長三角水稻-油菜周年兩熟溫光資源分配與利用特征

陶玥玥 盛雪雯 徐 堅(jiān) 沈 園 王海候 陸長嬰 沈明星,*

長三角水稻-油菜周年兩熟溫光資源分配與利用特征

陶玥玥1盛雪雯3徐 堅(jiān)2沈 園1王海候1陸長嬰1沈明星1,*

1江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所 / 國家土壤質(zhì)量相城觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站, 江蘇蘇州 215155;2太倉東林農(nóng)場(chǎng)專業(yè)合作社, 江蘇蘇州 215400;3蘇州市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心, 江蘇蘇州 215155

為提升長江流域水稻-油菜周年產(chǎn)量潛力和資源利用效率, 2017—2021年于江蘇蘇州布置田間定位試驗(yàn), 以中熟晚粳水稻-壟作擺栽油菜傳統(tǒng)模式為對(duì)照, 對(duì)比研究了新型遲熟中粳水稻-直播油菜模式干物質(zhì)產(chǎn)量、水稻籽粒產(chǎn)量、溫光資源分配和利用特征及經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果表明, 與常規(guī)模式相比, 新型模式油菜季溫和光生產(chǎn)效率分別顯著提高了24.1%和20.6%, 水稻季溫、光生產(chǎn)效率無顯著變化。新型模式下油菜干物質(zhì)產(chǎn)量顯著提高了18.2%, 但水稻籽粒和干物質(zhì)產(chǎn)量分別顯著下降了17.6%和15.5%。常規(guī)模式中水稻和油菜兩季積溫分配率分別為63.9%和36.1%, 積溫比值為1.77; 新型模式周年積溫量減少588℃, 其中水稻積溫減少483℃, 油菜季周年積溫分配率增加了1.8%, 兩季積溫比值下降為1.64。新型模式較常規(guī)模式增加周年效益31.4%, 提高油菜種植效益2.2倍, 而降低水稻種植效益17.4%。由此, 以遲熟中粳水稻搭配后季直播油菜新型模式, 可顯著提高了油菜季產(chǎn)量、溫光生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)效益, 提升周年種植效益。在兼顧糧飼安全和經(jīng)濟(jì)效益的前提下, 新型水稻-油菜模式可作為長期單一化水稻、油菜或小麥兩熟制輪作模式之一。

長江流域; 水稻–油菜兩熟; 籽粒產(chǎn)量; 干物質(zhì)產(chǎn)量; 溫光資源分配; 資源利用效率

長江三角洲帶地處長江中下游平原地區(qū), 光熱資源豐富, 是中國水稻十分重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地。稻田不同種植模式在利用光熱資源上有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì), 挖掘復(fù)種潛力以提高光熱資源利用效率是提高糧食總產(chǎn)的關(guān)鍵[1]。稻后復(fù)種油菜是稻田傳統(tǒng)的農(nóng)作制度之一, 優(yōu)質(zhì)高效和生態(tài)安全的水稻-油菜復(fù)種模式可以挖掘高產(chǎn)潛力, 降低生產(chǎn)成本, 還可提高光熱資源利用效率、養(yǎng)分利用效率與土地產(chǎn)出率, 有效推進(jìn)耕作制度優(yōu)化和產(chǎn)業(yè)升級(jí)[2]。在洞庭湖區(qū)水稻–油菜兩熟種植模式與其他模式綜合比較, 可充分利用全年光溫資源, 提高干物質(zhì)生產(chǎn)效率和產(chǎn)能及經(jīng)濟(jì)效益[3]。水稻-油菜周年兩熟復(fù)種制也是利于糧食增產(chǎn)和土壤培肥的優(yōu)良制度[4-5], 在長江流域不同種植區(qū)域內(nèi), 油菜在不同輪作模式中均可提高后茬作物的產(chǎn)量和養(yǎng)分累積量, 相對(duì)于水稻-小麥兩熟體系, 水稻-油菜體系增加了氮素盈余量從而可降低氮肥用量[5-6]。

近年來, 隨著生態(tài)旅游及油菜多功能利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展, 稻后復(fù)種花飼兼用油菜已成為長江中下游流域的重要種植模式之一, 不僅充分利用了冬季的光熱資源, 還可緩解南方飼料糧短缺、草畜不平衡的矛盾, 提升經(jīng)濟(jì)效益[7-9]。然而, 受氣候變化、土壤墑情及生產(chǎn)條件等影響, 長三角農(nóng)區(qū)乃至長江中下游流域水稻–油菜周年兩熟季節(jié)間茬口矛盾突出的問題普遍存在, 水稻成熟期嚴(yán)重推遲導(dǎo)致后季油菜生長光熱資源不足, 產(chǎn)量顯著降低, 限制了該體系產(chǎn)量潛力和資源生產(chǎn)效率的提升[8]。同時(shí), 油菜采用育苗移栽的種植方式, 由于農(nóng)村勞動(dòng)力減少和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本大幅增加導(dǎo)致作物生產(chǎn)效益低下[10-12]。因此, 進(jìn)一步優(yōu)化水稻-油菜種植制度, 挖掘作物溫光資源利用潛力, 對(duì)于提高長三角農(nóng)區(qū)作物生產(chǎn)力水平和生產(chǎn)效益具有重要意義。

