李 瑞，梁雞保 ，白 偉，馮佰利 ，漆棟良

（1.神木市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，陜西神木 719300；2.西北農(nóng)林科技大學農(nóng)學院，陜西楊凌 712100；3.長江大學農(nóng)學院，湖北荊州 434022）

雜糧雜豆是北方旱地重要的糧食作物，在種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和國家糧食安全中占有較高比重[1-2]。豆類作為旱地輪作倒茬優(yōu)選作物，是優(yōu)質(zhì)植物蛋白和油料的重要來源[3]。合理的輪作有助于水分和養(yǎng)分吸收，促進作物生長，提高產(chǎn)量[4-6]。谷豆輪作是公認的用地養(yǎng)地相結(jié)合的重要模式，不僅有利于均衡土壤養(yǎng)分和防治病、蟲、草害，而且還能有效改善土壤理化性狀，調(diào)節(jié)土壤肥力，最終達到增產(chǎn)增收的目的[7-9]。陜西省榆林市谷物常年種植面積為9.33萬hm2、豆類種植面積為10.00萬hm2。生產(chǎn)實踐中輪作倒茬模式多樣，其中谷豆輪作較其他輪作模式經(jīng)濟效益顯著。通過旱地谷豆不同輪作模式中產(chǎn)量、效益分析及評價，可以篩選出輕簡高效的輪作模式[10]。目前，關(guān)于旱地谷豆輪作相關(guān)研究鮮有報道。本試驗進行了長期定位對比試驗，分析了不同輪作模式下，旱地谷豆的光合特性、產(chǎn)量及經(jīng)濟效益，以期提出適宜本地區(qū)旱地谷豆輕簡高效的輪作模式。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016年在陜西省神木市旱作農(nóng)業(yè)試驗研究基地（38°45′19″N，110°30′56″E）進行。土質(zhì)為黃綿土，土層深厚，質(zhì)地優(yōu)良；年平均日照2 876 h，平均氣溫8.5℃，全年≥10℃積溫3 345℃，年降水量440.8 mm，無霜期169 d以上；試驗田海拔1 070 m，耕層土壤有機質(zhì)含量6.11 g/kg、速效氮含量3.47 mg/kg、速效磷含量39.8 mg/kg、速效鉀含量221.1 mg/kg，土壤pH值為8.3，土壤保水能力弱；大田作物為一年一季，試驗地前茬作物為馬鈴薯。

1.2 試驗設計

本試驗為長期定位試驗，小區(qū)面積為120 m2（長12 m、寬10 m）。設置4種種植模式，分別為谷子-黑豆迎茬種植的2年輪作模式，即黑豆-谷子迎茬輪作（B-M/M-B）；黑豆重茬后種谷子的3年輪作模式，即黑豆-黑豆-谷子（B-B-M）；谷子重茬后種黑豆的3年輪作模式，即黑豆-谷子-谷子（B-M-M）；黑豆-馬鈴薯-谷子正茬種植3年輪作模式，即黑豆-馬鈴薯-谷子（B-P-M）。同一年度每個輪作模式內(nèi)參試作物均種植，并嚴格按照輪作順序種植，如B-P-M模式2016年B、P、M 均種植，2017 年為 P、M、B，2018 年為 M、B、P。供試黑豆品種為神木連枷條，種植密度75 000株/hm2；谷子品種為晉谷21號，種植密度均為180 000株/hm2；馬鈴薯品種為克新1號，種植密度48 000穴/hm2。肥料采用莊稼漢復合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）、陜復磷酸二銨（含P2O546%、含N 18%）、府谷尿素（含N 46%）和氯化鉀（含K2O 60%）4種肥料。每年黑豆施復合肥300 kg/hm2；谷子施復合肥300 kg/hm2，磷酸二銨150 kg/hm2、尿素75 kg/hm2追肥；馬鈴薯施復合肥300 kg/hm2、磷酸二銨 93.75 kg/hm2，尿素 150 kg/hm2、氯化鉀75 kg/hm2追肥。采用種肥一體機進行播種，人工除草間定苗。除極端干旱噴灌保出苗外生育期間不灌水。

2019年不同輪作模式到種植黑豆時，分別于盛花期、盛莢期和鼓粒期測定黑豆光合特性；2021年不同輪作模式到種植谷子時，分別于拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期測定谷子光合特性。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 降水量

降水量為神木市氣象局自動觀測氣象站統(tǒng)計數(shù)據(jù)。年際降水量變化見表1。

表1 2016—2021年生育期內(nèi)降水量變化Table 1 Precipitation variation during the growth stages from 2016 to 2021 單位：mm

