陶冬雪，胡 娟，高英志，周道瑋

(1.東北師范大學(xué) 草地科學(xué)研究所，植被生態(tài)科學(xué)教育部重點實驗室，吉林松嫩草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，吉林 長春 130024；2.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 吉林省草地畜牧重點實驗室，吉林 長春 130102)

0 引 言

20世紀(jì)全球溫度平均升高了0.6 ℃，預(yù)計在21世紀(jì)溫度將繼續(xù)上升1.4 ℃～ 5.8 ℃[1]。增溫延長了作物的生育期，且為發(fā)展一年兩茬種植模式提供了溫度基礎(chǔ)。吉林省西部半干旱地區(qū)是氣候變化過程中增溫最顯著的地區(qū)之一[2-3]，主產(chǎn)玉米和大豆等作物，一般為一年一季作物。一年兩茬種植模式能增加作物光合時間和土地覆蓋時長，降低春季土壤侵蝕，進(jìn)而提高土地利用效率和生產(chǎn)力，有利于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

前人多項研究表明，一年兩茬種植模式可以增加作物對光和水的利用效率進(jìn)而增加產(chǎn)量，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益[4-6]，在有限的資源和空間實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[7-9]。同時，一年兩茬種植模式可以提高作物對土、光、水及肥的利用率，為農(nóng)業(yè)帶來高產(chǎn)的同時還有助于培肥土壤，減少病蟲害發(fā)生[10-11]。前人研究多集中于一年兩茬種植對作物產(chǎn)量的影響，而有關(guān)產(chǎn)量、產(chǎn)值及物候期、種植密度及水分管理的綜合研究較少，尤其缺乏半干旱地區(qū)一年兩茬種植模式的研究。

吉林省西部地區(qū)傳統(tǒng)的種植制度為玉米一年一茬，5月初種植，10月初收獲。如能有效利用4-5月和10-11月的光、熱及水資源，在提高生產(chǎn)力的同時還能增加植被覆蓋時間，提高土地利用率[12]，實現(xiàn)半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。該區(qū)春季低溫[13]，由于年內(nèi)和年際的降水分布不均，旱災(zāi)頻繁發(fā)生，春旱常導(dǎo)致延遲播種，制約農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[14]。小麥和燕麥?zhǔn)侵匾慕?jīng)濟(jì)作物，在4月初播種，較玉米播種期提前約一個月，可避免或減緩春旱威脅。種植密度對小麥群體或個體生長有明顯調(diào)控作用[15-20]，但有關(guān)半干旱地區(qū)種植密度調(diào)控小麥產(chǎn)量的研究鮮見報道。芥菜型油菜具有較強(qiáng)的抗旱性[21]，適宜半干旱地區(qū)種植。灌溉是半干旱地區(qū)有效的農(nóng)業(yè)管理措施，然而，有關(guān)半干旱地區(qū)芥菜型油菜灌水量的研究甚少。因此，本文試圖從產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益方面探究一年兩茬種植模式在吉林西部半干旱地區(qū)種植的可行性，并明確麥類作物適宜的種植密度以及芥菜型油菜適宜的灌水量，以期構(gòu)建高效農(nóng)作物栽培模式。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在吉林省白城市通榆縣(120°02′～123°30′E，44°12′～45°16′N)和松原市長嶺縣(123°44′～123°47′E，44°40′～44°44′N)進(jìn)行。兩個試驗地均屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，溫差大。通榆縣年均氣溫5.5 ℃，年平均日照2 900 h，10 ℃以上有效積溫2 920 ℃，無霜期164 d，年均降雨量350 mm，約70%降水集中在6-8月份。長嶺縣年平均氣溫4.9 ℃，年平均日照2 872 h，10℃以上有效積溫 2 919 ℃，無霜期140 d左右，年平均降水量470 mm。長嶺縣和通榆縣試驗區(qū)耕層土壤養(yǎng)分含量分別為有機(jī)質(zhì)17.4 g·kg-1和18.5 g·kg-1，全氮0.99 g·kg-1和0.97 g·kg-1、有效磷5.91 mg·kg-1和6.22 mg·kg-1、速效鉀141 mg·kg-1和144 mg·kg-1。

