王 平, 陳 娟, 王國宇, 胡建萍, 李世煜, 魏 瓏

(1.蘭州市農(nóng)業(yè)科技研究推廣中心, 甘肅 蘭州 730000; 2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學院,甘肅 蘭州 730070; 3.甘肅省永登縣種子管理站, 甘肅 永登 730300)

同一作物長期連續(xù)種植會造成土壤養(yǎng)分異常或過度消耗，使得病原微生物迅速繁衍，化感物質(zhì)積累，進而造成病害多發(fā)與作物產(chǎn)量降低[1]。而輪作是將養(yǎng)地與用地相結(jié)合的一種生物學措施，在保證作物產(chǎn)量的同時可以提高地力、是改善土壤質(zhì)量與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的重要農(nóng)業(yè)措施[2]。20世紀初，由于農(nóng)作物采用連作制以及不合理利用土地資源與過度的開墾荒地使得水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境遭到破壞作物產(chǎn)量下降，之后人們改用土地休閑等措施均無法保證作物穩(wěn)產(chǎn)。80年代以后，中國建立起了輪作制度，不僅增加了土壤有機質(zhì)、改善了土壤結(jié)構(gòu)，還調(diào)節(jié)了土壤水、肥、熱、氣的有序利用，被認為是中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華[3]。近些年，隨著肥料的廣泛使用，農(nóng)民為追求產(chǎn)量與經(jīng)濟效益的最大化，對于經(jīng)濟收益較高的作物存在長期連作現(xiàn)象，通過增加使用化肥與農(nóng)藥來做到穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)效果，給土壤與生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力。同時，病蟲害發(fā)生率顯著提高、生產(chǎn)成本增加、面源污染加劇，而產(chǎn)量并沒有提高。研究發(fā)現(xiàn)旱作區(qū)實行糧草或者糧豆輪作可提高土壤剖面供氮能力[4]，增加土壤速效養(yǎng)分及酶活性[5]。蔡艷等[6]研究發(fā)現(xiàn)與小麥連作相比，輪作下小麥籽粒增產(chǎn)1.47%～29.66%，輪作后，土壤全氮、堿解氮含量提高范圍達9.66%～21.66%。萬年鑫等[7]研究發(fā)現(xiàn)薯玉輪作能解決馬鈴薯連作障礙問題，并能夠較快提高土壤酶活性，加速根區(qū)土壤生理生化反應增加速效養(yǎng)分。蘭州市旱作區(qū)主要種植的作物為玉米、馬鈴薯及豆類等小雜糧。探索如何有效地降低作物連作障礙，提高主栽作物的產(chǎn)量與經(jīng)濟效益對于發(fā)展當?shù)剞r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已刻不容緩。

本研究擬采用大田種植，以當?shù)刂髟宰魑锺R鈴薯、玉米、蠶豆進行輪作模式研究，對土壤理化形狀、土壤水分、產(chǎn)量等指標進行分析，以期篩選出在保證較高經(jīng)濟效益的基礎(chǔ)上獲得高效利用水資源的輪作組合模式，從而達到優(yōu)化作物布局來提高區(qū)域作物水分利用效率的目的。

1 試驗區(qū)概況

試驗在甘肅省蘭州市榆中縣清水驛鄉(xiāng)孟家山村進行，該地區(qū)海拔1 998 m，無霜期100～140 d，年日照時數(shù)2 500 h，年均氣溫6.2 ℃，年平均降水量在200～330 mm之間，其中7—9月降水量占年降水量的56%。試區(qū)為典型的半干旱黃土丘陵區(qū)，供試土壤為黃綿土。2014—2016年的降雨情況如圖1所示。

