长三角水稻-油菜周年两熟温光资源分配与利用特征

陶玥玥 盛雪雯 徐 坚 沈 园 王海候 陆长婴 沈明星,*

长三角水稻-油菜周年两熟温光资源分配与利用特征

陶玥玥1盛雪雯3徐 坚2沈 园1王海候1陆长婴1沈明星1,*

1江苏太湖地区农业科学研究所 / 国家土壤质量相城观测实验站, 江苏苏州 215155;2太仓东林农场专业合作社, 江苏苏州 215400;3苏州市农业技术推广中心, 江苏苏州 215155

为提升长江流域水稻-油菜周年产量潜力和资源利用效率, 2017—2021年于江苏苏州布置田间定位试验, 以中熟晚粳水稻-垄作摆栽油菜传统模式为对照, 对比研究了新型迟熟中粳水稻-直播油菜模式干物质产量、水稻籽粒产量、温光资源分配和利用特征及经济效益。结果表明, 与常规模式相比, 新型模式油菜季温和光生产效率分别显著提高了24.1%和20.6%, 水稻季温、光生产效率无显著变化。新型模式下油菜干物质产量显著提高了18.2%, 但水稻籽粒和干物质产量分别显著下降了17.6%和15.5%。常规模式中水稻和油菜两季积温分配率分别为63.9%和36.1%, 积温比值为1.77; 新型模式周年积温量减少588℃, 其中水稻积温减少483℃, 油菜季周年积温分配率增加了1.8%, 两季积温比值下降为1.64。新型模式较常规模式增加周年效益31.4%, 提高油菜种植效益2.2倍, 而降低水稻种植效益17.4%。由此, 以迟熟中粳水稻搭配后季直播油菜新型模式, 可显著提高了油菜季产量、温光生产效率与经济效益, 提升周年种植效益。在兼顾粮饲安全和经济效益的前提下, 新型水稻-油菜模式可作为长期单一化水稻、油菜或小麦两熟制轮作模式之一。

长江流域; 水稻–油菜两熟; 籽粒产量; 干物质产量; 温光资源分配; 资源利用效率

长江三角洲带地处长江中下游平原地区, 光热资源丰富, 是中国水稻十分重要的农业生产基地。稻田不同种植模式在利用光热资源上有其独特的优势, 挖掘复种潜力以提高光热资源利用效率是提高粮食总产的关键[1]。稻后复种油菜是稻田传统的农作制度之一, 优质高效和生态安全的水稻-油菜复种模式可以挖掘高产潜力, 降低生产成本, 还可提高光热资源利用效率、养分利用效率与土地产出率, 有效推进耕作制度优化和产业升级[2]。在洞庭湖区水稻–油菜两熟种植模式与其他模式综合比较, 可充分利用全年光温资源, 提高干物质生产效率和产能及经济效益[3]。水稻-油菜周年两熟复种制也是利于粮食增产和土壤培肥的优良制度[4-5], 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和养分累积量, 相对于水稻-小麦两熟体系, 水稻-油菜体系增加了氮素盈余量从而可降低氮肥用量[5-6]。

近年来, 随着生态旅游及油菜多功能利用产业的发展, 稻后复种花饲兼用油菜已成为长江中下游流域的重要种植模式之一, 不仅充分利用了冬季的光热资源, 还可缓解南方饲料粮短缺、草畜不平衡的矛盾, 提升经济效益[7-9]。然而, 受气候变化、土壤墒情及生产条件等影响, 长三角农区乃至长江中下游流域水稻–油菜周年两熟季节间茬口矛盾突出的问题普遍存在, 水稻成熟期严重推迟导致后季油菜生长光热资源不足, 产量显著降低, 限制了该体系产量潜力和资源生产效率的提升[8]。同时, 油菜采用育苗移栽的种植方式, 由于农村劳动力减少和农业生产成本大幅增加导致作物生产效益低下[10-12]。因此, 进一步优化水稻-油菜种植制度, 挖掘作物温光资源利用潜力, 对于提高长三角农区作物生产力水平和生产效益具有重要意义。

品种、播种期和栽植方式等与生态区光温资源的匹配度, 是影响作物生长发育和产量形成的关键限制因子, 可通过调控作物生长发育与光温的协同性, 实现作物产量和光温资源利用效率的协同提升[13-15]。华北平原区域运用小麦-玉米双晚栽培模式可显著提升周年光温利用效率, 进而增加麦玉周年产量[16-17]。不同类型品种直播稻生育期间温光资源利用差异明显[18], 里下河农区稻麦两熟制生产条件下通过水稻品种类型与播期优化提升水稻产量、生育期及温光利用[19]。关于长三角水稻–油菜周年两熟产量形成与温光资源分配、利用特征至今尚不明确, 在该地区引入早熟水稻品种协调油菜直播方式对该体系产量与温光资源利用的影响鲜有研究。由此, 为探明不同水稻-油菜周年两熟模式季节间资源分配特征、产量及资源利用特征, 建立周年温光资源优化配置的定量指标, 本文则在长三角农区布置了3年田间定位试验, 比较分析了不同水稻–油菜体系产量和资源利用率差异, 旨在通过调控水稻品种与油菜播栽方式, 优化两季资源分配和稳定周年产量, 提升长江流域水稻–油菜周年产量潜力和资源利用效率。

