水旱轮作种植模式对作物产量及资源利用效率的影响

龚松玲 何明凤 李成伟 高珍珍 刘章勇 朱波

摘要 [目的]為探明不同种植模式对作物周年产量和温光资源利用效率的影响。[方法]2017—2018 年在湖北省荆州市江陵县三湖农场，采用随机区组设计，设置中稻-小麦、中稻-油菜、中稻-冬闲3种种植模式进行试验。[结果]中稻-小麦模式周年产量比中稻-油菜和中稻-空闲分别高8.06%和46.71%;3种种植模式水稻季差异不显著，差异主要来自冬季作物，小麦产量是油菜的2倍左右;在经济效益上，中稻-油菜模式收益最高，比中稻-小麦和中稻-空闲分别高1 123和2 959元/hm2，增幅率为6.63%和19.61%;在积温利用上，中稻-小麦模式积温利用效率最高，比中稻-油菜和中稻-空闲高1.27%和27.16%。[结论]中稻-油菜模式的经济效益高，环境风险比中稻-小麦式较小，冬闲田的资源利用效率浪费严重，应选出适应力强，且环境友好的冬季作物。

关键词 水旱轮作;种植模式;产量;资源利用效率;经济效益

中图分类号 S344.1  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2021）04-0032-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.04.009

Effects of Paddy-upland Rotation Systems on Resource Utilization Efficiency and Yield

GONG Song-ling， HE Ming-feng， LI Cheng-wei et al

（Hubei Collaborative Innovation Center for Grain Industry Yangtze University/ Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland of Education， Jinzhou， Hubei 434000）

Abstract [Objective] To explore the impact of different planting patterns on crop annual yield， temperature and light resource utilization efficiency. [Method] A random block design was adopted at Sanhu Farm in Jiangling County， Jingzhou City， Hubei Province from 2017 to 2018. Three planting modes of rice-wheat， rice-rapeseed and rice-fallow were set up. [Result] The annual yield of rice-wheat model were 8.06% and 46.71% higher than those of the rice-rapeseed and rice-fallow， respectively;there was no significant difference in the rice season of the three planting modes， the difference of which was mainly due to winter crops， and the wheat yield was about twice that of rape;in terms of economic benefits， the rice-rapeseed model had the highest profit， which is 1 123 and 2 959 yuan/hm2 higher than those of the medium rice-wheat and medium rice-fallow， respectively， with an increase rate of 6.63% and 19.61%;the accumulated temperature utilization efficiency of the medium rice-wheat model was the highest， which was 1.27% and 27.16% higher than those of the rice-rapeseed and rice-fallow. [Conclusion] In terms of effective accumulated temperature utilization， there is no significant difference between the rice-wheat model and the rice-rapeseed model， but the rice-rapeseed model has higher economic benefits and lower environmental risks than the rice-wheat model. In addition， the utilization efficiency of winter fallow fields is wasteful， and winter crops that are adaptable and environmentally friendly should be selected.

Key words Paddy-upland rotation;Planting mode;Yield;Resource utilization efficiency;Economic benefit

基金项目 国家重点研发计划项目（2018YFD0301306，2017YFD0301400）;湿地生态与农业利用教育部工程研究中心开放基金项目（KFT201904）;国家自然科学基金项目（31870424）。

作者简介 龚松玲（1994—），女，河南商丘人，硕士研究生，研究方向：农业作物与栽培。通信作者，副教授，博士，硕士生导师，从事农业作物与栽培研究。

收稿日期 2020-10-16

水稻是人类最重要的粮食作物之一，世界上约50%人口以稻米为主食[1]。中国作为世界上水稻主生产国，其种植面积和籽粒产量分别约占全球的16%和28%。长江中下游地区是我国水稻的主产区，水稻种植面积达2×106 hm2[2]，占全国种植面积的40%[3]，在我国的水稻生产中占有十分重要的地位，对确保该地区乃至全国的粮食安全都有重要意义。水旱轮作是我国长江流域主要的生产系统，常见的有水稻-小麦轮作模式和水稻-油菜轮作模式[4-6]。当前该地区存在大面积的季节性撂荒，双季稻改种单季稻的现象越来越严重，播种面积明显下降，浪费了许多光、温资源，降低了土地生产效率。随着社会经济条件及粮食安全需求的变化，该区稻田种植制度不断变化[7-12]。

