張順濤，魯劍巍，叢日環(huán)，任濤，李小坤，廖世鵬，張躍強，郭世偉，周明華，黃益國，程輝

油菜輪作對后茬作物產(chǎn)量的影響

張順濤1，魯劍巍1，叢日環(huán)1，任濤1，李小坤1，廖世鵬1，張躍強2，郭世偉3，周明華4，黃益國5，程輝6

（1華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢 430070；2西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400716；3南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095；4中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；5衡陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，湖南衡陽 421001；6信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南信陽 464000）

【】明確長江流域多熟制輪作區(qū)油菜輪作對后茬作物產(chǎn)量的影響，驗證油菜種植提高后茬作物產(chǎn)量是一種普遍現(xiàn)象，為油菜作為換茬作物促進糧油兼豐、周年豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供依據(jù)。在長江流域不同地區(qū)開展不同輪作模式的同田對比試驗，選取長江上游重慶北碚油菜-水稻和小麥-水稻輪作、四川鹽亭油菜-玉米和小麥-玉米輪作，中游湖北沙洋油菜-水稻和小麥-水稻輪作、油菜-玉米和小麥-玉米輪作、湖南衡陽油菜-早稻-晚稻和冬閑-早稻-晚稻輪作、河南信陽油菜-水稻和小麥-水稻輪作，下游江蘇如皋油菜-水稻和小麥-水稻輪作。比較冬季作物小麥（或冬閑）和油菜在相同施肥水平下對后茬作物水稻或玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子、養(yǎng)分吸收量的差異。北碚、沙洋、信陽和如皋油-稻輪作的稻谷產(chǎn)量較麥-稻輪作分別提高323、483、1 569和569 kg·hm-2，相應(yīng)增產(chǎn)4.6%、6.6%、17.3%和6.0%；鹽亭和沙洋油-玉輪作的玉米產(chǎn)量較麥-玉輪作分別提高487和579 kg·hm-2，分別增產(chǎn)7.0%和14.8%；衡陽油-稻-稻輪作的早稻和晚稻的稻谷產(chǎn)量較閑-稻-稻輪作分別提高718和726 kg·hm-2，分別增產(chǎn)11.1%和10.5%。沙洋和信陽油-稻輪作水稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)較麥-稻輪作分別增加7.0、27.7萬穗/hm2和18.1、20.2粒/穗。沙洋和北碚試驗點油-稻輪作的水稻生物量較麥-稻輪作分別提高1 711和2 625 kg·hm-2，氮素累積量分別較麥-稻輪作增加23.9和23.2 kg·hm-2。在長江流域不同種植區(qū)域內(nèi)，油菜在不同輪作模式中均可提高后茬作物的產(chǎn)量及養(yǎng)分累積量，是一種良好的輪作換茬作物。

