油菜轮作对后茬作物产量的影响

张顺涛，鲁剑巍，丛日环，任涛，李小坤，廖世鹏，张跃强，郭世伟，周明华，黄益国，程辉

油菜轮作对后茬作物产量的影响

张顺涛1，鲁剑巍1，丛日环1，任涛1，李小坤1，廖世鹏1，张跃强2，郭世伟3，周明华4，黄益国5，程辉6

（1华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070；2西南大学资源环境学院，重庆 400716；3南京农业大学资源与环境科学学院，南京 210095；4中国科学院成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；5衡阳市农业科学研究所，湖南衡阳 421001；6信阳市农业科学院，河南信阳 464000）

【】明确长江流域多熟制轮作区油菜轮作对后茬作物产量的影响，验证油菜种植提高后茬作物产量是一种普遍现象，为油菜作为换茬作物促进粮油兼丰、周年丰产稳产提供依据。在长江流域不同地区开展不同轮作模式的同田对比试验，选取长江上游重庆北碚油菜-水稻和小麦-水稻轮作、四川盐亭油菜-玉米和小麦-玉米轮作，中游湖北沙洋油菜-水稻和小麦-水稻轮作、油菜-玉米和小麦-玉米轮作、湖南衡阳油菜-早稻-晚稻和冬闲-早稻-晚稻轮作、河南信阳油菜-水稻和小麦-水稻轮作，下游江苏如皋油菜-水稻和小麦-水稻轮作。比较冬季作物小麦（或冬闲）和油菜在相同施肥水平下对后茬作物水稻或玉米产量及产量构成因子、养分吸收量的差异。北碚、沙洋、信阳和如皋油-稻轮作的稻谷产量较麦-稻轮作分别提高323、483、1 569和569 kg·hm-2，相应增产4.6%、6.6%、17.3%和6.0%；盐亭和沙洋油-玉轮作的玉米产量较麦-玉轮作分别提高487和579 kg·hm-2，分别增产7.0%和14.8%；衡阳油-稻-稻轮作的早稻和晚稻的稻谷产量较闲-稻-稻轮作分别提高718和726 kg·hm-2，分别增产11.1%和10.5%。沙洋和信阳油-稻轮作水稻的有效穗数和每穗粒数较麦-稻轮作分别增加7.0、27.7万穗/hm2和18.1、20.2粒/穗。沙洋和北碚试验点油-稻轮作的水稻生物量较麦-稻轮作分别提高1 711和2 625 kg·hm-2，氮素累积量分别较麦-稻轮作增加23.9和23.2 kg·hm-2。在长江流域不同种植区域内，油菜在不同轮作模式中均可提高后茬作物的产量及养分累积量，是一种良好的轮作换茬作物。

