宁夏引黄灌区春小麦复种蔬菜适宜种类筛选*

刘根红, 薛银鑫, 张 倩, 周佳瑞, 买晓凤, 穆志梅

宁夏引黄灌区春小麦复种蔬菜适宜种类筛选*

刘根红, 薛银鑫, 张 倩, 周佳瑞, 买晓凤, 穆志梅

(宁夏大学农学院 银川 750021)

复种是提高土地利用率及保证区域粮食安全的重要措施之一, 宁夏引黄灌区近年来农业区域气候资源变化趋向利于多熟制, 研究筛选春小麦复种蔬菜的适宜种类成为区域农作制度发展的必然。本试验选择灌区具有生产潜力的17种蔬菜与春小麦复种, 运用层次分析方法(AHP), 设3个2级指标, 12个3级指标, 通过对各模式相应评价指标测定及分析, 筛选适于灌区的麦后复种蔬菜的两熟制模式。结果表明: 近10年来, 灌区年≥10 ℃积温3407.9 ℃, 降水量206.4 mm, 无霜期208.4 d, 蒸发量1619.3 mm。主要气候因子理论上可以满足麦后复种叶菜类和根菜类蔬菜, 但与理论生产潜力相比较, 实际产量的提升空间较大; 麦后复种果菜类的气候资源不足。17种蔬菜中, 春小麦复种的白萝卜、满堂红萝卜、娃娃菜、黄瓜(‘626’) 4种蔬菜资源利用效率较高; 春小麦复种的胡萝卜、白萝卜、芹菜、西红柿(‘丰收128’) 4种蔬菜提升地力效果较好; 春小麦复种娃娃菜、白萝卜、满堂红萝卜、小辣椒(‘娇龙7号’) 4种蔬菜经济效益较高。综合评价, 得出适宜宁夏引黄灌区春小麦后复种的8种蔬菜为: 娃娃菜、白萝卜、满堂红萝卜、辣椒(‘娇龙7号’)、辣椒(‘洋大帅’)、苦苣、芹菜和西葫芦, 分别比综合效益最低的小麦-苤蓝种植模式高143.0%、121.5%、77.7%、46.3%、43.0%、35.5%、33.1%和33.0%, 可大面积推广。

春小麦; 蔬菜; 复种; 宁夏引黄灌区

复种在亚洲、非洲、拉丁美洲、北美洲和欧洲均有分布, 但主要在南亚、东南亚和中国比较集中。中国在复种的面积、类型、技术方面均处于世界的绝对优势地位。复种在地区优势资源集约利用的基础上, 以提高土地利用率为主要途径, 以高产、优质、高效、生态为目标, 其对中国农业起着具大的推动作用[1]。中国复种主要分布于秦岭—淮河以南区域, 形成了西南区以小麦()、玉米()、油菜()、马铃薯()为主, 江淮地区以小麦、玉米、水稻()、油菜为主, 四川盆地以水稻、小麦、玉米、甘薯()、棉花(spp.)为主, 长江中下游区以水稻3熟为主, 东南和华南丘陵区以小麦、玉米、甘薯、花生()为主[2]的多种复种模式。各地区其他作物与主栽作物配置形成特定地区的复种格局, 但局域间差异较大。西北灌区(河套河西灌区、南疆灌区)也有以小麦为主复种短生育期作物的两茬复种。

近年来各地区复种主要围绕以下方面开展研究: 一是资源利用与效益驱动下复种的发展趋势研究。有研究认为[3-6], 2000—2015年间我国30.93%的耕地耕作制度发生了变化, 其中18.13%的耕地复种指数增加, 其中黄淮海平原区、长江中下游地区及四川盆地及周边地区耕地熟制转变较为显著。灌溉情景下长江中下游地区复种指数潜在增量最大, 雨养情景下为华南区绝大多数农业区复种指数潜在增量值下降。柴强等[7]通过对甘肃省甘州区多熟种植现状的评价以及热量和水分复种潜力的测算, 认为甘州区(绿洲灌区典型代表区)的复种指数提升程度为22.35%。气温变暖对作物分布的影响也使复种结构发生很大的变化[8-10]。Zhang等[11]使用基于物候的滑动分割算法和种植制度分区指数来调查实际和潜在的复种制度的发展, 结果表明, 复种发展明显滞后于复种潜力面积的增长。Yan等[12]利用MODIS增强型植被指数(EVI)时间序列在500 m空间分辨率和8 d植被指数的图像变化分析认为, 黄淮海农区的复种指数(MCI)在12年间从152%增长到156%。地形是决定MCI空间格局动态的主要因素, MCI变化最活跃的区域是丘陵地区与平原地区的交汇地带。蒋敏等[13]研究认为南方稻作区3季水稻面积下降, 水稻种植有“3季”向“双季”, “双季”向“单季”发展趋势。黄国勤等[14]认为, 提高复种指数和资源利用率, 发展多熟种植是中国乃至世界实现农业可持续发展的必要途径。二是复种对生态因子的效应研究。复种能充分利用土地、光、热、水、肥等资源, 是保证中国粮食安全问题的最有效的手段之一[15-17]。周宝元等[18]以冬小麦-夏玉米和双季玉米体系4年数据, 探明黄淮海区域不同种植体系周年产量潜力和资源利用效率, 建立周年气候资源优化配置的定量指标。伍思平等[19]以油菜复种中稻(R-MR)、冬季绿肥紫云英()-早稻-晚稻(GM-ER-LR)、冬闲-早稻-晚稻(WF-ER-LR)3个处理, 研究南方双季稻区不同复种方式对稻田综合温室效应和温室气体排放强度的影响, 综合环境效益和经济效益, 油菜-中稻减排增效效果更好。刘云龙等[20]在甘肃河西绿洲灌区发展一季短期绿肥作物具有较高的光热水资源利用效率和较高的经济效益。李泽坤等[21]研究认为春小麦-西兰花()对光、热资源利用效率较高。辽宁朝阳区春小麦复种大白菜()模式资源利用效率高[22]。

