長江中游典型稻田種植模式的資源利用率及綜合效益

楊濱娟，袁嘉欣，胡啟良，劉寧，黃瑤，黃國勤

江西農(nóng)業(yè)大學生態(tài)科學研究中心/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點實驗室，南昌 330045

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，充分合理地利用光、溫、水、土等資源，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要前提和保障。但近年來長江中游普遍存在種植制度單一，光、溫、水資源利用率不足，過量施用化學肥料等一系列問題，嚴重影響了該區(qū)域的糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。發(fā)展多熟種植可以在時間和空間上高效集約化利用光、溫、水、土等資源，可以獲得更高的資源利用率[1］。眾多學者對多熟輪作種植模式的資源利用效率進行了大量研究。張帆等[2］研究表明，馬鈴薯-雙季稻的年總光能利用率顯著高于其他模式，油菜-雙季稻的年有效積溫利用率顯著高出其他模式3.45%~51.81%。龔松玲等[3］研究表明，與早稻-晚稻種植模式相比，春玉米-晚稻和再生稻種植模式的光能生產(chǎn)效率、積溫生產(chǎn)效率分別提高了16.5%和14.6%、15.1%和12.5%。Wang等[4］研究表明，棉麥間作、棉麥連作模式與棉花單作模式相比，顯著提高了作物生產(chǎn)力、光能利用率和輻射利用率。建立種植模式綜合評價指標體系可以評價種植模式的優(yōu)劣，從不同層次、不同角度，得出客觀、整體、全面和系統(tǒng)的結(jié)果[5-6］。李鵬紅等[7］通過熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)度法耦合，綜合分析了旱地胡麻地膜利用的經(jīng)濟效益，結(jié)果表明，舊膜直播模式能提高舊膜利用率，提高經(jīng)濟效益。周海波等[8］采用群決策方法，建立綜合評價指標體系，對雙季稻田三熟制不同種植模式的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益進行綜合評價，結(jié)果表明，“綠肥-稻-稻”和“薯-稻-稻”是綜合效益較好的2 種模式。崔愛花等[9］采用灰色關(guān)聯(lián)度法，針對紅壤旱地不同復種模式，綜合評價了經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益13 個指標，發(fā)現(xiàn)混播綠肥（油菜×紫云英×肥田蘿卜）復種模式的加權(quán)關(guān)聯(lián)度最高，是兼顧經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益的較優(yōu)模式，適宜在紅壤旱地推廣。古翼瑞等[10］通過AHP綜合效益指數(shù)評價法圍繞水稻相關(guān)種植模式的綜合效益進行評價，結(jié)果顯示，“春菜-中稻-秋馬鈴薯”模式綜合效益排名最高、確保糧食高產(chǎn)量和高效益。本研究選取長江中游典型多熟種植模式，分析冬季作物及其種植模式的光、溫及土地等資源利用的特點，探究稻田不同種植模式的綜合效益，以期為篩選利用適合長江中游地區(qū)的高效種植模式提供理論支持和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018 年9 月至2020 年12 月，在江西農(nóng)業(yè)大學科技園水稻試驗田（28°46′N、115°55′E）進行。試驗地屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，雨熱同期、光照充足。年均太陽總輻射量為6 330.25 MJ/m2，年均≥0 ℃的日積溫6 997.7 ℃，年均≥10 ℃的有效積溫4 087.4 ℃，年均降水量1 921.4 mm。供試土壤為紅黏土，試驗田土壤基本化學性質(zhì)：pH 值5.22，有機質(zhì)含量28.56 g/kg，全氮含量1.79 g/kg，堿解氮含量151.8 mg/kg，有效磷含量27.48 mg/kg，速效鉀含量103.74 mg/kg。試驗期間日平均氣溫與降水變化如圖1所示。

圖1 試驗期間日平均氣溫與降水量變化Fig.1 Daily mean temperature and precipitation changes during the test period

1.2 試驗設計

根據(jù)試驗要求，設5 個處理，每個處理3 次重復，隨機區(qū)組排列，共15個小區(qū)。以“紫云英-早稻-晚稻”為對照，另設置4 個不同種植模式，每個試驗小區(qū)面積為33 m2（11 m × 3 m），小區(qū)間用高30 cm 的水泥埂隔開。具體試驗處理為：紫云英-早稻-晚稻（CK，CRR）；紫云英-早稻-甘薯||晚大豆（CRI）；油菜-早稻-晚稻（RRR）；油菜-早稻-甘薯||晚大豆（RRI）；馬鈴薯-早稻-晚稻（PRR）。紫云英、油菜是均勻撒播，馬鈴薯切塊浸種種植后覆蓋稻草。紫云英播種量為37.5 kg/hm2，油菜播種量為15 kg/hm2，馬鈴薯種植密度為73 000 株/hm2，并使用稻草覆蓋。所有冬季作物均在水稻移栽前15 d 翻壓還田，冬季秸稈還田量見表1。甘薯大豆采用開溝起壟的方式種植，壟寬1.2 m，壟高0.35 m，每壟種4 行大豆1 行甘薯，甘薯兩邊各2行大豆，甘薯與大豆間行距0.3 m，甘薯株距0.25 m；大豆間行距0.2 m，株距0.2 m。水稻在移栽前25~30 d 育秧，移栽時，水稻行距為0.2 m，株距為0.2 m。種植時間、施肥量及施肥方法詳見表2，其他田間管理同一般大田試驗。