油菜；轮作；后效；土壤生产力；粮油兼丰

0 引言

【研究意义】我国人口众多、资源不足，在有条件的区域进行周年轮作是保障粮食安全的重要措施[1]。长江流域是我国重要的粮油生产基地，生产了全国35%左右的粮食和80%左右的油菜，水田主要以水稻-小麦、水稻-油菜、水稻-水稻-油菜轮作为主，旱地主要以玉米（或其他杂粮）-小麦、玉米（或其他杂粮）-油菜轮作为主[2-4]。近年来，由于率先取消了油菜种植的政府补贴，加上油菜种植的机械化程度较低和劳动成本偏高，油菜种植的收益较低，导致种植面积出现严重的下滑[5]，原来种植油菜的田块改种机械化程度较高的小麦或弃耕冬闲。长江流域冬小麦种植由于受气候的影响易受赤霉病和锈病的危害，小麦的品质安全受到极大威胁[6]，尤其是长江沿线及以南地区并不适宜种植小麦。同时有研究表明，小麦-水稻和小麦-玉米等粮粮轮作模式忽略了“用养结合”的土地利用原则，通常会导致土壤质量下降、土壤生物遭到破坏，进而威胁粮食安全[7-8]。因此建立“用养结合”的可持续发展轮作模式非常重要。我国是世界油料消费进口大国，食用植物油目前的自给率仅为30%[5]，保证中国油料作物的生产对于维护国家食物安全具有重要意义[9]。油菜是我国第一大油料作物，也是唯一的冬季油料作物，与其他粮食作物实行复种轮作，便于利用土地，合理安排作物布局，发展粮食和油料生产[10-11]。【前人研究进展】大量研究表明，通过合理的轮作制度可以提高作物产量和土壤质量[12-14]。蔡艳等[15]研究表明，粮草和粮豆轮作较小麦连作可显著提高小麦籽粒产量和土壤养分含量。Vrginia等[16]研究认为蔬菜与豆科作物轮作提高了土壤有机碳和全氮含量进而提高了蔬菜产量。蔡常被[17]早期对水田油菜养地进行调查研究发现，种植油菜对土壤养分和物理性状有良好的改善作用，并认为油菜是用地与养地相结合的作物。张维乐等[18]的研究发现稻-油轮作体系的稻谷产量均高于麦-稻轮作，证实了“油菜是一种养地作物”的说法。【本研究切入点】油菜合理轮作对于维持国家粮食的增产，提高油料作物的自给率具有重要意义。前人关于油菜轮作对后茬作物产量的影响已有研究。但是，受研究条件等影响，大多数研究局限于油菜对单个轮作的影响，且轮作周期相对较短。【拟解决的关键问题】本研究通过长江流域7个不同轮作模式的同田对比定位试验，探究油菜在不同生态区域、不同的轮作模式、经过不同的轮作周期后对后茬作物产量的影响，从而为油菜轮作促进粮油兼丰、周年丰产稳产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

研究区域主要分布在长江流域。田间试验分别位于长江上游的重庆市北碚区和四川省盐亭县，种植模式为一年两熟制，分别为水旱轮作和旱地轮作，土壤类型分别为中性紫色土发育的水稻土和石灰性紫色土；长江中游的湖北省沙洋县和湖南省衡阳市，种植模式为一年两熟制和一年三熟制的水旱轮作，土壤类型分别为黄壤发育的水稻土和红壤发育的水稻土；黄淮流域的河南省信阳市，种植模式为一年两熟制水旱轮作，土壤类型为灰潮土发育的水稻土；长江下游的江苏省如皋市，种植模式为一年两熟制的水旱轮作，土壤类型为灰潮土发育的水稻土。

1.2 试验设计

重庆北碚：试验始于1991年水稻季，在国家紫色土肥力与肥料效益监测基地进行，位于重庆市北碚区西南大学试验农场。试验处理为油菜-水稻和小麦-水稻轮作，2种轮作模式的化肥施用量相同，两季作物秸秆还田。试验采用大区试验，大区面积为120 m2。

四川盐亭：试验始于2008年玉米季，在中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站进行，试验站位于四川省盐亭县林山乡。试验处理为油菜-玉米和小麦-玉米轮作，2种轮作模式化肥施用量相同，两季作物秸秆均半量还田。试验采用小区试验，小区面积50 m2，3次重复。

湖北沙洋：试验始于2015年油菜/小麦季，在长江流域耕地培肥与养分管理定位试验基地进行，基地位于湖北省沙洋县曾集镇。试验处理为油菜-水稻与小麦-水稻、油菜-玉米与小麦-玉米轮作，4种轮作模式的化肥施用量相同，秸秆不还田。试验采用小区试验，小区面积25 m2，3次重复。

湖南衡阳：试验始于2015年油菜季，试验在湖南衡阳市农业科学研究所国家油菜产业体系衡阳综合试验站试验基地进行。试验处理为油菜-早稻-晚稻轮作和冬闲-早稻-晚稻轮作。2种轮作模式中早稻和晚稻的施肥量相同，油菜季基肥施用复合肥（15-15-15）450 kg·hm-2，追施尿素50 kg·hm-2，冬闲田不施用任何肥料；秸秆不还田。试验采用大区试验，大区面积100 m2。

河南信阳：试验始于2016年油菜季，在河南省信阳市农业科学院国家油菜产业体系衡阳综合试验站进行。试验处理为油菜-水稻和小麦-水稻轮作模式，2种轮作模式的施肥量相同，两季作物秸秆均还田。试验采用大区试验，大区面积90 m2。

