河北省不同種植形式生態(tài)資源利用與效益分析

張順風(fēng) 張桂萍 管 霞 劉 瑤 張鳳路

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/河北農(nóng)業(yè)大學(xué)省部共建華北作物改良與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 保定071001）

冬小麥—夏玉米一年兩熟是河北省中南部主要的種植制度，受光熱資源限制，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常表現(xiàn)為“一季有余、兩季不足”[1]。河北省年平均降雨量500 mm 左右，全年降雨量的80%主要集中在夏季[2]，玉米生育期與降雨時(shí)間和分布基本同步，對(duì)地下水的需求相對(duì)較少，而小麥生育期內(nèi)水分虧缺嚴(yán)重，主要依賴于地下水的灌溉[3]。由于周年降雨量低于冬小麥—夏玉米一年兩熟對(duì)水分的需求，每年需要抽取大量的地下水進(jìn)行灌溉，由于地下水的長(zhǎng)期過(guò)度開(kāi)采得不到及時(shí)補(bǔ)充，從而導(dǎo)致了地下水位的連續(xù)下降[4-5]，出現(xiàn)了嚴(yán)重的地面下沉、塌陷等資源環(huán)境問(wèn)題，引起了世界的廣泛關(guān)注[6]。隨著近年來(lái)氣候異常的加劇，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水資源短缺的矛盾日益嚴(yán)重[7]，這種耗水量較高的傳統(tǒng)冬小麥—夏玉米一年兩熟種植模式已不可持續(xù)。同時(shí)，光熱資源也限制了小麥—玉米兩熟種植中玉米增產(chǎn)潛力的發(fā)揮，加之目前尚無(wú)較適宜密植、高產(chǎn)、籽粒后期脫水快的玉米品種，很難實(shí)現(xiàn)籽粒機(jī)械直收，使得勞動(dòng)生產(chǎn)效率低下，降低了種植收益[8]。為此，研究組于2018-2019 年在2 個(gè)試驗(yàn)站進(jìn)行了不同種植模式的比較試驗(yàn)，系統(tǒng)研究不同種植形式對(duì)農(nóng)業(yè)資源的利用情況，以期建立與河北省目前生態(tài)條件相適應(yīng)的節(jié)水、豐產(chǎn)、高效種植制度，保持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況

試驗(yàn)于 2018-2019 年分別在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)清苑試驗(yàn)站（38°47＇N、115°34＇E，海拔 13 m）和河北農(nóng)業(yè)大學(xué)辛集馬莊試驗(yàn)站（37°47＇N、115°17＇E，海拔 32 m）進(jìn)行。2 個(gè)試點(diǎn)2 m 土體土壤容重分別為1.41 g/m3和1.40 g/m3；田間持水量分別為25.7%和35.3%。2 個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)均屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春季寒冷干燥，夏季高溫多雨，區(qū)域年降雨量約 500 mm，年平均溫度12℃。試驗(yàn)期兩地年度降雨量分別為495.6 mm、467.3 mm，屬于平水年型，降雨主要集中在每年的7～9月份。

1.2 試驗(yàn)采用品種

冬小麥品種：石新828、輪選103、石農(nóng)086、藁優(yōu)2018。

玉米品種：五谷 512、祥玉 833、鄭單 958。、創(chuàng)玉107、京農(nóng)科 728。

甜玉米品種：彩甜糯2、沃彩糯3、京科糯2000。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，安排4 個(gè)試驗(yàn)處理，3 次重復(fù)，小區(qū)面積為 15 m×10 m=150 m2。

（1）春玉米單作一熟模式（T1）：于 5月13日人工播種，60 cm 等行距種植，密度為 6.75 萬(wàn)株/hm2。10月8日收獲。

（2）青貯玉米—粒用玉米一年兩熟模式（T2）：品種與春玉米相同，前茬早春青貯玉米于4月5日播種，大小行種植（80～40）cm，密度 7.5 萬(wàn)株/hm2。播后采用幅寬90 cm、厚度0.004 mm 的聚乙烯塑料薄膜覆蓋，保溫促苗，7月6日收獲。粒用玉米7月7日播種，60 cm 等行距種植，品種和密度與前茬相同，10月8日收獲。

（3）甜玉米一年兩熟模式（T3）：第一茬 4月15日播種，60cm 等行距種植，密度為 6.75 萬(wàn)株/hm2，播后膜覆，7月12日收獲；第二茬7月12日播種，行距、密度與第一茬相同，10月3日收獲。

