洞庭湖區(qū)稻田主要種植模式物質(zhì)生產(chǎn)及光溫資源利用效率的比較*

趙 楊, 高杜娟, 李 超, 陳友德, 崔 婷, 童中權(quán), 羅先富**

(1. 湖南省水稻研究所 長沙 410125; 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游秈稻遺傳育種重點實驗室 長沙 410125; 3. 湖南省土壤肥料研究所 長沙 410125; 4. 湖南省南縣農(nóng)業(yè)局 南縣 413200)

湖南北部的洞庭湖區(qū)(28o03′～30o20′N, 110o40′～113o30′E)以洞庭湖為核心, 包括東部河湖沖積平原、南部環(huán)湖丘陵崗地和西部低山地區(qū), 耕地面積約有90萬 hm, 嚴寒期短, 年均氣溫為16.5～17.2 ℃, 無霜期258～275 d, 年均降水量為1250～1450 mm, 適宜種植水稻(L.)、油菜(L.)、棉花(spp.)等作物。近年來, 由于全球氣候發(fā)生變化、年平均氣溫持續(xù)增加, 極端天氣發(fā)生頻繁, 以及從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力成本不斷上漲等多種自然和社會因素, 導致湖區(qū)原有種植模式已經(jīng)發(fā)生了相應(yīng)調(diào)整。棉花、麻類等作物種植面積逐漸減小, 水稻、油菜等作物種植面積不斷增大。種植制度正朝高資源利用率和高經(jīng)濟效益方向發(fā)展。

李淑婭等發(fā)現(xiàn)長江中游地區(qū)種植春玉米(L.)-晚稻和雙季玉米模式周年產(chǎn)量、光能生產(chǎn)效率、光能利用率、積溫生產(chǎn)效率、水分利用率及經(jīng)濟效益均顯著高于早稻-秋玉米和雙季稻模式, 確認春玉米–晚稻和雙季玉米種植模式適宜在長江中游地區(qū)推廣。陳偉在西南地區(qū)的四川丘陵旱地研究發(fā)現(xiàn)飼草油菜-春玉米套作夏大豆[(L.) M.]模式是干物質(zhì)生產(chǎn)效率和干物質(zhì)產(chǎn)能、光溫水資源生產(chǎn)效率的最高模式, 冬種的飼草油菜相對糧、油生產(chǎn)有不同突出優(yōu)勢, 更要充分挖掘冬種理想替代作物。由此可見, 明確一種勞動力資源投入少、自然資源利用率高、經(jīng)濟效益好的豐產(chǎn)高效種植模式對糧油作物可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。前人對洞庭湖區(qū)稻田主要種植模式品種篩選、產(chǎn)量、養(yǎng)分利用、秸稈還田、溫室氣體排放、耕作方式等方面研究較多。而對稻田主要種植模式的資源利用水平、干物質(zhì)生產(chǎn)和經(jīng)濟效益等方面報道較少, 且缺乏優(yōu)勢模式應(yīng)用的理論依據(jù)。因此, 本研究通過比較4種稻田主要種植模式的干物質(zhì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)能, 光、溫資源利用以及經(jīng)濟效益, 探明洞庭湖區(qū)優(yōu)勢稻田種植模式, 為促進洞庭湖區(qū)資源優(yōu)化配置和構(gòu)建豐產(chǎn)高效種植模式提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016?2018年在湖南省益陽市南縣三仙湖鎮(zhèn)太平橋村(112°24′E, 29°09′N)進行。試驗區(qū)屬濕潤亞熱帶季風氣候, 年平均氣溫16.6 ℃, 降水量1238 mm, 日照時間1776 h。土壤類型為湖相沉積物發(fā)育的紫潮泥, 水解氮含量202.2 mg?kg, 有效磷含量11.5 mg?kg, 速效鉀含量80.1 mg?kg, 有機質(zhì)含量41 g?kg, pH為8.0。

