楊濱娟，袁嘉欣，胡啟良，劉寧，黃瑤，黃國勤

江西農業(yè)大學生態(tài)科學研究中心/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點實驗室，南昌 330045

在農業(yè)生產中，充分合理地利用光、溫、水、土等資源，是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要前提和保障。但近年來長江中游普遍存在種植制度單一，光、溫、水資源利用率不足，過量施用化學肥料等一系列問題，嚴重影響了該區(qū)域的糧食生產結構和農業(yè)生態(tài)環(huán)境。發(fā)展多熟種植可以在時間和空間上高效集約化利用光、溫、水、土等資源，可以獲得更高的資源利用率[1］。眾多學者對多熟輪作種植模式的資源利用效率進行了大量研究。張帆等[2］研究表明，馬鈴薯-雙季稻的年總光能利用率顯著高于其他模式，油菜-雙季稻的年有效積溫利用率顯著高出其他模式3.45%~51.81%。龔松玲等[3］研究表明，與早稻-晚稻種植模式相比，春玉米-晚稻和再生稻種植模式的光能生產效率、積溫生產效率分別提高了16.5%和14.6%、15.1%和12.5%。Wang等[4］研究表明，棉麥間作、棉麥連作模式與棉花單作模式相比，顯著提高了作物生產力、光能利用率和輻射利用率。建立種植模式綜合評價指標體系可以評價種植模式的優(yōu)劣，從不同層次、不同角度，得出客觀、整體、全面和系統(tǒng)的結果[5-6］。李鵬紅等[7］通過熵權法和灰色關聯(lián)度法耦合，綜合分析了旱地胡麻地膜利用的經(jīng)濟效益，結果表明，舊膜直播模式能提高舊膜利用率，提高經(jīng)濟效益。周海波等[8］采用群決策方法，建立綜合評價指標體系，對雙季稻田三熟制不同種植模式的經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益進行綜合評價，結果表明，“綠肥-稻-稻”和“薯-稻-稻”是綜合效益較好的2 種模式。崔愛花等[9］采用灰色關聯(lián)度法，針對紅壤旱地不同復種模式，綜合評價了經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益13 個指標，發(fā)現(xiàn)混播綠肥（油菜×紫云英×肥田蘿卜）復種模式的加權關聯(lián)度最高，是兼顧經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益的較優(yōu)模式，適宜在紅壤旱地推廣。古翼瑞等[10］通過AHP綜合效益指數(shù)評價法圍繞水稻相關種植模式的綜合效益進行評價，結果顯示，“春菜-中稻-秋馬鈴薯”模式綜合效益排名最高、確保糧食高產量和高效益。本研究選取長江中游典型多熟種植模式，分析冬季作物及其種植模式的光、溫及土地等資源利用的特點，探究稻田不同種植模式的綜合效益，以期為篩選利用適合長江中游地區(qū)的高效種植模式提供理論支持和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018 年9 月至2020 年12 月，在江西農業(yè)大學科技園水稻試驗田（28°46′N、115°55′E）進行。試驗地屬于亞熱帶季風性濕潤氣候，雨熱同期、光照充足。年均太陽總輻射量為6 330.25 MJ/m2，年均≥0 ℃的日積溫6 997.7 ℃，年均≥10 ℃的有效積溫4 087.4 ℃，年均降水量1 921.4 mm。供試土壤為紅黏土，試驗田土壤基本化學性質：pH 值5.22，有機質含量28.56 g/kg，全氮含量1.79 g/kg，堿解氮含量151.8 mg/kg，有效磷含量27.48 mg/kg，速效鉀含量103.74 mg/kg。試驗期間日平均氣溫與降水變化如圖1所示。

圖1 試驗期間日平均氣溫與降水量變化Fig.1 Daily mean temperature and precipitation changes during the test period

