水稻产量对双季稻-不同冬绿肥轮作及环境的响应

黄晶，刘淑军，张会民，王晓辉，高菊生*

1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所//耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2. 中国农业科学院衡阳红壤实验站//祁阳农田生态系统国家野外试验站，湖南 祁阳 426182；3. 耒阳市农业局，湖南 耒阳 421800

水稻产量对双季稻-不同冬绿肥轮作及环境的响应

黄晶1，2，刘淑军1，2，张会民1，2，王晓辉3，高菊生1，2*

1. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所//耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081；2. 中国农业科学院衡阳红壤实验站//祁阳农田生态系统国家野外试验站，湖南 祁阳 426182；3. 耒阳市农业局，湖南 耒阳 421800

双季稻和冬季绿肥轮作体系是实现南方稻区水稻高产、稳产可持续发展的重要措施。为探讨水稻产量对双季稻-不同冬季绿肥轮作及环境的响应特征，以开始于1982年的双季稻-不同冬季绿肥（稻-稻-紫云英，R-R-MV；稻-稻-油菜，R-R-RP；稻-稻-黑麦草，R-R-RG；稻-稻-冬闲，R-R-WF）的长期定位试验为平台，采用产量变异系数（CV）、产量可持续指数（SYI）及AMMI模型对影响双季稻稻谷总产量稳定性的双季稻-不同冬季绿肥轮作、环境和二者互作进行分析，研究稻谷产量对长期双季稻-不同冬季绿肥轮作的响应特征。结果表明：双季稻-不同绿肥轮作稻谷产量变异系数随试验时间延长逐渐降低，与其他绿肥轮作模式相比，稻-稻-紫云英轮作能够减小产量变异系数。早稻和晚稻均以稻-稻-紫云英处理的SYI值最高，分别为0.58和0.59。双季稻-不同绿肥轮作与年际间环境的互作（F×E）平方和占总平方和的2.3%，达到了显著差异（P=0.012 5）。双季稻-不同绿肥轮作方式和交互作用对水稻产量的影响相对较小，影响水稻产量变化的主要因素是年际气候因子变化，稻-稻-紫云英轮作更能积极适应气候因子的变化。综合以上分析结果，认为稻-稻-紫云英轮作是该区域双季稻高产和稳产的理想轮作制度。

水稻产量；双季稻-绿肥轮作；产量变异系数；可持续性指数；AMMI分析

HUANG Jing， LIU Shujun， ZHANG Huiming， WANG Xiaohui， GAO Jusheng. The Response of rice yields on long-term double cropping rice with different winter green manure rotation and environment ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（8）: 1271-1276.

南方是我国水稻生产的主产区，耕作面积和总产量分别占全国水稻的81.6%和79.4%，主要分布在长江中下游、西南及华南地区（徐春春等，2013）。合理轮作是通过“以田养田”、“以地养地”，从而实现稻田可持续发展的一项重要措施。绿肥作为一种优质的有机肥，其带来的生态环境效益日益受到人们的关注。南方稻田约有2×107hm2冬闲田可以用来发展冬季绿肥，实现稻-（稻）-绿肥三（两）熟制轮作（曹卫东等，2009）。以往研究表明，绿肥具有良好的改土培肥作用，绿肥还田不仅能够改善土壤矿质养分状况，提高土壤有机质含量，有利于后茬作物的生长，提高水稻产量，还可减少化肥投入，降低农业生产成本（高菊生等，2013；万水霞等，2015；Macrae et al.，1985；Gao et al.，2015）。绿肥纳入水稻轮作体系是实现南方稻区水稻高产、稳产可持续发展的重要措施，但水稻产量的变化受施肥、轮作和环境等多因素影响。目前，有关红壤性水稻土长期不同施肥处理下水稻产量变化、产量可持续性指数（sustainable yield index，SYI）变化特征以及采用AMMI模型（additive main effects and multiplicative interaction，AMMI）对影响双季稻总产量稳定性的施肥处理、环境和二者互作的响应等已进行了研究，发现长期不同施肥处理下水稻产量对环境变化的响应存在差异（黄晶等，2015）。王卫等（2013）研究了稻田不同位置小气候的差异对水稻产量的影响，发现CO2含量差异是近边界产量和生物量高于稻田中部的主要原因。但基于双季稻绿肥轮作长期试验的水稻产量年际间变化趋势，在该地区双季稻-不同绿肥轮作模式下，水稻产量对双季稻-不同冬季绿肥轮作及环境的响应关系的研究仍鲜见报道。本研究分析在双季稻-冬种不同绿肥轮作体系中，水稻产量的变化趋势、可持续性指数变化以及双季稻和不同绿肥轮作与环境交互作用对水稻产量的影响，以期为红壤丘陵区双季稻绿肥轮作体系下水稻产量的稳定性评价提供相关理论基础，同时为南方双季稻区适宜的冬季绿肥筛选提供技术支撑和理论依据。

