稻—豆與稻—稻復種模式對作物產量和經濟效益的影響

葉天承，莊雪浩，陳惠哲，向鏡，張義凱，王亞梁，王志剛，孫凱旋，高義卓，張玉屏*

(1 中國水稻研究所/水稻生物學國家重點實驗室，浙江 杭州 311400； 2 富陽市富春街道辦事處，浙江 杭州 311400)

我國耕地資源稀缺，人口眾多，用7%的耕地養活了占世界23%的人口。 南方地區光溫資源豐富，提高耕地復種指數和單位面積糧食產量對保障我國糧食安全具有重要作用。 復種作為我國傳統耕作方式，可充分利用光溫資源，提高作物產量。 通過輪換種植不同作物，可改善土壤理化性質，提升農業可持續發展能力，加強風險應對能力[1]。 南方地區根據種植作物的不同，復種中常存在季節性的干濕交替，例如水稻—小麥、水稻—油菜等種植模式。 水田與旱地的轉換，可消除長期淹水對土壤結構的不良影響，促進作物生長發育，提高產量[2]。 豆類作物因其根瘤菌的固氮作用，可補充土壤氮素，修復重金屬污染[3]，在水旱交替過程中較其他作物更有優勢。已有研究證明，冬季種植豆類植株能有效提高土壤有機質含量與植株氮素利用率[4-6]，提高土壤微生物碳氮含量，加快土壤內氮的礦化釋放[7]，減少雜草生長[8]，最終促進下季水稻分蘗與有效穗形成，提高水稻產量[9]。 長期種植過程中，綠肥的參與還可促進植株根系微生物群落的形成，加快植物根系生長[10]。

目前南方地區雙季稻種植經濟效益不高，“雙改單”面積增大，使得復種指數不斷下降。 水稻是較耐連作的作物，但長期種植雙季稻也會引發連作障礙，導致作物產量、品質下降、生長發育受到限制[11]。 此外，隨著全球氣候波動的烈度與范圍不斷加大，氣象災害問題與作物茬口問題逐漸成為農業發展的阻礙。 通過多種作物復合種植，可減少氣象災害對農業生產的制約，在提高復種指數的同時，保證糧食產量，恢復土壤地力，提高農民經濟效益。 本研究以水稻、大豆為研究對象，探究豆類作物參與水稻復種后對水稻生長發育過程及最終產量構成的影響，旨在為南方稻田合理復種輪作模式選擇提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗于2022 年在富陽山度園林農場(30°3′21.37″N，120°2′30.7″E)進行。 富陽位于長江三角洲南側，屬亞熱帶季風性氣候區，年均降水量1 522.7 mm，年均溫17.2 ℃，年均日照1 667.7 h，2022 年無霜期277 d。 試驗地0～20 cm 土壤為黏性偏酸水稻土，試驗點土壤基本理化性質如表1 所示。

表1 試驗田土壤基礎數據Table 1 Basic soil data of the test field

表2 各處理作物種植收獲時間Table 2 Planting and harvest time of each treatment

1.2 試驗設計與肥水管理

試驗設3 個處理，分別為:對照(CK).早稻—晚稻模式；T1.早稻—秋大豆模式；T2.春大豆—晚稻模式。 每個處理設3 次重復，每個重復小區面積為670 m2。 供試品種早稻為中早39，晚稻為甬優1540，春大豆為浙農6 號，秋大豆為浙鮮85。 早稻每公頃施純氮150 kg，基肥、分蘗肥、穗肥按照5 ∶3 ∶2的比例，分別施復合肥375 kg(20 ∶8 ∶12)、尿素(46%)97.5 kg、復合肥150 kg(20 ∶8 ∶12)；晚稻每公頃施純氮225 kg，基肥、分蘗肥、穗肥按4 ∶3 ∶3的比例施用，分別施復合肥420 kg、尿素136.5 kg 及復合肥315 kg；大豆僅每公頃施750 kg 復合肥作基肥。 水稻季水分管理按照水稻高產栽培模式，大豆季水分管理保持土壤不出現明顯旱情，水稻和大豆種植期間根據病蟲草害發生情況進行綜合防治。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生育期記錄

供試品種中，中早39 全生育期105 d；甬優1540 在不同處理下生育期略有差異，CK 處理下全生育期133 d，T2 處理下晚稻全生育期147 d；春大豆全生育期102 d，秋大豆全生育期94 d。

1.3.2 水稻干物質積累

早稻在分蘗期、穗分化期、始花期、花后14 d 及成熟期取樣，晚稻在分蘗期、穗分化期、始花期、花后20 d 及成熟期取樣，每小區取代表性植株5 叢，每個處理3 次重復。 植株清洗去根后按照葉片、莖鞘、穗分開裝袋烘干(于烘箱內105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干72 h)至恒重，稱量記錄。

1.3.3 產量

水稻:于成熟期每個小區調查30 叢有效穗數，計算每叢平均有效穗數，以此為標準，在各小區取3叢具有代表性的植株，測定每穗穗長、穗數、穗質量、實粒質量、實粒數等，每個處理3 次重復。 每個小區選定50 叢進行產量測定，每個處理3 次重復，收割曬干后測定稻谷質量與含水量，計算總產量。

大豆:于成熟期每個小區調查相鄰2 行，10 m行長的面積，考察株數并計算每公頃株數，每個處理3 次重復。 在每個小區選定30 株采摘鮮莢進行產量測定，每個處理3 次重復。

1.3.4 經濟效益

種子、化肥、農藥等支出與土地承包費、人工費用等合并為種植成本；產量×國家最低收購價格為該作物的經濟效益；純收益(不含補貼)為經濟效益-種植成本。

1.4 數據處理

采用Excel 2021 和R 軟件對數據進行統計分析作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理水稻干物質量變化