宁夏引黄灌区(以下简称灌区)位于黄河上游下河灌区, 涉及青铜峡市、永宁县、银川市、贺兰县等11个县(市)和20多个国营农、林、牧场, 海拔1100~1300 m, 灌区年均气温8~9 ℃, 作物生长季节≥10 ℃积温为3200~3400 ℃, 平均无霜期150~195 d, 耕地面积约46.7万hm2。灌区种植制度历经了撂荒耕作制→熟荒耕作制→休闲耕作制→连作耕作制→轮作耕作制→集约现代耕作制的演进过程[23]。随着气候变化, 宁夏各地≥10 ℃的积温呈明显增加趋势, ≥10 ℃积温不同等值线明显向地势较高地区移动, 喜温作物面积扩大, 积温持续日数明显增加, 有利于复种指数提高。灌区从20世纪中末就开始了以冬小麦为主的两年3熟探索, 至今出现了冬(春)小麦后短生育期作物的两年3熟及一年两熟制。周立萍等[24]进行了冬小麦-水稻、冬小麦-糯玉米和冬小麦-籽粒玉米试验, 认为冬小麦-水稻效益较好, 冬小麦-糯玉米总成本较高, 是高投入低产出模式, 冬小麦-糯玉米模式不适合大范围种植, 冬小麦-水稻模式受自然气候条件局限。前人[25-29]对灌区麦后复处油菜的光热农业资源利用效率、田间生长情况、对地力影响及效益进行了综合试验, 认为西北灌区发展麦后饲用油菜潜力较大。刘超等[30]认为灌区小麦收获后复种蔬菜与小杂粮均有很好的潜力。虽然20世纪末以来灌区尝试了多种短生育期一年两熟复种试验研究, 尤其以春小麦收获后复种蔬菜类型多样, 但缺乏系统的理论基础。因此本课题组在对灌区主要农业源现状分析基础上, 选择灌区潜力较大的17种蔬菜, 在春小麦收获后进行复种, 通过作物田间及室内相关指标测定, 及经济效益、资源利用效益、地力提升3个2级指标, 热量利用率、水分利用率等12个3级指标的层次分析, 综合筛选适于灌区麦后复种的蔬菜模式, 为灌区种植制度改革提供理论依据。

1 研究方法

1.1 试验地概况

试验于2019年2—11月于宁夏引黄灌区银川农垦平吉堡五队(106°01′E, 38°24′N)开展, 平均海拔为1170 m, 属温带大陆性气候, 年平均气温8.5 ℃, 无霜期150~210 d, 年降雨量180~300 mm。土壤类型为淡灰钙土, 灌排方便、盐碱度低, 是宁夏银川平原典型区。该试验地耕层土壤(0~20 cm)化学性状为: pH 7.28, 有机质12.16 g∙kg-1, 碱解氮47.20 mg∙kg-1, 全氮0.78 g∙kg-1, 速效钾126.50 mg∙kg-1。

1.2 试验材料

小麦选用‘宁春50号’; 复种蔬菜共14种17个种(品种), 分别为辣椒()品种‘娇龙7号’ ‘洋大帅’, 黄瓜()品种‘德尔’ ‘626’, 西葫芦()品种‘绿皮西葫芦’, 西红柿()品种‘丰收128’ ‘粉印3号’, 西兰花()品种‘翠菲’, 娃娃菜()品种‘华耐B1102’, 莲花菜()品种‘华捷’, 芹菜()品种‘地中海’, 生菜()品种‘太湖659’, 苦苣()品种‘碎叶苦苣’, 苤蓝()品种‘优冠苤蓝’, 胡萝卜()品种‘漠舟红参’, 萝卜()品种‘水果沙窝萝卜’和满堂红()品种‘北京满堂红’。

