海河平原区棉花饲用黑麦复种方式及水肥利用效率分析

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(河北省农林科学院旱作农业研究所，河北省农作物抗旱研究重点实验室，河北 衡水 053000)

海河平原农区无霜期200 d左右[1]，有大面积的棉花(Gossypiumherbaceum)种植，据统计，2014年河北省棉花种植面积在39×104hm2[2]。棉花生长天数一般从4月底到10月中下旬，大约为180 d[3]。棉花收获后，即进入晚秋，不能与该区域其他农作物形成一年两作，从而造成晚秋-冬季-早春农田闲置，形成了大量冬闲田。可否利用棉花冬闲田种植生育期较短、以营养体收获的饲草，形成棉草复种模式，即可有效利用冬闲田，又可解决农区冬春饲草短缺的矛盾，从而促进农区畜牧业的发展。据有关研究报道[4]，饲用黑麦(Secalecereale)是一年生越冬性的禾本科饲草作物，适宜冬春季节生长，在海河平原区应该可利用棉花冬闲田种植。

有关棉花冬闲田利用的研究报道，主要集中在种植黑麦冬牧70上。马兴林等[5]证明棉花复种黑麦的可行性，试验结果显示在棉花冬闲田种植一季冬牧70，经济效益显著，并且在春季可增加地面覆盖，减少土壤水分地表蒸发，生态效益显著，但该结果未明确复种模式下饲用黑麦适宜播种期。许建新等[6]证明棉花复种黑麦能够提高土壤有机质，培肥土壤；宁东峰等[7]分析了黑麦在与棉花复种中作为绿肥时的养分释放规律；二者仅站在棉花复种饲用黑麦后对土壤改良角度进行分析。孙成钰等[8]研究表明黑麦-棉花轮作模式在利用深层水分方面有明显优势，该研究仅从棉草复种模式对水资源利用角度进行了探讨。孙学钊等[9]，张思聪等[10]，杜高唐[11]在山东地区明确了棉花黑麦套种条件下饲用黑麦时期、播量及相关栽培技术，而套种条件下的饲用黑麦播期等栽培措施并不能替代复种模式下的栽培技术。李志坚[12]试验结果显示黄淮海区域棉花与黑麦复种时黑麦的播期在10月10日至11月14日，只要生产条件允许情况下黑麦应尽可能早播，该研究立足于棉花复种饲用黑麦的前提下，仅考虑了何时播种饲用黑麦产量最佳，并没用分析何时播种黑麦，复种模式经济效益最佳，且给出的饲用黑麦播种期时间历时一月之久，在实际生产中难以选择。综合分析发现，以上研究均是从棉花饲用黑麦复种模式下某一个或几个方面对棉草复种可行性、效益、栽培技术等进行研究，不够系统，缺乏综合分析。基于此，本研究从棉花饲用黑麦复种模式下两种作物茬口搭配、复种模式下经济效益、水分利用效率和养分利用效率以及对土壤改良等方面综合分析棉花饲用黑麦复种模式的可行性，探讨利用海河平原区棉花秋冬闲田发展牧草的高效种植模式，旨在为该区域棉花冬闲田利用提供技术和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区域自然概况

试验于2011-2014年进行，试验地点设在海河低平原区的河北省邢台市任县，位于E 114°30′和N 37°04′。试验区平均海拔42.0 m，无霜期197 d，年平均日照时数2567.5 h，平均降水量498.2 mm；试验地为壤土，pH 7.88，全盐量0.52 g·kg-1，有机质含量2.04 g·kg-1，全氮含量0.129 g·kg-1，碱解氮96.35 mg·kg-1，速效磷7.7 mg·kg-1，速效钾89.35 mg·kg-1。

1.2 试验处理

以单作棉花为对照，利用棉花的冬闲田，将饲用黑麦与棉花进行复种，通过饲用黑麦不同播期与棉花构建几种棉草复种茬口搭配方式，作为不同处理。目的是寻求棉花与黑麦的最佳茬口搭配时期，使二者的相互影响达到最小，单位面积效益达到最大化。试验处理见表1，共5个处理。每一处理为一小区，小区长4 m，宽5 m，面积20 m2，采取随机区组设计，3次重复。共计15个小区。试验品种选择：饲用黑麦为冬牧70，棉花为早熟高产品种国审冀668。

