河北省不同種植形式生態(tài)資源利用與效益分析

張順風 張桂萍 管 霞 劉 瑤 張鳳路

（河北農業(yè)大學農學院/河北農業(yè)大學省部共建華北作物改良與調控國家重點實驗室 保定071001）

冬小麥—夏玉米一年兩熟是河北省中南部主要的種植制度，受光熱資源限制，農業(yè)生產常表現(xiàn)為“一季有余、兩季不足”[1]。河北省年平均降雨量500 mm 左右，全年降雨量的80%主要集中在夏季[2]，玉米生育期與降雨時間和分布基本同步，對地下水的需求相對較少，而小麥生育期內水分虧缺嚴重，主要依賴于地下水的灌溉[3]。由于周年降雨量低于冬小麥—夏玉米一年兩熟對水分的需求，每年需要抽取大量的地下水進行灌溉，由于地下水的長期過度開采得不到及時補充，從而導致了地下水位的連續(xù)下降[4-5]，出現(xiàn)了嚴重的地面下沉、塌陷等資源環(huán)境問題，引起了世界的廣泛關注[6]。隨著近年來氣候異常的加劇，農業(yè)生產與水資源短缺的矛盾日益嚴重[7]，這種耗水量較高的傳統(tǒng)冬小麥—夏玉米一年兩熟種植模式已不可持續(xù)。同時，光熱資源也限制了小麥—玉米兩熟種植中玉米增產潛力的發(fā)揮，加之目前尚無較適宜密植、高產、籽粒后期脫水快的玉米品種，很難實現(xiàn)籽粒機械直收，使得勞動生產效率低下，降低了種植收益[8]。為此，研究組于2018-2019 年在2 個試驗站進行了不同種植模式的比較試驗，系統(tǒng)研究不同種植形式對農業(yè)資源的利用情況，以期建立與河北省目前生態(tài)條件相適應的節(jié)水、豐產、高效種植制度，保持農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗于 2018-2019 年分別在河北農業(yè)大學清苑試驗站（38°47＇N、115°34＇E，海拔 13 m）和河北農業(yè)大學辛集馬莊試驗站（37°47＇N、115°17＇E，海拔 32 m）進行。2 個試點2 m 土體土壤容重分別為1.41 g/m3和1.40 g/m3；田間持水量分別為25.7%和35.3%。2 個試驗地點均屬于暖溫帶大陸性季風氣候，春季寒冷干燥，夏季高溫多雨，區(qū)域年降雨量約 500 mm，年平均溫度12℃。試驗期兩地年度降雨量分別為495.6 mm、467.3 mm，屬于平水年型，降雨主要集中在每年的7～9月份。

1.2 試驗采用品種

冬小麥品種：石新828、輪選103、石農086、藁優(yōu)2018。

玉米品種：五谷 512、祥玉 833、鄭單 958。、創(chuàng)玉107、京農科 728。

甜玉米品種：彩甜糯2、沃彩糯3、京科糯2000。

1.3 試驗設計

本研究采用隨機區(qū)組設計，安排4 個試驗處理，3 次重復，小區(qū)面積為 15 m×10 m=150 m2。

（1）春玉米單作一熟模式（T1）：于 5月13日人工播種，60 cm 等行距種植，密度為 6.75 萬株/hm2。10月8日收獲。

（2）青貯玉米—粒用玉米一年兩熟模式（T2）：品種與春玉米相同，前茬早春青貯玉米于4月5日播種，大小行種植（80～40）cm，密度 7.5 萬株/hm2。播后采用幅寬90 cm、厚度0.004 mm 的聚乙烯塑料薄膜覆蓋，保溫促苗，7月6日收獲。粒用玉米7月7日播種，60 cm 等行距種植，品種和密度與前茬相同，10月8日收獲。

