郭 瑞,陈 高,兰 红,黄 敏,王建兵,陈禅友*
(1.江汉大学 生命科学学院,湖北省豆类(蔬菜)植物工程技术研究中心,湖北 武汉 430056;2.湖北食汇缘农业科技有限公司,湖北 武汉 430042)
秋收后农田空闲成了“冬闲田”,面积大、土地利用率不高、资源浪费严重[1]。由于目前机械化、产业化和规模化程度偏低,又缺乏劳动力[2-3],加上农业技术匮乏,因而农民在“冬闲田”利用方面积极性低[4]。通过培育要求较低的短期经济作物,降低农业肥料施用量,减少耕地土壤污染,可节约农用成本,提高农业收益[5]。豌豆和蚕豆作为越冬种植的经济作物可在冬闲田进行种植,其有不可比拟的优势,如不与水稻争茬口,冬种春收,水稻收获后播种,翌年水稻播种前可完成收获拉秧;菜用豌豆鲜荚采收后供应蔬菜淡季市场,具有一定的经济效益;生长周期短,还可生物固氮降低肥料施用量;植物体进行光合作用吸收CO2和释放O2,达到一定降碳和清新空气的效果;绿色植株越冬,可增添绿色,也可构成春季美景;秸秆直接机耕还田,培肥地力,为后续作物供肥;同水稻轮作,水旱交替,利于土壤风化,改良土壤结构与理化性质,增加通透性,减少土传病害发生。
近年来撂荒的水稻冬闲田、果园等土地受到重点关注,农业主管部门力推利用冬闲田进行轮作等再生产。武汉市东西湖区2021 年冬季主要推广水稻冬闲田油菜种植和紫云英培肥计划,湖北省豆类(蔬菜)植物工程技术研究中心为发掘豆类植物生态应用空间,在过去试验的基础上以豌豆和蚕豆为试验对象,测评其冬闲田种植的综合效益,为冬闲田的合理利用提供参考,同时也可以探索一种新的种植模式。
试验豌豆的两个品种为‘江大紫豌豆1 号’(简称‘汉豌1 号’)和WD-001。其中‘汉豌1 号’为早中熟、植株直立型甜豌豆品种[6];WD-001(Blue podded)是从国外引进的晚熟、植株蔓生型粮用豌豆品种。两个豌豆品种的种子均由江汉大学湖北省豆类(蔬菜)植物工程技术研究中心提供。
试验蚕豆的两个品种为‘优质大白皮’和‘华豆8 号’。两个蛋豆品种的种子均采购于武汉市东西湖区舵落口农资市场。
对照作物为东西湖区柏泉街道当地当季冬闲田种植的油菜和紫云英。
试验于2021 年11 月至2022 年5 月在武汉市东西湖区柏泉街道华豆源都市农业科技产业园附近水稻冬闲田进行。试验采用免耕栽培模式,做畦时留出必要的排水沟。直接穴播,每穴3 粒种子,株距25 cm,行距50 cm。豌豆品种WD-001 植株为蔓生型,抽蔓后需要搭架。
在生长期对每个品种采用五点采样法随机取5~7 个植株作为调查样本,在现蕾期、盛花期、盛收期分别测量光合特性指标;分批采收商品荚测定产量,商品荚收获结束后收取秸秆测定干物质形成量,并换算出CO2吸收量;测定还田秸秆中N、P、K 的含量。
1.3.1 经济产量与效益 随机选定5 个测产小区,每小区1 m2,分批采收小区内商品荚,称量并记录商品荚产量。根据市场均价折合为亩产,测算直接经济效益,再减除物化成本计算净效益。
1.3.2 光合特性 选择晴朗、无风并且无云的天气,在自然光照条件下使用美国LI-COR 公司出产的LI-6400XT 光合仪在田间测定几个主要光合特性指标:叶片净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度,每个品种同一时期选5 片功能叶重复测定,取平均值。
1.3.3 CO2吸收量 采取烘干法测定干物质量,植物植株干物质成分中碳占45%,进而依据公式CO2吸收量(g)=干物质量(g)* 0.45 * 44/12,推算单位面积植株体的CO2吸收量。
1.3.4 秸秆还田量及秸秆中N、P、K 含量 田间收获完商品荚后,收取1 m2的秸秆并称重,重复3 次;实验室内将秸秆置烘箱中105 °C 杀青半小时后调温至80 °C 烘干,样品烘干后粉碎处理过1 mm 筛,作为养分测定样品。氮含量测定采用H2SO4-H2O2消煮凯氏定氮法;磷含量测定采用H2SO4-H2O2消煮钒钼黄比色法;钾含量测定采用H2SO4-H2O2消煮火焰光度计法[7]。
采用WPS 2019 汇总数据并做平均值计算和方差分析,以DPS 12.5 软件进行差异比较分析,P<0.05 表示处理间有显著差异。
由表1 可知,蔓生豌豆品种WD-001 的经济产量最高,达1 000.50 kg/667m2,直立型的蚕豆品种‘优质大白皮’和‘华豆8 号’经济产量次之,‘汉豌1 号’最低。
表1 供试材料经济产量与效益分析Tab.1 Yield and economic benefit analysis of tested materials
根据市场均价、亩产,测算直接经济效益,再减除物化生产成本测算出净效益。种植豌豆品种WD-001,每667 m2净收益3 202.10 元。两个试验豆类品种每667 m2净收益均高于2 000 元。油菜作物每667 m2净收益1 310.73 元。种植紫云英无经济产量与效益,还需要人工、种子等投入。因此冬闲田种植豌豆和蚕豆在经济产量与效益上均超过油菜和紫云英。