试验从2011年10月至2014年10月进行，饲用黑麦按照试验设计分别于10月10日、10月15日、10月20日和10月25日播种。播种量为150 kg·hm-2，行距20 cm。饲用黑麦收获后(4月30日)播种棉花，棉花行距66 cm，株距50 cm，密度30000株·hm-2。棉草复种处理下棉花收获日期为播种饲用黑麦的前一天，即10月9日、10月14日、10月19日和10月24日播种，棉花单作收获日期为10月28日。

表1 试验处理设置Table 1 Experimental treatment

1.3 测定项目

1.3.1饲用黑麦调查标准及方法 生育期调查：包括出苗期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期。农艺性状测定：收获前测量株高，每小区随机取10株，测量从地面至植株的最高部位(芒除外)的绝对高度，求其平均值。刈割前调查总茎数，随机选取100 cm行长，统计行内总茎数，折算亩茎数。刈割时小区内随机选取长势均匀的10株测定分蘖穗，计算单株分蘖数。抗倒性按照无(0)、轻(25%)、中(30%)、重(50%)的4级调查标准进行。植株倾倒45度以上为倒伏。鲜草刈割测产后测定鲜干比，每小区分别取鲜草样500 g，待自然风干后称量干重，计算鲜干比(风干量/鲜样量)×100%。刈割测产后测定茎叶比，各小区分别取鲜草样500 g将茎和叶分开后自然风干，再分别称重，计算茎叶比(茎质量/叶质量)。

产量性状测定：各小区去掉边行及小区两头行头各0.5 m，剩余全部刈割进行测产得到小区鲜草产量，之后折算成公顷产鲜重。干草产量由鲜草产量和鲜干比计算得出。

1.3.2土壤理化性质测定 水分、养分在作物种植前和收获后及复种牧草收获后测定，土壤水分：0～120 cm，分3层。土壤养分0～40 cm，分2层。

水分利用效率(WUE)：依据生物量和籽粒产量(Y)及播前和收获时的土壤水分消耗量计算水分利用效率。作物和复种牧草均用下列公式分段计算[13]。

WUE (kg·hm-2·mm-1)=Y/(W1-W2+P+G)

式中：W1为播前土壤贮水量(mm)；W2为收获时土壤贮水量(mm)；P为生育期降水量;G为生育期灌水量；Y为生物量和籽粒产量。

水分经济利用效率(EWUE)：依据周年内某一种植模式下效益总值和耗水量计算。EWUE(元·hm-2·mm-1)=总效益(元·hm-2)/耗水量(mm)[14]。

养分经济利用效率(ENUE)：参考水分经济利用效率，依据试验期内某一种植模式下效益总值和土壤养分变化量计算养分经济利用效率。ENUE(元·hm-2·kg-1)=总效益(元·hm-2)/(N1-N2+F)(kg)。N1:播前土壤养分含量(kg·hm-2)；N2:收获后土壤养分含量(kg·hm-2)；F:试验期间所施肥料中养分含量(kg·hm-2)。

1.3.3棉花调查内容及方法 棉花调查内容参照国家行业标准执行[15]。

1.4 数据统计分析

采用SPSS 19软件对数据进行方差分析，运用Excel 软件进行表格制作。

2 结果与分析

2.1 生育期调查

2.1.1饲用黑麦生育期 对2011-2014年不同搭配方式下饲用黑麦的生育期进行了调查(表2)。从饲用黑麦生育期来看，10月15日之前播种饲用黑麦，出苗较快，均为7 d后出苗。随着播期的延后，气温逐渐降低，饲用黑麦出苗期逐渐推迟。10月25日播种的饲用黑麦抽穗期较晚，可能是由于冬前发育较弱，影响了后期生长发育进程。在棉花(4月30日)播种时，饲用黑麦均处于抽穗期，即将进入开花期。

表2 饲用黑麦生育期调查表Table 2 Growth periods of S. cereale (月-日Month-day)

注：“-”表示没有数据，下同。

Note: “-”No data, the same below.

