鄂东地区稻田二熟制模式的生产力、温光资源利用和氮磷养分平衡比较

翁玉林，王高杰，夏方招，熊兴军，李兴华，李承力，胡荣桂，杨特武

1.华中农业大学植物科学技术学院/农业农村部长江中游作物生理生态与耕作重点实验室，武汉 430070；
2.中国电建集团昆明勘察设计院有限公司乡村振兴研究中心，昆明 650051；
3.湖北省黄冈市农业科学院，黄冈 438000；
4湖北省种子集团有限公司，武汉 430206；
5.华中农业大学资源与环境学院，武汉 430070

复种是我国传统耕作制度，不仅可提高农田周年生产力和经济效益，还有利于改善土壤质量[1-2]。黄国勤等[3]研究表明，长期复种可显著降低稻田耕层土壤容重，增加土壤孔隙度，从而改善土壤结构。王志强等[4]研究发现，相比于冬季休闲，冬季轮作复种显著改善稻田土壤团聚体组成及比例，减少微团聚体比例，提高大团聚体比例，从而增强土壤团聚体的水稳性。杨滨娟等[1]研究表明，相较于休闲-双季稻复种模式，紫云英-双季稻复种显著提高土壤无机氮和微生物量氮含量，有利于维持土壤肥力。秦舒浩等[5]研究表明，马铃薯与豆科作物复种3 a后，土壤脲酶、过氧化氢酶和碱性磷酸酶活性以及土壤氮磷有效性均显著提高，盐渍化状况得到改善。此外，多样化的复种模式还能显著提高土壤微生物特别是异养细菌的活性和多样性[6-7]。吴宏亮等[8]研究表明，西瓜-辣椒复种显著降低土壤真菌的相对丰度，提高细菌与真菌丰度比（B/F），从而改善土壤微生态环境，有利于缓解西瓜连作障碍。

适宜的复种模式既取决于当地气候资源状况，也受到社会经济发展的影响[9]。鄂东地区光热资源丰富，是湖北省重要的粮食产区，种植制度以单、双季稻为主[10]。由于冬季存在较长时间的农田休闲，造成大量温光资源浪费，作物周年生产力水平较低；
同时，近年来由于农村劳动力减少和农业生产成本升高，作物生产效益低下。因此，进一步优化耕作制度，挖掘作物的温光资源利用潜力，对于提高鄂东地区作物生产力水平和生产效益具有重要意义。本研究在鄂东地区设置长期定位试验点，通过连续4 a的试验，比较了油菜-玉米、油菜-水稻、油菜-节水抗旱稻、小麦-玉米、小麦-水稻、休闲-双季稻等6种复种连作模式的周年生产力、生产效益及其对温光资源和养分利用的差异，旨在为优化鄂东地区的作物种植制度提供试验依据。

1.1 试验点概况

试验于2017年10月-2021年10月在湖北省 黄 冈 市 团 风 县 梅 家 墩 村（30°33′56.85″N，114°54′57.52″E）进行。试验点位于鄂东沿江平原，属于北亚热带季风气候区，年均气温16.8℃，年均降水量1 200 mm，年均无霜期258 d。试验地土壤为长江冲积潮土，0～20 cm耕层土壤含有机质11.10 g/kg、全氮 0.47 g/kg、全磷 0.66 g/kg、全钾11.16 g/kg、碱解氮 67.4 mg/kg、速效磷 15.35 mg/kg、速效钾63.65 mg/kg，pH 7.3。试验前长期种植水稻。

1.2 试验设计

按单因素试验设计，以当地主要作物组建油菜-玉米（oilseed rape-maize，O-M）、油菜-水稻（oilseed rape-rice，O-R）、油菜-节水抗旱稻（oilseed rape-water-saving and drought-resistant rice，O-WDR）、小麦-玉米（wheat-maize，W-M）、小麦-水稻（wheat-rice，W-R）、冬闲-双季稻（fallow-double season rice，FDR）6种复种模式，3次重复，随机区组排列，小区面积4 m×6 m。小区四周筑40 cm宽、20 cm高的隔离埂，小区间开40 cm宽、30 cm深的隔离沟。

