華北寒旱區(qū)作物輪作的生產(chǎn)效應(yīng)

姚兆磊 張繼宗,2 杜玉瓊 劉玉華,2 張立峰,2,*

華北寒旱區(qū)作物輪作的生產(chǎn)效應(yīng)

姚兆磊1張繼宗1,2杜玉瓊1劉玉華1,2張立峰1,2,*

1河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 河北保定 071000;2農(nóng)業(yè)農(nóng)村部張北農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站, 河北張家口 076450

為明確華北寒旱區(qū)主栽作物的茬口適應(yīng)性機(jī)制與輪作效果, 提出適宜區(qū)域種植的輪作組合, 本研究于2015—2019年采用交叉式設(shè)計(jì), 對(duì)馬鈴薯、蠶豆、飼用玉米、莜麥、甜菜5種作物進(jìn)行了以年際間為重復(fù)的輪作定位試驗(yàn)。結(jié)果表明, 各茬口馬鈴薯、莜麥、甜菜產(chǎn)量分別是連作的1.30~1.68、1.28~1.48、1.25~1.48倍, 甜菜茬蠶豆產(chǎn)量較連作減產(chǎn)10.58%, 莜麥茬、甜菜茬飼用玉米產(chǎn)量較連作減產(chǎn)9.10%~15.42%; 10種輪作組合的輪作土地當(dāng)量比(LERr)值為1.09~1.68, 與連作相比, 均表現(xiàn)為有利效應(yīng), 其中莜麥→馬鈴薯、甜菜→馬鈴薯、飼用玉米→馬鈴薯、蠶豆→馬鈴薯、莜麥→甜菜的LERr值較高。蠶豆、飼用玉米作物耐連作; 就產(chǎn)量而言, 華北寒旱區(qū)適宜種植的輪作組合為莜麥→馬鈴薯、甜菜→馬鈴薯、飼用玉米→馬鈴薯、蠶豆→馬鈴薯和莜麥→甜菜。

