張帆

（湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125）

輪作、間套作及復種等多熟種植能在時間、空間及土地上集約高效地利用光、溫、水等自然資源，是我國精耕細作的農藝模式精華。探索生態(tài)環(huán)境友好、資源高效利用、保障糧食安全的種植模式是現(xiàn)代種植制度的研究熱點。

湖南省是長江中游雙季稻主產區(qū)，以開發(fā)冬閑田促進農民增收，稻田溫、光、水、土資源高效利用及用地與養(yǎng)地相結合為目的的“冬季作物-雙季稻”輪作模式是該區(qū)典型的多熟種植制度[1]。目前對冬季作物-雙季稻輪作種植模式的研究主要集中在稻田土壤微生物與肥力[2-7]、溫室氣體[8]、水稻生長[9-10]及輪作系統(tǒng)NPK 養(yǎng)分循環(huán)[1]等方面，但是關于光熱資源利用率和經濟效益的研究極少。前期研究[1]表明，長期的冬季作物-雙季稻輪作種植未顯著影響水稻產量和糙米NPK 養(yǎng)分含量，間接說明該種植模式冬季作物的產投影響著農民所獲得的直接經濟效益。分析比較不同冬季作物-雙季稻輪作各模式光熱資源及NPK養(yǎng)分資源利用效率和經濟效益的差異及其原因，對湖南雙季稻區(qū)種植結構調整、合理利用和開發(fā)冬閑田、促進農民增收農業(yè)增效具有重要意義。

本研究基于13 年的冬季作物-雙季稻輪作種植模式長期定位試驗，分析比較冬閑-雙季稻、馬鈴薯-雙季稻、黑麥草-雙季稻、紫云英-雙季稻及油菜-雙季稻5 種輪作模式的資源利用效率及經濟效益，旨在為湖南冬季作物-雙季稻輪作模式的合理發(fā)展提供理論依據(jù)與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計與栽培管理

冬季作物-雙季稻輪作模式定位試驗于2004年9月在湖南省土壤肥料研究所實驗網(wǎng)室開始進行，試驗小區(qū)為防滲水泥池（面積1.1 m2），長、寬、高分別為130 cm×85 cm×100 cm，設有可封堵的排水口和灌水口。供試土壤為第四紀紅黏土發(fā)育的紅黃泥，試驗前耕層土壤基礎理化性狀為土壤有機碳13.3 g·kg-1，全氮1.46 g·kg-1，全磷0.81 g·kg-1，有效氮154.5 mg·kg-1，有效磷39.2 mg·kg-1，速效鉀120.43 mg·kg-1，pH 為5.40[1]。試驗設冬閑-雙季稻（對照）、馬鈴薯-雙季稻、黑麥草-雙季稻、紫云英-雙季稻、油菜-雙季稻5個處理，每處理重復3次，隨機區(qū)組排列。

各作物種植季農事操作：馬鈴薯在每年12 月中上旬采用稻草覆蓋、穴播種植，密度為7.5×104穴·hm-2（大約用馬鈴薯種子3 000.0 kg·hm-2）；黑麥草、紫云英、油菜均在晚稻收獲前套播，播種量分別為22.0、37.5、4.0 kg·hm-2；對照處理冬季空閑，伴有當?shù)爻Ｒ姷亩倦s草自然生長；早稻移栽時間是在每年5 月份的第1 周，晚稻在早稻收獲后第3 d 移栽，約在每年7月份第2 周，早稻和晚稻的插植密度均為20 cm×12.5 cm；每年早稻移栽種植前的1～2周內冬季作物均被收獲，其中黑麥草和紫云英被翻壓還田作綠肥，還田量為25.0 t·hm-2；馬鈴薯和油菜收獲后其秸稈全部翻壓還田；早稻收獲后其秸稈人工模擬機械粉碎翻壓還田，晚稻收獲后秸稈不還田，大約2/3的晚稻秸稈留作馬鈴薯栽培用[1]。

