洞庭湖区稻田主要种植模式物质生产及光温资源利用效率的比较*

赵 杨, 高杜娟, 李 超, 陈友德, 崔 婷, 童中权, 罗先富**

(1. 湖南省水稻研究所 长沙 410125; 2. 农业农村部长江中下游籼稻遗传育种重点实验室 长沙 410125; 3. 湖南省土壤肥料研究所 长沙 410125; 4. 湖南省南县农业局 南县 413200)

湖南北部的洞庭湖区(28º03′～30º20′N, 110º40′～113º30′E)以洞庭湖为核心, 包括东部河湖冲积平原、南部环湖丘陵岗地和西部低山地区, 耕地面积约有90万 hm, 严寒期短, 年均气温为16.5～17.2 ℃, 无霜期258～275 d, 年均降水量为1250～1450 mm, 适宜种植水稻(L.)、油菜(L.)、棉花(spp.)等作物。近年来, 由于全球气候发生变化、年平均气温持续增加, 极端天气发生频繁, 以及从事农业生产的劳动力成本不断上涨等多种自然和社会因素, 导致湖区原有种植模式已经发生了相应调整。棉花、麻类等作物种植面积逐渐减小, 水稻、油菜等作物种植面积不断增大。种植制度正朝高资源利用率和高经济效益方向发展。

李淑娅等发现长江中游地区种植春玉米(L.)-晚稻和双季玉米模式周年产量、光能生产效率、光能利用率、积温生产效率、水分利用率及经济效益均显著高于早稻-秋玉米和双季稻模式, 确认春玉米–晚稻和双季玉米种植模式适宜在长江中游地区推广。陈伟在西南地区的四川丘陵旱地研究发现饲草油菜-春玉米套作夏大豆[(L.) M.]模式是干物质生产效率和干物质产能、光温水资源生产效率的最高模式, 冬种的饲草油菜相对粮、油生产有不同突出优势, 更要充分挖掘冬种理想替代作物。由此可见, 明确一种劳动力资源投入少、自然资源利用率高、经济效益好的丰产高效种植模式对粮油作物可持续发展至关重要。前人对洞庭湖区稻田主要种植模式品种筛选、产量、养分利用、秸秆还田、温室气体排放、耕作方式等方面研究较多。而对稻田主要种植模式的资源利用水平、干物质生产和经济效益等方面报道较少, 且缺乏优势模式应用的理论依据。因此, 本研究通过比较4种稻田主要种植模式的干物质生产效率和产能, 光、温资源利用以及经济效益, 探明洞庭湖区优势稻田种植模式, 为促进洞庭湖区资源优化配置和构建丰产高效种植模式提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016−2018年在湖南省益阳市南县三仙湖镇太平桥村(112°24′E, 29°09′N)进行。试验区属湿润亚热带季风气候, 年平均气温16.6 ℃, 降水量1238 mm, 日照时间1776 h。土壤类型为湖相沉积物发育的紫潮泥, 水解氮含量202.2 mg∙kg, 有效磷含量11.5 mg∙kg, 速效钾含量80.1 mg∙kg, 有机质含量41 g∙kg, pH为8.0。

1.2 试验材料和设计

试验田于2009年开始免耕, 2016年油菜季开始设计不同种植模式处理。试验共设置4个种植模式, 分别为冬闲-中稻一熟制(IR)、油菜-中稻两熟制(OR)、油菜-早稻-晚稻三熟制(ORR)、冬闲-早稻-晚稻两熟制(IRR)。采用大区设计, 每个大区面积282 m(47 m×6 m), 大区开沟分厢作为重复, 共3厢, 每个厢面积为47 m×1.8 m, 沟宽度×深度=30 cm×20 cm。

1.2.1 冬闲-中稻一熟制模式(IR)

供试水稻品种为‘Y两优900’, 采用免耕人工撒播, 播种量45 kg∙hm。水稻播种后3～4叶期施尿素90 kg∙hm, 5～6叶期施复合肥(N∶PO∶KO=17%∶5%∶26%) 600 kg∙hm, 幼穗分化期施120 kg∙hm复合肥作穗肥。病虫害和田间灌溉管理措施同一般高产田。