1.2 試驗設計

根據(jù)試驗要求，設5 個處理，每個處理3 次重復，隨機區(qū)組排列，共15個小區(qū)。以“紫云英-早稻-晚稻”為對照，另設置4 個不同種植模式，每個試驗小區(qū)面積為33 m2（11 m × 3 m），小區(qū)間用高30 cm 的水泥埂隔開。具體試驗處理為：紫云英-早稻-晚稻（CK，CRR）；紫云英-早稻-甘薯||晚大豆（CRI）；油菜-早稻-晚稻（RRR）；油菜-早稻-甘薯||晚大豆（RRI）；馬鈴薯-早稻-晚稻（PRR）。紫云英、油菜是均勻撒播，馬鈴薯切塊浸種種植后覆蓋稻草。紫云英播種量為37.5 kg/hm2，油菜播種量為15 kg/hm2，馬鈴薯種植密度為73 000 株/hm2，并使用稻草覆蓋。所有冬季作物均在水稻移栽前15 d 翻壓還田，冬季秸稈還田量見表1。甘薯大豆采用開溝起壟的方式種植，壟寬1.2 m，壟高0.35 m，每壟種4 行大豆1 行甘薯，甘薯兩邊各2行大豆，甘薯與大豆間行距0.3 m，甘薯株距0.25 m；大豆間行距0.2 m，株距0.2 m。水稻在移栽前25~30 d 育秧，移栽時，水稻行距為0.2 m，株距為0.2 m。種植時間、施肥量及施肥方法詳見表2，其他田間管理同一般大田試驗。

表1 冬季作物秸稈還田量Table 1 Quantity of crop straw mulching in winter kg/hm2

表2 田間管理Table 2 Field management

1.3 植株干物質測定

在作物成熟期每小區(qū)按平均莖蘗法隨機取5 穴（小區(qū)邊行不取），分成葉片、莖鞘和穗（抽穗后）等部分裝袋，于105 ℃條件下殺青30 min，再經(jīng)80 ℃烘干至恒質量，用于測定各處理植株干物質積累與分配情況。

1.4 光、溫及土地資源利用率

記錄不同作物的播種（移栽）、收獲或翻壓時間（計算生育期），統(tǒng)計不同作物季的光、溫資源量，其中光以總輻射量計算，溫度以作物有效積溫計算。以最早播種的冬季作物開始到次年晚稻收獲為1 周年（即本試驗的2 a 時間為2018-09-30?2019-10-30和2019-09-30?2020-12-03），試驗地2 a 的氣象資料來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。具體的光、溫及土地資源利用率的計算公式參照文獻[11-13］。各作物單位干物質燃燒產生的熱量計算方法參照文獻[14］。

1.5 綜合效益分析

統(tǒng)計不同作物生產過程中的投入產出情況，計算不同種植模式的投入產出指標。采用灰色關聯(lián)度法[15］，根據(jù)評價耕作制度[5，8，16］的綜合評價指標體系，選取經(jīng)濟效益（5個指標）、生態(tài)效益（5個指標）和社會效益（3個指標）共13個指標進行評估，并對各指標原始數(shù)據(jù)進行無量綱化[17］，采用極差正規(guī)化法[14］計算各處理各指標的無量綱化值，并計算關聯(lián)系數(shù)[17］和加權關聯(lián)度[18］。具體計算公式見文獻[15-18］。

1.6 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2019 處理數(shù)據(jù)，用SPSS20.0 系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，用LSD 進行樣本平均數(shù)的差異顯著性比較，用Origin 8.5軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 稻田不同種植模式對資源利用效率的影響

1）各種植模式光能生產效率及周年利用率。根據(jù)各作物單位干物質熱量[14］，得出不同種植模式的光能生產效率與周年利用率（表3）。由表3 可知，2019 年，處理CRI、RRI 晚稻季和周年的光能生產效率顯著高出對照處理38.68%、29.25%和17.39%、24.64%（P<0.05），處理RRR、PRR 的周年光能生產效率顯著高出對照處理13.04%、18.84%（P<0.05）。2020 年，除處理RRR 外，處理CRI、RRI、PRR 的早稻季和周年光能生產效率均顯著高于對照（P<0.05），增幅為1.08%~6.45% 和19.05%~41.27%。處理CRI、RRI 的晚稻季光能生產效率分別顯著高出對照處理67.86%、55.95%（P<0.05）。2019 年，各處理的年總光能利用率顯著高出對照處理10.98%~35.37%（P<0.05）。2020 年，除處理RRR 外，其余3個處理的年總光能利用率均顯著高于對照處理（P<0.05），增幅為22.22%~50.00%。綜合來看，2 a 間，處理CRI、RRI、RRR 的周年光能生產效率和年總光能利用率較高，其中，處理RRI 表現(xiàn)較好，光能生產效率和年總光能利用率最高；其次是處理CRI，紫云英生育期較長，在晚稻成熟期時與晚稻套播。冬種油菜、紫云英并水旱輪作能充分利用太陽輻射，提高輻射利用率。

表3 不同種植模式的光能生產效率與周年利用率Table 3 Solar radiation production efficiency and annual use efficiency of different cropping systems