1.2 試驗材料和設(shè)計

試驗田于2009年開始免耕, 2016年油菜季開始設(shè)計不同種植模式處理。試驗共設(shè)置4個種植模式, 分別為冬閑-中稻一熟制(IR)、油菜-中稻兩熟制(OR)、油菜-早稻-晚稻三熟制(ORR)、冬閑-早稻-晚稻兩熟制(IRR)。采用大區(qū)設(shè)計, 每個大區(qū)面積282 m(47 m×6 m), 大區(qū)開溝分廂作為重復, 共3廂, 每個廂面積為47 m×1.8 m, 溝寬度×深度=30 cm×20 cm。

1.2.1 冬閑-中稻一熟制模式(IR)

供試水稻品種為‘Y兩優(yōu)900’, 采用免耕人工撒播, 播種量45 kg?hm。水稻播種后3～4葉期施尿素90 kg?hm, 5～6葉期施復合肥(N∶PO∶KO=17%∶5%∶26%) 600 kg?hm, 幼穗分化期施120 kg?hm復合肥作穗肥。病蟲害和田間灌溉管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.2.2 油菜-中稻兩熟制模式(OR)

供試油菜品種為‘華湘油16’, 水稻品種為‘深兩優(yōu)5814’, 均采用免耕人工撒播, 播種量分別為3 kg?hm和45 kg?hm。油菜播種時用尿素45 kg?hm拌種作促苗肥, 3～4葉一心時追施尿素150 kg?hm, 5～6葉一心時追施復合肥(N∶PO∶KO=26%∶10%∶15%) 300 kg?hm, 以保證冬發(fā)壯苗。水稻施肥、病蟲害和水分管理措施同冬閑-中稻一熟制模式。

1.2.3 油菜-早稻-晚稻三熟制模式(ORR)

供試油菜品種為‘華湘油16’, 早稻品種為‘中早39’, 晚稻品種為‘H優(yōu)518’。油菜播種、施肥、病蟲害和水分管理措施同油菜-中稻兩熟制模式。早晚稻均采用免耕拋秧, 早稻密度40萬穴?hm, 晚稻密度35萬穴?hm。拋秧7 d后施尿素150 kg?hm, 幼穗分化期施復合肥(N∶PO∶KO=17%∶5%∶26%) 450 kg?hm。

1.2.4 冬閑-早稻-晚稻兩熟制模式(IRR)

早晚稻供試品種、播種方式、病蟲害和肥水管理措施同油菜-早稻-晚稻模式。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 干物質(zhì)生產(chǎn)效率與干物質(zhì)產(chǎn)能

收獲時采用每廂對角線設(shè)前、中、后3個點, 每個點取1 m(1 m×1 m)植株地上部, 將油菜籽和油菜植株其余器官分開, 稻谷與水稻植株其余器官分開, 105 ℃殺青30 min, 80 ℃烘干至恒重后稱重, 計算每公頃干物質(zhì)生產(chǎn)量。

干物質(zhì)生產(chǎn)效率以單位面積干物質(zhì)的產(chǎn)量表示, 單位kg?hm。干物質(zhì)產(chǎn)量轉(zhuǎn)換為能量以干重熱值(燃燒值)來表示。干重熱值(GCV)是指每千克干物質(zhì)完全燃燒所釋放的能量(MJ?kg)。本試驗油菜稈干重熱值為14.13 MJ?kg, 油菜籽干重熱值為26.33 MJ?kg; 稻草干重熱值為14.04 MJ?kg, 稻谷干重熱值為15.47 MJ?kg。干物質(zhì)產(chǎn)能以單位面積生產(chǎn)的干物質(zhì)產(chǎn)量干重熱值表示。

1.3.2 產(chǎn)量測定

成熟期, 每廂對角3點取樣, 每樣點取3 m(1 m×3 m)植株, 油菜調(diào)查株數(shù), 水稻調(diào)查穴數(shù)、有效穗數(shù), 并實收測產(chǎn), 取10穴代表性植株考種。

