长江中游不同复种轮作模式的资源利用率及综合效益比较*

杨滨娟, 李新梅, 胡启良, 刘 宁, 黄国勤

(江西农业大学生态科学研究中心/江西省作物生理生态与遗传育种重点实验室 南昌 330045)

轮作休耕是轮作和休耕两者的协调统一, 是从轮作发展而来的耕作方式, 有特殊的内涵。实施轮作休耕不仅有助于耕地的休养生息, 也有利于保护耕地资源和潜在农产品生产能力。农业中光、温、水、土等资源的合理高效利用, 是农业可持续发展的前提和重要保障。但近年来长江中游普遍存在种植制度单一, 光、温、水资源利用率不足, 过量施用化学肥料等一系列问题, 严重影响了该区域的粮食生产结构和农业生态环境。提高农业的复种指数,发展多熟制可以提高农业资源的利用效率, 而且不同的农业种植模式有不同的资源利用效率。陈阜等提出了由“单熟制”向“多熟制”的转变策略, 多元多熟复合种植可以获得更高的光能利用率。李小勇研究表明, 与“冬闲-双季稻”种植模式相比, “春玉米(Zea mays)-晚稻(Oryza sativa)”的周年土地资源利用效率、光能、温度和自然降水表观生物利用率分别提高9.75%、14.70%、20.40%和12.10%。另外, 综合评价不同种植模式也是当今开展种植制度研究的核心之一。衡量一种种植模式是否合理, 不能以产量作为唯一的度量标准, 要综合考虑该模式是否能最大效率地利用自然资源(光、温、水等)和人为投入(农药、化肥、种子、劳动力等), 以及在实施区域最适宜的收获季节获取最大产量的农作物和经济效益的最大值。周海波等采用群决策方法, 建立综合评价指标体系, 对双季稻田三熟制不同种植模式的经济、生态和社会效益进行综合评价, 结果表明 “绿肥-稻-稻”和“薯-稻-稻”是综合效益较好的两个模式。崔爱花等采用灰色关联度法, 针对红壤旱地不同复种模式, 综合评价了经济、生态和社会效益的13个指标, 发现混播绿肥[油菜(Brassica napus)×紫云英(Astragalus sinicus)×肥田萝卜(Raphanus sativus)]复种模式的加权关联度最高, 是兼顾经济、生态和社会效益的较优模式, 适宜在红壤旱地推广。古翼瑞通过AHP综合效益指数评价法围绕水稻相关种植模式的综合效益进行评价, “春菜-中稻-秋马铃薯(Solanum tuberosum)”模式综合效益排名最高, 确保粮食高产量和高效益。目前, 针对种植模式的综合评价方法主要有灰色关联分析法、经验及传统统计分析法、加权综合评价法等。加权综合评价法与灰色关联分析、经验及传统统计分析法两种方法相比, 充分考虑了指标之间的关联性和指标的相对重要性, 有助于研究者充分利用试验提供的信息。但综合比较长江中游不同种植模式的资源利用效率以及综合效益的研究较少, 尤其是涉及轮作休耕模式的, 少见相关报道。因此, 在双季稻田“紫云英-早稻-晚稻”传统种植模式上, 设置不同复种轮作模式, 深入研究各种植模式对资源利用率以及综合效益的影响, 为双季稻区推广应用绿色高效的复种轮作休耕模式提供科学依据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

于2017年9月至2019年11月, 在江西省鹰潭市余江区农业科学研究所试验田(28°14′8″N,116°51′22″E)开展试验, 试验地属亚热带季风湿润气候, 四季分明, 降雨充沛,年降雨量1788.8 mm,年平均气温17.6 ℃, 太阳年辐射总量为4542.7 kJ∙m,年无霜期平均258 d。试验前的土壤基础养分状况基本一致, 小区之间随机排列, 有良好的排灌设备, 小区周边设置保护区。试验地水利资源丰富, 灌溉布局合理, 田地平整, 是水稻良种繁殖的理想之地, 多为泥沙淤土, 少数为红壤土, 土质肥沃, 偏酸性。试验前土壤(0～20 cm)肥力: pH 5.07, 有机质含量30.07 g·kg, 全氮含量1.79 g·kg, 碱解氮含量182.67 mg·kg,有效磷含量86.10 mg·kg, 速效钾含量129.67 mg·kg。

1.2 试验材料与田间试验设计

试验设置5种种植模式, 每个处理3次重复, 随机区组排列, 小区面积为66.7 m, 小区间的田埂、水沟和环沟的宽度分别为0.5 m、1 m和0.5 m, 按随机区组排列。处理A为对照, 处理B、C、D进行两年复种轮作, 处理E为休耕模式(表1)。