華北寒旱區(qū); 作物; 輪作; 土地當(dāng)量比

依據(jù)國家區(qū)域重大發(fā)展戰(zhàn)略, 位于華北長城沿線的生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)被明確定位為京津冀的重要生態(tài)保障區(qū)和水源涵養(yǎng)地。該區(qū)屬高寒半干旱生態(tài)類型區(qū), 氣候低溫冷涼, 無霜期短, 作物種類多樣, 為典型的喜涼類作物雨養(yǎng)一熟區(qū)[1]。為解決該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所面臨的作物連年種植與作物間輪作選配不合理導(dǎo)致的作物減產(chǎn)、農(nóng)田資源利用低效等問題, 可通過作物間適宜的時(shí)序輪換與倒茬種植, 以利用不同作物茬口的水分、養(yǎng)分等土壤環(huán)境因素差異, 實(shí)現(xiàn)作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)[2]。因此, 選配適生作物與優(yōu)化輪作關(guān)系, 成為促進(jìn)華北寒旱區(qū)農(nóng)田生態(tài)資源高效利用、農(nóng)牧生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。研究認(rèn)為, 適宜的輪作種植能使受益作物產(chǎn)量增加2.4%~ 96.6%[3-7], 經(jīng)濟(jì)增收11.6%~352.0%[8-9]。選用淺根性一年生糧油作物與多年連作苜蓿進(jìn)行倒茬, 不僅使冬油菜、冬小麥較其連作增產(chǎn)34.9%、45.0%, 而且2年內(nèi)使連作苜蓿導(dǎo)致的深層干化土壤的水分恢復(fù)2.8%、2.0%[8]; 輪作2~12年糧食作物期間, 年均土壤水分恢復(fù)厚度為123.1 cm[10]。加入豆科作物的輪作有效改善了土壤養(yǎng)分, 與玉米連作相比, 大豆→玉米2個(gè)輪作周期后玉米田土壤全氮增加9%, 無機(jī)氮增加11.65%, 玉米平均產(chǎn)量增加了29.58%[11]。在糧菜倒茬中, 大豆茬玉米較玉米連作增產(chǎn)5%, 而馬鈴薯茬和甘藍(lán)茬的玉米產(chǎn)量只有連作的97%[12]。對(duì)于存在作物自毒、專性寄生的土傳病蟲害的作物[13-14], 輪作倒茬則對(duì)參試各作物的產(chǎn)量與品質(zhì)具有顯著的“雙贏”效果[15-18]。然而, 在輪作中茬口效應(yīng)存在多樣性, Tucker等[19]研究表明, 由于紫花苜蓿嚴(yán)重耗竭底土水分, 自苜蓿翻耕后至第一茬小麥成熟期之間的水分無法補(bǔ)充, 苜蓿后第一茬小麥籽粒產(chǎn)量僅有連作的97%。當(dāng)接續(xù)玉米茬口時(shí), 玉米根系分泌物效應(yīng)降低了煙草品質(zhì), 使煙葉蛋白質(zhì)、鉀和煙堿含量分別減少18.0%、19.0%和12.5%[20]。農(nóng)田生產(chǎn)中的作物間輪作關(guān)系, 實(shí)質(zhì)上是以土壤為載體的種群間時(shí)序演替關(guān)系?，F(xiàn)代生態(tài)學(xué)所抽象的種群間9種基本感應(yīng)機(jī)制[21], 同樣可引以揭示作物間的倒茬與輪作效應(yīng); 而作物間輪作的綜合效果, 則需要?dú)w一化的定量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究在設(shè)置田間定位試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)作物間輪作關(guān)系的產(chǎn)量效果基礎(chǔ)上, 通過作物間輪作關(guān)系的生態(tài)學(xué)定性評(píng)價(jià)、定量分析, 明確華北寒旱區(qū)主栽作物間輪作關(guān)系及作物組配機(jī)制, 以期為該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供合理的輪作制度。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2015年4月到2019年10月在河北省張家口市農(nóng)業(yè)部(張北)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外觀測(cè)試驗(yàn)站(41°09′N, 114°42′E)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)平均海拔1420 m, 年均降水量382.5 mm, 年均溫3.9℃, 區(qū)域氣候冷涼, 無霜期135 d, ≥10℃積溫2426.3℃[22], 屬于高寒半干旱生態(tài)類型區(qū)。區(qū)域常年作物生長季(5月至9月)降水量343.4 mm, 試驗(yàn)?zāi)?016年生長季(5月至9月)降水428.1 mm, 為降水偏豐年; 2017、2018、2019年生長季(5月至9月)降水分別為282.1、303.7、303.3 mm, 為降水偏旱年。試驗(yàn)田土壤類型為草甸栗鈣土, pH 7.7, 含全氮1.09 g kg-1、全磷0.54 g kg-1、全鉀22.03 g kg-1、有機(jī)質(zhì)18.53 g kg-1、堿解氮80.68mg kg-1、速效磷34.10mg kg-1、速效鉀76.63mg kg-1。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

選擇華北寒旱區(qū)具有代表性的5種主栽作物作為供試材料, 分別為馬鈴薯()品種‘小白花’、蠶豆()品種‘崇禮蠶豆’、飼用玉米()品種‘巡青518’、莜麥()品種‘壩莜1號(hào)’、甜菜()品種‘KWH-6231’。