（4）常規(guī)種植模式（CK）：冬小麥—夏玉米一年兩熟，冬小麥 10月8日播種，6月15日收獲；夏玉米在小麥?zhǔn)斋@滅茬后播種，10月8日收獲。小麥播種量為 225 kg/hm2，15 cm 等行距播種；夏玉米采用人工播種，行距60 cm，密度為 6.75 萬(wàn)株/hm2。

作物生育期內(nèi)，春玉米一熟模式，僅在播種后澆75 mm“蒙頭水”，全生育期內(nèi)無(wú)灌水；青貯玉米—粒用玉米一年兩熟模式，前茬在播種和抽雄期灌水2 次，分別為 75 mm、50 mm，后茬在播種后澆75 mm“蒙頭水”，全生育期內(nèi)無(wú)灌水；雙季甜玉米灌水量與青貯玉米—粒用玉米模式相同；常規(guī)種植模式，冬小麥在拔節(jié)、抽穗和灌漿時(shí)期灌水3 次，每次灌水75 mm，夏玉米僅在播種后澆 75 mm“蒙頭水”，全生育期內(nèi)無(wú)灌水。以 600 kg/hm2的復(fù)合肥（N、P2O5、K2O 為 15∶15∶15）作為基肥，其他管理同高產(chǎn)田。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤含水量的測(cè)定及耗水量的計(jì)算 分別在小麥、玉米播種、收獲時(shí)，用土鉆分層獲取土樣，每20 cm 一層，取樣深度200 cm，使用烘干法測(cè)定土壤含水量。記錄作物全生育期內(nèi)的降雨量。試驗(yàn)期間降雨量與灌溉量在 200 cm 土層未發(fā)生滲漏與形成徑流。計(jì)算公式為[9]：

土壤貯水量 （mm）=土層厚度 （mm）×水重/干土重×100%×土壤容重

生育期耗水量 （mm）=作物播種時(shí)土壤貯水量（mm）+生育期降雨量（mm）+灌溉量（mm） -作物收獲時(shí)土壤貯水量（mm）

非生育期耗水量（mm）=前茬作物收獲時(shí)土壤貯水量（mm）-后茬作物播種時(shí)土壤貯水量 （mm）+非生育期降雨量（mm）

1.4.2 生態(tài)資源測(cè)定與計(jì)算 氣象數(shù)據(jù)來(lái)自試驗(yàn)地旁邊的自動(dòng)氣象站，氣象因子包括最高溫度、最低溫度、平均溫度、降水量、日照時(shí)數(shù)等。太陽(yáng)輻射的計(jì)算：由日照時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換成輻射值[10]?！?0℃的有效積溫的計(jì)算參考嚴(yán)定春[11]的方法。

光能生產(chǎn)效率 （g/MJ）=籽粒產(chǎn)量/單位面積的太陽(yáng)輻射

溫度生產(chǎn)效率 （kg/hm2·℃）=籽粒產(chǎn)量/生育期有效積溫（℃）

干物質(zhì)產(chǎn)能 （ MJ/hm2） =干物質(zhì)產(chǎn)量/單位面積×干重?zé)嶂?/p>

年總輻射利用率 （%）=單位面積干物質(zhì)產(chǎn)能/單位面積太陽(yáng)輻射量

水分利用效率（kg/mm·hm2）=籽粒產(chǎn)量/生育期耗水量

1.4.3 產(chǎn)量測(cè)定 小麥田間測(cè)產(chǎn)采用1 m2樣點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)產(chǎn)，測(cè)定收獲時(shí)籽粒含水率折算出標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。玉米收獲期，在每小區(qū)中部選取4 行，計(jì)數(shù)測(cè)產(chǎn)小區(qū)內(nèi)的玉米株數(shù)及果穗數(shù)。每個(gè)處理隨機(jī)取 20 個(gè)果穗進(jìn)行脫粒，計(jì)算玉米出籽率和收獲時(shí)籽粒含水率，折算出標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。

1.4.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法 使用 Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，SPSS version 21.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并采用Duncan 新復(fù)極差法比較差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式的生育進(jìn)程及資源利用