表1 冬季作物秸稈還田量Table 1 Quantity of crop straw mulching in winter kg/hm2

表2 田間管理Table 2 Field management

1.3 植株干物質(zhì)測定

在作物成熟期每小區(qū)按平均莖蘗法隨機取5 穴（小區(qū)邊行不取），分成葉片、莖鞘和穗（抽穗后）等部分裝袋，于105 ℃條件下殺青30 min，再經(jīng)80 ℃烘干至恒質(zhì)量，用于測定各處理植株干物質(zhì)積累與分配情況。

1.4 光、溫及土地資源利用率

記錄不同作物的播種（移栽）、收獲或翻壓時間（計算生育期），統(tǒng)計不同作物季的光、溫資源量，其中光以總輻射量計算，溫度以作物有效積溫計算。以最早播種的冬季作物開始到次年晚稻收獲為1 周年（即本試驗的2 a 時間為2018-09-30?2019-10-30和2019-09-30?2020-12-03），試驗地2 a 的氣象資料來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。具體的光、溫及土地資源利用率的計算公式參照文獻[11-13］。各作物單位干物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的熱量計算方法參照文獻[14］。

1.5 綜合效益分析

統(tǒng)計不同作物生產(chǎn)過程中的投入產(chǎn)出情況，計算不同種植模式的投入產(chǎn)出指標。采用灰色關(guān)聯(lián)度法[15］，根據(jù)評價耕作制度[5，8，16］的綜合評價指標體系，選取經(jīng)濟效益（5個指標）、生態(tài)效益（5個指標）和社會效益（3個指標）共13個指標進行評估，并對各指標原始數(shù)據(jù)進行無量綱化[17］，采用極差正規(guī)化法[14］計算各處理各指標的無量綱化值，并計算關(guān)聯(lián)系數(shù)[17］和加權(quán)關(guān)聯(lián)度[18］。具體計算公式見文獻[15-18］。

1.6 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2019 處理數(shù)據(jù)，用SPSS20.0 系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，用LSD 進行樣本平均數(shù)的差異顯著性比較，用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 稻田不同種植模式對資源利用效率的影響

1）各種植模式光能生產(chǎn)效率及周年利用率。根據(jù)各作物單位干物質(zhì)熱量[14］，得出不同種植模式的光能生產(chǎn)效率與周年利用率（表3）。由表3 可知，2019 年，處理CRI、RRI 晚稻季和周年的光能生產(chǎn)效率顯著高出對照處理38.68%、29.25%和17.39%、24.64%（P<0.05），處理RRR、PRR 的周年光能生產(chǎn)效率顯著高出對照處理13.04%、18.84%（P<0.05）。2020 年，除處理RRR 外，處理CRI、RRI、PRR 的早稻季和周年光能生產(chǎn)效率均顯著高于對照（P<0.05），增幅為1.08%~6.45% 和19.05%~41.27%。處理CRI、RRI 的晚稻季光能生產(chǎn)效率分別顯著高出對照處理67.86%、55.95%（P<0.05）。2019 年，各處理的年總光能利用率顯著高出對照處理10.98%~35.37%（P<0.05）。2020 年，除處理RRR 外，其余3個處理的年總光能利用率均顯著高于對照處理（P<0.05），增幅為22.22%~50.00%。綜合來看，2 a 間，處理CRI、RRI、RRR 的周年光能生產(chǎn)效率和年總光能利用率較高，其中，處理RRI 表現(xiàn)較好，光能生產(chǎn)效率和年總光能利用率最高；其次是處理CRI，紫云英生育期較長，在晚稻成熟期時與晚稻套播。冬種油菜、紫云英并水旱輪作能充分利用太陽輻射，提高輻射利用率。

表3 不同種植模式的光能生產(chǎn)效率與周年利用率Table 3 Solar radiation production efficiency and annual use efficiency of different cropping systems