1.3 试验设计

小麦2月28日播种, 7月12日收获, 收获后施底肥, 整地, 复种蔬菜。辣椒、西红柿、黄瓜均于6月初温棚育苗, 麦后移栽, 其他叶菜直播。复种菜采用单因子随机区组设计, 每个小区面积30 m2(5 m× 6 m), 中间隔0.5 m保护行, 东西设6个小区, 南北设3个重复, 试验地总面积1743 m2。种植规格辣椒为0.4 m×0.5 m, 西红柿为0.4 m×0.5 m, 黄瓜为0.4 m×0.5 m, 西葫芦为0.5 m×0.5 m, 西兰花为0.5 m×0.5 m, 娃娃菜为0.4 m×0.5 m, 莲花菜为0.4 m×0.5 m, 苤蓝为0.4 m×0.5 m, 白萝卜为0.4 m × 0.5 m, 满堂红为0.4 m×0.5 m, 以上蔬菜均起0.8 m×0.4 m垄; 生菜为0.3 m×0.4 m, 苦苣为0.3 m×0.5 m, 芹菜为0.25 m×0.4 m, 胡萝卜为0.25 m×0.3 m, 以上蔬菜平做。各小区为独立的滴灌单元。每两行铺设1根滴灌带, 滴灌带铺设在窄行内, 试验区四周种植3行保护行, 由潜水泵将水通过75 mm PE管抽送到试验小区, 与75 mm PE管接口处安装水表准确计量, 3 mm PE管做支管连接到16 mm毛管, 施肥溶于水用水泵施入。

1.4 田间管理

小麦播前施腐熟的有机肥45 000 kg∙hm−2做底肥, 施纯氮225 kg∙hm−2(基施86.442 kg∙hm−2)、纯钾120 kg∙hm−2; 其余氮肥分4次追施, 分别于4月18日、5月5日、5月15日和5月27日追施分蘖肥、拔节肥、孕穗肥和抽穗肥。播种量337.5 kg∙hm−2, 播种深度0.03 m。5月25日、6月20日防蚜虫2次。复种的西红柿、黄瓜、辣椒均于5月下旬与企业工厂化订单育苗, 苗龄30~40 d。7月12日小麦收获后基施磷酸二铵375 kg∙hm−2, 三元复合肥375 kg∙hm−2,整地, 并按试验设计做畦, 双行定植, 行距0.5 m。果菜类统一按15 000 kg∙hm−2施肥, 氮磷钾养分比例为N∶P2O5∶K2O=2.5∶0.65∶4.5, 叶菜类按N∶P2O5∶K2O=1.8∶0.81∶3.7施肥。果菜类纯氮131.25 kg∙hm−2、纯磷34.13 kg∙hm−2、纯钾118 kg∙hm−2(灌区土壤富钾, 总量减半施入), 叶菜类施纯氮121.15 kg∙hm−2、纯磷54.68 kg∙hm−2、纯钾125 kg∙hm−2(总量减半施入)。选择水溶性较好的磷酸一铵和尿素配施, 果菜类基施20%, 追施80% (8月15日、9月10日、9月20日和10月5日结合灌水各追肥1次, 分别占施肥总量的25%、25%、20%和10%); 叶菜类基施40%, 追施60%(8月15日、9月10日和9月20日结合灌水各追肥1次, 分别占施肥总量的25%、25%和10%)。及时清除病、老、黄叶。7月30用、8月15日、8月30日、9月15日、9月25日分别用75%百菌清600倍、64%杀毒矾500~800倍和植病灵500倍液交替施用防病虫。全生育期果菜类滴灌9次, 灌水总量3000 m3∙hm−2, 叶菜类滴灌6次, 灌水总量1800 m3∙hm−2, 其他管理同大田。

1.5 采样方法和指标测定

土壤采样: 分别于2月28日小麦播种前、7月12日收获后、10月20日复种的蔬菜收获后利用五点法用取样盒取土壤0~20 cm的土样, 带回实验室, 风干, 过1 mm筛后测定其理化性质。用酸度计法测定土壤酸碱度, 重铬酸钾法测定土壤有机质, 碱解扩散法测定碱解氮, 钼锑抗比色法测定有效磷, 具体操作方法见文献[31]。

植物采样: 8月5日复种的蔬菜出苗后利用五点法在每个试验小区用标签标定5株, 每隔10 d定期测定田间生长指标, 各种蔬菜采收期用五点取样法在每个试验小区取5个样方, 每个样方3株, 带回试验室测定相关指标。植株样全氮采用硫酸-重铬酸钾消煮法, 全磷采用H2SO4-H2O2硝煮钒钼黄比色法, 具体见文献[31]。

1.6 数据分析方法

水资源产出率(kg∙m-3)=单位面积作物产量(kg∙hm-2)/生育期灌水总量(m3∙hm-2) (1)

氮肥产出率=单位面积作物产量(kg∙hm-2)/单位面积作物施纯氮量(m3∙hm-2) (2)

磷肥产出率=单位面积作物产量(kg∙hm-2)/单位面积作物施纯磷量(m3∙hm-2) (3)

净收益(元∙hm-2)=∑(单位面积作物产量(kg∙hm-2)×产品单价(元)-单位面积总投入(元∙hm-2) (4)