氮、磷、鉀化肥分別為尿素（含N 量46%）、過磷酸鈣（含P2O5量12%）和氯化鉀（含K2O量60%）。

各冬季作物種植前基肥純N施用量均為34.5 kg·hm-2、基肥P2O5施用量均為45.0 kg·hm-2，只有馬鈴薯施基肥K2O（360.0 kg·hm-2）。油菜和黑麥草（第一次刈割后）追施氮肥，追肥純N 施用量分別為66.7、34.5 kg·hm-2。各處理早、晚稻移栽前均施基肥，其中純N施用量分別為103.5、138.0 kg·hm-2，P2O5和K2O 施用量均為45.0、67.5 kg·hm-2；早、晚稻均在移栽后的第7 d追施氮肥，純N施用量分別為69.0、87.4 kg·hm-2。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 氣象因子的監(jiān)測

所用氣象數(shù)據(jù)由湖南省氣象科學研究院提供。利用生成的日值氣象資料，計算冬季作物-雙季稻輪作周年和不同作物種植季的總輻射和有效積溫。以最早播種的冬季作物開始到次年晚稻收獲為1 周年（即本研究的時間為2016 年9 月21 日—2017 年11 月3 日），計算年積溫為6 972.6 ℃，太陽輻射能量為4 665.90 MJ·m-2。冬季作物-雙季稻輪作各模式生育期和相應的積溫與太陽輻射見表1和表2。

1.2.2 冬季作物和水稻樣品的采集與測定

2016年9月21日—2017年11月3日輪作周年，黑麥草是在每次刈割后、紫云英和馬鈴薯均在收獲期測定每重復小區(qū)地上部分鮮樣產量，同時取鮮樣0.50 kg測定其干物質量。其中馬鈴薯地上部分鮮樣包括馬鈴薯秸稈和鮮薯，分開測產與取樣分析。油菜收獲時每重復小區(qū)隨機取2 株植株樣測定其秸稈干物質量，每重復小區(qū)單打單收測其油菜籽產量。在早、晚稻收獲期，每重復小區(qū)隨機取3叢水稻植株（分為水稻籽粒和秸稈）測定其干物質量。試驗處理每小區(qū)早、晚稻單打單收，脫粒并曬干去雜質后測其籽粒產量。各種植季作物的經濟目標產量和秸稈干物質量見表3。

植株樣均是105 ℃殺青1 h，75 ℃烘干至恒質量，測其各部分干物質量后磨碎過篩。植株樣全N 采用硫酸-過氧化氫消煮，擴散法測定[11]，植株樣全P 采用硫酸-過氧化氫消煮，鉬銻抗比色法測定[11]，植株樣全K采用硫酸-過氧化氫消煮，火焰光度法測定[11]。

1.3 物質、能量生產與光熱及養(yǎng)分資源效率分析

1.3.1 干物質產能

單位面積生產的干物質產量與其干質量熱值（即單位干物質熱量）的乘積為干物質產能。干質量熱值（GCV）指每千克干物質完全燃燒所釋放的能量（kJ·kg-1），本試驗冬季作物-雙季稻輪作模式中各作物及農副產品的干質量熱值見表4[12]。

表1 冬季作物-雙季稻輪作各模式生育期Table 1 Growth period of different winter crop and double cropping rice systems

表2 冬季作物-雙季稻輪作模式各作物生育期積溫和太陽輻射Table 2 Accumulated temperature and solar radiation of different winter crop and double cropping rice systems in the growth period

表3 各種植季作物的經濟目標產量和秸稈干物質量（kg·hm-2）Table 3 Economic target yield and straw biomass of crops in each season（kg·hm-2）

干物質產能（MJ·m-2）=單位面積的干物質產量×干質量熱值

1.3.2 光能生產效率和年總輻射利用率[13]

光能生產效率以生育期間平均單位熱量生產的單位面積干物質量表示[13]。

光能生產效率（g·MJ-1）=干物質生產量/單位面積的太陽輻射

年總光能利用率（%）=干物質產能/單位面積的全年太陽輻射×100[13]

