黄土丘陵沟壑区旱作农业轮作模式综合评价

王 平, 陈 娟, 王国宇, 胡建萍, 李世煜, 魏 珑

(1.兰州市农业科技研究推广中心, 甘肃 兰州 730000; 2.甘肃省农业科学院,甘肃 兰州 730070; 3.甘肃省永登县种子管理站, 甘肃 永登 730300)

同一作物长期连续种植会造成土壤养分异常或过度消耗，使得病原微生物迅速繁衍，化感物质积累，进而造成病害多发与作物产量降低[1]。而轮作是将养地与用地相结合的一种生物学措施，在保证作物产量的同时可以提高地力、是改善土壤质量与农业生态环境的重要农业措施[2]。20世纪初，由于农作物采用连作制以及不合理利用土地资源与过度的开垦荒地使得水土流失严重，生态环境遭到破坏作物产量下降，之后人们改用土地休闲等措施均无法保证作物稳产。80年代以后，中国建立起了轮作制度，不仅增加了土壤有机质、改善了土壤结构，还调节了土壤水、肥、热、气的有序利用，被认为是中国传统农业的精华[3]。近些年，随着肥料的广泛使用，农民为追求产量与经济效益的最大化，对于经济收益较高的作物存在长期连作现象，通过增加使用化肥与农药来做到稳产增产效果，给土壤与生态环境带来了巨大的压力。同时，病虫害发生率显著提高、生产成本增加、面源污染加剧，而产量并没有提高。研究发现旱作区实行粮草或者粮豆轮作可提高土壤剖面供氮能力[4]，增加土壤速效养分及酶活性[5]。蔡艳等[6]研究发现与小麦连作相比，轮作下小麦籽粒增产1.47%～29.66%，轮作后，土壤全氮、碱解氮含量提高范围达9.66%～21.66%。万年鑫等[7]研究发现薯玉轮作能解决马铃薯连作障碍问题，并能够较快提高土壤酶活性，加速根区土壤生理生化反应增加速效养分。兰州市旱作区主要种植的作物为玉米、马铃薯及豆类等小杂粮。探索如何有效地降低作物连作障碍，提高主栽作物的产量与经济效益对于发展当地农业产业化发展已刻不容缓。

本研究拟采用大田种植，以当地主栽作物马铃薯、玉米、蚕豆进行轮作模式研究，对土壤理化形状、土壤水分、产量等指标进行分析，以期筛选出在保证较高经济效益的基础上获得高效利用水资源的轮作组合模式，从而达到优化作物布局来提高区域作物水分利用效率的目的。

1 试验区概况

试验在甘肃省兰州市榆中县清水驿乡孟家山村进行，该地区海拔1 998 m，无霜期100～140 d，年日照时数2 500 h，年均气温6.2 ℃，年平均降水量在200～330 mm之间，其中7—9月降水量占年降水量的56%。试区为典型的半干旱黄土丘陵区，供试土壤为黄绵土。2014—2016年的降雨情况如图1所示。

2 研究方法

2.1 试验设计

为了减少轮作前茬作物对轮作的影响，2013年轮作前的土地为撂荒地。轮作试验在2014—2016年进行，试验分为9个处理，分别为：马铃薯连作(P-P-P)、玉米连作(M-M-M)、蚕豆连作(B-B-B)、马铃薯/玉米/马铃薯轮作(P-M-P)、马铃薯/蚕豆/马铃薯轮作(P-B-P)、玉米/马铃薯轮作/玉米(M-P-M)、玉米/蚕豆/马铃薯轮作(M-B-P)、蚕豆/蚕豆/马铃薯轮作(B-B-P)、玉米/玉米/蚕豆轮作(M-M-B)。马铃薯选用陇薯7号，种植采用黑色半膜垄上种植方式，垄高25 cm，膜行距30 cm，膜宽80 cm，垄两侧点种马铃薯，株行距55 cm，株距40 cm，保苗37 500株/hm2；玉米采用全膜双垄沟播种植方式，大垄宽70 cm，高10 cm，小垄宽40 cm，高15 cm，品种选用金穗4号，保苗52 500株/hm2；蚕豆选用临蚕6号，采用全膜覆土穴播种植，保苗67 500株/hm2。