产投比=∑(单位面积作物产量(kg∙hm-2)×产品单价(元)/单位面积总投入(元∙hm-2) (5)

热量(≥10 ℃积温)利用效率(%):

=∑s×100%/∑(6)

式中, ∑s为种植蔬菜生长期≥0 ℃或≥10 ℃积温, ∑为全年≥0 ℃或≥10 ℃积温。

气象资料来源于中国气象年鉴——宁夏回族自治区统计年鉴分享平台[32]。

复种蔬菜生产潜力的计算采用瓦赫宁根法, 其计算公式如下:

QT=(×PE××CT×CH×)/(a-d) (7)

=×0+(1-)×C(8)

=(se-0.5g)/0.8se(9)

g=(0.25+0.5n/)a×59(10)

式中:QT为生产潜力(kg∙hm-2);为标准作物总干物质产量(kg∙hm-2); PE为生育期间日平均可能蒸发量(mm∙d-1);为作物种类订正系数; CT为温度订正系数(测定时寇层温度×相对湿度%); CH为收获部分订正系数;为生育期天数(d);a为生育期内平均饱和水气压, 由生育期间平均气温查饱和水气压表得出;d为实际水气压, 由饱和水气压乘以生育期间平均相对湿度得出;为白天的云覆盖度;0为生育期间完全阴天时标准作物总干物质生产率(kg∙hm-2∙d-1);C为生育期间完全晴天时标准作物总干物质生产率(kg∙hm-2∙d-1);se为晴天最大入射有效短波辐射(J∙m-2∙d-1), 根据纬度查算;g为实测入射短波辐射(J∙m-2∙d-1);a为大气层顶的太阳辐射(mm∙d-1), 可根据纬度查算;/为日照百分率(%)。

公式(1)至(10)的计算及相关系数参照文献[33]。各种蔬菜的综合效益评价采用层次分析法(analytic hierarchy process, 简称AHP)。在评价指标中, 用不同数字表示两因素相比较不同的重要程度: 1表示两个因素相比, 具有同样的重要性; 3表示两个因素相比, 一个因素比一个因素稍微重要; 依次类推, 2、4、6、8表示上述两个相邻判断的中值。倒数表示因素与比较得判断值C, 则因素与比较得的判断值C=1/C。

数据采用Excel 2003和DPS软件处理。

2 结果与分析

2.1 灌区麦后复种蔬菜的潜力分析

2.1.1 近10年影响麦后复种蔬菜生育期主要气象因子

灌区2010—2019年降雨量的地区分布如图1所示, 银南、银川与银北地区间降雨量空间变化不大, 最大变化差异在50 mm之间, ≥10 ℃积温地区间差异较大, 以银南吴忠、中宁、银北惠农较高, 总体上银南地区高于银北区。

灌区近10年来, 气候资源平均值≥10 ℃积温为3407.9 ℃, 降水量为206.4 mm, 无霜期为208.4 mm, 蒸发量为1619.3 mm[32](表1), 灌区蒸发量远远大于降雨量, 除降雨不足外, 主要气候因子理论上完全可以保障大多数生育期较短的作物在灌区实现麦后两茬复种, 两季作物春小麦复种蔬菜理论需水量在扣除降水量外, 大田需补充灌溉水量400~800 mm。滴灌条件下需补充灌溉200~400 mm, 如果发展两熟, 就需要必要的灌溉补充。但对一些豆类等喜光作物(品种)、生长期较长的作物(品种)进行复种难度还较大, 只有通过移栽等栽培方式实现。从近10年的各气候因子变化看, 蒸发量趋于降低, 其他各因子均趋于增加, 说明气候变化对麦后复种两熟制完全有利, 除降水不足外(完全可通过灌溉补充), 其他各指标正在向一年两熟制靠近, 虽然还不能完全达到一年两熟的理论要求, 但发展一些短生育期多熟种植在理论上基本成熟。从目前选择多种可能复种模式产量的生产实际与理论值比较看出, 各模式在人为调控干预下还有很大的增产空间, 这为下一步开展麦后复种技术研究提供了广阔空间。

表1 宁夏引黄灌区2010—2019年主要气象资料

2.1.2 灌区麦后复种潜力分析

2.1.2.1 麦后复种各作物所需主要气象因子需求

灌区现≥10 ℃积温3200~3400 ℃, 生长期平均208.4 d (表2), 麦后复种各种蔬菜所需积温、生长日数与多年平均相比看出(表2), 小麦收获后复种叶菜类、果菜类、根菜类所需积温、生长日数均低于灌区实际值[32], 说明在灌区现有的条件下完全可以发展麦后复种两熟制; 复种根菜类蔬菜所需积温与生长期基本与灌区吻合, 在技术保证条件下, 实现麦后复种也可以保障; 复种果菜类作物所需积温及生长日数较高, 灌区现有的条件实现麦后复种还有一定困难, 但可以采用一些栽培技术如育苗移栽等方式实现, 特别对一些生育期较长的作物品种, 在复种中必须在栽培技术成熟后才可以实现。