2）積溫生產效率及周年利用率。表4 反映了稻田不同種植模式對有效積溫生產效率和年有效積溫利用率的影響。除處理CRI外，其余3個處理的周年積溫生產效率均顯著高出對照處理8.28%~25.44%（2019 年）和21.09%~26.78%（2020 年）（P<0.05）。2019 年，各處理冬作季的有效積溫生產效率差異顯著（P<0.05），其中處理RRI 達到最大。早稻季、晚稻季和周年均是處理PRR 達到最大，且在周年時與其他處理間均差異顯著，顯著高出10.99%~34.46%（P<0.05）。2020 年冬作季與2019 年趨勢一致。早稻季各處理的有效積溫生產效率差異不顯著（P>0.05）；晚稻季處理CRI、RRI 的有效積溫生產效率顯著高于其他處理（P<0.05）；RRI 的周年有效積溫生產效率達到最大，且僅與對照處理差異顯著（P<0.05），高出26.30%。因此，馬鈴薯-早稻-晚稻和油菜-早稻-甘薯||晚大豆模式表現(xiàn)較好，提高了有效積溫生產效率。

表4 不同種植模式的積溫生產效率與周年利用率Table 4 Growing degree days（GDD）production efficiency and annual use efficiency of different cropping systems

從年有效積溫利用率來看，冬種紫云英處理（CRR、CRI）的年有效積溫利用率均較高，其次是冬種油菜處理（RRR、RRI）。原因主要是紫云英在晚稻成熟期時與其套播，加之紫云英生育期較長，能利用的有效積溫高，因此，處理CRI 和處理CRR 表現(xiàn)較好，提高了積溫利用率。

3）土地利用率。由表5 可知，2019 年，CRI 土地利用率最高，其次是處理CRR，平均土地利用率達101.51%，處理RRR、RRI 的土地利用率均在90%以上。2020年，處理CRR的土地利用率最高，處理CRI次之，平均土地利用率達105.76%，其余處理均在90%以上。綜合2 a 數(shù)據(jù)來看，冬種紫云英處理（CRI、CRR）的土地利用率較高，其次是冬種油菜處理。

表5 不同種植模式的土地利用率Table 5 Land use efficiency of different cropping systems

2.2 稻田不同種植模式的綜合效益分析

為分析比較稻田不同種植模式的綜合效益，選取13 個指標（表6）進行綜合分析。由表6 可知，2019年經(jīng)濟總產值、農業(yè)費用盈利率、光能利用率、積溫利用率、耕地資源生產率、糧食產量均是處理CRI 最高。純收入、經(jīng)濟產投比、勞動凈產值率均以處理PRR 表現(xiàn)最好，而有機質增加比及溫室氣體增溫潛勢以處理RRI 表現(xiàn)最好。2020 年經(jīng)濟總產值、純收入、農業(yè)費用盈利率、勞動凈產值率、耕地資源生產率、糧食產量、糧食安全指數(shù)均以處理CRI 表現(xiàn)最好，光能生產率、溫室氣體增溫潛勢以處理RRI 表現(xiàn)最好，而處理PRR 的經(jīng)濟產投比達到最大，處理CRR的積溫生產率最大。

由于表6中的各指標量綱不統(tǒng)一，將指標進行無量化處理，得到稻田不同種植模式各指標的無量綱后的值（表7），求出不同模式各項指標的等權關聯(lián)系數(shù)（表8）。為更客觀地對稻田種植模式進行評價，本研究設置經(jīng)濟效益權重為0.5、生態(tài)效益權重為0.3、社會效益權重為0.2，使用加權關聯(lián)度對各處理進行綜合效益評價（表9）。

表6 稻田不同種植模式的綜合效益評價指標初始值Table 6 Raw data of comprehensive benefits evaluation indexes of different cropping patterns in paddy field

表7 稻田不同種植模式的綜合效益評價的無量綱化值Table 7 Dimensionless values of comprehensive benefits evaluation indexes of different cropping patterns in paddy field

表8 稻田不同種植模式綜合效益評價指標的等權關聯(lián)系數(shù)Table 8 Correlation coefficients of comprehensive benefit evaluation indicators of different cropping patterns in paddy field