2.2 测定项目与方法

2.2.1 土壤容重与土壤含水量 在2013年11月10日试验处理前及2016年10月马铃薯、玉米收获后采集土样，每个小区布置3个采样点，土壤容重按0—20，20—40和40—60 cm土层均采用环刀取样。

图1 2014-2016年的试验区降雨量及气温

在2016年10月，土壤含水量测定采用对角线取3个点，土钻取0—100 cm土层采样，带入实验室通过烘干法测定土壤水分。

2.2.2 作物耗水量与水分利用效率 作物耗水量：

ETa=P+U-R-F-ΔW

(1)

式中：ETa——作物耗水量(mm)；P——作物生育期有效降水量(mm)；U——地下水补给量(mm)；R——径流量(mm)；F——深层渗漏量(mm)； ΔW——计算时段内土壤贮水量的变化(mm)。其中土壤贮水量及作物耗水量均以1 m 土层含水量计算；因试验区地下水位较低，多在几十米以下，因此上式可简化为：

ETa=P-ΔW

(2)

籽粒产量水分利用效率为：

WUE=Y/ET

(3)

式中：Y——籽粒产量(kg/hm2)；ET——作物一生的耗水量(mm)[8]。

2.2.3 马铃薯、玉米、蚕豆产量 在每年马铃薯、玉米、蚕豆收获时，马铃薯、玉米取20 m2的样方，蚕豆分别取9 m2的样方，重复3次，测定实际产量。随机取15株有代表性的植株，3次重复，进行室内考种，用于测定玉米的理论产量和产量构成。

3 试验结果

3.1 轮作模式对第3 a作物土壤容重的影响

与2013年轮作处理前相比，经过3 a作物轮作后不同处理40—60 cm土层土壤容重各土层上未发生显著变化(表1)。但在0—20 cm 土层，土壤容重与3 a前土壤容重相比，表层轮作方式土壤容重出现了显著变化，与处理前相比变化幅度为-3.85%～6.15%，不同轮作以第3 a种植马铃薯的表层土壤容重最小，以P-P-P轮作下的土壤容重最小，其次为双垄玉米种植，可能是种植马铃薯与玉米需要起垄，扰动了土壤表层土壤，轮作有利于表层土壤的降低。在20—40 cm 土层，土壤容重的区间为1.30～1.46 g/cm3，不同轮作方式下的土壤容重具有较大变化，玉米、蚕豆连作下的土壤容重显著增大，浅根作物蚕豆轮作种植下的B-B-B，M-B-P，M-M-B土壤容重在1.40 g/cm3。在40—60 cm 土层，轮作方式对下层土壤容重没有显著影响，主要影响在0—40 cm。轮作方式有利于土壤容重的改变，特别为不同根系深度与种植方式的作物种植更有利于土壤环境的改善。

表1 研究区第3 a不同轮作方式下的土壤容重 g/cm3

注：P为马铃薯，M为玉米，B为蚕豆； 不同小写字母表示处理间差异显著(p<0.05); 多重比较采用新复极差法。下同。

3.2 轮作方式下第3 a土壤含水量的变化

从图2可以看出，第3 a轮作下马铃薯、玉米、蚕豆收获后0—100 cm土层的土壤含水量变化，其中以玉米连作下(M-M-M)的土壤含水量最低，其次为M-P-M玉米轮作下的土壤含水量。玉米对水分的吸收利用周期长，叶面蒸发量大，种植玉米土壤含水量较低。种植蚕豆的B-B-B，M-M-B在0—40 cm土壤含水量较高，40—100 cm土层，M-M-B轮作下的土壤含水量开始下降。前茬作物水分吸收小的马铃薯、蚕豆在第3 a P-B-P轮作下的土壤含水量在0—100 cm土壤含水量均表现出较高的值，可能是由于前茬作物耗水量大的作物会影响下茬作物土壤含水量。合理的轮作不仅能够条件调节土壤的物理结构同时还能够影响作物对水分的吸收利用。

