黃土丘陵溝壑區旱作農業輪作模式綜合評價

王 平, 陳 娟, 王國宇, 胡建萍, 李世煜, 魏 瓏

(1.蘭州市農業科技研究推廣中心, 甘肅 蘭州 730000; 2.甘肅省農業科學院,甘肅 蘭州 730070; 3.甘肅省永登縣種子管理站, 甘肅 永登 730300)

同一作物長期連續種植會造成土壤養分異常或過度消耗，使得病原微生物迅速繁衍，化感物質積累，進而造成病害多發與作物產量降低[1]。而輪作是將養地與用地相結合的一種生物學措施，在保證作物產量的同時可以提高地力、是改善土壤質量與農業生態環境的重要農業措施[2]。20世紀初，由于農作物采用連作制以及不合理利用土地資源與過度的開墾荒地使得水土流失嚴重，生態環境遭到破壞作物產量下降，之后人們改用土地休閑等措施均無法保證作物穩產。80年代以后，中國建立起了輪作制度，不僅增加了土壤有機質、改善了土壤結構，還調節了土壤水、肥、熱、氣的有序利用，被認為是中國傳統農業的精華[3]。近些年，隨著肥料的廣泛使用，農民為追求產量與經濟效益的最大化，對于經濟收益較高的作物存在長期連作現象，通過增加使用化肥與農藥來做到穩產增產效果，給土壤與生態環境帶來了巨大的壓力。同時，病蟲害發生率顯著提高、生產成本增加、面源污染加劇，而產量并沒有提高。研究發現旱作區實行糧草或者糧豆輪作可提高土壤剖面供氮能力[4]，增加土壤速效養分及酶活性[5]。蔡艷等[6]研究發現與小麥連作相比，輪作下小麥籽粒增產1.47%～29.66%，輪作后，土壤全氮、堿解氮含量提高范圍達9.66%～21.66%。萬年鑫等[7]研究發現薯玉輪作能解決馬鈴薯連作障礙問題，并能夠較快提高土壤酶活性，加速根區土壤生理生化反應增加速效養分。蘭州市旱作區主要種植的作物為玉米、馬鈴薯及豆類等小雜糧。探索如何有效地降低作物連作障礙，提高主栽作物的產量與經濟效益對于發展當地農業產業化發展已刻不容緩。

本研究擬采用大田種植，以當地主栽作物馬鈴薯、玉米、蠶豆進行輪作模式研究，對土壤理化形狀、土壤水分、產量等指標進行分析，以期篩選出在保證較高經濟效益的基礎上獲得高效利用水資源的輪作組合模式，從而達到優化作物布局來提高區域作物水分利用效率的目的。

1 試驗區概況

試驗在甘肅省蘭州市榆中縣清水驛鄉孟家山村進行，該地區海拔1 998 m，無霜期100～140 d，年日照時數2 500 h，年均氣溫6.2 ℃，年平均降水量在200～330 mm之間，其中7—9月降水量占年降水量的56%。試區為典型的半干旱黃土丘陵區，供試土壤為黃綿土。2014—2016年的降雨情況如圖1所示。

2 研究方法

2.1 試驗設計

為了減少輪作前茬作物對輪作的影響，2013年輪作前的土地為撂荒地。輪作試驗在2014—2016年進行，試驗分為9個處理，分別為：馬鈴薯連作(P-P-P)、玉米連作(M-M-M)、蠶豆連作(B-B-B)、馬鈴薯/玉米/馬鈴薯輪作(P-M-P)、馬鈴薯/蠶豆/馬鈴薯輪作(P-B-P)、玉米/馬鈴薯輪作/玉米(M-P-M)、玉米/蠶豆/馬鈴薯輪作(M-B-P)、蠶豆/蠶豆/馬鈴薯輪作(B-B-P)、玉米/玉米/蠶豆輪作(M-M-B)。馬鈴薯選用隴薯7號，種植采用黑色半膜壟上種植方式，壟高25 cm，膜行距30 cm，膜寬80 cm，壟兩側點種馬鈴薯，株行距55 cm，株距40 cm，保苗37 500株/hm2；玉米采用全膜雙壟溝播種植方式，大壟寬70 cm，高10 cm，小壟寬40 cm，高15 cm，品種選用金穗4號，保苗52 500株/hm2；蠶豆選用臨蠶6號，采用全膜覆土穴播種植，保苗67 500株/hm2。

