李小波 索海翠 賴玉嫦 羅煥明 鄧勇兵 安 康 李成晨 劉曉津

(1廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/廣東省農(nóng)作物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640；2惠東縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，廣東 惠州 516300)

“薯-稻-稻”三熟輪作制可以實(shí)現(xiàn)水旱輪作，具有改善土壤理化性狀，調(diào)節(jié)土壤肥力，減少病蟲害，提高系統(tǒng)生產(chǎn)力的優(yōu)點(diǎn)[1-4]。廣東省地處歐亞大陸南端，光熱水資源豐富，是我國(guó)雙季稻的主產(chǎn)區(qū)，水稻種植面積超過190 萬hm2[5]。“薯-稻-稻”三熟輪作制是廣東等華南省份最傳統(tǒng)的輪作制度之一，通常4-7月種植早稻，8-11月種植晚稻，11月至翌年3月種植冬種馬鈴薯。冬種馬鈴薯因早春反季節(jié)上市，具有較好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，效益顯著，對(duì)主產(chǎn)區(qū)農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)村繁榮起到了重要作用[6]。然而，“薯-稻-稻”種植模式也存在一些問題，首先，隨著雙季水稻生產(chǎn)成本的快速增長(zhǎng)和農(nóng)村勞動(dòng)力的大量轉(zhuǎn)移，廣東水稻生產(chǎn)效益不斷下滑甚至虧損，影響了稻農(nóng)的生產(chǎn)積極性，水稻種植面積逐年減少[7-8]。其次，受全球氣候變化的影響，廣東雙季稻晚熟＋晚熟區(qū)面積明顯擴(kuò)大[9]，時(shí)常造成“薯-稻-稻”輪作茬口銜接不暢，導(dǎo)致冬種馬鈴薯鮮薯上市偏晚，國(guó)內(nèi)外尤其是東南亞部分國(guó)家提早上市的馬鈴薯對(duì)廣漠省鮮薯出口形成較大的替代效應(yīng)，沖擊了馬鈴薯銷售市場(chǎng)[10]。

改變傳統(tǒng)種植模式，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)對(duì)提高三季作物綜合經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。關(guān)于作物輪作制度國(guó)內(nèi)外報(bào)道較多，如“甜玉米-豆角-水稻”輪作[11]、“水稻-水稻-小麥”輪作[12]、“玉米-小麥”輪作[13]、“番茄-芹菜-黃瓜-大白菜”輪作[14]、“水稻-玉米”輪作[15]、“水稻-水稻-油菜”輪作[16]等，但這些研究主要集中在土壤微生物種群變化、肥料利用率、作物生長(zhǎng)、土壤酶活等方面，鮮見不同輪作模式下作物的效益分析。同時(shí)，對(duì)“經(jīng)濟(jì)作物-中晚稻-冬種馬鈴薯”三熟輪作模式及其對(duì)作物效益、肥料效率和土壤酶活的綜合研究報(bào)道也鮮見。

福建省龍海市實(shí)行的“稻-稻-麥”種植模式，由于經(jīng)濟(jì)效益低限制了農(nóng)業(yè)的發(fā)展，改用新的種植模式“稻-稻-薯”后，糧食產(chǎn)量增加了15%，種植效益增加了196%[12]，并縮短了生育期。粵東沿海地區(qū)是否也可以調(diào)整早稻為種植效益高、生育期短的經(jīng)濟(jì)作物，進(jìn)而將晚稻調(diào)整為中晚稻，最終實(shí)現(xiàn)冬種馬鈴薯早播、早收，增加反季節(jié)優(yōu)勢(shì)，提升種植效益有待進(jìn)一步驗(yàn)證。為此，根據(jù)廣東省氣候特征和市場(chǎng)特點(diǎn)，開展了傳統(tǒng)的“薯-稻-稻”三熟種植模式優(yōu)化，研究不同經(jīng)濟(jì)作物在早春播種的生育期、產(chǎn)量、肥料效率和種植經(jīng)濟(jì)效益，旨在探明廣東早春高效經(jīng)濟(jì)作物種類，為指導(dǎo)廣東省乃至華南“薯-稻-稻”三熟區(qū)春播作物種類選擇和高效、合理農(nóng)作制的構(gòu)建提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