图2 不同轮作模式下土壤含水量变化

3.3 轮作方式对第3 a作物产量及耗水量、水分利用效率的影响

由表2看出，不同年份的3种连作作物的产量除玉米外均呈现下降趋势，截止2016年累积下降了58.81%，玉米与蚕豆连作产量累积下降了33.80%，36.08%，其中以马铃薯产量下降最大，以玉米的下降幅度最低，稳产性最高。2015年P-M-P轮作较连作M-M-M处理种植玉米的产量提高2.36%，M-B-P轮作较连作B-B-B处理下的蚕豆产量提高12.40%，轮作M-P-M较连作P-P-P处理马铃薯产量提高23.25%。不同前茬作物的轮作模式中，轮作P-B-P，M-B-P较B-B-P的蚕豆产量提高4.39%，4.30%。2016年P-M-P，P-B-P，M-B-P，B-B-P较连作P-P-P产量分别提高了40.37%，60.88%，69.33%，79.28%，M-M-B蚕豆轮作较B-B-B连作增产23.56%，M-P-M轮作较M-M-M连作玉米产量提高10.51%。通过同年作物产量比较发现轮作均表现出明显的增产作用，马铃薯、蚕豆连作表现出明显的减产作用，玉米产量没有随着种植年限呈明显的增加幅度，这可能与2016年的降雨量少，作物产量均较低有关。轮作的作物产量较作物连作的产量均高。

表2 研究区3 a不同轮作方式下的作物产量 kg/hm2

从图3可以看出，随着轮作年限的增加，第3 a不同处理的作物耗水量变化规律不同：其中B-B-B轮作处理的耗水量最低，玉米轮作M-P-M的耗水量最大330 mm；M-M-M玉米连作下的玉米耗水量为291.55 mm，M-P-M轮作下的玉米耗水量提高了13.40%；P-P-P马铃薯连作下的耗水量为270.62 mm，P-M-P,P-B-P，M-B-P，B-B-P轮作下的马铃薯耗水量分别为282.32，292.20，308.11，290.6 mm，通过3 a轮作下的马铃薯耗水量较连作的耗水量增大；M-M-B轮作下的蚕豆耗水量与B-B-B连作下的耗水量相比同样具有增加耗水量的作用。P-P-P,M-M-M，B-B-B连作下的耗水量比较发现玉米耗水量大于马铃薯大于蚕豆。这主要是因为玉米对水分的利用周期较长，但玉米具有较高的蒸散量，对田间水分的需求较大，从而生育期过后会导致土壤水分迅速下降。连作下作物水分利用效率的大小变化表现为：马铃薯>玉米>蚕豆，其中马铃薯轮作的水分利用效率均大于70 kg/(hm2·mm)，表明了马铃薯的水分利用效率高。连作水分利用效率高的作物对应其轮作下的水分利用效率也高，如M-M-B>B-B-B。通过图3分析发现马铃薯耗水量小，且水分利用效率较高，相比玉米更有利于土壤水分的恢复。蚕豆耗水量最小，与玉米相比作物根系不够发达，水分吸收少，产量低，水分利用效率较低。

图3 不同轮作模式下的作物耗水量与水分利用效率

由于2014，2015，2016年的降雨量分别为410.4，275.3，309.9 mm，其中2016年作物的产量均降低，可能受降雨量的影响较大。而2016年，除连作作物产量降低之外，其他作物的产量均增加。3 a连作P-P-P，M-M-M，B-B-B处理下2014—2016年的下降幅度分别为58.81%，33.80%，36.08%，以玉米的下降幅度最低，稳产性高。从不同作物来看，马铃薯的产量较高，而蚕豆的产量最低，玉米的耗水量较高，而蚕豆的耗水量最低，马铃薯和玉米的水分利用效率较高，而蚕豆的水分利用效率较低，因此综合来看，在降雨量较少的年份，相对于连作，轮作马铃薯的产量和水分利用效率较高，而种植蚕豆虽耗水量较少，但产量和水分利用效率较低。

