水旱輪作種植模式對作物產量及資源利用效率的影響

龔松玲 何明鳳 李成偉 高珍珍 劉章勇 朱波

摘要 [目的]為探明不同種植模式對作物周年產量和溫光資源利用效率的影響。[方法]2017—2018 年在湖北省荊州市江陵縣三湖農場，采用隨機區組設計，設置中稻-小麥、中稻-油菜、中稻-冬閑3種種植模式進行試驗。[結果]中稻-小麥模式周年產量比中稻-油菜和中稻-空閑分別高8.06%和46.71%;3種種植模式水稻季差異不顯著，差異主要來自冬季作物，小麥產量是油菜的2倍左右;在經濟效益上，中稻-油菜模式收益最高，比中稻-小麥和中稻-空閑分別高1 123和2 959元/hm2，增幅率為6.63%和19.61%;在積溫利用上，中稻-小麥模式積溫利用效率最高，比中稻-油菜和中稻-空閑高1.27%和27.16%。[結論]中稻-油菜模式的經濟效益高，環境風險比中稻-小麥式較小，冬閑田的資源利用效率浪費嚴重，應選出適應力強，且環境友好的冬季作物。

關鍵詞 水旱輪作;種植模式;產量;資源利用效率;經濟效益

中圖分類號 S344.1? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）04-0032-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.04.009

Effects of Paddy-upland Rotation Systems on Resource Utilization Efficiency and Yield

GONG Song-ling， HE Ming-feng， LI Cheng-wei et al

（Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industry Yangtze University/ Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland of Education， Jinzhou， Hubei 434000）

Abstract [Objective] To explore the impact of different planting patterns on crop annual yield， temperature and light resource utilization efficiency. [Method] A random block design was adopted at Sanhu Farm in Jiangling County， Jingzhou City， Hubei Province from 2017 to 2018. Three planting modes of rice-wheat， rice-rapeseed and rice-fallow were set up. [Result] The annual yield of rice-wheat model were 8.06% and 46.71% higher than those of the rice-rapeseed and rice-fallow， respectively;there was no significant difference in the rice season of the three planting modes， the difference of which was mainly due to winter crops， and the wheat yield was about twice that of rape;in terms of economic benefits， the rice-rapeseed model had the highest profit， which is 1 123 and 2 959 yuan/hm2 higher than those of the medium rice-wheat and medium rice-fallow， respectively， with an increase rate of 6.63% and 19.61%;the accumulated temperature utilization efficiency of the medium rice-wheat model was the highest， which was 1.27% and 27.16% higher than those of the rice-rapeseed and rice-fallow. [Conclusion] In terms of effective accumulated temperature utilization， there is no significant difference between the rice-wheat model and the rice-rapeseed model， but the rice-rapeseed model has higher economic benefits and lower environmental risks than the rice-wheat model. In addition， the utilization efficiency of winter fallow fields is wasteful， and winter crops that are adaptable and environmentally friendly should be selected.

Key words Paddy-upland rotation;Planting mode;Yield;Resource utilization efficiency;Economic benefit

基金項目 國家重點研發計劃項目（2018YFD0301306，2017YFD0301400）;濕地生態與農業利用教育部工程研究中心開放基金項目（KFT201904）;國家自然科學基金項目（31870424）。

作者簡介 龔松玲（1994—），女，河南商丘人，碩士研究生，研究方向：農業作物與栽培。通信作者，副教授，博士，碩士生導師，從事農業作物與栽培研究。

收稿日期 2020-10-16

水稻是人類最重要的糧食作物之一，世界上約50%人口以稻米為主食[1]。中國作為世界上水稻主生產國，其種植面積和籽粒產量分別約占全球的16%和28%。長江中下游地區是我國水稻的主產區，水稻種植面積達2×106 hm2[2]，占全國種植面積的40%[3]，在我國的水稻生產中占有十分重要的地位，對確保該地區乃至全國的糧食安全都有重要意義。水旱輪作是我國長江流域主要的生產系統，常見的有水稻-小麥輪作模式和水稻-油菜輪作模式[4-6]。當前該地區存在大面積的季節性撂荒，雙季稻改種單季稻的現象越來越嚴重，播種面積明顯下降，浪費了許多光、溫資源，降低了土地生產效率。隨著社會經濟條件及糧食安全需求的變化，該區稻田種植制度不斷變化[7-12]。

