經(jīng)濟作物替代薯稻三熟制早稻對肥料利用、土壤養(yǎng)分和經(jīng)濟效益的影響

李小波 索海翠 賴玉嫦 羅煥明 鄧勇兵 安 康 李成晨 劉曉津

(1廣東省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所/廣東省農(nóng)作物遺傳改良重點實驗室，廣東 廣州 510640；2惠東縣農(nóng)業(yè)科學研究所，廣東 惠州 516300)

“薯-稻-稻”三熟輪作制可以實現(xiàn)水旱輪作，具有改善土壤理化性狀，調節(jié)土壤肥力，減少病蟲害，提高系統(tǒng)生產(chǎn)力的優(yōu)點[1-4]。廣東省地處歐亞大陸南端，光熱水資源豐富，是我國雙季稻的主產(chǎn)區(qū)，水稻種植面積超過190 萬hm2[5]?！笆?稻-稻”三熟輪作制是廣東等華南省份最傳統(tǒng)的輪作制度之一，通常4-7月種植早稻，8-11月種植晚稻，11月至翌年3月種植冬種馬鈴薯。冬種馬鈴薯因早春反季節(jié)上市，具有較好的價格優(yōu)勢，效益顯著，對主產(chǎn)區(qū)農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)村繁榮起到了重要作用[6]。然而，“薯-稻-稻”種植模式也存在一些問題，首先，隨著雙季水稻生產(chǎn)成本的快速增長和農(nóng)村勞動力的大量轉移，廣東水稻生產(chǎn)效益不斷下滑甚至虧損，影響了稻農(nóng)的生產(chǎn)積極性，水稻種植面積逐年減少[7-8]。其次，受全球氣候變化的影響，廣東雙季稻晚熟＋晚熟區(qū)面積明顯擴大[9]，時常造成“薯-稻-稻”輪作茬口銜接不暢，導致冬種馬鈴薯鮮薯上市偏晚，國內外尤其是東南亞部分國家提早上市的馬鈴薯對廣漠省鮮薯出口形成較大的替代效應，沖擊了馬鈴薯銷售市場[10]。

改變傳統(tǒng)種植模式，優(yōu)化種植結構對提高三季作物綜合經(jīng)濟效益具有重要意義。關于作物輪作制度國內外報道較多，如“甜玉米-豆角-水稻”輪作[11]、“水稻-水稻-小麥”輪作[12]、“玉米-小麥”輪作[13]、“番茄-芹菜-黃瓜-大白菜”輪作[14]、“水稻-玉米”輪作[15]、“水稻-水稻-油菜”輪作[16]等，但這些研究主要集中在土壤微生物種群變化、肥料利用率、作物生長、土壤酶活等方面，鮮見不同輪作模式下作物的效益分析。同時，對“經(jīng)濟作物-中晚稻-冬種馬鈴薯”三熟輪作模式及其對作物效益、肥料效率和土壤酶活的綜合研究報道也鮮見。

福建省龍海市實行的“稻-稻-麥”種植模式，由于經(jīng)濟效益低限制了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，改用新的種植模式“稻-稻-薯”后，糧食產(chǎn)量增加了15%，種植效益增加了196%[12]，并縮短了生育期。粵東沿海地區(qū)是否也可以調整早稻為種植效益高、生育期短的經(jīng)濟作物，進而將晚稻調整為中晚稻，最終實現(xiàn)冬種馬鈴薯早播、早收，增加反季節(jié)優(yōu)勢，提升種植效益有待進一步驗證。為此，根據(jù)廣東省氣候特征和市場特點，開展了傳統(tǒng)的“薯-稻-稻”三熟種植模式優(yōu)化，研究不同經(jīng)濟作物在早春播種的生育期、產(chǎn)量、肥料效率和種植經(jīng)濟效益，旨在探明廣東早春高效經(jīng)濟作物種類，為指導廣東省乃至華南“薯-稻-稻”三熟區(qū)春播作物種類選擇和高效、合理農(nóng)作制的構建提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