2 研究方法

2.1 試驗設計

為了減少輪作前茬作物對輪作的影響，2013年輪作前的土地為撂荒地。輪作試驗在2014—2016年進行，試驗分為9個處理，分別為：馬鈴薯連作(P-P-P)、玉米連作(M-M-M)、蠶豆連作(B-B-B)、馬鈴薯/玉米/馬鈴薯輪作(P-M-P)、馬鈴薯/蠶豆/馬鈴薯輪作(P-B-P)、玉米/馬鈴薯輪作/玉米(M-P-M)、玉米/蠶豆/馬鈴薯輪作(M-B-P)、蠶豆/蠶豆/馬鈴薯輪作(B-B-P)、玉米/玉米/蠶豆輪作(M-M-B)。馬鈴薯選用隴薯7號，種植采用黑色半膜壟上種植方式，壟高25 cm，膜行距30 cm，膜寬80 cm，壟兩側(cè)點種馬鈴薯，株行距55 cm，株距40 cm，保苗37 500株/hm2；玉米采用全膜雙壟溝播種植方式，大壟寬70 cm，高10 cm，小壟寬40 cm，高15 cm，品種選用金穗4號，保苗52 500株/hm2；蠶豆選用臨蠶6號，采用全膜覆土穴播種植，保苗67 500株/hm2。

2.2 測定項目與方法

2.2.1 土壤容重與土壤含水量 在2013年11月10日試驗處理前及2016年10月馬鈴薯、玉米收獲后采集土樣，每個小區(qū)布置3個采樣點，土壤容重按0—20，20—40和40—60 cm土層均采用環(huán)刀取樣。

圖1 2014-2016年的試驗區(qū)降雨量及氣溫

在2016年10月，土壤含水量測定采用對角線取3個點，土鉆取0—100 cm土層采樣，帶入實驗室通過烘干法測定土壤水分。

2.2.2 作物耗水量與水分利用效率 作物耗水量：

ETa=P+U-R-F-ΔW

(1)

式中：ETa——作物耗水量(mm)；P——作物生育期有效降水量(mm)；U——地下水補給量(mm)；R——徑流量(mm)；F——深層滲漏量(mm)； ΔW——計算時段內(nèi)土壤貯水量的變化(mm)。其中土壤貯水量及作物耗水量均以1 m 土層含水量計算；因試驗區(qū)地下水位較低，多在幾十米以下，因此上式可簡化為：

ETa=P-ΔW

(2)

籽粒產(chǎn)量水分利用效率為：

WUE=Y/ET

(3)

式中：Y——籽粒產(chǎn)量(kg/hm2)；ET——作物一生的耗水量(mm)[8]。

2.2.3 馬鈴薯、玉米、蠶豆產(chǎn)量 在每年馬鈴薯、玉米、蠶豆收獲時，馬鈴薯、玉米取20 m2的樣方，蠶豆分別取9 m2的樣方，重復3次，測定實際產(chǎn)量。隨機取15株有代表性的植株，3次重復，進行室內(nèi)考種，用于測定玉米的理論產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成。

3 試驗結(jié)果

3.1 輪作模式對第3 a作物土壤容重的影響

與2013年輪作處理前相比，經(jīng)過3 a作物輪作后不同處理40—60 cm土層土壤容重各土層上未發(fā)生顯著變化(表1)。但在0—20 cm 土層，土壤容重與3 a前土壤容重相比，表層輪作方式土壤容重出現(xiàn)了顯著變化，與處理前相比變化幅度為-3.85%～6.15%，不同輪作以第3 a種植馬鈴薯的表層土壤容重最小，以P-P-P輪作下的土壤容重最小，其次為雙壟玉米種植，可能是種植馬鈴薯與玉米需要起壟，擾動了土壤表層土壤，輪作有利于表層土壤的降低。在20—40 cm 土層，土壤容重的區(qū)間為1.30～1.46 g/cm3，不同輪作方式下的土壤容重具有較大變化，玉米、蠶豆連作下的土壤容重顯著增大，淺根作物蠶豆輪作種植下的B-B-B，M-B-P，M-M-B土壤容重在1.40 g/cm3。在40—60 cm 土層，輪作方式對下層土壤容重沒有顯著影響，主要影響在0—40 cm。輪作方式有利于土壤容重的改變，特別為不同根系深度與種植方式的作物種植更有利于土壤環(huán)境的改善。