江漢平原也是我國重要的單雙季稻混作區，其中水稻是種植面積最大、單產最高、總產量最多的糧食作物。當前在該地區周年生產模式中，由于受水稻品種與冬季作物品種搭配不夠完善、適宜搭配品種較少等問題限制，導致土壤耕作空閑期長和光溫資源利用不夠充分等，同時現有種植模式周年配套技術不夠完善，導致該地區糧食生產和發展滯后。此外，由于缺乏堅實的理論與實踐指導，該地區的主體稻作模式也不夠明確，嚴重影響了當地光溫資源的充分發揮。因此，依據作物光溫資源高效利用機理及規律，根據江漢平原區域水稻生產氣候資源特點、氣象災害發生情況和光溫資源高效利用的障礙因子，優化江漢平原區域稻田種植模式，對促進當地稻作模式和農業可持續發展、提升和保障糧食生產的綜合能力有重要的現實意義。

鑒于此，筆者以我國長江中下游平原區典型的水稻輪作模式為研究對象，設置了中稻-小麥、中稻-油菜、中稻-冬閑3種種植模式，研究不同種植模式對光溫資源利用效率和產量的影響，對于優化江漢平原區域稻田種植模式、提升稻田綜合功能具有重要現實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年5月—2018年5月在湖北省荊州市江陵縣三湖農場試驗基地（30°12′ N，112°31′ E）進行。該區屬北亞熱帶季風性濕潤氣候，水熱資源豐富，年均降雨量900～1 100 mm，年平均氣溫16.0～16.4 ℃。試驗田試驗前為冬閑-單季稻制，土壤為潮土。試驗前耕層土壤（0～20 cm）基本理化性狀為：全碳26.44 g/kg、全氮含量2.44 g/kg、堿解氮含量170.88 mg/kg、全磷含量0.38 g/kg、速效磷含量12.67 mg/kg、全鉀含量17.76 g/kg、速效鉀含量159 mg/kg、pH 6.92、容重為1.10 g/cm。

1.2 試驗材料

中稻為“隆兩優華占”，小麥品種為“鄭麥9023”，油菜為“華油雜62”。

1.3 試驗設計

試驗共設置3個處理，分別為中稻-小麥模式（RW）、中稻-油菜模式（RR）、中稻-冬閑模式（RF）。每個處理設置3次重復，采用隨機區組排列。小區面積98 m2（長14 m，寬7 m），各小區筑埂覆膜，防止水肥串流。不同模式的生育期天數如表1所示。

1.4 田間管理

①RW：該模式中稻種植同中稻-冬閑模式中的中稻。小麥于水稻收獲后，淺旋耕做廂播種，播種量為225 kg/hm2，基本苗密度300萬/hm2。小麥生育期間，施基肥復合肥（N∶P2O5∶K2O=16%∶10%∶22%）600 kg/hm2，追肥N 90 kg/hm2。其余田間管理措施同一般常規田。

②RR：該模式中稻種植同中稻-冬閑模式中的中稻。油菜于水稻收獲后，淺旋耕做廂，廂寬150 cm，溝寬20 cm，油菜移栽，移栽密度為30 cm×30 cm。油菜生育期間，施基肥復合肥（N∶P2O5∶K2O=16%∶10%∶22%）600 kg/hm2、硼肥7.5 kg/hm2，提苗肥尿素75 kg/hm2，薹肥尿素75 kg/hm2。其余田間管理措施同一般常規田。

③RF：中稻移栽密度22.4萬穴/hm2（26.70 cm×16.70 cm），每穴3苗。中稻全生育時期施肥量N 225 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，以尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O5 12%）和氯化鉀（含K2O 60%）施用;氮肥按照基肥∶蘗肥∶穗肥為4∶3∶3施用;磷肥作基肥一次施用;鉀肥按照基肥∶穗肥為1∶1施用。病蟲草害防治按當地大面積生產統一實施。

