稻—豆與稻—稻復(fù)種模式對(duì)作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

葉天承，莊雪浩，陳惠哲，向鏡，張義凱，王亞梁，王志剛，孫凱旋，高義卓，張玉屏*

(1 中國水稻研究所/水稻生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311400； 2 富陽市富春街道辦事處，浙江 杭州 311400)

我國耕地資源稀缺，人口眾多，用7%的耕地養(yǎng)活了占世界23%的人口。 南方地區(qū)光溫資源豐富，提高耕地復(fù)種指數(shù)和單位面積糧食產(chǎn)量對(duì)保障我國糧食安全具有重要作用。 復(fù)種作為我國傳統(tǒng)耕作方式，可充分利用光溫資源，提高作物產(chǎn)量。 通過輪換種植不同作物，可改善土壤理化性質(zhì)，提升農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力，加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)能力[1]。 南方地區(qū)根據(jù)種植作物的不同，復(fù)種中常存在季節(jié)性的干濕交替，例如水稻—小麥、水稻—油菜等種植模式。 水田與旱地的轉(zhuǎn)換，可消除長(zhǎng)期淹水對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的不良影響，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高產(chǎn)量[2]。 豆類作物因其根瘤菌的固氮作用，可補(bǔ)充土壤氮素，修復(fù)重金屬污染[3]，在水旱交替過程中較其他作物更有優(yōu)勢(shì)。已有研究證明，冬季種植豆類植株能有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量與植株氮素利用率[4-6]，提高土壤微生物碳氮含量，加快土壤內(nèi)氮的礦化釋放[7]，減少雜草生長(zhǎng)[8]，最終促進(jìn)下季水稻分蘗與有效穗形成，提高水稻產(chǎn)量[9]。 長(zhǎng)期種植過程中，綠肥的參與還可促進(jìn)植株根系微生物群落的形成，加快植物根系生長(zhǎng)[10]。

目前南方地區(qū)雙季稻種植經(jīng)濟(jì)效益不高，“雙改單”面積增大，使得復(fù)種指數(shù)不斷下降。 水稻是較耐連作的作物，但長(zhǎng)期種植雙季稻也會(huì)引發(fā)連作障礙，導(dǎo)致作物產(chǎn)量、品質(zhì)下降、生長(zhǎng)發(fā)育受到限制[11]。 此外，隨著全球氣候波動(dòng)的烈度與范圍不斷加大，氣象災(zāi)害問題與作物茬口問題逐漸成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的阻礙。 通過多種作物復(fù)合種植，可減少氣象災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的制約，在提高復(fù)種指數(shù)的同時(shí)，保證糧食產(chǎn)量，恢復(fù)土壤地力，提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益。 本研究以水稻、大豆為研究對(duì)象，探究豆類作物參與水稻復(fù)種后對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育過程及最終產(chǎn)量構(gòu)成的影響，旨在為南方稻田合理復(fù)種輪作模式選擇提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)于2022 年在富陽山度園林農(nóng)場(chǎng)(30°3′21.37″N，120°2′30.7″E)進(jìn)行。 富陽位于長(zhǎng)江三角洲南側(cè)，屬亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，年均降水量1 522.7 mm，年均溫17.2 ℃，年均日照1 667.7 h，2022 年無霜期277 d。 試驗(yàn)地0～20 cm 土壤為黏性偏酸水稻土，試驗(yàn)點(diǎn)土壤基本理化性質(zhì)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)田土壤基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic soil data of the test field

表2 各處理作物種植收獲時(shí)間Table 2 Planting and harvest time of each treatment

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與肥水管理

試驗(yàn)設(shè)3 個(gè)處理，分別為:對(duì)照(CK).早稻—晚稻模式；T1.早稻—秋大豆模式；T2.春大豆—晚稻模式。 每個(gè)處理設(shè)3 次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)小區(qū)面積為670 m2。 供試品種早稻為中早39，晚稻為甬優(yōu)1540，春大豆為浙農(nóng)6 號(hào)，秋大豆為浙鮮85。 早稻每公頃施純氮150 kg，基肥、分蘗肥、穗肥按照5 ∶3 ∶2的比例，分別施復(fù)合肥375 kg(20 ∶8 ∶12)、尿素(46%)97.5 kg、復(fù)合肥150 kg(20 ∶8 ∶12)；晚稻每公頃施純氮225 kg，基肥、分蘗肥、穗肥按4 ∶3 ∶3的比例施用，分別施復(fù)合肥420 kg、尿素136.5 kg 及復(fù)合肥315 kg；大豆僅每公頃施750 kg 復(fù)合肥作基肥。 水稻季水分管理按照水稻高產(chǎn)栽培模式，大豆季水分管理保持土壤不出現(xiàn)明顯旱情，水稻和大豆種植期間根據(jù)病蟲草害發(fā)生情況進(jìn)行綜合防治。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 生育期記錄