江汉平原也是我国重要的单双季稻混作区，其中水稻是种植面积最大、单产最高、总产量最多的粮食作物。当前在该地区周年生产模式中，由于受水稻品种与冬季作物品种搭配不够完善、适宜搭配品种较少等问题限制，导致土壤耕作空闲期长和光温资源利用不够充分等，同时现有种植模式周年配套技术不够完善，导致该地区粮食生产和发展滞后。此外，由于缺乏坚实的理论与实践指导，该地区的主体稻作模式也不够明确，严重影响了当地光温资源的充分发挥。因此，依据作物光温资源高效利用机理及规律，根据江汉平原区域水稻生产气候资源特点、气象灾害发生情况和光温资源高效利用的障碍因子，优化江汉平原区域稻田种植模式，对促进当地稻作模式和农业可持续发展、提升和保障粮食生产的综合能力有重要的现实意义。

鉴于此，笔者以我国长江中下游平原区典型的水稻轮作模式为研究对象，设置了中稻-小麦、中稻-油菜、中稻-冬闲3种种植模式，研究不同种植模式对光温资源利用效率和产量的影响，对于优化江汉平原区域稻田种植模式、提升稻田综合功能具有重要现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年5月—2018年5月在湖北省荆州市江陵县三湖农场试验基地（30°12′ N，112°31′ E）进行。该区属北亚热带季风性湿润气候，水热资源丰富，年均降雨量900～1 100 mm，年平均气温16.0～16.4 ℃。试验田试验前为冬闲-单季稻制，土壤为潮土。试验前耕层土壤（0～20 cm）基本理化性状为：全碳26.44 g/kg、全氮含量2.44 g/kg、碱解氮含量170.88 mg/kg、全磷含量0.38 g/kg、速效磷含量12.67 mg/kg、全钾含量17.76 g/kg、速效钾含量159 mg/kg、pH 6.92、容重为1.10 g/cm。

1.2 试验材料

中稻为“隆两优华占”，小麦品种为“郑麦9023”，油菜为“华油杂62”。

1.3 试验设计

试验共设置3个处理，分别为中稻-小麦模式（RW）、中稻-油菜模式（RR）、中稻-冬闲模式（RF）。每个处理设置3次重復，采用随机区组排列。小区面积98 m2（长14 m，宽7 m），各小区筑埂覆膜，防止水肥串流。不同模式的生育期天数如表1所示。

1.4 田间管理

①RW：该模式中稻种植同中稻-冬闲模式中的中稻。小麦于水稻收获后，浅旋耕做厢播种，播种量为225 kg/hm2，基本苗密度300万/hm2。小麦生育期间，施基肥复合肥（N∶P2O5∶K2O=16%∶10%∶22%）600 kg/hm2，追肥N 90 kg/hm2。其余田间管理措施同一般常规田。

②RR：该模式中稻种植同中稻-冬闲模式中的中稻。油菜于水稻收获后，浅旋耕做厢，厢宽150 cm，沟宽20 cm，油菜移栽，移栽密度为30 cm×30 cm。油菜生育期间，施基肥复合肥（N∶P2O5∶K2O=16%∶10%∶22%）600 kg/hm2、硼肥7.5 kg/hm2，提苗肥尿素75 kg/hm2，薹肥尿素75 kg/hm2。其余田间管理措施同一般常规田。

③RF：中稻移栽密度22.4万穴/hm2（26.70 cm×16.70 cm），每穴3苗。中稻全生育时期施肥量N 225 kg/hm2、P2O5 75 kg/hm2、K2O 180 kg/hm2，以尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O5 12%）和氯化钾（含K2O 60%）施用;氮肥按照基肥∶蘖肥∶穗肥为4∶3∶3施用;磷肥作基肥一次施用;钾肥按照基肥∶穗肥为1∶1施用。病虫草害防治按当地大面积生产统一实施。