1.5 測定項目與方法

試驗地試驗期間氣象資料由湖北省荊州市氣象局提供，主要包括日平均氣溫、日照時數和降雨量等指標。計算周年和不同作物季的總輻射、有效積溫和降雨量。

于收獲前調查水稻有效穗，選取各小區生長均勻的3 m2植株測產，脫粒并曬干，風選清除雜質后，測定總重和含水量。油菜和小麥成熟后，各小區選取生長均勻的3 m2植株，脫粒并曬干，風選清除雜質后，測定總重和含水量。按照14%含水量折算水稻產量，按照13%含水量折算小麥產量。

水稻于各小區取有代表性的水稻植株6株，抽穗前分為莖、葉2部分，抽穗及抽穗后分為莖、葉、穗3部分;取代表性油菜植株3株，分莖枝、角殼和籽粒;取代表性小麥植株10株，分莖、葉和穗。105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干至恒重，測定干物質重，即可得各作物的地上部生物量。

于收獲前調查水稻有效穗，選取各小區生長均勻的3 m2植株測產，脫粒并曬干，風選清除雜質后，測定總重和含水量。油菜和小麥成熟后，各小區選取生長均勻的3 m2植株，脫粒并曬干，風選清除雜質后，測定總重和含水量。按照14%含水量折算水稻產量，按照13%含水量折算小麥產量。

1.6 指標計算

光能生產效率是生育期間平均單位熱量生產的單位面積籽粒重量[13]。積溫生產效率是指生育期間日均溫≥10 ℃有效積溫生產的單位面積籽粒重量[14]。水分生產效率是指生育期間籽粒重量與總耗水量比值，即平均每立方水生產的單位面積籽粒重量。油菜和小麥沒有灌溉，水稻進行間歇灌溉與曬田相結合[15]。

光能生產效率（g/MJ）=籽粒產量/單位面積的太陽輻射;

積溫生產效率（kg/（hm2·℃·d））=籽粒產量/生育期間有效積溫;

水分利用效率（kg/m3）=籽粒產量/總耗水量，其中用水量=降水量+灌溉量;

經濟效益=產值-成本，產值=產量×單價，其中水稻、小麥和油菜單價按當年當地當季的收購價計算。

1.7 數據處理與統計分析

采用Microsoft Excel 2010進行分析整理試驗數據;采用DPS軟件進行方差分析;采用LSD法進行顯著性水平檢驗（P<0.05）。試驗結果均以3次重復分析的平均值與標準誤來表示。采用Origin 2017軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式對水稻產量及產量形成的影響

從表1可以看出，不同種植模式對全年的時間利用不同。RW和RR模式的周年生育期最長，為331 d左右;RF模式的周年生育期最短，為136 d左右;RF、RW和RR模式第1季的生育期一致，第2季的生育期天數分別為0、190、195 d，因此主要是由于第2季生育期差異導致周年生育期差異較大，且RW和RR模式第2季的生長天數較為接近，故而RW和RR模式的周年生長時間較為接近。

由圖1可知，不同種植模式對作物產量的影響表現出作物季之間的差異性。對于第1季作物，RF、RW、RR模式2年的平均產量分別為10.94、11.32、11.27 t/hm2。對于1年的第2季作物，RW和RR之間無顯著性差異。與RW模式相比，RR模式減少了11.87%。由于RF模式第2季為冬閑，因此RF模式產量均顯著低于其他模式。從整個稻田不同種植模式系統周年來看，2017—2018年各個模式的大小順序表現為RW>RR>RF，與RW模式相比，RR、RF模式分別減少了2.67%、22.27%，RF模式產量顯著低于其他模式，RW模式產量最高，顯著高于RF模式，且RR與RW模式之間無顯著性差異。

由圖1可知，對于第1季作物，各個模式的大小順序表現為RF>RW>RR，其中RF、RW、RR模式2年的平均地上部生物量分別為19.55、20.18、19.67 t/hm2。對于第2季作物，各個模式地上部生物量的大小順序表現為RW>RR>RF，其中RW模式顯著高于RR模式，且RW和RR模式之間無顯著性差異。由于RF模式第2季為冬閑，地上部生物量為0，因此RF模式的地上部生物量顯著低于其他模式。從整個稻田不同種植模式系統周年來看，各個模式地上部生物量的大小順序表現為RW>RR>RF，與RW模式相比，RF、RR模式分別減少了44.51%和24.06%。RW模式地上部生物量最高，均顯著高于其他模式，而RF模式最低，均顯著低于其他模式。