2.2 測定項目與方法

2.2.1 土壤容重與土壤含水量 在2013年11月10日試驗處理前及2016年10月馬鈴薯、玉米收獲后采集土樣，每個小區布置3個采樣點，土壤容重按0—20，20—40和40—60 cm土層均采用環刀取樣。

圖1 2014-2016年的試驗區降雨量及氣溫

在2016年10月，土壤含水量測定采用對角線取3個點，土鉆取0—100 cm土層采樣，帶入實驗室通過烘干法測定土壤水分。

2.2.2 作物耗水量與水分利用效率 作物耗水量：

ETa=P+U-R-F-ΔW

(1)

式中：ETa——作物耗水量(mm)；P——作物生育期有效降水量(mm)；U——地下水補給量(mm)；R——徑流量(mm)；F——深層滲漏量(mm)； ΔW——計算時段內土壤貯水量的變化(mm)。其中土壤貯水量及作物耗水量均以1 m 土層含水量計算；因試驗區地下水位較低，多在幾十米以下，因此上式可簡化為：

ETa=P-ΔW

(2)

籽粒產量水分利用效率為：

WUE=Y/ET

(3)

式中：Y——籽粒產量(kg/hm2)；ET——作物一生的耗水量(mm)[8]。

2.2.3 馬鈴薯、玉米、蠶豆產量 在每年馬鈴薯、玉米、蠶豆收獲時，馬鈴薯、玉米取20 m2的樣方，蠶豆分別取9 m2的樣方，重復3次，測定實際產量。隨機取15株有代表性的植株，3次重復，進行室內考種，用于測定玉米的理論產量和產量構成。

3 試驗結果

3.1 輪作模式對第3 a作物土壤容重的影響

與2013年輪作處理前相比，經過3 a作物輪作后不同處理40—60 cm土層土壤容重各土層上未發生顯著變化(表1)。但在0—20 cm 土層，土壤容重與3 a前土壤容重相比，表層輪作方式土壤容重出現了顯著變化，與處理前相比變化幅度為-3.85%～6.15%，不同輪作以第3 a種植馬鈴薯的表層土壤容重最小，以P-P-P輪作下的土壤容重最小，其次為雙壟玉米種植，可能是種植馬鈴薯與玉米需要起壟，擾動了土壤表層土壤，輪作有利于表層土壤的降低。在20—40 cm 土層，土壤容重的區間為1.30～1.46 g/cm3，不同輪作方式下的土壤容重具有較大變化，玉米、蠶豆連作下的土壤容重顯著增大，淺根作物蠶豆輪作種植下的B-B-B，M-B-P，M-M-B土壤容重在1.40 g/cm3。在40—60 cm 土層，輪作方式對下層土壤容重沒有顯著影響，主要影響在0—40 cm。輪作方式有利于土壤容重的改變，特別為不同根系深度與種植方式的作物種植更有利于土壤環境的改善。

表1 研究區第3 a不同輪作方式下的土壤容重 g/cm3

注：P為馬鈴薯，M為玉米，B為蠶豆； 不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05); 多重比較采用新復極差法。下同。

3.2 輪作方式下第3 a土壤含水量的變化

從圖2可以看出，第3 a輪作下馬鈴薯、玉米、蠶豆收獲后0—100 cm土層的土壤含水量變化，其中以玉米連作下(M-M-M)的土壤含水量最低，其次為M-P-M玉米輪作下的土壤含水量。玉米對水分的吸收利用周期長，葉面蒸發量大，種植玉米土壤含水量較低。種植蠶豆的B-B-B，M-M-B在0—40 cm土壤含水量較高，40—100 cm土層，M-M-B輪作下的土壤含水量開始下降。前茬作物水分吸收小的馬鈴薯、蠶豆在第3 a P-B-P輪作下的土壤含水量在0—100 cm土壤含水量均表現出較高的值，可能是由于前茬作物耗水量大的作物會影響下茬作物土壤含水量。合理的輪作不僅能夠條件調節土壤的物理結構同時還能夠影響作物對水分的吸收利用。

