吉林西部一年兩茬種植模式的作物產量及經濟效益研究

陶冬雪，胡 娟，高英志，周道瑋

(1.東北師范大學 草地科學研究所，植被生態(tài)科學教育部重點實驗室，吉林松嫩草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，吉林 長春 130024；2.中國科學院 東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所 吉林省草地畜牧重點實驗室，吉林 長春 130102)

0 引 言

20世紀全球溫度平均升高了0.6 ℃，預計在21世紀溫度將繼續(xù)上升1.4 ℃～ 5.8 ℃[1]。增溫延長了作物的生育期，且為發(fā)展一年兩茬種植模式提供了溫度基礎。吉林省西部半干旱地區(qū)是氣候變化過程中增溫最顯著的地區(qū)之一[2-3]，主產玉米和大豆等作物，一般為一年一季作物。一年兩茬種植模式能增加作物光合時間和土地覆蓋時長，降低春季土壤侵蝕，進而提高土地利用效率和生產力，有利于經濟的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護。

前人多項研究表明，一年兩茬種植模式可以增加作物對光和水的利用效率進而增加產量，顯著提高經濟效益[4-6]，在有限的資源和空間實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[7-9]。同時，一年兩茬種植模式可以提高作物對土、光、水及肥的利用率，為農業(yè)帶來高產的同時還有助于培肥土壤，減少病蟲害發(fā)生[10-11]。前人研究多集中于一年兩茬種植對作物產量的影響，而有關產量、產值及物候期、種植密度及水分管理的綜合研究較少，尤其缺乏半干旱地區(qū)一年兩茬種植模式的研究。

吉林省西部地區(qū)傳統(tǒng)的種植制度為玉米一年一茬，5月初種植，10月初收獲。如能有效利用4-5月和10-11月的光、熱及水資源，在提高生產力的同時還能增加植被覆蓋時間，提高土地利用率[12]，實現(xiàn)半干旱地區(qū)農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。該區(qū)春季低溫[13]，由于年內和年際的降水分布不均，旱災頻繁發(fā)生，春旱常導致延遲播種，制約農業(yè)經濟發(fā)展[14]。小麥和燕麥是重要的經濟作物，在4月初播種，較玉米播種期提前約一個月，可避免或減緩春旱威脅。種植密度對小麥群體或個體生長有明顯調控作用[15-20]，但有關半干旱地區(qū)種植密度調控小麥產量的研究鮮見報道。芥菜型油菜具有較強的抗旱性[21]，適宜半干旱地區(qū)種植。灌溉是半干旱地區(qū)有效的農業(yè)管理措施，然而，有關半干旱地區(qū)芥菜型油菜灌水量的研究甚少。因此，本文試圖從產量和經濟效益方面探究一年兩茬種植模式在吉林西部半干旱地區(qū)種植的可行性，并明確麥類作物適宜的種植密度以及芥菜型油菜適宜的灌水量，以期構建高效農作物栽培模式。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在吉林省白城市通榆縣(120°02′～123°30′E，44°12′～45°16′N)和松原市長嶺縣(123°44′～123°47′E，44°40′～44°44′N)進行。兩個試驗地均屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，四季分明，溫差大。通榆縣年均氣溫5.5 ℃，年平均日照2 900 h，10 ℃以上有效積溫2 920 ℃，無霜期164 d，年均降雨量350 mm，約70%降水集中在6-8月份。長嶺縣年平均氣溫4.9 ℃，年平均日照2 872 h，10℃以上有效積溫 2 919 ℃，無霜期140 d左右，年平均降水量470 mm。長嶺縣和通榆縣試驗區(qū)耕層土壤養(yǎng)分含量分別為有機質17.4 g·kg-1和18.5 g·kg-1，全氮0.99 g·kg-1和0.97 g·kg-1、有效磷5.91 mg·kg-1和6.22 mg·kg-1、速效鉀141 mg·kg-1和144 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