2.2 不同種植模式對水稻經濟效益的影響

從表2可以看出，對于第1季作物，RF、RW和RR模式中中稻產值分別為29 243、29 728和29 659元/hm2，且總投入均為14 151元/hm2，對于第2季作物，以RR模式產值最高，為12 803元/hm2，其次是RW模式，RF模式第2季為空閑田，因此無產值。不同種植模式間周年經濟效益以RR模式最高，達18 051元/hm2，從單季來看，第1季以RW模式最高，第2季以RR模式最高，因此從效益來看，RR模式效益最大。

2.3 不同種植模式對水稻有效積溫分配的影響

從表3可以看出，各模式有效積溫在年際間波動較小，比較年有效積溫的分配和利用得出，3種不同種植模式之間存在差異。RW模式第1季有效積溫為2 264 ℃，占全年的71.63%;第2季有效積溫為675 ℃，占全年的21.35%，兩季間的比值為0.3，兩季之和為2 939 ℃，占全年有效積溫71.63%。RF和RR模式第1季有效積溫均為2 264 ℃，占全年有效積溫的71.63%，RR模式第2季有效積溫為633 ℃，占全年有效積溫的29.94%，RR模式兩季間的比值為0.3;RF和RR模式兩季有效積溫之和分別為2 264、2 898 ℃，分別占全年有效積溫的71.63%、93.88%，與RF模式相比，RW和RR模式分別增加了28.48%和26.65%。

2.4 不同種植模式對季節間輻射分配的影響

從表4可以看出，比較各模式輻射分配發現，RF和RR模式第1季內輻射量均為2 283 MJ/m2，占全年總輻射量的51.21%。RW模式第1季內輻射量為2 278 MJ/m2，占全年的54.21%，第2季輻射量為1 924 ℃，占全年的43.25%，兩季間的比值為0.8，兩季輻射量共4 202 MJ/m2，占全年輻射量的51.21%。RR模式第2季內輻射量為1 956 MJ/m2，占全年總輻射量的4397%，RW、RR模式之間輻射量差異不顯著，RR模式兩季間的比值分別為0.9，RF、RR模式兩季輻射量之和分別為2 278、4 234 MJ/m2，分別占全年輻射的43.25%、95.18%，與RF模式相比，RW、RR模式分別增加了84.09%、85.50%。

2.5 不同種植模式對水稻光能生產效率的影響

由表5可知，從單季作物來看，對于第一季作物，與RW模式相比，RF、RR模式光能生產效率分別減少了1.63%、0.23%。2018年，RF、RR模式的光能生產效率比RW模式顯著減少了5.24%、0.66%。對于第2季作物，RR和RW模式之間無顯著差異，由于RF模式第2季為冬閑，光能生產效率為0，因此顯著低于其他模式。不同種植模式對周年光能生產效率表現出年度之間差異。各模式周年光能生產效率的大小順序為RW>RR>RF，與RF模式相比，RW和RR模式的周年光能生產效率分別提高0.10和0.08 g/MJ，增幅分別為36.20%和31.55%。

2.6 不同處理對水稻積溫生產效率的影響

由表5可知，對于不同種植模式第1季，RR和RW模式積溫生產效率比RF模式分別提高0.07和0.09 kg/（hm2·℃·d），增幅分別為1.42% 和1.66%，對于不同種植模式第2季，與RF模式積溫生產效率相比，RR和RW模式分別為提高4.39、4.68 kg/（hm2·℃·d），由于RF模式第2季為冬閑，積溫生產效率為0，因此顯著低于其他模式。從不同種植模式周年積溫生產效率來看，與RW模式相比，RF、RR模式積溫生產效率分別減少了1.42、0.07 kg/（hm2·℃·d），降幅分別為27.73%、1.27%，RR和RW模式顯著高于RF模式，RF模式最低，顯著低于其他模式。

2.7 不同種植模式對水稻水分利用率的影響

由表6可知，除了降雨量外，未對油菜和小麥進行灌溉。從單季來看，對于第一季作物，不同種植模式2年水分利用率的大小順序均表現為RW>RR>RF。對于第2季作物，由于RF模式第2季為冬閑水分利用率為0 kg/m3，因此顯著低于其他模式。3種模式在周年水分利用率上表現為RW>RR>RF，有顯著差異。與RW模式相比，RF、RR模式的水分利用率分別減少了27.16%、2.41%。