油菜；輪作；后效；土壤生產(chǎn)力；糧油兼豐

0 引言

【研究意義】我國人口眾多、資源不足，在有條件的區(qū)域進行周年輪作是保障糧食安全的重要措施[1]。長江流域是我國重要的糧油生產(chǎn)基地，生產(chǎn)了全國35%左右的糧食和80%左右的油菜，水田主要以水稻-小麥、水稻-油菜、水稻-水稻-油菜輪作為主，旱地主要以玉米（或其他雜糧）-小麥、玉米（或其他雜糧）-油菜輪作為主[2-4]。近年來，由于率先取消了油菜種植的政府補貼，加上油菜種植的機械化程度較低和勞動成本偏高，油菜種植的收益較低，導(dǎo)致種植面積出現(xiàn)嚴重的下滑[5]，原來種植油菜的田塊改種機械化程度較高的小麥或棄耕冬閑。長江流域冬小麥種植由于受氣候的影響易受赤霉病和銹病的危害，小麥的品質(zhì)安全受到極大威脅[6]，尤其是長江沿線及以南地區(qū)并不適宜種植小麥。同時有研究表明，小麥-水稻和小麥-玉米等糧糧輪作模式忽略了“用養(yǎng)結(jié)合”的土地利用原則，通常會導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降、土壤生物遭到破壞，進而威脅糧食安全[7-8]。因此建立“用養(yǎng)結(jié)合”的可持續(xù)發(fā)展輪作模式非常重要。我國是世界油料消費進口大國，食用植物油目前的自給率僅為30%[5]，保證中國油料作物的生產(chǎn)對于維護國家食物安全具有重要意義[9]。油菜是我國第一大油料作物，也是唯一的冬季油料作物，與其他糧食作物實行復(fù)種輪作，便于利用土地，合理安排作物布局，發(fā)展糧食和油料生產(chǎn)[10-11]?！厩叭搜芯窟M展】大量研究表明，通過合理的輪作制度可以提高作物產(chǎn)量和土壤質(zhì)量[12-14]。蔡艷等[15]研究表明，糧草和糧豆輪作較小麥連作可顯著提高小麥籽粒產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分含量。Vrginia等[16]研究認為蔬菜與豆科作物輪作提高了土壤有機碳和全氮含量進而提高了蔬菜產(chǎn)量。蔡常被[17]早期對水田油菜養(yǎng)地進行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，種植油菜對土壤養(yǎng)分和物理性狀有良好的改善作用，并認為油菜是用地與養(yǎng)地相結(jié)合的作物。張維樂等[18]的研究發(fā)現(xiàn)稻-油輪作體系的稻谷產(chǎn)量均高于麥-稻輪作，證實了“油菜是一種養(yǎng)地作物”的說法?！颈狙芯壳腥朦c】油菜合理輪作對于維持國家糧食的增產(chǎn)，提高油料作物的自給率具有重要意義。前人關(guān)于油菜輪作對后茬作物產(chǎn)量的影響已有研究。但是，受研究條件等影響，大多數(shù)研究局限于油菜對單個輪作的影響，且輪作周期相對較短?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究通過長江流域7個不同輪作模式的同田對比定位試驗，探究油菜在不同生態(tài)區(qū)域、不同的輪作模式、經(jīng)過不同的輪作周期后對后茬作物產(chǎn)量的影響，從而為油菜輪作促進糧油兼豐、周年豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區(qū)域主要分布在長江流域。田間試驗分別位于長江上游的重慶市北碚區(qū)和四川省鹽亭縣，種植模式為一年兩熟制，分別為水旱輪作和旱地輪作，土壤類型分別為中性紫色土發(fā)育的水稻土和石灰性紫色土；長江中游的湖北省沙洋縣和湖南省衡陽市，種植模式為一年兩熟制和一年三熟制的水旱輪作，土壤類型分別為黃壤發(fā)育的水稻土和紅壤發(fā)育的水稻土；黃淮流域的河南省信陽市，種植模式為一年兩熟制水旱輪作，土壤類型為灰潮土發(fā)育的水稻土；長江下游的江蘇省如皋市，種植模式為一年兩熟制的水旱輪作，土壤類型為灰潮土發(fā)育的水稻土。

1.2 試驗設(shè)計

重慶北碚：試驗始于1991年水稻季，在國家紫色土肥力與肥料效益監(jiān)測基地進行，位于重慶市北碚區(qū)西南大學(xué)試驗農(nóng)場。試驗處理為油菜-水稻和小麥-水稻輪作，2種輪作模式的化肥施用量相同，兩季作物秸稈還田。試驗采用大區(qū)試驗，大區(qū)面積為120 m2。

四川鹽亭：試驗始于2008年玉米季，在中國科學(xué)院鹽亭紫色土農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站進行，試驗站位于四川省鹽亭縣林山鄉(xiāng)。試驗處理為油菜-玉米和小麥-玉米輪作，2種輪作模式化肥施用量相同，兩季作物秸稈均半量還田。試驗采用小區(qū)試驗，小區(qū)面積50 m2，3次重復(fù)。

湖北沙洋：試驗始于2015年油菜/小麥季，在長江流域耕地培肥與養(yǎng)分管理定位試驗基地進行，基地位于湖北省沙洋縣曾集鎮(zhèn)。試驗處理為油菜-水稻與小麥-水稻、油菜-玉米與小麥-玉米輪作，4種輪作模式的化肥施用量相同，秸稈不還田。試驗采用小區(qū)試驗，小區(qū)面積25 m2，3次重復(fù)。

湖南衡陽：試驗始于2015年油菜季，試驗在湖南衡陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所國家油菜產(chǎn)業(yè)體系衡陽綜合試驗站試驗基地進行。試驗處理為油菜-早稻-晚稻輪作和冬閑-早稻-晚稻輪作。2種輪作模式中早稻和晚稻的施肥量相同，油菜季基肥施用復(fù)合肥（15-15-15）450 kg·hm-2，追施尿素50 kg·hm-2，冬閑田不施用任何肥料；秸稈不還田。試驗采用大區(qū)試驗，大區(qū)面積100 m2。

河南信陽：試驗始于2016年油菜季，在河南省信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家油菜產(chǎn)業(yè)體系衡陽綜合試驗站進行。試驗處理為油菜-水稻和小麥-水稻輪作模式，2種輪作模式的施肥量相同，兩季作物秸稈均還田。試驗采用大區(qū)試驗，大區(qū)面積90 m2。