（3）甜玉米一年兩熟模式（T3）：第一茬 4月15日播種，60cm 等行距種植，密度為 6.75 萬株/hm2，播后膜覆，7月12日收獲；第二茬7月12日播種，行距、密度與第一茬相同，10月3日收獲。

（4）常規(guī)種植模式（CK）：冬小麥—夏玉米一年兩熟，冬小麥 10月8日播種，6月15日收獲；夏玉米在小麥收獲滅茬后播種，10月8日收獲。小麥播種量為 225 kg/hm2，15 cm 等行距播種；夏玉米采用人工播種，行距60 cm，密度為 6.75 萬株/hm2。

作物生育期內，春玉米一熟模式，僅在播種后澆75 mm“蒙頭水”，全生育期內無灌水；青貯玉米—粒用玉米一年兩熟模式，前茬在播種和抽雄期灌水2 次，分別為 75 mm、50 mm，后茬在播種后澆75 mm“蒙頭水”，全生育期內無灌水；雙季甜玉米灌水量與青貯玉米—粒用玉米模式相同；常規(guī)種植模式，冬小麥在拔節(jié)、抽穗和灌漿時期灌水3 次，每次灌水75 mm，夏玉米僅在播種后澆 75 mm“蒙頭水”，全生育期內無灌水。以 600 kg/hm2的復合肥（N、P2O5、K2O 為 15∶15∶15）作為基肥，其他管理同高產田。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤含水量的測定及耗水量的計算 分別在小麥、玉米播種、收獲時，用土鉆分層獲取土樣，每20 cm 一層，取樣深度200 cm，使用烘干法測定土壤含水量。記錄作物全生育期內的降雨量。試驗期間降雨量與灌溉量在 200 cm 土層未發(fā)生滲漏與形成徑流。計算公式為[9]：

土壤貯水量 （mm）=土層厚度 （mm）×水重/干土重×100%×土壤容重

生育期耗水量 （mm）=作物播種時土壤貯水量（mm）+生育期降雨量（mm）+灌溉量（mm） -作物收獲時土壤貯水量（mm）

非生育期耗水量（mm）=前茬作物收獲時土壤貯水量（mm）-后茬作物播種時土壤貯水量 （mm）+非生育期降雨量（mm）

1.4.2 生態(tài)資源測定與計算 氣象數(shù)據來自試驗地旁邊的自動氣象站，氣象因子包括最高溫度、最低溫度、平均溫度、降水量、日照時數(shù)等。太陽輻射的計算：由日照時數(shù)轉換成輻射值[10]。≥10℃的有效積溫的計算參考嚴定春[11]的方法。

光能生產效率 （g/MJ）=籽粒產量/單位面積的太陽輻射

溫度生產效率 （kg/hm2·℃）=籽粒產量/生育期有效積溫（℃）

干物質產能 （ MJ/hm2） =干物質產量/單位面積×干重熱值

年總輻射利用率 （%）=單位面積干物質產能/單位面積太陽輻射量

水分利用效率（kg/mm·hm2）=籽粒產量/生育期耗水量

1.4.3 產量測定 小麥田間測產采用1 m2樣點法進行測產，測定收獲時籽粒含水率折算出標準產量。玉米收獲期，在每小區(qū)中部選取4 行，計數(shù)測產小區(qū)內的玉米株數(shù)及果穗數(shù)。每個處理隨機取 20 個果穗進行脫粒，計算玉米出籽率和收獲時籽粒含水率，折算出標準產量。

1.4.4 數(shù)據處理與分析方法 使用 Microsoft Excel 2010 進行數(shù)據整理和作圖，SPSS version 21.0 進行數(shù)據統(tǒng)計分析，并采用Duncan 新復極差法比較差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式的生育進程及資源利用