1 材料与方法

1.1 供试材料与地点

2017年至2021年在江苏省太仓市城厢镇东林水稻农业园区(31°31' N, 121°05' E, 海拔4 m)布置田间定位试验。试验点地处长江三角洲太湖平原, 属于亚热带南部湿润气候区, 年平均温度约15.3℃, 年降水量约1000 mm, 年日照时数在2280 h。试验点土壤属于渗育型水稻土, 耕层土壤有机质(24.1± 2.1) g kg–1, 全氮(1.62±0.31) g kg–1, 有效磷(80.5±6.5) mg kg–1, 速效钾(105.3±8.9) mg kg–1, pH为6.8±0.2。试验前大田为统一水稻-小麦周年两熟种植, 按常规生产方式统一管理。

供试油菜品种(L.)为甘蓝型双低杂交油菜“宁杂1818”, 由江苏省农业科学院选育, 芥酸含量为0.50%, 饼粕硫苷含量为23.44 μmol g–1。供试水稻品种(L.)分别为“苏香粳100”和“南粳9108”, 其中“苏香粳100”为当地主推品种, 属于中熟晚粳稻, 由江苏太湖地区农业科学研究所选育, “南粳9108”属于迟熟中粳稻, 由江苏省农业科学院选育。

1.2 试验设计与实施

田间试验为水稻-油菜周年种植单因素试验, 以水稻品种类型和油菜播栽方式不同组合为处理, 设定2个处理, 分别为迟熟中粳水稻-直播油菜(新型模式, 以下简写‘Rs-Ods’)和中熟晚粳水稻-垄作摆栽油菜(对照, 常规模式, 以下简写‘Rl-Ofrpp’)。采用大田对比试验设计, 全程机械化操作, 处理田块面积2700 m2(30 m × 90 m)。每个处理田块内避开边际设定4个重复微区(10 m × 15 m)用于植株、土壤样品采集与指标监测。

水稻均采用毯苗机插秧方式种植, 统一于4月底秧盘播种育苗, 5月中下旬移栽, 移栽时苗龄约20 d, 二叶一心, 移栽株行距为30 cm × 14 cm。如表1所示, 新型模式中迟熟中粳水稻“南粳9108”生育期分别为133～136 d, 于9月底至10月初成熟收获后, 10月上旬油菜采用机械直播方式种植, 直播量为4.5 kg hm–2。常规模式中中熟晚粳水稻“苏香粳100”生育期分别为159～160 d, 10月底至11月初成熟收获后, 11月上旬油菜采用机械开沟起垄摆栽方式种植[8]。油菜于9月底至10月初播种育苗, 11月上旬完成移栽, 苗龄约40 d。移栽时机械开沟, 畦沟宽0.4 m, 畦面宽1.0 m, 株距0.12 m, 行距为宽窄行, 宽行1.1 m, 窄行0.3 m, 种植密度119,000株 hm–2。2种模式下油菜均作饲用, 统一于4月下旬机械收割青贮, 新型模式和常规模式下油菜大田生育期分别为191～207 d和199～212 d。水稻施肥量按氮(N) 240 kg hm–2、磷(P2O5) 72 kg hm–2、钾(K2O) 72 kg hm–2, 其中氮肥分3次施用, 基肥、分蘖肥和穗肥比例为3∶4∶3, 磷钾肥均作基肥一次性施用。油菜按施氮量270 kg hm–2, 其中60 %作基肥和蜡肥, 40 %作薹肥, 磷肥用量按P2O5105 kg hm–2, 钾肥施用量按K2O 105 kg hm–2, 均一次性基施。其他田间管理与当地生产保持一致。种植方案及作物生育期信息详见表1。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 气象资料收集 试验期间气象数据由试验基地小型全自动气象站(WE400, Global Water, 美国)监测获得, 主要包括日均温、日均高温、日均低温、日照时数、辐射量和降雨量等指标。

1.3.2 生育特征与产量测定 水稻移栽1周, 记录播种期、移栽期、幼穗分化期、齐穗期和成熟期。水稻成熟期, 在各处理微区内确定代表性样方并采用人工贴地收割2个1 m2用于测定水稻籽粒产量与秸秆产量, 从中抽取分析用样约800 g, 在70～80℃下烘干, 利用烘干失重法测定含水量, 并计算干重。油菜定植一周后定期调查油菜生育期, 油菜终花至幼果期作饲用收割, 各试验微区贴地刈割2个2 m2, 测定地上部鲜重后置于田间晾晒, 选择部分称取鲜重利用烘干失重法测定含水量, 计算地上部干重。

1.3.3 土壤理化性质 试验开始前采集0～20 cm耕层土壤, 各处理微区内均按照“S”形采集8个点作1个混合样品, 自然风干后粉碎分别过20目和100目筛, 参照土壤农化分析法[20]测定土壤基础理化性质。

1.3.4 季节间温、光资源分配率与分配比值 按以下公式计算资源分配率和资源分配比值[21]:

积温分配率(accumulated temperature distribution rate, TDR) = 单季积温量(ATx)/周年积温总量(AT);

辐射分配率(radiation distribution rate, RDR) = 单季辐射量(Rax)/周年辐射总量(Ra);

积温比值(rate of accumulated temperature between two seasons, TR) = 第一季积温(AT1)/第二季积温(AT2);

辐射比值(rate of radiation between two seasons, RR) = 第一季辐射量(Ra1)/第二季辐射量(Ra2)。

1.3.5 温、光生产效率 按以下公式计算光、温生产效率[21-22]:

温度生产效率(production efficiency of AT, kg hm–2℃–1) = 单位面积籽粒产量/生育期间积温总量;

光能生产效率(production efficiency of Ra, g MJ–1) = 籽粒产量/单位面积的太阳辐射;