3.4 不同轮作模式经济效益比较

2014—2016年不同作物轮作模式下的投入产出情况如表3所示。P-P-P，M-M-M，B-B-B连作下的投入随着劳动成本，肥料价格等因素呈逐渐增加趋势，而产量呈逐年递减，净收益逐年下降，其中以马铃薯的净收益最高，其次为玉米、蚕豆。2016年马铃薯轮作下的作物经济净收益较3 a连作每1 hm2能够提高3 624～9 282元，玉米轮作较3 a较连作提高1 008元，蚕豆轮作较3 a连作提高1 740元，轮作栽培能够明显的提高农业生产的净收益，轮作马铃薯的提高幅度更加明显。通过3 a的轮作模式比较发现，轮作模式经济收益大小依次为：P-B-P>P-M-P>P-P-P>M-P-M>M-B-P >B-B-P>M-M-M>M-M-B >B-B-B。3 a累计净收益P-B-P轮作模式最高达到27 750元/hm2，其次是P-M-P轮作模式27 264元/hm2。相比于单独连作带来的经济收益逐年递减，轮作更加有利于产量的增加与经济收益的提高，P-P-P 存在种植连作障碍，影响产量与土壤环境的改善不利于长期种植，M-P-M轮作模式经济效益一般，水分利用率低。

通过轮作模式在3 a经济收益比较与对土壤环境与水分利用效率的影响分析，作为主栽马铃薯、玉米、豆类作物区域的兰州市山旱区P-B-P与P-M-P两种轮作模式可以作为旱作农业的主要模式进行示范推广。

表3 研究区轮作模式下作物2014-2016年的经济效益 元/hm2

注：农家肥300元/t，氮肥3 500元/t，150 kg/hm2，其他肥料800元/hm2，肥料价格2015—2017年按照10%涨价。其他支出：马铃薯种子2 600元/hm2，玉米种子600元/hm2，蚕豆种子1 200元/hm2，劳力每天100元。马铃薯机械种植费用800元/hm2。2014年马铃薯价格0.8元/kg，玉米价格2.2元/kg，蚕豆价格4.8元/kg；2015年马铃薯价格0.84元/kg，玉米价格2.2元/kg，蚕豆价格5.2元/kg；2016年马铃薯价格0.74元/kg，玉米价格1.7元/kg，蚕豆价格5.2元/kg。地膜13元/kg，75 kg /hm2，地膜975元/hm2。

4 讨论与结论

干旱缺水是影响旱作区农业生产与发展的瓶颈，施行合理的轮作模式能改善土壤环境促进作物的生长与产量的提高，是旱作农业研究的重要课题。作物轮作倒茬技术，相对于单一的连作种植方式具有明显的优势，它利用的是作物对水分与养分的需求差异，进行合理配置，可以有效地改善土壤物理环境，使得土壤水、热、气、养得到充分协调和利用，增加土壤有机质、速效氮、磷及土壤酶活性，降低连作障碍，对促进作物生长起到关键的作用[9]。宋丽萍等[10]研究干旱区苜蓿—作物轮作时发现轮作能够降低土壤容重，影响0—30 cm土壤团聚体，形成良好的土壤结构，改善土壤的渗透性能。通过种植方式的调节也能达到较小土壤容重的作用。本试验结果表明，玉米、蚕豆连续的连作使得土壤容重增加，轮作处理有利于土壤容重的降低，P-M-P，M-P-M轮作模式下的土壤容重能够较小土壤容重，P-P-P处理下的轮作模式土壤容重最低，说明轮作能够减小土壤容重，同时不同的种植方式对于土壤容重的影响也很重要。土壤容重主要通过孔隙度大小及分布来调节水分的入渗，土壤容重增加，土壤变得紧实，土壤孔隙减小，蓄水保水力下降[11-12]。其中，大豆轮作较玉米轮作更加能促进团聚体形成，改善土壤结构，增加土壤肥力对于养分积累有很大的帮助[13]。因此，土壤环境的改善有利于作物的高产、稳产与持续增产[14]。作物轮作可有效减少农田病虫害、杂草和有毒物质的危害，减少农药使用，降低投入成本，增加收入[15]。