表1 2018—2019年各处理的具体种植模式Table 1 Planting patterns of each treatment from 2018 to 2019

试验材料与田间管理: 紫云英品种为‘余江大叶籽’, 油菜品种为‘赣油1号’, 早稻品种为‘中早33’, 晚稻品种为‘黄花占’, 大豆(Glycine max)品种为‘沪鲜豆6号’, 玉米品种为‘赣1号’, 甘蔗(Saccharum officinarum)品种为‘赣紫皮果蔗’, 甘薯(Dioscorea esculenta)品种为‘赣南瓜红薯’。2018年, 早稻播种量为45 kg∙hm, 移栽时间4月15日, 收获时间7月8日;晚稻播种量为42 kg∙hm, 移栽时间7月10日, 收获时间11月4日; 紫云英播种量为22.5 kg∙hm, 播种时间2017年10月1日, 在盛花期(2018年4月10日)直接翻压还田; 油菜种植密度为11.1万株∙hm, 移栽时间在2017年12月6日, 收获时间2018年5月15日; 大豆种植密度为6.7万株∙hm, 春大豆移栽时间4月15日, 收获期6月6日, 秋大豆移栽时间6月15日,收获时间10月31日; 玉米播种量为6.7万株∙hm,播种时期7月15日, 收获时间10月20日; 甘蔗种植密度为8230株∙hm, 移栽时间5月16日, 收获时间12月6日; 甘薯种植密度为5.6万株∙hm, 移栽时间7月15日, 收获时间10月20日。2019年, 早稻播种量为45 kg∙hm, 移栽时间4月7日, 收获时间7月5日; 晚稻播种量为42 kg∙hm, 移栽时间7月12日, 收获时间11月10日; 紫云英播种量为22.5 kg∙hm, 播种时间2018年9月30日, 在盛花期(2019年4月12日)直接翻压还田; 油菜种植密度为11.1万株∙hm,移栽时间在2018年11月30日, 收获时间2019年5月10日; 大豆种植密度为6.7万株∙hm, 春大豆移栽时间4月8日, 收获期6月10日, 秋大豆移栽时间6月20日, 收获时间11月10日; 玉米播种量为6.7万株∙hm, 播种时期7月12日, 收获时间10月25日;甘蔗种植密度为8230株∙hm, 移栽时间5月15日,收获时间12月8日; 甘薯种植密度为5.6万株∙hm,移栽时间7月12日, 收获时间10月25日。

化肥种类及用量: 作物所用化肥为尿素(N 46%), “施大壮”复合肥(N∶PO∶KO=15%∶15%∶15%)。早、晚稻化肥施尿素(折合成N) 103.5 kg∙hm, 施复合肥折合 成N、PO、KO分 别 为67.5 kg∙hm、67.5 kg∙hm和67.5 kg∙hm。水稻钾、氮肥分基肥、分蘖肥、穗肥3次撒施, 施用比例为基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶3∶3, 分蘖肥在移栽后5～7 d施用, 穗肥在主茎幼穗长1～2 cm时施用; 早稻秸秆切碎全量还田,晚稻秸秆覆盖还田, 详细田间管理如表2所示, 其他田间管理措施均按照一般大田栽培。

表2 2018—2019年不同处理的施肥措施Table 2 Fertilization of each treatment in 2018 and 2019

1.3 测定项目与方法

1.3.1 作物考种与测产

玉米、大豆: 分别于成熟期在各小区选取有代表性植株15株, 玉米脱粒晒干, 大豆去豆荚晒干, 作为实测产量。紫云英、油菜、甘薯、甘蔗: 在成熟期, 采用五点法, 每点测1 m, 测其鲜重, 然后取样烘干测其干重。水稻每小区实收作为实际产量, 其中油菜、马铃薯、甘薯、大豆产量按所形成的经济产量, 以原粮折算标准计算产量进行比较分析。

1.3.2 植株干物质测定

在作物成熟期每小区按平均茎蘖法随机取5穴(小区边行不取), 分成叶片、茎鞘和穗(抽穗后)等部分装袋, 于105 ℃条件下杀青30 min, 再经80 ℃烘干至恒重, 测定各处理植株干物质积累与分配情况。

1.3.3 植株氮素测定

在作物成熟期植株干物质积累测定完成后粉碎混匀, 采用HSO-HO消化, 以半微量开氏定氮法测定植株全氮含量。

1.3.4 资源利用率测定与计算方法

记录不同作物的播种(移栽)、收获或翻压时间,早、晚稻移栽和收割时间作为生育期计算依据, 试验地两年的气象资料日平均气温、降雨量、日照时数等由余江区气象站提供。

1)光能利用率

式中: SUE为光能利用率; W为单位面积上作物产量的干重; H为单位干物质燃烧产生的热量; ∑Q为生长期全年太阳辐射能产生的热量, 其中太阳一年辐射能量在鹰潭市余江区约4542.7 MJ∙m∙a。