年总光能利用效率(annual radiation use efficiency, %) = 干物质产能/单位面积的全年太阳辐射×100。

其中, 水稻和油菜的干物质产能分别为1.537×104J g–1和1.792×104J g–1

1.3.6 经济效益 不同种植模式下产值计算由试验测定实际产量与单价乘积获得, 水稻和饲用油菜销售单价分别为1.35元 kg–1稻谷和400元 t–1鲜草。经济效益由产值扣除成本计算, 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江苏省苏州市当地实际用工及物价水平确定。水稻成本包括种子、农药、化肥4500元 hm–2, 机械作业成本3000元 hm–2, 灌溉570元 hm–2, 人工2250元 hm–2, 成本合计10,320元 hm–2。油菜成本包括种子、农药、化肥共4170元 hm–2, 机械作业成本2700元 hm–2, 人工650元 hm–2(机械直播)和5250元 hm–2(垄作摆栽), 垄作摆栽油菜育苗3660元 hm–2。

1.4 数据处理与分析

用Microsoft Excel 2016进行数据处理, 用SAS 9.2[23]的GLM过程进行完全随机方差分析。双因素方差分析模型包括年份(Year)、模式(System)以及年份×模式的交互作用。用最小显著性检验(least significance difference)在0.05水平下进行显著性检验。采用Origin 8.0软件进行作图分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式下季节间温、光资源分配特征

迟熟中粳水稻-直播油菜体系(新型模式, Rs-Ods)水稻季积温量3年平均值为3733℃, 占周年积温总量的62.1%, 中熟晚粳水稻-垄作摆栽油菜体系(常规模式, Rl-Ofrpp)水稻季积温量4216℃, 占周年积温总量的63.9%; 新型模式(Rs-Ods)水稻季积温量显著减少了483℃, 占周年积温总量分配率显著下降1.8 % (< 0.05)。油菜季积温量3年平均值分别为2279℃ (Rs-Ods)和2385℃ (Rl-Ofrpp), 分别占周年积温量的37.9 %和36.1%, 新型模式(Rs-Ods)模式下油菜季积温分配率显著增加1.8% (表2)。

年际间不同种植模式的季节间积温和辐射分配变化趋势基本一致。新型模式(Rs-Ods)水稻季和油菜季辐射量3年平均值分别为1908 MJ m–2和1741 MJ m–2, 常规模式(Rl-Ofrpp)则分别为2146 MJ m–2和1767 MJ m–2, 2种模式下水稻、油菜季节内辐射量表现相当, 两季比值无显著差异。与传统模式相比, 新型模式水稻季辐射量有降低趋势, 同时油菜季辐射量占周年分配率增加(表3)。

2.2 不同种植模式下干物质产量与温、光生产效率

双因素方差分析表明(图1), 模式对周年干物质产量无显著影响, 但显著影响单季干物质产量。不同模式下周年干物质产量在34.9～36.0 thm–2, 与常规模式(Rl-Ofrpp)相比, 新型模式(Rs-Ods) 3年平均水稻干物质产量显著降低了17.6%, 但油菜干物质产量显著提高了18.2% (< 0.05)。

2种种植模式周年干物质积温生产效率、水稻干物质积温生产效率无显著差异(> 0.05), 但新型模式(Rs-Ods)油菜季干物质积温生产效率较常规模式(Rl-Ofrpp)显著提高了24.1%, 3年增幅分别为21.1%、35.9%和17.5% (< 0.05)。年份和模式对水稻干物质积温生产效率有一定交互作用, 在试验初始年份, 与常规模式(Rl-Ofrpp)相比, 新型模式(Rs-Ods)水稻干物质积温生产效率分别显著下降了11.5%和17.4% (< 0.05)。试验第3年差异不显著(图2)。

表2 不同种植模式季节间积温分配

AT: 积温; TDR:积温分配率; TR: 两季积温比值. 同列不同字母表示差异显著(< 0.05); 处理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 迟熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常规模式, 中熟晚粳水稻-垄作摆栽油菜。

AT: the accumulated temperature; TDR: the accumulated temperature distribution rate; TR: the accumulated temperature ratio of two seasons. Different letters in the same column meant significant difference at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

表3 不同种植模式季节间辐射分配

Ra: 辐射量; RDR: 辐射分配率; RR: 两季辐射量比值. 同列不同字母表示差异显著(< 0.05); 处理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 迟熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常规模式, 中熟晚粳水稻-垄作摆栽油菜。

Ra: radiation; RDR: radiation distribution rate; RR: radiation ratio of two seasons. Different letters in the same column meant significant difference at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

图1 不同种植模式下干物质产量

不同字母表示该年份下种植模式间差异显著(< 0.05); 处理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 迟熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常规模式, 中熟晚粳水稻-垄作摆栽油菜。

Different letters mean significantly different among the treatments at< 0.05. Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

图2 不同种植模式周年与季节间积温生产效率

不同字母表示该年份下种植模式间差异显著(< 0.05); 处理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 迟熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常规模式, 中熟晚粳水稻-垄作摆栽油菜。

Different letters mean significantly different among treatments at< 0.05. Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

不同种植模式的干物质光能生产效率和积温生产效率变化趋势基本一致(图3)。从3年平均来看, 模式对周年干物质光能生产效率无显著影响, 新型模式(Rs-Ods)和常规模式(Rl-Ofrpp)周年干物质光能生产效率分别为0.97 gMJ–1和0.93 gMJ–1。新型模式(Rs-Ods)油菜干物质光能生产效率显著高于常规模式(Rl-Ofrpp) 20.6%, 3年增幅分别为19.0%、22.5%和20.6% (< 0.05)。试验前2年新型模式(Rs-Ods)下水稻干物质光能生产效率显著低于常规模式, 随试验延续差异减小(< 0.05)。