2.1.2棉花生育期 对2011-2014年不同搭配方式下棉花的生育期进行了调查(表3)。由于CK和复种情况下播种期均一致，且品种相同，因此不同处理下棉花生育期也基本表现一致(表3)。根据各处理播种黑麦时期来收获棉花，致使棉花生长天数不一致，收获时间缩短。

表3 棉花生育期调查表Table 3 Growth periods of cotton

2.2 不同处理的籽棉产量和饲草干草产量

对不同搭配方式下籽棉产量以及复种的饲用黑麦干草产量进行统计(表4)。从2011-2014年籽棉平均产量来看， 在棉花冬闲田不同时期复种饲用黑麦均导致籽棉产量降低，降低幅度为0.1%～3.1%，但经过方差分析显示差异不显著。在棉草复种模式下，随着饲用黑麦播种期的延迟，棉花生长时间延长，籽棉产量呈逐渐增加趋势。

从不同处理下饲草干草产量看，棉草复种模式随着饲用黑麦播种期的推迟，饲草干草产量逐渐降低。C-S1010处理饲草干草产量极显著高于C-S1025处理(P<0.01)，显著高于C-S1020处理(P<0.05)，C-S1010处理和C-S1015处理饲草干草产量差异不显著。

2.3 饲用黑麦农艺性状

对不同搭配方式下饲用黑麦农艺性状进行了统计(表5)。由2011-2014年3年均值来看，不同棉草搭配方式下饲用黑麦单株分蘖数和总茎数随着播期的延后呈逐渐下降趋势。单株分蘖数方面C-S1010处理和C-S1015处理极显著高于C-S1020处理和C-S1025处理(P<0.01)，C-S1010处理和C-S1015处理之间差异不显著。单株分蘖数低，直接影响到群体密度，对饲用黑麦总茎数统计显示，C-S1010处理总茎数极显著高于其他处理(P<0.01)。茎叶比方面C-S1025处理饲用黑麦的茎叶比极显著高于C-S1010和C-S1015处理(P<0.01)，显著高于C-S1020处理(P<0.05)。C-S1015处理饲用黑麦株高最高，为100.22 cm，C-S1025处理最低，为90.75 cm，二者差异显著(P<0.05)。饲用黑麦的倒伏随着播期延后呈现逐渐减轻趋势，可能是由于随着播期延后，饲用黑麦分蘖能力降低，导致群体密度减少，抗倒能力增强。

表4 不同复种方式下籽棉产量和饲草干草产量Table 4 Cotton and forage dry yield under the different multiple cropping patterns

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)，下同。

Note: Different small or capital alphabets in the same column were significant differences at the 0.05 level or 0.01 level, the same below.

表5 饲用黑麦农艺性状Table 5 Agronomic traits of S. cereale

2.4 不同复种方式的经济效益分析

对2011-2014年不同复种方式下的平均总产值进行了统计(表6)。按照2011-2014年平均价格，饲用黑麦干草单价为1.4元·kg-1，棉花籽棉单价为6元·kg-1统计，计算各处理下总产值。不同棉草搭配方式的总产值均极显著高于CK(P<0.01)。不同棉草复种处理之间的棉花产值差异不显著，随着饲用黑麦播种期推迟，棉花的产值逐渐升高，但与CK相比均有所下降。不同棉草复种处理的饲用黑麦产值存在极显著差异，随着饲用黑麦播期延迟产值逐渐降低，C-S1010处理饲用黑麦的产值极显著高于C-S1025处理(P<0.01)，显著高于C-S1020处理(P<0.05)，和C-S1015处理差异不显著(P>0.05)。C-S1015处理下饲用黑麦的产值极显著高于C-S1025处理(P<0.01)，与C-S1010处理和C-S1020处理差异不显著(P>0.05)。总产值方面也表现逐渐下降趋势，C-S1025处理下总产值最低。

在棉花冬闲田复种饲用黑麦，棉花的管理与单作情况下完全一致，只是收获时间不同，所以与棉花单作相比，棉草复种处理下的效益增减值由饲草收益、饲草投入以及复种条件下棉花与单作条件下棉花收益的增减值组成。对复种模式下的效益增减值统计见表6。由表可知，复种饲用黑麦处理均比单作处理效益有所增加，棉草复种处理比CK平均效益增加6070.2元·hm-2，但随着饲用黑麦播种期的延迟，效益增加值逐渐降低。

2.5 不同复种方式的水分利用效率以及水分经济利用效率

对2011-2014年不同复种方式的平均水分利用效率按照饲草干物质产量和经济作物经济产量、播前和收获时的土壤含水量、降水量和灌溉量进行计算(表7)。不同棉草复种方式的饲用黑麦水分利用效率以C-S1015处理下最高，为75.40 kg·hm-2·mm-1，其次为C-S1020处理，C-S1010处理下饲用黑麦的水分利用效率最低。棉花生长期间，复种条件下棉花水分利用效率均高于CK，不同棉草复种处理的棉花平均水分利用效率为8.32 kg·hm-2·mm-1，较单作处理提高16.49%。