玉米连年种植会大量消耗土壤水分，对土壤水分年际平衡不利；而马铃薯连年种植引发连作障碍，导致马铃薯病害高发，产量受损[7]。本试验表明玉米较马铃薯与蚕豆对水分需求量大，如果降雨量小，根系吸水时间长消耗土壤水大分，再进行长期的连作容易形成土壤干层，如果土壤长时期内难以恢复，会影响与植物之间水分的循环利用，同时会影响下茬作物对水分的吸收利用，制约作物生长不能保证产量的增加。马铃薯与蚕豆耗水量较小，通过玉米与马铃薯、蚕豆的轮作可以协调土壤水分的供应。其中，轮作模式M-M-M玉米长期连作的土壤含水量在0—100 cm均较低，玉米与马铃薯或者蚕豆轮作后，土壤含水量能够得到一定的恢复。作物轮作的多样化能有效缓解干旱状况，减小地表径流和氮流失。土壤水分恢复层会随着轮作时间的增加而不断向下延伸，当前茬作物水分的利用较小时土壤水分会产生叠加效应，有利于当季的作物水分的吸收[16]。因此，耗水量大的作物要与耗水量小的作物进行轮作来调节水分的合理分配，这样有利于水分利用效率的提高。研究表明轮作的作物产量、水分利用效率均比连作农田高，可使后茬作物增产43.2%～47.3%，籽粒水分利用效率提高36.1%～47.5%，连续2 a连作农田都表现为增产增收效应[17]，这与本研究结论相似。

一个地区的农作物种植要与当地的养地相适应，李明等[18]通过在山西半干旱区连续3 a进行不同轮作方式研究，对玉米、马铃薯、甘蓝、谷子、菜豆进行轮作比较，得出“玉米→马铃薯→菜豆”是比较好的轮作组合，且水分利用效率较高，当地适合粮菜组合模式。李承力等[19]通过比较小麦、玉米、芝麻、油菜在丹江口不同轮作模式时发现“小麦→玉米”轮作为耕地适宜的环保型作物轮作模式。一个地区的轮作模式的选择要结合当地的种植作物及降雨量来制定，不同地区的轮作模式有所差别。本试验通过3 a轮作模式比较发现马铃薯→蚕豆→马铃薯与马铃薯→玉米→马铃薯轮作模式，能够改善土壤环境，提高产量，经济收益，玉米→蚕豆→马铃薯轮作模式能够提高水分利用效率，协调水分利用。周少平通过研究“玉米→马铃薯→蚕豆”轮作时发现该轮作模式能够提高土壤系统的水分和光能利用率[20]。

生产效益与单产、价格、成本具有高度的相关性，同时与种植作物的种类、轮作方式，以及田间管理方式选择也均会影响农业的生产整体成本，决定农业种植的最终经济收益，以及影响以后种植的作物结构调整[21]。受降水偏少限制，当地种植投入肥料及其他物质成本逐年增加，产量却低而不稳，另外2016年玉米单产价格下降到较大，造成了种植玉米的经济收益大幅下滑。在2012年65%的农民种植玉米施氮量150 kg/hm2以上，50%以上的农民产量仍然很低(5 638 kg/hm2)。增加投入并不能有效地提高产量，使得当地农业生产迫切需要通过调整种植结构来提高经济收益。本试验选用成本较低马铃薯→蚕豆→马铃薯与马铃薯→玉米→马铃薯轮作模式既改善了土壤环境，提高了水分利用效率与产量，还增加了经济收益。

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