供試品種中，中早39 全生育期105 d；甬優(yōu)1540 在不同處理下生育期略有差異，CK 處理下全生育期133 d，T2 處理下晚稻全生育期147 d；春大豆全生育期102 d，秋大豆全生育期94 d。

1.3.2 水稻干物質(zhì)積累

早稻在分蘗期、穗分化期、始花期、花后14 d 及成熟期取樣，晚稻在分蘗期、穗分化期、始花期、花后20 d 及成熟期取樣，每小區(qū)取代表性植株5 叢，每個(gè)處理3 次重復(fù)。 植株清洗去根后按照葉片、莖鞘、穗分開裝袋烘干(于烘箱內(nèi)105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干72 h)至恒重，稱量記錄。

1.3.3 產(chǎn)量

水稻:于成熟期每個(gè)小區(qū)調(diào)查30 叢有效穗數(shù)，計(jì)算每叢平均有效穗數(shù)，以此為標(biāo)準(zhǔn)，在各小區(qū)取3叢具有代表性的植株，測(cè)定每穗穗長(zhǎng)、穗數(shù)、穗質(zhì)量、實(shí)粒質(zhì)量、實(shí)粒數(shù)等，每個(gè)處理3 次重復(fù)。 每個(gè)小區(qū)選定50 叢進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定，每個(gè)處理3 次重復(fù)，收割曬干后測(cè)定稻谷質(zhì)量與含水量，計(jì)算總產(chǎn)量。

大豆:于成熟期每個(gè)小區(qū)調(diào)查相鄰2 行，10 m行長(zhǎng)的面積，考察株數(shù)并計(jì)算每公頃株數(shù)，每個(gè)處理3 次重復(fù)。 在每個(gè)小區(qū)選定30 株采摘鮮莢進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定，每個(gè)處理3 次重復(fù)。

1.3.4 經(jīng)濟(jì)效益

種子、化肥、農(nóng)藥等支出與土地承包費(fèi)、人工費(fèi)用等合并為種植成本；產(chǎn)量×國家最低收購價(jià)格為該作物的經(jīng)濟(jì)效益；純收益(不含補(bǔ)貼)為經(jīng)濟(jì)效益-種植成本。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2021 和R 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理水稻干物質(zhì)量變化

由圖1 可看出，CK 與T1 處理的早稻從分蘗期到成熟期，在單株干物質(zhì)量上基本無差異，是因?yàn)榈谝荒暝囼?yàn)條件下早稻—晚稻、早稻—秋大豆種植模式中早稻種植方式及時(shí)間是相同的。 而晚稻單叢干物質(zhì)量在早稻—晚稻及春大豆—晚稻種植中存在顯著性差異，這與春大豆收獲時(shí)間早，晚稻在適宜范圍內(nèi)提早種植，且甬優(yōu)1540 具有強(qiáng)感溫性弱感光性的特性，T2 處理在分蘗期后單叢干物質(zhì)量上升迅速，與CK 產(chǎn)生極顯著差異，甬優(yōu)1540 提前播種種植，充分利用充足的光熱資源為其干物質(zhì)積累提供了良好的環(huán)境。 T2 處理中，花后20 d 穗干物質(zhì)量為CK的223.83%，總干物質(zhì)量為CK 的210.54%，在成熟期時(shí)則分別為153.56%與206.27%(表3)。 CK 在后期單叢穗干物質(zhì)量上升程度有所增加，但兩個(gè)處理間仍存在極顯著差異。

圖1 早稻單株總干物質(zhì)量對(duì)比Fig.1 Comparison of total dry matter weight per plant of early rice

表3 晚稻各時(shí)期單叢干物質(zhì)量對(duì)比Table 3 Comparison of dry matter weight at different stages of late rice g

2.2 不同處理作物產(chǎn)量

由表4 可見，T1 與CK 處理的早稻產(chǎn)量差異不大，但CK 與T2 處理的晚稻產(chǎn)量出現(xiàn)顯著性差異，T2 處理較CK 產(chǎn)量提高了33.40%。 T1、T2 處理中大豆產(chǎn)量相差不大，春大豆產(chǎn)量比秋大豆產(chǎn)量高5.81%，未達(dá)到顯著性差異。 在總產(chǎn)量上，春大豆—晚稻模式(T2)處理最佳，兩季種植總產(chǎn)量達(dá)18 235 kg/hm2，比CK 高4 048 kg/hm2，比早稻—秋大豆模式(T1)高2 992 kg/hm2。

表4 各處理產(chǎn)量對(duì)比Table 4 Comparison of yield between treatments kg·hm-2

進(jìn)一步分析T2 處理晚稻產(chǎn)量高的原因，其有效穗數(shù)及每穗粒數(shù)為CK 的240.87%與155.41%，均產(chǎn)生顯著性差異。 T2 處理穗長(zhǎng)則為CK 的1.03倍，結(jié)實(shí)率與千粒質(zhì)量均低于CK(表5)。 結(jié)果表明，T2 處理下產(chǎn)量的提高主要是由于有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)的增加所致，CK 處理有效穗數(shù)和穗粒數(shù)少，與晚稻種植較晚，甬優(yōu)1540 的品種優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮有關(guān)。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益比較

