引用本文
李淑娅, 田少阳, 袁国印, 葛均筑, 徐莹, 王梦影, 曹凑贵, 翟中兵, 凌霄霞, 展茗, 赵明. 长江中游不同玉稻种植模式产量及资源利用效率的比较研究. 作物学报, 2015, 41(10): 1537-1547
LI Shu-Ya, TIAN Shao-Yang, YUAN Guo-Yin, GE Jun-Zhu, XU Ying, WANG Meng-Ying, CAO Cou-Gui, ZHAI Zhong-Bing, LING Xiao-Xia, ZHAN Ming, ZHAO Ming. Comparison of Yield and Resource Utilization Efficiency among Different Maize and Rice Cropping Systems in Middle Reaches of Yangtze River. ACTA AGRONOMICA SINICA, 2015, 41(10): 1537-1547  
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长江中游不同玉稻种植模式产量及资源利用效率的比较研究
李淑娅1,2, 田少阳1, 袁国印1,2, 葛均筑1,2, 徐莹1, 王梦影1, 曹凑贵1, 翟中兵3, 凌霄霞1, 展茗*, 赵明2,*
1华中农业大学植物科学技术学院 / 农业部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室, 湖北武汉 430070
2中国农业科学院作物科学研究所 / 农业部作物生理生态重点实验室, 北京 100081
3武穴市现代农业示范中心, 湖北武穴 435415
*通讯作者(Corresponding authors): 展茗, E-mail: zhanming@mail.hzau.edu.cn, Tel: 027-87283775; 赵明, E-mail: zhaomingcau@163.net, Tel: 010-82108752

第一作者联系方式: E-mail: shuyalimail@163.com

收稿日期:2015-02-11 接受日期:2015-06-01 网络出版日期:2015-06-29
基金:本研究由国家科技支撑计划项目(2012BAD04B12), 湖北省楚天学者启动基金(55204-09135)和农业部作物生理生态与耕作重点实验室开放课题(201306)资助
摘要

发展长江中游玉米生产是解决本区域玉米产需矛盾的根本途径。近年来随着长江中游玉米的快速发展, 该地区出现了春玉米-晚稻、双季玉米和早稻-秋玉米等新型的一年两熟制种植模式, 为探明其适应性和实用性, 2013—2014年在湖北省武穴市设置了传统种植的双季稻(对照)、春玉米-晚稻、双季玉米和早稻-秋玉米共4种两熟制种植模式, 分析比较其周年产量及光、温、水资源利用效率和经济效益。结果表明, 春玉米-晚稻和双季玉米周年产量显著高于早稻-秋玉米和双季稻。与双季稻相比, 春玉米-晚稻周年产量、光能生产效率、光能利用率、积温生产效率、水分利用率及经济效益分别提高18.3%、14.1%、23.4%、16.4%、37.2%和44.3%, 双季玉米分别提高了13.5%、8.1%、26.1%、11.4%、88.8%和37.8%。春玉米其产量、积温生产效率、水分利用率及经济效益两年平均比早稻分别高出30.6%、29.5%、57.2%和96.1%, 而秋玉米和晚稻之间产量无显著差异。不同玉稻模式周年产量差异主要源于第一季春玉米和早稻产量的差异。可见, 春玉米-晚稻和双季玉米是适宜在长江中游推广的两熟制种植模式。

关键词: 玉稻种植模式; 产量; 资源利用效率; 经济效益
Comparison of Yield and Resource Utilization Efficiency among Different Maize and Rice Cropping Systems in Middle Reaches of Yangtze River
LI Shu-Ya1,2, TIAN Shao-Yang1, YUAN Guo-Yin1,2, GE Jun-Zhu1,2, XU Ying1, WANG Meng-Ying1, CAO Cou-Gui1, ZHAI Zhong-Bing3, LING Xiao-Xia1, ZHAN Ming1,*, ZHAO Ming2,*
1Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Cultivation (The Middle Reaches of the Yangtze River) of Ministry of Agriculture / College of Plant Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China
2Key Laboratory of Crop Physiology and Ecology of Ministry of Agriculture / Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China
3Wuxue Modern Agriculture Demonstration Center, Wuxue 435415, China
Abstract