表1 研究區(qū)第3 a不同輪作方式下的土壤容重 g/cm3

注：P為馬鈴薯，M為玉米，B為蠶豆； 不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05); 多重比較采用新復極差法。下同。

3.2 輪作方式下第3 a土壤含水量的變化

從圖2可以看出，第3 a輪作下馬鈴薯、玉米、蠶豆收獲后0—100 cm土層的土壤含水量變化，其中以玉米連作下(M-M-M)的土壤含水量最低，其次為M-P-M玉米輪作下的土壤含水量。玉米對水分的吸收利用周期長，葉面蒸發(fā)量大，種植玉米土壤含水量較低。種植蠶豆的B-B-B，M-M-B在0—40 cm土壤含水量較高，40—100 cm土層，M-M-B輪作下的土壤含水量開始下降。前茬作物水分吸收小的馬鈴薯、蠶豆在第3 a P-B-P輪作下的土壤含水量在0—100 cm土壤含水量均表現(xiàn)出較高的值，可能是由于前茬作物耗水量大的作物會影響下茬作物土壤含水量。合理的輪作不僅能夠條件調(diào)節(jié)土壤的物理結(jié)構(gòu)同時還能夠影響作物對水分的吸收利用。

圖2 不同輪作模式下土壤含水量變化

3.3 輪作方式對第3 a作物產(chǎn)量及耗水量、水分利用效率的影響

由表2看出，不同年份的3種連作作物的產(chǎn)量除玉米外均呈現(xiàn)下降趨勢，截止2016年累積下降了58.81%，玉米與蠶豆連作產(chǎn)量累積下降了33.80%，36.08%，其中以馬鈴薯產(chǎn)量下降最大，以玉米的下降幅度最低，穩(wěn)產(chǎn)性最高。2015年P(guān)-M-P輪作較連作M-M-M處理種植玉米的產(chǎn)量提高2.36%，M-B-P輪作較連作B-B-B處理下的蠶豆產(chǎn)量提高12.40%，輪作M-P-M較連作P-P-P處理馬鈴薯產(chǎn)量提高23.25%。不同前茬作物的輪作模式中，輪作P-B-P，M-B-P較B-B-P的蠶豆產(chǎn)量提高4.39%，4.30%。2016年P(guān)-M-P，P-B-P，M-B-P，B-B-P較連作P-P-P產(chǎn)量分別提高了40.37%，60.88%，69.33%，79.28%，M-M-B蠶豆輪作較B-B-B連作增產(chǎn)23.56%，M-P-M輪作較M-M-M連作玉米產(chǎn)量提高10.51%。通過同年作物產(chǎn)量比較發(fā)現(xiàn)輪作均表現(xiàn)出明顯的增產(chǎn)作用，馬鈴薯、蠶豆連作表現(xiàn)出明顯的減產(chǎn)作用，玉米產(chǎn)量沒有隨著種植年限呈明顯的增加幅度，這可能與2016年的降雨量少，作物產(chǎn)量均較低有關(guān)。輪作的作物產(chǎn)量較作物連作的產(chǎn)量均高。