比較了全年光熱水資源分布和不同種植模式下作物的生育時期情況（附圖、表1），單季春玉米種植模式的全生育期為149 d、青貯玉米—粒用玉米為188 d、雙季甜玉米為173 d，分別比傳統(tǒng)種植模式的冬小麥—夏玉米的 288 d 少 139 d、68 d、115 d，≥10℃的積溫分別為 1 427℃、508℃、956℃。與傳統(tǒng)模式相比，其他種植模式縮短的田間生長期處于一年中冬季低溫或干旱少雨的時期，不利于作物的生長發(fā)育。由此可見，3 種試驗處理與對照相比，是一種有利于土壤休耕、地力恢復、避開冬季凍害和干旱的安全種植模式，同時也是冬小麥受災的一種農業(yè)補救措施。

2.2 不同種植模式周年物質生產情況

由表2 可見，傳統(tǒng)種植模式（CK）周年籽粒產量顯著高于春玉米一熟模式（T1）和青貯—粒用玉米模式（T2）。春玉米一熟模式周年物質產量為 9.1 t/hm2，較CK 降低了45.1%；青貯—粒用玉米模式周年物質產量為 7.7 t/hm2，比CK 降低了 53.9%；雙季甜玉米模式（T3）以采收鮮食果穗為主，不計算籽粒產量。4 種種植模式的周年物質總量以傳統(tǒng)種植模式的最高，分別比其他3 種種植模式高出49.6%、23.1%、38.3%。

附圖 保定市清苑和辛集市馬莊試點周年氣候變化

表1 不同種植模式各作物的生育進程（單位：月/日）

表2 不同種植模式周年物質產量及分配（單位：t/hm2）

2.3 不同種植模式周年光能分配及利用效率

不同種植模式光能資源分配與利用效率不同（表3），傳統(tǒng)種植模式光能資源分配量為 100%，其他3 種種植模式生育期內的太陽輻射量分別占周年輻射量的 52.3%、68.4%、62.0%。第一季的太陽輻射量多于第二季，除春玉米一熟模式外，其他模式第一季分別比第二季高 3.6%、7.6%、23.2%。在4 種種植模式的年總輻射利用率中，CK 的年總輻射利用率最高，分別比其他模式高出 0.53%、0.25%和 0.43%。其他種植模式因生育周期較短，未能充分發(fā)揮玉米高光合速率和高光飽和點的優(yōu)勢，使周年干物質積累量低于傳統(tǒng)種植模式，導致周年的光能輻射利用率降低。

2.4 不同種植模式耗水量及水分生產效率

不同種植模式的周年水分利用效率見表4。由表4 可知，春玉米一熟種植模式的水分利用效率（WUE）稍高于CK，但差異未達顯著水平；青貯—粒用玉米種植模式的WUE 比CK 降低了35.4%。春玉米一熟模式和雙季甜玉米模式的周年水分生產效率分別比CK 降低了7.6%、9.0%，而青貯—粒用玉米種植模式與CK 相比差異未達顯著水平。CK 生育期內降雨量的利用率占耗水總量的48.4%，其他3 種種植模式的占比在60%以上。雖然傳統(tǒng)種植模式的籽粒產量和水分利用效率較高，但以消耗巨大的地下水資源為代價獲得的高產，與當前河北省極度緊缺的地下水資源環(huán)境相違背，是不可持續(xù)的發(fā)展模式。從節(jié)水農業(yè)、減少地下水資源的開采和國家輪作休耕的政策角度出發(fā)，必須對傳統(tǒng)種植模式進行改革。

表3 不同種植模式光能資源分配與利用效率

表4 不同種植模式耗水量及水分生產率

2.5 不同種植模式效益比較

不同種植模式的經濟效益見表5。在總投入中，雙季甜玉米種植模式最高，為2.2 萬元/hm2，其次為CK和青貯—粒用玉米種植模式，分別為1.7萬元/hm2和1.5萬元/hm2，春玉米一熟種植模式最低，為0.7萬元/hm2。4 種種植模式的總產出以雙季甜玉米模式最高，為4.5 萬元/hm2，比 CK 高 15.9%。春玉米一熟模式和青貯—粒用玉米模式因籽粒產量較低，總產出較CK 分別降低了47.1%、23.8%。4 種種植模式的周年總收益以雙季甜玉米模式最高，為 2.3 萬元/hm2；其次是CK 和青貯—粒用玉米模式，分別為 2.1 萬元/hm2和 1.6 萬元/hm2；春玉米一熟模式的周年總收益最低，僅為 1.3 萬元/hm2。

