黃晶,劉淑軍,張會民,王曉輝,高菊生*
1. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所//耕地培育技術(shù)國家工程實驗室,北京 100081;2. 中國農(nóng)業(yè)科學院衡陽紅壤實驗站//祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外試驗站,湖南 祁陽 426182;3. 耒陽市農(nóng)業(yè)局,湖南 耒陽 421800
水稻產(chǎn)量對雙季稻-不同冬綠肥輪作及環(huán)境的響應(yīng)
黃晶1,2,劉淑軍1,2,張會民1,2,王曉輝3,高菊生1,2*
1. 中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所//耕地培育技術(shù)國家工程實驗室,北京 100081;2. 中國農(nóng)業(yè)科學院衡陽紅壤實驗站//祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外試驗站,湖南 祁陽 426182;3. 耒陽市農(nóng)業(yè)局,湖南 耒陽 421800
雙季稻和冬季綠肥輪作體系是實現(xiàn)南方稻區(qū)水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。為探討水稻產(chǎn)量對雙季稻-不同冬季綠肥輪作及環(huán)境的響應(yīng)特征,以開始于1982年的雙季稻-不同冬季綠肥(稻-稻-紫云英,R-R-MV;稻-稻-油菜,R-R-RP;稻-稻-黑麥草,R-R-RG;稻-稻-冬閑,R-R-WF)的長期定位試驗為平臺,采用產(chǎn)量變異系數(shù)(CV)、產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)(SYI)及AMMI模型對影響雙季稻稻谷總產(chǎn)量穩(wěn)定性的雙季稻-不同冬季綠肥輪作、環(huán)境和二者互作進行分析,研究稻谷產(chǎn)量對長期雙季稻-不同冬季綠肥輪作的響應(yīng)特征。結(jié)果表明:雙季稻-不同綠肥輪作稻谷產(chǎn)量變異系數(shù)隨試驗時間延長逐漸降低,與其他綠肥輪作模式相比,稻-稻-紫云英輪作能夠減小產(chǎn)量變異系數(shù)。早稻和晚稻均以稻-稻-紫云英處理的SYI值最高,分別為0.58和0.59。雙季稻-不同綠肥輪作與年際間環(huán)境的互作(F×E)平方和占總平方和的2.3%,達到了顯著差異(P=0.012 5)。雙季稻-不同綠肥輪作方式和交互作用對水稻產(chǎn)量的影響相對較小,影響水稻產(chǎn)量變化的主要因素是年際氣候因子變化,稻-稻-紫云英輪作更能積極適應(yīng)氣候因子的變化。綜合以上分析結(jié)果,認為稻-稻-紫云英輪作是該區(qū)域雙季稻高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的理想輪作制度。
水稻產(chǎn)量;雙季稻-綠肥輪作;產(chǎn)量變異系數(shù);可持續(xù)性指數(shù);AMMI分析
HUANG Jing, LIU Shujun, ZHANG Huiming, WANG Xiaohui, GAO Jusheng. The Response of rice yields on long-term double cropping rice with different winter green manure rotation and environment [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2016, 25(8): 1271-1276.