圖2 不同輪作模式下土壤含水量變化

3.3 輪作方式對第3 a作物產量及耗水量、水分利用效率的影響

由表2看出，不同年份的3種連作作物的產量除玉米外均呈現下降趨勢，截止2016年累積下降了58.81%，玉米與蠶豆連作產量累積下降了33.80%，36.08%，其中以馬鈴薯產量下降最大，以玉米的下降幅度最低，穩產性最高。2015年P-M-P輪作較連作M-M-M處理種植玉米的產量提高2.36%，M-B-P輪作較連作B-B-B處理下的蠶豆產量提高12.40%，輪作M-P-M較連作P-P-P處理馬鈴薯產量提高23.25%。不同前茬作物的輪作模式中，輪作P-B-P，M-B-P較B-B-P的蠶豆產量提高4.39%，4.30%。2016年P-M-P，P-B-P，M-B-P，B-B-P較連作P-P-P產量分別提高了40.37%，60.88%，69.33%，79.28%，M-M-B蠶豆輪作較B-B-B連作增產23.56%，M-P-M輪作較M-M-M連作玉米產量提高10.51%。通過同年作物產量比較發現輪作均表現出明顯的增產作用，馬鈴薯、蠶豆連作表現出明顯的減產作用，玉米產量沒有隨著種植年限呈明顯的增加幅度，這可能與2016年的降雨量少，作物產量均較低有關。輪作的作物產量較作物連作的產量均高。

表2 研究區3 a不同輪作方式下的作物產量 kg/hm2

從圖3可以看出，隨著輪作年限的增加，第3 a不同處理的作物耗水量變化規律不同：其中B-B-B輪作處理的耗水量最低，玉米輪作M-P-M的耗水量最大330 mm；M-M-M玉米連作下的玉米耗水量為291.55 mm，M-P-M輪作下的玉米耗水量提高了13.40%；P-P-P馬鈴薯連作下的耗水量為270.62 mm，P-M-P,P-B-P，M-B-P，B-B-P輪作下的馬鈴薯耗水量分別為282.32，292.20，308.11，290.6 mm，通過3 a輪作下的馬鈴薯耗水量較連作的耗水量增大；M-M-B輪作下的蠶豆耗水量與B-B-B連作下的耗水量相比同樣具有增加耗水量的作用。P-P-P,M-M-M，B-B-B連作下的耗水量比較發現玉米耗水量大于馬鈴薯大于蠶豆。這主要是因為玉米對水分的利用周期較長，但玉米具有較高的蒸散量，對田間水分的需求較大，從而生育期過后會導致土壤水分迅速下降。連作下作物水分利用效率的大小變化表現為：馬鈴薯>玉米>蠶豆，其中馬鈴薯輪作的水分利用效率均大于70 kg/(hm2·mm)，表明了馬鈴薯的水分利用效率高。連作水分利用效率高的作物對應其輪作下的水分利用效率也高，如M-M-B>B-B-B。通過圖3分析發現馬鈴薯耗水量小，且水分利用效率較高，相比玉米更有利于土壤水分的恢復。蠶豆耗水量最小，與玉米相比作物根系不夠發達，水分吸收少，產量低，水分利用效率較低。

圖3 不同輪作模式下的作物耗水量與水分利用效率

由于2014，2015，2016年的降雨量分別為410.4，275.3，309.9 mm，其中2016年作物的產量均降低，可能受降雨量的影響較大。而2016年，除連作作物產量降低之外，其他作物的產量均增加。3 a連作P-P-P，M-M-M，B-B-B處理下2014—2016年的下降幅度分別為58.81%，33.80%，36.08%，以玉米的下降幅度最低，穩產性高。從不同作物來看，馬鈴薯的產量較高，而蠶豆的產量最低，玉米的耗水量較高，而蠶豆的耗水量最低，馬鈴薯和玉米的水分利用效率較高，而蠶豆的水分利用效率較低，因此綜合來看，在降雨量較少的年份，相對于連作，輪作馬鈴薯的產量和水分利用效率較高，而種植蠶豆雖耗水量較少，但產量和水分利用效率較低。

