长江中游典型稻田种植模式的资源利用率及综合效益

杨滨娟，袁嘉欣，胡启良，刘宁，黄瑶，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

在农业生产中，充分合理地利用光、温、水、土等资源，是农业可持续发展的重要前提和保障。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。发展多熟种植可以在时间和空间上高效集约化利用光、温、水、土等资源，可以获得更高的资源利用率[1］。众多学者对多熟轮作种植模式的资源利用效率进行了大量研究。张帆等[2］研究表明，马铃薯-双季稻的年总光能利用率显著高于其他模式，油菜-双季稻的年有效积温利用率显著高出其他模式3.45%~51.81%。龚松玲等[3］研究表明，与早稻-晚稻种植模式相比，春玉米-晚稻和再生稻种植模式的光能生产效率、积温生产效率分别提高了16.5%和14.6%、15.1%和12.5%。Wang等[4］研究表明，棉麦间作、棉麦连作模式与棉花单作模式相比，显著提高了作物生产力、光能利用率和辐射利用率。建立种植模式综合评价指标体系可以评价种植模式的优劣，从不同层次、不同角度，得出客观、整体、全面和系统的结果[5-6］。李鹏红等[7］通过熵权法和灰色关联度法耦合，综合分析了旱地胡麻地膜利用的经济效益，结果表明，旧膜直播模式能提高旧膜利用率，提高经济效益。周海波等[8］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2 种模式。崔爱花等[9］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13 个指标，发现混播绿肥（油菜×紫云英×肥田萝卜）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。古翼瑞等[10］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，结果显示，“春菜-中稻-秋马铃薯”模式综合效益排名最高、确保粮食高产量和高效益。本研究选取长江中游典型多熟种植模式，分析冬季作物及其种植模式的光、温及土地等资源利用的特点，探究稻田不同种植模式的综合效益，以期为筛选利用适合长江中游地区的高效种植模式提供理论支持和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018 年9 月至2020 年12 月，在江西农业大学科技园水稻试验田（28°46′N、115°55′E）进行。试验地属于亚热带季风性湿润气候，雨热同期、光照充足。年均太阳总辐射量为6 330.25 MJ/m2，年均≥0 ℃的日积温6 997.7 ℃，年均≥10 ℃的有效积温4 087.4 ℃，年均降水量1 921.4 mm。供试土壤为红黏土，试验田土壤基本化学性质：pH 值5.22，有机质含量28.56 g/kg，全氮含量1.79 g/kg，碱解氮含量151.8 mg/kg，有效磷含量27.48 mg/kg，速效钾含量103.74 mg/kg。试验期间日平均气温与降水变化如图1所示。

图1 试验期间日平均气温与降水量变化Fig.1 Daily mean temperature and precipitation changes during the test period

1.2 试验设计

根据试验要求，设5 个处理，每个处理3 次重复，随机区组排列，共15个小区。以“紫云英-早稻-晚稻”为对照，另设置4 个不同种植模式，每个试验小区面积为33 m2（11 m × 3 m），小区间用高30 cm 的水泥埂隔开。具体试验处理为：紫云英-早稻-晚稻（CK，CRR）；紫云英-早稻-甘薯||晚大豆（CRI）；油菜-早稻-晚稻（RRR）；油菜-早稻-甘薯||晚大豆（RRI）；马铃薯-早稻-晚稻（PRR）。紫云英、油菜是均匀撒播，马铃薯切块浸种种植后覆盖稻草。紫云英播种量为37.5 kg/hm2，油菜播种量为15 kg/hm2，马铃薯种植密度为73 000 株/hm2，并使用稻草覆盖。所有冬季作物均在水稻移栽前15 d 翻压还田，冬季秸秆还田量见表1。甘薯大豆采用开沟起垄的方式种植，垄宽1.2 m，垄高0.35 m，每垄种4 行大豆1 行甘薯，甘薯两边各2行大豆，甘薯与大豆间行距0.3 m，甘薯株距0.25 m；大豆间行距0.2 m，株距0.2 m。水稻在移栽前25~30 d 育秧，移栽时，水稻行距为0.2 m，株距为0.2 m。种植时间、施肥量及施肥方法详见表2，其他田间管理同一般大田试验。