The development of maize production is important to solve the contradiction between maize production and requirement for people in the middle reaches of Yangtze River. With the rapid development of maize production recently, some new double cropping systems in a whole year such as spring maize-late rice, double season maize, early rice-autumn maize have been emerged in this region. In order to explore the extension potential of these double cropping systems in this region, four kinds of double cropping systems were tested in Wuxue, Hubei province in 2013 and 2014, including traditional double season rice (RR), spring maize-late rice (MR), double season maize (MM) and early rice-autumn maize (RM). The field experiment with three replicates was conducted to analyze annual yield, use efficiencies of solar radiation, heat and water, and economic benefit of the four cropping systems. The results showed that annual yield of MR and MM were significantly higher than that of RM and RR. Compared with RR, MR increased annual yield, solar radiation productive efficiency, solar radiation use efficiency, accumulated heat productive efficiency, water use efficiency and economic benefit by 18.3%, 14.1%, 23.4%, 16.4%, 37.2%, and 44.3%, respectively; meanwhile, MM enhanced these paremeters by 13.5%, 8.1%, 26.1%, 11.4%, 88.8%, and 37.8%, respectively. The grain yield of spring maize was 30.6% higher than that of early rice, and there was no significant difference in yield between autumn maize and late rice. In comparison with early rice, spring maize increased accumulated heat productive efficiency, water use efficiency and economic benefit in the two years by 29.5%, 57.2%, and 96.1%, respectively. So the difference in annual yield of different cropping systems mainly results from yield difference between the first season spring maize and early season rice. The cropping systems of spring maize-late rice and double season maize are appropriate to be extended in the middle reaches of Yangtze River.

Keyword: Maize and Rice Cropping system; Yield; Natural resource use efficiency; Economic benefit

当前玉米已跃居我国三大粮食作物之首, 对保障国家粮食安全发挥了十分重要的作用[1]。目前全国玉米产需基本平衡, 但区域性产需矛盾依然突出。玉米产区主要集中在东北、华北和西北, 产量占全国总产的80%左右, 南方地区玉米生产仅占全国的20%左右, 但消费量却达全国总产量的50%以上[2, 3]。长江中下游区是我国重要的粮食生产基地和畜牧业养殖基地, 主要饲料来源于玉米, 玉米常年产需缺口较大[2]。发展长江中下游玉米生产, 增强自身供应能力, 是保障本区粮食安全、稳定农产品价格、实现畜牧业持续发展的重要途径, 因此进行该区玉米生产体系的革新、新技术的创制及新的产业模式的探讨已迫在眉睫。在市场的带动下, 近年来长江中游玉米发展迅速, 尤其是向低丘平原稻区扩展较快。然而由于本区不属于国家玉米主产区域, 玉米生产主要系农民自发行为, 因此玉米生产技术的研发与示范推广严重滞后, 不仅产量水平低, 而且资源利用效率低, 亟待新型种植模式与技术的探索与推广。

高光效的C4作物进入稻田形成的玉稻轮作和双季玉米等新型两熟制种植模式已引起国内外学者的关注[4, 5, 6, 7, 8, 9]。在南亚部分国家, 针对稻-玉系统在生态适应性、种植布局和面积、产量与产量潜力、养分管理等领域[9, 10]开展了有关研究, 通过水稻生长模型ORYZA2000和杂交玉米模型模拟指出水稻和玉米的产量潜力分别可达到15.0 t hm-2和22.0 t hm-2左右, 可获得产量通常为产量潜力的80%~90%, 但是玉米实际产量通常只有可获得产量的50%左右, 因此作为玉稻系统, 其产量潜力的发挥还有很大上升空间。赵强基等[6]在中国南方稻区开展的研究表明玉-稻模式比当地主体种植制度(麦-稻两熟制)增产10%以上。李小勇[11]研究表明玉-稻周年产量可达19.9 t hm-2, 玉-稻和双季玉米产量均显著高于双季稻, 但玉-稻和双季玉米产量差异不显著; 与传统双季稻模式相比, 玉-稻周年土地资源利用率, 光、温、水资源生产效率和光能利用率分别提高了9.75%、14.7%、20.4%、12.1%和19.1%。稻-玉系统中, 早季为旱稻的晚季免耕玉米的产量要显著高于早季是水稻的晚季免耕玉米产量[12]。与双季稻模式的连作晚稻比较, 采用同一耕作方式, 玉稻模式的晚稻产量增幅为2.13%~6.47%[11]。李立娟等[13]研究表明与传统冬小麦-夏玉米相比, 黄淮海区双季玉米产量略增, 周年光、温生产效率平均增加26.1%和6.5%。就南方稻区双季玉米不同肥料密度模式[14], 播期与品种搭配[15]等方面也进行了一定研究。但是在长江中游地区同等条件下同时比较研究玉-稻、双季玉米、稻-玉、双季稻4种两熟制种植模式周年产量和资源利用效率及经济效益的差异尚未见报道。