1.2 試驗材料

小麥品種選擇小冰麥(XiaobingTriticumaestivum)、澳麥(AustralianTriticumaestivum)、前青小麥(通榆縣前青村當(dāng)?shù)囟嗄昶贩N，具體品種名未知)；燕麥品種選擇加燕2號(Avenasativa)，芥菜型油菜品種選擇芥辣菜(CanolahyolaSinapis)和黑芥末(CanolahyolaBrassica)；供試玉米品種為優(yōu)迪598(Zeamays)，供試白菜品種為德高371(Brassicapekinensis)。

1.3 試驗設(shè)計

于2018年在通榆縣和長嶺縣布置試驗。第一茬種植前青小麥、小冰麥、加燕2號、澳麥，于4月5日播種，播種量75 kg·hm-2。第二茬種植白菜、芥辣菜、黑芥末，在第一茬收獲后于7月22日播種，播種量5 kg·hm-2。試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每處理3次重復(fù)，小區(qū)面積45.6 m×1.95 m。每處理均以磷酸二銨(N含量18%，P2O5含量46%)為種肥，施肥量300 kg·hm-2。第一茬7月上旬收獲，芥菜型油菜11月下旬收獲，其他田間管理同常規(guī)種植。玉米5月份播種，65 cm等行距種植，10月份收獲。白菜在7月份播種，10 cm等行距種植，10月份收獲。以當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的種植模式玉米一年一茬為對照，設(shè)前青小麥/白菜、小冰麥/芥辣菜、小冰麥/黑芥末、澳麥/芥辣菜、澳麥/黑芥末、加燕2號/芥辣菜和加燕2號/黑芥末7種一年兩茬種植模式。

對第一茬小冰麥、加燕2號、澳麥種植處理進(jìn)行密度裂區(qū)設(shè)計，設(shè)3個種植密度處理，分別為290株·m-2、245株·m-2、200株·m-2。對第二茬芥辣菜、黑芥末種植處理進(jìn)行灌水量裂區(qū)設(shè)計，分別設(shè)常規(guī)灌水量9.04×104mm·hm-2(W1)、半干旱處理灌水量4.52×104mm·hm-2(W0.5)和干旱處理灌水量，即不灌溉(W0)。

1.4 測定項目與方法

觀察并記錄小冰麥、澳麥、加燕2號和前青小麥三葉期、分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、乳熟期和成熟期時間。觀察并記錄芥辣菜、黑芥末五葉期、現(xiàn)蕾期、抽苔期、開花期、綠熟期和成熟期時間。

小冰麥、澳麥、加燕2號、前青小麥、芥辣菜和黑芥末在成熟期按1 m2取莖葉和籽粒。玉米在成熟期按1 m2取莖葉和籽粒。白菜在成熟期按1 m2取全部植株地上部分并測產(chǎn)。每種作物測產(chǎn)取3次重復(fù)，白菜鮮重稱量，籽粒和莖葉在105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重后稱重，玉米籽粒稱重后按14%含水量折算產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SigmaPlot 17.5制作圖表，LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗，顯著水平(P)為5%，P<0.05為差異顯著，P≥0.05為差異不顯著。采用R 3.6.1和R stidio 1.1.463中reshape2和tidyverse包對生育期數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，用ggplot2進(jìn)行圖像的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 生育期

一年一茬種植的玉米生育期為150 d，前青小麥/白菜總生育期175 d。小冰麥、澳麥、加燕2號與芥辣菜、黑芥末一年兩茬種植總生育期189～199 d(圖1)。說明一年兩茬種植較傳統(tǒng)玉米一年一茬種植明顯延長了作物生長的日期。

長嶺縣和通榆縣第一茬作物前青小麥、小冰麥和加燕2號的生育期為92 d，于4月5日播種后均表現(xiàn)為4月19日出苗，4月29日進(jìn)入三葉期，5月4日進(jìn)入分蘗期，5月21日進(jìn)入拔節(jié)期，6月7日進(jìn)入孕穗期，6月17日進(jìn)入抽穗期，6月26日進(jìn)入乳熟期，7月6日成熟并收獲。澳麥的生育期較前青小麥、小冰麥和加燕2號長5 d，總生育期102 d，主要延長了成熟期天數(shù)。

長嶺縣和通榆縣第二茬作物芥辣菜和黑芥末生育期97 d。兩種芥菜型油菜于7月22日播種后均表現(xiàn)為8月1日出苗，8月10日進(jìn)入五葉期，8月20日進(jìn)入現(xiàn)蕾期，8月28日進(jìn)入抽苔期，9月17日進(jìn)入開花期，10月8日進(jìn)入綠熟期，10月27日成熟并收獲。