1.2.2 油菜-中稻两熟制模式(OR)

供试油菜品种为‘华湘油16’, 水稻品种为‘深两优5814’, 均采用免耕人工撒播, 播种量分别为3 kg∙hm和45 kg∙hm。油菜播种时用尿素45 kg∙hm拌种作促苗肥, 3～4叶一心时追施尿素150 kg∙hm, 5～6叶一心时追施复合肥(N∶PO∶KO=26%∶10%∶15%) 300 kg∙hm, 以保证冬发壮苗。水稻施肥、病虫害和水分管理措施同冬闲-中稻一熟制模式。

1.2.3 油菜-早稻-晚稻三熟制模式(ORR)

供试油菜品种为‘华湘油16’, 早稻品种为‘中早39’, 晚稻品种为‘H优518’。油菜播种、施肥、病虫害和水分管理措施同油菜-中稻两熟制模式。早晚稻均采用免耕抛秧, 早稻密度40万穴∙hm, 晚稻密度35万穴∙hm。抛秧7 d后施尿素150 kg∙hm, 幼穗分化期施复合肥(N∶PO∶KO=17%∶5%∶26%) 450 kg∙hm。

1.2.4 冬闲-早稻-晚稻两熟制模式(IRR)

早晚稻供试品种、播种方式、病虫害和肥水管理措施同油菜-早稻-晚稻模式。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质生产效率与干物质产能

收获时采用每厢对角线设前、中、后3个点, 每个点取1 m(1 m×1 m)植株地上部, 将油菜籽和油菜植株其余器官分开, 稻谷与水稻植株其余器官分开, 105 ℃杀青30 min, 80 ℃烘干至恒重后称重, 计算每公顷干物质生产量。

干物质生产效率以单位面积干物质的产量表示, 单位kg∙hm。干物质产量转换为能量以干重热值(燃烧值)来表示。干重热值(GCV)是指每千克干物质完全燃烧所释放的能量(MJ∙kg)。本试验油菜秆干重热值为14.13 MJ∙kg, 油菜籽干重热值为26.33 MJ∙kg; 稻草干重热值为14.04 MJ∙kg, 稻谷干重热值为15.47 MJ∙kg。干物质产能以单位面积生产的干物质产量干重热值表示。

1.3.2 产量测定

成熟期, 每厢对角3点取样, 每样点取3 m(1 m×3 m)植株, 油菜调查株数, 水稻调查穴数、有效穗数, 并实收测产, 取10穴代表性植株考种。

1.3.3 积温和光能生产效率测定

气象数据由南县气象局提供, ≥10 ℃有效积温参考严定春等报道的方法计算。根据光照时数计算太阳总辐射=(+/),为天文辐射,为太阳实测日照时数,为太阳可照时数,/为日照百分率,、为待定系数。

1.3.4 经济效益

油菜、中稻、早稻和晚稻销售单价分别为5.0元∙kg、2.4元∙kg、2.2元∙kg和2.4元∙kg。成本包括用工、机械、种子、肥料、农药等生产资料。用工标准和生产资料价格依据湖南省益阳市当地实际用工及物价水平确定。油菜成本包括种子450元∙hm, 农药900元∙hm, 化肥2850元∙hm, 机械开沟和收割1950元∙hm, 播种、施肥和打药人工1050～1200元∙hm; 油菜补贴150元∙hm。中稻成本包括种子2700元∙hm(‘深两优5814’)和3600元∙hm(‘Y两优900’), 农药1650元∙hm, 化肥3000元∙hm, 机械收割1200元∙hm, 播种、施肥和打药等人工1950～2100元∙hm; 中稻补贴2250元∙hm。早稻成本包括种子420元∙hm, 农药1650元∙hm, 化肥3000元∙hm, 育秧盘和农膜600元∙hm, 机械收割1200元∙hm, 抛秧、施肥和打药等人工4800～4950元∙hm; 早稻补贴2250元∙hm。晚稻成本包括种子2250元∙hm, 农药1650元∙hm, 化肥3000元∙hm, 育秧盘300元∙hm, 机械收割1200元∙hm, 抛秧、施肥和打药等人工4800～4950元∙hm; 晚稻补贴2250元∙hm。

