北疆地區一年兩作種植模式效果及適宜性分析

侯裕生，張金珠，王振華，李文昊，溫 越

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子832000;2.現代節水灌溉兵團重點實驗室，新疆石河子832000)

種植制度是指某個地區或生產單位農作物的組成、配置、熟制與種植模式(單作間混套作、輪作與連作)所組成的整套相互聯系并與當地生產條件、養殖業生產與農業資源相適應的技術體系［1］。隨著種植技術的提高和農業生產水平發展，種植制度會產生階段性變化［2］。同時，有研究表明氣候變化對種植制度存在影響［3-7］。氣候變暖作為一個全球性問題，在IPCC第四次評估報告中顯示，大氣溫度普遍提高，其中北半球高緯度地區提高最為明顯［8-10］。隨著新疆北部溫度的升高、積溫的增加以及農業生產的發展，該地區種植結構也在不斷調整［11-12］。其中非傳統麥田套種玉米耕作模式在20世紀90年代在北疆沿天山以北地區初步實施［13］，進入21世紀，受北疆地區大面積推廣機械化作業以及全球氣候變暖的影響，北疆地區開始探索一年兩作種植模式［14］。

一年兩作種植模式作為一種優化的高效種植模式，具有資源利用率高、光溫生產效率高等優點［15］。國內外學者對一年兩作種植模式下資源利用率的研究取得了一些成果，其中王美云等［16］針對華北平原地區開展雙季青貯玉米模式物質生產及資源利用效率研究，研究表明雙季青貯玉米種植模式不僅可充分利用該地區的自然資源，而且為該地區提供了一種優化的高效種植模式;李立娟等［17］針對黃淮海地區開展雙季玉米產量性能與資源效率利用研究，研究結果表明，該種植模式具有光溫生產效率高、經濟效益好等優點，是該地區長期冬小麥—夏玉米模式的補充;張占琴等［14］針對北疆地區開展冬小麥—復播青貯玉米種植模式物質生產及資源利用率研究，研究結果表明，一年兩作是一種資源高效利用的種植模式。

長期以來，雖然開展了一些一年兩作相關研究，但經調查發現，在北疆地區該種植模式推廣率較低。棉花單季種植依然占據主導地位，一年兩作占比較小［18］。通過對北疆地區現有主要種植作物調查分析，選定棉花、春播玉米單作種植模式作為對照;在選定一年兩作種植模式時，以地區“發展小麥生產，擴大復種、套種面積，提高小麥綜合種植效益”農業結構戰略調整為導向兼顧考慮春小麥生長周期及復播要求等因素，選定春小麥為春播作物;在復播作物選取中，主要考慮復播作物復播指數及其效益，其中復播青貯玉米營養豐富，產量較高，是發展畜牧業的優質粗飼料，在新疆畜牧業發展中占有重要地位，具有廣闊發展前景;油葵作為世界廣泛種植的四大油料作物之一，在新疆油料作物種植面積中占有相當大比重，是新疆最主要的油料作物，因此兩種復播作物對新疆都具有重要意義。本文通過2 a重復對比試驗，在前人研究基礎上針對北疆開展一年兩作種植模式研究，通過與現行單作棉花、單作春播玉米兩種種植模式對比分析，在考慮資源環境利用率、水肥資源消耗利用及經濟效益因素下，探明一年兩作種植模式在該地區的適宜性與優越性，為該地區未來根據生產需求調節作物生產提供一種優化的高效種植模式，同時也為生態區內實行種植模式的多元化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2011年和2012年在石河子大學節水灌溉試驗站進行。試驗站位于石河子市西郊石河子大學農試場二連，85°59＇47″E，44°19＇28″N，海拔412 m，平均地面坡度為5.6‰，屬典型溫帶大陸性氣候，年均日照時間為2 865 h，多年平均降雨量為207 mm，平均蒸發量為1 660 mm，≥0℃的活動積溫為4 500℃，無霜期為170 d。年平均風速為1.5 m·s-1，靜風占32%，偏東風占14%，偏南風占22%，偏西風17%，偏北風占15%。地下水埋深5 m以下。

1.2 試驗設計

本試驗設置了4種不同種植模式，包含2種一年兩作種植模式，2種單作種植模式(CK1、CK2)，每種種植模式設置3次重復，共計12個小區，每個試驗小區規格為長18.6 m，寬4.5 m，小區面積為83.7 m2，每種種植模式之間設有5 m間隙且各處理重復之間設有保護行。4種種植模式分別為:

模式1:一年兩作春小麥—復播油葵，其中種植春小麥品種為“新春6號”，復播油葵品種為“新葵雜五號”;

模式2:一年兩作春小麥—復播青貯玉米，其中種植春小麥品種為“新春6號”，復播青貯玉米品種為“瑞玉F98”;

模式3(CK1):單作棉花，種植品種為“農豐133”;

模式4(CK2):單作春播青貯玉米，種植品種為“新飼玉10號”。

春小麥采用15 cm等行距種植模式，滴灌帶鋪設為一管四行，滴灌帶間距60 cm，滴頭間距30 cm;復播青貯玉米及單作春播玉米采用寬窄行(80+40)種植模式，株距20 cm，滴灌帶鋪設為一管兩行，滴頭間距30 cm;復播油葵采用株距25 cm，行距60 cm種植模式，滴灌帶鋪設為一管一行，滴灌帶間距60 cm，滴頭間距30 cm。所有小區處理采用同一供水系統，滴灌供水系統壓力控制在0.06～0.10 MPa，各小區處理由單獨球閥控制灌水，由單獨施肥罐控制施肥，可保證每個小區處理精確控制灌水量和施肥量。

4種種植模式下各作物灌溉定額、施肥量結合前人研究［19-23］及當地生產實踐活動確定。4種種植模式各作物生育期內具體灌水、施肥量詳見表1。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 植物生態系統資源 使用站內氣象站及SPAC植物生理生態系統采樣(設置每小時1次)，采集的數據自動存儲到模塊內，兩種儀器測得的數據在進行數據處理時可補充驗證。根據儀器記錄的總輻射、有效積溫等相關數據，計算出相關效率值。其中2011年和2012年有效積溫和太陽總輻射分配相關數據詳見表2。

1.3.2 植物物質生產量 春小麥:在春小麥成熟時收獲，各小區選取10株植株，采集植物地上部分，其中包含莖稈、葉片及麥穗，分器官稱鮮重，105℃殺青0.5 h，再于75℃烘干至恒重，測定干物質重量。

復播青貯玉米及單作春播玉米:均在乳熟期收獲，各小區選取10株植株，采集植物地上部分，其中包含莖稈、葉片及果穗，分器官稱鮮重，105℃殺青0.5 h，再于75℃烘干至恒重，測定干物質重量(g)。

復播油葵:在春油葵成熟時收獲，各小區選取10株植株，采集植物地上部分，其中包含莖稈、葉片及花盤，分器官稱鮮重，105℃進行殺青0.5 h后，于75℃烘干至恒重，測定干物質重量。

棉花:在棉花收獲時，各小區選取10株植株，采集植物地上部分，其中包含莖稈、葉片及花鈴，分器官稱鮮重，105℃殺青0.5 h后于75℃烘干至恒重，測定干物質重量。

1.3.3 水肥資源利用率 灌溉水利用效率計算公式［24］:

肥料偏生產力計算公式［25］:

式中，iWUE為灌溉水利用率(kg·m-3);PFP為肥料偏生產力(kg·kg-1);Y為作物產量(kg·hm-2);I為灌水量(m3·hm-2);F為為施肥量(kg·hm-2)。

1.3.4 凈收益

式中，S為凈收益(元·hm-2);G為經濟收入(元·hm-2):產量×作物收購單價;M為總成本(元·hm-2)，包含水肥投入、用工投入等相關成本投入［26］。經調查分析，2011、2012年北疆地區春小麥收購價格為2.04元·kg-1，青貯玉米收購價格為0.245元·kg-1，油葵收購價格為4.0元·kg-1，棉花收購價格為8.0元·kg-1。

表1 不同種植模式下灌水及施肥處理Table 1 Irrigation and fertilization treatment under different planting models

表2 2011—2012年有效積溫和太陽輻射分配情況Table 2 Distribution of effective accumulated temperature and solar radiation in 2011-2012

1.4 作物物質、能量生產與生態系統因素資源效率分析

1.4.1 物質生產與干物質產能 物質生產效率以單位面積干物質的產量表示［16］。

物質生產效率(kg·hm-2)=小區收獲鮮重(kg)×(1-植株含水量(%))/小區面積(hm2)