2.2 產(chǎn)量和產(chǎn)值

第一茬前青小麥、小冰麥、澳麥和加燕2號莖葉和籽粒的產(chǎn)量和產(chǎn)值存在顯著差異(表1)。小冰麥莖葉產(chǎn)量顯著高于前青小麥、加燕2號和澳麥，前青小麥和加燕2號莖葉產(chǎn)量顯著高于澳麥(P<0.05)。加燕2號的莖葉產(chǎn)值顯著高于其他3種小麥，提高幅度為13.4倍～18.0倍。前青小麥、小冰麥、澳麥的籽粒產(chǎn)量顯著高于加燕2號(P<0.05)。小冰麥和加燕2號的籽粒產(chǎn)值較前青小麥和澳麥分別顯著提高19.2%～29.0%和9.3%～18.4%(P<0.05)，且小冰麥籽粒產(chǎn)值較加燕2號高9.0%。第二茬白菜總產(chǎn)量顯著高于兩種芥菜型油菜，且總產(chǎn)值比芥辣菜和黑芥末分別顯著提高了19.7%和26.2%。芥辣菜的產(chǎn)量和產(chǎn)值較黑芥末高6.8%和5.4%，未達(dá)顯著水平。

表1 不同種植作物產(chǎn)量和總產(chǎn)值對比Table 1 Comparison of yield and gross production value of different planting crops

注：圖中數(shù)字表示該生育時期的天數(shù)。Note:The numbers in the figures indicate the number of days required for the phenology.圖1 不同種植模式作物的生育期變化Fig.1 Crop phenology in different treatments

第二茬種植白菜有較高的產(chǎn)值，但白菜種植的田間管理耗時費力，一旦管理不當(dāng)會導(dǎo)致嚴(yán)重減產(chǎn)，同時投入成本非常高，僅農(nóng)藥成本約達(dá)8 000 yuan·hm-2。另外，白菜市場價格受控于各種因素，在大面積種植的情況下很容易引起秋季滯銷現(xiàn)象，造成堆積腐爛受損。而種植芥菜型油菜投入成本低，田間管理簡單，收獲效益較高。玉米一年一茬產(chǎn)值為26 337 yuan·hm-2，一年兩茬種植較玉米一年一茬總產(chǎn)值提高42.4%～94.0%(圖2)。加燕2號/芥辣菜和加燕2號/黑芥末種植模式總產(chǎn)值較高，分別達(dá)51 092 yuan·hm-2和50 042 yuan·hm-2，分別是玉米的1.94倍和1.90倍。

2.3 灌水量對芥菜型油菜籽粒產(chǎn)量的影響

不同灌水量對芥辣菜和黑芥末籽粒產(chǎn)量有顯著影響(圖3)。W0.5和W1處理芥辣菜和黑芥末籽粒產(chǎn)量均顯著高于W0處理(P<0.05)，但W0.5和W1處理間差異不顯著。W0.5處理芥辣菜籽粒產(chǎn)量為3 665 kg·hm-2，較W1處理低2.6%；W0.5處理黑芥末籽粒產(chǎn)量為3 308 kg·hm-2，較W0.5處理低7.9%。上述研究結(jié)果表明，對芥辣菜和黑芥末進(jìn)行灌溉控制，灌水量處理為W0.5時兩種芥菜型油菜籽粒產(chǎn)量可以達(dá)到較高水平。

注：不同字母代表不同種植模式總產(chǎn)值的差異(P<0.05)。Note:Different letters represent significant differences in gross production values of different planting patterns(P<0.05).圖2 不同種植模式總產(chǎn)值比較 Fig.2 Comparison of gross production value of different planting patterns

2.4 種植密度對小麥籽粒產(chǎn)量的影響

不同種植密度處理對小麥籽粒產(chǎn)量有顯著影響(圖4)。245株·m-2和290株·m-2處理小冰麥、澳麥和加燕2號籽粒產(chǎn)量均顯著高于200株·m-2處理(P<0.05)。盡管245株·m-2和200株·m-2處理間差異不顯著，但245株·m-2處理小冰麥、澳麥和加燕2號籽粒產(chǎn)量分別達(dá)7 820 kg·hm-2、6 060 kg·hm-2和3 130 kg·hm-2，較290株·m-2處理分別高10.4%、8.7%和3.9%。