3.4 不同輪作模式經濟效益比較

2014—2016年不同作物輪作模式下的投入產出情況如表3所示。P-P-P，M-M-M，B-B-B連作下的投入隨著勞動成本，肥料價格等因素呈逐漸增加趨勢，而產量呈逐年遞減，凈收益逐年下降，其中以馬鈴薯的凈收益最高，其次為玉米、蠶豆。2016年馬鈴薯輪作下的作物經濟凈收益較3 a連作每1 hm2能夠提高3 624～9 282元，玉米輪作較3 a較連作提高1 008元，蠶豆輪作較3 a連作提高1 740元，輪作栽培能夠明顯的提高農業生產的凈收益，輪作馬鈴薯的提高幅度更加明顯。通過3 a的輪作模式比較發現，輪作模式經濟收益大小依次為：P-B-P>P-M-P>P-P-P>M-P-M>M-B-P >B-B-P>M-M-M>M-M-B >B-B-B。3 a累計凈收益P-B-P輪作模式最高達到27 750元/hm2，其次是P-M-P輪作模式27 264元/hm2。相比于單獨連作帶來的經濟收益逐年遞減，輪作更加有利于產量的增加與經濟收益的提高，P-P-P 存在種植連作障礙，影響產量與土壤環境的改善不利于長期種植，M-P-M輪作模式經濟效益一般，水分利用率低。

通過輪作模式在3 a經濟收益比較與對土壤環境與水分利用效率的影響分析，作為主栽馬鈴薯、玉米、豆類作物區域的蘭州市山旱區P-B-P與P-M-P兩種輪作模式可以作為旱作農業的主要模式進行示范推廣。

表3 研究區輪作模式下作物2014-2016年的經濟效益 元/hm2

注：農家肥300元/t，氮肥3 500元/t，150 kg/hm2，其他肥料800元/hm2，肥料價格2015—2017年按照10%漲價。其他支出：馬鈴薯種子2 600元/hm2，玉米種子600元/hm2，蠶豆種子1 200元/hm2，勞力每天100元。馬鈴薯機械種植費用800元/hm2。2014年馬鈴薯價格0.8元/kg，玉米價格2.2元/kg，蠶豆價格4.8元/kg；2015年馬鈴薯價格0.84元/kg，玉米價格2.2元/kg，蠶豆價格5.2元/kg；2016年馬鈴薯價格0.74元/kg，玉米價格1.7元/kg，蠶豆價格5.2元/kg。地膜13元/kg，75 kg /hm2，地膜975元/hm2。

4 討論與結論

干旱缺水是影響旱作區農業生產與發展的瓶頸，施行合理的輪作模式能改善土壤環境促進作物的生長與產量的提高，是旱作農業研究的重要課題。作物輪作倒茬技術，相對于單一的連作種植方式具有明顯的優勢，它利用的是作物對水分與養分的需求差異，進行合理配置，可以有效地改善土壤物理環境，使得土壤水、熱、氣、養得到充分協調和利用，增加土壤有機質、速效氮、磷及土壤酶活性，降低連作障礙，對促進作物生長起到關鍵的作用[9]。宋麗萍等[10]研究干旱區苜蓿—作物輪作時發現輪作能夠降低土壤容重，影響0—30 cm土壤團聚體，形成良好的土壤結構，改善土壤的滲透性能。通過種植方式的調節也能達到較小土壤容重的作用。本試驗結果表明，玉米、蠶豆連續的連作使得土壤容重增加，輪作處理有利于土壤容重的降低，P-M-P，M-P-M輪作模式下的土壤容重能夠較小土壤容重，P-P-P處理下的輪作模式土壤容重最低，說明輪作能夠減小土壤容重，同時不同的種植方式對于土壤容重的影響也很重要。土壤容重主要通過孔隙度大小及分布來調節水分的入滲，土壤容重增加，土壤變得緊實，土壤孔隙減小，蓄水保水力下降[11-12]。其中，大豆輪作較玉米輪作更加能促進團聚體形成，改善土壤結構，增加土壤肥力對于養分積累有很大的幫助[13]。因此，土壤環境的改善有利于作物的高產、穩產與持續增產[14]。作物輪作可有效減少農田病蟲害、雜草和有毒物質的危害，減少農藥使用，降低投入成本，增加收入[15]。