表2 宁夏引黄灌区春小麦后种植不同蔬菜所需积温、生长日数

2.1.2.2 麦后复种蔬菜的潜力分析

由表3可知, 灌区大多麦后复种的蔬菜产量仅达理论产量的11.9%~52.9%, 果菜类产量相对于一季果菜产量很低, 但各蔬菜复种实际产量占理论产量的比值较高, 多在30%以上, 虽然有技术提升空间, 如可运用移栽技术缩短本田期提高产量, 但也说明果菜类在灌区发展麦后复种光热资源紧张, 尤其是热量资源与无霜期, 成为限制复种的关键因子; 叶菜类实际产量与理论产量相比较更低, 多不足20%, 其实际产量在技术可控的条件下, 提升空间很大, 一些叶菜如生菜可发展麦后两茬种植。

表3 宁夏引黄灌区春小麦后种植的不同蔬菜的光合生产潜力、实际产量以及实际产量与理论产量比值

2.2 灌区麦后复种蔬菜适宜种(品种)的筛选

利用层次分析法对14种蔬菜的17个品种进一步综合分析(AHP)。

2.2.1 麦后复种蔬菜综合效益评价指标体系及权重

为科学评价各模式的综合效益[34], 以经济效益、资源利用效率和地力提升3个2级指标下总计12个3级指标构建评价体系, 进行综合评价(图2)。

判断矩阵的标度及其含义表示见表4。根据每一层次间相对重要性, 构建各指标层相对于目标层的判断矩阵如表5所示。

各个评价层对目标层的总权重:={0.07; 0.07; 0.02; 0.02; 0.27; 0.24; 0.16; 0.06; 0.04; 0.01; 0.01; 0.01}。

2.2.2 麦后复种的17种(品种)蔬菜的效益分析

对春小麦收获后种植的17个蔬菜种(品种)的资源利用效益、经济效益和地力提升对应的热量利用效率、水分利用效率等12个指标进行方差分析(表6), 各蔬菜种(品种)间除pH差异不显著外, 其他各指标差异显著, 其中氮肥产出率、磷肥产出率、净收益均达极显著水平(<0.01), 其他指标均达显著水平(<0.05), 说明各蔬菜种(品种)在经济效益、提高氮磷肥利用率、降低氮磷在土壤残留均有显著差异, 为更准确对各蔬菜品种进行综合评价, 需要进一步建立评价矩阵并标准化处理。

为了求出不同蔬菜种类综合效益以便更进一步明确做出评判, 需要通过以下公式对数据标准化处理。

表4 宁夏引黄灌区各蔬菜类型综合评价模型2级评价层相对于目标层的相对重要性的判断矩阵

max=3.05, CI1=0.02, RI1=0.52, CR1=0.04<0.10。

表5 宁夏引黄灌区各蔬菜类型综合评价模型3级评价层相对于目标层的重要性的判断矩阵

B1: λmax=4.33, CI2=0.01, RI2=0.9, CR2=0.01<0.10; B2: λmax=4.08, CI3=0.03, RI3=0.9, CR3=0.03<0.10; B3: λmax=4.18, CI4=0.06, RI3=0.9, RI3=0.07<0.10

式中:表示第种蔬菜,表示第个评价指标,X表示第种蔬菜第个指标的值,min(j)表示各蔬菜第个指标的最小值,max(j)表示各蔬菜第个指标的最大值, 公式(11)计算参照文献[35]。标准化后各指标见表7。

各评价层值乘以相应其对总目标层权重, 得其对总目标层值的贡献值见表8。

表6 宁夏引黄灌区麦后复种蔬菜的17种(品种)蔬菜评价指标值

C1: 热量(≥10 ℃积温)利用效率(%); C2: 水分产出率(%); C3: 氮肥产出率(%); C4: 磷肥产出率(%); C5: 产量(×103kg∙hm-2); C6: 净收益(×103¥∙hm-2); C7: 产投比; C8: 实际产量占理论产量比值(%); C9: 有机质含量(g∙kg-1); C10: 碱解氮含量(mg∙kg-1); C11: 有效磷含量(mg∙kg-1); C12: pH的倒数(为了与其他指标变化一致, 便于比较)。同列数据后不同小写和大写字母分别表示各蔬菜处理间差异达5%和1%水平。C1: utilization efficiency of accumulated temperature ≥10 ℃ (%); C2: water production efficiency (%); C3: nitrogen fertilizer production efficiency (%); C4: phosphate fertilizer production efficiency (%); C5: yield (×103kg∙hm-2); C6: net income (×103¥∙hm-2); C7: ratio of output to input; C8: ratio of actual yield to theoretical yield (%); C9: organic matter content (g∙kg-1); C10: alkali-hydrolyzable nitrogen content (mg∙kg-1); C11: available phosphorus content (mg∙kg-1); C12: reciprocal of pH. Different lowercase and capital letters in the same column indicate significant differences at 5% and 1% levels among different vegetable treatments, respectively.

表7 宁夏引黄灌区麦后复种17种(品种)蔬菜各评价指标的标准化值

C1-C12含义见图2。The meanings of C1-C12are shown in the figure 2.

