處理的光能生產(chǎn)效率較MR和DR處理顯著提高，增幅分別為75.9%和70.0%，2018年增幅分別為31.9%和37.8%。從稻田不同種植模式系統(tǒng)周年來(lái)看，不同種植模式光能生產(chǎn)效率年際間趨勢(shì)一致，2017年各處理周年光能生產(chǎn)效率的大小順序?yàn)镽r＞MR＞DR，而在2018年MR處理的周年光能生產(chǎn)效率比DR和Rr處理分別提高0.06和0.04g/MJ，增幅分別為12.2%和7.8%，顯著高于DR和Rr處理。

由表2看出，對(duì)于不同種植模式第1季，2017年MR處理顯著高于其他處理，其他處理之間無(wú)顯著性差異；2018年MR處理的積溫生產(chǎn)效率比DR處理提高 1.26kg/(hm2·℃·d)，增幅為 26.5%。

對(duì)于不同種植模式第2季作物，2017年Rr處理顯著高于MR和DR處理；2018年Rr處理的積溫生產(chǎn)效率比MR和DR處理分別提高1.67和1.91kg/(hm2·℃·d)，增幅分別為33.9%和40.7%。從稻田不同種植模式系統(tǒng)周年來(lái)看，2017年Rr處理比 DR 處理顯著高出 0.55kg/(hm2·℃·d)，增幅為12.0%，而在2018年MR處理比DR和Rr處理分別提高 0.72 和 0.59kg/(hm2·℃·d)，增幅分別為13.2%和10.5%。

2.5 不同種植模式的水分利用率

除了降水外，未對(duì)春玉米進(jìn)行灌溉。從單季來(lái)看，對(duì)于第1季作物，不同種植模式2年水分利用率的大小順序均表現(xiàn)為MR＞Rr＞DR，其中MR在2017年較DR和Rr分別高94.29%和56.29%，在2018年分別高68.00%、31.25%（表3）。

表3 不同種植模式的水分配置與利用率Table 3 Water distribution and use efficiency in different cropping patterns

對(duì)于第2季作物，Rr處理顯著高于其他處理，Rr模式2017年較MR和DR模式分別高23.68%和18.99%，2018年分別高7.41%和12.99%。3種模式周年水分利用率存在差異，2017年表現(xiàn)為MR＞Rr＞DR，MR處理顯著高于其他處理；2018年，MR處理顯著高于DR和Rr處理，且DR和Rr處理之間無(wú)顯著性差異。由此可見，MR模式周年水分利用率相對(duì)優(yōu)勢(shì)明顯，是一種較高效的節(jié)水種植模式。

2.6 不同種植模式的經(jīng)濟(jì)效益

由表4可知，不同種植模式間經(jīng)濟(jì)效益以Rr處理最高，MR處理其次，DR最低。其中Rr和MR處理的經(jīng)濟(jì)效益2年均值分別比DR處理增加8 686和4 388元/hm2，增幅分別為68.1%和25.7%。Rr處理周年成本最低，而經(jīng)濟(jì)效益最高，為低投入高產(chǎn)出型；DR處理成本最高，經(jīng)濟(jì)效益最低，為高投入低產(chǎn)出型；MR模式成本較高，經(jīng)濟(jì)效益略低于Rr模式，為高投入高產(chǎn)出型。各模式的周年經(jīng)濟(jì)效益均以Rr最高，其次是MR。Rr處理第2季減少了大量的成本，進(jìn)而使經(jīng)濟(jì)效益提高，因此，周年經(jīng)濟(jì)效益也得到了提高，由此可見，Rr和MR模式是一種經(jīng)濟(jì)效益較高的種植模式。

表4 不同種植模式經(jīng)濟(jì)效益比較Table 4 Comparison of economic benefit of different cropping patterns 元/hm2 yuan/hm2

3 討論

光溫資源是影響一個(gè)地區(qū)作物種植制度的重要因素，是衡量當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)水平的重要指標(biāo)，也是取得高產(chǎn)的首要條件[16]。因此，本研究對(duì)比2年3種不同種植模式的產(chǎn)量和光溫資源利用效率，發(fā)現(xiàn)早稻－晚稻、春玉米－晚稻和再生稻種植模式之間的產(chǎn)量和光溫資源利用效率差異顯著。春玉米－晚稻較早稻－晚稻模式顯著提高了第1季作物籽粒產(chǎn)量，雙季早稻前期營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段低溫導(dǎo)致生物量低，后期開花灌漿期最高溫太高導(dǎo)致結(jié)實(shí)率較低[17]，最終導(dǎo)致早稻產(chǎn)量較低，而春玉米前期通過地膜增溫，后期盡管春玉米灌漿期也受高溫的影響，但是春玉米開花期在5月底，比早稻開花期6月中旬早20d左右，一定程度上緩沖了高溫危害[18]；而對(duì)于第2季，2種模式之間無(wú)顯著差異，這與李小勇[19]研究結(jié)果相似。本研究中再生稻模式第1季作物籽粒產(chǎn)量顯著高于春玉米－晚稻模式，其原因可能是再生稻頭季的生育期較春玉米長(zhǎng)，且充分利用了7-8月份的光溫資源，從而增加了作物產(chǎn)量[20]。對(duì)于第2季作物，再生稻模式的作物籽粒產(chǎn)量顯著低于早稻－晚稻和春玉米－晚稻，其原因是再生稻再生季的生育期較短。

對(duì)于各作物光溫資源的利用效率，本研究結(jié)果表明，春玉米－晚稻和再生稻模式的2周年平均光能生產(chǎn)效率、積溫生產(chǎn)效率和水分利用率較早稻－晚稻模式分別提高7.7%、8.7%、35.2%和7.6%、6.8%、11.2%，這與前人研究結(jié)果一致[19，21]。與早稻相比，每生產(chǎn)1kg玉米所需水量約是生產(chǎn)1kg稻谷所需水量的28.3%[22]，本研究結(jié)果表明春玉米和水稻的水分利用率均值分別為1.86和1.19kg/m3，玉米水分利用率是水稻的1.56倍，這與Alberto等[23]研究結(jié)果相似，春玉米－晚稻模式第1季田間需水量較小，排出的水可以儲(chǔ)存起來(lái)供第2季利用，因此，春玉米代替雙季早稻不僅可以實(shí)現(xiàn)光溫水資源的高效利用，也可以達(dá)到節(jié)約用水的目的。周年經(jīng)濟(jì)效益以再生稻模式最高，其次是春玉米－晚稻模式。結(jié)合成本來(lái)看，低投入高產(chǎn)出的再生稻模式和高投入高產(chǎn)出的春玉米－晚稻模式是值得在此區(qū)域推廣。再生稻模式能夠協(xié)同實(shí)現(xiàn)省工省種，有利于增加農(nóng)民收入。

4 結(jié)論

3種種植模式中，高光效C4作物的春玉米－晚稻和一種兩收的再生稻模式提高了作物產(chǎn)量和溫光資源利用效率，增加了經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)豐富了種植模式的多樣性。這不僅是作為兩熟制度多元化的補(bǔ)充，也是實(shí)現(xiàn)南方畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展，增加農(nóng)民收入的一種方式。