本研究设置长江中游4种两熟制种植模式, 分析比较其产量、资源利用效率和经济效益的差异及其原因, 以期为长江中游种植结构调整, 协调水稻、玉米合理发展提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

湖北省武穴市现代农业示范中心试验基地(30° 00′ N, 115° 44′ E)处亚热带季风性湿润气候, 试验期间2年的旬平均温度和降雨量见图1, 2013年7月至8月比2014年同期降水偏少, 气温偏高。试验田土壤为黄棕壤, 0~30 cm耕层含有机质16.8 g kg-1、全氮1.95 g kg-1、硝态氮7.46 mg kg-1、氨态氮17.15 mg kg-1、全磷0.45 g kg-1、速效磷10.78 mg kg-1、全钾2.32 g kg-1、速效钾108.50 mg kg-1, pH 6.30。

1.2 试验设计

2013— 2014年春玉米与秋玉米品种均为郑单958, 早稻为常规籼稻中嘉早17, 晚稻为多穗型杂交籼稻岳优9113。试验共设4个处理, 分别为春玉米-晚稻(MR)、双季玉米(MM)、早稻-秋玉米(RM)和传统种植的双季稻(RR)两熟制模式。不同模式的播栽及收获期见表1。采用随机区组设计, 3次重复。

1.2.1 春玉米-晚稻模式 春玉米采用厢作, 厢宽为1 m, 沟宽为20 cm, 厢沟模式单位宽度为120cm, 40 cm+80 cm宽窄行播种2行, 窄行位于厢面, 每个小区5厢。按27.8 cm株距人工点播, 每穴3粒种子, 播种后人工覆膜。玉米出苗后及时破膜放苗, 三叶期间苗, 五叶期定苗, 定苗密度6.0× 104株 hm-2。2013年公顷施肥量为240 kg N、135 kg P2O5、180 kg K2O, 2014年为240 kg N、120 kg P2O5、180 kg K2O, 试验用复合肥料为山东金正大生态有限公司生产的沃夫特玉米专用缓控释肥(N∶ P2O5∶ K2O为22∶ 8∶ 12), 以N肥为计算单位, P2O5和K2O用量分别用过磷酸钙(含P2O5 12%)和氯化钾(含K2O 60%)补足, 肥料于播种时一次性基施。田间管理措施同一般高产田。

图1 试验期间的旬平均气温和降雨量Fig. 1 Mean temperature and total rainfall of every ten-days during experimental period

表1 不同玉稻种植模式生育期天数及播栽期和收获期 Table 1 Growth period and date of sowing, transplanting and harvest of different maize and rice cropping systems

于春玉米收获后泡田, 破坏原厢沟模式进行旋田整地后人工移栽晚稻, 移栽密度30.9万穴 hm-2(27.0 cm× 12.0 cm), 每穴2苗。2013年公顷施用肥料180 kg N、135 kg P2O5、180 kg K2O, 2014年为180 kg N、75 kg P2O5、105 kg K2O, 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∶ 2∶ 4施用, 磷肥全部基施, 钾肥50%作基肥施用, 50%于幼穗分化始期施用。茎蘖数达到预期穗数的80%时, 开始排水搁田, 拔节至成熟期采用干湿交替的水分管理模式, 收获前1周断水。按当地大面积生产统一实施病虫草害防治。