干物質產量轉換為能量以干重熱值(燃燒值)來表示［27］。本試驗玉米干重熱值為 1.807×104J·g-1，春小麥干重熱值為1.747×104J·g-1，棉花干重熱值為1.860×104J·g-1，油葵干重熱值為 1.819×104J·g-1［28］。

干物質產能(MJ·m-2)=干物質產量(g)/面積×干重熱值

1.4.2 光能生產效率和年總輻射利用率 光能生產效率以生育期間平均單位熱量生產的干物質重量表示［29］。

光能生產效率(g·MJ-1)=干物質產量/作物生育期內單位面積的太陽輻射

年總輻射利用率(%)=干物質產能/單位面積的全年太陽輻射［30］

1.4.3 溫度生產效率 溫度生產效率是指生育期內有效積溫生產的干物質重量。在積溫計算過程中，春小麥下限溫度取值為0℃，玉米、油葵及棉花下限溫度取值為 10℃［15］。

溫度生產效率(kg·hm-2·℃-1)=單位面積干物質生產量(kg·hm-2)/生育期間有效積溫(℃)

年有效積溫利用率(%)=作物生育期間有效積溫/全年有效積溫

1.5 數據處理

數據使用Microsoft Excel 2016進行處理。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式下作物生育進程比較

4種不同種植模式對全年時間利用情況見表3。模式1全生育期183～191 d;模式2全生育期179～184 d;模式3全生育期157～166 d;模式4全生育期138～139 d。其中復播青貯玉米比單作春播玉米全生育期縮短約53～55 d，模式1和模式2日積溫≥10℃天數分別為173～176 d和178～180 d，模式1比模式3、模式4分別多20～23 d和24～28 d，模式2比模式3、模式4分別多35～37 d和40～41 d。

2.2不同種植模式下周年干物質生產效率、能量及其季節分配比較

2.2.1 不同種植模式下周年干物質生產效率及分配 4種不同種植模式周年干物質生產效率及分配情況見表4。可知，4種種植模式干物質生產在季節分配上存在不同，周年干物質生產在模式2下達到最高，其次為模式1。其中模式1、模式2周年干物質生產效率比模式 3、模式 4各增加20 076.44、8 697.99 kg·hm2和22 340.25、10 961.8 kg·hm2;干物質生產效率各提高111.04%、29.53%和123.56%、37.21%。模式 4干物質生產效率較模式 3高11 378.45 kg·hm-2，干物質生產效率提高38.62%。顯著性結果分析顯示:一年兩作種植模式(模式1與模式2)與模式3、模式4在周年干物質生產效率方面存在顯著性差異，單作棉花與單作春播玉米存在顯著性差異，一年兩作的兩種種植模式之間不存在顯著性差異。說明一年兩作種植模式較單作種植模式在周年干物質生產效率方面存在優勢。

2.2.2 不同種植模式下周年能量生產 4種不同種植模式周年能量生產情況見表5。可發現周年能量生產變化趨勢與周年干物質生產效率一致。周年干物質生產在模式2下達到最高，其次為模式1。其中模式1、模式2周年干物質產能比模式3、模式4各增加 34.51、14.91 MJ·m-2和38.35、18.75 MJ·m-2;干物質產能各提高102.68%、28.02%和114.1%、35.24%。模式4干物質產能較模式3高19.60 MJ·m-2，干物質生產效率提高58.32%。顯著性結果分析顯示:一年兩作種植模式(模式1與模式2)與模式3、模式4在周年能量生產方面存在顯著性差異，模式3與模式4存在顯著性差異，一年兩作兩種種植模式之間不存在顯著性差異。說明，與現行模式3、模式4種植模式相比，一年兩作種植模式的周年能量表現出較高的優勢，表明了一年兩作模式對全年太陽輻射有相對較高的固定、轉化和利用能力。

表3 不同種植模式下作物生育進程比較Table 3 Comparison of crop growth process under different planting models

表4 不同種植模式下周年干物質生產效率及分配/(kg·hm-2)Table 4 Annual dry matter production efficiency and distribution under different planting models