供試作物種類和品種名稱為黃瓜(粵秀三號)、豆角(雙青玉豆、豐產(chǎn)6 號)、甜玉米(粵甜28 號)和早稻(豐優(yōu)絲苗)，其中，黃瓜、豆角種子購自廣東科農(nóng)蔬菜種業(yè)有限公司；甜玉米種子購自廣東金作農(nóng)業(yè)科技有限公司；早稻種子購自廣東省金稻種業(yè)有限公司。

試驗分別在惠州市惠東縣(簡稱“惠東試點”，2016年)和廣州市白云區(qū)(簡稱“白云試點”，2017年)開展。試驗點的土壤類型均為砂壤土，肥力中等，地面平整，前茬作物為冬種馬鈴薯，排灌方便。其中，惠東試點位于22°55′51.23″N，114°44′58.46″E，海拔32 m；試驗地土壤pH 值5.96，含有機質18.3 g·kg-1、堿解氮75.3 mg·kg-1、有效磷178.0 mg·kg-1、速效鉀259.0 mg·kg-1。白云試點位于113°26′13.89″E，23°23′13.37″N，海拔29 m；試驗地土壤pH 值6.40，含有機質12.5 g·kg-1、堿解氮85.0 mg·kg-1、有效磷77.9 mg·kg-1、速效鉀247.5 mg·kg-1?；輺|試點生育期內平均溫度為25.68℃，最高氣溫為28.75℃，最低氣溫為22.61℃；白云試點生育期內平均氣溫為26.86℃，最高氣溫為28.75℃，最低氣溫為22.61℃；惠東試點生育期內累計降雨量873 mm，白云試點生育期內累計降雨量1 089 mm。

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗設置 試驗采用隨機區(qū)組設計，共設置5個處理，種植不同作物:黃瓜(T1)、豆角(T2)、甜玉米(T3)、早稻(TCK)和休耕(T0，不種任何作物)，3 次重復。2016年惠東試點的小區(qū)面積為32.4 m2；2017年白云試點的小區(qū)面積為20.8 m2。2 個試點的黃瓜、甜玉米和豆角均采用單畦雙行種植，黃瓜種植密度為55 500 株·hm-2，穴距為0.3 m，行距為0.6 m；甜玉米種植密度為47 550 株·hm-2，株距為0.35 m，行距為0.6 m；豆角種植密度為55 500 穴·hm-2，穴距為0.3 m，行距為0.6 m，每穴雙粒播種；早稻插秧密度為270 000 穴·hm-2，株距為0.18 m，行距為0.2 m。

1.2.2 試驗栽培管理 整地與播種:2 個試點均采取單畦雙行種植，畦面開中溝施肥，覆土后兩側開播種溝進行播種(定植)。惠東試點黃瓜和豆角于2016年3月31日播種，甜玉米于3月19日播種，水稻于4月8日插秧。白云試點黃瓜、豆角和甜玉米采用育苗移栽的方式，定植期均為2017年4月12日，水稻于4月9日插秧。

施肥用量:惠東試點基肥為腐熟雞糞3 000 kg·hm-2，復合肥(N-P-K:16-8-21)1 500 kg·hm-2；白云試點基肥為腐熟雞糞3 000 kg·hm-2、復合肥(NP-K:12-11-18)1 500 kg·hm-2、尿素150 kg·hm-2。2個試點基肥用量統(tǒng)一為雞糞3 000 kg·hm-2和復合肥450 kg·hm-2，剩余復合肥分3 次追施(表1)。

培土:惠東試點，T1和T2于2016年4月30日進行一次培土，T3于2016年4月28日進行一次培土；白云試點，T1和T2于2017年4月19日進行一次培土，T3于2017年4月24日進行一次培土。