南方是我國水稻生產(chǎn)的主產(chǎn)區(qū),耕作面積和總產(chǎn)量分別占全國水稻的81.6%和79.4%,主要分布在長江中下游、西南及華南地區(qū)(徐春春等,2013)。合理輪作是通過“以田養(yǎng)田”、“以地養(yǎng)地”,從而實現(xiàn)稻田可持續(xù)發(fā)展的一項重要措施。綠肥作為一種優(yōu)質(zhì)的有機肥,其帶來的生態(tài)環(huán)境效益日益受到人們的關(guān)注。南方稻田約有2×107hm2冬閑田可以用來發(fā)展冬季綠肥,實現(xiàn)稻-(稻)-綠肥三(兩)熟制輪作(曹衛(wèi)東等,2009)。以往研究表明,綠肥具有良好的改土培肥作用,綠肥還田不僅能夠改善土壤礦質(zhì)養(yǎng)分狀況,提高土壤有機質(zhì)含量,有利于后茬作物的生長,提高水稻產(chǎn)量,還可減少化肥投入,降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本(高菊生等,2013;萬水霞等,2015;Macrae et al.,1985;Gao et al.,2015)。綠肥納入水稻輪作體系是實現(xiàn)南方稻區(qū)水稻高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施,但水稻產(chǎn)量的變化受施肥、輪作和環(huán)境等多因素影響。目前,有關(guān)紅壤性水稻土長期不同施肥處理下水稻產(chǎn)量變化、產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)(sustainable yield index,SYI)變化特征以及采用AMMI模型(additive main effects and multiplicative interaction,AMMI)對影響雙季稻總產(chǎn)量穩(wěn)定性的施肥處理、環(huán)境和二者互作的響應(yīng)等已進行了研究,發(fā)現(xiàn)長期不同施肥處理下水稻產(chǎn)量對環(huán)境變化的響應(yīng)存在差異(黃晶等,2015)。王衛(wèi)等(2013)研究了稻田不同位置小氣候的差異對水稻產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)CO2含量差異是近邊界產(chǎn)量和生物量高于稻田中部的主要原因。但基于雙季稻綠肥輪作長期試驗的水稻產(chǎn)量年際間變化趨勢,在該地區(qū)雙季稻-不同綠肥輪作模式下,水稻產(chǎn)量對雙季稻-不同冬季綠肥輪作及環(huán)境的響應(yīng)關(guān)系的研究仍鮮見報道。本研究分析在雙季稻-冬種不同綠肥輪作體系中,水稻產(chǎn)量的變化趨勢、可持續(xù)性指數(shù)變化以及雙季稻和不同綠肥輪作與環(huán)境交互作用對水稻產(chǎn)量的影響,以期為紅壤丘陵區(qū)雙季稻綠肥輪作體系下水稻產(chǎn)量的穩(wěn)定性評價提供相關(guān)理論基礎(chǔ),同時為南方雙季稻區(qū)適宜的冬季綠肥篩選提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。
表1 主要氣象因子數(shù)據(jù)Table 1 The data of meteorological factors
1.1供試材料
于1982年開始進行雙季稻-冬季不同綠肥輪作長期定位試驗,地點設(shè)在湖南省祁陽縣官山坪村中國農(nóng)科院紅壤實驗站內(nèi)(E111°52?32?,N26°45?42?),主要氣象因子見表1。土壤為第四紀紅土母質(zhì)發(fā)育的紅黃泥,試驗開始時0~20 cm土壤基本理化性狀為:pH=6.6,有機質(zhì)20.1 g·kg-1,全氮0.9 g·kg-1,堿解氮219.7 mg·kg-1,全磷0.7 g·kg-1,有效磷18.0 mg·kg-1,速效鉀176.0 mg·kg-1。
1.2試驗方法
試驗設(shè)4個處理:(1)稻-稻-紫云英(R-R-MV),(2)稻-稻-油菜(R-R-RP),(3)稻-稻-黑麥草(R-R-RG),以上各處理重復(fù)3次;(4)稻-稻-冬閑(R-R-WF)處理增設(shè)于1990年。試驗冬作物于晚稻收割前10~15 d將種子撒于田間,紫云英、油菜和黑麥草播種量分別為37.5、7.5和15.0 kg·hm-2,綠肥生長過程均不施肥。綠肥在次年早稻移栽前15 d全部翻壓還田,每季稻草不還田(根茬除外)。每個小區(qū)面積37.5 m2(2.5 m×15.0 m),小區(qū)間用高60 cm水泥埂隔開。所有處理水稻施肥量相同,早、晚稻施肥量均為N 153 kg·hm-2,P2O584 kg·hm-2,K2O 129 kg·hm-2。分基肥和追肥2次撒施,基肥施用復(fù)合肥600 kg·hm-2(含N 14%、P2O514%、K2O 14%);追肥施純N 69 kg·hm-2,K2O 45 kg·hm-2,肥料類型為尿素(含N 46%)和氯化鉀(含K2O 60%)。基肥在水稻移栽前施入,追肥在移栽后6~10 d作為返青分蘗肥一次施入,試驗水稻品種為當?shù)爻S闷贩N,3~5 a更換1次。
