稻—豆与稻—稻复种模式对作物产量和经济效益的影响

叶天承，庄雪浩，陈惠哲，向镜，张义凯，王亚梁，王志刚，孙凯旋，高义卓，张玉屏*

(1 中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，浙江 杭州 311400； 2 富阳市富春街道办事处，浙江 杭州 311400)

我国耕地资源稀缺，人口众多，用7%的耕地养活了占世界23%的人口。 南方地区光温资源丰富，提高耕地复种指数和单位面积粮食产量对保障我国粮食安全具有重要作用。 复种作为我国传统耕作方式，可充分利用光温资源，提高作物产量。 通过轮换种植不同作物，可改善土壤理化性质，提升农业可持续发展能力，加强风险应对能力[1]。 南方地区根据种植作物的不同，复种中常存在季节性的干湿交替，例如水稻—小麦、水稻—油菜等种植模式。 水田与旱地的转换，可消除长期淹水对土壤结构的不良影响，促进作物生长发育，提高产量[2]。 豆类作物因其根瘤菌的固氮作用，可补充土壤氮素，修复重金属污染[3]，在水旱交替过程中较其他作物更有优势。已有研究证明，冬季种植豆类植株能有效提高土壤有机质含量与植株氮素利用率[4-6]，提高土壤微生物碳氮含量，加快土壤内氮的矿化释放[7]，减少杂草生长[8]，最终促进下季水稻分蘖与有效穗形成，提高水稻产量[9]。 长期种植过程中，绿肥的参与还可促进植株根系微生物群落的形成，加快植物根系生长[10]。

目前南方地区双季稻种植经济效益不高，“双改单”面积增大，使得复种指数不断下降。 水稻是较耐连作的作物，但长期种植双季稻也会引发连作障碍，导致作物产量、品质下降、生长发育受到限制[11]。 此外，随着全球气候波动的烈度与范围不断加大，气象灾害问题与作物茬口问题逐渐成为农业发展的阻碍。 通过多种作物复合种植，可减少气象灾害对农业生产的制约，在提高复种指数的同时，保证粮食产量，恢复土壤地力，提高农民经济效益。 本研究以水稻、大豆为研究对象，探究豆类作物参与水稻复种后对水稻生长发育过程及最终产量构成的影响，旨在为南方稻田合理复种轮作模式选择提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验于2022 年在富阳山度园林农场(30°3′21.37″N，120°2′30.7″E)进行。 富阳位于长江三角洲南侧，属亚热带季风性气候区，年均降水量1 522.7 mm，年均温17.2 ℃，年均日照1 667.7 h，2022 年无霜期277 d。 试验地0～20 cm 土壤为黏性偏酸水稻土，试验点土壤基本理化性质如表1 所示。

表1 试验田土壤基础数据Table 1 Basic soil data of the test field

表2 各处理作物种植收获时间Table 2 Planting and harvest time of each treatment

1.2 试验设计与肥水管理

试验设3 个处理，分别为:对照(CK).早稻—晚稻模式；T1.早稻—秋大豆模式；T2.春大豆—晚稻模式。 每个处理设3 次重复，每个重复小区面积为670 m2。 供试品种早稻为中早39，晚稻为甬优1540，春大豆为浙农6 号，秋大豆为浙鲜85。 早稻每公顷施纯氮150 kg，基肥、分蘖肥、穗肥按照5 ∶3 ∶2的比例，分别施复合肥375 kg(20 ∶8 ∶12)、尿素(46%)97.5 kg、复合肥150 kg(20 ∶8 ∶12)；晚稻每公顷施纯氮225 kg，基肥、分蘖肥、穗肥按4 ∶3 ∶3的比例施用，分别施复合肥420 kg、尿素136.5 kg 及复合肥315 kg；大豆仅每公顷施750 kg 复合肥作基肥。 水稻季水分管理按照水稻高产栽培模式，大豆季水分管理保持土壤不出现明显旱情，水稻和大豆种植期间根据病虫草害发生情况进行综合防治。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 生育期记录

供试品种中，中早39 全生育期105 d；甬优1540 在不同处理下生育期略有差异，CK 处理下全生育期133 d，T2 处理下晚稻全生育期147 d；春大豆全生育期102 d，秋大豆全生育期94 d。

1.3.2 水稻干物质积累

早稻在分蘖期、穗分化期、始花期、花后14 d 及成熟期取样，晚稻在分蘖期、穗分化期、始花期、花后20 d 及成熟期取样，每小区取代表性植株5 丛，每个处理3 次重复。 植株清洗去根后按照叶片、茎鞘、穗分开装袋烘干(于烘箱内105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干72 h)至恒重，称量记录。

1.3.3 产量

水稻:于成熟期每个小区调查30 丛有效穗数，计算每丛平均有效穗数，以此为标准，在各小区取3丛具有代表性的植株，测定每穗穗长、穗数、穗质量、实粒质量、实粒数等，每个处理3 次重复。 每个小区选定50 丛进行产量测定，每个处理3 次重复，收割晒干后测定稻谷质量与含水量，计算总产量。

大豆:于成熟期每个小区调查相邻2 行，10 m行长的面积，考察株数并计算每公顷株数，每个处理3 次重复。 在每个小区选定30 株采摘鲜荚进行产量测定，每个处理3 次重复。

1.3.4 经济效益

种子、化肥、农药等支出与土地承包费、人工费用等合并为种植成本；产量×国家最低收购价格为该作物的经济效益；纯收益(不含补贴)为经济效益-种植成本。

1.4 数据处理

采用Excel 2021 和R 软件对数据进行统计分析作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理水稻干物质量变化