1.3.3 積溫生產效率和年有效積溫利用率[13]

積溫生產效率是指生育期間日均溫≥10 ℃有效積溫生產的單位面積干物質量[13]。

積溫生產效率（kg·hm-2·℃-1·d-1）=單位面積干物質生產量/生育期間有效積溫

年有效積溫利用率（%）=作物生育期間有效積溫/全年有效積溫×100[13]

1.3.4 養(yǎng)分利用效率

表4 冬季作物-雙季稻輪作模式各作物單位干物質熱量Table 4 Heat of per unit dry matter of crops of the winter crop and double cropping rice rotation systems

養(yǎng)分積累總量=∑成熟期地上部各部位干物質質量×各部位養(yǎng)分含量

養(yǎng)分干物質生產效率（kg·kg-1）=成熟期單位面積干物質量/養(yǎng)分積累總量

養(yǎng)分收獲指數(shù)（%）=籽粒養(yǎng)分積累量/養(yǎng)分積累總量×100

養(yǎng)分偏生產力（kg·kg-1）=籽粒產量/養(yǎng)分施用量

1.3.5 經濟效益計算

經濟效益（元·hm-2）=產值（元·hm-2）-成本（元·hm-2）

產值（元·hm-2）=產量（kg·hm-2）×單價（元·kg-1）

成本包括勞動力成本和農用投入品成本。本研究中雙季稻勞動力成本（包括翻耕、水稻移栽、雜草與病蟲害防治、收割以及管理等勞動力支出）和投入品成本（農藥、水稻種子、肥料以及灌溉等）按2017 年生產實際支出并參考大田計算，分別為6 000.00 元·hm-2和10 600.00 元·hm-2。冬季作物種植季增加的投入品成本另外計算，暫不考慮冬季作物種植季投入的勞動力成本。

成本均以2017 年湖南省雙季稻區(qū)實際價格為參考：化肥N、P2O5、K2O 市場價分別為3.80、5.20、5.30元·kg-1；紫云英種子價格為20.00 元·kg-1；黑麥草種子價格為10.00 元·kg-1；油菜種子價格為100.00 元·kg-1；馬鈴薯種薯價格為5.00 元·kg-1。勞動力工價為150.00 元·d-1。

2017年各季作物經濟目標產出收購價格：馬鈴薯鮮薯為1.50 元·kg-1；黑麥草鮮草為0.15 元·kg-1；油菜籽為5.00 元·kg-1；早、晚稻谷分別為2.40、2.52 元·kg-1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 數(shù)據(jù)表和DPS 7.05（Data processing system for practical statistics）軟件進行分析整理，用Duncan 新復極差法檢驗數(shù)據(jù)差異的顯著性水平（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 冬季作物-雙季稻輪作模式光熱資源利用效率

不同冬季作物-雙季稻輪作模式的光溫生產效率與周年利用率見表5。馬鈴薯-雙季稻模式的年總光能利用率顯著高于其他輪作模式，且輪作周年光能生產效率比黑麥草-雙季稻、紫云英-雙季稻、油菜-雙季稻分別提高了0.16、0.18、0.21 g·MJ-1，增幅分別為28.1%、32.7%、40.4%，差異達顯著水平（P＜0.05）。從輪作周年各作物種植季光能生產效率來看，冬季作物種植季光能生產效率馬鈴薯-雙季稻模式顯著高于紫云英-雙季稻和油菜-雙季稻模式；早稻種植季光能生產效率馬鈴薯-雙季稻模式顯著高于紫云英-雙季稻模式；晚稻種植季光能生產效率馬鈴薯-雙季稻模式顯著高于黑麥草-雙季稻模式和油菜-雙季稻模式。但是馬鈴薯-雙季稻模式早、晚稻季光能生產效率及輪作周年光能生產效率與冬閑-雙季稻模式相比差異不顯著。