收獲:惠東試點，T1和T2分別采收12 次(平均2～3 d 采收一次)和10 次(平均3 d 左右采收一次)，T3一次采收，T4一次性收獲；白云試點，T1和T2分別采收12 次和13 次，T3分兩次采收，T4一次性收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 物候期 對不同作物的播種日期、出苗日期、定植或插秧日期、開始收獲時間和結束收獲時間進行記錄，并計算生育期。

1.3.2 產(chǎn)量 依據(jù)不同作物成熟收獲時測定黃瓜、豆角、甜玉米產(chǎn)量，水稻產(chǎn)量測定參考黃旭等[17]的方法。

1.3.3 生物量 測定作物產(chǎn)量的同時，收取不同作物植株地上部和根部，帶回實驗室于105℃殺青30 min，然后75℃烘干至恒重，稱重并記錄數(shù)據(jù)。

1.3.4 土壤樣品采集 收獲作物產(chǎn)量的同時，采集各種經(jīng)濟作物0～20 cm 的土壤，用于測定土壤中各種營養(yǎng)元素的含量、土壤脲酶、過氧化氫酶及磷酸酶活性。

1.3.5 植物和土壤養(yǎng)分 植株與籽粒的全氮含量采用濃H2SO4-H2O2消煮法測定[18]；土壤pH 值(電位法)、堿解氮(alkali-hydrolyzale nitrogen，AN)含量(擴散法)、有效磷(available phosphorus，AP)含量(Olsen法)、速效鉀(rapidly available potassium，RAP)含量(乙酸銨浸提法)的測定參考李酉開[18]和胡娟等[19]的方法。

表1 惠東和白云2 個試點不同作物追肥時間和追肥量Table1 Topdressing times and amount of different crops in Huidong and Baiyun site

1.3.6 土壤酶活性 土壤過氧化氫酶、脲酶、酸性磷酸酶活性的測定參考解開治等[20]的方法。

1.3.7 銷售價格 根據(jù)各種經(jīng)濟作物當年上市的銷售價格計算小區(qū)產(chǎn)值和小區(qū)效益。

1.3.8 氮吸收量和氮肥效率 根據(jù)公式計算各指標參數(shù)[18，21-24]:

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2010 和SPSS 19.0進行處理與分析，采用LSD 法在0.05 水平進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同春播作物產(chǎn)量與經(jīng)濟效益

由表2可知，2 個試點T3的小區(qū)效益和單位面積種植效益均最高，與TCK相比，單位面積種植效益增加了1.32 ～3.72 元·m-2，惠東試點T3的小區(qū)效益和單位面積種植效益均顯著高于T1、T2和TCK；白云試點T3的小區(qū)效益和單位面積種植效益均與T1無顯著差異，但顯著高于T2和TCK?；輺|試點T2的單位面積種植效益出現(xiàn)負值，這可能是由于在苗期雨水較多，營養(yǎng)生長過旺影響了產(chǎn)量和效益。

2.2 不同春播作物生育期

由表3可知，在惠東和白云試點，TCK的生育期均最長，分別為119 和122 d，顯著超過T1、T2和T3；惠東試點T1的生育期為75 d，T2的生育期最短，為63 d，T3的生育期為82 d，T1的采收期為31 d，T2的采收期為15 d，T3和TCK為成熟后一次性采收；白云試點T1的生育期最短為65 d，T2的生育期為83 d，T3的生育期為79 d；T1、T2、T3的采收期分別為24、32、3 d。綜合分析2 個試點的生育期發(fā)現(xiàn)，與TCK相比，T1、T2和T3至少可以使生育期縮短37 d，最長可以縮短57 d。

表2 惠東和白云2 個試點不同春播作物的產(chǎn)量和種植效益Table2 Yield and planting benefits of different spring-sowing crops in Huidong and Baiyun site

表3 惠東和白云2 個試點不同春播作物的生育期Table3 Growth periods of different spring-sowing crops in Huidong and Baiyun site