由表9可知，2019年各模式的經(jīng)濟效益值排序為PRR>CRI>RRI>CRR>RRR，生態(tài)效益排序為CRI>RRI>CRR>RRR>PRR，社會效益排序為CRI>PRR>RRI>CRR>RRR。不同處理的綜合效益加權關聯(lián)度排序為CRI>PRR>RRI>CRR>PRR，處理CRI 的加權關聯(lián)度最大，表明此處理的綜合效益最高。2020 年各模式的單項效益指數(shù)：經(jīng)濟效益表現(xiàn)為CRI>PRR>RRI>CRR>RRR，生態(tài)效益表現(xiàn)為CRI>RRI>CRR>RRR>PRR，社會效益為CRI>RRI>PRR>CRR>RRR。不同處理的綜合效益加權關聯(lián)度排序為CRI>RRI>PRR>CRR>PRR，依舊是處理CRI 的加權關聯(lián)度最大，表明處理CRI 的綜合效益最高，能夠兼顧經(jīng)濟、生態(tài)、社會三大效益，是能夠推動稻田高產高效種植的較優(yōu)模式。綜合2 a 試驗結果，紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式的綜合效益最優(yōu)。

表9 不同種植模式的綜合效益評價（2019?2020）Table 9 Comprehensive benefits evaluation of different cropping patterns（2019?2020）

3 討 論

研究表明，多熟種植模式比冬閑單作模式能提高資源利用率，麥稻模式和油稻模式的積溫利用率、輻射利用率和土地利用率與冬閑對照模式相比均處于較高水平，其中麥稻模式表現(xiàn)最優(yōu)，分別達到94.2%、95.5%和86.3%[19］。Zhang 等[20］研究結果表明，與不施氮肥相比，減氮、減氮+交替灌溉、減氮+有機肥模式均能提高糧食產量和資源利用效率。本試驗各模式中，處理RRI 的周年光能生產效率和年總光能利用率較高，其次是處理CRI，表明冬種油菜、紫云英并晚稻季水旱輪作模式能充分利用太陽輻射，對于光能的獲取具有一定的優(yōu)勢，有利于周年生物量的提高。

Su 等[21］研究表明，選用生長期較長的玉米品種可以有效地提高積溫利用率。本試驗結果表明，冬種紫云英模式的年有效積溫利用率均較高，冬種油菜處理次之。原因主要是紫云英在晚稻成熟期撒播后生育期較長，獲得的有效積溫較多，提高了有效積溫利用率。除處理CRI外，其余3個處理的周年積溫生產效率均顯著高出對照處理8.28%~25.44%（2019 年）和21.09%~26.78%（2020 年）（P<0.05），其中以處理PRR 和RRI 表現(xiàn)較好，主要是由于冬種油菜、馬鈴薯（經(jīng)濟作物）的產量較高。

為了更全面客觀地評價農田生態(tài)系統(tǒng)，反映各種植模式對于農田生態(tài)系統(tǒng)的整體效益功能[22］，本試驗采用灰色關聯(lián)度法對稻田不同種植模式進行經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的綜合效益評價。由于不同種植模式總產量、種植成本、用工成本的差異較大，所以，經(jīng)濟效益差異較大。本試驗結果表明，稻田不同種植模式下，處理CRI 和PRR 的經(jīng)濟效益表現(xiàn)較好，主要是晚稻季時種植甘薯和晚大豆，且冬種馬鈴薯有利于提升后茬雙季稻的產量，所以經(jīng)濟效益較高。處理RRI 雖然周年產量較高，但種子和肥料成本較高，增加了成本投入，所以經(jīng)濟效益低于處理CRI和PRR。處理CRI、RRI的生態(tài)效益表現(xiàn)較好，主要是晚稻季種植旱作物溫室氣體增溫潛勢最小，有利于溫室氣體減排，且有機質增加比也較高，有利于增加土壤肥力，所以生態(tài)效益較好。綜合2 a數(shù)據(jù)，不同種植模式的綜合效益均是處理CRI 的加權關聯(lián)度最大，表明紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式的綜合效益最高，能夠兼顧經(jīng)濟、生態(tài)、社會三大效益，對長江中游地區(qū)的稻田種植模式優(yōu)化具有重要意義，有利于農業(yè)生產的可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述，2 a內，油菜-早稻-甘薯||晚大豆模式的周年光能生產效率和年總光能利用率較高，其次是紫云英-早稻-甘薯||晚大豆。冬種紫云英處理的年有效積溫利用率均較高，紫云英-早稻-甘薯||晚大豆和紫云英-早稻-晚稻模式表現(xiàn)較好，提高了積溫利用率。連續(xù)2 a 均是紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式的綜合效益加權關聯(lián)度最大，分別為0.75 和0.81，綜合效益最優(yōu)。在綜合考慮產量、溫室氣體排放、土壤質

量、資源利用效率和綜合效益的情況下，紫云英-早稻-甘薯||晚大豆模式表現(xiàn)較好，對長江中游地區(qū)稻田種植模式的優(yōu)化具有重要意義。