表2 研究區(qū)3 a不同輪作方式下的作物產(chǎn)量 kg/hm2

從圖3可以看出，隨著輪作年限的增加，第3 a不同處理的作物耗水量變化規(guī)律不同：其中B-B-B輪作處理的耗水量最低，玉米輪作M-P-M的耗水量最大330 mm；M-M-M玉米連作下的玉米耗水量為291.55 mm，M-P-M輪作下的玉米耗水量提高了13.40%；P-P-P馬鈴薯連作下的耗水量為270.62 mm，P-M-P,P-B-P，M-B-P，B-B-P輪作下的馬鈴薯耗水量分別為282.32，292.20，308.11，290.6 mm，通過3 a輪作下的馬鈴薯耗水量較連作的耗水量增大；M-M-B輪作下的蠶豆耗水量與B-B-B連作下的耗水量相比同樣具有增加耗水量的作用。P-P-P,M-M-M，B-B-B連作下的耗水量比較發(fā)現(xiàn)玉米耗水量大于馬鈴薯大于蠶豆。這主要是因為玉米對水分的利用周期較長，但玉米具有較高的蒸散量，對田間水分的需求較大，從而生育期過后會導致土壤水分迅速下降。連作下作物水分利用效率的大小變化表現(xiàn)為：馬鈴薯>玉米>蠶豆，其中馬鈴薯輪作的水分利用效率均大于70 kg/(hm2·mm)，表明了馬鈴薯的水分利用效率高。連作水分利用效率高的作物對應其輪作下的水分利用效率也高，如M-M-B>B-B-B。通過圖3分析發(fā)現(xiàn)馬鈴薯耗水量小，且水分利用效率較高，相比玉米更有利于土壤水分的恢復。蠶豆耗水量最小，與玉米相比作物根系不夠發(fā)達，水分吸收少，產(chǎn)量低，水分利用效率較低。

圖3 不同輪作模式下的作物耗水量與水分利用效率

由于2014，2015，2016年的降雨量分別為410.4，275.3，309.9 mm，其中2016年作物的產(chǎn)量均降低，可能受降雨量的影響較大。而2016年，除連作作物產(chǎn)量降低之外，其他作物的產(chǎn)量均增加。3 a連作P-P-P，M-M-M，B-B-B處理下2014—2016年的下降幅度分別為58.81%，33.80%，36.08%，以玉米的下降幅度最低，穩(wěn)產(chǎn)性高。從不同作物來看，馬鈴薯的產(chǎn)量較高，而蠶豆的產(chǎn)量最低，玉米的耗水量較高，而蠶豆的耗水量最低，馬鈴薯和玉米的水分利用效率較高，而蠶豆的水分利用效率較低，因此綜合來看，在降雨量較少的年份，相對于連作，輪作馬鈴薯的產(chǎn)量和水分利用效率較高，而種植蠶豆雖耗水量較少，但產(chǎn)量和水分利用效率較低。

3.4 不同輪作模式經(jīng)濟效益比較

2014—2016年不同作物輪作模式下的投入產(chǎn)出情況如表3所示。P-P-P，M-M-M，B-B-B連作下的投入隨著勞動成本，肥料價格等因素呈逐漸增加趨勢，而產(chǎn)量呈逐年遞減，凈收益逐年下降，其中以馬鈴薯的凈收益最高，其次為玉米、蠶豆。2016年馬鈴薯輪作下的作物經(jīng)濟凈收益較3 a連作每1 hm2能夠提高3 624～9 282元，玉米輪作較3 a較連作提高1 008元，蠶豆輪作較3 a連作提高1 740元，輪作栽培能夠明顯的提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的凈收益，輪作馬鈴薯的提高幅度更加明顯。通過3 a的輪作模式比較發(fā)現(xiàn)，輪作模式經(jīng)濟收益大小依次為：P-B-P>P-M-P>P-P-P>M-P-M>M-B-P >B-B-P>M-M-M>M-M-B >B-B-B。3 a累計凈收益P-B-P輪作模式最高達到27 750元/hm2，其次是P-M-P輪作模式27 264元/hm2。相比于單獨連作帶來的經(jīng)濟收益逐年遞減，輪作更加有利于產(chǎn)量的增加與經(jīng)濟收益的提高，P-P-P 存在種植連作障礙，影響產(chǎn)量與土壤環(huán)境的改善不利于長期種植，M-P-M輪作模式經(jīng)濟效益一般，水分利用率低。

