种植模式对南方作物产量及资源利用效率的影响

龚松玲 曹 培 高珍珍 李成伟 刘章勇 朱 波

（1长江大学主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心，434025，湖北荆州；2长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心，434025，湖北荆州）

江汉平原作为湖北省典型稻作区，水稻种植面积占全省水稻总面积的40%[1]，在我国水稻生产中占有重要的地位，提高该地区周年产量水平对保障粮食安全有重要意义。随着社会经济条件及农产品需求的变化，该区稻田种植制度也在不断变化：一方面，玉米生产的需求与生产潜力较大（玉米常年缺口近50%），玉米产需矛盾较为严峻[2-3]；另一方面，再生稻具有省工、省种、节水和稻米品质高等优点，正成为我国南方稻作区水稻种植的一种重要的轻简化种植模式[4]。

前人研究表明，春玉米－晚稻模式周年产量、光能生产效率、积温生产效率、水分利用率及经济效益较双季稻模式分别提高18.3%、14.1%、16.4%、37.2%和44.3%[5]。针对水稻－玉米系统，国外对产量、生产潜力和种植布局等领域开展了相关研究，通过生长模型模拟认为玉米－水稻生产潜力有较大的上升空间[6-7]。双季玉米的周年光能和积温生产效率及籽粒光能利用效率要显著高于传统的冬小麦－夏玉米模式和优化的冬小麦－夏玉米模式[8-9]。早稻、晚稻和双季稻生长季太阳总辐射极显著下降，≥10℃积温显著增加，光能和热量利用效率均显著增加，太阳总辐射是影响早稻和晚稻气象产量的主要因子，通过以增加积温为主的栽培技术来提高双季稻光热资源利用效率，可实现水稻周年高产稳产[10]。有研究表明，双季玉米模式较传统冬小麦－夏玉米模式的周年产量平均增幅为2.3%，周年光能和积温生产效率平均分别增加26.1%和6.5%，周年经济效益显著增加，平均为1 628元/hm2[11]。研究表明玉米－水稻两熟种植方式的种植制度能够更合理地反映光热资源利用效率，而且产投比高，吨粮能耗低[12]。目前，关于多样化种植制度共存条件下不同种植模式对温光资源利用缺乏系统的比较研究。

本研究通过设置双季稻、玉米－水稻水旱轮作和再生稻3种不同的稻田种植模式，研究不同种植模式对稻田周年产量及资源利用效率的影响，探索适宜江汉平原生产的种植制度，为种植制度与温光资源利用效率的研究积累资料，为协调水稻和玉米生产提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年3月至2018年11月在湖北省荆州市江陵县三湖农场试验基地进行（112°31'E，30°12'N）。该区属北亚热带季风性湿润气候，年均降水量900～1 100mm，年平均气温16.0℃～16.4℃。试验期间的平均降水量和气温如图1所示。试验前为冬闲－单季稻制，土壤为潮土，耕层（0～20cm）土壤基本理化性状为全碳26.44g/kg、全氮2.44g/kg、碱解氮170.88mg/kg、全磷0.38g/kg、速效磷12.67 mg/kg、全钾17.76g/kg、速效钾159mg/kg、pH 6.92。

图1 试验期间的平均气温和降水量Fig.1 Mean temperature and total rainfall during experimental period

1.2 试验设计及田间管理

2年试验中按照生育期长短和抗逆性选择作物品种，早稻品种为“两优287”，晚稻品种为“金优207”，再生稻品种为“两优6326”，春玉米品种为“郑单958”。各作物种植方式、播种期、移栽期和收获期如表1所示。试验设3个处理：早稻－晚稻（DR）、春玉米－晚稻（MR）和再生稻（Rr），以DR处理为对照（CK），每个处理3次重复，随机区组排列。小区面积98m2（长14m，宽7m），各小区筑埂覆膜，防止水肥串流。

表1 不同模式播种、移栽和收获期及生育期天数Table 1 Growth period and dates of sowing, transplanting and harvest of different patterns