1.2.2 双季玉米模式 该模式春玉米除了2014年公顷施肥量为210 kg N、120 kg P2O5、180 kg K2O外, 其余播种施肥及田间管理同玉-稻模式的春玉米。于春玉米收获后免耕同行错株播种秋玉米, 厢作连作。2013年公顷施肥量为180 kg N、135 kg P2O5、180 kg K2O, 2014年为210 kg N、120 kg P2O5、180 kg K2O, 肥料施用方式同春玉米。其余大田种植及管理同一般高产田。

1.2.3 早稻-秋玉米模式 早稻移栽密度30.9万穴 hm-2 (27.0 cm× 12.0 cm), 每穴3苗。2013年公顷施肥量180 kg N、135 kg P2O5、180 kg K2O, 2014年为180 kg N、90 kg P2O5、105 kg K2O, 氮肥按照基肥∶ 蘖肥∶ 穗肥为5∶ 2∶ 3施用, 磷、钾肥施用方式及田间管理同1.2.1之晚稻。秋玉米于早稻收获后, 浅旋耕做厢(同春玉米)播种。2年施肥量同1.2.1之春玉米, 田间管理措施同一般高产田。

1.2.4 双季稻模式 早稻种植同1.2.3之早稻, 晚稻种植同1.2.1之晚稻。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 气象因子监测 试验田中安装全自动微型气象站(AWS 800, 美国Campbell Scientific公司), 进行间隔2 s的全年度自动数据读取, 利用生成的日值气象资料, 计算周年和不同作物季的总辐射、有效积温、降雨量。

1.3.2 生物量测定 于收获期, 取代表性玉米植株3株, 分茎、叶、穗轴、苞叶、籽粒, 按照大田平均穗数取6穴水稻, 分茎、叶、实粒、空瘪粒和枝梗(水选法将实粒与空瘪粒分开), 105℃下杀青30 min, 80℃下烘至恒重, 测定干物质重。利用微型植物样品粉碎机粉碎, 过40目筛, 用于植株养分测定。

1.3.3 产量测定 于收获前调查玉米种植密度, 每个小区收获中间一个厢面两个连续20株的果穗, 自然风干后考察穗粒数与千粒重, 脱粒称重, 测籽粒含水量(PM8088谷物水分测定仪)。于收获前调查水稻有效穗, 选取各小区生长均匀的5 m2测产, 收后记录实际收割面积的8个长度、3个宽度与收割穴数, 脱粒并晒干, 风选清除杂质后, 测定总重和含水量, 按照14%含水量折算水稻和玉米产量。

1.3.4 养分测定 采用双氧水-浓硫酸消煮法消煮植株样品, 连续流动分析仪测定氮、磷含量, 火焰光度计测定钾含量, 计算不同模式下的植株养分吸收与积累情况。

1.4 物质、能量生产与生态因素及养分资源效率分析

1.4.1 干物质产能 参考王美云等[16]计算方法, 干物质产能以单位面积生产的干物质产量的干重热值表示。干物质产能(MJ m-2) =单位面积的干物质产量× 干重热值

干重热值(GCV)指每克干物质完全燃烧所释放的能量(J g-1)[17], 本试验玉米干重热值为1.807× 104J g-1[18], 水稻干重热值为1.680× 104J g-1[19]。

1.4.2 光能生产效率和年总辐射利用率 参考王美云等[16]、李丽娟等[13]计算方法, 光能生产效率以生育期间平均单位热量生产的单位面积籽粒重量表示。

光能生产效率(g MJ-1) = 籽粒产量/单位面积的太阳辐射

年总光能利用率(%) = 干物质产能/单位面积的全年太阳辐射

1.4.3 积温生产效率和年有效积温利用率 参考张占琴等[20]、高海涛等[21]计算方法, 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。

