黃土高原典型地區(qū)作物輪作方式效益評價(jià)

黃土高原典型地區(qū)作物輪作方式效益評價(jià)

作物輪作是指在同一地點(diǎn)以一定順序種植不同類型的作物的農(nóng)業(yè)方法。在一個地區(qū)，這種植物的輪作方式是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)資源的使用和使用的具體反映。通過對一個地區(qū)各種輪作方式的產(chǎn)量效益、經(jīng)濟(jì)效益的評價(jià),可以篩選出資源利用率高、經(jīng)濟(jì)效益好的輪作方式。但由于田間輪作試驗(yàn)周期長、測定工作量大,實(shí)際輪作試驗(yàn)研究受人力、資金和時(shí)間限制,常常難以持續(xù)進(jìn)行。本研究采用作物生長模型DSSAT3和ALMANAC模擬和評價(jià)黃土高原典型地區(qū)的主體輪作方式,旨在探討作物生長模擬在作物輪作效益評價(jià)中的應(yīng)用方法,同時(shí)也為該地區(qū)輪作方式優(yōu)化提供決策依據(jù)。實(shí)際生產(chǎn)中,一個地區(qū)的作物種類相當(dāng)繁多,輪作方式類型也豐富多樣,但由于2種模型中所包含的作物種類有限,本研究僅以黃土高原典型地區(qū)最主要的輪作方式為例進(jìn)行模擬研究。1ssat3模型簡介作物生長模型是指能定量和動態(tài)地描述作物生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成的過程及其對環(huán)境反應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬程序,有助于人們理解、預(yù)測和調(diào)控作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成,評價(jià)和選擇最優(yōu)作物栽培方案、種植模式與輪作方式。DSSAT3是美國研制的包含多作物模型的特大型作物模型軟件包,由數(shù)據(jù)模塊、模型模塊、分析模塊、工具模塊和安裝關(guān)閉模塊組成,可對小麥、大麥、玉米、谷子、水稻、大豆、馬鈴薯等10種作物進(jìn)行單季節(jié)和多季節(jié)的生長與產(chǎn)量模擬。在模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,建立了黃土高原地區(qū)模型運(yùn)行所需氣象資料、土壤資料、作物品種遺傳特性資料數(shù)據(jù)庫,覆蓋了黃土高原各生態(tài)類型區(qū)。ALMANAC模型是美國研制的一種多作物通用模型,主要結(jié)構(gòu)包含作物生長參數(shù)文件、土壤耕作措施文件、用戶輸入數(shù)據(jù)文件和模擬結(jié)果輸出文件,除了能模擬單作物生長與產(chǎn)量外,還可模擬2種以上作物混作和套作對水、肥、光的競爭關(guān)系,適合于多作物、長時(shí)段的產(chǎn)量模擬研究。2效率與經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)選擇西安為試點(diǎn),對關(guān)中平原區(qū)一年二熟輪作方式進(jìn)行模擬研究。限于DSSAT3模型所含的作物類型,本研究選擇“小麥—玉米→小麥—大豆”和“小麥—玉米→小麥—玉米”兩種輪作方式進(jìn)行研究。小麥品種為小偃22號,玉米品種為陜單931,大豆品種為秦豆5號,栽培管理除灌水與施肥采用自動方式外,其他措施同大田。模擬研究年限為1980~1992年,模擬結(jié)果整理歸納于表1,表中作物是按輪作方式中所處茬口位置順序排列的,所對應(yīng)的數(shù)據(jù)是12年不同氣候年型的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。表1表明,在“小麥—玉米→小麥—大豆”輪作方式中,大豆雖然產(chǎn)量較低,但每季可固氮227kg/hm2,實(shí)際耗用的土壤氮素僅60kg/hm2,減少了氮素的人工投入,低產(chǎn)并不低效。由于模擬中沒有進(jìn)行秸稈還田,土壤有機(jī)質(zhì)從模擬初期的128t/hm2,經(jīng)12年作物生長耗用后降低到117t/hm2,平均每年減少0.72%,占土壤全氮量90%以上的土壤有機(jī)氮也呈下降趨勢,平均每年減少0.76%。所以,實(shí)行秸稈還田是保證土壤有機(jī)質(zhì)平衡的基本措施,應(yīng)引起足夠的重視?！靶←湣衩住←湣衩住睆?fù)種連作方式下,土壤有機(jī)質(zhì)與土壤有機(jī)氮也有類似的變化趨勢。為了便于不同輪作方式輪作效益的比較,以二年輪作周期為時(shí)段,統(tǒng)計(jì)計(jì)算了2種輪作方式的作物產(chǎn)量、耗水量、耗氮量,并構(gòu)造了輪作耗水系數(shù)、輪作耗氮系數(shù)與輪作經(jīng)濟(jì)收益值,其公式如下:輪作耗水系數(shù)(m3/kg)=輪作周期內(nèi)各作物耗水量之和(mm)/輪作周期內(nèi)各作物產(chǎn)量之和(kg/hm2)輪作耗氮系數(shù)(kg/kg)=輪作周期內(nèi)各作物耗氮量之和(kg/hm2)/輪作周期內(nèi)各作物產(chǎn)量之和(kg/hm2)輪作經(jīng)濟(jì)收益值(元/(hm2·年))=輪作周期內(nèi)各作物經(jīng)濟(jì)收益之和(元/hm2)/輪作年限(年)利用上述3個指標(biāo)評價(jià)輪作方式的水、肥資源利用效率與經(jīng)濟(jì)效益,計(jì)算結(jié)果列于表2。