各作物单位干物质热量如表3所示。

表3 不同复种轮作模式各作物单位干物质热量Table 3 Heat per unit of dry matter of each crop of different multiple cropping rotation patterns

2)年有效积温利用率

作物从种到收的日平均气温总和为积温,日平均气温＞10的部分相加为有效积温。

3)降水表观生物利用率

降水表观生物利用率反映的是自然降水量对作物干物质积累量形成的贡献

4)氮素利用效率

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行统计分析。用SPSS 17.0系统软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作休耕模式对资源利用效率的影响

2.1.1 光能利用效率

热值是评价植物太阳能累积和化学能转化效率高低的重要指标之一。籽粒的产量主要取决于光能利用率, 光能利用率是光合作用中贮存的能量占有效辐射能或占太阳总辐射能的百分比。因处理E为休耕, 故处理E的光能利用率为0。从表4的结果可以看出, 复种轮作各处理总光能利用率与CK处理差异明显。2018年处理D (油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯)的总光能利用率最高, 比其他处理高29.92%～115.91%。2019年处理B的总光能利用率最高, 比其他处理高14.78%～97.63%。综合两年的数据来看, 轮作模式中“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”模式(处理D)的光能利用率最高, 为2.067%。

表4 不同复种轮作模式的作物光能利用率Table 4 Solar radiation use efficiencies of crops of different multiple cropping rotation patterns %

2.1.2年有效积温利用率

年有效积温利用率的数据来源为2018年和2019年鹰潭市余江区日平均气温统计, 以紫云英撒播到晚稻收获为一周年计算年有效积温和日有效积温, 因处理E为休耕处理, 故其年有效积温利用率为0。从表5可以看出, 各处理的年有效积温利用率存在差异, 稻田复种轮作模式的两年年有效积温利用率均高于对照处理, 各处理较CK处理分别高8.60%、18.28%和39.78%, 以处理D的年有效积温利用率最高。由于不同模式中有间作和套种, 各种植作物的生长发育时期长短不一致, 播种和收获时间不一致,故不同处理作物吸收的有效积温不一致, 而复种轮作模式中各种作物套种生长, 生育期较长, 吸收的有效积温较多, 其中“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”模式(处理D)表现较好, 能更好地促进作物生长。

表5 不同复种轮作模式的年有效积温利用率Table 5 Utilization rate of annual effective accumulated temperature of different multiple cropping rotation patterns

2.1.3 降水表观生物利用率

表6所示为不同处理作物生育期自然降水量和降水表观生物利用率。数据来源于2018年和2019年鹰潭市余江区日降水量统计, 以每种作物种植到该作物的收获时来计算自然降水量, 处理E的降水表观生物利用率为0。从表6可以看出, 轮作模式的降水表观生物利用率与CK处理相比存在明显差异。各种植作物由于作物播种和收获时间不一致, 其生育期自然降水量表现不一致。2018年降水表观生物利用率最大为处理D (油菜-甘蔗||春大豆), 较其他处理高出8.37%～65.41%; 2019年降水表观生物利用率最大为处理B (油菜-甘蔗||春大豆), 高出其他处理16.45%～78.79%。综合来看, 在2018年与2019年处理D的降水表观生物利用率均高于CK处理, 说明3种复种轮作模式中, 以“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”复种轮作模式(处理D)能显著提高降水表观生物利用率。

表6 不同复种轮作模式的降水表观生物利用率Table 6 Apparent bioavailability of precipitation of different multiple cropping rotation patterns

2.1.4 周年氮素利用效率

从表7可以看出, 不同处理的氮吸收率和氮素利用效率存在差异, 尤其是在不同复种轮作模式中, 存在着明显的差异, 处理E的氮素利用效率为0。从氮吸收率方面来看, 2018年氮吸收率B处理最高, 高出CK处理3.90倍; 2019年C处理的氮吸收率最高,较CK处理高3.99倍。从氮肥生产效率方面来看,2018年、2019年氮肥生产效率最高均为D处理, 较CK处理分别高58.08%和123.27%。从氮素收获指数方面来看, 2018年氮素收获指数最高为处理D, 较其他处理高1.78倍、9.24倍和2.40倍; 2019年氮素收获指数最高的是处理B, 较其他处理高1.57倍、8.80倍和1.72倍。综合两年的数据可以看出, 除处理C外, “紫云英-春大豆-秋大豆→油菜-甘蔗||春大豆”模式(处理B)及“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”模式(处理D)两年在氮吸收率、氮肥生产效率、氮素收获指数的总和均高于CK处理。