表8 宁夏引黄灌区麦后复种17种(品种)蔬菜各指标对综合效益的贡献值

C1-C12含义见图2。The meanings of C1-C12are shown in the figure 2.

2.2.3 麦后复种的17种(品种)蔬菜的综合评价结果

对麦后复种的17种(品种)蔬菜通过对资源利用率、经济效益、种植后地力的提升水平3个2级指标、12个3级指标的综合分析结果显示(表9), 17种(品种)蔬菜中资源利用效率较高的4种蔬菜种(品种)依次为白萝卜、满堂红、娃娃菜、黄瓜(‘626’), 分别比最低的生菜高173.7%、161.1%、126.9%和95.2%, 其资源利用效率高的原因主要是对灌区热量利用率较高; 对地力提升效果较的蔬菜种(品种)依次为胡萝卜、白萝卜、芹菜、西红柿(丰收128), 分别比最低的辣椒(‘娇龙7号’)高286.2%、244.6%、237.6%和193.8%, 其原因主要是种植后土壤有机质含量和碱解氮含量较高; 经济效益最高的4种(品种)蔬菜依次为娃娃菜、白萝卜、满堂红和辣椒(‘娇龙7号’), 分别比最低的苤蓝高215.7%、141.0%、78.2%和75.6%, 其原因主要体现在产量、产投比和收益3个方面。通过经济效益、地力提升、资源利用效率综合分析, 得出适于灌区麦后复种的蔬菜有8种(品种), 依次为娃娃菜、白萝卜、满堂红、辣椒(‘娇龙7号’)、辣椒(‘洋大帅’)、苦苣、芹菜和西葫芦, 其综合效益分别比最低的苤蓝高143.0%、121.5%、77.7%、46.3%、43.0%、35.5%、33.1%和33.0%, 可以大面积推广。

3 讨论与结论

复种以地区优势资源集约利用为基础, 以提高土地利用率为主要途径, 以高产、优质、高效、生态为目标, 是提高土地生产率的有效途径, 对中国农业起着支柱性作用[1]。针对本研究结果及现有的报道, 主要讨论以下问题: 第一是熟制问题。我国由于气候复杂, 由北至南可划分为不同熟制带。宁夏引黄灌区由于热量资源的制约, 理论上属于一年1熟有余、两熟不足地区[33], 但实践证明该区可以实现以冬小麦为主的两年3熟, 20世纪90年代即进行过相关研究与推广[36]。由于气温升高, 灌区近10年气象资料显示, 与20世纪90年代相比较, 限制种植制度的灌区热量资源有了很大改善, ≥10 ℃积温增加200 ℃左右, 无霜期由原来的185 d左右增加至200 d左右, 区冬小麦一般比春小麦早熟15 d。从现有的主要农业资源热量、无霜期、水分(补充灌溉)等条件看, 理论上可以实现春小麦与短生育期蔬菜及其他作物的一年两熟复种模式, 这与赵胜[3]和赵锦等[4]研究相同, 因此灌区的熟制从理论上应当划分为一年两熟区。灌区农作制度正处于改革的关键时期, 传统覆盖灌区大面积种植60年的小麦/玉米模式2019年后已不复存在, 随着新时期优质粮食草畜产业的发展需求, 农作制度也会发生相应改革, 而麦后复种是一种很好满足不同产业对农产品需求的种植方式而且通过合理的复种, 可以增进地力保育, 生态健康, 由于其复种类型多样, 相应的研究空间更广阔, 因此对该地区理论上两熟区的划分对新时期农作制度的发展意义重大, 需引起同行共识。第二是灌区的复种潜力问题。关于作物光温生产潜力的研究较多, 特别对半干旱地区小麦、玉米等作物光温生产潜力有深入的研究[31], 但对蔬菜光温生产潜力的研究较少。而且由于类型多样, 种类间差异较大, 有些指标相互间没有可比较性, 对其生产潜力的估算也存在一些难点。因此针对灌区以春小麦为主, 开展复种不同蔬菜光温生产潜力的研究, 对灌区种植制度在理论上有很好的支撑作用。本研究以多年气象资料为基础, 从理论上计算了春小麦复种蔬菜的光温生产潜力, 但实际产量与理论产量的比值仅是1年数据; 同时, 从灌区不同地区麦后复种作物分析, 不同地区复种作物间产量及其他效益差异也较大, 如刘超等[30]在灌区永宁研究得出种植甘蓝产量47 550 kg∙hm-2, 经济效益29 107.2 ¥∙hm-2, 本试验中甘蓝产量22 300 kg∙hm-2, 经济效益15 000.0 ¥∙hm-2, 二者间差异较大, 这与选择的作物品种和种植方式有关。但为了明确其复种的潜质, 对其现有光热条件下生产潜力的研究意义重大, 还需要在研究方法、作物品种的代表性等方面进行深入研究。第三是关于适宜种植模式评价体系的构建。21世纪初以前种植模式效益评价主要以经济效益为主[14]; 21世纪以来, 针对农业投入品增加而引起的污染加重, 种植模式的效益评价体系也从持续生态、经济高效等多方面提出要求, 如本课题研究人员曾在灌区开展的以低污染为主的农业种植模式筛选, 提出生态效益、经济效益及社会效益的评价体系[34,36]。王长松等[35]提出了相似的评价体系。杨印生等[37]提出了以环境保护为目标的评价体系。现代多功能复合农业的发展, 使区域种植模式体系更加多元化, 但针对每个2级指标(生态效益、经济效益、社会效益)评价下的3级指标的典型性筛选缺乏科学依据, 需进一步研究。第四是本研究从经济效益、资源效率及地力提升对17种(品种)蔬菜的筛选研究中也有与现有研究不同地方, 如本研究中发现灌区麦后复种西兰花效益偏低, 与李泽坤等[21]研究不同。主要原因是本试验中西兰花采用直播, 后期生长积温不够, 产量低, 很多果菜类采用育苗移栽方式, 在产量上会有较大提高, 但综合效益还需进一步研究; 另外若采用移栽方式, 产量会有较大提高。一些模式如复种的黄瓜、西葫芦产量较高, 复种产量稳定超过45 t∙hm-2, 但秋季市场价格低, 经济效益不乐观。总之, 所筛选的8种适宜麦后复种的蔬菜种(品种), 从地区资源利用、地力提升及经济效益进行综合评价, 是一类经济高效的种植模式, 这与刘超等[30]研究结果一致。试验也总结出一些问题, 一是果菜类如辣椒后期产量不高, 但在技术方面提升空间较大, 由于价格多年来持于稳定, 因此有必要在栽培技术方面深入研究, 其他如黄瓜潜力不大; 二是蔬菜效益评价中经济效益是主要指标, 但受其价格波动影响, 使效益评价结果也受到干扰, 虽然不影响总体排序, 但对净收益及产投比影响较大; 三是后期复种的蔬菜试验期机械化程度较低, 如果在播种、病虫防控、采收等方面提高机械化生产水平, 复种效益会大幅度提升。因此后续开展春小麦复种适种蔬菜高产高效的栽培技术、农机农艺一体化等关键技术对推动灌区麦后复种潜力很大。