注：不同字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note:Different letters represent significant differences between treatments at P<0.05.The same is as below.圖3 灌水量對油芥菜籽粒產(chǎn)量的影響Fig.3 Effects of irrigation amounts on grains yields and water efficiency of Canola

圖4 種植密度對小麥和燕麥籽粒產(chǎn)量的影響Fig.4 Effects of planting densities on wheat grain yields

3 討 論

氣候變暖對農(nóng)作物生長最直接的影響是延長作物生長季[22]。相關(guān)研究指出，半干旱地區(qū)出苗日期的推遲主要是由播種日期推遲引起的[23]，而第一茬四月份種植小麥?zhǔn)钩雒缙谔崆啊５诙绶N植芥菜型油菜，其具有抗寒能力，成熟日期的推遲有利于延長芥菜型油菜籽粒生長時間，提高千粒重，有利于增加產(chǎn)量[24]。氣候變暖使東北區(qū)適宜作物生長期延長10天左右，提高了一年種植兩茬作物的可行性[25]。吉林西部一年兩茬種植模式，相比于當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的玉米一年一茬種植不僅延長了作物生長日期，而且顯著增加了產(chǎn)值，總產(chǎn)值提高42.4%～94.0%。加燕2號和芥辣菜一年兩茬種植模式經(jīng)濟(jì)效益最高，是玉米一年一茬種植模式的1.94倍。第一茬種植加燕2號，有利于推動吉林省西部地區(qū)農(nóng)牧交錯帶糧經(jīng)飼改革，同時引進(jìn)的小冰麥和澳麥品種適宜在當(dāng)?shù)厣L，且產(chǎn)量高于當(dāng)?shù)乇就列←?前青小麥)。此外，第二茬種植白菜和芥菜型油菜也有較高的產(chǎn)量和產(chǎn)值。白菜是一種重要的蔬菜，但白菜市場價格受控于各種因素，在大面積種植的情況下很容易引起秋季滯銷現(xiàn)象。而芥菜型油菜具有很高的經(jīng)濟(jì)價值，是我國重要的食用植物油來源[26]，是當(dāng)?shù)氐男屡d作物具有很好的銷售前景，而且有望通過大面積種植在當(dāng)?shù)亟⒂辛霞庸ぎa(chǎn)業(yè)，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

在栽培管理過程中，可通過適量灌溉、調(diào)整種植密度等措施來減少資源浪費和增加作物產(chǎn)量。已有研究表明，種植密度對作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素具有明顯調(diào)控作用，在一定種植密度范圍內(nèi)，產(chǎn)量隨種植密度的增加而增加，當(dāng)種植密度達(dá)到一定水平后，產(chǎn)量隨種植密度增加呈下降趨勢[27-28]。本研究表明，種植密度為245株·m-2小冰麥、澳麥、加燕2號的產(chǎn)量顯著高于200株·m-2，而種植密度為290株·m-2的產(chǎn)量低于245株·m-2。種植密度是協(xié)調(diào)群體與個體最有效的措施[29]，低密度條件下個體發(fā)育良好，而密度超過一定限度，葉面積指數(shù)過大，小麥生長中后期植株互相遮蔭嚴(yán)重，冠層中下部通風(fēng)透光不良，導(dǎo)致光合速率顯著降低，群體生物量顯著減少[30-31]。芥菜型油菜是相對耐旱作物，根據(jù)降水量合理調(diào)整灌水量不僅可以節(jié)約用水，而且對于半干旱地區(qū)作物產(chǎn)量和水分消耗具有重要作用。本研究結(jié)果表明，不同灌水量芥菜型油菜水分利用效率表現(xiàn)為W0.5>W1>W0，說明，與常規(guī)灌水量相比，當(dāng)灌水量減少一半時有利于提高水分利用效率。

4 結(jié) 論

吉林西部地區(qū)適宜發(fā)展一年兩茬種植模式。一年兩茬種植模式較玉米一年一茬種植模式延長作物生長期25～49 d，比傳統(tǒng)玉米一年一茬種植模式能產(chǎn)生更多經(jīng)濟(jì)效益，總產(chǎn)值提高42.4%～94.0%。加燕2號/芥辣菜和加燕2號/黑芥末產(chǎn)值顯著高于其他一年兩茬種植模式，更適宜在吉林西部半干旱地區(qū)推廣。第一茬作物小冰麥、澳麥和加燕2號的最佳種植密度為245株·m-2，第二茬作物芥辣菜和黑芥末的最佳灌水量為4.52×104mm·hm-2。