表1 冬季作物秸秆还田量Table 1 Quantity of crop straw mulching in winter kg/hm2

表2 田间管理Table 2 Field management

1.3 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 ℃烘干至恒质量，用于测定各处理植株干物质积累与分配情况。

1.4 光、温及土地资源利用率

记录不同作物的播种（移栽）、收获或翻压时间（计算生育期），统计不同作物季的光、温资源量，其中光以总辐射量计算，温度以作物有效积温计算。以最早播种的冬季作物开始到次年晚稻收获为1 周年（即本试验的2 a 时间为2018-09-30−2019-10-30和2019-09-30−2020-12-03），试验地2 a 的气象资料来自中国气象数据网。具体的光、温及土地资源利用率的计算公式参照文献[11-13］。各作物单位干物质燃烧产生的热量计算方法参照文献[14］。

1.5 综合效益分析

统计不同作物生产过程中的投入产出情况，计算不同种植模式的投入产出指标。采用灰色关联度法[15］，根据评价耕作制度[5，8，16］的综合评价指标体系，选取经济效益（5个指标）、生态效益（5个指标）和社会效益（3个指标）共13个指标进行评估，并对各指标原始数据进行无量纲化[17］，采用极差正规化法[14］计算各处理各指标的无量纲化值，并计算关联系数[17］和加权关联度[18］。具体计算公式见文献[15-18］。

1.6 数据处理

使用Microsoft Excel 2019 处理数据，用SPSS20.0 系统软件进行数据处理和统计分析，用LSD 进行样本平均数的差异显著性比较，用Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 稻田不同种植模式对资源利用效率的影响

1）各种植模式光能生产效率及周年利用率。根据各作物单位干物质热量[14］，得出不同种植模式的光能生产效率与周年利用率（表3）。由表3 可知，2019 年，处理CRI、RRI 晚稻季和周年的光能生产效率显著高出对照处理38.68%、29.25%和17.39%、24.64%（P<0.05），处理RRR、PRR 的周年光能生产效率显著高出对照处理13.04%、18.84%（P<0.05）。2020 年，除处理RRR 外，处理CRI、RRI、PRR 的早稻季和周年光能生产效率均显著高于对照（P<0.05），增幅为1.08%~6.45% 和19.05%~41.27%。处理CRI、RRI 的晚稻季光能生产效率分别显著高出对照处理67.86%、55.95%（P<0.05）。2019 年，各处理的年总光能利用率显著高出对照处理10.98%~35.37%（P<0.05）。2020 年，除处理RRR 外，其余3个处理的年总光能利用率均显著高于对照处理（P<0.05），增幅为22.22%~50.00%。综合来看，2 a 间，处理CRI、RRI、RRR 的周年光能生产效率和年总光能利用率较高，其中，处理RRI 表现较好，光能生产效率和年总光能利用率最高；其次是处理CRI，紫云英生育期较长，在晚稻成熟期时与晚稻套播。冬种油菜、紫云英并水旱轮作能充分利用太阳辐射，提高辐射利用率。

表3 不同种植模式的光能生产效率与周年利用率Table 3 Solar radiation production efficiency and annual use efficiency of different cropping systems