油菜-雙季稻模式年有效積溫利用率高于其他模式，接近飽和狀態(tài)（97.63%），黑麥草-雙季稻模式、紫云英-雙季稻模式年有效積溫利用率也較高，均超過94%。馬鈴薯-雙季稻模式輪作周年有效積溫生產效率比黑麥草-雙季稻、紫云英-雙季稻、油菜-雙季稻分別顯著提高了1.24、1.36、1.52 kg·hm-2·℃-1·d-1，增幅分別為33.2%、37.6%、43.9%，差異達顯著水平（P＜0.05）。從輪作周年各作物種植季有效積溫生產效率來看，冬季作物種植季有效積溫生產效率馬鈴薯-雙季稻模式顯著高于其他模式；早稻種植季有效積溫生產效率馬鈴薯-雙季稻模式顯著高于紫云英-雙季稻模式；晚稻種植季有效積溫生產效率馬鈴薯-雙季稻模式顯著高于黑麥草-雙季稻模式和油菜-雙季稻模式。綜上所述，從光熱資源利用效率的角度來看，馬鈴薯-雙季稻模式優(yōu)于其他模式。

2.2 冬季作物-雙季稻輪作模式NPK養(yǎng)分利用率

不同冬季作物-雙季稻輪作模式的NPK 養(yǎng)分干物質生產效率見表6。各模式輪作周年P養(yǎng)分干物質生產效率無顯著差異（P＞0.05）。各模式輪作周年N養(yǎng)分干物質生產效率大小依次為馬鈴薯-雙季稻（73.23）＞冬閑-雙季稻（69.84）＞油菜-雙季稻（68.30）＞黑麥草-雙季稻（65.47）＞紫云英-雙季稻（60.99），其中馬鈴薯-雙季稻模式輪作周年N養(yǎng)分干物質生產效率比黑麥草-雙季稻和紫云英-雙季稻分別顯著提高了11.9%和20.1%（P＜0.05），而紫云英-雙季稻模式輪作周年N養(yǎng)分干物質生產效率比冬閑-雙季稻模式顯著降低了12.7%。各輪作模式周年K 養(yǎng)分干物質生產效率大小依次為紫云英-雙季稻（70.63）＞冬閑-雙季稻（66.10）＞油菜-雙季稻（57.58）＞黑麥草-雙季稻（56.37）＞馬鈴薯-雙季稻（47.91），其中馬鈴薯-雙季稻模式輪作周年K養(yǎng)分干物質生產效率比紫云英-雙季稻和油菜-雙季稻模式分別顯著降低了32.2%和16.8%（P＜0.05），馬鈴薯-雙季稻與黑麥草-雙季稻模式輪作周年K養(yǎng)分干物質生產效率分別比冬閑-雙季稻顯著降低了27.5%和14.7%（P＜0.05）。冬閑-雙季稻與油菜-雙季稻模式輪作周年NPK 養(yǎng)分干物質生產效率無顯著差異。從NPK 養(yǎng)分干物質生產效率角度來看，冬閑-雙季稻和油菜-雙季稻模式優(yōu)于其他模式。

本研究不同冬季作物-雙季稻模式輪作13 年后未顯著影響早、晚稻產量（表3），各模式早、晚稻季施肥管理一致，因此各模式未顯著影響早、晚稻NPK 偏生產力（表7）。各模式早稻N、P 收獲指數(shù)差異不顯著，紫云英-雙季稻模式早稻K收獲指數(shù)比馬鈴薯-雙季稻模式顯著提高了45.6%（P＜0.05）；各模式晚稻K收獲指數(shù)差異顯著，黑麥草-雙季稻模式晚稻PK收獲指數(shù)顯著高于其他模式（P＜0.05）。從雙季稻生產和雙季稻NPK 養(yǎng)分利用率角度來看，黑麥草-雙季稻模式優(yōu)于其他模式。

表5 不同冬季作物-雙季稻輪作模式的光溫生產效率與周年利用率Table 5 Production efficiency and annual use efficiency of solar radiation and effective accumulated temperature of different winter crop and double cropping rice rotation systems

