海河平原區棉花飼用黑麥復種方式及水肥利用效率分析

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(河北省農林科學院旱作農業研究所，河北省農作物抗旱研究重點實驗室，河北 衡水 053000)

海河平原農區無霜期200 d左右[1]，有大面積的棉花(Gossypiumherbaceum)種植，據統計，2014年河北省棉花種植面積在39×104hm2[2]。棉花生長天數一般從4月底到10月中下旬，大約為180 d[3]。棉花收獲后，即進入晚秋，不能與該區域其他農作物形成一年兩作，從而造成晚秋-冬季-早春農田閑置，形成了大量冬閑田。可否利用棉花冬閑田種植生育期較短、以營養體收獲的飼草，形成棉草復種模式，即可有效利用冬閑田，又可解決農區冬春飼草短缺的矛盾，從而促進農區畜牧業的發展。據有關研究報道[4]，飼用黑麥(Secalecereale)是一年生越冬性的禾本科飼草作物，適宜冬春季節生長，在海河平原區應該可利用棉花冬閑田種植。

有關棉花冬閑田利用的研究報道，主要集中在種植黑麥冬牧70上。馬興林等[5]證明棉花復種黑麥的可行性，試驗結果顯示在棉花冬閑田種植一季冬牧70，經濟效益顯著，并且在春季可增加地面覆蓋，減少土壤水分地表蒸發，生態效益顯著，但該結果未明確復種模式下飼用黑麥適宜播種期。許建新等[6]證明棉花復種黑麥能夠提高土壤有機質，培肥土壤；寧東峰等[7]分析了黑麥在與棉花復種中作為綠肥時的養分釋放規律；二者僅站在棉花復種飼用黑麥后對土壤改良角度進行分析。孫成鈺等[8]研究表明黑麥-棉花輪作模式在利用深層水分方面有明顯優勢，該研究僅從棉草復種模式對水資源利用角度進行了探討。孫學釗等[9]，張思聰等[10]，杜高唐[11]在山東地區明確了棉花黑麥套種條件下飼用黑麥時期、播量及相關栽培技術，而套種條件下的飼用黑麥播期等栽培措施并不能替代復種模式下的栽培技術。李志堅[12]試驗結果顯示黃淮海區域棉花與黑麥復種時黑麥的播期在10月10日至11月14日，只要生產條件允許情況下黑麥應盡可能早播，該研究立足于棉花復種飼用黑麥的前提下，僅考慮了何時播種飼用黑麥產量最佳，并沒用分析何時播種黑麥，復種模式經濟效益最佳，且給出的飼用黑麥播種期時間歷時一月之久，在實際生產中難以選擇。綜合分析發現，以上研究均是從棉花飼用黑麥復種模式下某一個或幾個方面對棉草復種可行性、效益、栽培技術等進行研究，不夠系統，缺乏綜合分析。基于此，本研究從棉花飼用黑麥復種模式下兩種作物茬口搭配、復種模式下經濟效益、水分利用效率和養分利用效率以及對土壤改良等方面綜合分析棉花飼用黑麥復種模式的可行性，探討利用海河平原區棉花秋冬閑田發展牧草的高效種植模式，旨在為該區域棉花冬閑田利用提供技術和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區域自然概況

試驗于2011-2014年進行，試驗地點設在海河低平原區的河北省邢臺市任縣，位于E 114°30′和N 37°04′。試驗區平均海拔42.0 m，無霜期197 d，年平均日照時數2567.5 h，平均降水量498.2 mm；試驗地為壤土，pH 7.88，全鹽量0.52 g·kg-1，有機質含量2.04 g·kg-1，全氮含量0.129 g·kg-1，堿解氮96.35 mg·kg-1，速效磷7.7 mg·kg-1，速效鉀89.35 mg·kg-1。

1.2 試驗處理

以單作棉花為對照，利用棉花的冬閑田，將飼用黑麥與棉花進行復種，通過飼用黑麥不同播期與棉花構建幾種棉草復種茬口搭配方式，作為不同處理。目的是尋求棉花與黑麥的最佳茬口搭配時期，使二者的相互影響達到最小，單位面積效益達到最大化。試驗處理見表1，共5個處理。每一處理為一小區，小區長4 m，寬5 m，面積20 m2，采取隨機區組設計，3次重復。共計15個小區。試驗品種選擇：飼用黑麥為冬牧70，棉花為早熟高產品種國審冀668。