品種、播種期和栽植方式等與生態(tài)區(qū)光溫資源的匹配度, 是影響作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵限制因子, 可通過調(diào)控作物生長發(fā)育與光溫的協(xié)同性, 實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量和光溫資源利用效率的協(xié)同提升[13-15]。華北平原區(qū)域運(yùn)用小麥-玉米雙晚栽培模式可顯著提升周年光溫利用效率, 進(jìn)而增加麥玉周年產(chǎn)量[16-17]。不同類型品種直播稻生育期間溫光資源利用差異明顯[18], 里下河農(nóng)區(qū)稻麥兩熟制生產(chǎn)條件下通過水稻品種類型與播期優(yōu)化提升水稻產(chǎn)量、生育期及溫光利用[19]。關(guān)于長三角水稻–油菜周年兩熟產(chǎn)量形成與溫光資源分配、利用特征至今尚不明確, 在該地區(qū)引入早熟水稻品種協(xié)調(diào)油菜直播方式對(duì)該體系產(chǎn)量與溫光資源利用的影響鮮有研究。由此, 為探明不同水稻-油菜周年兩熟模式季節(jié)間資源分配特征、產(chǎn)量及資源利用特征, 建立周年溫光資源優(yōu)化配置的定量指標(biāo), 本文則在長三角農(nóng)區(qū)布置了3年田間定位試驗(yàn), 比較分析了不同水稻–油菜體系產(chǎn)量和資源利用率差異, 旨在通過調(diào)控水稻品種與油菜播栽方式, 優(yōu)化兩季資源分配和穩(wěn)定周年產(chǎn)量, 提升長江流域水稻–油菜周年產(chǎn)量潛力和資源利用效率。

1 材料與方法

1.1 供試材料與地點(diǎn)

2017年至2021年在江蘇省太倉市城廂鎮(zhèn)東林水稻農(nóng)業(yè)園區(qū)(31°31' N, 121°05' E, 海拔4 m)布置田間定位試驗(yàn)。試驗(yàn)點(diǎn)地處長江三角洲太湖平原, 屬于亞熱帶南部濕潤氣候區(qū), 年平均溫度約15.3℃, 年降水量約1000 mm, 年日照時(shí)數(shù)在2280 h。試驗(yàn)點(diǎn)土壤屬于滲育型水稻土, 耕層土壤有機(jī)質(zhì)(24.1± 2.1) g kg–1, 全氮(1.62±0.31) g kg–1, 有效磷(80.5±6.5) mg kg–1, 速效鉀(105.3±8.9) mg kg–1, pH為6.8±0.2。試驗(yàn)前大田為統(tǒng)一水稻-小麥周年兩熟種植, 按常規(guī)生產(chǎn)方式統(tǒng)一管理。

供試油菜品種(L.)為甘藍(lán)型雙低雜交油菜“寧雜1818”, 由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育, 芥酸含量為0.50%, 餅粕硫苷含量為23.44 μmol g–1。供試水稻品種(L.)分別為“蘇香粳100”和“南粳9108”, 其中“蘇香粳100”為當(dāng)?shù)刂魍破贩N, 屬于中熟晚粳稻, 由江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育, “南粳9108”屬于遲熟中粳稻, 由江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

田間試驗(yàn)為水稻-油菜周年種植單因素試驗(yàn), 以水稻品種類型和油菜播栽方式不同組合為處理, 設(shè)定2個(gè)處理, 分別為遲熟中粳水稻-直播油菜(新型模式, 以下簡寫‘Rs-Ods’)和中熟晚粳水稻-壟作擺栽油菜(對(duì)照, 常規(guī)模式, 以下簡寫‘Rl-Ofrpp’)。采用大田對(duì)比試驗(yàn)設(shè)計(jì), 全程機(jī)械化操作, 處理田塊面積2700 m2(30 m × 90 m)。每個(gè)處理田塊內(nèi)避開邊際設(shè)定4個(gè)重復(fù)微區(qū)(10 m × 15 m)用于植株、土壤樣品采集與指標(biāo)監(jiān)測(cè)。