1.5 测定项目与方法

试验地试验期间气象资料由湖北省荆州市气象局提供，主要包括日平均气温、日照时数和降雨量等指标。计算周年和不同作物季的总辐射、有效积温和降雨量。

于收获前调查水稻有效穗，选取各小区生长均匀的3 m2植株测产，脱粒并晒干，风选清除杂质后，测定总重和含水量。油菜和小麦成熟后，各小区选取生长均匀的3 m2植株，脱粒并晒干，风选清除杂质后，测定总重和含水量。按照14%含水量折算水稻产量，按照13%含水量折算小麦产量。

水稻于各小区取有代表性的水稻植株6株，抽穗前分为茎、叶2部分，抽穗及抽穗后分为茎、叶、穗3部分;取代表性油菜植株3株，分茎枝、角壳和籽粒;取代表性小麦植株10株，分茎、叶和穗。105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重，测定干物质重，即可得各作物的地上部生物量。

于收获前调查水稻有效穗，选取各小区生长均匀的3 m2植株测产，脱粒并晒干，风选清除杂质后，测定总重和含水量。油菜和小麦成熟后，各小区选取生长均匀的3 m2植株，脱粒并晒干，风选清除杂质后，测定总重和含水量。按照14%含水量折算水稻产量，按照13%含水量折算小麦产量。

1.6 指标计算

光能生产效率是生育期间平均单位热量生产的单位面积籽粒重量[13]。积温生产效率是指生育期间日均温≥10 ℃有效积温生产的单位面积籽粒重量[14]。水分生产效率是指生育期间籽粒重量与总耗水量比值，即平均每立方水生产的单位面积籽粒重量。油菜和小麦没有灌溉，水稻进行间歇灌溉与晒田相结合[15]。

光能生产效率（g/MJ）=籽粒产量/单位面积的太阳辐射;

积温生产效率（kg/（hm2·℃·d））=籽粒产量/生育期间有效积温;

水分利用效率（kg/m3）=籽粒产量/总耗水量，其中用水量=降水量+灌溉量;

经济效益=产值-成本，产值=产量×单价，其中水稻、小麦和油菜单价按当年当地当季的收购价计算。

1.7 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2010进行分析整理试验数据;采用DPS软件进行方差分析;采用LSD法进行显著性水平检验（P<0.05）。试验结果均以3次重复分析的平均值与标准误来表示。采用Origin 2017软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式对水稻产量及产量形成的影响

从表1可以看出，不同种植模式对全年的时间利用不同。RW和RR模式的周年生育期最长，为331 d左右;RF模式的周年生育期最短，为136 d左右;RF、RW和RR模式第1季的生育期一致，第2季的生育期天数分别为0、190、195 d，因此主要是由于第2季生育期差异导致周年生育期差异较大，且RW和RR模式第2季的生长天数较为接近，故而RW和RR模式的周年生长时间较为接近。

由图1可知，不同种植模式对作物产量的影响表现出作物季之间的差异性。对于第1季作物，RF、RW、RR模式2年的平均产量分别为10.94、11.32、11.27 t/hm2。对于1年的第2季作物，RW和RR之间无显著性差异。与RW模式相比，RR模式减少了11.87%。由于RF模式第2季为冬闲，因此RF模式产量均显著低于其他模式。从整个稻田不同种植模式系统周年来看，2017—2018年各个模式的大小顺序表现为RW>RR>RF，与RW模式相比，RR、RF模式分别减少了2.67%、22.27%，RF模式产量显著低于其他模式，RW模式产量最高，显著高于RF模式，且RR与RW模式之间无显著性差异。

由图1可知，对于第1季作物，各个模式的大小顺序表现为RF>RW>RR，其中RF、RW、RR模式2年的平均地上部生物量分别为19.55、20.18、19.67 t/hm2。对于第2季作物，各个模式地上部生物量的大小顺序表现为RW>RR>RF，其中RW模式显著高于RR模式，且RW和RR模式之间无显著性差异。由于RF模式第2季为冬闲，地上部生物量为0，因此RF模式的地上部生物量显著低于其他模式。从整个稻田不同种植模式系统周年来看，各个模式地上部生物量的大小顺序表现为RW>RR>RF，与RW模式相比，RF、RR模式分别减少了44.51%和24.06%。RW模式地上部生物量最高，均显著高于其他模式，而RF模式最低，均显著低于其他模式。