2）積溫生產(chǎn)效率及周年利用率。表4 反映了稻田不同種植模式對有效積溫生產(chǎn)效率和年有效積溫利用率的影響。除處理CRI外，其余3個處理的周年積溫生產(chǎn)效率均顯著高出對照處理8.28%~25.44%（2019 年）和21.09%~26.78%（2020 年）（P<0.05）。2019 年，各處理冬作季的有效積溫生產(chǎn)效率差異顯著（P<0.05），其中處理RRI 達到最大。早稻季、晚稻季和周年均是處理PRR 達到最大，且在周年時與其他處理間均差異顯著，顯著高出10.99%~34.46%（P<0.05）。2020 年冬作季與2019 年趨勢一致。早稻季各處理的有效積溫生產(chǎn)效率差異不顯著（P>0.05）；晚稻季處理CRI、RRI 的有效積溫生產(chǎn)效率顯著高于其他處理（P<0.05）；RRI 的周年有效積溫生產(chǎn)效率達到最大，且僅與對照處理差異顯著（P<0.05），高出26.30%。因此，馬鈴薯-早稻-晚稻和油菜-早稻-甘薯||晚大豆模式表現(xiàn)較好，提高了有效積溫生產(chǎn)效率。

表4 不同種植模式的積溫生產(chǎn)效率與周年利用率Table 4 Growing degree days（GDD）production efficiency and annual use efficiency of different cropping systems

從年有效積溫利用率來看，冬種紫云英處理（CRR、CRI）的年有效積溫利用率均較高，其次是冬種油菜處理（RRR、RRI）。原因主要是紫云英在晚稻成熟期時與其套播，加之紫云英生育期較長，能利用的有效積溫高，因此，處理CRI 和處理CRR 表現(xiàn)較好，提高了積溫利用率。

3）土地利用率。由表5 可知，2019 年，CRI 土地利用率最高，其次是處理CRR，平均土地利用率達101.51%，處理RRR、RRI 的土地利用率均在90%以上。2020年，處理CRR的土地利用率最高，處理CRI次之，平均土地利用率達105.76%，其余處理均在90%以上。綜合2 a 數(shù)據(jù)來看，冬種紫云英處理（CRI、CRR）的土地利用率較高，其次是冬種油菜處理。

表5 不同種植模式的土地利用率Table 5 Land use efficiency of different cropping systems

2.2 稻田不同種植模式的綜合效益分析

為分析比較稻田不同種植模式的綜合效益，選取13 個指標（表6）進行綜合分析。由表6 可知，2019年經(jīng)濟總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)費用盈利率、光能利用率、積溫利用率、耕地資源生產(chǎn)率、糧食產(chǎn)量均是處理CRI 最高。純收入、經(jīng)濟產(chǎn)投比、勞動凈產(chǎn)值率均以處理PRR 表現(xiàn)最好，而有機質(zhì)增加比及溫室氣體增溫潛勢以處理RRI 表現(xiàn)最好。2020 年經(jīng)濟總產(chǎn)值、純收入、農(nóng)業(yè)費用盈利率、勞動凈產(chǎn)值率、耕地資源生產(chǎn)率、糧食產(chǎn)量、糧食安全指數(shù)均以處理CRI 表現(xiàn)最好，光能生產(chǎn)率、溫室氣體增溫潛勢以處理RRI 表現(xiàn)最好，而處理PRR 的經(jīng)濟產(chǎn)投比達到最大，處理CRR的積溫生產(chǎn)率最大。

由于表6中的各指標量綱不統(tǒng)一，將指標進行無量化處理，得到稻田不同種植模式各指標的無量綱后的值（表7），求出不同模式各項指標的等權(quán)關(guān)聯(lián)系數(shù)（表8）。為更客觀地對稻田種植模式進行評價，本研究設置經(jīng)濟效益權(quán)重為0.5、生態(tài)效益權(quán)重為0.3、社會效益權(quán)重為0.2，使用加權(quán)關(guān)聯(lián)度對各處理進行綜合效益評價（表9）。

表6 稻田不同種植模式的綜合效益評價指標初始值Table 6 Raw data of comprehensive benefits evaluation indexes of different cropping patterns in paddy field

表7 稻田不同種植模式的綜合效益評價的無量綱化值Table 7 Dimensionless values of comprehensive benefits evaluation indexes of different cropping patterns in paddy field

表8 稻田不同種植模式綜合效益評價指標的等權(quán)關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 8 Correlation coefficients of comprehensive benefit evaluation indicators of different cropping patterns in paddy field