2）积温生产效率及周年利用率。表4 反映了稻田不同种植模式对有效积温生产效率和年有效积温利用率的影响。除处理CRI外，其余3个处理的周年积温生产效率均显著高出对照处理8.28%~25.44%（2019 年）和21.09%~26.78%（2020 年）（P<0.05）。2019 年，各处理冬作季的有效积温生产效率差异显著（P<0.05），其中处理RRI 达到最大。早稻季、晚稻季和周年均是处理PRR 达到最大，且在周年时与其他处理间均差异显著，显著高出10.99%~34.46%（P<0.05）。2020 年冬作季与2019 年趋势一致。早稻季各处理的有效积温生产效率差异不显著（P>0.05）；晚稻季处理CRI、RRI 的有效积温生产效率显著高于其他处理（P<0.05）；RRI 的周年有效积温生产效率达到最大，且仅与对照处理差异显著（P<0.05），高出26.30%。因此，马铃薯-早稻-晚稻和油菜-早稻-甘薯||晚大豆模式表现较好，提高了有效积温生产效率。

表4 不同种植模式的积温生产效率与周年利用率Table 4 Growing degree days（GDD）production efficiency and annual use efficiency of different cropping systems

从年有效积温利用率来看，冬种紫云英处理（CRR、CRI）的年有效积温利用率均较高，其次是冬种油菜处理（RRR、RRI）。原因主要是紫云英在晚稻成熟期时与其套播，加之紫云英生育期较长，能利用的有效积温高，因此，处理CRI 和处理CRR 表现较好，提高了积温利用率。

3）土地利用率。由表5 可知，2019 年，CRI 土地利用率最高，其次是处理CRR，平均土地利用率达101.51%，处理RRR、RRI 的土地利用率均在90%以上。2020年，处理CRR的土地利用率最高，处理CRI次之，平均土地利用率达105.76%，其余处理均在90%以上。综合2 a 数据来看，冬种紫云英处理（CRI、CRR）的土地利用率较高，其次是冬种油菜处理。

表5 不同种植模式的土地利用率Table 5 Land use efficiency of different cropping systems

2.2 稻田不同种植模式的综合效益分析

为分析比较稻田不同种植模式的综合效益，选取13 个指标（表6）进行综合分析。由表6 可知，2019年经济总产值、农业费用盈利率、光能利用率、积温利用率、耕地资源生产率、粮食产量均是处理CRI 最高。纯收入、经济产投比、劳动净产值率均以处理PRR 表现最好，而有机质增加比及温室气体增温潜势以处理RRI 表现最好。2020 年经济总产值、纯收入、农业费用盈利率、劳动净产值率、耕地资源生产率、粮食产量、粮食安全指数均以处理CRI 表现最好，光能生产率、温室气体增温潜势以处理RRI 表现最好，而处理PRR 的经济产投比达到最大，处理CRR的积温生产率最大。

由于表6中的各指标量纲不统一，将指标进行无量化处理，得到稻田不同种植模式各指标的无量纲后的值（表7），求出不同模式各项指标的等权关联系数（表8）。为更客观地对稻田种植模式进行评价，本研究设置经济效益权重为0.5、生态效益权重为0.3、社会效益权重为0.2，使用加权关联度对各处理进行综合效益评价（表9）。

表6 稻田不同种植模式的综合效益评价指标初始值Table 6 Raw data of comprehensive benefits evaluation indexes of different cropping patterns in paddy field

表7 稻田不同种植模式的综合效益评价的无量纲化值Table 7 Dimensionless values of comprehensive benefits evaluation indexes of different cropping patterns in paddy field

表8 稻田不同种植模式综合效益评价指标的等权关联系数Table 8 Correlation coefficients of comprehensive benefit evaluation indicators of different cropping patterns in paddy field