根據(jù)輪作方式“小麥—玉米→小麥—大豆”與“小麥—玉米→小麥—玉米”的年平均經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量、輪作耗水系數(shù)、輪作耗氮系數(shù)和輪作經(jīng)濟(jì)收益值的比較,后者產(chǎn)出量高,資源利用效率高,經(jīng)濟(jì)收益好,為最佳輪作方式,評價(jià)結(jié)果與當(dāng)前生產(chǎn)實(shí)際情況一致。但從蛋白質(zhì)產(chǎn)出量和農(nóng)田氮素平衡角度來考慮,則以“小麥—玉米→小麥—大豆”輪作方式較好。3不同作業(yè)量作物產(chǎn)量、耗水量及耗氮量的比較選擇渭北高原區(qū)的銅川為試點(diǎn),對不同復(fù)種程度下輪作方式的產(chǎn)量潛力進(jìn)行了模擬研究。所選擇的輪作方式有:一年二熟制:小麥—谷子→小麥—谷子(Ⅰ)二年三熟制:小麥—谷子→小麥(Ⅱ)小麥—谷子→玉米(Ⅲ)三年四熟制:小麥→小麥→小麥—谷子(Ⅳ)小麥→小麥—谷子→玉米(Ⅴ)四年五熟制:小麥→小麥→小麥→小麥—谷子(Ⅵ)一年一熟制:小麥→小麥→小麥(Ⅶ)小麥→小麥→玉米(Ⅷ)模擬中所采用的品種:小麥為渭麥6號,谷子為74H50-16-5-3,玉米為農(nóng)大60。模擬試驗(yàn)為旱作農(nóng)田無灌溉條件,施肥采用自動施肥方式,其他管理措施同大田。通過對上述不同輪作方式在1980~1992年12年間的模擬試驗(yàn)后,將相同茬口作物在不同氣候年型中的產(chǎn)量、耗水量及耗氮量統(tǒng)計(jì)整理列于表3。表3中數(shù)據(jù)為12年的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。表3的模擬結(jié)果表明,在有限降水條件下,不同復(fù)種程度下的輪作方式作物產(chǎn)量的差異較大。輪作方式Ⅲ、Ⅴ、Ⅷ輪作成分中有春玉米,由于春玉米生長季節(jié)與降水分布吻合程度高,產(chǎn)量潛力較大,單產(chǎn)達(dá)9500kg/hm2以上,同時(shí)耗水量也較大,底墑差,對后茬冬小麥的生長產(chǎn)生了不利影響,玉米茬冬小麥一般減產(chǎn)15%~20%。復(fù)種谷子在不同復(fù)種程度的輪作方式中產(chǎn)量有差異,平均產(chǎn)量為1388kg/hm2,耗水量226mm,占同期降水量(340mm)的66%,相當(dāng)于同期農(nóng)田蒸發(fā)量,復(fù)種谷子雖對農(nóng)田蓄水有一定影響,但影響不大。谷子茬冬小麥一般減產(chǎn)13%左右,減產(chǎn)量380kg/hm2,約為谷子產(chǎn)量的27%。從增加農(nóng)田作物產(chǎn)出量角度考慮,復(fù)種谷子是有利的。當(dāng)復(fù)種程度從125%提高到200%,即從四年五熟提高到一年二熟,輪作方式Ⅰ和Ⅲ的前茬小麥產(chǎn)量均較低,復(fù)種谷子產(chǎn)量有所提高,但產(chǎn)量變異幅度增大,穩(wěn)產(chǎn)性降低。因而,在渭北高原旱作農(nóng)田復(fù)種程度不宜過高,一般不應(yīng)超過150%。為了便于比較,將不同輪作方式按輪作周期進(jìn)行作物產(chǎn)量、耗水量與耗氮量的統(tǒng)計(jì),計(jì)算了輪作耗水系數(shù)、輪作耗氮系數(shù)和輪作經(jīng)濟(jì)收益值,結(jié)果列于表4。輪作方式Ⅰ~Ⅷ的年平均作物產(chǎn)量依次為3899,3409,6777,3189,5431,3176,2927和5159kg/hm2。輪作方式Ⅲ、Ⅴ和Ⅷ的單產(chǎn)水平較高,輪作方式Ⅶ的單產(chǎn)水平最低。模擬結(jié)果表明,增加玉米種植有利于提高年平均作物產(chǎn)量,產(chǎn)量效益高。按輪作耗水系數(shù)由大到小排序:輪作方式Ⅶ>Ⅳ>Ⅵ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅴ>Ⅷ>Ⅲ,說明輪作方式Ⅶ(小麥一年一熟制)水分利用效率低,輪作方式Ⅲ、Ⅴ和Ⅷ的水分利用效率較高。輪作耗氮系數(shù)也有類似的變化趨勢。輪作方式Ⅲ、Ⅴ和Ⅷ經(jīng)濟(jì)收益也較高,為較佳輪作方式。從產(chǎn)量穩(wěn)定性考慮,“小麥→小麥—谷子→玉米”三年四熟制輪作方式與“小麥→小麥→玉米”一年一熟制輪作方式的產(chǎn)量變異幅度均小于“小麥—谷子→玉米”二年三熟制輪作方式,為最佳輪作方式。4作方式的確定選擇銀川平原區(qū)的中寧為試點(diǎn),代表黃土高原北部沿黃灌溉春麥區(qū)。由于DSSAT3模型不能模擬兩種作物的間作套種,而ALMANAC模型不含有對水稻生長和產(chǎn)量的模擬成分,因而水稻與春小麥/玉米的輪作方式無法進(jìn)行模擬研究。根據(jù)模型的可能性,選擇了“春小麥/玉米→春小麥/玉米“、“春小麥/大豆→春小麥/玉米”和“水稻→水稻”3種輪作方式進(jìn)行模擬研究。前2種方式采用ALMANAC模型