表1　主要气象因子数据Table 1　The data of meteorological factors

1　材料与方法

1.1供试材料

于1982年开始进行双季稻-冬季不同绿肥轮作长期定位试验，地点设在湖南省祁阳县官山坪村中国农科院红壤实验站内（E111°52ʹ32ʺ，N26°45ʹ42ʺ），主要气象因子见表1。土壤为第四纪红土母质发育的红黄泥，试验开始时0～20 cm土壤基本理化性状为：pH=6.6，有机质20.1 g·kg-1，全氮0.9 g·kg-1，碱解氮219.7 mg·kg-1，全磷0.7 g·kg-1，有效磷18.0 mg·kg-1，速效钾176.0 mg·kg-1。

1.2试验方法

试验设4个处理：（1）稻-稻-紫云英（R-R-MV），（2）稻-稻-油菜（R-R-RP），（3）稻-稻-黑麦草（R-R-RG），以上各处理重复3次；（4）稻-稻-冬闲（R-R-WF）处理增设于1990年。试验冬作物于晚稻收割前10～15 d将种子撒于田间，紫云英、油菜和黑麦草播种量分别为37.5、7.5和15.0 kg·hm-2，绿肥生长过程均不施肥。绿肥在次年早稻移栽前15 d全部翻压还田，每季稻草不还田（根茬除外）。每个小区面积37.5 m2（2.5 m×15.0 m），小区间用高60 cm水泥埂隔开。所有处理水稻施肥量相同，早、晚稻施肥量均为N 153 kg·hm-2，P2O584 kg·hm-2，K2O 129 kg·hm-2。分基肥和追肥2次撒施，基肥施用复合肥600 kg·hm-2（含N 14%、P2O514%、K2O 14%）；追肥施纯N 69 kg·hm-2，K2O 45 kg·hm-2，肥料类型为尿素（含N 46%）和氯化钾（含K2O 60%）。基肥在水稻移栽前施入，追肥在移栽后6～10 d作为返青分蘖肥一次施入，试验水稻品种为当地常用品种，3～5 a更换1次。

1.3数据处理

采用Excel 2010进行数据整理、稳定性方差和相关变异系数计算以及绘图；采用DPS V6.5统计软件进行AMMI模型分析和方差分析，其中产量方差分析为单因素方差（One Way-ANOVA）分析，不同处理之间多重比较采用LSD方法。作物产量的可持续性程度用SYI表示（马力等，2011）：

式中，Y为平均产量；σn-1为标准差；Ymax为最高产量。

AMMI模型是主效可加互作可乘模型，其表达式为：

式中，yij是第i施肥处理在第j年气候环境的平均值。加性参数：μ为总体平均数；αi为第i基因型与总平均数的离差；βj为第j年气候环境与总平均数的离差。倍加性参数：λs是第s个交互效应主成分轴（IPCA）的奇异值；γis是第s轴的施肥处理特征向量值；δjs是第s轴的气候环境特征向量值；ρij为提取ρ个IPCA轴后留下的残差。稳定性参数Di的计算公式：

式中，s为显著的IPCA个数；γis为第i施肥处理在第s个IPCA上的得分；ωs为权重系数，它表示每个IPCA所解释的平方和占全部IPCA所解释的平方和的比例。Di为衡量施肥处理稳定的定量指标（冀建华等，2012）。