双季稻模式：早稻移栽密度22.4万穴/hm2（26.70cm×16.70cm），每穴3苗。早稻全生育期施肥量为 180kg N/hm2、75kg P2O5/hm2、180kg K2O/hm2，肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%）。氮肥按照基肥∶分蘖肥∶穗肥5∶2∶3施用；磷肥作基肥一次施用；钾肥按照基肥∶穗肥4∶3施用。于早稻收获后泡田及整地，人工移栽晚稻，移栽密度22.4万穴/hm2（26.70cm×16.70cm），每穴3苗。晚稻全生育期施肥量为 180kg N/hm2、75kg P2O5/hm2和 150kg K2O/hm2。氮肥按照基肥∶分蘖肥∶穗肥2∶2∶1施用；磷和钾肥施用同早稻。

春玉米－晚稻模式：春玉米采用厢作，厢宽1.00m，沟宽0.20m，厢沟模式单位宽度为1.20m，80cm+40cm宽窄行播种2行，窄行位于厢面，每个小区5厢。玉米按27.8cm株距人工移栽，密度为6.00万株/hm2，移栽后人工覆膜。玉米生长期间，肥料于移栽时一次性基施，全生育期施肥量为 240kg N/hm2、135kg P2O5/hm2及 180kg K2O/hm2。春玉米收获后泡田，破坏原厢沟模式进行旋田整地，人工移栽晚稻，晚稻种植同双季稻模式的晚稻。

再生稻模式：再生稻移栽密度同早稻。头季稻全生育期施肥量为200kg N/hm2、75kg P2O5/hm2和180kg K2O/hm2，氮、磷和钾肥施用同早稻。再生季施氮150kg/hm2（促芽肥∶提苗肥=1∶1），促芽肥在头季齐穗后10d施入，提苗肥在头季收获后10d施入。头季留茬高度为植株倒2叶叶枕处。

1.3 测定项目与方法

试验地试验期间气象资料由荆州市气象局提供，主要包括日平均气温、日照时数和降水量等指标。于收获期每个小区按照大田平均穗数取6穴水稻，分茎、叶和穗；取代表性玉米植株3株，分茎、叶、鞘、穗轴、苞叶和籽粒，将上述材料于105℃下杀青30min，80℃下烘至恒重，测定干物质重。

于收获前调查水稻有效穗，选取各小区生长均匀的3m2测产，脱粒并晒干，风选清除杂质后，测定总重和含水量。于收获前调查玉米种植密度，每个小区收获中间一个厢面两个连续20株的果穗，自然风干后考察穗粒数与千粒重，脱粒称重。按照14%含水量折算水稻和玉米产量。

1.4 计算公式

光能生产效率指生育期间平均单位热量生产的单位面积籽粒质量[13]。积温生产效率是指生育期间日均温≥10℃有效积温生产的单位面积籽粒质量[14]。水分生产效率是指生育期间籽粒质量与总耗水量比值，即平均每立方米水生产的单位面积籽粒质量[15]。玉米季没有灌溉，水稻季进行间歇灌溉与晒田相结合。

光能生产效率（g/MJ）=籽粒产量/单位面积的太阳辐射，积温生产效率[kg/（hm2·℃·d）]=籽粒产量/生育期间有效积温，水分利用效率（kg/m3）=籽粒产量/总耗水量，用水量=降水量+灌溉量，经济效益=产值-成本，产值=产量×单价，其中，水稻和玉米单价按当年当地当季的收购价计算。

1.5 数据分析

用DPS软件进行方差分析。试验结果均以3次重复的平均值与标准误来表示。

2 结果分析

2.1 不同种植模式中作物生育期差异

由表1可以看出，MR和DR模式的生长期较为接近，历时约220d，主要是由于DR模式第1季生育期比MR长5～7d，生育期较为接近，第2季生育期一致。Rr模式的生育期相对较短，两季历时约210d，主要是由于再生季生育期较短，为80d左右，相比于DR模式，周年生长期减少约10d。

2.2 不同种植模式产量差异

由图2可知，对于第1季作物，2017年，MR、DR和Rr处理的产量分别为9.36、8.33和11.44t/hm2，Rr处理的产量显著高于MR和DR处理，MR和DR处理之间呈显著性差异。在2018年，Rr和MR处理产量显著高于DR处理。相比于DR处理，MR和Rr处理的产量在2017年增幅分别为57.72%和36.80%，2018年增幅分别为19.99%和38.71%。