2.3 不同种植模式下水稻籽粒产量与温、光生产效率

年份与模式显著影响水稻籽粒产量和秸秆产量(< 0.05), 与常规模式(Rl-Ofrpp)相比, 新型模式(Rs-Ods)下水稻籽粒产量3年平均显著降低17.6%, 但差异随年份的延续而减小, 分别降低了26.4%、20.3%和6.0% (< 0.05)。新型模式(Rs-Ods)水稻秸秆产量平均显著降低了14.1% (< 0.05), 第3年差异不显著(图4)。

年份和模式显著影响水稻籽粒产量积温生产效率, 年份和模式有一定交互作用; 在试验第1年, 与常规模式相比(Rl-Ofrpp)相比, 新型模式(Rs-Ods)水稻籽粒产量积温生产效率和光能生产效率分别显著下降了17.4%和17.8% (< 0.05)。从3年平均值来看, 不同种植模式下水稻籽粒产量积温生产效率、光能生产效率无显著差异。

2.4 不同种植模式下年总光能利用率、干物质产能与经济效益

2种模式的周年干物质产能无显著差异, 与常规模式相比(Rl-Ofrpp)相比, 新型模式(Rs-Ods)显著降低了水稻干物质产能15.5%, 但显著增加了油菜干物质产能22.6% (< 0.05)。不同模式下年总光能利用率无显著差异。新型模式(Rs-Ods)稻谷净收入降低了26.9%, 饲用油菜效益提高了18.8%, 但人工成本显著减少87.6%, 油菜季净收入增加2.23倍, 周年产值增加了31.4% (表4)。

图3 不同种植模式季节间光能生产效率

不同字母表示该年份下种植模式间差异显著(< 0.05); 处理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 迟熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常规模式, 中熟晚粳水稻-垄作摆栽油菜。

Different letters mean significantly different among treatments at< 0.05.Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

图4 不同种植模式下水稻籽粒产量和秸秆产量

不同字母表示该年份下种植模式间差异显著(< 0.05); 处理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 迟熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常规模式, 中熟晚粳水稻-垄作摆栽油菜。

Different letters mean significantly different among treatments at< 0.05.Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

图5 不同种植模式水稻籽粒产量温光能生产效率

不同字母表示该年份下种植模式间差异显著(< 0.05); 处理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 迟熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常规模式, 中熟晚粳水稻-垄作摆栽油菜。

Different letters mean significantly different among the treatments at< 0.05.Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

表4 不同种植模式干物质产能、年总光能利用率和经济效益

DMPE: 干物质产能; ARUE: 年总光能利用率; 同列不同字母表示差异显著(< 0.05); 处理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 迟熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常规模式, 中熟晚粳水稻-垄作摆栽油菜。

DMPE: dry matter production energy; ARUE: annual radiation use efficiency. Different letters in the same column meant significant difference at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed. Y: Yuan.

3 讨论

长三角农区是我国水稻、油菜的主产区, 种植规划上主栽作物水稻往往优先于油菜生产以确保主粮生产, 近年来受气候条件变化的影响, 水稻成熟期严重推迟, 直播油菜出现播期晚、冬春双发困难影响产量潜力的提升[8,11]。随着农业生产的发展和城市化进程的推进, 农业劳动力转移和农业用工成本的增加, 移栽油菜生产效益低下而导致种植面积下降, 浪费了光温资源的同时降低了土地利用效率[10-12]。本文首次在长三角农区创制了新型水稻-油菜周年两熟模式, 通过调整水稻品种协调油菜播栽方式, 并定量分析了周年与季节间资源分配特征。连续3年试验条件下, 新型模式较常规模式显著提高了油菜干物质产量18.2%, 同时净收入增加2.2倍(图1), 这主要是由于本文新型水稻-油菜体系中, 水稻品种采用了中粳类型替代了常规晚粳类品种, 水稻成熟期缩短使得后茬油菜可提早直播, 从而提高了油菜苗期对温、光资源的利用效率, 有效促进冬前干物质积累。作物的品种类型、栽培措施及其生长的生态环境条件与产量形成密切相关[14-15], 在前期大量研究中, 长江流域油菜产区稻茬油菜直播期或移栽期的时间基本相当, 移栽油菜由于增加了育苗环节提前利用了温、光资源从而提高了生物产量, 直播油菜则由于播期严重偏迟导致苗期生长弱、越冬期受逆境胁迫, 严重抑制油菜春后干物质积累[24-26]。另一方面, 与常规模式相比, 新型模式中水稻籽粒产量与干物质产量分别显著降低了17.6%和15.5% (图1和图4), 水稻产量表现明显负效应主要归因于新型模式中采用迟熟中粳水稻品种后光热资源数量大幅下降, 生育期较常规中熟晚粳水稻平均缩短了25 d, 水稻季积温量显著减少了483℃ (表2)。随着全球气候变暖, 选择晚熟替代早、中熟品种和播期合理搭配等方式可显著增加水稻产量[27]。太湖地区单季晚稻种植制度条件下, 5月下旬播种时生育期较长的优质晚粳品种较中粳品种利于提高水稻籽粒产量[28]。这与本文在长三角农区新型稻油模式引入中粳类水稻后产量下降结果表现基本一致。