試驗從2011年10月至2014年10月進行，飼用黑麥按照試驗設計分別于10月10日、10月15日、10月20日和10月25日播種。播種量為150 kg·hm-2，行距20 cm。飼用黑麥收獲后(4月30日)播種棉花，棉花行距66 cm，株距50 cm，密度30000株·hm-2。棉草復種處理下棉花收獲日期為播種飼用黑麥的前一天，即10月9日、10月14日、10月19日和10月24日播種，棉花單作收獲日期為10月28日。

表1 試驗處理設置Table 1 Experimental treatment

1.3 測定項目

1.3.1飼用黑麥調查標準及方法 生育期調查：包括出苗期、拔節期、孕穗期、抽穗期、開花期。農藝性狀測定：收獲前測量株高，每小區隨機取10株，測量從地面至植株的最高部位(芒除外)的絕對高度，求其平均值。刈割前調查總莖數，隨機選取100 cm行長，統計行內總莖數，折算畝莖數。刈割時小區內隨機選取長勢均勻的10株測定分蘗穗，計算單株分蘗數。抗倒性按照無(0)、輕(25%)、中(30%)、重(50%)的4級調查標準進行。植株傾倒45度以上為倒伏。鮮草刈割測產后測定鮮干比，每小區分別取鮮草樣500 g，待自然風干后稱量干重，計算鮮干比(風干量/鮮樣量)×100%。刈割測產后測定莖葉比，各小區分別取鮮草樣500 g將莖和葉分開后自然風干，再分別稱重，計算莖葉比(莖質量/葉質量)。

產量性狀測定：各小區去掉邊行及小區兩頭行頭各0.5 m，剩余全部刈割進行測產得到小區鮮草產量，之后折算成公頃產鮮重。干草產量由鮮草產量和鮮干比計算得出。

1.3.2土壤理化性質測定 水分、養分在作物種植前和收獲后及復種牧草收獲后測定，土壤水分：0～120 cm，分3層。土壤養分0～40 cm，分2層。

水分利用效率(WUE)：依據生物量和籽粒產量(Y)及播前和收獲時的土壤水分消耗量計算水分利用效率。作物和復種牧草均用下列公式分段計算[13]。

WUE (kg·hm-2·mm-1)=Y/(W1-W2+P+G)

式中：W1為播前土壤貯水量(mm)；W2為收獲時土壤貯水量(mm)；P為生育期降水量;G為生育期灌水量；Y為生物量和籽粒產量。

水分經濟利用效率(EWUE)：依據周年內某一種植模式下效益總值和耗水量計算。EWUE(元·hm-2·mm-1)=總效益(元·hm-2)/耗水量(mm)[14]。

養分經濟利用效率(ENUE)：參考水分經濟利用效率，依據試驗期內某一種植模式下效益總值和土壤養分變化量計算養分經濟利用效率。ENUE(元·hm-2·kg-1)=總效益(元·hm-2)/(N1-N2+F)(kg)。N1:播前土壤養分含量(kg·hm-2)；N2:收獲后土壤養分含量(kg·hm-2)；F:試驗期間所施肥料中養分含量(kg·hm-2)。

1.3.3棉花調查內容及方法 棉花調查內容參照國家行業標準執行[15]。

1.4 數據統計分析

采用SPSS 19軟件對數據進行方差分析，運用Excel 軟件進行表格制作。

2 結果與分析

2.1 生育期調查

2.1.1飼用黑麥生育期 對2011-2014年不同搭配方式下飼用黑麥的生育期進行了調查(表2)。從飼用黑麥生育期來看，10月15日之前播種飼用黑麥，出苗較快，均為7 d后出苗。隨著播期的延后，氣溫逐漸降低，飼用黑麥出苗期逐漸推遲。10月25日播種的飼用黑麥抽穗期較晚，可能是由于冬前發育較弱，影響了后期生長發育進程。在棉花(4月30日)播種時，飼用黑麥均處于抽穗期，即將進入開花期。

表2 飼用黑麥生育期調查表Table 2 Growth periods of S. cereale (月-日Month-day)

注：“-”表示沒有數據，下同。

Note: “-”No data, the same below.