2.3 不同春播作物氮肥利用效率

由表4可知，惠東試點T2的總吸氮量最高，為175.74 kg·hm-2，其次是T3，T1最低。同樣，白云試點T2的總吸氮量也最高，為253.65 kg·hm-2，其次是T3，TCK最低。惠東和白云2 個試點T1的NPFP 最高，分別為228.38 和247.84 kg·kg-1，均顯著高于其他處理，且不同春季作物產(chǎn)量和NPFP 成正相關，T1的產(chǎn)量最高，其NPFP 也最高。與TCK相比，白云試點T3的NPFP 顯著增加了41.40%；2 個試點TCK的NUPE 分別為0.98 和0.99 kg·kg-1，均顯著高于其他處理，T1最低，分別為0.29 和0.44 kg·kg-1，顯著低于其他處理；2個試點T3的NHI 最高，分別為66.01%和65.36%，顯著高于其他處理，較TCK分別顯著增加了10.37 和10.95 個百分點，T1最低，分別為30.05%和25.46%，均顯著低于其他處理。

表4 惠東和白云2 個試點不同春播作物的氮肥利用效率Table4 N fertilizer efficiency of different spring-sowing crops in Huidong and Baiyun site

2.4 不同春播作物收獲后土壤的養(yǎng)分含量與酶活性

由表5可知，2 個試點種植不同作物對土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性的影響均較大，與種植前的土壤養(yǎng)分相比較，T1、T2、T3、TCK和T0的RAP 含量均降低，且T2、T3、TCK的pH 值也均降低。在惠東試點，與種植前土壤相比，T1、T2、T3、TCK和T0的AN 含量均增加(除TCK)，AP 含量和RAP 含量均降低。而白云試點與之相反，T1、T2、T3、TCK和T0的AN 含量均降低，AP 含量均增加。分析2 個試點的土壤酶活性發(fā)現(xiàn)，與種植前土壤相比，T1、T2、T3、TCK和T0的土壤脲酶、過氧化氫酶及磷酸酶活性均提高，其中，白云試點T3的脲酶上升最多。

3 討論

充分發(fā)揮可利用的三熟制的潛力是提高土地生產(chǎn)力和促進糧食安全最有效的方法之一[25]。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，廣東傳統(tǒng)的“稻-稻-薯”種植模式[26]已限制了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的產(chǎn)出和經(jīng)濟效益，因此，改變傳統(tǒng)種植模式，優(yōu)化種植結構尤為重要。本研究將廣東省傳統(tǒng)的“薯-稻-稻”模式中的早稻改變?yōu)辄S瓜[27-28](T1)、豆角(T2)、甜玉米[29](T3)，并進行了效益分析，除惠東試點T2由于天氣原因影響產(chǎn)量外，其他作物在2 個試點均較早稻(TCK)顯著增加種植效益，尤其是甜玉米(T3)在惠東和白云試點的單位面積種植效益分別較早稻(TCK)顯著增加了3.72 和1.32 元·m-2；表明改用經(jīng)濟作物替代早稻提高了種植效益，這與Zhou 等[14]和Gaba 等[30]報道的在多熟種植制度之中，作物多樣性的安排和管理可以提高產(chǎn)量和作物生產(chǎn)力的結論是一致的。此外，作物生育期長短不僅限制了三熟制“稻-稻-薯”種植模式的茬口銜接，而且制約了農(nóng)產(chǎn)品的上市時間，直接影響其價格和銷量[31]。龍海市將“稻-稻-麥”種植模式改變?yōu)椤暗?稻-薯”后，縮短了生育期，在種植時間上得到了更好的茬口銜接，每畝地的產(chǎn)值由原來的372 元(小麥)增加至2 406 元(馬鈴薯)，提高了經(jīng)濟效益[32]。本研究表明，與TCK相比，2個試點的T1、T2和T3至少可以使生育期縮短37 d，最長可以縮短57 d，其中，甜玉米(T3)與早稻(TCK)相比可縮短生育期37～43 d。替代早稻的經(jīng)濟作物由于生育期較短，可以使晚稻提前定植而成為中晚稻，進而提前冬種馬鈴薯的播種時間，保障冬種馬鈴薯提早收獲和上市。