采用交叉式設(shè)計(jì)(表1), 5種作物年際間兩兩組合, 形成10種輪作模式, 且每種輪作模式的倒茬關(guān)系年內(nèi)實(shí)施, 另有5種作物的連作模式, 共計(jì)15種種植模式。即共有25個(gè)試驗(yàn)小區(qū), 小區(qū)面積為120 m2, 作物一年一熟。為了有效減少試驗(yàn)土壤誤差, 定位實(shí)施, 年際間重復(fù)。試驗(yàn)田作物雨養(yǎng)旱作生產(chǎn)。各作物施肥參照作物常年施肥量。各作物播種與收獲日期見表2。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 產(chǎn)量測(cè)定 在測(cè)產(chǎn)區(qū)測(cè)定各作物的實(shí)際收獲產(chǎn)量。各作物測(cè)定項(xiàng)目包括: (1)馬鈴薯: 在測(cè)產(chǎn)區(qū)內(nèi), 首先進(jìn)行五點(diǎn)取樣, 每點(diǎn)取1株馬鈴薯作為樣品, 稱取薯塊、株體鮮重; 將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后烘干, 稱其干重, 計(jì)算出干率。而后收獲剩余面積的馬鈴薯, 稱取薯塊、株體鮮重。(2)飼用玉米: 在測(cè)產(chǎn)區(qū)內(nèi), 首先進(jìn)行3點(diǎn)取樣, 每點(diǎn)取2 m雙行飼用玉米, 稱取鮮重, 待自然風(fēng)干后, 稱其干重, 計(jì)算出干率。而后收獲剩余面積的飼用玉米, 稱取植株(除根部)鮮重。(3)蠶豆、莜麥: 將測(cè)產(chǎn)區(qū)收獲, 自然風(fēng)干后測(cè)得生物產(chǎn)量; 脫粒后測(cè)得經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。(4)甜菜: 在測(cè)產(chǎn)區(qū)內(nèi), 首先進(jìn)行五點(diǎn)取樣, 每點(diǎn)取1株甜菜作為樣品, 稱取葉叢、塊根鮮重; 烘干后稱其干重, 計(jì)算出干率。而后收獲剩余面積的甜菜, 稱取葉叢、塊根鮮重。

1.3.2 土地利用效果評(píng)價(jià) 借鑒土地當(dāng)量比(land equivalent ratio, LER)原理[23], 比較茬口對(duì)后茬作物生產(chǎn)的影響。以連作產(chǎn)量為對(duì)照(CK), 采用了作物土地當(dāng)量比(LERc)和輪作土地當(dāng)量比(LERr)概念[24]。

LERc = Yr/Yc

表1 試驗(yàn)小區(qū)種植方式

P: 馬鈴薯; FB: 蠶豆; FM: 飼用玉米; O: 莜麥; B: 甜菜。

P: potato; FB: faba bean; FM: forage maize; O: oat; B: beet.

表2 試驗(yàn)作物播種期與收獲期

式中, Yc為某作物連作單位面積產(chǎn)量(kghm-2), Yr為該作物倒茬下單位面積產(chǎn)量(kghm-2)。

LERc > 1時(shí), 說明茬口對(duì)后茬作物具有促進(jìn)增產(chǎn)的有利效應(yīng), 以“+”表示; LERc < 1時(shí), 說明茬口對(duì)后茬作物具有減產(chǎn)的有害效應(yīng), 以“-”表示; LERc = 1時(shí), 則茬口對(duì)后茬作物生產(chǎn)無明顯影響, 以“0”表示。

輪作土地當(dāng)量比(LERr)是以各作物連作的產(chǎn)量為對(duì)照, 比較輪作時(shí)作物以土地面積為量綱的生產(chǎn)效果。

式中, Yc為輪作系統(tǒng)中第作物連作單位面積平均產(chǎn)量(kghm-2), Yr為該作物輪作下單位面積產(chǎn)量(kghm-2),為輪作系統(tǒng)中的作物數(shù)量。

LERr> 1時(shí), 說明輪種作物具有促進(jìn)輪作系統(tǒng)增產(chǎn)的有利效應(yīng), 以“+”表示; LERr< 1時(shí), 說明輪種作物具有使輪作系統(tǒng)減產(chǎn)的有害效應(yīng), 以“-”表示; 若LERr= 1時(shí), 說明輪種作物對(duì)輪作系統(tǒng)生產(chǎn)無明顯影響, 以“0”表示。

1.3.3 病情指數(shù)調(diào)查 馬鈴薯早疫病與甜菜褐斑病鑒定均按照試驗(yàn)調(diào)查記載9級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[25-26], 病情指數(shù)計(jì)算公式: 病情指數(shù)= [∑(各級(jí)病葉數(shù)× 相對(duì)級(jí)數(shù)的代表值)/(總?cè)~數(shù)× 最高級(jí)數(shù)的代表值)] × 100

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Microsoft Excel與SPSS統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以年際間作為重復(fù), 通過運(yùn)用LSD法和Duncan’s法進(jìn)行多重比較, 處理間的差異顯著性水平為0.05[27]。