明确长三角农区稻油体系的主要温光生产效率、分配率和比值等定量指标可进一步优化周年气候资源配置, 挖掘该体系周年产量潜力和资源利用效率。一般而言, 高产田光能利用率为1%～2%, 长江流域稻田光能利用率约为1.03%[29]。可见本研究中水稻-油菜周年两熟模式的周年总光能利用率均处于相对较高水平。2种稻油体系的周年温、光生产效率表现相当, 但新型模式可显著提升了油菜季温、光生产效率与周年生产效益(图2、图3和表2)。目前关于水稻-油菜两熟复种体系温、光资源分配特征差异的研究鲜有报道, 季节间资源优化配置是通过将更多光、温、水等资源分配给更加高效的作物生长季, 从而进一步提升周年产量和资源利用效率[30-31]。海河平原高产小麦冬前积温和行距配置的光温利用效应研究, 揭示了高产玉米生育期调配的光温利用规律, 提出了小麦“减温、匀株”和玉米“抢时、延收”的光温高效利用途径[32-33]。在黄淮海资源亏缺区建立的冬小麦-夏玉米“双晚”技术模式, 冬小麦播种期推迟至10月中旬, 夏玉米收获期推迟至9月底至10月初, 光温资源生产力分别提高64%和124%, 周年产量达到15 t hm–2 [34]。两熟制种植模式的周年气候资源分配特征可利用季节间资源分配率与分配比值的指标进行定量分析[35-36]。对华北平原冬小麦-夏玉米体系的研究中明确了两季间以积温为主的多资源配置和以光温生产潜力当量为主的季节内利用指标, 冬小麦、夏玉米两季积温分配率分别为43%和57%, 积温比值为0.7时, 可显著提高产量与温、光资源利用效率[37]。江淮区域水稻-小麦体系中水稻生产主要受辐射的影响, 尤其是沿江地区辐射量较低而限制水稻产量潜力的进一步提升, 受气候变化影响未来有进一步降低趋势, 周年两熟资源高效利用原则应以合理配置季节间辐射为主。江淮地区粳稻-小麦模式水稻季、小麦季积温分配率为67.3%、38.5%, 小麦季、水稻季辐射分配率分别为53.1%、51.9%[36]。本文由不同模式下季节间光、温资源分配特征差异看出(表2和表3), 长三角水稻-油菜两熟制下, 积温是影响两季作物生长发育最主要的生态因子。积温的变化可调节作物的生长发育进程, 使得其在生长过程中的光辐射截获量及降水量发生变化, 最终影响作物产量[38-39]。2种模式下主栽作物水稻积温分配率均超过60%, 在常规中熟晚粳水稻-垄作摆栽油菜体系中, 水稻、油菜两季积温分配率分别为63.9%和36.1%, 积温比值为1.77。新型模式中尽管周年积温减少了588℃, 但周年干物质量及温、光生产效率未表现负效应, 主要是由于油菜前期生长积温分配率的提高而大幅增加了干物质产量(表2), 使得油菜季温、光生产效率大幅上升(图2和图3); 水稻季积温分配率显著减少了1.8%导致水稻产量明显下降(表2)。可见, 新型迟熟中粳水稻-直播饲料油菜可作为长三角乃至长江中下游流域稻油生产区提升种植效益的重要农作模式, 该种植制度推广的同时需兼顾国家粮食安全生产总体形势, 一方面, 可以利用冬闲田发展饲料油菜, 不与主粮争地, 不影响粮食生产兼顾经济效益问题, 另一方面, 可通过新型水稻-饲用油菜模式与常规晚粳水稻-籽用油菜或小麦模式进行多年复种轮作以优化农田连续单一种植的模式布局, 从而促进粮经饲作物统筹协调发展。

4 结论

与常规模式相比, 新型水稻-油菜周年两熟模式下增加了显著提高油菜干物质产量18.2%, 积温生产效率20.6%和光能生产效率24.1%。水稻积温减少后导致其籽粒产量显著减少17.6%。新型水稻-油菜模式周年净收入提高了31.4 %。在确保粮油安全需求的基础上, 在长三角农区适时适地发展新型水稻-油菜的两熟种植模式, 尤其针对长期高强度集约化稻麦(油)连作农田, 新型水稻-油菜周年两熟模式可作为稻田轮作换茬模式之一, 以有效缓解茬口矛盾、增加农户收入和提升土壤肥力。

[1] 张锦宗, 朱瑜馨, 赵飞, 钱誉. 我国粮食生产格局演变及增产贡献研究. 中国农业资源与区划, 2017, 38(7): 10–16.

Zhang J Z, Zhu Y X, Zhao F, Qian Y. Spatial-temporal evolution of Chinese grain production pattern and arable land production capacity., 2017, 38(7): 10–16 (in Chinese with English abstract).

[2] 李立军. 中国耕作制度近50年演变规律及未来20年发展趋势研究. 中国农业大学博士学位论文, 北京, 2004.

Li L J. Involving Regularities in Recent 50 Years and Future Trends in 2020 on Farming System in China. PhD Dissertation of China Agricultural University, Beijing, China, 2004 (in Chinese with English abstract).

[3] 赵杨, 高杜娟, 李超, 陈友德, 崔婷, 童中权, 罗先富. 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. 中国生态农业学报, 2022, 30: 1309–1317.

Zhao Y, Gao D J, Li C, Chen Y D, Cui T, Tong Z Q, Luo X F. Comparison matter production and light and temperature resource utilization efficiency in the main cropping systems of paddy fields in Dongting Lake region., 2022, 30: 1309–1317 (in Chinese with English abstract).

[4] 张顺涛, 任涛, 周橡棋, 方娅婷, 廖世鹏, 丛日环, 鲁剑巍. 油/麦-稻轮作和施肥对土壤养分及团聚体碳氮分布的影响. 土壤学报, 2022, 59(1): 194–205.