2　结果与分析

2.1双季稻不同绿肥轮作下稻谷产量及其变化

由表2可知，与冬闲相比较，冬种绿肥能够显著增加稻谷产量（P＜0.05），早稻产量、晚稻产量和年产量分别增加13.7%～24.0%、20.9%～30.0%和14.9%～24.2%。3种不同绿肥轮作下，以稻-稻-紫云英的平均产量最高，早稻产量、晚稻产量和年产量分别比其他2种绿肥轮作高出6.1%～9.1%、5.8%～7.5%和5.8%～8.1%，差异均达到显著水平（P＜0.05）；稻-稻-黑麦草和稻-稻油菜之间的稻谷产量没有显著差异，稻-稻-油菜轮作的稻谷年均产量比稻-稻-黑麦草高2.1%。

对长期不同绿肥轮作的稻谷产量变异情况进行分析（表2），结果表明各处理的稻谷产量变异系数随着试验时间的延长呈先增加后下降的趋势。不同绿肥轮作处理和冬闲处理相比较，稻谷产量变异系数下降了4.0%～17.2%（1982—2012）。不同绿肥轮作下产量变异系数在不同年限间的变化趋势一致，均以稻-稻-紫云英最小，稻-稻-黑麦草最大。

表2　不同处理稻谷产量变化和变异系数Table 2　Rice yield change and yield coefficient of variation of different treatment

图1　不同绿肥轮作处理的SYI值Fig. 1　SYI value of the different fertilization treatments

2.2不同绿肥轮作下稻谷产量可持续性

长期不同绿肥轮作表现出的产量可持续指数（SYI）存在差异（图1），早稻季，各处理SYI值的大小顺序为稻-稻-紫云英＞稻-稻-油菜＞稻-稻-黑麦草＞稻-稻-冬闲，不同处理SYI值在0.55～0.58之间波动；晚稻季，各处理SYI值的大小顺序为稻-稻-紫云英＞稻-稻-油菜＞稻-稻-冬闲＞稻-稻-黑麦草，不同处理晚稻SYI波动范围大于早稻，在0.53～0.59之间。早稻季和晚稻季均以稻-稻-紫云英处理的SYI值大，且其稻谷产量也最高。综合考虑，该处理为最佳绿肥轮作模式。

对不同绿肥轮作下稻谷产量可持续性指数与土壤养分含量（pH、有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾）的关系采用相关系数进行研究（表3）。分析表明，除了早稻SYI值与土壤全磷和速效钾含量呈显著负相关之外，早稻和晚稻SYI与其他土壤养分指标相关性均较差。

2.3稻谷产量对不同绿肥轮作和环境的响应

长期不同绿肥轮作模式导致土壤肥力水平产生了差异（高菊生等，2013），而不同绿肥轮作方式在同一年所面临的气候、品种、灌溉水质和大气沉降等条件却是相同的。因此，本文将不同绿肥轮作与其相对应的土壤肥力条件作为一个维度，即“绿肥轮作”；每年的气候、品种和其它环境条件作为一个维度，即“环境”。对30年定位不同绿肥轮作下的双季稻总产量进行联合方差及AMMI分析，结果表明（表4），绿肥轮作、年际间环境和绿肥轮作与环境互作（F×E）的平方和分别占方差分析总平方和的2.7%、95.0%和2.3%，三者均达到了显著差异（P=0.0125）。继续利用AMMI模型对双季稻总产量进行稳定性分析，尽管年际间环境的变异占了绝大部分，交互作用所占的比例相对较小，但对交互作用的主成分分析结果表明，IPCA1达到了极显著水平（P=0.0001）。