江蘇如皋：試驗始于2017年油菜季，在江蘇省如皋市農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研基地進行。試驗處理為油菜-水稻、小麥-水稻輪作模式，2種輪作模式的施肥量相同，秸稈不還田。試驗采用小區(qū)試驗，小區(qū)面積30 m2，3次重復(fù)。

1.3 測試項目及方法

1.3.1 產(chǎn)量收獲及產(chǎn)量構(gòu)成因子調(diào)查 成熟期，各試驗點各小區(qū)單獨收獲以計實產(chǎn)。本研究中北碚試驗點水稻為1991—2018年平均產(chǎn)量，鹽亭和沙洋試驗點玉米為2016—2018年平均產(chǎn)量，沙洋和衡陽試驗點水稻為2016—2018年平均產(chǎn)量，如皋和信陽試驗點水稻為2017—2018年平均產(chǎn)量。

2019年水稻成熟期在沙洋和信陽試驗點進行水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子調(diào)查。具體方法為從各小區(qū)中取有代表性的水稻植株10兜，調(diào)查有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結(jié)實率和千粒重。

1.3.2 植物樣品采集與測定 2019年水稻成熟期在沙洋和北碚試驗點從每個小區(qū)隨機取10兜有代表性的水稻植株（其中北碚試驗點在大區(qū)中進行3點取樣），風(fēng)干后分別對稻谷和稻草稱重，根據(jù)谷草比和稻谷實際產(chǎn)量折算稻草生物學(xué)產(chǎn)量。測定地上部稻草和籽粒的養(yǎng)分含量，用H2SO4-H2O2消煮，連續(xù)流動分析儀（AA3，德國SEAL）測定N、P含量，火焰光度計測定K含量[19]，計算地上部養(yǎng)分累積量（稻草生物量×稻草養(yǎng)分含量+稻谷產(chǎn)量×稻谷養(yǎng)分含量）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗數(shù)據(jù)利用Excel 2016進行處理，采用SPSS 20.0數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，采用Origin 2017軟件作圖。

2 結(jié)果

2.1 油菜輪作對后茬作物產(chǎn)量的影響

在水旱輪作兩熟制的種植模式中，油菜輪作可顯著提高后茬稻谷產(chǎn)量（圖1-a），沙洋、信陽和如皋油-稻輪作的稻谷產(chǎn)量較麥-稻輪作分別提高了483、1 569和569 kg·hm-2，增幅為6.6%、17.3%和6.0%；北碚水旱輪作兩熟制的種植模式中，油-稻輪作27年稻谷的平均產(chǎn)量較麥-稻輪作提高了323 kg·hm-2，增幅為4.6%。在旱旱輪作兩熟制的種植模式中，油菜輪作可提高后茬玉米產(chǎn)量（圖1-b），沙洋和鹽亭油-玉輪作的玉米產(chǎn)量較麥-玉輪作分別提高了579和487 kg·hm-2，增幅為14.8%和7.0%。在水旱輪作三熟制的種植模式中，油菜輪作的早稻和晚稻的稻谷產(chǎn)量均有升高的趨勢（圖1-c），衡陽的油-稻-稻輪作的早稻和晚稻的稻谷產(chǎn)量較閑-稻-稻輪作分別提高了718和726 kg·hm-2，增幅為11.1%和10.5%。

　**表示差異極顯著（P＜0.01），*表示差異顯著（P＜0.05），ns表示差異不顯著（P＞0.05）

2.2 油菜輪作對后茬水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

油菜輪作可以提高后茬水稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)（表1）。在沙洋試驗點，油-稻輪作水稻每穗粒數(shù)較麥-稻輪作顯著提高18.1粒/穗，有效穗數(shù)、結(jié)實率和千粒重較麥-稻輪作無顯著差異。在信陽試驗點，油-稻輪作的水稻穗數(shù)和每穗粒數(shù)較麥-稻輪作顯著提高了27.7萬穗/hm2和20.2粒/穗，結(jié)實率和千粒重較麥-稻輪作無顯著差異。

表1 油菜輪作對后茬水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響（沙洋和信陽）

不同小寫字母表示同一試驗點不同輪作處理間達到顯著性差異（＜0.05）。下同

Different small letters indicate significant differences between different rotations of the same experiment site. The same as below