Zhang S T, Ren T, Zhou X Q, Fang Y T, Liao S P, Cong R H, Lu J W. Effects of rapeseed/wheat-rice rotation and fertilization on soil nutrients and distribution of aggregate carbon and nitrogen.2022, 59(1): 194–205 (in Chinese with English abstract).

[5] 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. 中国农业科学, 2020, 53: 2852–2858.

Zhang S T, Lu J W, Cong R H, Ren T, Li X K, Liao S P, Zhang Y Q, Guo S W, Zhou M H, Huang Y G, Cheng H. Effect of rapeseed rotation on the yield of next-stubble crops., 2020, 53: 2852–2858 (in Chinese with English abstract).

[6] 朱芸, 廖世鹏, 刘煜, 李小坤, 任涛, 丛日环. 长江流域油-稻与麦-稻轮作体系周年养分收支差异. 植物营养与肥料学报, 2019, 25: 64–73.

Zhu Y, Liao S P, Liu Y, Li X K, Ren T, Cong R H. Differences of annual nutrient budgets between rapeseed-rice and wheat-rice rotations in the Yangtze River Basin., 2019, 25: 64–73 (in Chinese with English abstract).

[7] 任继周. 我国传统农业结构不改变不行了-粮食九连增后的隐忧. 草业学报, 2013, 22(3) : 1–5.

Ren J Z. Traditional agriculture structure of our country has to change facing nine consecutive increases in food after the looming concern., 2013, 22(3): 1–5 (in Chinese).

[8] 陶玥玥, 汤云龙, 徐坚, 王海候, 黄萌, 孙华, 沈明星. 不同移栽期下毯苗油菜的饲草产量与营养特性. 草业科学, 2019, 36: 785–792.

Tao Y Y, Tang Y L, Xu J, Wang H H, Huang M, Sun H, Shen M X. Forage rapeseed yield and nutrition following carpet seedling transplantation on different planting dates., 2019, 36: 785–792 (in Chinese with English abstract).

[9] 王洪超, 刘大森, 刘春龙, 陆欣春, 魏巍, 王秀秀. 饲料油菜及其饲用价值研究进展. 土壤与作物, 2016, 5(1): 60–64.

Wang H C, Liu D S, Liu C L, Lu X C, Wei W, Wang X X. Research progress of forage rape and its feed value in China., 2016, 5(1): 60–64 (in Chinese with English abstract).

[10] 官春云. 改变冬油菜栽培方式, 提高和发展油菜生产. 中国油料作物学报, 2006, 28(1): 83–85.

Guan C Y. The cultivation pattern change of winter rapeseed to increase and develop production., 2006, 28(1): 83–85 (in Chinese with English abstract).

[11] 孙华, 黄萌, 陈培峰, 张建栋, 陆长婴, 乔中英, 宋英, 王海侯,沈明星. 稻草还田与移栽方式对油菜产量形成及经济效益的影响. 中国农学通报, 2015, 31(27): 121–125.

Sun H, Huang M, Chen P F, Zhang J D, Lu C Y, Qiao Z Y, Song Y, Wang H H, Shen M X. Effects of rice straw returning and transplanting methods on rape yield and economic benefit., 2015, 31(27): 121–125 (in Chinese with English abstract).

[12] 李艳玲, 刘爱民. 长江流域冬季农业主要作物的耕地竞争机制及案例研究. 长江流域资源与环境, 2009, 18(2): 146–151.

Li Y L, Liu A M. Competition mechanism of cultivated land resources in winter agriculture in the Yangtze basin: theory and case study., 2009, 18(2): 146–151 (in Chinese with English abstract).

[13] He L, Asseng S, Zhao G, Wu D R, Yang X Y, Zhuang W, Jin N, Yu Q. Impacts of recent climate warming, cultivar changes, and crop management on winter wheat phenology across the Loess Plateau of China., 2015, 200: 135–143.

[14] Liu Y E, Hou P, Xie R Z, Li S K, Zhang H B, Ming B, Ma D L, Liang S M. Spatial adaptabilities of spring maize to variation of climatic conditions., 2013, 53: 1693–1703.

[15] Zhou B Y, Yue Y, Sun X F, Wang X B, Wang Z M, Ma W, Zhao M. Maize grain yield and dry matter production responses to variations in weather conditions., 2016, 108: 196–204.

[16] Wang J, Wang E L, Yang X G, Zhang F S, Yin H. Increased yield potential of wheat-maize cropping system in the North China Plain by climate change adaptation., 2012, 113: 825–840.

[17] 付雪丽, 张惠, 贾继增, 杜立丰, 付金东, 赵明. 冬小麦-夏玉米“双晚”种植模式的产量形成及资源效率研究. 作物学报, 2009, 35: 1708–1714.

Fu X L, Zhang H, Jia J Z, Du L F, Fu J D, Zhao M. Yield performance and resources use efficiency of winter wheat and summer maize in double late-cropping system., 2009, 35: 1708–1714 (in Chinese with English abstract).

[18] 姚义, 霍中洋, 张洪程, 夏炎, 倪晓诚, 戴其根, 许轲, 魏海燕. 不同生态区播期对直播稻生育期及温光利用的影响. 中国农业科学, 2012, 45: 633–647.

Yao Y, Huo Z Y, Zhang H C, Xia Y, Ni X C, Dai Q G, Xu K, Wei H Y. Effects of sowing date on growth stage and utilization of temperature and illumination of direct seeding rice in different ecological regions., 2012, 45: 633–647 (in Chinese with English abstract).

[19] 许轲, 孙圳, 霍中洋, 戴其根, 张洪程, 刘俊, 宋云生, 杨大柳,魏海燕, 吴爱国, 王显, 吴冬冬. 播期、品种类型对水稻产量、生育期及温光利用的影响．中国农业科学, 2013, 46: 4222–4233.