1.3.3 積溫和光能生產(chǎn)效率測定

氣象數(shù)據(jù)由南縣氣象局提供, ≥10 ℃有效積溫參考嚴定春等報道的方法計算。根據(jù)光照時數(shù)計算太陽總輻射=(+/),為天文輻射,為太陽實測日照時數(shù),為太陽可照時數(shù),/為日照百分率,、為待定系數(shù)。

1.3.4 經(jīng)濟效益

油菜、中稻、早稻和晚稻銷售單價分別為5.0元?kg、2.4元?kg、2.2元?kg和2.4元?kg。成本包括用工、機械、種子、肥料、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料。用工標準和生產(chǎn)資料價格依據(jù)湖南省益陽市當?shù)貙嶋H用工及物價水平確定。油菜成本包括種子450元?hm, 農(nóng)藥900元?hm, 化肥2850元?hm, 機械開溝和收割1950元?hm, 播種、施肥和打藥人工1050～1200元?hm; 油菜補貼150元?hm。中稻成本包括種子2700元?hm(‘深兩優(yōu)5814’)和3600元?hm(‘Y兩優(yōu)900’), 農(nóng)藥1650元?hm, 化肥3000元?hm, 機械收割1200元?hm, 播種、施肥和打藥等人工1950～2100元?hm; 中稻補貼2250元?hm。早稻成本包括種子420元?hm, 農(nóng)藥1650元?hm, 化肥3000元?hm, 育秧盤和農(nóng)膜600元?hm, 機械收割1200元?hm, 拋秧、施肥和打藥等人工4800～4950元?hm; 早稻補貼2250元?hm。晚稻成本包括種子2250元?hm, 農(nóng)藥1650元?hm, 化肥3000元?hm, 育秧盤300元?hm, 機械收割1200元?hm, 拋秧、施肥和打藥等人工4800～4950元?hm; 晚稻補貼2250元?hm。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與計算

用Microsoft Excel 2007計算數(shù)據(jù)和作圖, 用SPSS統(tǒng)計軟件進行方差分析, LSD法進行多重比較, 顯著性水平設(shè)定為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式的生育進程比較

4種種植模式對全年時間的利用情況如表1所示, IR模式生長季節(jié)最短, 集中于5月下旬至10月中上旬, 周年生育期平均138.5 d, 僅為全年時間的37.9%, 時間利用率低。IRR兩熟制模式生長季集中于當年4月上旬至10月中下旬, 重疊期24 d左右, 周年生育期天數(shù)較IR模式增加57～67 d, 但周年平均時間利用率也僅為55.0%, 冬季時間無法利用。ORR模式生長季節(jié)最長, 周年平均可達364.5 d, 3季作物間生育期重疊較長, 為42～44 d, 生育季節(jié)緊張, 2016?2017周年生育期甚至超過365 d, 表明部分年份周年內(nèi)3季作物均安全成熟存在較大風險。OR模式周年生育期跨度長, 從上年10月到次年10月均可利用, 時間利用率較高, 兩周年分別為85.5%和92.3%, 兩季作物間沒有重疊期。

表1 不同種植模式生育期天數(shù)及播種期和收獲期Table1 Growth period and date of sowing and harvest of different cropping systems

2.2 不同種植模式干物質(zhì)生產(chǎn)效率及分配

比較4種種植模式的周年干物質(zhì)生產(chǎn)效率, 可以看出三熟制>兩熟制>一熟制, 兩年試驗結(jié)果相同。2016?2017年各模式間差異顯著。2017?2018年OR和IRR模式差異不顯著, 其他模式間差異顯著。從表2可以看出, 第2季和第3季作物水稻全株干物質(zhì)生產(chǎn)效率為第1季作物油菜全株的1.39～2.21倍, 因此種植兩季水稻的ORR和IRR模式干物質(zhì)生產(chǎn)效率較種植一季水稻的OR和IR模式大幅增加。但由于一季稻生育期較長, 其干物質(zhì)生產(chǎn)效率高于雙季稻平均值, 再利用冬季時間增加一季油菜, OR種植模式仍可獲得較高的干物質(zhì)生產(chǎn)效率, 周年干物質(zhì)生產(chǎn)效率平均值較三熟制減少23.3%, 較一熟制增加31.9%。