1.3 试验方法

各作物以当地主推品种为试验材料，双季早稻、节水抗旱稻和中稻均为籼稻品种，双季晚稻为粳稻品种。按照当地习惯方法进行作物种植、施肥和管理。4 a各季作物的播种、移栽和收获时间见表1。油菜种植密度为32.5万株/hm2，小麦按120 kg/hm2播量条播。水稻按育秧移栽法种植，双季早稻和晚稻移栽密度为37.5万穴/hm2，早稻每穴移栽3本，晚稻每穴移栽4本；
中稻移栽密度为23万穴/hm2，每穴2本。节水抗旱稻按30 kg/hm2播量湿润法直播，玉米按8万株/hm2的种植密度穴播。

表1 不同作物的播期、移栽日期和收获日期Table 1 Sowing，transplanting and harvest dates of various crops

同季作物施肥量（表2）一致。其中，基肥用复合肥（N-P2O5-K2O=15-15-15），氮肥追肥用尿素，钾肥追肥用氯化钾。

表2 两季作物年施肥量Table 2 Annual fertilizer application rates in the two cropping seasons kg/hm2

1.4 测定项目与方法

1）作物生产力。在各季作物收获时先淘汰小区边行边株，收获其余部分测定经济产量和生物学产量。

2）作物氮磷吸收量。各季作物收获前1 d在每小区选取典型植株10株，将地上部洗净后烘干、磨成粉末，用浓H2SO4消化后采用流动分析仪[11]（AA3，德国SEAL）测定氮磷含量，根据地上部生物学产量计算养分吸收量。

3）土壤肥力。于每轮试验夏季作物收获后，按照“5点采样法”采集各小区0～20 cm耕层土样，去除0～2 cm表层土及杂物，置于阴凉通风处自然风干，研磨，过孔径1 mm筛，采用浓H2SO4消化-流动分析仪法测定土壤总氮和总磷含量[11]。根据土壤容重和氮磷含量计算耕层土壤氮磷积累量。

1.5 计算及统计分析方法

周年积温生产效率=周年经济产量/生产季有效积温[12]（生物学零度：油菜和小麦为0℃，玉米和粳稻为10℃，籼稻为12℃）；

周年日照时数生产效率=周年经济产量/生产季日照总时数；

偏因子养分平衡=作物地上部养分吸收量/纯养分施用量[13]；

土壤养分表观平衡量=养分投入量-作物养分携出量[14]；

土壤养分实际盈余量=试验后土壤养分总量-试验前土壤养分总量；

养分损失量=养分表观平衡量-养分实际盈余量。

应用SPSS 24.0统计软件对试验数据进行单因素方差分析，采用Duncan’s多重比较检验不同处理间差异显著性。数据采用“平均值±标准误”表示。

2.1 不同复种模式产量及经济效益

1）经济产量。由表3可知，不同复种模式的经济产量存在显著差异。2017-2018和2018-2019年周年经济产量以及4 a平均产量均以W-R最高，显著高于其他模式；
2019-2020和2020-2021年周年产量则以O-R最高，但与W-R和F-DR差异不显著。4 a平均总产量均以O-M最低，其次为O-WDR模式，二者显著低于其他模式。不同复种模式的后季作物产量均高于头季作物。头季作物4 a平均产量以F-DR模式最高，显著高于其他复种模式，而OWDR模式的头季作物产量最低；
后季作物4 a平均产量则以O-R和W-R模式最高，显著高于其他模式，而O-WDR和O-M模式的后季作物产量最低。在头季作物相同的条件下，后季作物水稻的年均经济产量显著高于玉米和节水抗旱稻；
在后季作物相同的条件下，头季作物小麦的年均经济产量显著高于油菜（表3）。

表3 不同复种模式的经济产量Table 3 Economic yield of various cropping patterns t/hm2

2）经济效益。成本-收益核算结果表明，周年生产成本和毛收入均以O-R模式最高，W-M模式最低；
年均净收入以O-R模式最高，F-DR模式最低，O-R较F-DR高196%；
最高年净收入以O-M模式最高，其次为O-R模式，W-R模式最低（表4）。在头季作物相同的条件下，后季作物为水稻的复种模式年均净收入较后季作物为玉米和节水抗旱稻的模式高；
在后季作物相同的条件下，头季作物为油菜的复种模式年均净收入较小麦为头季作物的模式高。

表4 不同复种模式周年生产效益Table 4 Annual economic benefit of various multiple cropping patterns Yuan/hm2