供試作物種類和品種名稱為黃瓜(粵秀三號(hào))、豆角(雙青玉豆、豐產(chǎn)6 號(hào))、甜玉米(粵甜28 號(hào))和早稻(豐優(yōu)絲苗)，其中，黃瓜、豆角種子購(gòu)自廣東科農(nóng)蔬菜種業(yè)有限公司；甜玉米種子購(gòu)自廣東金作農(nóng)業(yè)科技有限公司；早稻種子購(gòu)自廣東省金稻種業(yè)有限公司。

試驗(yàn)分別在惠州市惠東縣(簡(jiǎn)稱“惠東試點(diǎn)”，2016年)和廣州市白云區(qū)(簡(jiǎn)稱“白云試點(diǎn)”，2017年)開展。試驗(yàn)點(diǎn)的土壤類型均為砂壤土，肥力中等，地面平整，前茬作物為冬種馬鈴薯，排灌方便。其中，惠東試點(diǎn)位于22°55′51.23″N，114°44′58.46″E，海拔32 m；試驗(yàn)地土壤pH 值5.96，含有機(jī)質(zhì)18.3 g·kg-1、堿解氮75.3 mg·kg-1、有效磷178.0 mg·kg-1、速效鉀259.0 mg·kg-1。白云試點(diǎn)位于113°26′13.89″E，23°23′13.37″N，海拔29 m；試驗(yàn)地土壤pH 值6.40，含有機(jī)質(zhì)12.5 g·kg-1、堿解氮85.0 mg·kg-1、有效磷77.9 mg·kg-1、速效鉀247.5 mg·kg-1。惠東試點(diǎn)生育期內(nèi)平均溫度為25.68℃，最高氣溫為28.75℃，最低氣溫為22.61℃；白云試點(diǎn)生育期內(nèi)平均氣溫為26.86℃，最高氣溫為28.75℃，最低氣溫為22.61℃；惠東試點(diǎn)生育期內(nèi)累計(jì)降雨量873 mm，白云試點(diǎn)生育期內(nèi)累計(jì)降雨量1 089 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)置 試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)置5個(gè)處理，種植不同作物:黃瓜(T1)、豆角(T2)、甜玉米(T3)、早稻(TCK)和休耕(T0，不種任何作物)，3 次重復(fù)。2016年惠東試點(diǎn)的小區(qū)面積為32.4 m2；2017年白云試點(diǎn)的小區(qū)面積為20.8 m2。2 個(gè)試點(diǎn)的黃瓜、甜玉米和豆角均采用單畦雙行種植，黃瓜種植密度為55 500 株·hm-2，穴距為0.3 m，行距為0.6 m；甜玉米種植密度為47 550 株·hm-2，株距為0.35 m，行距為0.6 m；豆角種植密度為55 500 穴·hm-2，穴距為0.3 m，行距為0.6 m，每穴雙粒播種；早稻插秧密度為270 000 穴·hm-2，株距為0.18 m，行距為0.2 m。

1.2.2 試驗(yàn)栽培管理 整地與播種:2 個(gè)試點(diǎn)均采取單畦雙行種植，畦面開中溝施肥，覆土后兩側(cè)開播種溝進(jìn)行播種(定植)。惠東試點(diǎn)黃瓜和豆角于2016年3月31日播種，甜玉米于3月19日播種，水稻于4月8日插秧。白云試點(diǎn)黃瓜、豆角和甜玉米采用育苗移栽的方式，定植期均為2017年4月12日，水稻于4月9日插秧。

施肥用量:惠東試點(diǎn)基肥為腐熟雞糞3 000 kg·hm-2，復(fù)合肥(N-P-K:16-8-21)1 500 kg·hm-2；白云試點(diǎn)基肥為腐熟雞糞3 000 kg·hm-2、復(fù)合肥(NP-K:12-11-18)1 500 kg·hm-2、尿素150 kg·hm-2。2個(gè)試點(diǎn)基肥用量統(tǒng)一為雞糞3 000 kg·hm-2和復(fù)合肥450 kg·hm-2，剩余復(fù)合肥分3 次追施(表1)。

培土:惠東試點(diǎn)，T1和T2于2016年4月30日進(jìn)行一次培土，T3于2016年4月28日進(jìn)行一次培土；白云試點(diǎn)，T1和T2于2017年4月19日進(jìn)行一次培土，T3于2017年4月24日進(jìn)行一次培土。