2.1.2棉花生育期 對2011-2014年不同搭配方式下棉花的生育期進行了調查(表3)。由于CK和復種情況下播種期均一致，且品種相同，因此不同處理下棉花生育期也基本表現一致(表3)。根據各處理播種黑麥時期來收獲棉花，致使棉花生長天數不一致，收獲時間縮短。

表3 棉花生育期調查表Table 3 Growth periods of cotton

2.2 不同處理的籽棉產量和飼草干草產量

對不同搭配方式下籽棉產量以及復種的飼用黑麥干草產量進行統計(表4)。從2011-2014年籽棉平均產量來看， 在棉花冬閑田不同時期復種飼用黑麥均導致籽棉產量降低，降低幅度為0.1%～3.1%，但經過方差分析顯示差異不顯著。在棉草復種模式下，隨著飼用黑麥播種期的延遲，棉花生長時間延長，籽棉產量呈逐漸增加趨勢。

從不同處理下飼草干草產量看，棉草復種模式隨著飼用黑麥播種期的推遲，飼草干草產量逐漸降低。C-S1010處理飼草干草產量極顯著高于C-S1025處理(P<0.01)，顯著高于C-S1020處理(P<0.05)，C-S1010處理和C-S1015處理飼草干草產量差異不顯著。

2.3 飼用黑麥農藝性狀

對不同搭配方式下飼用黑麥農藝性狀進行了統計(表5)。由2011-2014年3年均值來看，不同棉草搭配方式下飼用黑麥單株分蘗數和總莖數隨著播期的延后呈逐漸下降趨勢。單株分蘗數方面C-S1010處理和C-S1015處理極顯著高于C-S1020處理和C-S1025處理(P<0.01)，C-S1010處理和C-S1015處理之間差異不顯著。單株分蘗數低，直接影響到群體密度，對飼用黑麥總莖數統計顯示，C-S1010處理總莖數極顯著高于其他處理(P<0.01)。莖葉比方面C-S1025處理飼用黑麥的莖葉比極顯著高于C-S1010和C-S1015處理(P<0.01)，顯著高于C-S1020處理(P<0.05)。C-S1015處理飼用黑麥株高最高，為100.22 cm，C-S1025處理最低，為90.75 cm，二者差異顯著(P<0.05)。飼用黑麥的倒伏隨著播期延后呈現逐漸減輕趨勢，可能是由于隨著播期延后，飼用黑麥分蘗能力降低，導致群體密度減少，抗倒能力增強。

表4 不同復種方式下籽棉產量和飼草干草產量Table 4 Cotton and forage dry yield under the different multiple cropping patterns

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，下同。

Note: Different small or capital alphabets in the same column were significant differences at the 0.05 level or 0.01 level, the same below.

表5 飼用黑麥農藝性狀Table 5 Agronomic traits of S. cereale

2.4 不同復種方式的經濟效益分析

對2011-2014年不同復種方式下的平均總產值進行了統計(表6)。按照2011-2014年平均價格，飼用黑麥干草單價為1.4元·kg-1，棉花籽棉單價為6元·kg-1統計，計算各處理下總產值。不同棉草搭配方式的總產值均極顯著高于CK(P<0.01)。不同棉草復種處理之間的棉花產值差異不顯著，隨著飼用黑麥播種期推遲，棉花的產值逐漸升高，但與CK相比均有所下降。不同棉草復種處理的飼用黑麥產值存在極顯著差異，隨著飼用黑麥播期延遲產值逐漸降低，C-S1010處理飼用黑麥的產值極顯著高于C-S1025處理(P<0.01)，顯著高于C-S1020處理(P<0.05)，和C-S1015處理差異不顯著(P>0.05)。C-S1015處理下飼用黑麥的產值極顯著高于C-S1025處理(P<0.01)，與C-S1010處理和C-S1020處理差異不顯著(P>0.05)。總產值方面也表現逐漸下降趨勢，C-S1025處理下總產值最低。

在棉花冬閑田復種飼用黑麥，棉花的管理與單作情況下完全一致，只是收獲時間不同，所以與棉花單作相比，棉草復種處理下的效益增減值由飼草收益、飼草投入以及復種條件下棉花與單作條件下棉花收益的增減值組成。對復種模式下的效益增減值統計見表6。由表可知，復種飼用黑麥處理均比單作處理效益有所增加，棉草復種處理比CK平均效益增加6070.2元·hm-2，但隨著飼用黑麥播種期的延遲，效益增加值逐漸降低。

2.5 不同復種方式的水分利用效率以及水分經濟利用效率

對2011-2014年不同復種方式的平均水分利用效率按照飼草干物質產量和經濟作物經濟產量、播前和收獲時的土壤含水量、降水量和灌溉量進行計算(表7)。不同棉草復種方式的飼用黑麥水分利用效率以C-S1015處理下最高，為75.40 kg·hm-2·mm-1，其次為C-S1020處理，C-S1010處理下飼用黑麥的水分利用效率最低。棉花生長期間，復種條件下棉花水分利用效率均高于CK，不同棉草復種處理的棉花平均水分利用效率為8.32 kg·hm-2·mm-1，較單作處理提高16.49%。