水稻均采用毯苗機(jī)插秧方式種植, 統(tǒng)一于4月底秧盤播種育苗, 5月中下旬移栽, 移栽時(shí)苗齡約20 d, 二葉一心, 移栽株行距為30 cm × 14 cm。如表1所示, 新型模式中遲熟中粳水稻“南粳9108”生育期分別為133～136 d, 于9月底至10月初成熟收獲后, 10月上旬油菜采用機(jī)械直播方式種植, 直播量為4.5 kg hm–2。常規(guī)模式中中熟晚粳水稻“蘇香粳100”生育期分別為159～160 d, 10月底至11月初成熟收獲后, 11月上旬油菜采用機(jī)械開溝起壟擺栽方式種植[8]。油菜于9月底至10月初播種育苗, 11月上旬完成移栽, 苗齡約40 d。移栽時(shí)機(jī)械開溝, 畦溝寬0.4 m, 畦面寬1.0 m, 株距0.12 m, 行距為寬窄行, 寬行1.1 m, 窄行0.3 m, 種植密度119,000株 hm–2。2種模式下油菜均作飼用, 統(tǒng)一于4月下旬機(jī)械收割青貯, 新型模式和常規(guī)模式下油菜大田生育期分別為191～207 d和199～212 d。水稻施肥量按氮(N) 240 kg hm–2、磷(P2O5) 72 kg hm–2、鉀(K2O) 72 kg hm–2, 其中氮肥分3次施用, 基肥、分蘗肥和穗肥比例為3∶4∶3, 磷鉀肥均作基肥一次性施用。油菜按施氮量270 kg hm–2, 其中60 %作基肥和蠟肥, 40 %作薹肥, 磷肥用量按P2O5105 kg hm–2, 鉀肥施用量按K2O 105 kg hm–2, 均一次性基施。其他田間管理與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)保持一致。種植方案及作物生育期信息詳見表1。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 氣象資料收集 試驗(yàn)期間氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)基地小型全自動(dòng)氣象站(WE400, Global Water, 美國)監(jiān)測(cè)獲得, 主要包括日均溫、日均高溫、日均低溫、日照時(shí)數(shù)、輻射量和降雨量等指標(biāo)。

1.3.2 生育特征與產(chǎn)量測(cè)定 水稻移栽1周, 記錄播種期、移栽期、幼穗分化期、齊穗期和成熟期。水稻成熟期, 在各處理微區(qū)內(nèi)確定代表性樣方并采用人工貼地收割2個(gè)1 m2用于測(cè)定水稻籽粒產(chǎn)量與秸稈產(chǎn)量, 從中抽取分析用樣約800 g, 在70～80℃下烘干, 利用烘干失重法測(cè)定含水量, 并計(jì)算干重。油菜定植一周后定期調(diào)查油菜生育期, 油菜終花至幼果期作飼用收割, 各試驗(yàn)微區(qū)貼地刈割2個(gè)2 m2, 測(cè)定地上部鮮重后置于田間晾曬, 選擇部分稱取鮮重利用烘干失重法測(cè)定含水量, 計(jì)算地上部干重。

1.3.3 土壤理化性質(zhì) 試驗(yàn)開始前采集0～20 cm耕層土壤, 各處理微區(qū)內(nèi)均按照“S”形采集8個(gè)點(diǎn)作1個(gè)混合樣品, 自然風(fēng)干后粉碎分別過20目和100目篩, 參照土壤農(nóng)化分析法[20]測(cè)定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)。

1.3.4 季節(jié)間溫、光資源分配率與分配比值 按以下公式計(jì)算資源分配率和資源分配比值[21]:

積溫分配率(accumulated temperature distribution rate, TDR) = 單季積溫量(ATx)/周年積溫總量(AT);

輻射分配率(radiation distribution rate, RDR) = 單季輻射量(Rax)/周年輻射總量(Ra);

積溫比值(rate of accumulated temperature between two seasons, TR) = 第一季積溫(AT1)/第二季積溫(AT2);

輻射比值(rate of radiation between two seasons, RR) = 第一季輻射量(Ra1)/第二季輻射量(Ra2)。

1.3.5 溫、光生產(chǎn)效率 按以下公式計(jì)算光、溫生產(chǎn)效率[21-22]:

溫度生產(chǎn)效率(production efficiency of AT, kg hm–2℃–1) = 單位面積籽粒產(chǎn)量/生育期間積溫總量;

光能生產(chǎn)效率(production efficiency of Ra, g MJ–1) = 籽粒產(chǎn)量/單位面積的太陽輻射;