1.3.2 光合指標

在黑豆的感花期、盛莢期、鼓粒期，谷子的拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期于晴天9：00—11：00分別用日本產(chǎn)SPAD-502 PLUS和美國產(chǎn)便攜式光合測定系統(tǒng)TARGAS-1［內(nèi)置光源1 000 μmol/（m2·s）］，在冠層上、中、下部位各取完整葉片1片測定葉綠素相對含量（SPAD）、胞間CO2濃度（Ci）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和凈光合速率（Pn），每片葉子重復測定3次，每次選7株進行測定，取平均值。

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

收獲前在試驗區(qū)內(nèi)按對角線中心點及等距延長點進行5點取樣。黑豆在每小區(qū)內(nèi)連續(xù)取7株測量株高、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重等性狀；谷子在每個小區(qū)中隨機取7株，測量穗長、穗粗、千粒重等性狀；馬鈴薯只計算產(chǎn)量。小區(qū)實收計產(chǎn)量。用水分測定儀（PM-8188 NEW）測定籽粒含水量，黑豆、谷子均按13%含水量折算產(chǎn)量。

1.3.4 效益計算

效益=產(chǎn)值-生產(chǎn)投入，產(chǎn)值為銷售收益，生產(chǎn)投入包括種子、肥料、微噴設施及水電費、機械作業(yè)費和田間管理投入等。每種模式產(chǎn)量、產(chǎn)值效益取各自輪作年限均值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)整理，運用SPSS 19.0統(tǒng)計學軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪作對光合指標的影響

2.1.1 黑豆葉片光合指標變化

由圖1可知，與其他3種模式相比，黑豆3個生育時期 B-P-M 模式的 Gs、Tr、Pn顯著增加（P<0.05），其中，盛花期Gs、Tr增幅最高，分別較B-B-M模式增加50.00%、72.73%；鼓粒期Pn增幅最高，較B-B-M模式增加42.42%；盛莢期Ci增幅最大，較B-B-M模式增加7.89%，且與其他3種模式相比差異顯著（P<0.05）；盛花期SPAD增幅最大，較B-B-M模式增加23.32%，且與B-M/M-B、B-B-M模式相比差異顯著（P<0.05）。

圖1 不同輪作模式對黑豆葉片光合指標的影響Figure 1 Effect of different rotation patterns on photosynthetic parameters of black bean leaves

2.1.2 谷子葉片光合指標變化

由圖2可知，谷子3個生育時期B-P-M、B-B-M模式的Ci較B-M-M、B-M/M-B模式顯著增加（P<0.05），拔節(jié)期B-B-M模式Ci增幅最大，較B-M-M模式增加13.17%。3個生育時期不同輪作模式的Gs差異顯著（P<0.05），其中灌漿期B-P-M模式增幅最高，較B-M-M模式增加103.20%。3個生育時期B-P-M模式的Pn、SPAD均顯著高于其他3種模式（P<0.05），且與B-M-M模式相比，增幅最高值分別為214.21%、57.96%。

圖2 不同輪作模式對谷子葉片光合指標的影響Figure 2 Effect of different rotation patterns on photosynthetic parameters of millet leaves

2.2 輪作對產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.2.1 黑豆產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

由表2可知，與B-M/M-B模式相比，B-P-M模式黑豆平均產(chǎn)量提高了6.01%、B-M-M模式提高了3.15%、B-B-M模式降低了10.22%。其中B-B-M模式黑豆平均產(chǎn)量與其他3種模式差異達顯著水平（P<0.05）。

表2 黑豆年際農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量變化Table 2 Agronomic traits and yield changes of black bean from 2016 to 2021

不同輪作模式對黑豆產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響年際間變異較大。株高（2017年除外）、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和百粒重年均值表現(xiàn)為B-P-M＞B-M-M＞B-M/M-B＞B-B-M。除2017年和2018年外，黑豆株高B-B-M模式與其他3種模式相比均差異顯著（P<0.05）；除2019年外，黑豆單株莢數(shù)B-B-M模式與其他3種模式相比均差異顯著（P<0.05）；單株粒數(shù)與百粒重B-B-M模式與其他3種模式相比差異顯著（P<0.05）。B-P-M、B-M/M-B和B-M-M模式間產(chǎn)量構(gòu)成因素差異不顯著（P＞0.05）。

2.2.2 谷子產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

由表3可知，在輪作系統(tǒng)中B-P-M模式更有利于谷子產(chǎn)量的增加，6年試驗結(jié)果中B-P-M和B-B-M模式的谷子產(chǎn)量分別較B-M/M-B模式高6.39%、5.75%，B-M-M模式產(chǎn)量低于B-M/M-B模式18.15%。B-M-M模式產(chǎn)量與其他模式相比差異達顯著水平（P<0.05）。

表3 谷子年際農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量變化Table 3 Agronomic traits and yield changes of millet from 2016 to 2021