2022 年我國稻谷最低收購價(jià)格早稻2.48 元/kg、晚稻2.58 元/kg；春大豆收購價(jià)2.2 元/kg、秋大豆收購價(jià)3.0 元/kg。 結(jié)合富陽當(dāng)?shù)氐姆N植補(bǔ)貼，早晚稻每公頃各6 450 元，大豆每公頃為3 000 元計(jì)算，分析了各種植模式的經(jīng)濟(jì)效益與純效益(表6)。 不計(jì)算種植補(bǔ)貼時(shí)，T1 和T2 處理純收益與CK 差異顯著，分別高出480.2%與544.5%；計(jì)算種植補(bǔ)貼后，T1 、T2 處理的純收益比CK 分別高出51.0%和63.3%。 雖然各地區(qū)種植補(bǔ)貼存在一定的差異，但稻—豆復(fù)種帶來的經(jīng)濟(jì)效益提升是顯著的，能為農(nóng)戶帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益尤其是春大豆—晚稻的種植模式增產(chǎn)增收更加明顯。

表6 各處理經(jīng)濟(jì)效益比較Table 6 Comparison of economic efficiency of different treatments 元·hm-2

3 討論

前人研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)種不僅能增加作物產(chǎn)量，也能提高土壤肥力。 張順濤等[12]驗(yàn)證油菜在長(zhǎng)江流域多熟制區(qū)種植后可提升后茬作物產(chǎn)量，較常規(guī)麥—稻輪作模式增產(chǎn)4.6%～17.3%。 Zhao 等[13]發(fā)現(xiàn)輪作在我國可提高20%的平均產(chǎn)量，對(duì)于肥力較低的土壤效果更佳。 本研究中早稻—秋大豆與早稻—晚稻相比較，早稻的產(chǎn)量基本一致，而種植春大豆和種植早稻后種晚稻，兩種模式下晚稻的生物量及產(chǎn)量差異顯著，說明春大豆的種植不僅僅是為晚稻提供生育期優(yōu)勢(shì)，還可從土壤營養(yǎng)、環(huán)境等為晚稻生長(zhǎng)提供優(yōu)越條件，這需從土壤養(yǎng)分的周年循環(huán)利用、植株養(yǎng)分的吸收等進(jìn)行深入研究。

通過復(fù)種還可避災(zāi)減災(zāi)保證作物產(chǎn)量。 隨氣候變化不斷加劇，各種自然災(zāi)害頻發(fā)。 2000—2009 年我國南方早稻孕穗至成熟期高溫脅迫頻率增加，單季稻和晚稻孕穗期受洪澇災(zāi)害頻發(fā)，抽穗期后干旱頻次也明顯增多[14]。 本試驗(yàn)中，豆類植株的參與不僅有利于土壤肥力的可持續(xù)性提升，其種植結(jié)構(gòu)與時(shí)期上還可靈活調(diào)整，避免氣候風(fēng)險(xiǎn)，從而保證作物產(chǎn)量。

稻—豆種植模式可以疏松土壤、改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性狀。 豆科植株的根瘤菌可固定空氣中的氮，供給自身需要的同時(shí)，增加土壤含氮量，既有利于土壤養(yǎng)分的均衡吸收，又可減輕病蟲草害的發(fā)生，此外其植株殘?bào)w還可直接增加土壤有機(jī)質(zhì)，最終提高產(chǎn)量。 本試驗(yàn)結(jié)果表明，春大豆—晚稻輪作較雙季 稻 連 作， 晚 稻 可 增 產(chǎn)33.40%， 純 收 益 提 高63.3%，這主要是由于大豆生育期較短，種植成本相對(duì)水稻低。 本研究晚稻供試品種為甬優(yōu)1540，具有弱感光性的特征，種植時(shí)間的提早使干物質(zhì)積累量相對(duì)較高，充分發(fā)揮晚稻生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)量提升明顯。綜上所述，兩種稻—豆復(fù)種模式均可帶來作物產(chǎn)量提升與經(jīng)濟(jì)效益提高，在光熱資源充足的南方地區(qū)值得推廣。

4 結(jié)論

在相同施肥量與大田管理下，稻—豆復(fù)種模式較常規(guī)雙季稻種植模式，能帶來作物產(chǎn)量的提升與經(jīng)濟(jì)效益的提高。 春大豆的種植為后茬晚稻提供了更長(zhǎng)生育期，帶來更高的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)，使得產(chǎn)量提高；經(jīng)濟(jì)效益的提高得益于更低的種植成本、更高的作物產(chǎn)量及較高的市場(chǎng)售價(jià)。