年總光能利用效率(annual radiation use efficiency, %) = 干物質(zhì)產(chǎn)能/單位面積的全年太陽輻射×100。

其中, 水稻和油菜的干物質(zhì)產(chǎn)能分別為1.537×104J g–1和1.792×104J g–1

1.3.6 經(jīng)濟(jì)效益 不同種植模式下產(chǎn)值計(jì)算由試驗(yàn)測(cè)定實(shí)際產(chǎn)量與單價(jià)乘積獲得, 水稻和飼用油菜銷售單價(jià)分別為1.35元 kg–1稻谷和400元 t–1鮮草。經(jīng)濟(jì)效益由產(chǎn)值扣除成本計(jì)算, 成本包括用工、機(jī)械、種子、肥料、農(nóng)藥等生產(chǎn)資料。用工標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)資料價(jià)格依據(jù)江蘇省蘇州市當(dāng)?shù)貙?shí)際用工及物價(jià)水平確定。水稻成本包括種子、農(nóng)藥、化肥4500元 hm–2, 機(jī)械作業(yè)成本3000元 hm–2, 灌溉570元 hm–2, 人工2250元 hm–2, 成本合計(jì)10,320元 hm–2。油菜成本包括種子、農(nóng)藥、化肥共4170元 hm–2, 機(jī)械作業(yè)成本2700元 hm–2, 人工650元 hm–2(機(jī)械直播)和5250元 hm–2(壟作擺栽), 壟作擺栽油菜育苗3660元 hm–2。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 用SAS 9.2[23]的GLM過程進(jìn)行完全隨機(jī)方差分析。雙因素方差分析模型包括年份(Year)、模式(System)以及年份×模式的交互作用。用最小顯著性檢驗(yàn)(least significance difference)在0.05水平下進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。采用Origin 8.0軟件進(jìn)行作圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式下季節(jié)間溫、光資源分配特征

遲熟中粳水稻-直播油菜體系(新型模式, Rs-Ods)水稻季積溫量3年平均值為3733℃, 占周年積溫總量的62.1%, 中熟晚粳水稻-壟作擺栽油菜體系(常規(guī)模式, Rl-Ofrpp)水稻季積溫量4216℃, 占周年積溫總量的63.9%; 新型模式(Rs-Ods)水稻季積溫量顯著減少了483℃, 占周年積溫總量分配率顯著下降1.8 % (< 0.05)。油菜季積溫量3年平均值分別為2279℃ (Rs-Ods)和2385℃ (Rl-Ofrpp), 分別占周年積溫量的37.9 %和36.1%, 新型模式(Rs-Ods)模式下油菜季積溫分配率顯著增加1.8% (表2)。

年際間不同種植模式的季節(jié)間積溫和輻射分配變化趨勢(shì)基本一致。新型模式(Rs-Ods)水稻季和油菜季輻射量3年平均值分別為1908 MJ m–2和1741 MJ m–2, 常規(guī)模式(Rl-Ofrpp)則分別為2146 MJ m–2和1767 MJ m–2, 2種模式下水稻、油菜季節(jié)內(nèi)輻射量表現(xiàn)相當(dāng), 兩季比值無顯著差異。與傳統(tǒng)模式相比, 新型模式水稻季輻射量有降低趨勢(shì), 同時(shí)油菜季輻射量占周年分配率增加(表3)。

2.2 不同種植模式下干物質(zhì)產(chǎn)量與溫、光生產(chǎn)效率

雙因素方差分析表明(圖1), 模式對(duì)周年干物質(zhì)產(chǎn)量無顯著影響, 但顯著影響單季干物質(zhì)產(chǎn)量。不同模式下周年干物質(zhì)產(chǎn)量在34.9～36.0 thm–2, 與常規(guī)模式(Rl-Ofrpp)相比, 新型模式(Rs-Ods) 3年平均水稻干物質(zhì)產(chǎn)量顯著降低了17.6%, 但油菜干物質(zhì)產(chǎn)量顯著提高了18.2% (< 0.05)。

2種種植模式周年干物質(zhì)積溫生產(chǎn)效率、水稻干物質(zhì)積溫生產(chǎn)效率無顯著差異(> 0.05), 但新型模式(Rs-Ods)油菜季干物質(zhì)積溫生產(chǎn)效率較常規(guī)模式(Rl-Ofrpp)顯著提高了24.1%, 3年增幅分別為21.1%、35.9%和17.5% (< 0.05)。年份和模式對(duì)水稻干物質(zhì)積溫生產(chǎn)效率有一定交互作用, 在試驗(yàn)初始年份, 與常規(guī)模式(Rl-Ofrpp)相比, 新型模式(Rs-Ods)水稻干物質(zhì)積溫生產(chǎn)效率分別顯著下降了11.5%和17.4% (< 0.05)。試驗(yàn)第3年差異不顯著(圖2)。