1.3數(shù)據(jù)處理
采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理、穩(wěn)定性方差和相關(guān)變異系數(shù)計算以及繪圖;采用DPS V6.5統(tǒng)計軟件進行AMMI模型分析和方差分析,其中產(chǎn)量方差分析為單因素方差(One Way-ANOVA)分析,不同處理之間多重比較采用LSD方法。作物產(chǎn)量的可持續(xù)性程度用SYI表示(馬力等,2011):
式中,Y為平均產(chǎn)量;σn-1為標準差;Ymax為最高產(chǎn)量。
AMMI模型是主效可加互作可乘模型,其表達式為:
式中,yij是第i施肥處理在第j年氣候環(huán)境的平均值。加性參數(shù):μ為總體平均數(shù);αi為第i基因型與總平均數(shù)的離差;βj為第j年氣候環(huán)境與總平均數(shù)的離差。倍加性參數(shù):λs是第s個交互效應(yīng)主成分軸(IPCA)的奇異值;γis是第s軸的施肥處理特征向量值;δjs是第s軸的氣候環(huán)境特征向量值;ρij為提取ρ個IPCA軸后留下的殘差。穩(wěn)定性參數(shù)Di的計算公式:
式中,s為顯著的IPCA個數(shù);γis為第i施肥處理在第s個IPCA上的得分;ωs為權(quán)重系數(shù),它表示每個IPCA所解釋的平方和占全部IPCA所解釋的平方和的比例。Di為衡量施肥處理穩(wěn)定的定量指標(冀建華等,2012)。
2.1雙季稻不同綠肥輪作下稻谷產(chǎn)量及其變化
由表2可知,與冬閑相比較,冬種綠肥能夠顯著增加稻谷產(chǎn)量(P<0.05),早稻產(chǎn)量、晚稻產(chǎn)量和年產(chǎn)量分別增加13.7%~24.0%、20.9%~30.0%和14.9%~24.2%。3種不同綠肥輪作下,以稻-稻-紫云英的平均產(chǎn)量最高,早稻產(chǎn)量、晚稻產(chǎn)量和年產(chǎn)量分別比其他2種綠肥輪作高出6.1%~9.1%、5.8%~7.5%和5.8%~8.1%,差異均達到顯著水平(P<0.05);稻-稻-黑麥草和稻-稻油菜之間的稻谷產(chǎn)量沒有顯著差異,稻-稻-油菜輪作的稻谷年均產(chǎn)量比稻-稻-黑麥草高2.1%。
對長期不同綠肥輪作的稻谷產(chǎn)量變異情況進行分析(表2),結(jié)果表明各處理的稻谷產(chǎn)量變異系數(shù)隨著試驗時間的延長呈先增加后下降的趨勢。不同綠肥輪作處理和冬閑處理相比較,稻谷產(chǎn)量變異系數(shù)下降了4.0%~17.2%(1982—2012)。不同綠肥輪作下產(chǎn)量變異系數(shù)在不同年限間的變化趨勢一致,均以稻-稻-紫云英最小,稻-稻-黑麥草最大。
表2 不同處理稻谷產(chǎn)量變化和變異系數(shù)Table 2 Rice yield change and yield coefficient of variation of different treatment
圖1 不同綠肥輪作處理的SYI值Fig. 1 SYI value of the different fertilization treatments
2.2不同綠肥輪作下稻谷產(chǎn)量可持續(xù)性
長期不同綠肥輪作表現(xiàn)出的產(chǎn)量可持續(xù)指數(shù)(SYI)存在差異(圖1),早稻季,各處理SYI值的大小順序為稻-稻-紫云英>稻-稻-油菜>稻-稻-黑麥草>稻-稻-冬閑,不同處理SYI值在0.55~0.58之間波動;晚稻季,各處理SYI值的大小順序為稻-稻-紫云英>稻-稻-油菜>稻-稻-冬閑>稻-稻-黑麥草,不同處理晚稻SYI波動范圍大于早稻,在0.53~0.59之間。早稻季和晚稻季均以稻-稻-紫云英處理的SYI值大,且其稻谷產(chǎn)量也最高。綜合考慮,該處理為最佳綠肥輪作模式。
對不同綠肥輪作下稻谷產(chǎn)量可持續(xù)性指數(shù)與土壤養(yǎng)分含量(pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷、速效鉀)的關(guān)系采用相關(guān)系數(shù)進行研究(表3)。分析表明,除了早稻SYI值與土壤全磷和速效鉀含量呈顯著負相關(guān)之外,早稻和晚稻SYI與其他土壤養(yǎng)分指標相關(guān)性均較差。
2.3稻谷產(chǎn)量對不同綠肥輪作和環(huán)境的響應(yīng)