2.3 油菜輪作對后茬水稻地上部生物量及養(yǎng)分累積量的影響

由表2結(jié)果可知，沙洋和北碚試驗點油-稻輪作較麥-稻輪作提高了水稻的生物量和養(yǎng)分累積量。兩試驗點油-稻輪作較麥-稻輪作水稻生物量分別增加了1 711和2 627 kg·hm-2，增幅為11.2%和25.3%；氮素累積量分別增加了23.9和23.2 kg·hm-2，增幅為19.3%和21.7%；在北碚試驗點磷素累積量增加了7.6 kg·hm-2，增幅30.2%，而沙洋試驗點磷素累積量無顯著差異；油-稻輪作的鉀素累積量較麥-稻輪作均有增加的趨勢但差異不顯著。

表2 油菜輪作對后茬水稻地上部生物量及養(yǎng)分累積量的影響（沙洋和北碚）

3 討論

3.1 油菜輪作可以提高后茬作物產(chǎn)量

作物產(chǎn)量不僅是田間種植管理水平與土壤生產(chǎn)力的綜合反映，同時也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要評價指標[20]。在本研究中，水旱兩熟制輪作中油-稻輪作的稻谷產(chǎn)量較麥-稻輪作增加了323—1 569 kg·hm-2，水旱三熟制輪作中油-稻-稻輪作早稻和晚稻的稻谷產(chǎn)量較閑-稻-稻輪作分別增加了718和726 kg·hm-2，旱旱輪作中油-玉輪作的玉米產(chǎn)量較麥-玉輪作增加了487—903 kg·hm-2。本研究中的試驗點分布較廣，試驗中有長期的定位試驗也有中短期的定位試驗，均證實了與小麥相比，油菜作為水旱輪作的冬季作物顯著提高稻谷產(chǎn)量。油菜輪作提高后茬水稻產(chǎn)量的主要原因是水稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)明顯增加。已有研究表明，油菜輪作可提高后茬煙草的產(chǎn)量[21]；在德國，油菜-小麥輪作的小麥產(chǎn)量顯著高于谷物-小麥輪作[22]。因此，將油菜納入多種輪作模式均可提高后茬作物的產(chǎn)量。

3.2 油菜輪作土壤生產(chǎn)力提升的原因

本研究結(jié)果表明，油菜輪作可提高后茬水稻氮素累積量，在一定程度上可以理解為土壤的供氮能力增加了[15]。油菜輪作可以提高土壤生產(chǎn)力，分析其原因可能有以下幾點：（1）油菜增加了養(yǎng)分歸還量從而提高了土壤的養(yǎng)分含量。研究表明，油菜季在生育后期脫落的葉片會將大量的氮磷鉀養(yǎng)分歸還到土壤中[23]，油菜秸稈還田帶入的氮素也要顯著高于小麥秸稈[24]，朱蕓等[25]通過大數(shù)據(jù)分析表明，油-稻輪作周年氮素盈余量顯著高于麥-稻輪作。（2）油菜種植改變了土壤的物理結(jié)構(gòu)。蕓薹屬作物具有強大的根系系統(tǒng)，在其生長過程中會對土壤物理性質(zhì)產(chǎn)生積極影響[26]。楊瑞吉等[27]的研究表明，麥茬復(fù)種飼料油菜可以在一定程度上保持和提高土壤耕層的黏粒含量、水穩(wěn)性團聚體含量和團聚度。（3）油菜輪作改善了土壤生物特性。研究表明，油菜種植可顯著提高耕層土壤微生物量碳氮，降低土壤微生物碳氮比，土壤中細菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變[12,28-29]。北碚試驗點27年長期輪作試驗的結(jié)果表明油菜輪作是一種可持續(xù)提高土壤生產(chǎn)力的輪作模式。但目前關(guān)于油菜輪作提升土壤生產(chǎn)力詳盡的機理仍不完全清楚，有待進一步研究。

3.3 油菜輪作提升土壤生產(chǎn)力的意義

在中國，水稻種植通常采用水旱輪作，油菜-水稻和小麥-水稻構(gòu)成了一年一度的水旱輪作種植制度，這些輪作體系占水稻種植總面積的60%[30-31]。然而，在麥稻種植區(qū)，存在土壤物理性質(zhì)的退化和土壤有機碳水平降低的現(xiàn)象；隨之而來的是土壤生產(chǎn)力和資源利用效率下降[32]。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，目前我國還有大量可開發(fā)利用的冬閑田，其中長江流域可用于種植油菜的冬閑田面積高達427萬hm2，擴大油菜種植面積還有較大的發(fā)展空間[5]。我國是世界上最大的化肥生產(chǎn)國、消費國和進口國，但是肥料利用率遠低于國際水平[1,33]，張福鎖等[34]提出要實現(xiàn)作物高產(chǎn)和資源高效，就必須挖掘作物產(chǎn)量潛力和提高土壤生產(chǎn)力，而不能過分依賴水肥等大量投入。因此，在多熟制種植模式中，將油菜納入輪作體系，以用地與養(yǎng)地相結(jié)合的種植模式提高土壤生產(chǎn)力，促進作物增產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