江苏如皋：试验始于2017年油菜季，在江苏省如皋市农业科学院科研基地进行。试验处理为油菜-水稻、小麦-水稻轮作模式，2种轮作模式的施肥量相同，秸秆不还田。试验采用小区试验，小区面积30 m2，3次重复。

1.3 测试项目及方法

1.3.1 产量收获及产量构成因子调查 成熟期，各试验点各小区单独收获以计实产。本研究中北碚试验点水稻为1991—2018年平均产量，盐亭和沙洋试验点玉米为2016—2018年平均产量，沙洋和衡阳试验点水稻为2016—2018年平均产量，如皋和信阳试验点水稻为2017—2018年平均产量。

2019年水稻成熟期在沙洋和信阳试验点进行水稻产量构成因子调查。具体方法为从各小区中取有代表性的水稻植株10兜，调查有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重。

1.3.2 植物样品采集与测定 2019年水稻成熟期在沙洋和北碚试验点从每个小区随机取10兜有代表性的水稻植株（其中北碚试验点在大区中进行3点取样），风干后分别对稻谷和稻草称重，根据谷草比和稻谷实际产量折算稻草生物学产量。测定地上部稻草和籽粒的养分含量，用H2SO4-H2O2消煮，连续流动分析仪（AA3，德国SEAL）测定N、P含量，火焰光度计测定K含量[19]，计算地上部养分累积量（稻草生物量×稻草养分含量+稻谷产量×稻谷养分含量）。

1.4 数据统计

试验数据利用Excel 2016进行处理，采用SPSS 20.0数据处理软件进行数据的统计分析，采用Origin 2017软件作图。

2 结果

2.1 油菜轮作对后茬作物产量的影响

在水旱轮作两熟制的种植模式中，油菜轮作可显著提高后茬稻谷产量（图1-a），沙洋、信阳和如皋油-稻轮作的稻谷产量较麦-稻轮作分别提高了483、1 569和569 kg·hm-2，增幅为6.6%、17.3%和6.0%；北碚水旱轮作两熟制的种植模式中，油-稻轮作27年稻谷的平均产量较麦-稻轮作提高了323 kg·hm-2，增幅为4.6%。在旱旱轮作两熟制的种植模式中，油菜轮作可提高后茬玉米产量（图1-b），沙洋和盐亭油-玉轮作的玉米产量较麦-玉轮作分别提高了579和487 kg·hm-2，增幅为14.8%和7.0%。在水旱轮作三熟制的种植模式中，油菜轮作的早稻和晚稻的稻谷产量均有升高的趋势（图1-c），衡阳的油-稻-稻轮作的早稻和晚稻的稻谷产量较闲-稻-稻轮作分别提高了718和726 kg·hm-2，增幅为11.1%和10.5%。

　**表示差异极显著（P＜0.01），*表示差异显著（P＜0.05），ns表示差异不显著（P＞0.05）

2.2 油菜轮作对后茬水稻产量构成因子的影响

油菜轮作可以提高后茬水稻的有效穗数和每穗粒数（表1）。在沙洋试验点，油-稻轮作水稻每穗粒数较麦-稻轮作显著提高18.1粒/穗，有效穗数、结实率和千粒重较麦-稻轮作无显著差异。在信阳试验点，油-稻轮作的水稻穗数和每穗粒数较麦-稻轮作显著提高了27.7万穗/hm2和20.2粒/穗，结实率和千粒重较麦-稻轮作无显著差异。

表1 油菜轮作对后茬水稻产量构成因子的影响（沙洋和信阳）

不同小写字母表示同一试验点不同轮作处理间达到显著性差异（＜0.05）。下同

Different small letters indicate significant differences between different rotations of the same experiment site. The same as below

2.3 油菜轮作对后茬水稻地上部生物量及养分累积量的影响

由表2结果可知，沙洋和北碚试验点油-稻轮作较麦-稻轮作提高了水稻的生物量和养分累积量。两试验点油-稻轮作较麦-稻轮作水稻生物量分别增加了1 711和2 627 kg·hm-2，增幅为11.2%和25.3%；氮素累积量分别增加了23.9和23.2 kg·hm-2，增幅为19.3%和21.7%；在北碚试验点磷素累积量增加了7.6 kg·hm-2，增幅30.2%，而沙洋试验点磷素累积量无显著差异；油-稻轮作的钾素累积量较麦-稻轮作均有增加的趋势但差异不显著。