供试豆类品种在现蕾期、盛花期和盛收期的光合特性测定数据如表2 所示。供试豆类品种自现蕾期至盛收期,净光合速率逐渐下降,至盛收期时,净光合速率降至-5.35~-2.92 μmol/(m2·s)之间,呈现负值,呼吸速率大于光合速率。
表2 供试豆类品种在不同时期的叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2 浓度、蒸腾速率Tab.2 The net photosynthetic rate,stomatal conductance,intercellular CO2 concentration,and transpiration rate of tested materials in different period
蒸腾速率变化趋势与光合速率变化趋势基本一致,从现蕾期到盛收期,随着光合能力的减弱,蒸腾速率也呈现下降趋势,自最高7.05 mol H2O/(m2·min),降至最低0.84 mol H2O/(m2·min)。
气孔是CO2进入植物体、水蒸气逸出植物体的通道,气孔的闭合程度直接影响菜豆的光合作用和蒸腾作用,还关系到植物体的水分消耗[8]。气孔导度随着试验豆类生育期的推进,从现蕾期到盛花期下降明显,从盛花期到盛收期变化较小。试验豆类现蕾期气孔导度在0.33~0.46 mol/(m2·s)之间,盛花期及盛收期气孔导度在0.02~0.12 mol/(m2·s)之间。
随着试验豆类生育期的推进,从现蕾期到盛收期,胞间CO2浓度逐渐降低。现蕾期试验豆类胞间均大于300 μmol CO2/mol,盛花期时最高的WD-001 胞间为231.92 μmol CO2/mol,至盛收期,所有品种胞间降低至132.10~162.67 μmol CO2/mol 之间。
采用烘干法测定植株干物质量如表3 所示,紫云英干物质量达到40.00%,远高于其他作物。植株干物质元素组成中C 元素占45%,据此及植株干物质量测算植株体CO2吸收量,结果如表3所示。不同试验材料之间每667 m2CO2吸收量存在显著差异。蚕豆‘优质大白皮’每667 m2CO2吸收量显著高于其他供试材料,其次为紫云英、WD-001、油菜、‘华豆8 号’、‘汉豌1 号’,量值在228.19~941.32 kg/667m2之间。
表3 供试材料植株干物质量及CO2 吸收量Tab.3 The plant dry matter quantity and CO2 absorption amount of tested materials
田间取样称量除去收获器官以外所有可还田部分的秸秆鲜重,结果见表4。不同试验材料每667 m2秸秆还田量由高到低依次为‘优质大白皮’、WD-001、紫云英、油菜、‘华豆8 号’、‘汉豌1 号’,量值为476.82~1 462.78 kg/667m2。
供试材料每667 m2还田秸秆的N 含量为27.74~129.37 kg/667m2,‘优质大白皮’和紫云英显著高于其他品种;供试材料每667 m2还田秸秆P 含量处于16.56~68.95 kg/667m2,油菜和紫云英显著高于其他品种;供试材料每667 m2还田秸秆K 含量为12.64~159.06 kg/667m2,‘优质大白皮’显著高于其他品种。
水稻冬闲田复种越冬作物,是提高土地利用率且增收的重要举措。油菜、紫云英、豌豆和蚕豆同属越冬作物,适宜水稻冬闲田种植。豌豆和蚕豆鲜荚产品销售获得经济效益,生物固氮减少了肥料投入,生产周期有利于后续水稻种植的衔接。基于这些相较于油菜和紫云英的不同优点,有必要分析其在水稻冬闲田种植的综合效益,以选择适宜的冬闲田栽培作物。
研究[9]表明将豆科作物引入以谷物为主的轮作,可显著提高后续作物产量。有研究[10]指出稻田复种蚕豆和豌豆等,在收获经济效益的同时,将秸秆压青肥田可以增加后茬作物产量。还有研究[11-12]表明,免耕下种植豌豆可显著提高土壤有机质含量、土壤全氮含量;合理的免耕技术可有效控制水土流失、减少蒸发。本试验在水稻收获后免耕种植豌豆和蚕豆的结果显示,蔓生型的豌豆品种WD-001 产量与净收益均高,但因其种植过程中需要搭架,故需慎重选择品种的生长类型。冬闲田种植的豌豆、蚕豆既可以形成根瘤,又有大量秸秆还田,增加N、P、K 等土壤营养水准,还可以增绿降碳。本研究目前仅测定了供试材料秸秆中的N、P、K 含量,后期研究中还应测量土壤中N、P、K 含量,与之比较具体的生态情况。
本试验的结果表明,水稻冬闲田种植豌豆品种WD-001 的产量和净收益均高,种植蚕豆品种‘优质大白皮’具有较好的降碳效果与综合肥田潜力。可见冬闲田种植豌豆和蚕豆是一种兼具良好的经济效益和生态效益,并可形成与主栽作物轮作的新模式。