收獲:惠東試點(diǎn)，T1和T2分別采收12 次(平均2～3 d 采收一次)和10 次(平均3 d 左右采收一次)，T3一次采收，T4一次性收獲；白云試點(diǎn)，T1和T2分別采收12 次和13 次，T3分兩次采收，T4一次性收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 物候期 對(duì)不同作物的播種日期、出苗日期、定植或插秧日期、開始收獲時(shí)間和結(jié)束收獲時(shí)間進(jìn)行記錄，并計(jì)算生育期。

1.3.2 產(chǎn)量 依據(jù)不同作物成熟收獲時(shí)測(cè)定黃瓜、豆角、甜玉米產(chǎn)量，水稻產(chǎn)量測(cè)定參考黃旭等[17]的方法。

1.3.3 生物量 測(cè)定作物產(chǎn)量的同時(shí)，收取不同作物植株地上部和根部，帶回實(shí)驗(yàn)室于105℃殺青30 min，然后75℃烘干至恒重，稱重并記錄數(shù)據(jù)。

1.3.4 土壤樣品采集 收獲作物產(chǎn)量的同時(shí)，采集各種經(jīng)濟(jì)作物0～20 cm 的土壤，用于測(cè)定土壤中各種營(yíng)養(yǎng)元素的含量、土壤脲酶、過氧化氫酶及磷酸酶活性。

1.3.5 植物和土壤養(yǎng)分 植株與籽粒的全氮含量采用濃H2SO4-H2O2消煮法測(cè)定[18]；土壤pH 值(電位法)、堿解氮(alkali-hydrolyzale nitrogen，AN)含量(擴(kuò)散法)、有效磷(available phosphorus，AP)含量(Olsen法)、速效鉀(rapidly available potassium，RAP)含量(乙酸銨浸提法)的測(cè)定參考李酉開[18]和胡娟等[19]的方法。

表1 惠東和白云2 個(gè)試點(diǎn)不同作物追肥時(shí)間和追肥量Table1 Topdressing times and amount of different crops in Huidong and Baiyun site

1.3.6 土壤酶活性 土壤過氧化氫酶、脲酶、酸性磷酸酶活性的測(cè)定參考解開治等[20]的方法。

1.3.7 銷售價(jià)格 根據(jù)各種經(jīng)濟(jì)作物當(dāng)年上市的銷售價(jià)格計(jì)算小區(qū)產(chǎn)值和小區(qū)效益。

1.3.8 氮吸收量和氮肥效率 根據(jù)公式計(jì)算各指標(biāo)參數(shù)[18，21-24]:

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2010 和SPSS 19.0進(jìn)行處理與分析，采用LSD 法在0.05 水平進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同春播作物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益

由表2可知，2 個(gè)試點(diǎn)T3的小區(qū)效益和單位面積種植效益均最高，與TCK相比，單位面積種植效益增加了1.32 ～3.72 元·m-2，惠東試點(diǎn)T3的小區(qū)效益和單位面積種植效益均顯著高于T1、T2和TCK；白云試點(diǎn)T3的小區(qū)效益和單位面積種植效益均與T1無顯著差異，但顯著高于T2和TCK?；輺|試點(diǎn)T2的單位面積種植效益出現(xiàn)負(fù)值，這可能是由于在苗期雨水較多，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)過旺影響了產(chǎn)量和效益。

2.2 不同春播作物生育期

由表3可知，在惠東和白云試點(diǎn)，TCK的生育期均最長(zhǎng)，分別為119 和122 d，顯著超過T1、T2和T3；惠東試點(diǎn)T1的生育期為75 d，T2的生育期最短，為63 d，T3的生育期為82 d，T1的采收期為31 d，T2的采收期為15 d，T3和TCK為成熟后一次性采收；白云試點(diǎn)T1的生育期最短為65 d，T2的生育期為83 d，T3的生育期為79 d；T1、T2、T3的采收期分別為24、32、3 d。綜合分析2 個(gè)試點(diǎn)的生育期發(fā)現(xiàn)，與TCK相比，T1、T2和T3至少可以使生育期縮短37 d，最長(zhǎng)可以縮短57 d。

表2 惠東和白云2 個(gè)試點(diǎn)不同春播作物的產(chǎn)量和種植效益Table2 Yield and planting benefits of different spring-sowing crops in Huidong and Baiyun site

表3 惠東和白云2 個(gè)試點(diǎn)不同春播作物的生育期Table3 Growth periods of different spring-sowing crops in Huidong and Baiyun site