輪作對谷子產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響年際間也表現(xiàn)出較大變異。各模式穗長（2017年除外）、穗粗和千粒重年均值表現(xiàn)為B-P-M＞B-B-M＞B-M/M-B＞B-M-M。2016、2018、2019年各模式間株高差異不顯著（P＞0.05），其余年份B-M-M模式與其他3種模式相比差異顯著（P<0.05）；除2020年外各模式間穗長差異不顯著（P＞0.05），B-M-M模式產(chǎn)量構(gòu)成因素與其他3種模式相比差異顯著（P<0.05）。

2.3 經(jīng)濟效益分析

2.3.1 生產(chǎn)成本投入

輪作系統(tǒng)中的生產(chǎn)成本包括肥料、作業(yè)費（整地、收獲等）、其他投入（種子、農(nóng)藥、田間管理用工等）。2016—2021年黑豆和谷子生產(chǎn)成本因肥料價格、勞務費等上漲而增加較快（表4）。

表4 生產(chǎn)成本投入Table 4 Production cost input 單位：元/hm2

2.3.2 不同輪作模式經(jīng)濟效益

由表5可知，2016—2021年黑豆銷售價格先下降后增加，谷子、馬鈴薯銷售價格呈逐年上升趨勢。由表6可知，馬鈴薯產(chǎn)量高于黑豆、谷子產(chǎn)量，B-P-M模式產(chǎn)量、產(chǎn)值和成本均高于其他3種模式。B-M/M-B模式的產(chǎn)值比B-B-M、B-M-M模式增加10.73%、7.15%。效益表現(xiàn)為B-M/M-B＞B-M-M＞B-P-M＞B-B-M。產(chǎn)投比以B-M/M-B模式最高，為2.18，B-P-M、B-M-M、B-B-M 模式依次為 1.80、1.99、2.01。綜合比較可以看出，B-M/M-B模式優(yōu)于其他3種輪作模式。

表5 2016—2021年黑豆、谷子、馬鈴薯價格Table 5 Price of black bean，millet and potato in 2016 to 2021單位：元/kg

表6 不同輪作模式經(jīng)濟效益計算結(jié)果Table 6 Economic benefit caculation results of different rotation patterns

3 討論

重茬種植后作物根際分泌物累積、土傳病害加重，土壤生態(tài)環(huán)境失衡，作物理化反應和光合作用過程受到抑制，從而影響作物生長，使其產(chǎn)量降低[11-12]。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，黑豆3個生育時期B-P-M模式葉片Gs、Tr、Pn較其他輪作模式顯著增加（P<0.05）；谷子 3個生育時期B-P-M 模式Gs、Pn和SPAD較其他輪作模式均顯著增加（P<0.05）?？梢钥闯?，B-P-M模式對黑豆和谷子的光合效率影響較大。徐麗霞等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在谷子關(guān)鍵生育時期，在連作試驗第7年，4種輪作方式下谷子旗葉Pn、Tr、Gs和SPAD均較CK顯著增加?；ㄉ喿骱骃PAD、Pn、產(chǎn)量、株高、綠葉數(shù)和單株果數(shù)均顯著增加[14]。

已有研究結(jié)果表明，與豆類輪作后可顯著增加土壤中氮的沉積和氮素利用率[15]，能夠提高谷類作物穗長、穗粗、百粒重等產(chǎn)量性狀[16-18]，從而影響作物產(chǎn)量[18-20]，本試驗與前人研究結(jié)果基本一致。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，黑豆-谷子-馬鈴薯正茬模式在光合特性、農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量上優(yōu)于迎茬模式和重茬模式，但輪作在干旱年份或豐水年份調(diào)控旱澇對產(chǎn)量影響與常年不顯著，該結(jié)果與他人研究結(jié)果不同[21-23]，這可能與谷豆抗旱耐澇性能強有關(guān)，但輪作涉及土壤環(huán)境、氣候條件、作物種類等復雜的生態(tài)系統(tǒng)[24]，還有待進一步研究。

經(jīng)濟效益是種植的首要決策因素，黑豆-谷子-馬鈴薯正茬輪作雖然產(chǎn)量、產(chǎn)值高于其他輪作模式，但因其成本投入高，經(jīng)濟效益表現(xiàn)低于黑豆-谷子迎茬輪作。黑豆-黑豆-谷子與黑豆-谷子-谷子輪作模式因重茬種植其產(chǎn)量和品質(zhì)下降，經(jīng)濟效益較低。相比谷豆正茬及重茬種植，黑豆-谷子迎茬輪作模式經(jīng)濟效益表現(xiàn)更好。

4 結(jié)論

黑豆-谷子-馬鈴薯輪作模式光合特性、農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量表現(xiàn)最優(yōu)，產(chǎn)值最高，但因成本投入高，產(chǎn)投比僅為1.80，黑豆-谷子輪作產(chǎn)投比高達2.18。因此，黑豆-谷子輪作模式更適宜于旱地推廣。