有效的氮肥管理對實現(xiàn)經(jīng)濟產(chǎn)量和提高氮肥利用率至關重要[33-35]。NUPE、NPFP 和NHI 是常用來評價肥料效應的指標[36-37]。影響作物氮素吸收利用效率的因素較多，包括作物種類、其他養(yǎng)分的可獲得性、養(yǎng)分淋失、天氣和基因型差異等[38-39]。本研究表明，黃瓜、豆角、甜玉米和水稻由于作物種類不同其NUPE差異較大，其中，水稻的NUPE 最高，顯著高于其他幾種作物。此外，前人研究表明，長期的“水稻-水稻-油菜”輪作提高了水稻對氮的吸收和同化[16]。本研究采用“經(jīng)濟作物-中晚稻-冬種馬鈴薯”輪作模式，獲得的結果與上述報道基本一致。NPFP 反映了單位氮素形成作物籽粒(果實)的產(chǎn)量[40-41]。由于試驗中未設置無肥區(qū)，因此選擇NPFP 作為本研究評價肥料效應的指標，這也是國際農(nóng)學界通用的表征氮肥效應的指標之一。NPFP 受施氮量和作物產(chǎn)量的共同影響，一般情況下，氮肥施用量較高通常其NPFP 相對較低，作物產(chǎn)量較高通常其NPFP 相對較高[41]。本研究結果表明，惠東和白云試點黃瓜的產(chǎn)量均最高，因此其NPEP最高，這與有關報道[36]較為一致。

土壤化學組分對植物的健康生長有較大影響[42-43]，土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶等土壤酶活是土壤肥力動態(tài)的有益指標[44]，其酶活高低影響了土壤有機態(tài)養(yǎng)分轉化為植物可吸收和利用養(yǎng)分的能力[31，37]。脲酶可分解土壤中的尿素，對氮肥的轉化和氮素的生物有效性具有重要影響；過氧化氫酶可以調節(jié)土壤中水分與氧氣的含量，從而影響土壤的理化性狀和供肥能力[45-46]；磷酸酶活性關系到土壤有機態(tài)磷素的轉化及利用，同時也影響土壤微生物的活動[47]。本研究發(fā)現(xiàn)，與種植水稻(TCK)相比，種植不同經(jīng)濟作物尤其是玉米后，土壤的脲酶(白云試點)、過氧化氫酶活性顯著增加，這與前人的報道較為一致[13，20，48-49]。其原因可能是水稻通常生長在缺氧條件下的濕地，而玉米等旱地作物生長在氧充足的旱地，致使厭氧和有氧微生物群落不相同[15]，輪作能夠較快提高土壤酶活性，加速根區(qū)土壤生理生化反應[48]。

4 結論

本研究表明，利用黃瓜、豆角和甜玉米等經(jīng)濟作物替代早稻均可明顯增加作物產(chǎn)量、經(jīng)濟效益并縮短生育期。其中，種植甜玉米(T3)效果最佳，除了增加種植效益，縮短生育期，提高收獲指數(shù)外，還有利于增強土壤酶活，進而提升土壤肥力水平。綜上，甜玉米等經(jīng)濟作物代替早稻形成的“經(jīng)濟作物-中晚稻-冬種馬鈴薯”三熟輪作模式可以促進作物茬口銜接更加順暢，提升三季作物整體的經(jīng)濟效益，對農(nóng)民增收具有積極作用。本研究為優(yōu)化廣東乃至華南“稻-稻-薯”三熟區(qū)的種植模式提供了理論基礎和實踐依據(jù)。