Xu K, Sun C, Huo Z Y, Dai Q G, Zhang H C, Liu J, Song Y S, Yang D L, Wei H Y, Wu A G, Wang X, Wu D D. Effects of seeding date and variety type on yield, growth stage and utilization of temperature and sunshine in rice., 2013, 46: 4222–4233 (in Chinese with English abstract).

[20] 鲍士旦. 土壤农化分析. 北京: 中国农业出版社, 2002. pp 25–38.

Bao S D. Agro-Chemical Analysis of Soil. Beijing: China Agriculture Press, 2002. pp 25–38.

[21] 周宝元, 王志敏, 岳阳, 马玮, 赵明. 冬小麦-夏玉米与双季玉米种植模式产量及光温资源利用特征比较. 作物学报, 2015, 41: 1393–1405.

Zhou B Y, Wang Z M, Yue Y, Ma W, Zhao M. Comparison of yield and light-temperature resource use efficiency between wheat-maize and maize-maize cropping systems., 2015,41: 1393–1405 (in Chinese with English abstract).

[22] Meng Q F, Sun Q P, Chen X P, Cui Z L, Yue S C, Zhang F S, Römheld V. Alternative cropping systems for sustainable water and nitrogen use in the North China Plain., 2012, 146: 93–102.

[23] 黄燕, 吴平. SAS统计分析及应用. 北京: 机械工业出版社, 2005. pp 103–125.

Huang Y, Wu P. Statistical Analysis and Application. Beijing: Machine Press, 2005. pp 103–125 (in Chinese).

[24] 孙华, 黄萌, 陈培峰, 张建栋, 乔中英, 宋英, 沈明星. 不同种植方式下油菜产量形成与花后氮素积累运转比较. 中国油料作物学报, 2016, 38(1): 58–64.

Sun H, Huang M, Chen P F, Zhang J D, Qiao Z Y, Song Y, Shen M X. Effects of cultivation patterns on seed yield, N accumulation and translocation of rapeseed., 2016, 38(1): 58–64 (in Chinese with English abstract).

[25] Huang M, Zhang W X, Jiang L G, Zou Y B. Impact of temperature changes on early-rice productivity in a subtropical environment of China., 2013, 146: 10–15.

[26] 王寅, 汪洋, 鲁剑巍, 李小坤, 任涛, 丛日环. 直播和移栽冬油菜生长和产量形成对氮磷钾肥的响应差异. 植物营养与肥料学报, 2016, 22: 132–142.

Wang Y, Wang Y, Lu J W, Li X K, Ren T, Cong R H. Response differences in growth and yield formation of direct-sown and transplanted winter oilseed rape to N, P and K fertilization., 2016, 22: 132–142 (in Chinese with English abstract).

[27] 江敏, 金之庆, 石春林, 林文雄. 福建省基于自适应调整的水稻生产对未来气候变化的响应. 作物学报, 2012, 38: 2246–2257.

Jiang M, Jin Z Q, Shi C L, Lin W X. Response of rice production based on self-adaption to climate change in Fujian province., 2012, 38: 2246–2257 (in Chinese with English abstract).

[28] 谢正荣, 郭秧全, 沈小妹, 朱秀芳, 陈群, 景学义, 黄筱敏, 王吉方, 徐清华. 太湖农区水稻不同类型品种及播期对生育期与实产的影响初探. 上海农业学报, 2000, 16(1): 28–32.

Xie Z R, Guo Y Q, Shen X M, Zhu X F, Chen Q, Jing X Y, Huang X M, Wang J F, Xu Q H. Preliminary study on influences of various rice varieties and sowing dates on growth periods and actual yield in Taihu farming region., 2000, 16(1): 28–32 (in Chinese with English abstract).

[29] 周淑新, 董梅英, 孙苏卿. 作物生产与光合效率的相关分析. 张家口农专学报, 2003, 19(2): 4–5.

Zhou S X, Dong H Y, Sun S Q. Correlation analysis of crop production and photosynthetic efficiency., 2003, 19(2): 4–5.

[30] Zhou B Y, Yue Y, Sun X F, Ding Z S, Ma W, Zhao M. Maize kernel weight responses to sowing date-associated variation in weather conditions., 2017, 5: 43–51.

[31] 习敏, 杜祥备, 吴文革, 孔令聪, 陈金华, 岳伟, 许有尊, 周永进. 稻麦两熟系统适期晚播对周年产量和资源利用效率的影响. 应用生态学报, 2020, 31: 165–172.

Xi M, Du X B, Wu W G, Kong L C, Chen J H, Yue W, Xu Y Z, Zhou Y J. Effects of late sowing of two season crops on annual yield and resource use efficiency in rice-wheat double cropping system., 2020, 31: 165–172 (in Chinese with English abstract).

[32] 张敏, 王岩岩, 蔡瑞国, 李婧实, 王文颇, 周印富, 李彦生, 杨树宗. 播期推迟对冬小麦产量形成和籽粒品质的调控效应. 麦类作物学报, 2013, 33: 325–330.

Zhang M, Wang Y Y, Cai R G, Li J S, Wang W P, Zhou Y F, Li Y S, Yang S Z. Regulating effect of delayed sowing date on yield formation and grain quality of winter wheat., 2013, 33: 325–330 (in Chinese with English abstract).

[33] 秦乐, 王红光, 李东晓, 崔帅, 李瑞奇, 李雁鸣. 不同密度下超窄行距对冬小麦群体质量和产量的影响. 麦类作物学报, 2016, 36: 659–667.