由圖1 可看出，CK 與T1 處理的早稻從分蘗期到成熟期，在單株干物質量上基本無差異，是因為第一年試驗條件下早稻—晚稻、早稻—秋大豆種植模式中早稻種植方式及時間是相同的。 而晚稻單叢干物質量在早稻—晚稻及春大豆—晚稻種植中存在顯著性差異，這與春大豆收獲時間早，晚稻在適宜范圍內提早種植，且甬優1540 具有強感溫性弱感光性的特性，T2 處理在分蘗期后單叢干物質量上升迅速，與CK 產生極顯著差異，甬優1540 提前播種種植，充分利用充足的光熱資源為其干物質積累提供了良好的環境。 T2 處理中，花后20 d 穗干物質量為CK的223.83%，總干物質量為CK 的210.54%，在成熟期時則分別為153.56%與206.27%(表3)。 CK 在后期單叢穗干物質量上升程度有所增加，但兩個處理間仍存在極顯著差異。

圖1 早稻單株總干物質量對比Fig.1 Comparison of total dry matter weight per plant of early rice

表3 晚稻各時期單叢干物質量對比Table 3 Comparison of dry matter weight at different stages of late rice g

2.2 不同處理作物產量

由表4 可見，T1 與CK 處理的早稻產量差異不大，但CK 與T2 處理的晚稻產量出現顯著性差異，T2 處理較CK 產量提高了33.40%。 T1、T2 處理中大豆產量相差不大，春大豆產量比秋大豆產量高5.81%，未達到顯著性差異。 在總產量上，春大豆—晚稻模式(T2)處理最佳，兩季種植總產量達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 各處理產量對比Table 4 Comparison of yield between treatments kg·hm-2

進一步分析T2 處理晚稻產量高的原因，其有效穗數及每穗粒數為CK 的240.87%與155.41%，均產生顯著性差異。 T2 處理穗長則為CK 的1.03倍，結實率與千粒質量均低于CK(表5)。 結果表明，T2 處理下產量的提高主要是由于有效穗數和每穗粒數的增加所致，CK 處理有效穗數和穗粒數少，與晚稻種植較晚，甬優1540 的品種優勢難以發揮有關。

2.3 經濟效益比較

2022 年我國稻谷最低收購價格早稻2.48 元/kg、晚稻2.58 元/kg；春大豆收購價2.2 元/kg、秋大豆收購價3.0 元/kg。 結合富陽當地的種植補貼，早晚稻每公頃各6 450 元，大豆每公頃為3 000 元計算，分析了各種植模式的經濟效益與純效益(表6)。 不計算種植補貼時，T1 和T2 處理純收益與CK 差異顯著，分別高出480.2%與544.5%；計算種植補貼后，T1 、T2 處理的純收益比CK 分別高出51.0%和63.3%。 雖然各地區種植補貼存在一定的差異，但稻—豆復種帶來的經濟效益提升是顯著的，能為農戶帶來更高的經濟效益尤其是春大豆—晚稻的種植模式增產增收更加明顯。

表6 各處理經濟效益比較Table 6 Comparison of economic efficiency of different treatments 元·hm-2

3 討論

前人研究發現，復種不僅能增加作物產量，也能提高土壤肥力。 張順濤等[12]驗證油菜在長江流域多熟制區種植后可提升后茬作物產量，較常規麥—稻輪作模式增產4.6%～17.3%。 Zhao 等[13]發現輪作在我國可提高20%的平均產量，對于肥力較低的土壤效果更佳。 本研究中早稻—秋大豆與早稻—晚稻相比較，早稻的產量基本一致，而種植春大豆和種植早稻后種晚稻，兩種模式下晚稻的生物量及產量差異顯著，說明春大豆的種植不僅僅是為晚稻提供生育期優勢，還可從土壤營養、環境等為晚稻生長提供優越條件，這需從土壤養分的周年循環利用、植株養分的吸收等進行深入研究。

通過復種還可避災減災保證作物產量。 隨氣候變化不斷加劇，各種自然災害頻發。 2000—2009 年我國南方早稻孕穗至成熟期高溫脅迫頻率增加，單季稻和晚稻孕穗期受洪澇災害頻發，抽穗期后干旱頻次也明顯增多[14]。 本試驗中，豆類植株的參與不僅有利于土壤肥力的可持續性提升，其種植結構與時期上還可靈活調整，避免氣候風險，從而保證作物產量。

稻—豆種植模式可以疏松土壤、改善土壤結構和理化性狀。 豆科植株的根瘤菌可固定空氣中的氮，供給自身需要的同時，增加土壤含氮量，既有利于土壤養分的均衡吸收，又可減輕病蟲草害的發生，此外其植株殘體還可直接增加土壤有機質，最終提高產量。 本試驗結果表明，春大豆—晚稻輪作較雙季 稻 連 作， 晚 稻 可 增 產33.40%， 純 收 益 提 高63.3%，這主要是由于大豆生育期較短，種植成本相對水稻低。 本研究晚稻供試品種為甬優1540，具有弱感光性的特征，種植時間的提早使干物質積累量相對較高，充分發揮晚稻生長優勢，產量提升明顯。綜上所述，兩種稻—豆復種模式均可帶來作物產量提升與經濟效益提高，在光熱資源充足的南方地區值得推廣。

4 結論

在相同施肥量與大田管理下，稻—豆復種模式較常規雙季稻種植模式，能帶來作物產量的提升與經濟效益的提高。 春大豆的種植為后茬晚稻提供了更長生育期，帶來更高的有效穗數和每穗粒數，使得產量提高；經濟效益的提高得益于更低的種植成本、更高的作物產量及較高的市場售價。