2.2 不同复种模式的温光资源利用效率

不同复种模式的温光资源利用效率存在显著差异（表5）。在所有复种模式中，周年积温生产效率和日照时数生产效率均以F-DR最高，O-M和O-WDR较低，而O-R处于中等水平。在头季作物相同的条件下，后季作物为水稻的复种模式的周年积温生产效率和日照时数生产效率均显著高于后季作物为玉米和节水抗旱稻的模式；
在后季作物相同的条件下，头季作物为小麦的复种模式的周年积温生产效率和日照时数生产效率显著高于头季作物为油菜的模式（表5）。

表5 不同复种模式周年籽粒温光生产效率Table 5 Annual temperature and sunshine production efficiencies of grain or seed in various multiple cropping patterns

2.3 不同复种模式的氮磷吸收

1）氮磷吸收量。图1显示，作物地上部年均氮吸收量以O-R和W-R模式最高，二者差异不显著，但均显著（P＜0.05）高于其他模式；
F-DR年均氮吸收量显著（P＜0.05）低于其他模式。在头季作物相同的条件下，后季作物为水稻的种植模式年均氮吸收量显著（P＜0.05）高于后季作物为玉米和节水抗旱稻的模式；
在后季作物相同的条件下，头季作物不同的种植模式年均氮吸收量差异不显著。作物年均磷吸收量以O-M最高，F-DR最低，与其他模式间差异显著（P＜0.05）。在头季作物相同的条件下，后季作物为玉米的种植模式年均磷吸收量显著（P＜0.05）高于后季作物为水稻和节水抗旱稻的模式；
在后季作物相同的条件下，头季作物为油菜的种植模式年均磷吸收量显著（P＜0.05）高于头季作物为小麦的模式（图1）。

图1 不同复种模式平均周年地上部氮磷吸收量Fig.1 Annual aboveground nitrogen（N）and phosphorus（P）uptakes on average in various multiple cropping patterns

2）氮磷偏因子养分平衡。O-R和W-R模式具有较高的周年氮偏因子养分平衡，O-M和O-R模式具有较高的周年磷偏因子养分平衡，与其他模式差异显著（P＜0.05）；
F-DR模式的周年氮、磷偏因子养分平衡均显著（P＜0.05）低于其他模式（图2）。在头季作物相同的条件下，后季作物为水稻的种植模式氮偏因子养分平衡显著（P＜0.05）高于后季作物为玉米和节水抗旱稻的模式，而后季作物为玉米的种植模式磷偏因子养分平衡显著（P＜0.05）高于后季作物为水稻和节水抗旱稻的模式；
在后季作物相同的条件下，不同头季作物种植模式的氮偏因子养分平衡差异不显著，而头季作物为油菜的种植模式磷偏因子养分平衡显著（P＜0.05）高于头季作物为小麦的模式（图2）。

图2 不同复种模式的平均周年氮、磷偏因子养分平衡Fig.2 Annual nitrogen（N）and phosphorus（P）partial factor nutrient balances on average in various multiple cropping patterns

2.4 不同复种模式的土壤氮磷变化与平衡

1）养分总量。后季作物收获后土样测定结果显示，不同复种模式的耕层土壤总氮和总磷含量随着种植年限呈基本升高的趋势（图3和图4）。在4轮试验中，O-R模式下土壤总氮含量最高，但与W-R和FDR模式差异不显著；
O-WDR模式的土壤总氮含量最低，但与O-M和W-M模式差异不显著（图3）。

图3 不同复种模式土壤总氮含量变化Fig.3 Changes in total nitrogen content in the soil of various multiple cropping patterns

图4 不同复种模式土壤总磷含量变化Fig.4 Changes in total phosphorus content in the soils of various multiple cropping patterns

土壤总磷含量在4轮试验中均以O-M最高，其次为W-M模式，二者差异不显著；
在多数年份W-R模式的土壤总磷含量最低，其次为F-DR模式，而OR模式的土壤总磷含量处于中等水平（图4）。

2）养分平衡。经过4轮试验后各模式的土壤氮磷含量均有不同程度的盈余（表6）。土壤氮表观平衡量以F-DR最大，O-R最小；
实际盈余量以O-R最大，O-WDR最小。土壤磷表观平衡量也以F-DR最大，但以O-M最小；
实际盈余量以W-M最大，W-R最小，O-R处于中等水平。不同复种模式4 a氮总损失量以O-WDR最大、O-R最小；
磷总损失量以W-R最大，其次为F-DR，O-M最小，O-R和O-WDR处于中等水平（表6）。

表6 不同复种模式耕层土壤氮磷平衡（2018-2021）Table 6 N and P balances in the surface soil of various multiple cropping patterns（2018-2021） kg/hm2