1.4 数据统计与计算

用Microsoft Excel 2007计算数据和作图, 用SPSS统计软件进行方差分析, LSD法进行多重比较, 显著性水平设定为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式的生育进程比较

4种种植模式对全年时间的利用情况如表1所示, IR模式生长季节最短, 集中于5月下旬至10月中上旬, 周年生育期平均138.5 d, 仅为全年时间的37.9%, 时间利用率低。IRR两熟制模式生长季集中于当年4月上旬至10月中下旬, 重叠期24 d左右, 周年生育期天数较IR模式增加57～67 d, 但周年平均时间利用率也仅为55.0%, 冬季时间无法利用。ORR模式生长季节最长, 周年平均可达364.5 d, 3季作物间生育期重叠较长, 为42～44 d, 生育季节紧张, 2016−2017周年生育期甚至超过365 d, 表明部分年份周年内3季作物均安全成熟存在较大风险。OR模式周年生育期跨度长, 从上年10月到次年10月均可利用, 时间利用率较高, 两周年分别为85.5%和92.3%, 两季作物间没有重叠期。

表1 不同种植模式生育期天数及播种期和收获期Table1 Growth period and date of sowing and harvest of different cropping systems

2.2 不同种植模式干物质生产效率及分配

比较4种种植模式的周年干物质生产效率, 可以看出三熟制>两熟制>一熟制, 两年试验结果相同。2016−2017年各模式间差异显著。2017−2018年OR和IRR模式差异不显著, 其他模式间差异显著。从表2可以看出, 第2季和第3季作物水稻全株干物质生产效率为第1季作物油菜全株的1.39～2.21倍, 因此种植两季水稻的ORR和IRR模式干物质生产效率较种植一季水稻的OR和IR模式大幅增加。但由于一季稻生育期较长, 其干物质生产效率高于双季稻平均值, 再利用冬季时间增加一季油菜, OR种植模式仍可获得较高的干物质生产效率, 周年干物质生产效率平均值较三熟制减少23.3%, 较一熟制增加31.9%。

表2 不同种植模式的周年干物质生产效率Table2 Efficiency of dry matter production in different cropping systems kg∙hm−2

2.3 不同种植模式干物质产能

由表3可知, 不同种植模式周年干物质产能差异较大, 三熟制>两熟制>一熟制, 两年试验结果相同。干物质产能与干物质生产效率变化规律相同, 2016−2017年各模式间差异显著。2017−2018年OR和IRR模式差异不显著, 其他模式间差异显著。OR模式两周年平均干物质产能生产值较三熟制减少22.4%, 较一熟制增加38.6%。

表3 不同种植模式的干物质产能Table3 Energy of dry matter production in different cropping systems ×104 MJ∙hm−2

2.4 不同种植模式对有效积温的利用与分配

2016年10月9日−2017年10月8日全年有效积温为3257.9 ℃, 2017年10月29日−2018年10月28日全年有效积温为3457.6 ℃。IR模式有效积温分配率和积温生产效率最低, 两周年平均仅为70.0%和7.81 kg∙hm∙℃。ORR模式周年有效积温分配率最高, 两周年平均为100%, 2016−2017周年达102.5%, 表明三熟制部分年份周年内存在热量供应不充足的限制和风险。从表4可以看出, 第1季作物油菜有效积温分配率仅为第2季和第3季水稻的1/3～1/2, 但积温生产效率为水稻的2～3倍, 表明增加一季冬季油菜作物的OR模式可利用冬季有效积温, 提高周年积温生产效率。