积温生产效率(kg hm-2 ℃-1 d-1) = 籽粒产量/生育期间有效积温

年有效积温利用率(%) = 作物生育期间有效积温/全年有效积温

1.4.4 水分利用效率 参考王美云等[16]、侯连涛等[22]计算方法, 采用产量水平的水分利用效率, 即水分利用效率(kg m-3)=籽粒产量(kg hm-2)/总耗水量(m3hm-2), 其中, 用水量=降水量+灌溉量, 灌溉量根据灌溉次数和含水量(m3 m-3)的变化计算(含水量用美国Decagon Devices公司生产的ProCheck测定), 每次灌溉量为地上灌水深度与地下30 cm耕层含水量变化(耕层土壤饱和时含水量按照0.42 m3 m-3计算)所对应的灌水量之和。

1.4.5 养分吸收与利用效率 参考吴文革等[23]计算方法,

养分积累总量=成熟期地上部各部位干物质重× 各部位养分含量之和

养分干物质生产效率(kg kg-1)=成熟期单位面积干物质重/养分积累总量

养分籽粒生产效率(kg kg-1)=籽粒产量/养分积累总量

养分收获指数(%)=籽粒养分积累量/养分积累总量

养分偏生产力(kg kg-1)=籽粒产量/养分施用量

1.5 经济效益计算

经济效益(元 hm-2)=产值(元 hm-2)-成本(元 hm-2)

产值(元 hm-2)=产量(kg hm-2)× 单价(元 kg-1)

其中, 玉米、早稻和晚稻单价每kg分别为2.20、2.30和2.60元。成本包括用工、机械、种子、肥料、农药和地膜, 玉米按照机械播种人工收获, 水稻为人工移栽机械收获, 此外用工还包括施肥和喷药, 机械还包括整地和灌溉。用工标准和生产资料价格依据湖北省武穴市当地用工及物价水平确定。玉米用工包括人工收获脱粒1800元 hm-2, 6次喷药1350元 hm-2; 机械包括整地做厢1800元 hm-2, 播种及施肥450元 hm-2, 秋玉米灌溉1次450元 hm-2。水稻用工包括插秧1500元 hm-2, 6次喷药1350元 hm-2, 3次施肥1350元 hm-2; 机械包括整地1500元 hm-2, 收获1200元 hm-2, 早稻3次灌溉1350元 hm-2, 晚稻6次灌溉2700元 hm-2。玉米、常规早稻和杂交籼稻种子每公顷费用分别为675、375和900元。缓释肥3600元 t-1; 尿素每袋40 kg, 95元; 氯化钾每袋50 kg, 165元; 过磷酸钙每袋50 kg, 35元。玉米农药费用为900元 hm-2, 水稻为1125元 hm-2。春玉米种植覆膜为750元 hm-2。

1.6 数据统计与分析

用Microsoft Excel 2003计算数据和作图, 用SAS 8.0统计软件进行方差分析, LSD法进行多重比较, 显著性水平设定为α =0.05。

2 结果与分析
2.1 不同玉稻种植模式生育期差异

由表1知, MR和MM模式周年生长期较接近, 为225 d左右, RM和RR模式周年生长期接近, 为213 d左右, 比MR和MM生育期天数减少9~23 d。

这是由于春玉米生育期天数比早稻高出7~14 d, 晚稻生育期天数比秋玉米高出14~24 d, 而晚稻由于要在前季作物未收获前育秧, 因而与前季作物之间有20 d左右的生育期的重叠。

2.2 不同玉稻种植模式产量比较

由表2知, 2013年周年产量表现为MR> MM> RM> RR, 模式间差异均达到显著水平, 其中MR比MM、RM和RR周年产量依次平均高出6.5%、14.2%、22.0%, MM比RM和RR周年产量平均高出7.2%和14.5%; 2014年周年产量为MR> MM> RR> RM, 除MR和MM之间差异不显著外, 其余模式间差异均达到显著水平; 其中MR比RR和RM周年产量依次平均高出15.0%和27.2%, MM比RR和RM周年产量平均高出12.6%和24.6%。