本研究结果显示，在6种复种模式中O-R和WR模式具有较高的产量和良好的稳产性，而在4轮试验中O-M的周年经济产量均显著低于O-R，W-M的周年经济产量显著低于W-R，表明玉米是影响O-M和W-M模式生产力的主要因素。在本试验过程中，由于2018年当地出现夏季高温干旱天气，2019和2020年夏季发生严重洪涝灾害，而玉米苗期对渍水敏感、开花结实期不耐高温[15]，因而造成玉米严重减产。此外，当地传统的F-DR模式也在2018年因夏季高温干旱而严重减产，但在其余年份其周年产量与O-R模式差异不显著。节水抗旱稻是在当地具有良好发展前景的一类新型水稻品种[16]。在本研究中，O-WDR模式下周年经济产量显著低于O-R模式，系WDR在节水栽培下产量潜力低于普通中稻所致[17]。由于油菜籽价格高于其他作物，O-R模式除了生产力水平较高外在生产效益上也具有较大的优势；
而W-M和F-DR模式则由于玉米产量波动较大、早稻产量及收购价格低，因而生产效益较低，尤其是2018年F-DR模式因减产幅度较大而经济收益为负值。O-M模式也具有较好的经济效益，其效益最高年份的净收入甚至高于O-R模式，但O-M模式因产量不稳而导致其生产效益波动很大。由此可见，OM和W-M模式不适合作为当地稻田复种系统。在本研究中F-DR模式的周年积温和日照时数生产效率最高，与该模式具有较高的周年经济产量和较短的生产周期有关。O-R模式虽具有较高的经济产量，但因生产周期较长，其周年积温和日照时数生产效率处于中等水平。

农田养分投入和输出显著影响土壤肥力的平衡[14]。油菜为油料作物，需磷量较大[18]，因而本研究中含有油菜的复种模式（O-R、O-M和O-WDR）具有较高的磷吸收量和作物携出量。由于节水抗旱稻和双季稻的生物学产量较低，因而O-WDR和F-DR模式的氮吸收量和作物携出量较低，而其他模式的氮吸收量和作物携出量差异较小。偏因子养分平衡常用于衡量作物生产对土壤肥力的影响，其值越接近于1，越有利于土壤肥力的平衡[13]。从偏因子养分平衡量看，本研究中O-R和W-R模式最有利于土壤氮肥力的平衡，而O-M模式最有利于土壤磷肥力的平衡。不同复种模式的氮磷平衡核算结果显示，O-R模式的土壤氮盈余量最高、损失量最小，而O-M模式的土壤磷盈余量最高、损失量最小。油菜在生育前期可从土壤中吸收大量的氮磷养分，而在生育后期又通过大量落叶向土壤归还部分养分，既有利于培肥土壤，又可减少农田氮磷流失[18-19]。农田氮磷流失是水体富营养化的重要诱因[20-21]。因此，在鄂东地区O-R和O-M种植模式有利于降低农田面源污染负荷和水体富营养化风险。

前人研究表明，作物系统的养分损失量与作物的养分吸收量存在较大关系，较小的养分吸收量将增加作物系统的养分流失风险[22]。在本研究中，FDR模式的氮磷吸收量最小，其磷损失量大于除W-R外的其他模式，而氮损失量处于中等水平。农田氮损失途径具有多样性，既包括NH3和N2O等气体挥发损失，也包括径流和淋溶损失[23-24]。因此，不同复种模式下氮损失量差异产生的原因还需从流失途径方面进一步探究。本研究中不同复种模式下磷损失量与磷吸收量也并非完全对应。尽管农田磷损失途径比较单一，即主要通过径流流失，但其流失强度与土壤磷形态变化密切相关，并受到土壤和作物类型、施肥和田地管理方式等因素的影响[25-26]。因此，有关不同复种模式下磷流失机制尚需从作物生产过程中土壤磷形态的变化上深入探讨。

鄂东地区不同复种连作模式的周年生产力、生产效益及其对温光和养分资源的利用和土壤氮磷平衡均存在显著差异。其中，油菜-水稻复种模式具有较高的丰产性和稳产性，且经济效益最高，同时油菜在生育前期大量吸收固定土壤氮磷养分，而在生育后期又通过大量落叶归还土壤部分氮磷养分，从而有利于维持土壤肥力并可降低土壤氮流失风险，具有替代当地传统双季稻模式的应用前景。

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