表7 不同复种轮作模式的氮素利用效率Table 7 Nitrogen use efficiencies of different multiple cropping rotation patterns

2.2 轮作休耕模式效益的综合评价

2.2.1 指标构建

不同复种轮作系统优越性综合评价指标的选择,应遵循全面性、可操作性、简要性和科学性等原则。基于已有的文献资料构建评价指标体系, 本文运用层次分析法(AHP)确定各指标对于不同复种轮作系统影响程度的大小, 通过比较同一目标下各指标的重要程度, 采用1～9标度法建立判断矩阵, 从而计算出各指标的相对权重, 具体计算结果如表8所示。

表8 不同复种轮作模式综合效益评价指标及其相对权重Table 8 Evaluation indexes and relative weights of different multiple cropping rotation patterns

产值(X)主要指作物的价值; 成本(X)包括化肥、农药、种子、人工和其他一些辅助能的支出费用;净收益(X)表示总产值扣除总成本后的产值留存;产投比(X)表示投入与产出的比例; 劳动力净收益率(X)用净收益除以用工天数; 产量输出(X)指作物产量之和; 化肥投入(X)指氮磷钾肥的实物用量;氮磷钾输出(X)主要包括作物氮素、磷素和钾素输出; 农药投入(X)指各种农药的实物用量之和。高成本不利于种植模式的推广, 化肥、农药的使用会造成农业面源污染。因此, 本研究把指标X、X、X作为负效应指标, 其他7个指标作为正效应指标。早稻籽粒的价格为2.0元∙kg,晚稻籽粒的价格为2.8元·kg, 甘蔗茎的价格为1.3元∙kg, 油菜籽粒的价格为3.5元∙kg, 秋大豆籽粒的价格为2.59元∙kg,春大豆的籽粒价格为2.3元∙kg, 玉米籽粒的价格为1.38元∙kg, 甘薯块茎(新鲜)价格为1.5元∙kg。施用肥料的价格分别是“施大壮”复合肥2.7元∙kg, 尿素2.1元∙kg, 钙镁磷肥1.0元∙kg。

2.2.2 单项指标指数

由于各评价指标的原始计量单位不相同, 为了便于比较, 需要消除各指标之间量纲的影响。运用公式对相关原始数据进行无量纲化处理, 得出各指标的评定系数。

正效应指标:

负效应指标:

式中: ξ、x分别为第i项指标在第t种复种轮连作系统中的指标评定系数和原始数据; min(x)、max(x)分别是第t项指标X(1≤t≤10)原始数据的最小值和最大值。对于某一单项指标, 轮作休耕模式的评定系数值增大, 则可视为在只考虑该单项指标的情况下, 此种植模式更具有发展前景。

各处理单项指标评定系数如表9所示: 2018—2019年, 在产值、净收益、产投比、产量输出、氮磷钾输出及光能利用率6个正向指标中, 处理D均大于处理A (CK)。

表9 不同复种轮作模式综合效益评价指标无量纲化后的评定系数Table 9 Dimensionless evaluation coefficients for different multiple cropping rotation patterns

2.2.3 综合评价

本文采用多目标线性加权求和模型评价综合性指标, 具体数学模型为:

式中: W为准则层指标Z相对于目标D的权重; B为第j个指标X相对于指标Z的权重; ξ为第j个指标X在第t种复种轮连作系统中的评定系数值。对任意给定的两种种植模式, 如果D≥D(1≤i,j≤5,i≠j), 则表明第i种种植模式优于第j种种植模式。

由表10可知, 在经济效益评价指数方面, 2018年的排序为处理D＞处理A (CK)＞处理C＞处理B＞处理E, 处理D的经济效益评价指数最大; 2019年的排序为处理D＞处理B＞处理A＞处理C＞处理E。在社会效益评价指数方面, 两年均表现为处理D最大, 产量输出在社会效益评价中占有较大的权重, 处理D的产量输出评价系数相对其他处理较高, 处理E评价指数排在最后, 主要是处理E的产量输出为0。生态效益评价指数在2018年由高到低依次为处理B＞处理E＞处理C＞处理D＞处理A (CK); 2019年排序为处理C＞处理D＞处理E＞处理B＞处理A, 两年的生态效益评价指数均表现为处理B、C、D、E高于处理A。

表10 不同复种轮作模式综合评价指数Table 10 Comprehensive evaluation indexes for different multiple cropping rotation patterns