通過輪作模式在3 a經(jīng)濟收益比較與對土壤環(huán)境與水分利用效率的影響分析，作為主栽馬鈴薯、玉米、豆類作物區(qū)域的蘭州市山旱區(qū)P-B-P與P-M-P兩種輪作模式可以作為旱作農(nóng)業(yè)的主要模式進行示范推廣。

表3 研究區(qū)輪作模式下作物2014-2016年的經(jīng)濟效益 元/hm2

注：農(nóng)家肥300元/t，氮肥3 500元/t，150 kg/hm2，其他肥料800元/hm2，肥料價格2015—2017年按照10%漲價。其他支出：馬鈴薯種子2 600元/hm2，玉米種子600元/hm2，蠶豆種子1 200元/hm2，勞力每天100元。馬鈴薯機械種植費用800元/hm2。2014年馬鈴薯價格0.8元/kg，玉米價格2.2元/kg，蠶豆價格4.8元/kg；2015年馬鈴薯價格0.84元/kg，玉米價格2.2元/kg，蠶豆價格5.2元/kg；2016年馬鈴薯價格0.74元/kg，玉米價格1.7元/kg，蠶豆價格5.2元/kg。地膜13元/kg，75 kg /hm2，地膜975元/hm2。

4 討論與結(jié)論

干旱缺水是影響旱作區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展的瓶頸，施行合理的輪作模式能改善土壤環(huán)境促進作物的生長與產(chǎn)量的提高，是旱作農(nóng)業(yè)研究的重要課題。作物輪作倒茬技術(shù)，相對于單一的連作種植方式具有明顯的優(yōu)勢，它利用的是作物對水分與養(yǎng)分的需求差異，進行合理配置，可以有效地改善土壤物理環(huán)境，使得土壤水、熱、氣、養(yǎng)得到充分協(xié)調(diào)和利用，增加土壤有機質(zhì)、速效氮、磷及土壤酶活性，降低連作障礙，對促進作物生長起到關(guān)鍵的作用[9]。宋麗萍等[10]研究干旱區(qū)苜?！魑镙喿鲿r發(fā)現(xiàn)輪作能夠降低土壤容重，影響0—30 cm土壤團聚體，形成良好的土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤的滲透性能。通過種植方式的調(diào)節(jié)也能達到較小土壤容重的作用。本試驗結(jié)果表明，玉米、蠶豆連續(xù)的連作使得土壤容重增加，輪作處理有利于土壤容重的降低，P-M-P，M-P-M輪作模式下的土壤容重能夠較小土壤容重，P-P-P處理下的輪作模式土壤容重最低，說明輪作能夠減小土壤容重，同時不同的種植方式對于土壤容重的影響也很重要。土壤容重主要通過孔隙度大小及分布來調(diào)節(jié)水分的入滲，土壤容重增加，土壤變得緊實，土壤孔隙減小，蓄水保水力下降[11-12]。其中，大豆輪作較玉米輪作更加能促進團聚體形成，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力對于養(yǎng)分積累有很大的幫助[13]。因此，土壤環(huán)境的改善有利于作物的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)與持續(xù)增產(chǎn)[14]。作物輪作可有效減少農(nóng)田病蟲害、雜草和有毒物質(zhì)的危害，減少農(nóng)藥使用，降低投入成本，增加收入[15]。