2.2 不同种植模式对水稻经济效益的影响

从表2可以看出，对于第1季作物，RF、RW和RR模式中中稻产值分别为29 243、29 728和29 659元/hm2，且总投入均为14 151元/hm2，对于第2季作物，以RR模式产值最高，为12 803元/hm2，其次是RW模式，RF模式第2季为空闲田，因此无产值。不同种植模式间周年经济效益以RR模式最高，达18 051元/hm2，从单季来看，第1季以RW模式最高，第2季以RR模式最高，因此从效益来看，RR模式效益最大。

2.3 不同种植模式对水稻有效积温分配的影响

从表3可以看出，各模式有效积温在年际间波动较小，比较年有效积温的分配和利用得出，3种不同种植模式之间存在差异。RW模式第1季有效积温为2 264 ℃，占全年的71.63%;第2季有效积温为675 ℃，占全年的21.35%，两季间的比值为0.3，两季之和为2 939 ℃，占全年有效积温71.63%。RF和RR模式第1季有效积温均为2 264 ℃，占全年有效积温的71.63%，RR模式第2季有效积温为633 ℃，占全年有效积温的29.94%，RR模式两季间的比值为0.3;RF和RR模式两季有效积温之和分别为2 264、2 898 ℃，分别占全年有效积温的71.63%、93.88%，与RF模式相比，RW和RR模式分别增加了28.48%和26.65%。

2.4 不同种植模式对季节间辐射分配的影响

从表4可以看出，比较各模式辐射分配发现，RF和RR模式第1季内辐射量均为2 283 MJ/m2，占全年总辐射量的51.21%。RW模式第1季内辐射量为2 278 MJ/m2，占全年的54.21%，第2季辐射量为1 924 ℃，占全年的43.25%，两季间的比值为0.8，两季辐射量共4 202 MJ/m2，占全年辐射量的51.21%。RR模式第2季内辐射量为1 956 MJ/m2，占全年总辐射量的4397%，RW、RR模式之間辐射量差异不显著，RR模式两季间的比值分别为0.9，RF、RR模式两季辐射量之和分别为2 278、4 234 MJ/m2，分别占全年辐射的43.25%、95.18%，与RF模式相比，RW、RR模式分别增加了84.09%、85.50%。

2.5 不同种植模式对水稻光能生产效率的影响

由表5可知，从单季作物来看，对于第一季作物，与RW模式相比，RF、RR模式光能生产效率分别减少了1.63%、0.23%。2018年，RF、RR模式的光能生产效率比RW模式显著减少了5.24%、0.66%。对于第2季作物，RR和RW模式之间无显著差异，由于RF模式第2季为冬闲，光能生产效率为0，因此显著低于其他模式。不同种植模式对周年光能生产效率表现出年度之间差异。各模式周年光能生产效率的大小顺序为RW>RR>RF，与RF模式相比，RW和RR模式的周年光能生产效率分别提高0.10和0.08 g/MJ，增幅分别为36.20%和31.55%。

2.6 不同处理对水稻积温生产效率的影响

由表5可知，对于不同种植模式第1季，RR和RW模式积温生产效率比RF模式分别提高0.07和0.09 kg/（hm2·℃·d），增幅分别为1.42% 和1.66%，对于不同种植模式第2季，与RF模式积温生产效率相比，RR和RW模式分别为提高4.39、4.68 kg/（hm2·℃·d），由于RF模式第2季为冬闲，积温生产效率为0，因此显著低于其他模式。从不同种植模式周年积温生产效率来看，与RW模式相比，RF、RR模式积温生产效率分别减少了1.42、0.07 kg/（hm2·℃·d），降幅分别为27.73%、1.27%，RR和RW模式显著高于RF模式，RF模式最低，显著低于其他模式。

2.7 不同种植模式对水稻水分利用率的影响

由表6可知，除了降雨量外，未对油菜和小麦进行灌溉。从单季来看，对于第一季作物，不同种植模式2年水分利用率的大小顺序均表现为RW>RR>RF。对于第2季作物，由于RF模式第2季为冬闲水分利用率为0 kg/m3，因此显著低于其他模式。3种模式在周年水分利用率上表现为RW>RR>RF，有显著差异。与RW模式相比，RF、RR模式的水分利用率分别减少了27.16%、2.41%。