玉米連年種植會大量消耗土壤水分，對土壤水分年際平衡不利；而馬鈴薯連年種植引發連作障礙，導致馬鈴薯病害高發，產量受損[7]。本試驗表明玉米較馬鈴薯與蠶豆對水分需求量大，如果降雨量小，根系吸水時間長消耗土壤水大分，再進行長期的連作容易形成土壤干層，如果土壤長時期內難以恢復，會影響與植物之間水分的循環利用，同時會影響下茬作物對水分的吸收利用，制約作物生長不能保證產量的增加。馬鈴薯與蠶豆耗水量較小，通過玉米與馬鈴薯、蠶豆的輪作可以協調土壤水分的供應。其中，輪作模式M-M-M玉米長期連作的土壤含水量在0—100 cm均較低，玉米與馬鈴薯或者蠶豆輪作后，土壤含水量能夠得到一定的恢復。作物輪作的多樣化能有效緩解干旱狀況，減小地表徑流和氮流失。土壤水分恢復層會隨著輪作時間的增加而不斷向下延伸，當前茬作物水分的利用較小時土壤水分會產生疊加效應，有利于當季的作物水分的吸收[16]。因此，耗水量大的作物要與耗水量小的作物進行輪作來調節水分的合理分配，這樣有利于水分利用效率的提高。研究表明輪作的作物產量、水分利用效率均比連作農田高，可使后茬作物增產43.2%～47.3%，籽粒水分利用效率提高36.1%～47.5%，連續2 a連作農田都表現為增產增收效應[17]，這與本研究結論相似。

一個地區的農作物種植要與當地的養地相適應，李明等[18]通過在山西半干旱區連續3 a進行不同輪作方式研究，對玉米、馬鈴薯、甘藍、谷子、菜豆進行輪作比較，得出“玉米→馬鈴薯→菜豆”是比較好的輪作組合，且水分利用效率較高，當地適合糧菜組合模式。李承力等[19]通過比較小麥、玉米、芝麻、油菜在丹江口不同輪作模式時發現“小麥→玉米”輪作為耕地適宜的環保型作物輪作模式。一個地區的輪作模式的選擇要結合當地的種植作物及降雨量來制定，不同地區的輪作模式有所差別。本試驗通過3 a輪作模式比較發現馬鈴薯→蠶豆→馬鈴薯與馬鈴薯→玉米→馬鈴薯輪作模式，能夠改善土壤環境，提高產量，經濟收益，玉米→蠶豆→馬鈴薯輪作模式能夠提高水分利用效率，協調水分利用。周少平通過研究“玉米→馬鈴薯→蠶豆”輪作時發現該輪作模式能夠提高土壤系統的水分和光能利用率[20]。

生產效益與單產、價格、成本具有高度的相關性，同時與種植作物的種類、輪作方式，以及田間管理方式選擇也均會影響農業的生產整體成本，決定農業種植的最終經濟收益，以及影響以后種植的作物結構調整[21]。受降水偏少限制，當地種植投入肥料及其他物質成本逐年增加，產量卻低而不穩，另外2016年玉米單產價格下降到較大，造成了種植玉米的經濟收益大幅下滑。在2012年65%的農民種植玉米施氮量150 kg/hm2以上，50%以上的農民產量仍然很低(5 638 kg/hm2)。增加投入并不能有效地提高產量，使得當地農業生產迫切需要通過調整種植結構來提高經濟收益。本試驗選用成本較低馬鈴薯→蠶豆→馬鈴薯與馬鈴薯→玉米→馬鈴薯輪作模式既改善了土壤環境，提高了水分利用效率與產量，還增加了經濟收益。

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