表2 不同種植模式季節(jié)間積溫分配

AT: 積溫; TDR:積溫分配率; TR: 兩季積溫比值. 同列不同字母表示差異顯著(< 0.05); 處理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 遲熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常規(guī)模式, 中熟晚粳水稻-壟作擺栽油菜。

AT: the accumulated temperature; TDR: the accumulated temperature distribution rate; TR: the accumulated temperature ratio of two seasons. Different letters in the same column meant significant difference at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

表3 不同種植模式季節(jié)間輻射分配

Ra: 輻射量; RDR: 輻射分配率; RR: 兩季輻射量比值. 同列不同字母表示差異顯著(< 0.05); 處理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 遲熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常規(guī)模式, 中熟晚粳水稻-壟作擺栽油菜。

Ra: radiation; RDR: radiation distribution rate; RR: radiation ratio of two seasons. Different letters in the same column meant significant difference at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

圖1 不同種植模式下干物質(zhì)產(chǎn)量

不同字母表示該年份下種植模式間差異顯著(< 0.05); 處理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 遲熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常規(guī)模式, 中熟晚粳水稻-壟作擺栽油菜。

Different letters mean significantly different among the treatments at< 0.05. Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

圖2 不同種植模式周年與季節(jié)間積溫生產(chǎn)效率

不同字母表示該年份下種植模式間差異顯著(< 0.05); 處理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 遲熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常規(guī)模式, 中熟晚粳水稻-壟作擺栽油菜。

Different letters mean significantly different among treatments at< 0.05. Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

不同種植模式的干物質(zhì)光能生產(chǎn)效率和積溫生產(chǎn)效率變化趨勢(shì)基本一致(圖3)。從3年平均來看, 模式對(duì)周年干物質(zhì)光能生產(chǎn)效率無顯著影響, 新型模式(Rs-Ods)和常規(guī)模式(Rl-Ofrpp)周年干物質(zhì)光能生產(chǎn)效率分別為0.97 gMJ–1和0.93 gMJ–1。新型模式(Rs-Ods)油菜干物質(zhì)光能生產(chǎn)效率顯著高于常規(guī)模式(Rl-Ofrpp) 20.6%, 3年增幅分別為19.0%、22.5%和20.6% (< 0.05)。試驗(yàn)前2年新型模式(Rs-Ods)下水稻干物質(zhì)光能生產(chǎn)效率顯著低于常規(guī)模式, 隨試驗(yàn)延續(xù)差異減小(< 0.05)。

2.3 不同種植模式下水稻籽粒產(chǎn)量與溫、光生產(chǎn)效率

年份與模式顯著影響水稻籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量(< 0.05), 與常規(guī)模式(Rl-Ofrpp)相比, 新型模式(Rs-Ods)下水稻籽粒產(chǎn)量3年平均顯著降低17.6%, 但差異隨年份的延續(xù)而減小, 分別降低了26.4%、20.3%和6.0% (< 0.05)。新型模式(Rs-Ods)水稻秸稈產(chǎn)量平均顯著降低了14.1% (< 0.05), 第3年差異不顯著(圖4)。

年份和模式顯著影響水稻籽粒產(chǎn)量積溫生產(chǎn)效率, 年份和模式有一定交互作用; 在試驗(yàn)第1年, 與常規(guī)模式相比(Rl-Ofrpp)相比, 新型模式(Rs-Ods)水稻籽粒產(chǎn)量積溫生產(chǎn)效率和光能生產(chǎn)效率分別顯著下降了17.4%和17.8% (< 0.05)。從3年平均值來看, 不同種植模式下水稻籽粒產(chǎn)量積溫生產(chǎn)效率、光能生產(chǎn)效率無顯著差異。

2.4 不同種植模式下年總光能利用率、干物質(zhì)產(chǎn)能與經(jīng)濟(jì)效益

2種模式的周年干物質(zhì)產(chǎn)能無顯著差異, 與常規(guī)模式相比(Rl-Ofrpp)相比, 新型模式(Rs-Ods)顯著降低了水稻干物質(zhì)產(chǎn)能15.5%, 但顯著增加了油菜干物質(zhì)產(chǎn)能22.6% (< 0.05)。不同模式下年總光能利用率無顯著差異。新型模式(Rs-Ods)稻谷凈收入降低了26.9%, 飼用油菜效益提高了18.8%, 但人工成本顯著減少87.6%, 油菜季凈收入增加2.23倍, 周年產(chǎn)值增加了31.4% (表4)。

圖3 不同種植模式季節(jié)間光能生產(chǎn)效率

不同字母表示該年份下種植模式間差異顯著(< 0.05); 處理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 遲熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常規(guī)模式, 中熟晚粳水稻-壟作擺栽油菜。