不同轮作休耕模式的两年综合效益表现为处理D (1.65))＞处理B (0.97)＞处理A (0.79)=处理C (0.79)＞处理E (0.46), 最大值(处理D的综合效益评价指数)和最小值(处理E的综合效益评价指数)约相差2倍多。

3 讨论

充分利用周年有效光、温、水、土等资源, 对最大限度地提升作物生产潜力和提高作物产量具有重要现实意义。光能利用效率与作物品种、种植制度和种植密度等因素有关, 作物品种不同, 光合作用途径不一样, 光合效率也不一样。李淑娅等研究表明, 采用光效高的C作物玉米取代一部分双季早稻, 在提高了资源利用效率的同时还增加了经济效益, 而且增加了种植模式的多元化。本研究中, 复种轮作处理总光能利用率与对照处理相比, 存在着明显的差异, 其中“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”模式光能利用率最高。有效积温是影响作物产量的重要因素之一, 充分利用作物生长季的热量资源, 延长作物的光合时间, 选择合适的品种均可以增加作物的光合积累, 进而增加作物产量。杨滨娟等研究表明, 各水旱复种轮作模式的周年光能利用率、年有效积温利用率、水分利用率均以 “蔬菜-花生||玉米-晚稻→绿肥-早稻-晚稻”和“绿肥-早稻-晚稻→油菜-花生-晚稻”轮作模式表现较好, 本研究结果与之类似。本研究结果表明, 各处理的年有效积温利用率存在差异, 稻田复种轮作的两年年有效积温利用率、降水表观生物利用率均高于对照连作模式, 其中“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”模式表现较好, 能更好地促进作物生长。马阳等研究表明, 合理的耕作与施肥方式是实现作物高产高效的重要措施, 本研究表明“紫云英-春大豆-秋大豆→油菜-甘蔗||春大豆”模式及“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”模式两年在氮吸收率、氮肥生产效率、氮素收获指数的总和均高于对照处理。朱亚琼等研究表明, 混播群体空间结构的优化可以使豆禾混播牧草根系氮素固定、转移、利用途径和效率得到提高, 提升了混播系统生产性能。本研究中, 增加紫云英及大豆品种, 直接影响作物植株氮素积累量, “紫云英-春大豆-秋大豆→油菜-甘蔗||春大豆”模式及“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”模式两年在氮吸收率、氮肥生产效率、氮素收获指数的总和均高于对照处理。

轮作休耕模式因为作物组成不同, 作物生产力有明显差异, 同时, 不同复种轮连作系统的能量效益、经济效益和综合效益也有较大差异。本研究采用加权综合评价模型对稻田不同复种轮连作系统的综合效益进行评价, 结果表明轮作休耕模式的综合效益排序为: “油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”＞“紫云英-春大豆-秋大豆→油菜-甘蔗||春大豆”＞ “紫云英-早稻-晚稻→紫云英-早稻-晚稻”＞“紫云英-早稻-玉米||甘薯→紫云英-春大豆-秋大豆”＞“休耕”,表明“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”轮作模式有助于推动农田增产增效, 有利于实现农业生产的可持续发展, 这与黄国勤等研究结果表明“粮、经、菜合理搭配, 多种多样农产品满足人们不同的需要, 因此该模式经济效益和社会效益均佳”观点相似。

轮作休耕模式是一个复杂的整体, 其探究的问题均是一个漫长的过程。众多研究结果认为稻田复种轮作模式能够提高复种指数及资源利用率, 能使农田生态系统高产高效。本文进一步对轮作休耕模式进行了综合分析, 阐明稻田间套作和轮作种植模式对土壤生态环境的影响机理, 为稻田生态系统服务评价提供依据, 在前人研究的基础上进行补充和验证。但本研究还不够全面, 有待于进行更深一步的探讨。

4 结论

连续两年稻田3种复种轮作模式的年有效积温利用率、降水表观生物利用率均高于“紫云英-早稻-晚稻→紫云英-早稻-晚稻”连作模式。在经济效益和社会效益评价指数方面, 2018年和2019年均是处理D表现最好, 而生态效益评价指数方面表现较好的是处理B。不同轮作休耕模式的两年综合效益表现为“油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”＞ “紫云英-春大豆-秋大豆→油菜-甘蔗||春大豆”＞“紫云英-早稻-晚稻→紫云英-早稻-晚稻”＞“紫云英-早稻-玉米||甘薯→紫云英-春大豆-秋大豆”＞“休耕”。因此, “油菜-甘蔗||春大豆→紫云英-早稻-玉米||甘薯”轮作模式整体表现较好。