经济作物替代薯稻三熟制早稻对肥料利用、土壤养分和经济效益的影响

李小波 索海翠 赖玉嫦 罗焕明 邓勇兵 安 康 李成晨 刘晓津

(1广东省农业科学院作物研究所/广东省农作物遗传改良重点实验室，广东 广州 510640；2惠东县农业科学研究所，广东 惠州 516300)

“薯-稻-稻”三熟轮作制可以实现水旱轮作，具有改善土壤理化性状，调节土壤肥力，减少病虫害，提高系统生产力的优点[1-4]。广东省地处欧亚大陆南端，光热水资源丰富，是我国双季稻的主产区，水稻种植面积超过190 万hm2[5]。“薯-稻-稻”三熟轮作制是广东等华南省份最传统的轮作制度之一，通常4-7月种植早稻，8-11月种植晚稻，11月至翌年3月种植冬种马铃薯。冬种马铃薯因早春反季节上市，具有较好的价格优势，效益显著，对主产区农民增收、农业增效和农村繁荣起到了重要作用[6]。然而，“薯-稻-稻”种植模式也存在一些问题，首先，随着双季水稻生产成本的快速增长和农村劳动力的大量转移，广东水稻生产效益不断下滑甚至亏损，影响了稻农的生产积极性，水稻种植面积逐年减少[7-8]。其次，受全球气候变化的影响，广东双季稻晚熟＋晚熟区面积明显扩大[9]，时常造成“薯-稻-稻”轮作茬口衔接不畅，导致冬种马铃薯鲜薯上市偏晚，国内外尤其是东南亚部分国家提早上市的马铃薯对广漠省鲜薯出口形成较大的替代效应，冲击了马铃薯销售市场[10]。

改变传统种植模式，优化种植结构对提高三季作物综合经济效益具有重要意义。关于作物轮作制度国内外报道较多，如“甜玉米-豆角-水稻”轮作[11]、“水稻-水稻-小麦”轮作[12]、“玉米-小麦”轮作[13]、“番茄-芹菜-黄瓜-大白菜”轮作[14]、“水稻-玉米”轮作[15]、“水稻-水稻-油菜”轮作[16]等，但这些研究主要集中在土壤微生物种群变化、肥料利用率、作物生长、土壤酶活等方面，鲜见不同轮作模式下作物的效益分析。同时，对“经济作物-中晚稻-冬种马铃薯”三熟轮作模式及其对作物效益、肥料效率和土壤酶活的综合研究报道也鲜见。

福建省龙海市实行的“稻-稻-麦”种植模式，由于经济效益低限制了农业的发展，改用新的种植模式“稻-稻-薯”后，粮食产量增加了15%，种植效益增加了196%[12]，并缩短了生育期。粤东沿海地区是否也可以调整早稻为种植效益高、生育期短的经济作物，进而将晚稻调整为中晚稻，最终实现冬种马铃薯早播、早收，增加反季节优势，提升种植效益有待进一步验证。为此，根据广东省气候特征和市场特点，开展了传统的“薯-稻-稻”三熟种植模式优化，研究不同经济作物在早春播种的生育期、产量、肥料效率和种植经济效益，旨在探明广东早春高效经济作物种类，为指导广东省乃至华南“薯-稻-稻”三熟区春播作物种类选择和高效、合理农作制的构建提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

供试作物种类和品种名称为黄瓜(粤秀三号)、豆角(双青玉豆、丰产6 号)、甜玉米(粤甜28 号)和早稻(丰优丝苗)，其中，黄瓜、豆角种子购自广东科农蔬菜种业有限公司；甜玉米种子购自广东金作农业科技有限公司；早稻种子购自广东省金稻种业有限公司。

试验分别在惠州市惠东县(简称“惠东试点”，2016年)和广州市白云区(简称“白云试点”，2017年)开展。试验点的土壤类型均为砂壤土，肥力中等，地面平整，前茬作物为冬种马铃薯，排灌方便。其中，惠东试点位于22°55′51.23″N，114°44′58.46″E，海拔32 m；试验地土壤pH 值5.96，含有机质18.3 g·kg-1、碱解氮75.3 mg·kg-1、有效磷178.0 mg·kg-1、速效钾259.0 mg·kg-1。白云试点位于113°26′13.89″E，23°23′13.37″N，海拔29 m；试验地土壤pH 值6.40，含有机质12.5 g·kg-1、碱解氮85.0 mg·kg-1、有效磷77.9 mg·kg-1、速效钾247.5 mg·kg-1。惠东试点生育期内平均温度为25.68℃，最高气温为28.75℃，最低气温为22.61℃；白云试点生育期内平均气温为26.86℃，最高气温为28.75℃，最低气温为22.61℃；惠东试点生育期内累计降雨量873 mm，白云试点生育期内累计降雨量1 089 mm。