Different letters mean significantly different among treatments at< 0.05.Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

圖4 不同種植模式下水稻籽粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量

不同字母表示該年份下種植模式間差異顯著(< 0.05); 處理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 遲熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常規(guī)模式, 中熟晚粳水稻-壟作擺栽油菜。

Different letters mean significantly different among treatments at< 0.05.Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

圖5 不同種植模式水稻籽粒產(chǎn)量溫光能生產(chǎn)效率

不同字母表示該年份下種植模式間差異顯著(< 0.05); 處理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 遲熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常規(guī)模式, 中熟晚粳水稻-壟作擺栽油菜。

Different letters mean significantly different among the treatments at< 0.05.Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed.

表4 不同種植模式干物質(zhì)產(chǎn)能、年總光能利用率和經(jīng)濟(jì)效益

DMPE: 干物質(zhì)產(chǎn)能; ARUE: 年總光能利用率; 同列不同字母表示差異顯著(< 0.05); 處理同表1。Rs-Ods: 新型模式, 遲熟中粳水稻-直播油菜; Rl-Ofrpp: 常規(guī)模式, 中熟晚粳水稻-壟作擺栽油菜。

DMPE: dry matter production energy; ARUE: annual radiation use efficiency. Different letters in the same column meant significant difference at the 0.05 probability level. Treatments are the same as those given in Table 1. Rs-Ods: the new system with late maturity medium seasonrice-directly sowing rapeseed; Rl-Ofrpp: the traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting rapeseed. Y: Yuan.

3 討論

長三角農(nóng)區(qū)是我國水稻、油菜的主產(chǎn)區(qū), 種植規(guī)劃上主栽作物水稻往往優(yōu)先于油菜生產(chǎn)以確保主糧生產(chǎn), 近年來受氣候條件變化的影響, 水稻成熟期嚴(yán)重推遲, 直播油菜出現(xiàn)播期晚、冬春雙發(fā)困難影響產(chǎn)量潛力的提升[8,11]。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn), 農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移和農(nóng)業(yè)用工成本的增加, 移栽油菜生產(chǎn)效益低下而導(dǎo)致種植面積下降, 浪費(fèi)了光溫資源的同時(shí)降低了土地利用效率[10-12]。本文首次在長三角農(nóng)區(qū)創(chuàng)制了新型水稻-油菜周年兩熟模式, 通過調(diào)整水稻品種協(xié)調(diào)油菜播栽方式, 并定量分析了周年與季節(jié)間資源分配特征。連續(xù)3年試驗(yàn)條件下, 新型模式較常規(guī)模式顯著提高了油菜干物質(zhì)產(chǎn)量18.2%, 同時(shí)凈收入增加2.2倍(圖1), 這主要是由于本文新型水稻-油菜體系中, 水稻品種采用了中粳類型替代了常規(guī)晚粳類品種, 水稻成熟期縮短使得后茬油菜可提早直播, 從而提高了油菜苗期對(duì)溫、光資源的利用效率, 有效促進(jìn)冬前干物質(zhì)積累。作物的品種類型、栽培措施及其生長的生態(tài)環(huán)境條件與產(chǎn)量形成密切相關(guān)[14-15], 在前期大量研究中, 長江流域油菜產(chǎn)區(qū)稻茬油菜直播期或移栽期的時(shí)間基本相當(dāng), 移栽油菜由于增加了育苗環(huán)節(jié)提前利用了溫、光資源從而提高了生物產(chǎn)量, 直播油菜則由于播期嚴(yán)重偏遲導(dǎo)致苗期生長弱、越冬期受逆境脅迫, 嚴(yán)重抑制油菜春后干物質(zhì)積累[24-26]。另一方面, 與常規(guī)模式相比, 新型模式中水稻籽粒產(chǎn)量與干物質(zhì)產(chǎn)量分別顯著降低了17.6%和15.5% (圖1和圖4), 水稻產(chǎn)量表現(xiàn)明顯負(fù)效應(yīng)主要?dú)w因于新型模式中采用遲熟中粳水稻品種后光熱資源數(shù)量大幅下降, 生育期較常規(guī)中熟晚粳水稻平均縮短了25 d, 水稻季積溫量顯著減少了483℃ (表2)。隨著全球氣候變暖, 選擇晚熟替代早、中熟品種和播期合理搭配等方式可顯著增加水稻產(chǎn)量[27]。太湖地區(qū)單季晚稻種植制度條件下, 5月下旬播種時(shí)生育期較長的優(yōu)質(zhì)晚粳品種較中粳品種利于提高水稻籽粒產(chǎn)量[28]。這與本文在長三角農(nóng)區(qū)新型稻油模式引入中粳類水稻后產(chǎn)量下降結(jié)果表現(xiàn)基本一致。