2 結(jié)果與分析

2.1 茬口對(duì)作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的影響

試驗(yàn)在2015年創(chuàng)造茬口的基礎(chǔ)上, 2016年之后為年際間重復(fù)。由表3可知, 與馬鈴薯連作相比, 其他茬口馬鈴薯4年的平均產(chǎn)量均高于連作, 是連作的1.30~1.68倍, 以莜麥茬馬鈴薯的平均產(chǎn)量最高。統(tǒng)計(jì)分析表明, 飼用玉米茬、莜麥茬馬鈴薯平均產(chǎn)量與連作間差異顯著, 其他茬口馬鈴薯平均產(chǎn)量與連作間差異不顯著。與蠶豆連作相比, 甜菜茬蠶豆減產(chǎn)10.58%, 其他3個(gè)茬口蠶豆的平均產(chǎn)量是連作的1.01~1.28倍, 但不同茬口的蠶豆產(chǎn)量間差異不顯著。不同茬口下飼用玉米平均產(chǎn)量與蠶豆相似, 與連作相比差異均不顯著; 但馬鈴薯茬飼用玉米產(chǎn)量顯著高于甜菜茬飼用玉米產(chǎn)量。馬鈴薯茬飼用玉米較連作增產(chǎn)13.07%, 莜麥茬、甜菜茬飼用玉米產(chǎn)量較連作減產(chǎn)9.10%~15.42%。與莜麥連作相比, 其他4種茬口莜麥的產(chǎn)量是連作的1.28~1.48倍, 以馬鈴薯茬莜麥的平均產(chǎn)量最高。統(tǒng)計(jì)分析表明, 不同茬口莜麥與連作間產(chǎn)量無顯著差異。比較各茬口下甜菜的平均產(chǎn)量, 表明倒茬較連作甜菜能夠顯著增產(chǎn), 達(dá)25.07%~47.64%, 其中馬鈴薯茬甜菜產(chǎn)量最高。

表3 各茬口作物的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量

不同小寫字母代表差異顯著(0.05)。

Different lowercase letters represent significant difference (0.05).

綜上分析, 蠶豆、飼用玉米作物較耐連作; 馬鈴薯、莜麥、甜菜作物不適宜連作。馬鈴薯、甜菜作物在生長中期出現(xiàn)的病害較其他茬口嚴(yán)重。由圖1可知, 馬鈴薯連作的早疫病病情指數(shù)為24.72, 是蠶豆茬、飼用玉米茬、莜麥茬、甜菜茬馬鈴薯早疫病病情指數(shù)的1.15~2.48倍; 甜菜連作的褐斑病病情指數(shù)為27.87, 是馬鈴薯茬、蠶豆茬、飼用玉米茬、莜麥茬甜菜病情指數(shù)的1.69~2.93倍, 這成為馬鈴薯、甜菜連作減產(chǎn)的重要原因。

圖1 各茬口馬鈴薯、甜菜的病情指數(shù)

2.2 作物對(duì)茬口的適應(yīng)性

由表4可知, 2016—2019年蠶豆茬、飼用玉米茬、莜麥茬、甜菜茬的馬鈴薯作物土地當(dāng)量比(LERc)平均值分別為1.52、1.63、1.81、1.41, 與連作相比, 該4種茬口對(duì)馬鈴薯生產(chǎn)均表現(xiàn)為“有利效應(yīng)”, 但2019年甜菜茬馬鈴薯LERc值為0.77, 表現(xiàn)為“有害效應(yīng)”, 說明甜菜茬口對(duì)馬鈴薯生產(chǎn)的效應(yīng)受年份環(huán)境的明顯影響。統(tǒng)計(jì)分析表明, 莜麥茬馬鈴薯與連作相比增產(chǎn)效果顯著, 說明馬鈴薯更適應(yīng)莜麥茬口。

甜菜茬的蠶豆LERc值為0.88, 甜菜茬口對(duì)接茬的蠶豆生產(chǎn)表現(xiàn)為“有害效應(yīng)”; 馬鈴薯茬、飼用玉米茬、莜麥茬的蠶豆LERc值分別為1.18、1.29、1.02, 表現(xiàn)為“有利效應(yīng)”, 同時(shí)馬鈴薯、飼用玉米、莜麥茬口在不同年份條件下對(duì)于蠶豆生產(chǎn)均出現(xiàn)過有害效應(yīng)。統(tǒng)計(jì)分析表明, 飼用玉米茬口較甜菜茬口對(duì)蠶豆具有顯著的增產(chǎn)效果, 各茬口較連作對(duì)蠶豆生產(chǎn)的影響均無顯著差異。表明, 蠶豆的茬口適應(yīng)性較強(qiáng)。