从单季产量两年均值可以看出, 第1季春玉米产量(9.31 t hm-2)显著高于早稻产量(7.13 t hm-2), 2013年和2014年分别高出32.2%和29.0%。第2季产量在年际间有一定的波动, 2013年MR晚稻显著高于RR晚稻, 产量提高8.1%, 2014年提高4.3%; 2013年RM秋玉米显著高于MM秋玉米, 增产8.3%, 但2014年表现为MM秋玉米产量显著高于RM秋玉米, 可能是由于2014年7月中旬降雨量是2013年7月中旬降雨量的63.5倍(图1), 造成早稻收获前后稻田含水量较高, RM秋玉米播期推迟1周造成减产, 说明种植RM秋玉米在年际间具有一定风险。2013年第二季秋玉米(8.75 t hm-2)与晚稻(8.60 t hm-2)产量之间无显著差异, 2014年不考虑RM秋玉米, 秋玉米(9.57 t hm-2)与晚稻(9.59 t hm-2)产量之间亦无显著差异。

表2 不同玉稻种植模式产量比较 Table 2 Comparison of grain yield of different maize and rice cropping systems (t hm-2)
2.3 不同玉稻种植模式资源利用效率比较

2.3.1 光能生产效率及利用率 由表3看出, 周年种植模式光能生产效率年际间趋势一致(除2014年RM)。不同年际间有差异, 2013年, MR、MM和RM周年光能生产效率比RR分别提高0.08 g MJ-1、0.03 g MJ-1和0.02 g MJ-1, 增幅分别为17.8%、6.7%和4.4%, 差异达显著水平; 2014年, MR和MM周年光能生产效率比RR分别显著高出0.06 g MJ-1和0.05 g MJ-1, 增幅为11.1%和9.3%。周年总光能利用率MR和MM显著高于RM和RR, 其中2013年MR比RM和RR分别显著高出16.1%和23.8%, MM比RM和RR分别显著高出14.3%和21.9%, 2014年MR比RM和RR分别显著高出25.2%和23.0%, MM比RM和RR分别显著高出32.4%和30.1%。

2.3.2 积温生产效率及利用率 由表3可知, 周年种植模式积温生产效率年际间趋势一致(除2014年RM)。与RR周年积温生产效率相比, MR、MM和RM在2013年分别提高1.04 kg hm-2 ℃-1 d-1、0.59 kg hm-2 ℃-1 d-1和0.31 kg hm-2 ℃-1 d-1, 增幅分别为20.5%、11.6%和6.1%, 差异达显著水平; 而在2014年MR和MM周年光能生产效率比RR分别显著高出0.73 kg hm-2 ℃-1 d-1和0.64 kg hm-2 ℃-1 d-1, 增幅为12.8%和11.2%。单季比较结果表明, 第1季春玉米积温生产效率显著高于早稻, 2013年和2014年分别平均显著高出1.39 kg hm-2 ℃-1 d-1和1.49 kg hm-2 ℃-1 d-1, 增幅为28.6%和30.3%; 第2季秋玉米积温生产效率有大于晚稻的趋势。4种种植模式对年有效积温的利用率均接近饱和, 其中2013年MR、MM和RM本田期年有效积温利用率比RR分别高出9.9%、18.1%和6.6%, 2014年MR、MM和RM本田期年有效积温利用率比RR分别提高9.6%、16.0%和1.4% (表3)。

表3 不同玉稻种植模式的光温生产效率与周年利用率 Table 3 Solar radiation, GDD (growing degree days) production efficiency and annual use efficiency of different maize and rice cropping systems

2.3.3 水分利用率 由图1可知, 2013年4月至6月份降雨较多, 7月至10月份出现较严重干旱, 2014年5月至7月份降雨较多, 8月至10月份出现干旱。对春玉米未进行灌溉, 对秋玉米进行了补充灌溉, 晚稻需水量大, 灌溉量为早稻灌溉量的1.7~2.0倍。由表4可知, 与RR相比, 2013年MR、MM和RM可分别节约灌溉用水37.5%、85.9%和48.4%, 2014年分别节约灌溉用水33.3%、86.7%和53.4%。

由表4可以看出, 长江中游不同周年种植模式水分利用率以MM最高, 显著高于MR和RM, RR最低, 且显著低于其他3种模式。与RR水分利用率相比, MR、MM和RM 2013年分别高出41.5%、82.9%和39.8%, 2014年分别提高32.8%、95.0%和21.0%。从单季WUE分析可以看出, 春玉米WUE显著高于早稻, 2013年和2014年分别提高0.61 kg m-3和0.60 kg m-3, 增幅为52.4%和62.0%; 秋玉米WUE显著高于晚稻。