周年平均耗水量來看，復種條件下周年耗水量高于單作處理。不同棉草復種處理的周年平均耗水量隨著飼用黑麥播種期的延遲呈逐漸下降趨勢，但差異不顯著，C-S1010處理和C-S1015處理下周年耗水量顯著高于CK(P<0.05)。根據不同復種方式的平均總產值、總成本以及耗水量計算平均水分經濟利用效率。由表7可以看出，復種條件下平均水分經濟利用效率均高于CK，不同棉草復種處理的平均水分經濟利用效率為21.37元·hm-2·mm-1，較單作處理提高56.54%。

表6 不同復種方式的產值及經濟效益比較Table 6 The economic efficiency of different multiple cropping patterns (CNY·hm-2)

表7 不同復種方式的水分利用效率及水分經濟利用效率Table 7 The water use efficiency and water economic use efficiency of different multiple cropping patterns

注：其中棉花種植成本按照15000元·hm-2(包含人工費)計算，飼用黑麥種植成本按照4500元·hm-2(包含人工費)計算，數據均由當地近3年實際種植棉花和飼草投入計算所得出。

Note: Total input of cotton according to 15000 CNY·ha-1(including labor), total input of forage rye according to 4500 CNY·ha-1(including labor). The data are calculated from the actual input of cotton and forage grass in the last 3 years.

2.6 不同復種方式的氮、磷、鉀養分經濟利用效率

不同復種模式的土壤養分經濟利用效率按照不同模式的3年總效益、播前和收獲后的土壤養分含量、3年施肥總量來計算。試驗對3年平均堿解氮、速效磷、速效鉀經濟利用效率進行了統計(表8)，由表8可知，棉草復種條件下對堿解氮、速效磷和速效鉀的經濟利用效率隨著黑麥播期延遲逐漸降低。單作處理對堿解氮和速效磷的經濟利用效率均高于復種處理，而對速效鉀的經濟利用效率低于C-S1010和C-S1015處理，高于C-S1020和C-S1025處理。

2.7 不同復種方式對土壤肥力的影響

本研究對試驗結束后的土壤有機質、全鹽量、pH值、堿解氮、速效磷、速效鉀進行了統計。由表9可以看出，不同種植方式連續3年種植后土壤的有機質含量均大幅度提高，且不同棉草復種處理下土壤有機質含量增加幅度均大于CK。C-S1020處理下土壤有機質增長最多，達到14.66 g·kg-1。不同復種方式均降低了土壤含鹽量(表9)，且復種方式對土壤含鹽量抑制作用更強，棉草復種處理隨著飼用黑麥播種時間延遲土壤含鹽量逐漸降低，C-S1020和C-S1025處理下土壤含鹽量顯著低于CK。連續種植3年后，棉花飼用黑麥復種處理與CK相比土壤堿解氮和速效磷有所提高，但速效鉀有所降低。

3 討論

3.1 不同復種方式下兩種作物生育期搭配

海河平原區3-4月風力較大，該地區大量種植的棉花在冬春季節形成大量裸露土地，易造成沙塵天氣，形成環境污染。由于復種模式下上茬作物播種和收獲時間影響到下茬作物的收獲和播種時間，因此選擇能與棉花復種的作物時，生育期尤為重要。在海河平原區，棉花一般4月底播種，10月中下旬收獲，據此，飼用黑麥安排了幾種不同播期進行搭配開展試驗研究，試驗結果顯示，飼用黑麥在10月中下旬播種，到第2年4月底至5月初收獲，此時飼用黑麥正處于抽穗期至開花期，此期為最佳刈割期[4]，兩種作物能夠在茬口上較好的搭配，解決了棉花復種茬口搭配時間緊的難題。飼用黑麥在10月10-15日播種時，飼用黑麥干物質產量最高，但是為減少對棉花影響，建議飼用黑麥適當晚播，可推遲到10月20日。

3.2 不同復種方式下經濟效益比較

采取棉花冬閑田復種，目的是為了提高土地利用率及經濟效益。評價復種方式的優劣，經濟效益是最簡單直接，也最容易被種植戶接受的一種比較方式，因此本試驗采用經濟效益方式對棉花秋冬閑田復種飼用黑麥進行比較。按照近三年的平均價格計算復種模式下投入產出值計算結果顯示，棉花飼用黑麥復種處理較CK平均增加經濟效益6070.2元·hm-2。從經濟角度考慮在棉花秋冬閑田增加種植一季飼草非常必要。