表4 不同种植模式的有效积温分配与积温生产效率Table4 Distribution of effective accumulated temperature and production efficiency in different cropping systems

2.5 不同种植模式对光能资源的利用与分配

周年光能资源利用如表5所示。2016年10月9日−2017年10月8日全年太阳总辐射为3918.9 MJ∙m。2017年10月29日−2018年10月28日全年太阳总辐射为4340.9 MJ∙m。比较4种模式, IR模式光能分配率最低, 两周年均值低于50%。OR模式两周年光能分配率分别为90.1%和85.3%, 光照资源充足且利用率高。而另一种两熟制模式IRR两周年光能分配率仅为70.5%和67.5%, 较OR模式分别降低19.6%和17.8%。2016−2017年ORR模式周年光能分配率达102.6%, 表明部分年份三熟制模式周年内光照欠缺, 难以满足3季作物的需求。由于水稻的干物质生产量较油菜高, 因此IRR和IR模式周年光能生产效率高于ORR和OR模式。

表5 不同种植模式的光能资源分配与光能利用Table5 Distribution of light resources and light energy use efficiency in different cropping systems

2.6 不同种植模式的经济效益分析

由表6可以看出, IR模式周年经济效益均值为11 967元∙hm, OR模式较IR模式多1季油菜, 经济效益可增加2328～2673元∙hm, 为4种模式中经济效益最高的模式。ORR模式虽然周年总产值和补贴最高, 周年平均41 032元∙hm, 但由于早晚稻均采用人工抛秧技术增加了成本, 且三季作物相互争夺温光资源, 产量降低, 造成一方面总产值难以提升, 另一方面成本增加的矛盾, 最终导致经济效益较低, 2017−2018年甚至仅为IRR模式的87.4%, 增加了一季作物经济效益反而降低。

表6 不同种植模式的经济效益比较Table6 Comparison of economic benefits of different cropping systems ¥∙hm–2

3 讨论和结论

3.1 不同种植模式干物质生产效率与产能

作物干物质是产量形成的物质基础。在一定范围内, 积累的干物质越多, 籽粒产量越高, 干物质产能也越高。敖和军等和郑本川等研究表明在适宜生长的环境条件下, 作物干物质积累量和干物质产能的提高主要由于生育期延长。本研究得出油菜-中稻两熟制模式中中稻生育期长, 较早稻和晚稻干物质积累量高, 与叶廷红等研究结果一致, 而油菜可利用冬季时期, 两季作物相加能固定和转化较多的周年太阳辐射能, 可获得更高的干物质积累量和干物质产能, 明显高于一熟制冬闲-中稻模式。油菜-中稻模式干物质积累量和干物质产能虽没有油菜-早稻-晚稻三熟制模式高, 但三熟制模式由于本身在环境变化和劳动力缺乏的背景下, 光温资源和经济效益等方面存在一定的缺陷, 将会逐渐成为湖区被更替的种植模式。与另一种两熟制冬闲-早稻-晚稻模式相比, 两种模式干物质生产效率和产能相差较小, 通过合理搭配油菜和水稻品种、调整播种量等手段可以达到进一步增加油菜-中稻模式干物质生产量的目的。