以上述第一主成分交互作用（IPCA1）与产量为控制变量绘制了双标图（图2），图2中a、b和c分别代表稻-稻-黑麦草、稻-稻-油菜和稻-稻-紫云英3种绿肥轮作方式，1、2、3….30分别代表1982、1983、1984…2012年的环境。绿肥轮作方式与环境在同侧，表示该轮作处理在该环境中的交互作用为正，相反即表示交互作用为负。以IPCA1=0作水平线，可见，产量较高的稻-稻-紫云英轮作和产量较低的稻-稻-黑麦草、稻-稻-油菜轮作分别位于水平线两侧。稻-稻-紫云英轮作方式与1997—2011年之间的环境互作为正，与其它年份的环境互作为负，即表示1997—2011年之间的环境对双季稻总产量的提高有积极作用；反之，稻-稻-黑麦草和稻-稻-油菜与1997—2011年之间的环境互作为负，与其它年份的环境互作为正，表示1997—2011年间的环境对双季稻产量的提高有削弱作用。

表3　早稻和晚稻SYI与土壤养分的相关性Table 3　Relationship between SYI of early rice and late rice and soil nutrient

表4　长期不同绿肥轮作下稻谷产量的方差分析、线性回归模型和AMMI模型分析Table 4　ANOVA， linear regression and AMMI model analysis of the rice yields under different green manure rotation

3　讨论

本研究表明，与冬闲处理相比较，冬种绿肥处理能够显著增加稻谷产量。冬种绿肥还田后，有利于土壤养分的循环与转化，提高土壤肥力，改善水稻生长环境和提高作物的养分吸收（周卫军等，2002；张立进等，2014），进而提高稻谷产量。绿肥紫云英属豆科植物，能够利用根瘤菌共生固氮，相比其他冬季绿肥或冬闲，紫云英翻压还田后可增加土壤养分循环中的氮，而氮素是水稻增产的主要因素之一，其增产贡献率约为18%（黄晶等，2015），故稻-稻-紫云英轮作模式下的稻谷产量高于其他绿肥轮作或冬闲模式。各处理的稻谷产量变异系数随着施肥时间的延长呈下降趋势。长期试验中作物产量的降低受到土壤类型、土壤肥力、气候及植物病虫害等诸多因素的影响（Manna et al.，2005），也有研究认为可能是由于气候变化导致作物光合作用、呼吸作用增加，营养和灌浆期缩短可能会导致产量下降（金之庆，1996）。作物产量稳定性是表征一种作物种植体系优劣的重要指标（Zoltán et al.，2000）。本研究中冬种绿肥还田后水稻SYI值大于冬闲处理，冬种绿肥处理以稻-稻-紫云英处理的SYI值最大，这可能与各不同处理土壤活性有机质的差异有关。相关研究表明，作物稳定性系数SYI和土壤活性有机碳含量有显著相关性（Manna et al.，2007），同时已有研究表明冬种紫云英还田后土壤活性有机质显著高于其它处理（高菊生等，2011）。

对于长期定位观测水稻产量数据而言，造成不同处理产量变化的主要原因是气候因子、土壤环境条件和耕作管理措施等因素的变化及其交互作用。交互作用的大小是决定产量稳定的主要因素。本研究中方差分析、线性回归分析和AMMI分析的结果表明，影响水稻产量变化的主要因素是环境，即年际气候因子变化，而不同绿肥轮作方式和交互作用对水稻产量的影响相对较小。因不同绿肥轮作方式下，水稻施肥量相同，不同处理之间土壤速效养分含量差异较小，相关研究表明，不同耕作模式下土壤养分供给能力不是影响作物产量的主要因素（李朝苏等，2012）。表3的结果也进一步证明了产量可持续性与土壤养分含量的相关性较差。产量较高的稻-稻-紫云英处理和产量较低的稻-稻-黑麦草、稻-稻-油菜2个处理与环境互作的响应正好相反。从试验地历年的气象因子来看（表1），1997—2011年的年均降雨量和1982—1996年间的年均降雨量相差不大，但1997—2011年的年均气温和年均日照时数较1982—1996年间分别增加了0.6 ℃和115.8 h。气候变化将显著影响南方稻区水稻生产，但其影响具有很强的地域性和复杂性（葛道阔等，2002）。就稻-稻-紫云英处理而言，随着气温升高、日照时间增长，环境对稻谷产量的影响表现出积极的作用。20世纪80年代以来，受全球气候变暖的影响，长江中下游稻区水稻生长季已出现持续增温现象。预计未来几十年，随着气候迅速增暖以及气候变率的增大，长江中下游地区特别是湖北和湖南将成为我国南方稻区中增温最显著的区域之一（葛道阔等，2009）。因此，从水稻生产的可持续性考虑，稻-稻-紫云英相比稻-稻-黑麦草、稻-稻-油菜和稻-稻-冬闲轮作，能够更好地适应未来气候变化。