小麥品種選擇小冰麥(XiaobingTriticumaestivum)、澳麥(AustralianTriticumaestivum)、前青小麥(通榆縣前青村當?shù)囟嗄昶贩N，具體品種名未知)；燕麥品種選擇加燕2號(Avenasativa)，芥菜型油菜品種選擇芥辣菜(CanolahyolaSinapis)和黑芥末(CanolahyolaBrassica)；供試玉米品種為優(yōu)迪598(Zeamays)，供試白菜品種為德高371(Brassicapekinensis)。

1.3 試驗設計

于2018年在通榆縣和長嶺縣布置試驗。第一茬種植前青小麥、小冰麥、加燕2號、澳麥，于4月5日播種，播種量75 kg·hm-2。第二茬種植白菜、芥辣菜、黑芥末，在第一茬收獲后于7月22日播種，播種量5 kg·hm-2。試驗采用隨機區(qū)組設計，每處理3次重復，小區(qū)面積45.6 m×1.95 m。每處理均以磷酸二銨(N含量18%，P2O5含量46%)為種肥，施肥量300 kg·hm-2。第一茬7月上旬收獲，芥菜型油菜11月下旬收獲，其他田間管理同常規(guī)種植。玉米5月份播種，65 cm等行距種植，10月份收獲。白菜在7月份播種，10 cm等行距種植，10月份收獲。以當?shù)貍鹘y(tǒng)的種植模式玉米一年一茬為對照，設前青小麥/白菜、小冰麥/芥辣菜、小冰麥/黑芥末、澳麥/芥辣菜、澳麥/黑芥末、加燕2號/芥辣菜和加燕2號/黑芥末7種一年兩茬種植模式。

對第一茬小冰麥、加燕2號、澳麥種植處理進行密度裂區(qū)設計，設3個種植密度處理，分別為290株·m-2、245株·m-2、200株·m-2。對第二茬芥辣菜、黑芥末種植處理進行灌水量裂區(qū)設計，分別設常規(guī)灌水量9.04×104mm·hm-2(W1)、半干旱處理灌水量4.52×104mm·hm-2(W0.5)和干旱處理灌水量，即不灌溉(W0)。

1.4 測定項目與方法

觀察并記錄小冰麥、澳麥、加燕2號和前青小麥三葉期、分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、乳熟期和成熟期時間。觀察并記錄芥辣菜、黑芥末五葉期、現(xiàn)蕾期、抽苔期、開花期、綠熟期和成熟期時間。

小冰麥、澳麥、加燕2號、前青小麥、芥辣菜和黑芥末在成熟期按1 m2取莖葉和籽粒。玉米在成熟期按1 m2取莖葉和籽粒。白菜在成熟期按1 m2取全部植株地上部分并測產。每種作物測產取3次重復，白菜鮮重稱量，籽粒和莖葉在105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重后稱重，玉米籽粒稱重后按14%含水量折算產量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0進行數(shù)據(jù)處理，SigmaPlot 17.5制作圖表，LSD法進行差異顯著性檢驗，顯著水平(P)為5%，P<0.05為差異顯著，P≥0.05為差異不顯著。采用R 3.6.1和R stidio 1.1.463中reshape2和tidyverse包對生育期數(shù)據(jù)進行整理和分析，用ggplot2進行圖像的繪制。

2 結果與分析

2.1 生育期

一年一茬種植的玉米生育期為150 d，前青小麥/白菜總生育期175 d。小冰麥、澳麥、加燕2號與芥辣菜、黑芥末一年兩茬種植總生育期189～199 d(圖1)。說明一年兩茬種植較傳統(tǒng)玉米一年一茬種植明顯延長了作物生長的日期。

長嶺縣和通榆縣第一茬作物前青小麥、小冰麥和加燕2號的生育期為92 d，于4月5日播種后均表現(xiàn)為4月19日出苗，4月29日進入三葉期，5月4日進入分蘗期，5月21日進入拔節(jié)期，6月7日進入孕穗期，6月17日進入抽穗期，6月26日進入乳熟期，7月6日成熟并收獲。澳麥的生育期較前青小麥、小冰麥和加燕2號長5 d，總生育期102 d，主要延長了成熟期天數(shù)。