表2 油菜轮作对后茬水稻地上部生物量及养分累积量的影响（沙洋和北碚）

3 讨论

3.1 油菜轮作可以提高后茬作物产量

作物产量不仅是田间种植管理水平与土壤生产力的综合反映，同时也是农业可持续发展的重要评价指标[20]。在本研究中，水旱两熟制轮作中油-稻轮作的稻谷产量较麦-稻轮作增加了323—1 569 kg·hm-2，水旱三熟制轮作中油-稻-稻轮作早稻和晚稻的稻谷产量较闲-稻-稻轮作分别增加了718和726 kg·hm-2，旱旱轮作中油-玉轮作的玉米产量较麦-玉轮作增加了487—903 kg·hm-2。本研究中的试验点分布较广，试验中有长期的定位试验也有中短期的定位试验，均证实了与小麦相比，油菜作为水旱轮作的冬季作物显著提高稻谷产量。油菜轮作提高后茬水稻产量的主要原因是水稻的有效穗数和每穗粒数明显增加。已有研究表明，油菜轮作可提高后茬烟草的产量[21]；在德国，油菜-小麦轮作的小麦产量显著高于谷物-小麦轮作[22]。因此，将油菜纳入多种轮作模式均可提高后茬作物的产量。

3.2 油菜轮作土壤生产力提升的原因

本研究结果表明，油菜轮作可提高后茬水稻氮素累积量，在一定程度上可以理解为土壤的供氮能力增加了[15]。油菜轮作可以提高土壤生产力，分析其原因可能有以下几点：（1）油菜增加了养分归还量从而提高了土壤的养分含量。研究表明，油菜季在生育后期脱落的叶片会将大量的氮磷钾养分归还到土壤中[23]，油菜秸秆还田带入的氮素也要显著高于小麦秸秆[24]，朱芸等[25]通过大数据分析表明，油-稻轮作周年氮素盈余量显著高于麦-稻轮作。（2）油菜种植改变了土壤的物理结构。芸薹属作物具有强大的根系系统，在其生长过程中会对土壤物理性质产生积极影响[26]。杨瑞吉等[27]的研究表明，麦茬复种饲料油菜可以在一定程度上保持和提高土壤耕层的黏粒含量、水稳性团聚体含量和团聚度。（3）油菜轮作改善了土壤生物特性。研究表明，油菜种植可显著提高耕层土壤微生物量碳氮，降低土壤微生物碳氮比，土壤中细菌和真菌的群落结构也发生了改变[12,28-29]。北碚试验点27年长期轮作试验的结果表明油菜轮作是一种可持续提高土壤生产力的轮作模式。但目前关于油菜轮作提升土壤生产力详尽的机理仍不完全清楚，有待进一步研究。

3.3 油菜轮作提升土壤生产力的意义

在中国，水稻种植通常采用水旱轮作，油菜-水稻和小麦-水稻构成了一年一度的水旱轮作种植制度，这些轮作体系占水稻种植总面积的60%[30-31]。然而，在麦稻种植区，存在土壤物理性质的退化和土壤有机碳水平降低的现象；随之而来的是土壤生产力和资源利用效率下降[32]。调查数据显示，目前我国还有大量可开发利用的冬闲田，其中长江流域可用于种植油菜的冬闲田面积高达427万hm2，扩大油菜种植面积还有较大的发展空间[5]。我国是世界上最大的化肥生产国、消费国和进口国，但是肥料利用率远低于国际水平[1,33]，张福锁等[34]提出要实现作物高产和资源高效，就必须挖掘作物产量潜力和提高土壤生产力，而不能过分依赖水肥等大量投入。因此，在多熟制种植模式中，将油菜纳入轮作体系，以用地与养地相结合的种植模式提高土壤生产力，促进作物增产与稳产，实现农业绿色可持续发展。