图2　AMMI1双标图Fig. 2　Biplot of AMMI1 between yields and IPCA1

4　结论

本文通过对长期不同绿肥轮作后水稻产量年际变化采用多种方法分析，发现各处理产量变异系数随着施肥时间的延长呈下降趋势，影响水稻产量变化的主要因素是年际气候因子变化，而不同绿肥轮作方式和交互作用对水稻产量的影响相对较小。不同绿肥轮作处理中，稻-稻-紫云英轮作能够明显提高稻谷产量和SYI值，同时更能积极适应气候因子变化。综合产量变异系数、SYI及采用AMMI评价产量稳定性等结果分析，认为稻-稻-紫云英轮作可作为该区域双季稻高产和稳产的理想轮作制度。

GAO S J， ZHANG R G， CAO W D， et al. 2015. Long-term rice-rice-green manure rotation changing the microbial communities in typical red paddy soil in South China ［J］. Journal of Integrative Agriculture，14（12）: 2512-2520.

MACRAE R J， MEHUYS G R. 1985. The effect of green manure on the physical properties of temperate-area soils ［J］. Advances in Soil Science， 3: 71-94.

MANNA M C， SWARUP A， WANJARI R H， et al. 2005. Long-term effect of fertilizer and manure application on soil organic carbon storage， soil quality and yield sustainability under sub-humid and semi-arid tropical India ［J］. Field Crops Research， 93（2-3）: 264-280.

MANNA M C， SWARUP A， WANJARI R H， et al. 2007. Long-term fertilization， manure and liming effects on soil organic matter and crop yields ［J］. Soil and Tillage Research， 94（2）: 397-409.

ZOLTÁN B， BÉLA G， DANG Q L. 2000. Effect of crop rotation and fertilization on maize and wheat yields and yield stability in a long-term experiment ［J］. European Journal of Agronomy， 13（2-3）: 225-244.

曹卫东， 黄鸿翔.2009. 关于我国恢复和发展绿肥若干问题的思考［J］.中国土壤与肥料， （4） :1-3.

高菊生， 曹卫东， 李冬初， 等. 2011. 长期双季稻绿肥轮作对水稻产量及稻田土壤有机质的影响［J］. 生态学报， 31（16）: 4542-4548.

高菊生， 徐明岗， 董春华， 等. 2013. 长期稻-稻-绿肥轮作对水稻产量及土壤肥力的影响［J］. 作物学报， 39（2）: 343-349.

葛道阔， 金之庆， 石春林， 等. 2002. 气候变化对中国南方水稻生产的阶段性影响及适应性对策［J］. 江苏农业学报， 18（1）: 1-8.

葛道阔， 金之庆. 2009. 气候及其变率变化对长江中下游稻区水稻生产的影响［J］. 中国水稻科学， 23（1）: 57- 64.

黄晶， 张杨珠， 刘淑军， 等. 2015. 水稻产量对长期不同施肥和环境的响应［J］. 中国生态农业学报， 23（11）: 1367-1376.

冀建华， 刘光荣， 李祖章， 等. 2012. 基于AMMI模型评价长期定位施肥对双季稻总产量稳定性的影响［J］. 中国农业科学， 45（4）: 685-696.

金之庆. 1996全球气候变化对中国粮食生产影响的模拟研究［D］. 南京:南京农业大学: 90-93.

李朝苏， 汤永禄， 黄钢， 等. 2012. 麦稻轮作区周年耕作模式对作物产量和土壤特性的影响［J］. 西南农业学报， 25（3）: 786-791

马力， 杨林章， 沈明星， 等. 2011. 基于长期定位试验的典型稻麦轮作区作物产量稳定性研究［J］. 农业工程学报， 27（4）: 117-124.