長期不同綠肥輪作模式導(dǎo)致土壤肥力水平產(chǎn)生了差異(高菊生等,2013),而不同綠肥輪作方式在同一年所面臨的氣候、品種、灌溉水質(zhì)和大氣沉降等條件卻是相同的。因此,本文將不同綠肥輪作與其相對應(yīng)的土壤肥力條件作為一個維度,即“綠肥輪作”;每年的氣候、品種和其它環(huán)境條件作為一個維度,即“環(huán)境”。對30年定位不同綠肥輪作下的雙季稻總產(chǎn)量進行聯(lián)合方差及AMMI分析,結(jié)果表明(表4),綠肥輪作、年際間環(huán)境和綠肥輪作與環(huán)境互作(F×E)的平方和分別占方差分析總平方和的2.7%、95.0%和2.3%,三者均達到了顯著差異(P=0.0125)。繼續(xù)利用AMMI模型對雙季稻總產(chǎn)量進行穩(wěn)定性分析,盡管年際間環(huán)境的變異占了絕大部分,交互作用所占的比例相對較小,但對交互作用的主成分分析結(jié)果表明,IPCA1達到了極顯著水平(P=0.0001)。
以上述第一主成分交互作用(IPCA1)與產(chǎn)量為控制變量繪制了雙標圖(圖2),圖2中a、b和c分別代表稻-稻-黑麥草、稻-稻-油菜和稻-稻-紫云英3種綠肥輪作方式,1、2、3….30分別代表1982、1983、1984…2012年的環(huán)境。綠肥輪作方式與環(huán)境在同側(cè),表示該輪作處理在該環(huán)境中的交互作用為正,相反即表示交互作用為負。以IPCA1=0作水平線,可見,產(chǎn)量較高的稻-稻-紫云英輪作和產(chǎn)量較低的稻-稻-黑麥草、稻-稻-油菜輪作分別位于水平線兩側(cè)。稻-稻-紫云英輪作方式與1997—2011年之間的環(huán)境互作為正,與其它年份的環(huán)境互作為負,即表示1997—2011年之間的環(huán)境對雙季稻總產(chǎn)量的提高有積極作用;反之,稻-稻-黑麥草和稻-稻-油菜與1997—2011年之間的環(huán)境互作為負,與其它年份的環(huán)境互作為正,表示1997—2011年間的環(huán)境對雙季稻產(chǎn)量的提高有削弱作用。
表3 早稻和晚稻SYI與土壤養(yǎng)分的相關(guān)性Table 3 Relationship between SYI of early rice and late rice and soil nutrient
表4 長期不同綠肥輪作下稻谷產(chǎn)量的方差分析、線性回歸模型和AMMI模型分析Table 4 ANOVA, linear regression and AMMI model analysis of the rice yields under different green manure rotation
本研究表明,與冬閑處理相比較,冬種綠肥處理能夠顯著增加稻谷產(chǎn)量。冬種綠肥還田后,有利于土壤養(yǎng)分的循環(huán)與轉(zhuǎn)化,提高土壤肥力,改善水稻生長環(huán)境和提高作物的養(yǎng)分吸收(周衛(wèi)軍等,2002;張立進等,2014),進而提高稻谷產(chǎn)量。綠肥紫云英屬豆科植物,能夠利用根瘤菌共生固氮,相比其他冬季綠肥或冬閑,紫云英翻壓還田后可增加土壤養(yǎng)分循環(huán)中的氮,而氮素是水稻增產(chǎn)的主要因素之一,其增產(chǎn)貢獻率約為18%(黃晶等,2015),故稻-稻-紫云英輪作模式下的稻谷產(chǎn)量高于其他綠肥輪作或冬閑模式。各處理的稻谷產(chǎn)量變異系數(shù)隨著施肥時間的延長呈下降趨勢。長期試驗中作物產(chǎn)量的降低受到土壤類型、土壤肥力、氣候及植物病蟲害等諸多因素的影響(Manna et al.,2005),也有研究認為可能是由于氣候變化導(dǎo)致作物光合作用、呼吸作用增加,營養(yǎng)和灌漿期縮短可能會導(dǎo)致產(chǎn)量下降(金之慶,1996)。作物產(chǎn)量穩(wěn)定性是表征一種作物種植體系優(yōu)劣的重要指標(Zoltán et al.,2000)。本研究中冬種綠肥還田后水稻SYI值大于冬閑處理,冬種綠肥處理以稻-稻-紫云英處理的SYI值最大,這可能與各不同處理土壤活性有機質(zhì)的差異有關(guān)。相關(guān)研究表明,作物穩(wěn)定性系數(shù)SYI和土壤活性有機碳含量有顯著相關(guān)性(Manna et al.,2007),同時已有研究表明冬種紫云英還田后土壤活性有機質(zhì)顯著高于其它處理(高菊生等,2011)。