由表9可知，2019年各模式的經(jīng)濟效益值排序為PRR>CRI>RRI>CRR>RRR，生態(tài)效益排序為CRI>RRI>CRR>RRR>PRR，社會效益排序為CRI>PRR>RRI>CRR>RRR。不同處理的綜合效益加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序為CRI>PRR>RRI>CRR>PRR，處理CRI 的加權(quán)關(guān)聯(lián)度最大，表明此處理的綜合效益最高。2020 年各模式的單項效益指數(shù)：經(jīng)濟效益表現(xiàn)為CRI>PRR>RRI>CRR>RRR，生態(tài)效益表現(xiàn)為CRI>RRI>CRR>RRR>PRR，社會效益為CRI>RRI>PRR>CRR>RRR。不同處理的綜合效益加權(quán)關(guān)聯(lián)度排序為CRI>RRI>PRR>CRR>PRR，依舊是處理CRI 的加權(quán)關(guān)聯(lián)度最大，表明處理CRI 的綜合效益最高，能夠兼顧經(jīng)濟、生態(tài)、社會三大效益，是能夠推動稻田高產(chǎn)高效種植的較優(yōu)模式。綜合2 a 試驗結(jié)果，紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式的綜合效益最優(yōu)。

表9 不同種植模式的綜合效益評價（2019?2020）Table 9 Comprehensive benefits evaluation of different cropping patterns（2019?2020）

3 討 論

研究表明，多熟種植模式比冬閑單作模式能提高資源利用率，麥稻模式和油稻模式的積溫利用率、輻射利用率和土地利用率與冬閑對照模式相比均處于較高水平，其中麥稻模式表現(xiàn)最優(yōu)，分別達到94.2%、95.5%和86.3%[19］。Zhang 等[20］研究結(jié)果表明，與不施氮肥相比，減氮、減氮+交替灌溉、減氮+有機肥模式均能提高糧食產(chǎn)量和資源利用效率。本試驗各模式中，處理RRI 的周年光能生產(chǎn)效率和年總光能利用率較高，其次是處理CRI，表明冬種油菜、紫云英并晚稻季水旱輪作模式能充分利用太陽輻射，對于光能的獲取具有一定的優(yōu)勢，有利于周年生物量的提高。

Su 等[21］研究表明，選用生長期較長的玉米品種可以有效地提高積溫利用率。本試驗結(jié)果表明，冬種紫云英模式的年有效積溫利用率均較高，冬種油菜處理次之。原因主要是紫云英在晚稻成熟期撒播后生育期較長，獲得的有效積溫較多，提高了有效積溫利用率。除處理CRI外，其余3個處理的周年積溫生產(chǎn)效率均顯著高出對照處理8.28%~25.44%（2019 年）和21.09%~26.78%（2020 年）（P<0.05），其中以處理PRR 和RRI 表現(xiàn)較好，主要是由于冬種油菜、馬鈴薯（經(jīng)濟作物）的產(chǎn)量較高。

為了更全面客觀地評價農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，反映各種植模式對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的整體效益功能[22］，本試驗采用灰色關(guān)聯(lián)度法對稻田不同種植模式進行經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的綜合效益評價。由于不同種植模式總產(chǎn)量、種植成本、用工成本的差異較大，所以，經(jīng)濟效益差異較大。本試驗結(jié)果表明，稻田不同種植模式下，處理CRI 和PRR 的經(jīng)濟效益表現(xiàn)較好，主要是晚稻季時種植甘薯和晚大豆，且冬種馬鈴薯有利于提升后茬雙季稻的產(chǎn)量，所以經(jīng)濟效益較高。處理RRI 雖然周年產(chǎn)量較高，但種子和肥料成本較高，增加了成本投入，所以經(jīng)濟效益低于處理CRI和PRR。處理CRI、RRI的生態(tài)效益表現(xiàn)較好，主要是晚稻季種植旱作物溫室氣體增溫潛勢最小，有利于溫室氣體減排，且有機質(zhì)增加比也較高，有利于增加土壤肥力，所以生態(tài)效益較好。綜合2 a數(shù)據(jù)，不同種植模式的綜合效益均是處理CRI 的加權(quán)關(guān)聯(lián)度最大，表明紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式的綜合效益最高，能夠兼顧經(jīng)濟、生態(tài)、社會三大效益，對長江中游地區(qū)的稻田種植模式優(yōu)化具有重要意義，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述，2 a內(nèi)，油菜-早稻-甘薯||晚大豆模式的周年光能生產(chǎn)效率和年總光能利用率較高，其次是紫云英-早稻-甘薯||晚大豆。冬種紫云英處理的年有效積溫利用率均較高，紫云英-早稻-甘薯||晚大豆和紫云英-早稻-晚稻模式表現(xiàn)較好，提高了積溫利用率。連續(xù)2 a 均是紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式的綜合效益加權(quán)關(guān)聯(lián)度最大，分別為0.75 和0.81，綜合效益最優(yōu)。在綜合考慮產(chǎn)量、溫室氣體排放、土壤質(zhì)

量、資源利用效率和綜合效益的情況下，紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式表現(xiàn)較好，對長江中游地區(qū)稻田種植模式的優(yōu)化具有重要意義。