在長江流域不同種植區(qū)域內(nèi)，油菜在不同輪作模式中均可提高后茬作物的產(chǎn)量；油菜輪作提高了后茬水稻的有效穗數(shù)和每穗粒數(shù)進而提高了稻谷產(chǎn)量，水稻生物量及養(yǎng)分累積量尤其是氮素累積量顯著提高。油菜輪作普遍提升了土壤生產(chǎn)力，因此推薦將油菜納入多熟制輪作體系中，對于促進糧油兼分、周年豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

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Effect of Rapeseed rotation on the Yield of next-stubble crops

ZHANG ShunTao1, LU JianWei1, CONG RiHuan1, REN Tao1, LI XiaoKun1, LIAO ShiPeng1, ZHANG YueQiang2, GUO ShiWei3, ZHOU MingHua4, HUANG YiGuo5, CHENG Hui6

(1College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070;2College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400716;3College of Resources and Environment Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095;4Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041;5Hengyang Institute of Agricultural Sciences, Hengyang 421001, Hunan;6Xinyang Institute of Agricultural Sciences, Xinyang 464000, Henan)

【】 The aim of this study was to clarify the impact of rapeseed rotation on the yield of the next-stubble crops in the multiple cropping rotation area of the Yangtze River Basin, and to verify that it was a common phenomenon that rapeseed cultivation increased crop yield in the subsequent season, so as to provide a basis for rapeseed as an alternate husbandry crops to promote both yield of grain and oil, and yield stability. 【】Field experiments with different crop rotation patterns were carried out in different areas of the Yangtze River Basin: in the upper Yangtze River, rapeseed-rice and wheat-rice rotation in Beibei (Chongqing), and rapeseed-maize and wheat-maize rotation in Yanting (Sichuan province) were selected; in the middle Yangtze River, rapeseed-rice and wheat-rice rotations, rapeseed-maize and wheat-maize rotations in Shayang (Hubei province), rapeseed-early rice and winter fallow-early rice-late rice rotations in Hengyang (Hunan province), rapeseed-rice and wheat-rice rotations in Xinyang (Henan province) were selected; in the lower Yangtze River, rapeseed-rice and wheat-rice rotations in Rugao (Jiangsu province) were selected. The differences in yield, yield components and nutrient uptake of rice or maize in the subsequent season of winter crop wheat (or winter fallow) and rapeseed at the same fertilization level were analyzed. 【】Compared with that in wheat-rice rotation, the rice yield of rapeseed-rice rotation in Beibei, Shayang, Xinyang and Rugao increased by 323, 483, 1 569 and 569 kg·hm-2, respectively, with increase rate of 4.6%, 6.6%, 17.3% and 6.0%, respectively. Compared with that in wheat-maize rotation, the maize yield of rapeseed-maize rotation in Yanting and Shayang increased by 487 and 579 kg·hm-2, respectively, with increase rate of 7.0% and 14.8%, respectively. Compared with that in winter fallow-rice-rice rotation, the early rice and late rice yields of rapeseed-rice-rice rotation in Hengyang increased by 718 and 726 kg·hm-2, respectively, with increase rate of 11.1% and 10.5%, respectively. Compared with the wheat-rice rotation, the rice panicle number and grains per panicle of rapeseed-rice rotation in Shayang and Xinyang increased by 7.0×104, 27.7×104spikes/hm2and 18.1, 20.2 grains. Compared with the wheat-rice rotation, the rice biomass of the rapeseed-rice rotation in Shayang and Beibei increased by 1 711 and 2 625 kg·hm-2, respectively, and the nitrogen accumulation increased by 23.9 and 23.2 kg·hm-2, respectively. 【】In different planting areas in the Yangtze River Basin, rapeseed rotation could increase the yield and nutrient accumulation of next-stubble crops in different rotation patterns in varying planting areas in Yangtze River Basin, being a good alternate husbandry crop in a rotation.

rapeseed; rotation; aftereffect; soil productivity; high yield of grain and oil

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.14.009

2019-10-22；

2019-12-18

國家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（CARS-12）

張順濤，E-mail：zhangst@webmail.hzau.edu.cn。通信作者魯劍巍，E-mail：lunm@mail.hzau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）