對于長期定位觀測水稻產(chǎn)量數(shù)據(jù)而言,造成不同處理產(chǎn)量變化的主要原因是氣候因子、土壤環(huán)境條件和耕作管理措施等因素的變化及其交互作用。交互作用的大小是決定產(chǎn)量穩(wěn)定的主要因素。本研究中方差分析、線性回歸分析和AMMI分析的結(jié)果表明,影響水稻產(chǎn)量變化的主要因素是環(huán)境,即年際氣候因子變化,而不同綠肥輪作方式和交互作用對水稻產(chǎn)量的影響相對較小。因不同綠肥輪作方式下,水稻施肥量相同,不同處理之間土壤速效養(yǎng)分含量差異較小,相關(guān)研究表明,不同耕作模式下土壤養(yǎng)分供給能力不是影響作物產(chǎn)量的主要因素(李朝蘇等,2012)。表3的結(jié)果也進一步證明了產(chǎn)量可持續(xù)性與土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性較差。產(chǎn)量較高的稻-稻-紫云英處理和產(chǎn)量較低的稻-稻-黑麥草、稻-稻-油菜2個處理與環(huán)境互作的響應(yīng)正好相反。從試驗地歷年的氣象因子來看(表1),1997—2011年的年均降雨量和1982—1996年間的年均降雨量相差不大,但1997—2011年的年均氣溫和年均日照時數(shù)較1982—1996年間分別增加了0.6 ℃和115.8 h。氣候變化將顯著影響南方稻區(qū)水稻生產(chǎn),但其影響具有很強的地域性和復(fù)雜性(葛道闊等,2002)。就稻-稻-紫云英處理而言,隨著氣溫升高、日照時間增長,環(huán)境對稻谷產(chǎn)量的影響表現(xiàn)出積極的作用。20世紀80年代以來,受全球氣候變暖的影響,長江中下游稻區(qū)水稻生長季已出現(xiàn)持續(xù)增溫現(xiàn)象。預(yù)計未來幾十年,隨著氣候迅速增暖以及氣候變率的增大,長江中下游地區(qū)特別是湖北和湖南將成為我國南方稻區(qū)中增溫最顯著的區(qū)域之一(葛道闊等,2009)。因此,從水稻生產(chǎn)的可持續(xù)性考慮,稻-稻-紫云英相比稻-稻-黑麥草、稻-稻-油菜和稻-稻-冬閑輪作,能夠更好地適應(yīng)未來氣候變化。
圖2 AMMI1雙標圖Fig. 2 Biplot of AMMI1 between yields and IPCA1
本文通過對長期不同綠肥輪作后水稻產(chǎn)量年際變化采用多種方法分析,發(fā)現(xiàn)各處理產(chǎn)量變異系數(shù)隨著施肥時間的延長呈下降趨勢,影響水稻產(chǎn)量變化的主要因素是年際氣候因子變化,而不同綠肥輪作方式和交互作用對水稻產(chǎn)量的影響相對較小。不同綠肥輪作處理中,稻-稻-紫云英輪作能夠明顯提高稻谷產(chǎn)量和SYI值,同時更能積極適應(yīng)氣候因子變化。綜合產(chǎn)量變異系數(shù)、SYI及采用AMMI評價產(chǎn)量穩(wěn)定性等結(jié)果分析,認為稻-稻-紫云英輪作可作為該區(qū)域雙季稻高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的理想輪作制度。
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The Response of Rice Yields on Long-term Double Cropping Rice with Different Winter Green Manure Rotation and Environment
HUANG Jing1,2, LIU Shujun1,2, ZHANG Huiming1,2, WANG Xiaohui3, GAO Jusheng1,2*
1. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences//National engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China;2. Red Soil Experimental Station of CAAS in Hengyang//National Observation and Research Station of Farmland Ecosystem in Qiyang, Qiyang 426182, China;3. Agricultural Bureau of Leiyang City, Leiyang 421800, China