對(duì)于飼用玉米, 莜麥茬、甜菜茬的飼用玉米LERc值分別為0.91、0.84, 與連作相比, 這2種茬口對(duì)飼用玉米生產(chǎn)均表現(xiàn)為“有害效應(yīng)”; 馬鈴薯茬、蠶豆茬的玉米LERc值分別為1.13、1.10, 表現(xiàn)為“有利效應(yīng)”。馬鈴薯、蠶豆茬口較莜麥、甜菜茬口對(duì)飼用玉米具有顯著的增產(chǎn)效果; 與飼用玉米連作相比, 不同茬較連作對(duì)飼用玉米無顯著差異。表明飼用玉米的茬口適應(yīng)性較強(qiáng)。

莜麥與甜菜生產(chǎn)對(duì)于各茬口的反應(yīng)相似, 不同茬口莜麥、甜菜的LERc值均大于1, 且年際間比較穩(wěn)定, 與連作相比各茬口對(duì)于兩作物生產(chǎn)均表現(xiàn)為“有利效應(yīng)”。統(tǒng)計(jì)分析表明, 只有馬鈴薯茬口較連作莜麥增產(chǎn)顯著, 而所有茬口的甜菜都較連作甜菜顯著增產(chǎn), 馬鈴薯茬口的甜菜LERc值達(dá)1.49。表明莜麥與甜菜的茬口適應(yīng)性強(qiáng)。

分析如上20種茬口銜接方式中, 有17種即占85%的銜接方式表現(xiàn)出“有利效應(yīng)”, 但只有12種即占60%的銜接方式比較穩(wěn)定; 有3種即占15%的銜接方式對(duì)接茬作物產(chǎn)生“有害效應(yīng)”。

2.3 作物輪作效果的分析

2016—2019年10種輪作組合和5種連作組合的土地利用效果如表5。10種輪作組合的LERr平均值為1.09~1.68, 與連作相比, 均表現(xiàn)為有利效應(yīng)。甜菜→蠶豆、甜菜→飼用玉米、莜麥→飼用玉米3種輪作組合兩作物間具有偏利補(bǔ)償效果; 其他7種輪作組合兩作物間具有互利增益效果, 其中飼用玉米→馬鈴薯、莜麥→馬鈴薯、甜菜→馬鈴薯、甜菜→莜麥4種輪作組合受年際環(huán)境的影響較小, 4種輪作組合中莜麥→馬鈴薯LERr值顯著高于飼用玉米→馬鈴薯、甜菜→莜麥輪作組合, 莜麥→馬鈴薯LERr值最高為1.68, 其他3種輪作組合受年際間環(huán)境的影響輪作效果存在寬幅的差異。

統(tǒng)計(jì)分析表明, 與連作相比, 蠶豆→馬鈴薯、飼用玉米→馬鈴薯、莜麥→馬鈴薯、甜菜→馬鈴薯的LERr值顯著高于連作, 其余輪作組合的LERr值與連作間差異不顯著; 各輪作組合間相比, 莜麥→馬鈴薯的LERr值與甜菜→馬鈴薯輪作組合間無顯著差異, 但顯著高于其余8種輪作組合; 甜菜→馬鈴薯的LERr值顯著高于莜麥→飼用玉米、甜菜→蠶豆、甜菜→飼用玉米; 其余各輪作組合間無顯著差異。

表4 不同種植模式下作物土地當(dāng)量比

不同小寫字母代表差異顯著(0.05)。“+、?、0”分別表示茬口對(duì)后茬作物具有促進(jìn)增產(chǎn)的有利效應(yīng)、減產(chǎn)的有害效應(yīng)和無明顯影響。

Different lowercase letters represent significant difference (0.05). “+, ?, 0” indicate that there are positive, negative and no effect of previous crops on yield increasing in next growing season, respectively.