1.2 试验设计

1.2.1 试验设置 试验采用随机区组设计，共设置5个处理，种植不同作物:黄瓜(T1)、豆角(T2)、甜玉米(T3)、早稻(TCK)和休耕(T0，不种任何作物)，3 次重复。2016年惠东试点的小区面积为32.4 m2；2017年白云试点的小区面积为20.8 m2。2 个试点的黄瓜、甜玉米和豆角均采用单畦双行种植，黄瓜种植密度为55 500 株·hm-2，穴距为0.3 m，行距为0.6 m；甜玉米种植密度为47 550 株·hm-2，株距为0.35 m，行距为0.6 m；豆角种植密度为55 500 穴·hm-2，穴距为0.3 m，行距为0.6 m，每穴双粒播种；早稻插秧密度为270 000 穴·hm-2，株距为0.18 m，行距为0.2 m。

1.2.2 试验栽培管理 整地与播种:2 个试点均采取单畦双行种植，畦面开中沟施肥，覆土后两侧开播种沟进行播种(定植)。惠东试点黄瓜和豆角于2016年3月31日播种，甜玉米于3月19日播种，水稻于4月8日插秧。白云试点黄瓜、豆角和甜玉米采用育苗移栽的方式，定植期均为2017年4月12日，水稻于4月9日插秧。

施肥用量:惠东试点基肥为腐熟鸡粪3 000 kg·hm-2，复合肥(N-P-K:16-8-21)1 500 kg·hm-2；白云试点基肥为腐熟鸡粪3 000 kg·hm-2、复合肥(NP-K:12-11-18)1 500 kg·hm-2、尿素150 kg·hm-2。2个试点基肥用量统一为鸡粪3 000 kg·hm-2和复合肥450 kg·hm-2，剩余复合肥分3 次追施(表1)。

培土:惠东试点，T1和T2于2016年4月30日进行一次培土，T3于2016年4月28日进行一次培土；白云试点，T1和T2于2017年4月19日进行一次培土，T3于2017年4月24日进行一次培土。

收获:惠东试点，T1和T2分别采收12 次(平均2～3 d 采收一次)和10 次(平均3 d 左右采收一次)，T3一次采收，T4一次性收获；白云试点，T1和T2分别采收12 次和13 次，T3分两次采收，T4一次性收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 物候期 对不同作物的播种日期、出苗日期、定植或插秧日期、开始收获时间和结束收获时间进行记录，并计算生育期。

1.3.2 产量 依据不同作物成熟收获时测定黄瓜、豆角、甜玉米产量，水稻产量测定参考黄旭等[17]的方法。

1.3.3 生物量 测定作物产量的同时，收取不同作物植株地上部和根部，带回实验室于105℃杀青30 min，然后75℃烘干至恒重，称重并记录数据。

1.3.4 土壤样品采集 收获作物产量的同时，采集各种经济作物0～20 cm 的土壤，用于测定土壤中各种营养元素的含量、土壤脲酶、过氧化氢酶及磷酸酶活性。

1.3.5 植物和土壤养分 植株与籽粒的全氮含量采用浓H2SO4-H2O2消煮法测定[18]；土壤pH 值(电位法)、碱解氮(alkali-hydrolyzale nitrogen，AN)含量(扩散法)、有效磷(available phosphorus，AP)含量(Olsen法)、速效钾(rapidly available potassium，RAP)含量(乙酸铵浸提法)的测定参考李酉开[18]和胡娟等[19]的方法。

表1 惠东和白云2 个试点不同作物追肥时间和追肥量Table1 Topdressing times and amount of different crops in Huidong and Baiyun site

1.3.6 土壤酶活性 土壤过氧化氢酶、脲酶、酸性磷酸酶活性的测定参考解开治等[20]的方法。

1.3.7 销售价格 根据各种经济作物当年上市的销售价格计算小区产值和小区效益。

1.3.8 氮吸收量和氮肥效率 根据公式计算各指标参数[18，21-24]:

1.4 数据分析

本研究所有数据均采用Excel 2010 和SPSS 19.0进行处理与分析，采用LSD 法在0.05 水平进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同春播作物产量与经济效益

由表2可知，2 个试点T3的小区效益和单位面积种植效益均最高，与TCK相比，单位面积种植效益增加了1.32 ～3.72 元·m-2，惠东试点T3的小区效益和单位面积种植效益均显著高于T1、T2和TCK；白云试点T3的小区效益和单位面积种植效益均与T1无显著差异，但显著高于T2和TCK。惠东试点T2的单位面积种植效益出现负值，这可能是由于在苗期雨水较多，营养生长过旺影响了产量和效益。

2.2 不同春播作物生育期

由表3可知，在惠东和白云试点，TCK的生育期均最长，分别为119 和122 d，显著超过T1、T2和T3；惠东试点T1的生育期为75 d，T2的生育期最短，为63 d，T3的生育期为82 d，T1的采收期为31 d，T2的采收期为15 d，T3和TCK为成熟后一次性采收；白云试点T1的生育期最短为65 d，T2的生育期为83 d，T3的生育期为79 d；T1、T2、T3的采收期分别为24、32、3 d。综合分析2 个试点的生育期发现，与TCK相比，T1、T2和T3至少可以使生育期缩短37 d，最长可以缩短57 d。

表2 惠东和白云2 个试点不同春播作物的产量和种植效益Table2 Yield and planting benefits of different spring-sowing crops in Huidong and Baiyun site

表3 惠东和白云2 个试点不同春播作物的生育期Table3 Growth periods of different spring-sowing crops in Huidong and Baiyun site

2.3 不同春播作物氮肥利用效率

由表4可知，惠东试点T2的总吸氮量最高，为175.74 kg·hm-2，其次是T3，T1最低。同样，白云试点T2的总吸氮量也最高，为253.65 kg·hm-2，其次是T3，TCK最低。惠东和白云2 个试点T1的NPFP 最高，分别为228.38 和247.84 kg·kg-1，均显著高于其他处理，且不同春季作物产量和NPFP 成正相关，T1的产量最高，其NPFP 也最高。与TCK相比，白云试点T3的NPFP 显著增加了41.40%；2 个试点TCK的NUPE 分别为0.98 和0.99 kg·kg-1，均显著高于其他处理，T1最低，分别为0.29 和0.44 kg·kg-1，显著低于其他处理；2个试点T3的NHI 最高，分别为66.01%和65.36%，显著高于其他处理，较TCK分别显著增加了10.37 和10.95 个百分点，T1最低，分别为30.05%和25.46%，均显著低于其他处理。

表4 惠东和白云2 个试点不同春播作物的氮肥利用效率Table4 N fertilizer efficiency of different spring-sowing crops in Huidong and Baiyun site

2.4 不同春播作物收获后土壤的养分含量与酶活性

由表5可知，2 个试点种植不同作物对土壤养分含量和土壤酶活性的影响均较大，与种植前的土壤养分相比较，T1、T2、T3、TCK和T0的RAP 含量均降低，且T2、T3、TCK的pH 值也均降低。在惠东试点，与种植前土壤相比，T1、T2、T3、TCK和T0的AN 含量均增加(除TCK)，AP 含量和RAP 含量均降低。而白云试点与之相反，T1、T2、T3、TCK和T0的AN 含量均降低，AP 含量均增加。分析2 个试点的土壤酶活性发现，与种植前土壤相比，T1、T2、T3、TCK和T0的土壤脲酶、过氧化氢酶及磷酸酶活性均提高，其中，白云试点T3的脲酶上升最多。