表9 宁夏引黄灌区麦后复种的17种(品种)蔬菜的综合评价结果

总之, 近10年来, 灌区年≥10 ℃积温为3407.9 ℃, 降水量为206.4mm, 无霜期为208.4 mm, 蒸发量为1619.3mm, 主要气候因子理论上完全可以满足麦后复种叶菜类和根菜类; 但其与理论生产潜力相比较, 实际产量的提升空间较大, 气候资源对麦后复种果菜类生产不足。灌区春小麦后复种的17种(品种)蔬菜中, 资源利用效率较高的4种蔬菜依次为白萝卜、满堂红、娃娃菜和黄瓜(‘626’), 对地力提升效果最好的4种蔬菜依次为胡萝卜、白萝卜、芹菜和西红柿(‘丰收128’), 经济效益最高的4种蔬菜分别为娃娃菜、白萝卜、满堂红和辣椒(‘娇龙7号’), 经综合评价, 适于宁夏引黄灌区麦后复种的8种蔬菜分别为娃娃菜、白萝卜、满堂红、辣椒(‘娇龙7号’)、辣椒(‘洋大帅’)、苦苣、芹菜和西葫芦, 可大面积推广。

[1] 刘巽浩, 陈阜, 吴尧. 多熟种植——中国农业的中流砥柱[J]. 作物杂志, 2015, (6): 1–9 LIU X H, CHEN F, WU Y. Multiple cropping: The principal part of China’s agriculture[J]. Crops, 2015, (6): 1–9

[2] 梁玉刚, 周晶, 杨琴, 等. 中国南方多熟种植的发展现状、功能及前景分析[J]. 作物研究, 2016, 30(5): 572–578 LIANG Y G, ZHOU J, YANG Q, et al. Development status, function and prospect analysis of the multiple cropping in southern China[J]. Crop Research, 2016, 30(5): 572–578

[3] 赵胜. 气候变化背景下中国耕地现实熟制与潜在熟制差异的时空格局研究[D]. 武汉: 华中师范大学, 2018 ZHAO S. Temporal and spatial patterns of differences between the actual and potential multiple cropping of cultivated land in China under the background of climate change[D]. Wuhan: Central China Normal University, 2018

[4] 赵锦, 杨晓光, 刘志娟, 等. 全球气候变暖对中国种植制度可能影响Ⅱ. 南方地区气候要素变化特征及对种植制度界限可能影响[J]. 中国农业科学, 2010, 43(9): 1860–1867 ZHAO J, YANG X G, LIU Z J, et al. The possible effect of global climate changes on cropping systems boundary in China Ⅱ. The characteristics of climatic variables and the possible effect on northern limits of cropping systems in South China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(9): 1860–1867