3.2 不同种植模式光温资源利用率

热量资源的合理匹配是种植制度研究的重要内容。在全球气候变化和极端天气频发的环境下, 粮食作物物候期也发生了相应变化, 进一步影响了光温水气候资源的分配与利用效率。阮新民等和习敏等研究结果表明, 近年来江淮地区受气候变化、自然灾害频发, 周年气候资源分配与利用不合理问题凸显, 导致作物产量和品质下降, 严重制约了江淮地区稻麦两熟种植模式周年产量的进一步提高。吕伟生等分析了江西不同生态区1984−2013年气象资料, 发现1999−2013年各地双季稻安全生产期及温光资源较1984−1998年发生明显变化, 且地区间存在一定的差异, 虽然近年来各地区实际生产日期作了相应的调整, 但仍与安全生产日期存在较大偏差。有研究者认为, 气候变暖有利于多熟种植的发展, 可向北扩大作物播种面积, 提高复种指数。但也有研究者认为, 虽然中国一年两熟制、一年三熟制的种植北界都有不同程度北移, 但极端天气会导致低温冷害和高温热害等发生频率增加, 影响作物高产稳产。因此, 不同地区宜因地制宜地调整种植结构。本研究发现洞庭湖区油菜-早稻-晚稻三熟制模式不同季作物生育期共生期长, 茬口衔接紧张, 个别年份周年生育期甚至超过365 d, 光能分配率和有效积温分配率超过100%, 互相影响不利实现丰产优质, 逐渐难以适应气候变化。相反, 冬闲-中稻一熟制生育期短, 周年时间利用率和光能分配率均低于50%, 有效积温分配率也仅为70%, 光温资源利用率低, 造成大量热量资源浪费。虽然湖区年平均气温以0.19 ℃∙(10a)的线性倾向率上升, 但低温冷冻灾发生频率呈增加的趋势。冬闲-早稻-晚稻模式早稻易受倒春寒影响出现烂种烂秧, 晚稻易受寒露风影响出现结实率降低、千粒重下降等危害, 最终影响产量和米质。而油菜-中稻两熟模式, 10月播种油菜充分利用了冬季的光热资源, 延长了生长季节, 既提高了冬田利用率, 又缓解了1季有余、3季不足的矛盾, 光温资源充裕且利用率高, 使水稻避开苗期低温、抽穗期高温的危害, 增加了作物生产的安全性, 两季作物收割期气温适宜, 雨水较少, 既有利于提高油菜籽产量和出油率, 也有利于稻谷晒干、降低水分含量, 提高菜籽和稻米品质。

3.3 不同种植模式经济效益

合理的作物种植模式, 一方面通过提升产量和品质来增加产值, 另一方面可降低投入成本, 两者相减扩大经济效益。本研究发现三熟制比一熟和两熟制多种植一到两季作物, 由于生产成本较高, 在周年温光资源安全的前提下, 即使产值和补贴最高, 所得的经济效益仍然较低, 仅为冬闲-早稻-晚稻模式的97.0%、冬闲-中稻模式的73.0%、油菜-中稻模式的60.4%, 在温光资源匮乏的年份, 产量下降, 经济效益更低, 这与王乐结果不同, 主要因为本研究油菜-早稻-晚稻种植模式采用人工抛秧, 成本较高。同样冬闲-早稻-晚稻模式也存在人工成本较高的问题, 虽然双季稻均有补贴, 但也难以弥补人工成本较高对经济效益的影响, 这与夏飞研究结果相同。近10年来, 长江流域为适应农业生产形势发展的需要, 也逐渐在研究和推广以人工或机械条播、撒播为主的油菜、水稻轻型栽培技术, 且应用面积在不断扩大, 其目的是节省农田里的劳力投入, 提高单位面积纯经济效益。油菜-中稻两熟制模式采用免耕直播大幅降低人工成本, 且中稻产量高, 油菜还可以增加一部分收入, 每公顷两季收入超过1万余元, 是目前洞庭湖区农民广泛接受的模式之一。近年来全国油菜生产面积处于振荡下滑态势, 油菜籽总产量下降, 然而湖南省油菜主要为冬季种植, 不与粮食作物争地, 种植面积却逆势而上, 2018−2019年播种面积达到136.7万hm, 且湖区机械化、轻简化栽培技术推动油菜和水稻种植由移栽向直播的转变, 降低对劳动力的需求, 减少劳动强度, 2019年部分地区冬闲田油菜补助提升至2250元∙hm, 进一步增加种植效益。

油菜-中稻两熟制模式具有较高的干物质生产效率和产能能力, 可实现全年光温资源有效利用, 低投入高产出, 周年经济效益高, 有利于增加农民收入, 以上诸多因素将促进湖区油菜-中稻模式面积不断扩大。由此可见, 油菜-中稻模式是一种适宜洞庭湖区发展的优势种植模式。