3 讨论

充分发挥可利用的三熟制的潜力是提高土地生产力和促进粮食安全最有效的方法之一[25]。随着农业产业发展，广东传统的“稻-稻-薯”种植模式[26]已限制了现代农业的产出和经济效益，因此，改变传统种植模式，优化种植结构尤为重要。本研究将广东省传统的“薯-稻-稻”模式中的早稻改变为黄瓜[27-28](T1)、豆角(T2)、甜玉米[29](T3)，并进行了效益分析，除惠东试点T2由于天气原因影响产量外，其他作物在2 个试点均较早稻(TCK)显著增加种植效益，尤其是甜玉米(T3)在惠东和白云试点的单位面积种植效益分别较早稻(TCK)显著增加了3.72 和1.32 元·m-2；表明改用经济作物替代早稻提高了种植效益，这与Zhou 等[14]和Gaba 等[30]报道的在多熟种植制度之中，作物多样性的安排和管理可以提高产量和作物生产力的结论是一致的。此外，作物生育期长短不仅限制了三熟制“稻-稻-薯”种植模式的茬口衔接，而且制约了农产品的上市时间，直接影响其价格和销量[31]。龙海市将“稻-稻-麦”种植模式改变为“稻-稻-薯”后，缩短了生育期，在种植时间上得到了更好的茬口衔接，每亩地的产值由原来的372 元(小麦)增加至2 406 元(马铃薯)，提高了经济效益[32]。本研究表明，与TCK相比，2个试点的T1、T2和T3至少可以使生育期缩短37 d，最长可以缩短57 d，其中，甜玉米(T3)与早稻(TCK)相比可缩短生育期37～43 d。替代早稻的经济作物由于生育期较短，可以使晚稻提前定植而成为中晚稻，进而提前冬种马铃薯的播种时间，保障冬种马铃薯提早收获和上市。

有效的氮肥管理对实现经济产量和提高氮肥利用率至关重要[33-35]。NUPE、NPFP 和NHI 是常用来评价肥料效应的指标[36-37]。影响作物氮素吸收利用效率的因素较多，包括作物种类、其他养分的可获得性、养分淋失、天气和基因型差异等[38-39]。本研究表明，黄瓜、豆角、甜玉米和水稻由于作物种类不同其NUPE差异较大，其中，水稻的NUPE 最高，显著高于其他几种作物。此外，前人研究表明，长期的“水稻-水稻-油菜”轮作提高了水稻对氮的吸收和同化[16]。本研究采用“经济作物-中晚稻-冬种马铃薯”轮作模式，获得的结果与上述报道基本一致。NPFP 反映了单位氮素形成作物籽粒(果实)的产量[40-41]。由于试验中未设置无肥区，因此选择NPFP 作为本研究评价肥料效应的指标，这也是国际农学界通用的表征氮肥效应的指标之一。NPFP 受施氮量和作物产量的共同影响，一般情况下，氮肥施用量较高通常其NPFP 相对较低，作物产量较高通常其NPFP 相对较高[41]。本研究结果表明，惠东和白云试点黄瓜的产量均最高，因此其NPEP最高，这与有关报道[36]较为一致。

土壤化学组分对植物的健康生长有较大影响[42-43]，土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶等土壤酶活是土壤肥力动态的有益指标[44]，其酶活高低影响了土壤有机态养分转化为植物可吸收和利用养分的能力[31，37]。脲酶可分解土壤中的尿素，对氮肥的转化和氮素的生物有效性具有重要影响；过氧化氢酶可以调节土壤中水分与氧气的含量，从而影响土壤的理化性状和供肥能力[45-46]；磷酸酶活性关系到土壤有机态磷素的转化及利用，同时也影响土壤微生物的活动[47]。本研究发现，与种植水稻(TCK)相比，种植不同经济作物尤其是玉米后，土壤的脲酶(白云试点)、过氧化氢酶活性显著增加，这与前人的报道较为一致[13，20，48-49]。其原因可能是水稻通常生长在缺氧条件下的湿地，而玉米等旱地作物生长在氧充足的旱地，致使厌氧和有氧微生物群落不相同[15]，轮作能够较快提高土壤酶活性，加速根区土壤生理生化反应[48]。

4 结论

本研究表明，利用黄瓜、豆角和甜玉米等经济作物替代早稻均可明显增加作物产量、经济效益并缩短生育期。其中，种植甜玉米(T3)效果最佳，除了增加种植效益，缩短生育期，提高收获指数外，还有利于增强土壤酶活，进而提升土壤肥力水平。综上，甜玉米等经济作物代替早稻形成的“经济作物-中晚稻-冬种马铃薯”三熟轮作模式可以促进作物茬口衔接更加顺畅，提升三季作物整体的经济效益，对农民增收具有积极作用。本研究为优化广东乃至华南“稻-稻-薯”三熟区的种植模式提供了理论基础和实践依据。