图2 不同种植模式作物籽粒产量Fig.2 Crop grain yield under various cropping patterns

对于第2季作物，2017年，MR、DR、Rr处理产量分别为7.22、6.48和3.68t/hm2，与DR处理相比，MR处理产量增加11.42%，而Rr处理显著降低43.20%，DR和MR处理之间无显著差异，且二者的产量均显著高于Rr处理。2018年，MR和DR处理产量显著高于Rr处理，且MR和DR处理间无显著性差异。从稻田不同种植模式系统周年来看，2017年和2018年各处理之间产量差异一致，MR处理显著高于DR处理，DR与Rr处理之间无显著差异。

2.3 不同种植模式对作物地上部生物量的影响

由图3可知，第1季作物收获后，MR、DR和Rr处理地上部生物量2017年分别为15.41、13.13和17.05t/hm2，2018年分别为12.02、8.98和15.72t/hm2。与DR处理相比，2017年MR和Rr处理的地上部生物量分别增加了17.36%和29.86%，Rr处理显著高于DR处理，MR与DR处理之间无显著差异。此外，2018年，与DR处理相比，MR和Rr处理的地上部生物量分别增加了33.85%和75.06%，Rr处理显著高于MR和DR处理。

图3 不同种植模式作物地上部生物量Fig.3 Crop aboveground biomass under various cropping patterns

第2季作物收获后，2017年MR、DR和Rr处理地上部生物量分别为11.94、11.83和7.35t/hm2，2018年分别为12.16、11.51和6.83t/hm2。与DR处理相比，2017年MR处理地上部生物量增加了0.93%，而Rr处理显著减少了37.87%，DR和MR处理之间无显著差异，且二者的地上部生物量显著高于Rr处理。从稻田不同种植模式系统周年来看，2017年各处理之间作物地上部生物量无显著差异。2018年各处理之间作物地上部生物量为MR＞Rr＞DR。

2.4 不同种植模式的光能生产效率和积温生产效率

由表2可知，从单季作物来看，对于第1季作物，2017年MR处理的光能生产效率显著高于DR和Rr处理；2018年MR和Rr处理的光能生产效率比DR处理分别显著提高0.01和0.08g/MJ，增幅分别为2.44%和19.51%。

表2 不同种植模式的光能生产效率和积温生产效率Table 2 Production efficiency of solar radiation and accumulated temperature in different cropping patterns

对于第2季作物，2017年Rr处理的光能生产效率较MR和DR处理显著提高，增幅分别为75.9%和70.0%，2018年增幅分别为31.9%和37.8%。从稻田不同种植模式系统周年来看，不同种植模式光能生产效率年际间趋势一致，2017年各处理周年光能生产效率的大小顺序为Rr＞MR＞DR，而在2018年MR处理的周年光能生产效率比DR和Rr处理分别提高0.06和0.04g/MJ，增幅分别为12.2%和7.8%，显著高于DR和Rr处理。

由表2看出，对于不同种植模式第1季，2017年MR处理显著高于其他处理，其他处理之间无显著性差异；2018年MR处理的积温生产效率比DR处理提高 1.26kg/(hm2·℃·d)，增幅为 26.5%。

对于不同种植模式第2季作物，2017年Rr处理显著高于MR和DR处理；2018年Rr处理的积温生产效率比MR和DR处理分别提高1.67和1.91kg/(hm2·℃·d)，增幅分别为33.9%和40.7%。从稻田不同种植模式系统周年来看，2017年Rr处理比 DR 处理显著高出 0.55kg/(hm2·℃·d)，增幅为12.0%，而在2018年MR处理比DR和Rr处理分别提高 0.72 和 0.59kg/(hm2·℃·d)，增幅分别为13.2%和10.5%。

2.5 不同种植模式的水分利用率

除了降水外，未对春玉米进行灌溉。从单季来看，对于第1季作物，不同种植模式2年水分利用率的大小顺序均表现为MR＞Rr＞DR，其中MR在2017年较DR和Rr分别高94.29%和56.29%，在2018年分别高68.00%、31.25%（表3）。