周年平均耗水量来看，复种条件下周年耗水量高于单作处理。不同棉草复种处理的周年平均耗水量随着饲用黑麦播种期的延迟呈逐渐下降趋势，但差异不显著，C-S1010处理和C-S1015处理下周年耗水量显著高于CK(P<0.05)。根据不同复种方式的平均总产值、总成本以及耗水量计算平均水分经济利用效率。由表7可以看出，复种条件下平均水分经济利用效率均高于CK，不同棉草复种处理的平均水分经济利用效率为21.37元·hm-2·mm-1，较单作处理提高56.54%。

表6 不同复种方式的产值及经济效益比较Table 6 The economic efficiency of different multiple cropping patterns (CNY·hm-2)

表7 不同复种方式的水分利用效率及水分经济利用效率Table 7 The water use efficiency and water economic use efficiency of different multiple cropping patterns

注：其中棉花种植成本按照15000元·hm-2(包含人工费)计算，饲用黑麦种植成本按照4500元·hm-2(包含人工费)计算，数据均由当地近3年实际种植棉花和饲草投入计算所得出。

Note: Total input of cotton according to 15000 CNY·ha-1(including labor), total input of forage rye according to 4500 CNY·ha-1(including labor). The data are calculated from the actual input of cotton and forage grass in the last 3 years.

2.6 不同复种方式的氮、磷、钾养分经济利用效率

不同复种模式的土壤养分经济利用效率按照不同模式的3年总效益、播前和收获后的土壤养分含量、3年施肥总量来计算。试验对3年平均碱解氮、速效磷、速效钾经济利用效率进行了统计(表8)，由表8可知，棉草复种条件下对碱解氮、速效磷和速效钾的经济利用效率随着黑麦播期延迟逐渐降低。单作处理对碱解氮和速效磷的经济利用效率均高于复种处理，而对速效钾的经济利用效率低于C-S1010和C-S1015处理，高于C-S1020和C-S1025处理。

2.7 不同复种方式对土壤肥力的影响

本研究对试验结束后的土壤有机质、全盐量、pH值、碱解氮、速效磷、速效钾进行了统计。由表9可以看出，不同种植方式连续3年种植后土壤的有机质含量均大幅度提高，且不同棉草复种处理下土壤有机质含量增加幅度均大于CK。C-S1020处理下土壤有机质增长最多，达到14.66 g·kg-1。不同复种方式均降低了土壤含盐量(表9)，且复种方式对土壤含盐量抑制作用更强，棉草复种处理随着饲用黑麦播种时间延迟土壤含盐量逐渐降低，C-S1020和C-S1025处理下土壤含盐量显著低于CK。连续种植3年后，棉花饲用黑麦复种处理与CK相比土壤碱解氮和速效磷有所提高，但速效钾有所降低。

3 讨论

3.1 不同复种方式下两种作物生育期搭配

海河平原区3-4月风力较大，该地区大量种植的棉花在冬春季节形成大量裸露土地，易造成沙尘天气，形成环境污染。由于复种模式下上茬作物播种和收获时间影响到下茬作物的收获和播种时间，因此选择能与棉花复种的作物时，生育期尤为重要。在海河平原区，棉花一般4月底播种，10月中下旬收获，据此，饲用黑麦安排了几种不同播期进行搭配开展试验研究，试验结果显示，饲用黑麦在10月中下旬播种，到第2年4月底至5月初收获，此时饲用黑麦正处于抽穗期至开花期，此期为最佳刈割期[4]，两种作物能够在茬口上较好的搭配，解决了棉花复种茬口搭配时间紧的难题。饲用黑麦在10月10-15日播种时，饲用黑麦干物质产量最高，但是为减少对棉花影响，建议饲用黑麦适当晚播，可推迟到10月20日。

3.2 不同复种方式下经济效益比较

采取棉花冬闲田复种，目的是为了提高土地利用率及经济效益。评价复种方式的优劣，经济效益是最简单直接，也最容易被种植户接受的一种比较方式，因此本试验采用经济效益方式对棉花秋冬闲田复种饲用黑麦进行比较。按照近三年的平均价格计算复种模式下投入产出值计算结果显示，棉花饲用黑麦复种处理较CK平均增加经济效益6070.2元·hm-2。从经济角度考虑在棉花秋冬闲田增加种植一季饲草非常必要。