4 结论

在长江流域不同种植区域内，油菜在不同轮作模式中均可提高后茬作物的产量；油菜轮作提高了后茬水稻的有效穗数和每穗粒数进而提高了稻谷产量，水稻生物量及养分累积量尤其是氮素累积量显著提高。油菜轮作普遍提升了土壤生产力，因此推荐将油菜纳入多熟制轮作体系中，对于促进粮油兼分、周年丰产稳产具有重要意义。

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Effect of Rapeseed rotation on the Yield of next-stubble crops

ZHANG ShunTao1, LU JianWei1, CONG RiHuan1, REN Tao1, LI XiaoKun1, LIAO ShiPeng1, ZHANG YueQiang2, GUO ShiWei3, ZHOU MingHua4, HUANG YiGuo5, CHENG Hui6

(1College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070;2College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716;3College of Resources and Environment Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095;4Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041;5Hengyang Institute of Agricultural Sciences, Hengyang 421001, Hunan;6Xinyang Institute of Agricultural Sciences, Xinyang 464000, Henan)

【】 The aim of this study was to clarify the impact of rapeseed rotation on the yield of the next-stubble crops in the multiple cropping rotation area of the Yangtze River Basin, and to verify that it was a common phenomenon that rapeseed cultivation increased crop yield in the subsequent season, so as to provide a basis for rapeseed as an alternate husbandry crops to promote both yield of grain and oil, and yield stability. 【】Field experiments with different crop rotation patterns were carried out in different areas of the Yangtze River Basin: in the upper Yangtze River, rapeseed-rice and wheat-rice rotation in Beibei (Chongqing), and rapeseed-maize and wheat-maize rotation in Yanting (Sichuan province) were selected; in the middle Yangtze River, rapeseed-rice and wheat-rice rotations, rapeseed-maize and wheat-maize rotations in Shayang (Hubei province), rapeseed-early rice and winter fallow-early rice-late rice rotations in Hengyang (Hunan province), rapeseed-rice and wheat-rice rotations in Xinyang (Henan province) were selected; in the lower Yangtze River, rapeseed-rice and wheat-rice rotations in Rugao (Jiangsu province) were selected. The differences in yield, yield components and nutrient uptake of rice or maize in the subsequent season of winter crop wheat (or winter fallow) and rapeseed at the same fertilization level were analyzed. 【】Compared with that in wheat-rice rotation, the rice yield of rapeseed-rice rotation in Beibei, Shayang, Xinyang and Rugao increased by 323, 483, 1 569 and 569 kg·hm-2, respectively, with increase rate of 4.6%, 6.6%, 17.3% and 6.0%, respectively. Compared with that in wheat-maize rotation, the maize yield of rapeseed-maize rotation in Yanting and Shayang increased by 487 and 579 kg·hm-2, respectively, with increase rate of 7.0% and 14.8%, respectively. Compared with that in winter fallow-rice-rice rotation, the early rice and late rice yields of rapeseed-rice-rice rotation in Hengyang increased by 718 and 726 kg·hm-2, respectively, with increase rate of 11.1% and 10.5%, respectively. Compared with the wheat-rice rotation, the rice panicle number and grains per panicle of rapeseed-rice rotation in Shayang and Xinyang increased by 7.0×104, 27.7×104spikes/hm2and 18.1, 20.2 grains. Compared with the wheat-rice rotation, the rice biomass of the rapeseed-rice rotation in Shayang and Beibei increased by 1 711 and 2 625 kg·hm-2, respectively, and the nitrogen accumulation increased by 23.9 and 23.2 kg·hm-2, respectively. 【】In different planting areas in the Yangtze River Basin, rapeseed rotation could increase the yield and nutrient accumulation of next-stubble crops in different rotation patterns in varying planting areas in Yangtze River Basin, being a good alternate husbandry crop in a rotation.

rapeseed; rotation; aftereffect; soil productivity; high yield of grain and oil

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.14.009

2019-10-22；

2019-12-18

国家油菜产业技术体系建设专项（CARS-12）

张顺涛，E-mail：zhangst@webmail.hzau.edu.cn。通信作者鲁剑巍，E-mail：lunm@mail.hzau.edu.cn

（责任编辑 杨鑫浩）