由表9可知，2019年各模式的经济效益值排序为PRR>CRI>RRI>CRR>RRR，生态效益排序为CRI>RRI>CRR>RRR>PRR，社会效益排序为CRI>PRR>RRI>CRR>RRR。不同处理的综合效益加权关联度排序为CRI>PRR>RRI>CRR>PRR，处理CRI 的加权关联度最大，表明此处理的综合效益最高。2020 年各模式的单项效益指数：经济效益表现为CRI>PRR>RRI>CRR>RRR，生态效益表现为CRI>RRI>CRR>RRR>PRR，社会效益为CRI>RRI>PRR>CRR>RRR。不同处理的综合效益加权关联度排序为CRI>RRI>PRR>CRR>PRR，依旧是处理CRI 的加权关联度最大，表明处理CRI 的综合效益最高，能够兼顾经济、生态、社会三大效益，是能够推动稻田高产高效种植的较优模式。综合2 a 试验结果，紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式的综合效益最优。

表9 不同种植模式的综合效益评价（2019−2020）Table 9 Comprehensive benefits evaluation of different cropping patterns（2019−2020）

3 讨 论

研究表明，多熟种植模式比冬闲单作模式能提高资源利用率，麦稻模式和油稻模式的积温利用率、辐射利用率和土地利用率与冬闲对照模式相比均处于较高水平，其中麦稻模式表现最优，分别达到94.2%、95.5%和86.3%[19］。Zhang 等[20］研究结果表明，与不施氮肥相比，减氮、减氮+交替灌溉、减氮+有机肥模式均能提高粮食产量和资源利用效率。本试验各模式中，处理RRI 的周年光能生产效率和年总光能利用率较高，其次是处理CRI，表明冬种油菜、紫云英并晚稻季水旱轮作模式能充分利用太阳辐射，对于光能的获取具有一定的优势，有利于周年生物量的提高。

Su 等[21］研究表明，选用生长期较长的玉米品种可以有效地提高积温利用率。本试验结果表明，冬种紫云英模式的年有效积温利用率均较高，冬种油菜处理次之。原因主要是紫云英在晚稻成熟期撒播后生育期较长，获得的有效积温较多，提高了有效积温利用率。除处理CRI外，其余3个处理的周年积温生产效率均显著高出对照处理8.28%~25.44%（2019 年）和21.09%~26.78%（2020 年）（P<0.05），其中以处理PRR 和RRI 表现较好，主要是由于冬种油菜、马铃薯（经济作物）的产量较高。

为了更全面客观地评价农田生态系统，反映各种植模式对于农田生态系统的整体效益功能[22］，本试验采用灰色关联度法对稻田不同种植模式进行经济效益、生态效益和社会效益的综合效益评价。由于不同种植模式总产量、种植成本、用工成本的差异较大，所以，经济效益差异较大。本试验结果表明，稻田不同种植模式下，处理CRI 和PRR 的经济效益表现较好，主要是晚稻季时种植甘薯和晚大豆，且冬种马铃薯有利于提升后茬双季稻的产量，所以经济效益较高。处理RRI 虽然周年产量较高，但种子和肥料成本较高，增加了成本投入，所以经济效益低于处理CRI和PRR。处理CRI、RRI的生态效益表现较好，主要是晚稻季种植旱作物温室气体增温潜势最小，有利于温室气体减排，且有机质增加比也较高，有利于增加土壤肥力，所以生态效益较好。综合2 a数据，不同种植模式的综合效益均是处理CRI 的加权关联度最大，表明紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式的综合效益最高，能够兼顾经济、生态、社会三大效益，对长江中游地区的稻田种植模式优化具有重要意义，有利于农业生产的可持续发展。

综上所述，2 a内，油菜-早稻-甘薯||晚大豆模式的周年光能生产效率和年总光能利用率较高，其次是紫云英-早稻-甘薯||晚大豆。冬种紫云英处理的年有效积温利用率均较高，紫云英-早稻-甘薯||晚大豆和紫云英-早稻-晚稻模式表现较好，提高了积温利用率。连续2 a 均是紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式的综合效益加权关联度最大，分别为0.75 和0.81，综合效益最优。在综合考虑产量、温室气体排放、土壤质

量、资源利用效率和综合效益的情况下，紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式表现较好，对长江中游地区稻田种植模式的优化具有重要意义。