結(jié)合表4分析表明, 甜菜→飼用玉米輪作組合2016年LERr值為0.88, 莜麥→蠶豆、莜麥→飼用玉米輪作組合2019年LERr值分別為0.99、0.95 (表5), 說明輪作的兩作物間產(chǎn)生了強(qiáng)偏害效應(yīng)對(duì)弱偏利效應(yīng)的偏害負(fù)償效果; 莜麥→飼用玉米輪作組合在2016年LERr值為1.00 (表5), 說明作物間產(chǎn)生了偏害效應(yīng)與偏利效應(yīng)的利害抵償效果。

表5 作物種植模式的輪作土地當(dāng)量比

不同小寫字母代表差異顯著(0.05)?！?、?、0”分別表示輪種作物具有促進(jìn)輪作系統(tǒng)增產(chǎn)的有利效應(yīng)、減產(chǎn)的有害效應(yīng)和無明顯影響。

Different lowercase letters represent significant difference (0.05). “+, ?, 0” indicate that there are positive, negative and no effect of rotation crops on system yield increasing, respectively.

3 討論

輪作增產(chǎn)的實(shí)質(zhì)是避免連作的障礙, 提高作物對(duì)茬地資源的利用效率。當(dāng)存在作物專性寄生的土傳病害時(shí), 隨著連作年數(shù)延長, 病害加重, 作物出現(xiàn)減產(chǎn)[28], 作物間輪作倒茬, 能夠有效降低作物的病情指數(shù)。宋樹慧等[29]探究不同前茬對(duì)馬鈴薯病害發(fā)生和產(chǎn)量的影響表明, 蠶豆茬馬鈴薯較連作4年馬鈴薯黑痣病病情指數(shù)降低60.88%, 增產(chǎn)51.44%; 王長魁等[30]研究表明, 通過豆科、禾本科作物與甜菜輪作倒茬種植, 使甜菜褐斑病的發(fā)病率較連作降低17.46%~24.30%, 相應(yīng)甜菜增產(chǎn)82.26%~90.72%。本試驗(yàn)表明, 輪作下馬鈴薯、甜菜的早疫病、褐斑病病情指數(shù)是連作的40.3%~87.0%、34.1%~59.2%, 相應(yīng)較連作馬鈴薯、甜菜增產(chǎn)29.93%~68.17%、25.07%~47.64%, 與前人研究結(jié)果一致。通過輪作創(chuàng)造抑制病害生長的環(huán)境, 是感病作物成功生產(chǎn)的關(guān)鍵。

輪作中作物選配的原則是發(fā)揮作物對(duì)茬口效應(yīng)的適合性, 選出具有時(shí)序互利合作或偏利合作的輪作方式。本研究中, 當(dāng)馬鈴薯作為前茬作物時(shí), 對(duì)后茬作物均表現(xiàn)為有利效應(yīng), 且較其他茬口對(duì)后茬作物具有較高的LERc值; 而作為后茬作物時(shí), 馬鈴薯均表現(xiàn)為受益效應(yīng)。馬鈴薯與其他作物進(jìn)行輪作產(chǎn)生互利效應(yīng), 可能與馬鈴薯連作病害加重[31], 以及與馬鈴薯較玉米、麥類作物對(duì)土壤水分的恢復(fù)能力強(qiáng)等有關(guān)[32]。甜菜作為前茬作物, 對(duì)后茬蠶豆和飼用玉米具有有害效應(yīng); 但作為后茬作物時(shí), 甜菜均表現(xiàn)為受益效應(yīng)。甜菜與其他作物進(jìn)行輪作產(chǎn)生偏利補(bǔ)償作用, 可能與甜菜產(chǎn)生自毒物質(zhì)影響連作產(chǎn)量[33], 且生育期長、根系龐大, 對(duì)土壤水分的消耗量大等有關(guān)[34-35]。因此, 組配輪作方式時(shí), 在充分利用主作物最高受益的基礎(chǔ)上, 選擇對(duì)副作物減效最低或有利效應(yīng)的組合至為重要。