比較了全年光熱水資源分布和不同種植模式下作物的生育時(shí)期情況（附圖、表1），單季春玉米種植模式的全生育期為149 d、青貯玉米—粒用玉米為188 d、雙季甜玉米為173 d，分別比傳統(tǒng)種植模式的冬小麥—夏玉米的 288 d 少 139 d、68 d、115 d，≥10℃的積溫分別為 1 427℃、508℃、956℃。與傳統(tǒng)模式相比，其他種植模式縮短的田間生長(zhǎng)期處于一年中冬季低溫或干旱少雨的時(shí)期，不利于作物的生長(zhǎng)發(fā)育。由此可見(jiàn)，3 種試驗(yàn)處理與對(duì)照相比，是一種有利于土壤休耕、地力恢復(fù)、避開(kāi)冬季凍害和干旱的安全種植模式，同時(shí)也是冬小麥?zhǔn)転?zāi)的一種農(nóng)業(yè)補(bǔ)救措施。

2.2 不同種植模式周年物質(zhì)生產(chǎn)情況

由表2 可見(jiàn)，傳統(tǒng)種植模式（CK）周年籽粒產(chǎn)量顯著高于春玉米一熟模式（T1）和青貯—粒用玉米模式（T2）。春玉米一熟模式周年物質(zhì)產(chǎn)量為 9.1 t/hm2，較CK 降低了45.1%；青貯—粒用玉米模式周年物質(zhì)產(chǎn)量為 7.7 t/hm2，比CK 降低了 53.9%；雙季甜玉米模式（T3）以采收鮮食果穗為主，不計(jì)算籽粒產(chǎn)量。4 種種植模式的周年物質(zhì)總量以傳統(tǒng)種植模式的最高，分別比其他3 種種植模式高出49.6%、23.1%、38.3%。

附圖 保定市清苑和辛集市馬莊試點(diǎn)周年氣候變化

表1 不同種植模式各作物的生育進(jìn)程（單位：月/日）

表2 不同種植模式周年物質(zhì)產(chǎn)量及分配（單位：t/hm2）

2.3 不同種植模式周年光能分配及利用效率

不同種植模式光能資源分配與利用效率不同（表3），傳統(tǒng)種植模式光能資源分配量為 100%，其他3 種種植模式生育期內(nèi)的太陽(yáng)輻射量分別占周年輻射量的 52.3%、68.4%、62.0%。第一季的太陽(yáng)輻射量多于第二季，除春玉米一熟模式外，其他模式第一季分別比第二季高 3.6%、7.6%、23.2%。在4 種種植模式的年總輻射利用率中，CK 的年總輻射利用率最高，分別比其他模式高出 0.53%、0.25%和 0.43%。其他種植模式因生育周期較短，未能充分發(fā)揮玉米高光合速率和高光飽和點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，使周年干物質(zhì)積累量低于傳統(tǒng)種植模式，導(dǎo)致周年的光能輻射利用率降低。

2.4 不同種植模式耗水量及水分生產(chǎn)效率

不同種植模式的周年水分利用效率見(jiàn)表4。由表4 可知，春玉米一熟種植模式的水分利用效率（WUE）稍高于CK，但差異未達(dá)顯著水平；青貯—粒用玉米種植模式的WUE 比CK 降低了35.4%。春玉米一熟模式和雙季甜玉米模式的周年水分生產(chǎn)效率分別比CK 降低了7.6%、9.0%，而青貯—粒用玉米種植模式與CK 相比差異未達(dá)顯著水平。CK 生育期內(nèi)降雨量的利用率占耗水總量的48.4%，其他3 種種植模式的占比在60%以上。雖然傳統(tǒng)種植模式的籽粒產(chǎn)量和水分利用效率較高，但以消耗巨大的地下水資源為代價(jià)獲得的高產(chǎn)，與當(dāng)前河北省極度緊缺的地下水資源環(huán)境相違背，是不可持續(xù)的發(fā)展模式。從節(jié)水農(nóng)業(yè)、減少地下水資源的開(kāi)采和國(guó)家輪作休耕的政策角度出發(fā)，必須對(duì)傳統(tǒng)種植模式進(jìn)行改革。

表3 不同種植模式光能資源分配與利用效率

表4 不同種植模式耗水量及水分生產(chǎn)率

2.5 不同種植模式效益比較

不同種植模式的經(jīng)濟(jì)效益見(jiàn)表5。在總投入中，雙季甜玉米種植模式最高，為2.2 萬(wàn)元/hm2，其次為CK和青貯—粒用玉米種植模式，分別為1.7萬(wàn)元/hm2和1.5萬(wàn)元/hm2，春玉米一熟種植模式最低，為0.7萬(wàn)元/hm2。4 種種植模式的總產(chǎn)出以雙季甜玉米模式最高，為4.5 萬(wàn)元/hm2，比 CK 高 15.9%。春玉米一熟模式和青貯—粒用玉米模式因籽粒產(chǎn)量較低，總產(chǎn)出較CK 分別降低了47.1%、23.8%。4 種種植模式的周年總收益以雙季甜玉米模式最高，為 2.3 萬(wàn)元/hm2；其次是CK 和青貯—粒用玉米模式，分別為 2.1 萬(wàn)元/hm2和 1.6 萬(wàn)元/hm2；春玉米一熟模式的周年總收益最低，僅為 1.3 萬(wàn)元/hm2。