明確長三角農(nóng)區(qū)稻油體系的主要溫光生產(chǎn)效率、分配率和比值等定量指標(biāo)可進(jìn)一步優(yōu)化周年氣候資源配置, 挖掘該體系周年產(chǎn)量潛力和資源利用效率。一般而言, 高產(chǎn)田光能利用率為1%～2%, 長江流域稻田光能利用率約為1.03%[29]?？梢姳狙芯恐兴?油菜周年兩熟模式的周年總光能利用率均處于相對(duì)較高水平。2種稻油體系的周年溫、光生產(chǎn)效率表現(xiàn)相當(dāng), 但新型模式可顯著提升了油菜季溫、光生產(chǎn)效率與周年生產(chǎn)效益(圖2、圖3和表2)。目前關(guān)于水稻-油菜兩熟復(fù)種體系溫、光資源分配特征差異的研究鮮有報(bào)道, 季節(jié)間資源優(yōu)化配置是通過將更多光、溫、水等資源分配給更加高效的作物生長季, 從而進(jìn)一步提升周年產(chǎn)量和資源利用效率[30-31]。海河平原高產(chǎn)小麥冬前積溫和行距配置的光溫利用效應(yīng)研究, 揭示了高產(chǎn)玉米生育期調(diào)配的光溫利用規(guī)律, 提出了小麥“減溫、勻株”和玉米“搶時(shí)、延收”的光溫高效利用途徑[32-33]。在黃淮海資源虧缺區(qū)建立的冬小麥-夏玉米“雙晚”技術(shù)模式, 冬小麥播種期推遲至10月中旬, 夏玉米收獲期推遲至9月底至10月初, 光溫資源生產(chǎn)力分別提高64%和124%, 周年產(chǎn)量達(dá)到15 t hm–2 [34]。兩熟制種植模式的周年氣候資源分配特征可利用季節(jié)間資源分配率與分配比值的指標(biāo)進(jìn)行定量分析[35-36]。對(duì)華北平原冬小麥-夏玉米體系的研究中明確了兩季間以積溫為主的多資源配置和以光溫生產(chǎn)潛力當(dāng)量為主的季節(jié)內(nèi)利用指標(biāo), 冬小麥、夏玉米兩季積溫分配率分別為43%和57%, 積溫比值為0.7時(shí), 可顯著提高產(chǎn)量與溫、光資源利用效率[37]。江淮區(qū)域水稻-小麥體系中水稻生產(chǎn)主要受輻射的影響, 尤其是沿江地區(qū)輻射量較低而限制水稻產(chǎn)量潛力的進(jìn)一步提升, 受氣候變化影響未來有進(jìn)一步降低趨勢(shì), 周年兩熟資源高效利用原則應(yīng)以合理配置季節(jié)間輻射為主。江淮地區(qū)粳稻-小麥模式水稻季、小麥季積溫分配率為67.3%、38.5%, 小麥季、水稻季輻射分配率分別為53.1%、51.9%[36]。本文由不同模式下季節(jié)間光、溫資源分配特征差異看出(表2和表3), 長三角水稻-油菜兩熟制下, 積溫是影響兩季作物生長發(fā)育最主要的生態(tài)因子。積溫的變化可調(diào)節(jié)作物的生長發(fā)育進(jìn)程, 使得其在生長過程中的光輻射截獲量及降水量發(fā)生變化, 最終影響作物產(chǎn)量[38-39]。2種模式下主栽作物水稻積溫分配率均超過60%, 在常規(guī)中熟晚粳水稻-壟作擺栽油菜體系中, 水稻、油菜兩季積溫分配率分別為63.9%和36.1%, 積溫比值為1.77。新型模式中盡管周年積溫減少了588℃, 但周年干物質(zhì)量及溫、光生產(chǎn)效率未表現(xiàn)負(fù)效應(yīng), 主要是由于油菜前期生長積溫分配率的提高而大幅增加了干物質(zhì)產(chǎn)量(表2), 使得油菜季溫、光生產(chǎn)效率大幅上升(圖2和圖3); 水稻季積溫分配率顯著減少了1.8%導(dǎo)致水稻產(chǎn)量明顯下降(表2)?？梢? 新型遲熟中粳水稻-直播飼料油菜可作為長三角乃至長江中下游流域稻油生產(chǎn)區(qū)提升種植效益的重要農(nóng)作模式, 該種植制度推廣的同時(shí)需兼顧國家糧食安全生產(chǎn)總體形勢(shì), 一方面, 可以利用冬閑田發(fā)展飼料油菜, 不與主糧爭地, 不影響糧食生產(chǎn)兼顧經(jīng)濟(jì)效益問題, 另一方面, 可通過新型水稻-飼用油菜模式與常規(guī)晚粳水稻-籽用油菜或小麥模式進(jìn)行多年復(fù)種輪作以優(yōu)化農(nóng)田連續(xù)單一種植的模式布局, 從而促進(jìn)糧經(jīng)飼作物統(tǒng)籌協(xié)調(diào)發(fā)展。