万水霞， 朱宏斌， 唐杉， 等. 2015. 紫云英与化肥配施对安徽沿江双季稻区土壤生物学特性的影响［J］. 植物营养与肥料学报， 21（2）: 387-395.

王卫， 谢小立， 陈安磊. 2013. 田间小气候对水稻产量的影响［J］. 生态环境学报， 22（3）: 428-431.

徐春春， 孙丽娟， 周锡跃， 等. 2013. 我国南方水稻生产变化和特点及稳定发展的政策建议［J］. 农业现代化研究， 34（2）: 129-132.

张立进， 杨滨娟， 黄国勤， 等. 2014. 绿肥轮作对早稻生长动态及氮素吸收利用的影响［J］. 中国农学通报， 30（24）: 61-65.

周卫军， 王凯荣， 张光远， 等. 2002. 有机与无机肥配合对红壤稻田系统生产力及其土壤肥力的影响［J］. 中国农业科学， 5（9）: 1109-1113.

The Response of Rice Yields on Long-term Double Cropping Rice with Different Winter Green Manure Rotation and Environment

HUANG Jing1，2， LIU Shujun1，2， ZHANG Huiming1，2， WANG Xiaohui3， GAO Jusheng1，2*
1. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning， Chinese Academy of Agricultural Sciences//National engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land， Beijing 100081， China；2. Red Soil Experimental Station of CAAS in Hengyang//National Observation and Research Station of Farmland Ecosystem in Qiyang， Qiyang 426182， China；3. Agricultural Bureau of Leiyang City， Leiyang 421800， China

Double rice cropping and winter green manure rotation system are the important strategies for high yield stability and sustainability at rice area in Southern China. In order to investigate the response characteristics of the rice yield to double rice cropping with different winter green manure rotation and environmental， a long-term double cropping rice with different winter green manure rotation experiment has been going on since 1982 in the Red Soil Experimental Station of CAAS. Four field treatments were examined: rice-rice-milk vetch （R-R-MV）， rice-rice-rape （R-R-RP）， rice-rice-ryegrass （R-R-RG） and rice-rice-winter fallow（R-R-WF）. Yield coefficient of variation （CV）， sustainable yield index （SYI） and additive main effects and multiplicative interaction（AMMI） model were used to analyse the interactions of double rice cropping with different winter green manure rotation and environment which can effect the stability of rice yield. Result showed that yield CV in different treatments decreased with experimental years. R-R-MV rotation could decrease yield CV but not other rotations. The highest SYI value was found in R-R-MV rotation， which was 0.58 for early rice and 0.59 for late rice， respectively. The sum of squares of interactions of double rice with different winter green manure rotation treatments and environment （F×E） was 2.3% of total sum of squares （P＜0.05）， which indicated that the combined effects of double cropping rice with different green manure rotation and environment on rice yield was relatively small， and the main factors affecting the variation of the rice yield was interannual climate changes. It was assumed that R-R-MV rotation could adapt to climate change better than other rotation treatments. Thus， the suitable rotation system of the double cropping rice regional to sustain the high rice yield and yield stablility could be rice-rice-milk vetch rotation.

rice yield； double cropping rice with green manure rotation； yield CV； SYI； AMMI analysis

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.003

S158.3

A

1674-5906（2016）08-1271-06

国家重点研发计划“粮食丰产增效科技创新”重点专项（2016YFD0300903；2016YFD0300901）；国家科技支撑计划项目（2012BAD05B05）

黄晶（1983年生），男，助理研究员，博士研究生，主要从事施肥与土壤肥力演变的研究。E-mail: huangjing@caas.cn

∗。高菊生，E-mail: gjusheng@163.com

2016-04-12

引用格式：黄晶， 刘淑军， 张会民， 王晓辉， 高菊生. 水稻产量对双季稻-不同冬绿肥轮作及环境的响应［J］. 生态环境学报，2016， 25（8）: 1271-1276.