3 讨论

稻田轮作制度能够增加作物产量，并且对各种产量构成要素具有十分重要的意义[16-19]，合理的轮作方式可使作物产量提高10%～15%[20]。中国南方稻区的玉米-晚稻模式较小麦-水稻模式增产10%以上。王飞等[21]研究表明，单季稻模式改为油菜-水稻、玉米-水稻、紫云英-水稻、蚕豆-水稻水旱轮作模式后，各模式水稻平均产量较水稻-冬闲模式提高 5.30% ～26.70%，水稻季中油菜-水稻和玉米-水稻轮作方式的增产效果最好，旱作期中以玉米-水稻轮作模式增产效果最高，以玉米-水稻轮作模式的产量最高。李清华[22]研究表明，与冬闲-水稻相比，水旱轮作模式的水稻产量提高了23.64%～55.49%。该研究结果表明，相比于RF模式，RR和RW模式的周年产量分别增加了25.22%、28.66%，其中RW模式的产量最高，是油菜产量的2倍左右，但油菜价格一般为小麦价格的2倍[23]。由于RF模式第2季为冬闲，因此导致RF模式的周年产量低于其他模式。

水稻分蘖数、千粒重、结实率等因素都会影响水稻产量[24-26]。王兰等[27]研究表明各水旱复种轮作模式的晚稻产量、产量构成因素以及主要生育期群体地上部生物量均高于冬闲连作模式。该研究结果表明，水稻在移栽后30 d左右分蘖数达到最大，RR、RW和RF模式中的中稻分蘖数处于较高水平，直至稳定。水稻季中，RR、RW和RF模式的中稻产量最高，中稻生育期较长，且生育期间具有合适的光照及温度，充分利用了7—8月份的光温资源，增加了水稻的穗粒数和结实率，故而提高了中稻产量。水稻群体干物质积累是水稻产量形成的物质基础，王勋等[28]研究表明水稻籽粒产量与水稻干物质积累关系密切，且后期干物质积累与水稻含量呈极显著正相关。水稻后期干物质的积累随有效穗数的增加而增加，即增加水稻群体的量可以提高后期干物质积累量[29]。

光温资源是影响一个地区作物种植制度的重要影响因素，江汉平原地处南北过渡地带，适宜南北多种作物生长，拥有充足的温、光、水自然资源，为发展多熟农作制提供了优越的自然条件[30]。其中热量条件是影响植物生长发育的最主要生态因子，也是取得高产的首要条件[31]，因此两熟制季节间资源分配应以热量资源为主，其次是辐射和降水量[32]。研究结果表明，RW和RR模式总辐射量高，且各模式间总积温差异较小，这是由于RW和RR模式生育天数较其他模式长，且第2季≥10℃的活动积温较低。RF模式全生育期天数明显少于其他模式，其生育期内总积温和总辐射量分别比其他模式减少610～723 ℃和1 013～1 952 g/MJ，这主要是由于RF模式第2季为冬闲，生育期较其他模式减少了77～196 d，故而降低了总积温和总辐射量。前人研究结果表明，水旱复种轮作模式的冬季、晚季和周年的光能利用率和积温利用率均高于冬闲连作模式[33]。该研究表明，与RF模式相比，RW、RR模式的周年光能生产效率和积温生产效率分别提高36.20%、31.55%和27.86%、23.66%，这主要是由于RF模式第2季没有种植作物，没有充分利用当地的光温资源，造成了光温资源的浪费。

4 结论

3种种植模式中，稻油模式周年经济效益最高，为18 051元/hm2，周年辐射分配也最高，为95.18%。稻麦模式周年积温生产效率最高，为5.12 kg/（hm2·℃·d），周年产量也最高，为11.32 t/hm2。水稻-空闲模式由于第2季为冬闲，因此产量和温光资源利用效率显著低于其他模式。与其他模式相比，稻油模式经济效益最高，环境风险更小。选育高抗高產品种是扩大油菜种植面积的关键。冬闲田严重浪费温光资源，因此需进一步筛选环境友好的冬季作物。

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