由图1 可看出，CK 与T1 处理的早稻从分蘖期到成熟期，在单株干物质量上基本无差异，是因为第一年试验条件下早稻—晚稻、早稻—秋大豆种植模式中早稻种植方式及时间是相同的。 而晚稻单丛干物质量在早稻—晚稻及春大豆—晚稻种植中存在显著性差异，这与春大豆收获时间早，晚稻在适宜范围内提早种植，且甬优1540 具有强感温性弱感光性的特性，T2 处理在分蘖期后单丛干物质量上升迅速，与CK 产生极显著差异，甬优1540 提前播种种植，充分利用充足的光热资源为其干物质积累提供了良好的环境。 T2 处理中，花后20 d 穗干物质量为CK的223.83%，总干物质量为CK 的210.54%，在成熟期时则分别为153.56%与206.27%(表3)。 CK 在后期单丛穗干物质量上升程度有所增加，但两个处理间仍存在极显著差异。

图1 早稻单株总干物质量对比Fig.1 Comparison of total dry matter weight per plant of early rice

表3 晚稻各时期单丛干物质量对比Table 3 Comparison of dry matter weight at different stages of late rice g

2.2 不同处理作物产量

由表4 可见，T1 与CK 处理的早稻产量差异不大，但CK 与T2 处理的晚稻产量出现显著性差异，T2 处理较CK 产量提高了33.40%。 T1、T2 处理中大豆产量相差不大，春大豆产量比秋大豆产量高5.81%，未达到显著性差异。 在总产量上，春大豆—晚稻模式(T2)处理最佳，两季种植总产量达18 235 kg/hm2，比CK 高4 048 kg/hm2，比早稻—秋大豆模式(T1)高2 992 kg/hm2。

表4 各处理产量对比Table 4 Comparison of yield between treatments kg·hm-2

进一步分析T2 处理晚稻产量高的原因，其有效穗数及每穗粒数为CK 的240.87%与155.41%，均产生显著性差异。 T2 处理穗长则为CK 的1.03倍，结实率与千粒质量均低于CK(表5)。 结果表明，T2 处理下产量的提高主要是由于有效穗数和每穗粒数的增加所致，CK 处理有效穗数和穗粒数少，与晚稻种植较晚，甬优1540 的品种优势难以发挥有关。

2.3 经济效益比较

2022 年我国稻谷最低收购价格早稻2.48 元/kg、晚稻2.58 元/kg；春大豆收购价2.2 元/kg、秋大豆收购价3.0 元/kg。 结合富阳当地的种植补贴，早晚稻每公顷各6 450 元，大豆每公顷为3 000 元计算，分析了各种植模式的经济效益与纯效益(表6)。 不计算种植补贴时，T1 和T2 处理纯收益与CK 差异显著，分别高出480.2%与544.5%；计算种植补贴后，T1 、T2 处理的纯收益比CK 分别高出51.0%和63.3%。 虽然各地区种植补贴存在一定的差异，但稻—豆复种带来的经济效益提升是显著的，能为农户带来更高的经济效益尤其是春大豆—晚稻的种植模式增产增收更加明显。

表6 各处理经济效益比较Table 6 Comparison of economic efficiency of different treatments 元·hm-2

3 讨论

前人研究发现，复种不仅能增加作物产量，也能提高土壤肥力。 张顺涛等[12]验证油菜在长江流域多熟制区种植后可提升后茬作物产量，较常规麦—稻轮作模式增产4.6%～17.3%。 Zhao 等[13]发现轮作在我国可提高20%的平均产量，对于肥力较低的土壤效果更佳。 本研究中早稻—秋大豆与早稻—晚稻相比较，早稻的产量基本一致，而种植春大豆和种植早稻后种晚稻，两种模式下晚稻的生物量及产量差异显著，说明春大豆的种植不仅仅是为晚稻提供生育期优势，还可从土壤营养、环境等为晚稻生长提供优越条件，这需从土壤养分的周年循环利用、植株养分的吸收等进行深入研究。

通过复种还可避灾减灾保证作物产量。 随气候变化不断加剧，各种自然灾害频发。 2000—2009 年我国南方早稻孕穗至成熟期高温胁迫频率增加，单季稻和晚稻孕穗期受洪涝灾害频发，抽穗期后干旱频次也明显增多[14]。 本试验中，豆类植株的参与不仅有利于土壤肥力的可持续性提升，其种植结构与时期上还可灵活调整，避免气候风险，从而保证作物产量。

稻—豆种植模式可以疏松土壤、改善土壤结构和理化性状。 豆科植株的根瘤菌可固定空气中的氮，供给自身需要的同时，增加土壤含氮量，既有利于土壤养分的均衡吸收，又可减轻病虫草害的发生，此外其植株残体还可直接增加土壤有机质，最终提高产量。 本试验结果表明，春大豆—晚稻轮作较双季 稻 连 作， 晚 稻 可 增 产33.40%， 纯 收 益 提 高63.3%，这主要是由于大豆生育期较短，种植成本相对水稻低。 本研究晚稻供试品种为甬优1540，具有弱感光性的特征，种植时间的提早使干物质积累量相对较高，充分发挥晚稻生长优势，产量提升明显。综上所述，两种稻—豆复种模式均可带来作物产量提升与经济效益提高，在光热资源充足的南方地区值得推广。

4 结论

在相同施肥量与大田管理下，稻—豆复种模式较常规双季稻种植模式，能带来作物产量的提升与经济效益的提高。 春大豆的种植为后茬晚稻提供了更长生育期，带来更高的有效穗数和每穗粒数，使得产量提高；经济效益的提高得益于更低的种植成本、更高的作物产量及较高的市场售价。