通過定性與定量方法對(duì)作物的茬口特性與茬口適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià), 成為進(jìn)行作物間組配、選擇適宜輪作方式的基礎(chǔ)。輪作的實(shí)質(zhì)是以土壤作為載體的種群間時(shí)序演替關(guān)系。對(duì)于作物茬口特性與茬口適應(yīng)性的定性評(píng)價(jià), 本試驗(yàn)在作物種群間9種感應(yīng)機(jī)制[21]的基礎(chǔ)上, 將輪作方式中作物間的關(guān)系定義為茬口對(duì)后茬作物的有利、有害效應(yīng), 作物間的互利增益效果、偏利補(bǔ)償效果、利害抵償效果、偏害負(fù)嘗效果、互害效果; 對(duì)于作物輪作系統(tǒng)的農(nóng)田資源綜合利用效果的定量評(píng)價(jià), 本試驗(yàn)在土地當(dāng)量比(LER)概念[23]的基礎(chǔ)上, 利用作物土地當(dāng)量比(LERc)和輪作土地當(dāng)量比(LERr)的概念, 量化不同輪作方式以土地資源面積為量綱的產(chǎn)出效果, 為揭示自然屬性下的農(nóng)田輪作生產(chǎn)效果探索了有效途徑, 而結(jié)合農(nóng)田生產(chǎn)的社會(huì)屬性, 全面評(píng)價(jià)輪作生產(chǎn)效果的方法需要進(jìn)一步完善。

4 結(jié)論

在華北寒旱區(qū)草甸栗鈣土農(nóng)田, 蠶豆、飼用玉米作物耐連作, 馬鈴薯、莜麥、甜菜作物連作明顯減產(chǎn); 馬鈴薯、蠶豆、飼用玉米茬口對(duì)其他作物生產(chǎn)均表現(xiàn)為有利效應(yīng), 莜麥、甜菜茬口對(duì)飼用玉米表現(xiàn)為有害效應(yīng); 馬鈴薯、莜麥、甜菜作物的茬口適應(yīng)性強(qiáng), 蠶豆、飼用玉米的茬口適應(yīng)性較強(qiáng)。在華北寒旱區(qū)草甸栗鈣土農(nóng)田, 適宜種植的輪作組合為莜麥→馬鈴薯、甜菜→馬鈴薯、飼用玉米→馬鈴薯、蠶豆→馬鈴薯和莜麥→甜菜。

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Productivity evaluation of crop rotation in cold and arid region of Northern China

YAO Zhao-Lei1, ZHANG Ji-Zong1,2, DU Yu-Qiong1, LIU Yu-Hua1,2, and ZHANG Li-Feng1,2,*

1College of Agronomy, Hebei Agricultural University, Baoding 071000, Hebei, China;2Zhangbei Agricultural Resource and Ecological Environment Key Field Research Station, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Zhangjiakou 076450, Hebei, China

To understand mechanisms of crop adaptability to various previous crop croppings, evaluate crop performance on the croppings, and identify suitable crop combinations for rotation of major crops in the cold and arid region of Northern China. A five-year field experiment was conducted using five crops from 2015 to 2019, including potato (), faba bean (), forage maize (), oat (), and beet (). Yields of potato, oat, and beet in rotation were 1.30–1.68, 1.28–1.48, and 1.25–1.48 times of those in continuous cropping of single crops, respectively. Yield of faba bean on beet cropping was 10.58% lower than that of continuous faba bean while yield of forage maize on oat or beet stubble was 9.10%–15.42% lower than that of continuous forage maize. The LERr of 10 crop combinations was 1.09–1.68, indicating positive effects of rotation. Combinations of oat → potato, beet → potato, forage maize → potato and faba bean → potato had higher LERr, indicating faba bean and forage maize might be more durable of continuous cropping. In terms of productivity, suitable crop combinations for rotation in the area were oat → potato, beet → potato, forage maize → potato, faba bean → potato and oat → beet.

the cold and arid region of Northern China; crop; rotation; land equivalent ratio

本研究由國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201503120)和河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(18227004D)資助。

This study was supported by the Special Fund for Agro-scientific Research in the Public Interest (201503120) and the Key Research and Development Project of Hebei Province (18227004D).

張立峰, E-mail: zlf@hebau.edu.cn

E-mail: 1273990544@qq.com

2020-03-18;

2020-07-02;

2020-08-18.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200818.1525.004.html

10.3724/SP.J.1006.2020.04071