2.3 不同種植模式下作物光能資源分配與利用

太陽輻射是地理環境大部分自然過程中最基本、最直接的能源基礎，也是地面熱量平衡的重要組成部分，對于評估農業生產具有重要意義。4種不同種植模式下作物光能資源分配與利用對比情況見表6，可以看出不同種植模式下年總輻射的分配與利用存在差異。4種不同種植模式太陽總輻射大小表現為:模式1＞模式2＞模式3＞模式4，模式4由于生育期較短，因此其年總輻射的分配量少。模式1年總輻射最大，其中春小麥分配量占太陽總輻射分配率的38.95%，復播青貯玉米占32.98%;與春麥后復播油葵相比，春麥后復播青貯玉米總輻射占模式2太陽總輻射率的31.23%，周年太陽總輻射分配率不存在顯著性差異。與模式3、模式4相比，模式1在年總輻射分配量上提高顯著，增量分別為13.37%、30.17%，模式2較模式3、4提高分別為10.76%、27.16%。

表5 不同種植模式下周年能量生產/(MJ·m-2)Table 5 Annual energy production under different planting models

表6 不同種植模式下作物光能資源分配與利用Table 6 Distribution and utilization of crop light energy resources under different planting models

從表中還可以看出，一年兩作種植模式與模式4在太陽總輻射生產效率與年總輻射利用效率方面不存在顯著性差異，與模式3存在顯著性差異。這是因模式3物質生產量相對較大，光能生產率相對較高，表現出較高的年總輻射利用效率，而模式3相對來說物質生產量較小，導致光能生產率較低，進而表現出較低的年總輻射利用效率。

2.4 不同種植模式下有效積溫分配與溫度生產效率

有效積溫是反映生物生長發育對熱量的需求或衡量地區熱量資源的指標，因此研究不同種植模式下有效積溫分配是有必要的。4種不同種植模式有效積溫分配與溫度生產效率的具體情況見表7，從表7中看出，在全年有效積溫的利用上，模式1、模式2周年有效積溫分配率分別為98.79%、96.76%，顯著性分析顯示，一年兩作模式與模式3在有效積溫分配率上不存在顯著性差異，而一年兩作模式和模式3與模式4之間存在顯著性差異，這是由于模式3生育期較長，有效積溫利用率相對較高。在溫度生產效率上，模式1相較于模式3、模式4溫度生產效率分別提高101.34%、4.8%，在溫度生產效率上模式1與模式3之間差異顯著，與模式4之間差異不顯著;模式2較于模式3、模式4溫度生產效率分別提高了117.75%、13.33%，在溫度生產效率上模式2與模式3之間差異顯著，與模式4之間差異不顯著;模式2較模式3、模式4溫度生產率分別提高了117.75%和13.33%，在溫度生產效率上模式2與模式3之間差異顯著，與模式4之間差異不顯著。

2.5 不同種植模式下水肥資源消耗利用分析

灌溉水利用效率反映了灌溉水量的投入產出效率，是衡量農業生產水平和農業用水科學性與合理性的綜合指標，也是節水灌溉與高效農業發展的重要指標之一［31］。肥料偏生產力是指施用某一特定肥料下的作物產量與施肥量的比值，可反映當地土壤基礎養分和化肥施用量的綜合效應。結合表1和iWUE、PFP公式計算4種不同種植模式資源消耗利用情況，具體數據分析見表8。可看出，周年水分生產效率總體表現為:模式4＞模式2＞模式1＞模式3，不同種植模式下水分生產效率與肥料偏生產力存在差異，其中模式2、模式4與模式1和模式3之間存在顯著性差異，模式1與模式3之間不具有顯著性差異;肥料偏生產力與水分生產效率表現出相同變化趨勢。由于玉米屬于高產作物，模式4下單作春播玉米與模式2下復播青貯玉米在水分生產效率與肥料偏生產力方面均表現出較高水平。模式1下春小麥復播油葵與單作棉花相比，水分生產效率與肥料偏生產力均有所提高，分別提高16.1%、8.77%，不具有顯著性差異。由此可見，在考慮水肥資源利用因素條件下，若考慮一年兩作種植模式可選擇模式2;若考慮單作種植模式可選擇模式4。

2.6 不同種植模式下經濟效益對比分析

4種不同種植模式下經濟效益的對比見表9，可以看出:模式3的全年經濟效益最高，比模式1、模式2及模式4每公頃收益分別增加7 323.72、1 478.14、3 296.57元，效率分別提高 50.11%、7.22%、17.68%。從經濟效益方面分析，由于棉花具有更好的市場價值，收購單價相對較高，導致其經濟效益較高。對比模式1、模式2與模式4，這3種種植模式相對于棉花均具有資源高效的特點，在這3種種植模式中，模式2相對于其他兩種種植模式具有較高的經濟效益，分別提高39.99%、9.75%。由此可見，模式2兼具有高效資源和較好的經濟效益。