2.3.4 养分利用率 由于2014年磷钾肥的施用是在2013年的基础上优化调整的, 因此以2014年结果分析不同周年种植模式间养分利用率差异。不同周年模式对氮素的利用没有显著差异(除2014年RM); RR磷、钾肥偏生产力虽然比MR和MM高, 但是MR和MM吸收单位磷素生产的籽粒比RR分别高出26.5%和22.4%, 生产的干物质比RR分别高出29.7%和31.7%, MR和MM吸收单位钾素生产的籽粒比RR分别高出25.9%和39.3%, 生产的干物质比RR分别高出29.1%和49.8%。氮、磷、钾素收获指数均表现为MR和MM显著高于RR (表5)。

2.3.5 经济效益分析 由表6可知, 不同模式间周年经济效益以MR最高, MM其次, 而RM和RR较低。其中MR和MM经济效益两年均值分别比RR增加5883元 hm-2和5023元 hm-2, 增幅为44.3%和37.8%。MR周年成本和效益均较高, 为高投入高产出型; MM成本最低, 而效益较高, 为低投入高产出型; RR成本与MR相当, 而效益最低(2013), 为高投入低产出型; RM成本居中, 效益与RR相当(2013), 为中投入低产出型。因此MR和MM是较好的种植模式。

表4 不同玉稻种植模式的用水量与水分利用率 Table 4 Water input and use efficiency of different maize and rice cropping systems
表5 不同玉稻种植模式氮、磷、钾利用率 Table 5 N, P, and K use efficiency of different maize and rice cropping systems
表6 不同玉稻种植模式经济效益比较 Table 6 Comparison of economic benefit of different maize and rice cropping systems (Yuan hm-2)

单季的春玉米经济效益优于早稻, 2013年和2014年平均分别高出4553元 hm-2和3691元 hm-2, 增幅分别为119.5%和77.3%, 其原因是二者在成本相当的前提下, 春玉米产值高于早稻, 2年产值平均增幅分别为26.4%和23.3%。晚稻成本和产值均高于秋玉米, 经济效益与秋玉米相当。

3 讨论

长江中下游是我国重要的种植业优势区[24]。随着农业生产的发展, 该区种植业结构也在不断地调整。20世纪50— 70年代, 南方一熟改两熟, 两熟改三熟; 60— 70年代, 南方利用冬闲田发展绿肥双季稻、稻麦和稻油两熟制[25]。70年代起, 该稻区在麦-稻两熟制的基础上纳入玉米, 形成了“ 麦/玉米-水稻” 为主体格局的两旱一水三熟种植制, 并形成粮经饲初步结合, 实现粮(后季稻)、饲(春玉米)、经菜果(冬春间套作)等多元种植, 成为该区农作制度向新阶段发展的一个重要标志, 同时使新型的玉-稻种植模式得到较快的发展[26, 27]。这样不仅减轻了北玉南下的压力, 而且将经济效益高的春玉米代替了一部分经济效益较低的传统的双季早稻。为此, 笔者针对高光效C4作物— — 玉米进入南方稻田所形成的稻-玉、玉-稻和双季玉米新型的两熟制种植模式开展了研究。

本研究结果表明, MR和MM周年产量显著高于RM和RR。MR和MM产量比RR平均分别高出18.3%和13.5%, 与李小勇[11]的研究结果一致。本试验中MR产量比RM平均增加20.5%, Timsina等[9]研究曾指出玉-稻系统产量潜力(21.7 t hm-2)高于稻-玉系统(20.5 t hm-2)。水旱轮作系统的一个显著特征就是作物系统的水旱交替轮换导致了土壤系统季节间的干湿交替变化[28], 2013年MR晚稻产量比RR晚稻显著高出8.1%, 但2014年二者无显著差异, 2013年RM秋玉米产量比MM秋玉米显著高出8.3%, 这是否因水热条件的强烈转换, 引起土壤物理、化学或者生物学特性的交替变化, 还有待进一步研究。单季春玉米产量显著高于早稻, 两年平均增幅30.6%, 而秋玉米和晚稻之间产量均值无显著差异, 因此不同玉稻两熟制种植模式周年产量差异主要源于第一季春玉米和早稻产量的差异, 使得本研究中MR模式与MM模式具有相当的周年产量水平。双季早稻前期营养生长阶段低温导致生物量低及后期开花灌浆期最高温太高导致结实率较低不可避免[29], 最终导致早稻产量较低, 而春玉米前期通过地膜增温, 后期尽管春玉米灌浆期也受高温的影响, 但是春玉米开花期在5月底比早稻开花期6月中旬早20 d左右, 一定程度上缓冲了高温危害。