Double rice cropping and winter green manure rotation system are the important strategies for high yield stability and sustainability at rice area in Southern China. In order to investigate the response characteristics of the rice yield to double rice cropping with different winter green manure rotation and environmental, a long-term double cropping rice with different winter green manure rotation experiment has been going on since 1982 in the Red Soil Experimental Station of CAAS. Four field treatments were examined: rice-rice-milk vetch (R-R-MV), rice-rice-rape (R-R-RP), rice-rice-ryegrass (R-R-RG) and rice-rice-winter fallow(R-R-WF). Yield coefficient of variation (CV), sustainable yield index (SYI) and additive main effects and multiplicative interaction(AMMI) model were used to analyse the interactions of double rice cropping with different winter green manure rotation and environment which can effect the stability of rice yield. Result showed that yield CV in different treatments decreased with experimental years. R-R-MV rotation could decrease yield CV but not other rotations. The highest SYI value was found in R-R-MV rotation, which was 0.58 for early rice and 0.59 for late rice, respectively. The sum of squares of interactions of double rice with different winter green manure rotation treatments and environment (F×E) was 2.3% of total sum of squares (P<0.05), which indicated that the combined effects of double cropping rice with different green manure rotation and environment on rice yield was relatively small, and the main factors affecting the variation of the rice yield was interannual climate changes. It was assumed that R-R-MV rotation could adapt to climate change better than other rotation treatments. Thus, the suitable rotation system of the double cropping rice regional to sustain the high rice yield and yield stablility could be rice-rice-milk vetch rotation.
rice yield; double cropping rice with green manure rotation; yield CV; SYI; AMMI analysis
10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.003
S158.3
A
1674-5906(2016)08-1271-06
國家重點研發(fā)計劃“糧食豐產(chǎn)增效科技創(chuàng)新”重點專項(2016YFD0300903;2016YFD0300901);國家科技支撐計劃項目(2012BAD05B05)
黃晶(1983年生),男,助理研究員,博士研究生,主要從事施肥與土壤肥力演變的研究。E-mail: huangjing@caas.cn
?。高菊生,E-mail: gjusheng@163.com
2016-04-12
引用格式:黃晶, 劉淑軍, 張會民, 王曉輝, 高菊生. 水稻產(chǎn)量對雙季稻-不同冬綠肥輪作及環(huán)境的響應(yīng)[J]. 生態(tài)環(huán)境學報,2016, 25(8): 1271-1276.