3 結(jié)論與討論

河北省冬小麥—夏玉米一年兩熟傳統(tǒng)種植模式充分利用了土地資源，復(fù)種指數(shù)高，可獲得較高的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，但農(nóng)田全年無(wú)休閑期，土地過(guò)度利用，導(dǎo)致土壤地力下降，以及地下水過(guò)度開(kāi)采。本研究傳統(tǒng)種植模式周年產(chǎn)量平均為 16.6 t/hm2，春玉米一熟模式周年產(chǎn)量較傳統(tǒng)種植模式降低了45.1%，與前人研究相比降幅稍大[12]。白金順[13]研究認(rèn)為春玉米產(chǎn)量潛力可達(dá)到17.6 t/hm2，因此可通過(guò)調(diào)整品種、密度、播期等方式進(jìn)一步提高春玉米產(chǎn)量，縮小與傳統(tǒng)種植模式的產(chǎn)量差距。青貯—粒用玉米種植模式一方面順應(yīng)“糧改飼”種植調(diào)整，促進(jìn)農(nóng)牧結(jié)合，使種植結(jié)構(gòu)多元化，同時(shí)也可增加秋糧生產(chǎn)。雙季甜玉米種植模式可獲得大量?jī)?yōu)質(zhì)鮮食玉米，豐富人們飲食需求，同時(shí)玉米莖稈可作優(yōu)質(zhì)的青貯飼料[14]，提高資源的利用率。因此，多種種植模式是傳統(tǒng)種植模式的有益補(bǔ)充。

表5 不同種植模式投入、產(chǎn)出及收益（單位：萬(wàn)元/hm2）

目前河北平原小麥和玉米已分別實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量潛力的70%和41.5%[15-16]，增加具有高光效的玉米種植比例可增加物質(zhì)生產(chǎn)力[17]。與傳統(tǒng)種植模式相比，其他種植形式因?yàn)闇p少了早春和秋冬時(shí)節(jié)的光能利用，因此周年光能利用率相對(duì)較低。與本不充裕的光資源相比日趨匱乏的水資源已成為限制河北省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的首要因素，在2016 年發(fā)布的《農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境保護(hù)工程規(guī)劃》中，將冀中南地區(qū)列為地下水超采重點(diǎn)整治地區(qū)，建議實(shí)施“一季休耕、一季雨養(yǎng)”。傳統(tǒng)種植模式灌溉量常達(dá)300 mm，其他種植模式由于玉米生長(zhǎng)需水與降雨耦合度較高，周年水分利用效率高于傳統(tǒng)種植模式。有研究認(rèn)為[18]，冀中平原地下水消耗量在150 mm 以下能夠維持水分平衡，除傳統(tǒng)種植模式外，其他 3 種種植模式土壤水消耗量均能達(dá)到地下水動(dòng)態(tài)平衡。

不同種植模式因作物的投入、產(chǎn)出、價(jià)格等因素不同，造成周年凈收益也不相同[19]。本研究結(jié)果表明，各種植模式周年凈收益為雙季甜玉米＞傳統(tǒng)種植＞青貯—粒用玉米＞春玉米。雙季甜玉米栽培需要的技術(shù)要求高，產(chǎn)值受市場(chǎng)波動(dòng)大；傳統(tǒng)種植模式收益較高，也是冀中南廣為采用的種植形式，但對(duì)水資源依賴度高；青貯—粒用玉米模式可農(nóng)牧結(jié)合，但夏玉米產(chǎn)量受光熱資源影響較大；春玉米一季種植節(jié)約了灌溉用水，并利于發(fā)揮玉米的增產(chǎn)潛力，利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。綜上所述，考慮作物產(chǎn)量、資源利用率、地下水消耗、經(jīng)濟(jì)效益等，采用傳統(tǒng)種植模式與春玉米一熟相結(jié)合為主的種植模式，并間或與特用玉米兩熟或飼用—粒用玉米種植方式可降低農(nóng)業(yè)水資源的過(guò)度消耗，提高農(nóng)業(yè)資源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益，利于河北省農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家糧食安全。