3.3 不同復種方式下水分經濟利用效率分析

能否充分利用水分等資源，將資源轉化成生物產量也是衡量復種模式是否成功的一種重要標準[16]。路海東等[17]研究結果顯示，6個不同糧草間作模式與糧食單作相比，水分利用效率提高0.41～2.15 kg·m-3。湯文光等[18]研究結果顯示紅薯/春玉米-飼草等3種間套復種模式有利于提高作物水分利用效率及周年生產力。本試驗采用水分經濟利用效率的方式比較復種條件下和單作條件下水分利用效率，結果顯示CK水分經濟利用效率為13.65元·hm-2·mm-1，不同棉草復種處理下水分經濟利用效率在20.32～22.56元·hm-2·mm-1之間，均極顯著高于CK，與路海東等[17]和湯文光等[18]研究結果一致。牧草適應干旱能力強于農作物[19-21]，因此，選擇飼草作物作為秋冬季節填閑作物，可顯著提高水分利用效率。

3.4 不同復種方式下肥料經濟利用效率分析

在肥料利用率上，董合林等[22]試驗結果顯示麥棉兩熟制種植模式下兩季作物鉀肥利用率隨施鉀量的增加而降低，小麥、棉花的鉀肥偏生產力和農學利用率均隨施鉀量的增加而降低。王才斌等[23]認為，小麥-花生一年兩作下同一時間施肥量越大氮肥利用效率越低；王德仁等[24]在“豌豆-稻-稻”復種模式下研究各季和全年氮素利用率，結果顯示同季作物施氮量越多，氮素利用率就越低。本研究在對棉花飼用黑麥復種模式下肥料經濟利用效率統計結果表明，復種處理與單作處理相比，養分經濟利用效率均呈現不同程度降低，可能是由于復種方式比單作棉田增加了肥料施用量所致。

3.5 不同復種方式對土壤改良效果

周春火等[25]研究結果顯示，復種2年后與單作處理相比土壤有機質、全氮含量、微生物總量和酶活性增加。辛國榮等[26]研究冬季水稻田復種黑麥草后，土壤堿解氮、速效磷、速效鉀分別提高11%、26%和57%。朱練峰等[27]研究結果顯示，經過一個復種周期，各復種方式土壤堿解氮含量稍有降低，速效磷和速效鉀含量有較大幅度的降低。本試驗經過連續3年種植后，不同種植方式均提高了土壤有機質含量，降低了土壤含鹽量，且復種條件下較單作處理土壤有機質提高幅度更大，含鹽量降低更多。在土壤速效養分改變上與朱練峰等[27]研究結果類似，土壤的堿解氮、速效磷含量均比種植前有所降低，速效鉀含量有所提高。張洪剛等[28]對6種不同糧草復種方式生態效益分析時顯示，糧草復種能夠降低土壤pH值，而張樹生[29]在研究果園套種牧草對土壤的作用時結果顯示，果園套種牧草提高了土壤pH值。本試驗在不同復種方式對土壤pH值改變方面和張樹生研究結果一致，且復種方式提高幅度小于單作模式。

本試驗研究，對不同復種方式條件下，棉花和飼用黑麥的施肥量，分別采用兩種作物單作時的施肥量進行，因此在計算養分經濟利用效率時出現單作處理的養分經濟利用效率高于復種處理的情況，對棉花飼用黑麥復種條件下如何施肥還需進一步分析，明確復種模式下的合理施肥量以及施肥時間。

在棉花冬閑田種植一季飼草作物，可增加地表覆蓋物，在春季多風季節可有效減少揚沙，生態效益顯著。但如何將生態效益定量化，直接以經濟效益的形式直觀表現還需深入探討。另外，復種飼草作物后對棉花病蟲害的發生是否產生影響還需進一步研究。

4 結論

棉花復種飼用黑麥模式可以在海河平原區推廣種植，為了減少對棉花的影響，建議飼用黑麥播期適當推遲到10月20日進行。與單作棉花相比，棉花復種飼用黑麥平均經濟效益較單作棉花增加6070.2元·hm-2。復種模式較單作棉花提高了棉花水分利用效率和棉田水分經濟利用效率，復種條件下棉花平均水分利用效率為8.32 kg·hm-2·mm-1，較單作棉花提高16.49%，棉田平均水分經濟利用效率為21.37元·hm-2·mm-1，較單作棉花提高56.54%。復種模式下土壤有機質含量增長幅度和土壤含鹽量降低幅度均大于單作棉花，平均較單作棉花提高和降低5.71%和23.72%，土壤改良效果明顯。本試驗結果為在海河平原區推廣種植棉花飼用黑麥復種提供了科學依據。