長嶺縣和通榆縣第二茬作物芥辣菜和黑芥末生育期97 d。兩種芥菜型油菜于7月22日播種后均表現(xiàn)為8月1日出苗，8月10日進入五葉期，8月20日進入現(xiàn)蕾期，8月28日進入抽苔期，9月17日進入開花期，10月8日進入綠熟期，10月27日成熟并收獲。

2.2 產量和產值

第一茬前青小麥、小冰麥、澳麥和加燕2號莖葉和籽粒的產量和產值存在顯著差異(表1)。小冰麥莖葉產量顯著高于前青小麥、加燕2號和澳麥，前青小麥和加燕2號莖葉產量顯著高于澳麥(P<0.05)。加燕2號的莖葉產值顯著高于其他3種小麥，提高幅度為13.4倍～18.0倍。前青小麥、小冰麥、澳麥的籽粒產量顯著高于加燕2號(P<0.05)。小冰麥和加燕2號的籽粒產值較前青小麥和澳麥分別顯著提高19.2%～29.0%和9.3%～18.4%(P<0.05)，且小冰麥籽粒產值較加燕2號高9.0%。第二茬白菜總產量顯著高于兩種芥菜型油菜，且總產值比芥辣菜和黑芥末分別顯著提高了19.7%和26.2%。芥辣菜的產量和產值較黑芥末高6.8%和5.4%，未達顯著水平。

表1 不同種植作物產量和總產值對比Table 1 Comparison of yield and gross production value of different planting crops

注：圖中數(shù)字表示該生育時期的天數(shù)。Note:The numbers in the figures indicate the number of days required for the phenology.圖1 不同種植模式作物的生育期變化Fig.1 Crop phenology in different treatments

第二茬種植白菜有較高的產值，但白菜種植的田間管理耗時費力，一旦管理不當會導致嚴重減產，同時投入成本非常高，僅農藥成本約達8 000 yuan·hm-2。另外，白菜市場價格受控于各種因素，在大面積種植的情況下很容易引起秋季滯銷現(xiàn)象，造成堆積腐爛受損。而種植芥菜型油菜投入成本低，田間管理簡單，收獲效益較高。玉米一年一茬產值為26 337 yuan·hm-2，一年兩茬種植較玉米一年一茬總產值提高42.4%～94.0%(圖2)。加燕2號/芥辣菜和加燕2號/黑芥末種植模式總產值較高，分別達51 092 yuan·hm-2和50 042 yuan·hm-2，分別是玉米的1.94倍和1.90倍。

2.3 灌水量對芥菜型油菜籽粒產量的影響

不同灌水量對芥辣菜和黑芥末籽粒產量有顯著影響(圖3)。W0.5和W1處理芥辣菜和黑芥末籽粒產量均顯著高于W0處理(P<0.05)，但W0.5和W1處理間差異不顯著。W0.5處理芥辣菜籽粒產量為3 665 kg·hm-2，較W1處理低2.6%；W0.5處理黑芥末籽粒產量為3 308 kg·hm-2，較W0.5處理低7.9%。上述研究結果表明，對芥辣菜和黑芥末進行灌溉控制，灌水量處理為W0.5時兩種芥菜型油菜籽粒產量可以達到較高水平。

注：不同字母代表不同種植模式總產值的差異(P<0.05)。Note:Different letters represent significant differences in gross production values of different planting patterns(P<0.05).圖2 不同種植模式總產值比較 Fig.2 Comparison of gross production value of different planting patterns

2.4 種植密度對小麥籽粒產量的影響

不同種植密度處理對小麥籽粒產量有顯著影響(圖4)。245株·m-2和290株·m-2處理小冰麥、澳麥和加燕2號籽粒產量均顯著高于200株·m-2處理(P<0.05)。盡管245株·m-2和200株·m-2處理間差異不顯著，但245株·m-2處理小冰麥、澳麥和加燕2號籽粒產量分別達7 820 kg·hm-2、6 060 kg·hm-2和3 130 kg·hm-2，較290株·m-2處理分別高10.4%、8.7%和3.9%。