3.3 不同复种方式下水分经济利用效率分析

能否充分利用水分等资源，将资源转化成生物产量也是衡量复种模式是否成功的一种重要标准[16]。路海东等[17]研究结果显示，6个不同粮草间作模式与粮食单作相比，水分利用效率提高0.41～2.15 kg·m-3。汤文光等[18]研究结果显示红薯/春玉米-饲草等3种间套复种模式有利于提高作物水分利用效率及周年生产力。本试验采用水分经济利用效率的方式比较复种条件下和单作条件下水分利用效率，结果显示CK水分经济利用效率为13.65元·hm-2·mm-1，不同棉草复种处理下水分经济利用效率在20.32～22.56元·hm-2·mm-1之间，均极显著高于CK，与路海东等[17]和汤文光等[18]研究结果一致。牧草适应干旱能力强于农作物[19-21]，因此，选择饲草作物作为秋冬季节填闲作物，可显著提高水分利用效率。

3.4 不同复种方式下肥料经济利用效率分析

在肥料利用率上，董合林等[22]试验结果显示麦棉两熟制种植模式下两季作物钾肥利用率随施钾量的增加而降低，小麦、棉花的钾肥偏生产力和农学利用率均随施钾量的增加而降低。王才斌等[23]认为，小麦-花生一年两作下同一时间施肥量越大氮肥利用效率越低；王德仁等[24]在“豌豆-稻-稻”复种模式下研究各季和全年氮素利用率，结果显示同季作物施氮量越多，氮素利用率就越低。本研究在对棉花饲用黑麦复种模式下肥料经济利用效率统计结果表明，复种处理与单作处理相比，养分经济利用效率均呈现不同程度降低，可能是由于复种方式比单作棉田增加了肥料施用量所致。

3.5 不同复种方式对土壤改良效果

周春火等[25]研究结果显示，复种2年后与单作处理相比土壤有机质、全氮含量、微生物总量和酶活性增加。辛国荣等[26]研究冬季水稻田复种黑麦草后，土壤碱解氮、速效磷、速效钾分别提高11%、26%和57%。朱练峰等[27]研究结果显示，经过一个复种周期，各复种方式土壤碱解氮含量稍有降低，速效磷和速效钾含量有较大幅度的降低。本试验经过连续3年种植后，不同种植方式均提高了土壤有机质含量，降低了土壤含盐量，且复种条件下较单作处理土壤有机质提高幅度更大，含盐量降低更多。在土壤速效养分改变上与朱练峰等[27]研究结果类似，土壤的碱解氮、速效磷含量均比种植前有所降低，速效钾含量有所提高。张洪刚等[28]对6种不同粮草复种方式生态效益分析时显示，粮草复种能够降低土壤pH值，而张树生[29]在研究果园套种牧草对土壤的作用时结果显示，果园套种牧草提高了土壤pH值。本试验在不同复种方式对土壤pH值改变方面和张树生研究结果一致，且复种方式提高幅度小于单作模式。

本试验研究，对不同复种方式条件下，棉花和饲用黑麦的施肥量，分别采用两种作物单作时的施肥量进行，因此在计算养分经济利用效率时出现单作处理的养分经济利用效率高于复种处理的情况，对棉花饲用黑麦复种条件下如何施肥还需进一步分析，明确复种模式下的合理施肥量以及施肥时间。

在棉花冬闲田种植一季饲草作物，可增加地表覆盖物，在春季多风季节可有效减少扬沙，生态效益显著。但如何将生态效益定量化，直接以经济效益的形式直观表现还需深入探讨。另外，复种饲草作物后对棉花病虫害的发生是否产生影响还需进一步研究。

4 结论

棉花复种饲用黑麦模式可以在海河平原区推广种植，为了减少对棉花的影响，建议饲用黑麦播期适当推迟到10月20日进行。与单作棉花相比，棉花复种饲用黑麦平均经济效益较单作棉花增加6070.2元·hm-2。复种模式较单作棉花提高了棉花水分利用效率和棉田水分经济利用效率，复种条件下棉花平均水分利用效率为8.32 kg·hm-2·mm-1，较单作棉花提高16.49%，棉田平均水分经济利用效率为21.37元·hm-2·mm-1，较单作棉花提高56.54%。复种模式下土壤有机质含量增长幅度和土壤含盐量降低幅度均大于单作棉花，平均较单作棉花提高和降低5.71%和23.72%，土壤改良效果明显。本试验结果为在海河平原区推广种植棉花饲用黑麦复种提供了科学依据。