4 結(jié)論

與常規(guī)模式相比, 新型水稻-油菜周年兩熟模式下增加了顯著提高油菜干物質(zhì)產(chǎn)量18.2%, 積溫生產(chǎn)效率20.6%和光能生產(chǎn)效率24.1%。水稻積溫減少后導(dǎo)致其籽粒產(chǎn)量顯著減少17.6%。新型水稻-油菜模式周年凈收入提高了31.4 %。在確保糧油安全需求的基礎(chǔ)上, 在長三角農(nóng)區(qū)適時(shí)適地發(fā)展新型水稻-油菜的兩熟種植模式, 尤其針對(duì)長期高強(qiáng)度集約化稻麥(油)連作農(nóng)田, 新型水稻-油菜周年兩熟模式可作為稻田輪作換茬模式之一, 以有效緩解茬口矛盾、增加農(nóng)戶收入和提升土壤肥力。

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Characteristics of heat and solar resources allocation and utilization in rice-oilseed rape double cropping systems in the Yangtze River Delta

TAO Yue-Yue1, SHENG Xue-Wen3, XU Jian2, SHEN Yuan1, WANG Hai-Hou1, LU Chang-Ying1, and SHEN Ming-Xing1,*

1Institute of Agricultural Sciences in Taihu Lake District / National Soil Quality Observation and Experimental Station in Xiangcheng, Suzhou 215155, Jiangsu, China;2Taicang Donglin Professional Cooperatives, Taicang 215400, Jiangsu, China;3Suzhou Agricultural Technology Extension Center, Suzhou 215155, Jiangsu, China

To improve annual yield and resource use efficiency in rice-oilseed rape systems in the Yangtze River Delta, a field experiment of two cropping systems, namely innovated system with late maturity medium seasonrice-directly sowing oilseed rape (Rs-Ods) and traditional system with medium maturity late seasonrice-furrow ridging and placed planting oilseed rape (Rl-Ofrpp), was conducted at Suzhou, Jiangsu, China, from 2017 to 2021. The annual dry matter yield, rice grain yield, distribution and utilization efficiency of heat and solar climatic resources as well as the economic benefit were compared between two cropping systems. The results showed that, compared with the conventional system, the new system significantly improved the accumulated temperature production efficiency by 24.1% and light energy production efficiency by 20.6% of the oilseed rape season, while there was no significant difference in rice season. In the new system, the dry matter yield of rapeseed was significantly increased by 18.2% whereas the rice grain and dry matter yield were significantly decreased by 17.6% and 15.5%, respectively. In the traditional system, with the rate of accumulated temperature between two seasons of 1.77, the accumulative temperature distribution rate was 63.9% in rice season and 36.1% in oilseed rape season, respectively. The annual accumulative temperature of the new system decreased by 588℃, among which the accumulated temperature of rice decreased by 483℃. The accumulative temperature distribution rate in oilseed rape season was increased by 1.8%, and the ratio of accumulated temperature between the two seasons decreased to 1.64. Compared to the traditional system, the new system increased the annual economic benefit by 31.4%, increased the rape planting benefit by 2.2 times and decreased the rice growing economic benefit by 17.4%. In conclusion, the new cropping system, late maturity medium seasonrice-directly sowing oilseed rape forage, significantly improved the yield, accumulated temperature and radiation production efficiency, growing benefit of oilseed rape season as well as the annual economic benefit. Considering the food and forage security as well as economic benefit, the new rice-rapeseed cropping system can be used as one of the alternatives for the long-term monoculture of rice-wheat or rice-oilseed rape double cropping system.

the Yangtze River Delta; rice-oilseed rape double cropping system; grain yield; dry matter yield; temperature and radiation allocation; resource use efficiency

10.3724/SP.J.1006.2023.22033

本研究由江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新項(xiàng)目(CX21(3097)), 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(32101854)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0300207)資助。

This study was supported by the Jiangsu Agricultural Science and Technology Innovation Fund (CX21(3097)), the National Natural Science Foundation of China (32101854), and the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300207).

沈明星, E-mail: smxwwj@163.com

E-mail: twhhltyy@163.com

2022-05-16;

2022-10-10;

2022-10-20.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20221019.1539.004.html

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