玉米連年種植會大量消耗土壤水分，對土壤水分年際平衡不利；而馬鈴薯連年種植引發(fā)連作障礙，導致馬鈴薯病害高發(fā)，產(chǎn)量受損[7]。本試驗表明玉米較馬鈴薯與蠶豆對水分需求量大，如果降雨量小，根系吸水時間長消耗土壤水大分，再進行長期的連作容易形成土壤干層，如果土壤長時期內(nèi)難以恢復，會影響與植物之間水分的循環(huán)利用，同時會影響下茬作物對水分的吸收利用，制約作物生長不能保證產(chǎn)量的增加。馬鈴薯與蠶豆耗水量較小，通過玉米與馬鈴薯、蠶豆的輪作可以協(xié)調(diào)土壤水分的供應。其中，輪作模式M-M-M玉米長期連作的土壤含水量在0—100 cm均較低，玉米與馬鈴薯或者蠶豆輪作后，土壤含水量能夠得到一定的恢復。作物輪作的多樣化能有效緩解干旱狀況，減小地表徑流和氮流失。土壤水分恢復層會隨著輪作時間的增加而不斷向下延伸，當前茬作物水分的利用較小時土壤水分會產(chǎn)生疊加效應，有利于當季的作物水分的吸收[16]。因此，耗水量大的作物要與耗水量小的作物進行輪作來調(diào)節(jié)水分的合理分配，這樣有利于水分利用效率的提高。研究表明輪作的作物產(chǎn)量、水分利用效率均比連作農(nóng)田高，可使后茬作物增產(chǎn)43.2%～47.3%，籽粒水分利用效率提高36.1%～47.5%，連續(xù)2 a連作農(nóng)田都表現(xiàn)為增產(chǎn)增收效應[17]，這與本研究結(jié)論相似。

一個地區(qū)的農(nóng)作物種植要與當?shù)氐酿B(yǎng)地相適應，李明等[18]通過在山西半干旱區(qū)連續(xù)3 a進行不同輪作方式研究，對玉米、馬鈴薯、甘藍、谷子、菜豆進行輪作比較，得出“玉米→馬鈴薯→菜豆”是比較好的輪作組合，且水分利用效率較高，當?shù)剡m合糧菜組合模式。李承力等[19]通過比較小麥、玉米、芝麻、油菜在丹江口不同輪作模式時發(fā)現(xiàn)“小麥→玉米”輪作為耕地適宜的環(huán)保型作物輪作模式。一個地區(qū)的輪作模式的選擇要結(jié)合當?shù)氐姆N植作物及降雨量來制定，不同地區(qū)的輪作模式有所差別。本試驗通過3 a輪作模式比較發(fā)現(xiàn)馬鈴薯→蠶豆→馬鈴薯與馬鈴薯→玉米→馬鈴薯輪作模式，能夠改善土壤環(huán)境，提高產(chǎn)量，經(jīng)濟收益，玉米→蠶豆→馬鈴薯輪作模式能夠提高水分利用效率，協(xié)調(diào)水分利用。周少平通過研究“玉米→馬鈴薯→蠶豆”輪作時發(fā)現(xiàn)該輪作模式能夠提高土壤系統(tǒng)的水分和光能利用率[20]。

生產(chǎn)效益與單產(chǎn)、價格、成本具有高度的相關(guān)性，同時與種植作物的種類、輪作方式，以及田間管理方式選擇也均會影響農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)整體成本，決定農(nóng)業(yè)種植的最終經(jīng)濟收益，以及影響以后種植的作物結(jié)構(gòu)調(diào)整[21]。受降水偏少限制，當?shù)胤N植投入肥料及其他物質(zhì)成本逐年增加，產(chǎn)量卻低而不穩(wěn)，另外2016年玉米單產(chǎn)價格下降到較大，造成了種植玉米的經(jīng)濟收益大幅下滑。在2012年65%的農(nóng)民種植玉米施氮量150 kg/hm2以上，50%以上的農(nóng)民產(chǎn)量仍然很低(5 638 kg/hm2)。增加投入并不能有效地提高產(chǎn)量，使得當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)迫切需要通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)來提高經(jīng)濟收益。本試驗選用成本較低馬鈴薯→蠶豆→馬鈴薯與馬鈴薯→玉米→馬鈴薯輪作模式既改善了土壤環(huán)境，提高了水分利用效率與產(chǎn)量，還增加了經(jīng)濟收益。

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