表3 不同种植模式的水分配置与利用率Table 3 Water distribution and use efficiency in different cropping patterns

对于第2季作物，Rr处理显著高于其他处理，Rr模式2017年较MR和DR模式分别高23.68%和18.99%，2018年分别高7.41%和12.99%。3种模式周年水分利用率存在差异，2017年表现为MR＞Rr＞DR，MR处理显著高于其他处理；2018年，MR处理显著高于DR和Rr处理，且DR和Rr处理之间无显著性差异。由此可见，MR模式周年水分利用率相对优势明显，是一种较高效的节水种植模式。

2.6 不同种植模式的经济效益

由表4可知，不同种植模式间经济效益以Rr处理最高，MR处理其次，DR最低。其中Rr和MR处理的经济效益2年均值分别比DR处理增加8 686和4 388元/hm2，增幅分别为68.1%和25.7%。Rr处理周年成本最低，而经济效益最高，为低投入高产出型；DR处理成本最高，经济效益最低，为高投入低产出型；MR模式成本较高，经济效益略低于Rr模式，为高投入高产出型。各模式的周年经济效益均以Rr最高，其次是MR。Rr处理第2季减少了大量的成本，进而使经济效益提高，因此，周年经济效益也得到了提高，由此可见，Rr和MR模式是一种经济效益较高的种植模式。

表4 不同种植模式经济效益比较Table 4 Comparison of economic benefit of different cropping patterns 元/hm2 yuan/hm2

3 讨论

光温资源是影响一个地区作物种植制度的重要因素，是衡量当地农业水平的重要指标，也是取得高产的首要条件[16]。因此，本研究对比2年3种不同种植模式的产量和光温资源利用效率，发现早稻－晚稻、春玉米－晚稻和再生稻种植模式之间的产量和光温资源利用效率差异显著。春玉米－晚稻较早稻－晚稻模式显著提高了第1季作物籽粒产量，双季早稻前期营养生长阶段低温导致生物量低，后期开花灌浆期最高温太高导致结实率较低[17]，最终导致早稻产量较低，而春玉米前期通过地膜增温，后期尽管春玉米灌浆期也受高温的影响，但是春玉米开花期在5月底，比早稻开花期6月中旬早20d左右，一定程度上缓冲了高温危害[18]；而对于第2季，2种模式之间无显著差异，这与李小勇[19]研究结果相似。本研究中再生稻模式第1季作物籽粒产量显著高于春玉米－晚稻模式，其原因可能是再生稻头季的生育期较春玉米长，且充分利用了7-8月份的光温资源，从而增加了作物产量[20]。对于第2季作物，再生稻模式的作物籽粒产量显著低于早稻－晚稻和春玉米－晚稻，其原因是再生稻再生季的生育期较短。

对于各作物光温资源的利用效率，本研究结果表明，春玉米－晚稻和再生稻模式的2周年平均光能生产效率、积温生产效率和水分利用率较早稻－晚稻模式分别提高7.7%、8.7%、35.2%和7.6%、6.8%、11.2%，这与前人研究结果一致[19，21]。与早稻相比，每生产1kg玉米所需水量约是生产1kg稻谷所需水量的28.3%[22]，本研究结果表明春玉米和水稻的水分利用率均值分别为1.86和1.19kg/m3，玉米水分利用率是水稻的1.56倍，这与Alberto等[23]研究结果相似，春玉米－晚稻模式第1季田间需水量较小，排出的水可以储存起来供第2季利用，因此，春玉米代替双季早稻不仅可以实现光温水资源的高效利用，也可以达到节约用水的目的。周年经济效益以再生稻模式最高，其次是春玉米－晚稻模式。结合成本来看，低投入高产出的再生稻模式和高投入高产出的春玉米－晚稻模式是值得在此区域推广。再生稻模式能够协同实现省工省种，有利于增加农民收入。

4 结论

3种种植模式中，高光效C4作物的春玉米－晚稻和一种两收的再生稻模式提高了作物产量和温光资源利用效率，增加了经济效益，同时丰富了种植模式的多样性。这不仅是作为两熟制度多元化的补充，也是实现南方畜牧业可持续发展，增加农民收入的一种方式。