3 結論與討論

河北省冬小麥—夏玉米一年兩熟傳統(tǒng)種植模式充分利用了土地資源，復種指數(shù)高，可獲得較高的產量和經濟效益，但農田全年無休閑期，土地過度利用，導致土壤地力下降，以及地下水過度開采。本研究傳統(tǒng)種植模式周年產量平均為 16.6 t/hm2，春玉米一熟模式周年產量較傳統(tǒng)種植模式降低了45.1%，與前人研究相比降幅稍大[12]。白金順[13]研究認為春玉米產量潛力可達到17.6 t/hm2，因此可通過調整品種、密度、播期等方式進一步提高春玉米產量，縮小與傳統(tǒng)種植模式的產量差距。青貯—粒用玉米種植模式一方面順應“糧改飼”種植調整，促進農牧結合，使種植結構多元化，同時也可增加秋糧生產。雙季甜玉米種植模式可獲得大量優(yōu)質鮮食玉米，豐富人們飲食需求，同時玉米莖稈可作優(yōu)質的青貯飼料[14]，提高資源的利用率。因此，多種種植模式是傳統(tǒng)種植模式的有益補充。

表5 不同種植模式投入、產出及收益（單位：萬元/hm2）

目前河北平原小麥和玉米已分別實現(xiàn)產量潛力的70%和41.5%[15-16]，增加具有高光效的玉米種植比例可增加物質生產力[17]。與傳統(tǒng)種植模式相比，其他種植形式因為減少了早春和秋冬時節(jié)的光能利用，因此周年光能利用率相對較低。與本不充裕的光資源相比日趨匱乏的水資源已成為限制河北省農業(yè)生產的首要因素，在2016 年發(fā)布的《農業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境保護工程規(guī)劃》中，將冀中南地區(qū)列為地下水超采重點整治地區(qū)，建議實施“一季休耕、一季雨養(yǎng)”。傳統(tǒng)種植模式灌溉量常達300 mm，其他種植模式由于玉米生長需水與降雨耦合度較高，周年水分利用效率高于傳統(tǒng)種植模式。有研究認為[18]，冀中平原地下水消耗量在150 mm 以下能夠維持水分平衡，除傳統(tǒng)種植模式外，其他 3 種種植模式土壤水消耗量均能達到地下水動態(tài)平衡。

不同種植模式因作物的投入、產出、價格等因素不同，造成周年凈收益也不相同[19]。本研究結果表明，各種植模式周年凈收益為雙季甜玉米＞傳統(tǒng)種植＞青貯—粒用玉米＞春玉米。雙季甜玉米栽培需要的技術要求高，產值受市場波動大；傳統(tǒng)種植模式收益較高，也是冀中南廣為采用的種植形式，但對水資源依賴度高；青貯—粒用玉米模式可農牧結合，但夏玉米產量受光熱資源影響較大；春玉米一季種植節(jié)約了灌溉用水，并利于發(fā)揮玉米的增產潛力，利于農業(yè)可持續(xù)發(fā)展。綜上所述，考慮作物產量、資源利用率、地下水消耗、經濟效益等，采用傳統(tǒng)種植模式與春玉米一熟相結合為主的種植模式，并間或與特用玉米兩熟或飼用—粒用玉米種植方式可降低農業(yè)水資源的過度消耗，提高農業(yè)資源利用效率和經濟效益，利于河北省農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和國家糧食安全。