表2 不同種植模式的周年干物質(zhì)生產(chǎn)效率Table2 Efficiency of dry matter production in different cropping systems kg?hm?2

2.3 不同種植模式干物質(zhì)產(chǎn)能

由表3可知, 不同種植模式周年干物質(zhì)產(chǎn)能差異較大, 三熟制>兩熟制>一熟制, 兩年試驗結(jié)果相同。干物質(zhì)產(chǎn)能與干物質(zhì)生產(chǎn)效率變化規(guī)律相同, 2016?2017年各模式間差異顯著。2017?2018年OR和IRR模式差異不顯著, 其他模式間差異顯著。OR模式兩周年平均干物質(zhì)產(chǎn)能生產(chǎn)值較三熟制減少22.4%, 較一熟制增加38.6%。

表3 不同種植模式的干物質(zhì)產(chǎn)能Table3 Energy of dry matter production in different cropping systems ×104 MJ?hm?2

2.4 不同種植模式對有效積溫的利用與分配

2016年10月9日?2017年10月8日全年有效積溫為3257.9 ℃, 2017年10月29日?2018年10月28日全年有效積溫為3457.6 ℃。IR模式有效積溫分配率和積溫生產(chǎn)效率最低, 兩周年平均僅為70.0%和7.81 kg?hm?℃。ORR模式周年有效積溫分配率最高, 兩周年平均為100%, 2016?2017周年達102.5%, 表明三熟制部分年份周年內(nèi)存在熱量供應(yīng)不充足的限制和風險。從表4可以看出, 第1季作物油菜有效積溫分配率僅為第2季和第3季水稻的1/3～1/2, 但積溫生產(chǎn)效率為水稻的2～3倍, 表明增加一季冬季油菜作物的OR模式可利用冬季有效積溫, 提高周年積溫生產(chǎn)效率。

表4 不同種植模式的有效積溫分配與積溫生產(chǎn)效率Table4 Distribution of effective accumulated temperature and production efficiency in different cropping systems

2.5 不同種植模式對光能資源的利用與分配

周年光能資源利用如表5所示。2016年10月9日?2017年10月8日全年太陽總輻射為3918.9 MJ?m。2017年10月29日?2018年10月28日全年太陽總輻射為4340.9 MJ?m。比較4種模式, IR模式光能分配率最低, 兩周年均值低于50%。OR模式兩周年光能分配率分別為90.1%和85.3%, 光照資源充足且利用率高。而另一種兩熟制模式IRR兩周年光能分配率僅為70.5%和67.5%, 較OR模式分別降低19.6%和17.8%。2016?2017年ORR模式周年光能分配率達102.6%, 表明部分年份三熟制模式周年內(nèi)光照欠缺, 難以滿足3季作物的需求。由于水稻的干物質(zhì)生產(chǎn)量較油菜高, 因此IRR和IR模式周年光能生產(chǎn)效率高于ORR和OR模式。

表5 不同種植模式的光能資源分配與光能利用Table5 Distribution of light resources and light energy use efficiency in different cropping systems

2.6 不同種植模式的經(jīng)濟效益分析

由表6可以看出, IR模式周年經(jīng)濟效益均值為11 967元?hm, OR模式較IR模式多1季油菜, 經(jīng)濟效益可增加2328～2673元?hm, 為4種模式中經(jīng)濟效益最高的模式。ORR模式雖然周年總產(chǎn)值和補貼最高, 周年平均41 032元?hm, 但由于早晚稻均采用人工拋秧技術(shù)增加了成本, 且三季作物相互爭奪溫光資源, 產(chǎn)量降低, 造成一方面總產(chǎn)值難以提升, 另一方面成本增加的矛盾, 最終導致經(jīng)濟效益較低, 2017?2018年甚至僅為IRR模式的87.4%, 增加了一季作物經(jīng)濟效益反而降低。