2.3 不同春播作物氮肥利用效率

由表4可知，惠東試點(diǎn)T2的總吸氮量最高，為175.74 kg·hm-2，其次是T3，T1最低。同樣，白云試點(diǎn)T2的總吸氮量也最高，為253.65 kg·hm-2，其次是T3，TCK最低?；輺|和白云2 個(gè)試點(diǎn)T1的NPFP 最高，分別為228.38 和247.84 kg·kg-1，均顯著高于其他處理，且不同春季作物產(chǎn)量和NPFP 成正相關(guān)，T1的產(chǎn)量最高，其NPFP 也最高。與TCK相比，白云試點(diǎn)T3的NPFP 顯著增加了41.40%；2 個(gè)試點(diǎn)TCK的NUPE 分別為0.98 和0.99 kg·kg-1，均顯著高于其他處理，T1最低，分別為0.29 和0.44 kg·kg-1，顯著低于其他處理；2個(gè)試點(diǎn)T3的NHI 最高，分別為66.01%和65.36%，顯著高于其他處理，較TCK分別顯著增加了10.37 和10.95 個(gè)百分點(diǎn)，T1最低，分別為30.05%和25.46%，均顯著低于其他處理。

表4 惠東和白云2 個(gè)試點(diǎn)不同春播作物的氮肥利用效率Table4 N fertilizer efficiency of different spring-sowing crops in Huidong and Baiyun site

2.4 不同春播作物收獲后土壤的養(yǎng)分含量與酶活性

由表5可知，2 個(gè)試點(diǎn)種植不同作物對(duì)土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性的影響均較大，與種植前的土壤養(yǎng)分相比較，T1、T2、T3、TCK和T0的RAP 含量均降低，且T2、T3、TCK的pH 值也均降低。在惠東試點(diǎn)，與種植前土壤相比，T1、T2、T3、TCK和T0的AN 含量均增加(除TCK)，AP 含量和RAP 含量均降低。而白云試點(diǎn)與之相反，T1、T2、T3、TCK和T0的AN 含量均降低，AP 含量均增加。分析2 個(gè)試點(diǎn)的土壤酶活性發(fā)現(xiàn)，與種植前土壤相比，T1、T2、T3、TCK和T0的土壤脲酶、過氧化氫酶及磷酸酶活性均提高，其中，白云試點(diǎn)T3的脲酶上升最多。

3 討論

充分發(fā)揮可利用的三熟制的潛力是提高土地生產(chǎn)力和促進(jìn)糧食安全最有效的方法之一[25]。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，廣東傳統(tǒng)的“稻-稻-薯”種植模式[26]已限制了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的產(chǎn)出和經(jīng)濟(jì)效益，因此，改變傳統(tǒng)種植模式，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)尤為重要。本研究將廣東省傳統(tǒng)的“薯-稻-稻”模式中的早稻改變?yōu)辄S瓜[27-28](T1)、豆角(T2)、甜玉米[29](T3)，并進(jìn)行了效益分析，除惠東試點(diǎn)T2由于天氣原因影響產(chǎn)量外，其他作物在2 個(gè)試點(diǎn)均較早稻(TCK)顯著增加種植效益，尤其是甜玉米(T3)在惠東和白云試點(diǎn)的單位面積種植效益分別較早稻(TCK)顯著增加了3.72 和1.32 元·m-2；表明改用經(jīng)濟(jì)作物替代早稻提高了種植效益，這與Zhou 等[14]和Gaba 等[30]報(bào)道的在多熟種植制度之中，作物多樣性的安排和管理可以提高產(chǎn)量和作物生產(chǎn)力的結(jié)論是一致的。此外，作物生育期長(zhǎng)短不僅限制了三熟制“稻-稻-薯”種植模式的茬口銜接，而且制約了農(nóng)產(chǎn)品的上市時(shí)間，直接影響其價(jià)格和銷量[31]。龍海市將“稻-稻-麥”種植模式改變?yōu)椤暗?稻-薯”后，縮短了生育期，在種植時(shí)間上得到了更好的茬口銜接，每畝地的產(chǎn)值由原來的372 元(小麥)增加至2 406 元(馬鈴薯)，提高了經(jīng)濟(jì)效益[32]。本研究表明，與TCK相比，2個(gè)試點(diǎn)的T1、T2和T3至少可以使生育期縮短37 d，最長(zhǎng)可以縮短57 d，其中，甜玉米(T3)與早稻(TCK)相比可縮短生育期37～43 d。替代早稻的經(jīng)濟(jì)作物由于生育期較短，可以使晚稻提前定植而成為中晚稻，進(jìn)而提前冬種馬鈴薯的播種時(shí)間，保障冬種馬鈴薯提早收獲和上市。