表6 不同冬季作物-雙季稻輪作模式的NPK干物質生產效率（kg·kg-1）Table 6 N，P and K efficiency for biomass production of different winter crop and double cropping rice rotation systems（kg·kg-1）

表7 不同冬季作物-雙季稻輪作模式早、晚稻NPK利用率Table 7 N，P and K use efficiency of early and late rice in different winter crop and double cropping rice rotation systems

2.3 冬季作物-雙季稻輪作模式經濟效益分析

將冬季作物納入到雙季稻的種植制度中，在不考慮冬季作物季勞動力成本投入的情況下，不同冬季作物-雙季稻輪作種植模式經濟效益見表8。不同模式輪作周年經濟效益以馬鈴薯-雙季稻模式最高，冬閑-雙季稻模式最低。與冬閑-雙季稻模式相比，馬鈴薯-雙季稻模式經濟效益增加了155.0%，油菜-雙季稻模式增加了46.4%，黑麥草-雙季稻模式增加了42.5%，紫云英-雙季稻模式增加了9.6%。

因本研究不同冬季作物-雙季稻輪作種植模式未顯著影響早、晚稻產量，不同冬季作物-雙季稻輪作種植模式經濟效益差異主要是由冬季作物種植季的投入成本和產值造成。馬鈴薯-雙季稻模式輪作周年成本是最高的，為高投入高產出型。黑麥草-雙季稻模式和油菜-雙季稻模式為低投入中產出型。紫云英-雙季稻模式為低投入低產出型。從經濟效益的角度看，馬鈴薯-雙季稻模式優(yōu)于其他模式。

3 討論

馬鈴薯是調整優(yōu)化種植結構的重要替代作物。本研究馬鈴薯-雙季稻模式技術亮點是利用晚稻秸稈覆蓋種植馬鈴薯且馬鈴薯收獲后其秸稈翻壓還田，促進了稻田周年農業(yè)廢棄物的循環(huán)利用。冬閑-雙季稻、紫云英-雙季稻及油菜-雙季稻模式輪作周年K養(yǎng)分干物質生產效率均顯著高于馬鈴薯-雙季稻模式；前期研究的長期定位試驗結果[1]也表明：馬鈴薯-雙季稻模式在馬鈴薯種植季K 盈余為255.21 kg K·hm-2、N 盈余為26.01 kg N·hm-2，說明在保證雙季稻穩(wěn)產條件下今后需要開展冬閑稻田種植馬鈴薯的化肥減施、NPK 肥料運籌及節(jié)本增效研究，因為相比于三大主糧作物，淺根系的馬鈴薯植株不易吸收根層以下的養(yǎng)分，容易造成NPK 肥料利用率下降、環(huán)境風險增加的隱患[14]。本研究表明馬鈴薯-雙季稻模式在光熱資源利用率和經濟效益上優(yōu)于其他模式，但實際生產中要考慮馬鈴薯種植的瓶頸，如薯塊繁殖系數(shù)低，種植、儲運成本高，易攜帶病蟲害等問題[15]。

稻田冬種黑麥草不僅能產生大量的優(yōu)質牧草，也能改善稻田土壤生態(tài)環(huán)境和土壤肥力[16-18]。前期研究的長期定位試驗結果[1]也表明：稻田冬種黑麥草有利于促進早稻產量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的提高。發(fā)展黑麥草-雙季稻模式還要因地制宜地考慮本地區(qū)及周邊地區(qū)的畜牧業(yè)和漁業(yè)發(fā)展情況，讓刈割的黑麥草替代部分工業(yè)化加工飼料。穩(wěn)定可靠的需求可能會降低農民種植黑麥草的市場風險、保障其種植收益。