表6 不同種植模式的經(jīng)濟效益比較Table6 Comparison of economic benefits of different cropping systems ￥?hm–2

3 討論和結(jié)論

3.1 不同種植模式干物質(zhì)生產(chǎn)效率與產(chǎn)能

作物干物質(zhì)是產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。在一定范圍內(nèi), 積累的干物質(zhì)越多, 籽粒產(chǎn)量越高, 干物質(zhì)產(chǎn)能也越高。敖和軍等和鄭本川等研究表明在適宜生長的環(huán)境條件下, 作物干物質(zhì)積累量和干物質(zhì)產(chǎn)能的提高主要由于生育期延長。本研究得出油菜-中稻兩熟制模式中中稻生育期長, 較早稻和晚稻干物質(zhì)積累量高, 與葉廷紅等研究結(jié)果一致, 而油菜可利用冬季時期, 兩季作物相加能固定和轉(zhuǎn)化較多的周年太陽輻射能, 可獲得更高的干物質(zhì)積累量和干物質(zhì)產(chǎn)能, 明顯高于一熟制冬閑-中稻模式。油菜-中稻模式干物質(zhì)積累量和干物質(zhì)產(chǎn)能雖沒有油菜-早稻-晚稻三熟制模式高, 但三熟制模式由于本身在環(huán)境變化和勞動力缺乏的背景下, 光溫資源和經(jīng)濟效益等方面存在一定的缺陷, 將會逐漸成為湖區(qū)被更替的種植模式。與另一種兩熟制冬閑-早稻-晚稻模式相比, 兩種模式干物質(zhì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)能相差較小, 通過合理搭配油菜和水稻品種、調(diào)整播種量等手段可以達到進一步增加油菜-中稻模式干物質(zhì)生產(chǎn)量的目的。

3.2 不同種植模式光溫資源利用率

熱量資源的合理匹配是種植制度研究的重要內(nèi)容。在全球氣候變化和極端天氣頻發(fā)的環(huán)境下, 糧食作物物候期也發(fā)生了相應(yīng)變化, 進一步影響了光溫水氣候資源的分配與利用效率。阮新民等和習敏等研究結(jié)果表明, 近年來江淮地區(qū)受氣候變化、自然災(zāi)害頻發(fā), 周年氣候資源分配與利用不合理問題凸顯, 導致作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降, 嚴重制約了江淮地區(qū)稻麥兩熟種植模式周年產(chǎn)量的進一步提高。呂偉生等分析了江西不同生態(tài)區(qū)1984?2013年氣象資料, 發(fā)現(xiàn)1999?2013年各地雙季稻安全生產(chǎn)期及溫光資源較1984?1998年發(fā)生明顯變化, 且地區(qū)間存在一定的差異, 雖然近年來各地區(qū)實際生產(chǎn)日期作了相應(yīng)的調(diào)整, 但仍與安全生產(chǎn)日期存在較大偏差。有研究者認為, 氣候變暖有利于多熟種植的發(fā)展, 可向北擴大作物播種面積, 提高復種指數(shù)。但也有研究者認為, 雖然中國一年兩熟制、一年三熟制的種植北界都有不同程度北移, 但極端天氣會導致低溫冷害和高溫熱害等發(fā)生頻率增加, 影響作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。因此, 不同地區(qū)宜因地制宜地調(diào)整種植結(jié)構(gòu)。本研究發(fā)現(xiàn)洞庭湖區(qū)油菜-早稻-晚稻三熟制模式不同季作物生育期共生期長, 茬口銜接緊張, 個別年份周年生育期甚至超過365 d, 光能分配率和有效積溫分配率超過100%, 互相影響不利實現(xiàn)豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì), 逐漸難以適應(yīng)氣候變化。相反, 冬閑-中稻一熟制生育期短, 周年時間利用率和光能分配率均低于50%, 有效積溫分配率也僅為70%, 光溫資源利用率低, 造成大量熱量資源浪費。雖然湖區(qū)年平均氣溫以0.19 ℃?(10a)的線性傾向率上升, 但低溫冷凍災(zāi)發(fā)生頻率呈增加的趨勢。冬閑-早稻-晚稻模式早稻易受倒春寒影響出現(xiàn)爛種爛秧, 晚稻易受寒露風影響出現(xiàn)結(jié)實率降低、千粒重下降等危害, 最終影響產(chǎn)量和米質(zhì)。而油菜-中稻兩熟模式, 10月播種油菜充分利用了冬季的光熱資源, 延長了生長季節(jié), 既提高了冬田利用率, 又緩解了1季有余、3季不足的矛盾, 光溫資源充裕且利用率高, 使水稻避開苗期低溫、抽穗期高溫的危害, 增加了作物生產(chǎn)的安全性, 兩季作物收割期氣溫適宜, 雨水較少, 既有利于提高油菜籽產(chǎn)量和出油率, 也有利于稻谷曬干、降低水分含量, 提高菜籽和稻米品質(zhì)。