与RR相比, MR周年光能生产效率、年总光能利用率和周年积温生产效率分别提高14.1%、23.4%和16.4%, 这与前人[11]研究结果一致, MM分别提高8.1%、26.1%和11.4%; MR和MM年总光能利用率比RM平均分别高出20.6%和23.3%, 单季春玉米积温生产效率比早稻平均高出29.5%。含有玉米季的MR和MM两年水分利用率比RR平均分别高出37.2%和88.8%, 与水稻相比, 每生产1 kg玉米所需的水量约是生产1 kg稻谷所需水量的28.3%[30], 而且针对春玉米-晚稻这种模式, 春玉米田间排出的水可以储存以利晚稻的利用。因此用春玉米代替双季早稻不仅可以实现光温水资源的高效利用, 也可以达到节水的目的。MR和MM对氮素的利用虽然没有表现出优势, 但是对磷钾的利用仍表现出一定的优势。周年经济效益MR和MM高于RM和RR, MR和MM效益相当, RM和RR效益相当; 结合成本来看, 高投入高产出的RM和低投入高产出的MM两种种植模式是值得在此区域推广的。单季春玉米经济效益优于早稻, 两年比早稻平均高出96.1%。增加有比较优势的农作物生产, 或者减少没有比较优势的农作物生产, 有利于提高农民的经营性收入[31, 32], 因此将春玉米代替经济效益差的双季早稻, 利于增加农民收入。

我国水资源总体特征呈现受季风气候影响年度间水源供应不稳定的特点[33], 2014年7月份试验点降雨量(218.9 mm)是2013年7月份降雨量(30.1 mm)的7.3倍, 而2014年7月中旬降雨量(114.3 mm)是2013年7月中旬降雨量(1.8 mm)的63.5倍(图1), 7月中旬正值早稻收获及播种稻-玉秋玉米的时期, 因此与2013年相比, 2014年稻-玉秋玉米播种推迟1周而造成减产。尽管玉-稻产量潜力比稻-玉高, 可是玉-稻系统可能会面临前季玉米渍涝和后季水稻缺水的问题, 而且前季长期在降雨量大的季节玉米会感染各种病害, 而水稻很少会感染[34], 不过通过前季玉米覆膜种植及加强玉米病虫害管理和后季水稻抽水都可以解决这些问题。由双季稻到单季稻到直播稻这一系列种植方式的形成, 是在朝着以高产、高效和简化为特征的方向改变, 因此针对春玉米-晚稻这一两熟制种植方式, 通过调节春玉米群体特征以求周年产量的进一步提高以及通过寻求晚稻简化的接茬方式来代替传统的高成本人工插秧是亟待进一步研究的问题。

4 结论

用高光效的C4作物玉米取代一部分双季早稻, 不仅提高了资源利用效率, 增加了经济效益, 同时增加了种植模式的多元化。不同玉稻两熟制种植模式周年产量差异主要源于第1季春玉米和早稻产量的差异。MR和MM周年产量显著高于RM和RR, 而且MR和MM资源利用效率显著高于RR。因此, MR和MM是适宜在长江中游推广的2种两熟制种植模式, 双季玉米可以选择在一些山区和丘陵水分不足以种植水稻的区域种植, 而春玉米-晚稻可以选择在一部分平原区种植, 不仅仅是作为两熟制种植制度多元化的补充, 也是实现本区域畜牧业可持续发展从而增加农民收入的一种方式。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

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