注：不同字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Different letters represent significant differences between treatments at P<0.05.The same is as below.圖3 灌水量對油芥菜籽粒產量的影響Fig.3 Effects of irrigation amounts on grains yields and water efficiency of Canola

圖4 種植密度對小麥和燕麥籽粒產量的影響Fig.4 Effects of planting densities on wheat grain yields

3 討 論

氣候變暖對農作物生長最直接的影響是延長作物生長季[22]。相關研究指出，半干旱地區(qū)出苗日期的推遲主要是由播種日期推遲引起的[23]，而第一茬四月份種植小麥使出苗期提前。第二茬種植芥菜型油菜，其具有抗寒能力，成熟日期的推遲有利于延長芥菜型油菜籽粒生長時間，提高千粒重，有利于增加產量[24]。氣候變暖使東北區(qū)適宜作物生長期延長10天左右，提高了一年種植兩茬作物的可行性[25]。吉林西部一年兩茬種植模式，相比于當?shù)貍鹘y(tǒng)的玉米一年一茬種植不僅延長了作物生長日期，而且顯著增加了產值，總產值提高42.4%～94.0%。加燕2號和芥辣菜一年兩茬種植模式經濟效益最高，是玉米一年一茬種植模式的1.94倍。第一茬種植加燕2號，有利于推動吉林省西部地區(qū)農牧交錯帶糧經飼改革，同時引進的小冰麥和澳麥品種適宜在當?shù)厣L，且產量高于當?shù)乇就列←?前青小麥)。此外，第二茬種植白菜和芥菜型油菜也有較高的產量和產值。白菜是一種重要的蔬菜，但白菜市場價格受控于各種因素，在大面積種植的情況下很容易引起秋季滯銷現(xiàn)象。而芥菜型油菜具有很高的經濟價值，是我國重要的食用植物油來源[26]，是當?shù)氐男屡d作物具有很好的銷售前景，而且有望通過大面積種植在當?shù)亟⒂辛霞庸ぎa業(yè)，促進當?shù)亟洕l(fā)展。

在栽培管理過程中，可通過適量灌溉、調整種植密度等措施來減少資源浪費和增加作物產量。已有研究表明，種植密度對作物產量及其構成因素具有明顯調控作用，在一定種植密度范圍內，產量隨種植密度的增加而增加，當種植密度達到一定水平后，產量隨種植密度增加呈下降趨勢[27-28]。本研究表明，種植密度為245株·m-2小冰麥、澳麥、加燕2號的產量顯著高于200株·m-2，而種植密度為290株·m-2的產量低于245株·m-2。種植密度是協(xié)調群體與個體最有效的措施[29]，低密度條件下個體發(fā)育良好，而密度超過一定限度，葉面積指數(shù)過大，小麥生長中后期植株互相遮蔭嚴重，冠層中下部通風透光不良，導致光合速率顯著降低，群體生物量顯著減少[30-31]。芥菜型油菜是相對耐旱作物，根據(jù)降水量合理調整灌水量不僅可以節(jié)約用水，而且對于半干旱地區(qū)作物產量和水分消耗具有重要作用。本研究結果表明，不同灌水量芥菜型油菜水分利用效率表現(xiàn)為W0.5>W1>W0，說明，與常規(guī)灌水量相比，當灌水量減少一半時有利于提高水分利用效率。

4 結 論

吉林西部地區(qū)適宜發(fā)展一年兩茬種植模式。一年兩茬種植模式較玉米一年一茬種植模式延長作物生長期25～49 d，比傳統(tǒng)玉米一年一茬種植模式能產生更多經濟效益，總產值提高42.4%～94.0%。加燕2號/芥辣菜和加燕2號/黑芥末產值顯著高于其他一年兩茬種植模式，更適宜在吉林西部半干旱地區(qū)推廣。第一茬作物小冰麥、澳麥和加燕2號的最佳種植密度為245株·m-2，第二茬作物芥辣菜和黑芥末的最佳灌水量為4.52×104mm·hm-2。