Qin L, Wang H G, Li D X, Cui S, Li R Q, Li Y M. Effect of super-narrow row space on population quality and grain yield of winter wheat in different planting densities., 2016, 36: 659–667 (in Chinese with English abstract).

[34] 王树安. 小麦-夏玉米平播亩产吨粮的理论与实践. 北京: 农业出版社, 1991.

Wang S A. Theory and Practice High Yield Output of 15 Tons per Hectare in Winter Wheat and Summer Maize Double-Cropping System. Beijing: Agriculture Press, 1991 (in Chinese).

[35] 周宝元. 黄淮海两熟制资源季节间优化配置及季节内高效利用技术体系研究. 中国农业大学博士学位论文, 北京, 2015.

Zhou B Y. Study on the Distribution and High Efficient Utilization of Resources for Double Cropping System in the Huang-Huai-Hai Plain. PhD Dissertation of China Agricultural University, Beijing, China, 2015 (in Chinese with English abstract).

[36] 杜祥备, 孔令聪, 习敏, 吴文革, 陈金华, 岳伟. 江淮区域稻麦两熟制周年资源分配、利用特征. 中国生态农业学报, 2019, 27: 1078–1087.

Du X B, Kong L C, Xi M, Wu W G, Chen J H, Yue W. Characteristics of resource allocation and utilization of rice-wheat double cropping system in the Jianghuai Area., 2019, 27: 1078–1087 (in Chinese with English abstract).

[37] 周宝元, 马玮, 孙雪芳, 丁在松, 李从锋, 赵明. 冬小麦-夏玉米高产模式周年气候资源分配与利用特征研究. 作物学报, 2019, 45: 589–600.

Zhou B Y, Ma W, Sun X F, Ding Z S, Li C F, Zhao M. Characteristics of annual climate resource distribution and utilization in high-yielding winter wheat-summer maize double cropping system., 2019, 45: 589–600 (in Chinese with English abstract).

[38] Allison J C S, Daynard T B. Effect of change in time of flowering induced by altering photoperiod or temperature, on attributes related to yield in maize., 1979, 19: 1–14.

[39] Dong J W, Liu J Y, Tao F L, Xu X L, Wang J B. Spatio-temporal changes in annual accumulated temperature in China and the effects on cropping systems, 1980s to 2000., 2009, 40: 37–48.

Characteristics of heat and solar resources allocation and utilization in rice-oilseed rape double cropping systems in the Yangtze River Delta

TAO Yue-Yue1, SHENG Xue-Wen3, XU Jian2, SHEN Yuan1, WANG Hai-Hou1, LU Chang-Ying1, and SHEN Ming-Xing1,*

1Institute of Agricultural Sciences in Taihu Lake District / National Soil Quality Observation and Experimental Station in Xiangcheng, Suzhou 215155, Jiangsu, China;2Taicang Donglin Professional Cooperatives, Taicang 215400, Jiangsu, China;3Suzhou Agricultural Technology Extension Center, Suzhou 215155, Jiangsu, China

To improve annual yield and resource use efficiency in rice-oilseed rape systems in the Yangtze River Delta, a field experiment of two cropping systems, namely innovated system with late maturity medium seasonrice-directly sowing oilseed rape (Rs-Ods) and traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting oilseed rape (Rl-Ofrpp), was conducted at Suzhou, Jiangsu, China, from 2017 to 2021. The annual dry matter yield, rice grain yield, distribution and utilization efficiency of heat and solar climatic resources as well as the economic benefit were compared between two cropping systems. The results showed that, compared with the conventional system, the new system significantly improved the accumulated temperature production efficiency by 24.1% and light energy production efficiency by 20.6% of the oilseed rape season, while there was no significant difference in rice season. In the new system, the dry matter yield of rapeseed was significantly increased by 18.2% whereas the rice grain and dry matter yield were significantly decreased by 17.6% and 15.5%, respectively. In the traditional system, with the rate of accumulated temperature between two seasons of 1.77, the accumulative temperature distribution rate was 63.9% in rice season and 36.1% in oilseed rape season, respectively. The annual accumulative temperature of the new system decreased by 588℃, among which the accumulated temperature of rice decreased by 483℃. The accumulative temperature distribution rate in oilseed rape season was increased by 1.8%, and the ratio of accumulated temperature between the two seasons decreased to 1.64. Compared to the traditional system, the new system increased the annual economic benefit by 31.4%, increased the rape planting benefit by 2.2 times and decreased the rice growing economic benefit by 17.4%. In conclusion, the new cropping system, late maturity medium seasonrice-directly sowing oilseed rape forage, significantly improved the yield, accumulated temperature and radiation production efficiency, growing benefit of oilseed rape season as well as the annual economic benefit. Considering the food and forage security as well as economic benefit, the new rice-rapeseed cropping system can be used as one of the alternatives for the long-term monoculture of rice-wheat or rice-oilseed rape double cropping system.

the Yangtze River Delta; rice-oilseed rape double cropping system; grain yield; dry matter yield; temperature and radiation allocation; resource use efficiency

10.3724/SP.J.1006.2023.22033

本研究由江苏省农业科技自主创新项目(CX21(3097)), 国家自然科学基金项目(32101854)和国家重点研发计划项目(2016YFD0300207)资助。

This study was supported by the Jiangsu Agricultural Science and Technology Innovation Fund (CX21(3097)), the National Natural Science Foundation of China (32101854), and the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300207).

沈明星, E-mail: smxwwj@163.com

E-mail: twhhltyy@163.com

2022-05-16;

2022-10-10;

2022-10-20.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20221019.1539.004.html

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).