有效的氮肥管理對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和提高氮肥利用率至關(guān)重要[33-35]。NUPE、NPFP 和NHI 是常用來評(píng)價(jià)肥料效應(yīng)的指標(biāo)[36-37]。影響作物氮素吸收利用效率的因素較多，包括作物種類、其他養(yǎng)分的可獲得性、養(yǎng)分淋失、天氣和基因型差異等[38-39]。本研究表明，黃瓜、豆角、甜玉米和水稻由于作物種類不同其NUPE差異較大，其中，水稻的NUPE 最高，顯著高于其他幾種作物。此外，前人研究表明，長(zhǎng)期的“水稻-水稻-油菜”輪作提高了水稻對(duì)氮的吸收和同化[16]。本研究采用“經(jīng)濟(jì)作物-中晚稻-冬種馬鈴薯”輪作模式，獲得的結(jié)果與上述報(bào)道基本一致。NPFP 反映了單位氮素形成作物籽粒(果實(shí))的產(chǎn)量[40-41]。由于試驗(yàn)中未設(shè)置無肥區(qū)，因此選擇NPFP 作為本研究評(píng)價(jià)肥料效應(yīng)的指標(biāo)，這也是國(guó)際農(nóng)學(xué)界通用的表征氮肥效應(yīng)的指標(biāo)之一。NPFP 受施氮量和作物產(chǎn)量的共同影響，一般情況下，氮肥施用量較高通常其NPFP 相對(duì)較低，作物產(chǎn)量較高通常其NPFP 相對(duì)較高[41]。本研究結(jié)果表明，惠東和白云試點(diǎn)黃瓜的產(chǎn)量均最高，因此其NPEP最高，這與有關(guān)報(bào)道[36]較為一致。

土壤化學(xué)組分對(duì)植物的健康生長(zhǎng)有較大影響[42-43]，土壤脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶等土壤酶活是土壤肥力動(dòng)態(tài)的有益指標(biāo)[44]，其酶活高低影響了土壤有機(jī)態(tài)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化為植物可吸收和利用養(yǎng)分的能力[31，37]。脲酶可分解土壤中的尿素，對(duì)氮肥的轉(zhuǎn)化和氮素的生物有效性具有重要影響；過氧化氫酶可以調(diào)節(jié)土壤中水分與氧氣的含量，從而影響土壤的理化性狀和供肥能力[45-46]；磷酸酶活性關(guān)系到土壤有機(jī)態(tài)磷素的轉(zhuǎn)化及利用，同時(shí)也影響土壤微生物的活動(dòng)[47]。本研究發(fā)現(xiàn)，與種植水稻(TCK)相比，種植不同經(jīng)濟(jì)作物尤其是玉米后，土壤的脲酶(白云試點(diǎn))、過氧化氫酶活性顯著增加，這與前人的報(bào)道較為一致[13，20，48-49]。其原因可能是水稻通常生長(zhǎng)在缺氧條件下的濕地，而玉米等旱地作物生長(zhǎng)在氧充足的旱地，致使厭氧和有氧微生物群落不相同[15]，輪作能夠較快提高土壤酶活性，加速根區(qū)土壤生理生化反應(yīng)[48]。

4 結(jié)論

本研究表明，利用黃瓜、豆角和甜玉米等經(jīng)濟(jì)作物替代早稻均可明顯增加作物產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益并縮短生育期。其中，種植甜玉米(T3)效果最佳，除了增加種植效益，縮短生育期，提高收獲指數(shù)外，還有利于增強(qiáng)土壤酶活，進(jìn)而提升土壤肥力水平。綜上，甜玉米等經(jīng)濟(jì)作物代替早稻形成的“經(jīng)濟(jì)作物-中晚稻-冬種馬鈴薯”三熟輪作模式可以促進(jìn)作物茬口銜接更加順暢，提升三季作物整體的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)農(nóng)民增收具有積極作用。本研究為優(yōu)化廣東乃至華南“稻-稻-薯”三熟區(qū)的種植模式提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。