紫云英作為冬季豆科綠肥作物，利用其固氮貯碳作用既可減少水稻生產中的化學N 肥投入又能保證水稻穩(wěn)產高產，在雙季稻區(qū)“減肥減藥”戰(zhàn)略中成為研究熱點。國內很多研究表明稻田冬種紫云英可減少水稻生產中的化肥投入并保證水稻穩(wěn)產，經濟效益比冬閑-雙季稻模式高[6，19-21]。無論從資源利用率角度，還是經濟效益角度看，紫云英-雙季稻并不是最優(yōu)模式。本研究紫云英-雙季稻模式中，紫云英種植季投入了化學N 肥和P 肥，且早稻移栽前部分未翻壓還田作綠肥的紫云英鮮草被移出田（移出田的紫云英鮮草2017 年為8 868.18 kg·hm-2，相當于移出田24.28 kg N·hm-2、2.05 kg P·hm-2、14.45 kg K·hm-2），造成綠肥生物資源的浪費。建議在紫云英-雙季稻模式中減少紫云英種植季的化學肥料投入并在早稻移栽前將紫云英鮮草全量還田，充分利用紫云英的生物固氮作用和冬閑田光熱資源來保證雙季稻的穩(wěn)產高產、降低購買化學肥料投入以增加該模式經濟效益。唐海明等[8]研究表明：稻田冬種紫云英不僅增加了稻田冬閑期溫室氣體CH4和N2O 的總排放量，紫云英翻壓還田后也增加后茬雙季稻生育期間溫室氣體CH4和N2O的總排放量，紫云英-雙季稻模式較冬閑-雙季稻模式增加了稻田綜合溫室效應。因此，亟需兼顧生態(tài)環(huán)境效益開展對紫云英-雙季稻模式的綜合效益評價探討和研究。

表8 不同冬季作物-雙季稻輪作種植模式經濟效益比較（元·hm-2）Table 8 Comparison of economic benefit of different winter crop-double cropping rice rotation systems（yuan·hm-2）

菜籽油是國內自產的第一大食用植物油，在國內食用油市場具有不可替代的重要地位。我國長江流域是雙季稻的主產區(qū)，也是冬油菜主產區(qū)，油菜-雙季稻模式是該區(qū)重要的三熟制模式。本研究結果表明：油菜-雙季稻模式經濟效益為低投入中產出型；NPK 養(yǎng)分資源利用率優(yōu)于紫云英-雙季稻模式和馬鈴薯-雙季稻模式。前期長期定位試驗結果[1]也表明：稻田冬種油菜有益于晚稻產量穩(wěn)定性和可持續(xù)性的提高。油菜秸稈還田能改善土壤肥力和增加水稻產量[22]，油菜-雙季稻模式中油菜籽收獲后油菜秸稈還田在湖南大田生產中也已被實踐和推廣。本研究在晚稻田套播油菜，大田生產上會影響晚稻機械化收割。隨著農村勞動力的減少和水稻生產的全程機械化，需要選育、選用遲播早熟油菜品種以解決湖南油菜-雙季稻模式前后茬的時間矛盾；同時也要推廣油菜輕簡化生產技術，以提高農民生產效益。雖然冬閑田種植油菜的經濟效益沒有馬鈴薯高，但油菜開花能促進農村觀光，產生的間接經濟效益不容忽視。在農業(yè)供給側改革和市場消費理念觸動下，也需要開展“菜用”油菜（油菜苔）或飼用油菜（雙低油菜）與雙季稻輪作的相關研究。

總之，將冬季作物納入到雙季稻的種植體系中，開發(fā)冬閑稻田，大力發(fā)展冬季農業(yè)，不僅可保障糧食安全、促進農民增收，而且使冬季作物-雙季稻輪作種植模式資源得到優(yōu)化配置，有望在稻作區(qū)扶貧攻堅和鄉(xiāng)村振興國家戰(zhàn)略中發(fā)揮重要作用。

4 結論

冬閑-雙季稻、馬鈴薯-雙季稻、黑麥草-雙季稻、紫云英-雙季稻及油菜-雙季稻5種輪作模式相比較，馬鈴薯-雙季稻模式光熱資源利用率高、經濟效益好，適合在湖南雙季稻區(qū)推廣，可成為增加農民收入的一種方式。