表7 不同種植模式下有效積溫分配與溫度生產效率Table 7 Effective accumulated temperature distribution and temperature production efficiency under different planting models

表8 不同種植模式下資源消耗利用Table 8 Resource consumption and utilization under different planting models

表9 不同種植模式經濟效益對比Table 9 Comparison of economic benefits under different planting models

3 討論

一年兩作種植模式作為一種優化的高效種植模式，具有資源利用率高、光溫生產效率高等優點。而在北疆地區該種植模式推廣率較低，棉花單季種植依然占據主導地位。本文在前人研究基礎上針對北疆開展一年兩作種植模式研究，通過與現行單作棉花、單作春播玉米兩種種植模式對比分析，在考慮資源環境利用率、水肥資源消耗利用及經濟效益因素下，探討一年兩作種植模式在該地區的適宜性與優越性，為該地區未來調節作物生產提供優化種植模式，同時也為生態區內實行種植模式的多元化提供科學依據。

一年兩作種植模式具有高物質生產能力和高光能利用能力。在本試驗研究中，一年兩作種植模式相對于單作種植模式在干物質生產效率及分配、周年能量生產、年總輻射利用率、總輻射生產效率、有效積溫分配率及溫度生產效率上優勢顯著，這與前人關于一年兩作光熱資源利用效率的研究結果一致［15，17］。本研究得出，該地區一年兩作種植模式對全年太陽輻射有相對較高的固定、轉化和利用能力，同時在一定程度上延長了復播作物與光熱資源最佳光溫耦合時間，使麥后太陽輻射與溫度得到充分利用，提高了光熱利用效率。熱量資源是限制作物生長和影響生態區種植制度的關鍵因素。有研究表明，復種指數受積溫影響較大，生態區內復種條件需滿足≥0℃積溫4 000℃以上［32］。本試驗研究中，在熱量資源豐富的北疆地區，春小麥從播種到收獲需要有效積溫1 872℃，復播油葵需有效積溫2 388℃，復播青貯玉米需有效積溫2 301℃。因此北疆地區生態區內有效積溫大于4 260℃就可推行該種植模式。這與張占琴等［14］研究結果一致。在水肥資源利用消耗與經濟效益方面，一年兩作種植模式并沒有表現出優勢。這與王美云等［17，33］研究結果存在差異。由于棉花較高的市場價值以及單作春播玉米高效生產能力，使得一年兩作相較于兩種單作種植模式在水肥資源利用與經濟效益方面優勢不明顯。

在我國南方傳統多熟區熟制大幅下降的情況下，在北疆地區發展一年兩作模式也存在一些問題及挑戰。北疆生態區內秋季溫度下降較快，氣候條件不佳，而熱量資源作為限制第一季出苗及第二季成熟的主要因素，可能存在熱量不足風險;水資源短缺及水肥利用效率低下已成為限制生態區內農業發展的主要因素，與單作種植模式相比，水肥資源對一年兩作種植模式的限制更加明顯，可能存在水資源供給不足情況。針對以上問題，在北疆生態區內推行一年兩作種植模式要精準控制第一季播種時間，保證出苗率，在第一季收獲后免耕復播第二季，搶占農時，統籌第二季作物前期水肥供應，實現作物前期生物量的快速增長，保障第二季作物成功收獲;針對水肥資源限制情況，應針對相應作物開展針對性研究，確定最優水肥施用量，達到節水節肥的目的;從而在一定程度上避免風險，保證一年兩作種植模式的成功實施。

4 結論

1)本試驗研究結果表明，春小麥從生育期內需有效積溫1 872℃，復播油葵需2 388℃，復播青貯玉米需2 301℃。因此北疆地區有效積溫大于4 260℃就可推行該種植模式。

2)相對于單作種植模式，一年兩作種植模式在干物質生產效率及分配、周年能量生產具有明顯優勢。一年兩作種植模式在一定程度上延長了復播作物與光熱資源最佳光溫耦合時間，可使麥后太陽輻射與溫度得到充分利用。春小麥—復播青貯玉米模式(模式2)年總輻射利用率、總輻射生產效率、有效積溫分配率及溫度生產效率均達到最大值，使光熱資源得到了更加高效的利用。

3)一年兩作種植模式在水肥資源利用消耗與經濟效益方面的表現與其生態效益方面存在差異，但一年兩作種植模式可使生態區內種植模式趨于多元化。