3 討論

稻田輪作制度能夠增加作物產量，并且對各種產量構成要素具有十分重要的意義[16-19]，合理的輪作方式可使作物產量提高10%～15%[20]。中國南方稻區的玉米-晚稻模式較小麥-水稻模式增產10%以上。王飛等[21]研究表明，單季稻模式改為油菜-水稻、玉米-水稻、紫云英-水稻、蠶豆-水稻水旱輪作模式后，各模式水稻平均產量較水稻-冬閑模式提高 5.30% ～26.70%，水稻季中油菜-水稻和玉米-水稻輪作方式的增產效果最好，旱作期中以玉米-水稻輪作模式增產效果最高，以玉米-水稻輪作模式的產量最高。李清華[22]研究表明，與冬閑-水稻相比，水旱輪作模式的水稻產量提高了23.64%～55.49%。該研究結果表明，相比于RF模式，RR和RW模式的周年產量分別增加了25.22%、28.66%，其中RW模式的產量最高，是油菜產量的2倍左右，但油菜價格一般為小麥價格的2倍[23]。由于RF模式第2季為冬閑，因此導致RF模式的周年產量低于其他模式。

水稻分蘗數、千粒重、結實率等因素都會影響水稻產量[24-26]。王蘭等[27]研究表明各水旱復種輪作模式的晚稻產量、產量構成因素以及主要生育期群體地上部生物量均高于冬閑連作模式。該研究結果表明，水稻在移栽后30 d左右分蘗數達到最大，RR、RW和RF模式中的中稻分蘗數處于較高水平，直至穩定。水稻季中，RR、RW和RF模式的中稻產量最高，中稻生育期較長，且生育期間具有合適的光照及溫度，充分利用了7—8月份的光溫資源，增加了水稻的穗粒數和結實率，故而提高了中稻產量。水稻群體干物質積累是水稻產量形成的物質基礎，王勛等[28]研究表明水稻籽粒產量與水稻干物質積累關系密切，且后期干物質積累與水稻含量呈極顯著正相關。水稻后期干物質的積累隨有效穗數的增加而增加，即增加水稻群體的量可以提高后期干物質積累量[29]。

光溫資源是影響一個地區作物種植制度的重要影響因素，江漢平原地處南北過渡地帶，適宜南北多種作物生長，擁有充足的溫、光、水自然資源，為發展多熟農作制提供了優越的自然條件[30]。其中熱量條件是影響植物生長發育的最主要生態因子，也是取得高產的首要條件[31]，因此兩熟制季節間資源分配應以熱量資源為主，其次是輻射和降水量[32]。研究結果表明，RW和RR模式總輻射量高，且各模式間總積溫差異較小，這是由于RW和RR模式生育天數較其他模式長，且第2季≥10℃的活動積溫較低。RF模式全生育期天數明顯少于其他模式，其生育期內總積溫和總輻射量分別比其他模式減少610～723 ℃和1 013～1 952 g/MJ，這主要是由于RF模式第2季為冬閑，生育期較其他模式減少了77～196 d，故而降低了總積溫和總輻射量。前人研究結果表明，水旱復種輪作模式的冬季、晚季和周年的光能利用率和積溫利用率均高于冬閑連作模式[33]。該研究表明，與RF模式相比，RW、RR模式的周年光能生產效率和積溫生產效率分別提高36.20%、31.55%和27.86%、23.66%，這主要是由于RF模式第2季沒有種植作物，沒有充分利用當地的光溫資源，造成了光溫資源的浪費。

4 結論

3種種植模式中，稻油模式周年經濟效益最高，為18 051元/hm2，周年輻射分配也最高，為95.18%。稻麥模式周年積溫生產效率最高，為5.12 kg/（hm2·℃·d），周年產量也最高，為11.32 t/hm2。水稻-空閑模式由于第2季為冬閑，因此產量和溫光資源利用效率顯著低于其他模式。與其他模式相比，稻油模式經濟效益最高，環境風險更小。選育高抗高產品種是擴大油菜種植面積的關鍵。冬閑田嚴重浪費溫光資源，因此需進一步篩選環境友好的冬季作物。

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