3.3 不同種植模式經(jīng)濟效益

合理的作物種植模式, 一方面通過提升產(chǎn)量和品質(zhì)來增加產(chǎn)值, 另一方面可降低投入成本, 兩者相減擴大經(jīng)濟效益。本研究發(fā)現(xiàn)三熟制比一熟和兩熟制多種植一到兩季作物, 由于生產(chǎn)成本較高, 在周年溫光資源安全的前提下, 即使產(chǎn)值和補貼最高, 所得的經(jīng)濟效益仍然較低, 僅為冬閑-早稻-晚稻模式的97.0%、冬閑-中稻模式的73.0%、油菜-中稻模式的60.4%, 在溫光資源匱乏的年份, 產(chǎn)量下降, 經(jīng)濟效益更低, 這與王樂結(jié)果不同, 主要因為本研究油菜-早稻-晚稻種植模式采用人工拋秧, 成本較高。同樣冬閑-早稻-晚稻模式也存在人工成本較高的問題, 雖然雙季稻均有補貼, 但也難以彌補人工成本較高對經(jīng)濟效益的影響, 這與夏飛研究結(jié)果相同。近10年來, 長江流域為適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形勢發(fā)展的需要, 也逐漸在研究和推廣以人工或機械條播、撒播為主的油菜、水稻輕型栽培技術(shù), 且應(yīng)用面積在不斷擴大, 其目的是節(jié)省農(nóng)田里的勞力投入, 提高單位面積純經(jīng)濟效益。油菜-中稻兩熟制模式采用免耕直播大幅降低人工成本, 且中稻產(chǎn)量高, 油菜還可以增加一部分收入, 每公頃兩季收入超過1萬余元, 是目前洞庭湖區(qū)農(nóng)民廣泛接受的模式之一。近年來全國油菜生產(chǎn)面積處于振蕩下滑態(tài)勢, 油菜籽總產(chǎn)量下降, 然而湖南省油菜主要為冬季種植, 不與糧食作物爭地, 種植面積卻逆勢而上, 2018?2019年播種面積達到136.7萬hm, 且湖區(qū)機械化、輕簡化栽培技術(shù)推動油菜和水稻種植由移栽向直播的轉(zhuǎn)變, 降低對勞動力的需求, 減少勞動強度, 2019年部分地區(qū)冬閑田油菜補助提升至2250元?hm, 進一步增加種植效益。

油菜-中稻兩熟制模式具有較高的干物質(zhì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)能能力, 可實現(xiàn)全年光溫資源有效利用, 低投入高產(chǎn)出, 周年經(jīng)濟效益高, 有利于增加農(nóng)民收入, 以上諸多因素將促進湖區(qū)油菜-中稻模式面積不斷擴大。由此可見, 油菜-中稻模式是一種適宜洞庭湖區(qū)發(fā)展的優(yōu)勢種植模式。