[5] 金姝兰, 徐彩球, 潘华华. 我国粮食主产区耕地复种指数变化特征与潜力分析[J]. 贵州农业科学, 2011, 39(4): 201–204 JIN S L, XU C Q, PAN H H. Change characteristics and potential analysis for multiple cropping index of cropland in major grain producing areas in China[J]. Guizhou Agricultural Sciences, 2011, 39(4): 201–204

[6] 赵永敢, 李玉义, 逄焕成, 等. 西南地区耕地复种指数变化特征和发展潜力分析[J]. 农业现代化研究, 2010, 31(1): 100–104 ZHAO Y G, LI Y Y, PANG H C, et al. Characteristics and developmental potentials on multiple cropping index of arableland in southwestern China[J]. Research of Agricultural Modernization, 2010, 31(1): 100–104

[7] 柴强, 高育峰, 黄高宝. 绿洲灌区多熟种植现状潜力与开发对策——以张掖市甘州区为例[J]. 甘肃农业大学学报, 2005, 40(6): 832–836 CHAI Q, GAO Y F, HUANG G B. Current status potency and development countermeasure of multiple cropping in the oasis irrigation area[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2005, 40(6): 832–836

[8] 祖世亨, 曲成军, 高英姿, 等. 黑龙江省冬小麦气候区划研究[J]. 中国生态农业学报, 2001, 9(4): 85–87 ZU S H, QU C J, GAO Y Z, et al. Division of winter wheat planting area based on climate in Heilongjiang Province[J]. Chinese Journal Eco-Agriculture, 2001, 9(4): 85–87

[9] REYENGA P J, HOWDEN S M, MEINKE H, et al. Global change impacts on wheat production along an environmental gradient in South Australia[J]. Environment International, 2001, 27(2/3): 195–200

[10] THOMAS A. Agricultural irrigation demand under present and future climate scenarios in China[J]. Global and Planetary Change, 2008, 60(3/4): 306–326

[11] ZHANG X Y, MA X. Misplaced optimism in agricultural land usage driven by newly available climate resources: A case study of estimated and realized cropping intensity in northern and northeastern China[J]. Climate Risk Management, 2019, 25: 100194

[12] YAN H M, LIU F, NIU Z E, et al. Changes of multiple cropping in Huang-Huai-Hai agricultural region, China[J]. Journal of Geographical Sciences, 2018, 28(11): 1685–1699

[13] 蒋敏, 李秀彬, 辛良杰, 等. 南方水稻复种指数变化对国家粮食产能的影响及其政策启示[J]. 地理学报, 2019, 74(1): 32–43 JIANG M, LI X B, XIN L J, et al. The impact of paddy rice multiple cropping index changes in southern China on national grain production capacity and its policy implications[J]. Acta Geographica Sinica, 2019, 74(1): 32–43

[14] 黄国勤, 孙丹平. 中国多熟种植的发展现状与研究进展[J]. 中国农学通报, 2017, 33(3): 35–43 HUANG G Q, SUN D P. Development situation and research progress of multiple cropping in China[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2017, 33(3): 35–43

[15] WILLEY R W. Intercropping—its importance and research needs. Part I. Competition and yield advantages[J]. Field Crops Abstract, 1979, 32(1): 1–10

[16] LI L, SUN J H, ZHANG F S, et al. Wheat/maize or wheat/soybean strip intercropping: I. Yield advantage and interspecific interactions on nutrients[J]. Field Crops Research, 2001, 71(2): 123–137

[17] 刘广才, 杨祁峰, 李隆, 等. 小麦/玉米间作优势及地上部与地下部因素的相对贡献[J]. 植物生态学报, 2008, 32(2): 477–484 LIU G C, YANG Q F, LI L, et al. Intercropping advantage and contribution of above- and below-ground interactions in wheat-maize intercropping[J]. Journal of Plant Ecology, 2008, 32(2): 477–484

[18] 周宝元, 葛均筑, 侯海鹏, 等. 黄淮海平原南部不同种植体系周年气候资源分配与利用特征研究[J]. 作物学报, 2020, 46(6): 937–949 ZHOU B Y, GE J Z, HOU H P, et al.Characteristics of annual climate resource distribution and utilization for different cropping systems in the South of Yellow-Huaihe-Haihe Rivers Plain[J]. Acta Agronomica Sinica, 2020, 46(6): 937–949

[19] 伍思平, 眭锋, 肖小军, 等. 南方双季稻区不同复种方式对稻田综合温室效应的影响[J]. 核农学报, 2020, 34(2): 376–382 WU S P, SUI F, XIAO X J, et al. Effects of different multiple cropping pattern on the global warming potential in southern double cropping rice fields[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2020, 34(2): 376–382

[20] 刘云龙, 张久东, 张卫建. 河西灌区小麦复种绿肥对小麦产量及土壤物理结构的影响[C]//中国作物学会. 2019年中国作物学会学术年会论文摘要集. 杭州: 中国作物学会, 2019: 1 LIU Y L, ZHANG J D, ZHANG W J. Effects of multiple cropping green manure on wheat yield and soil physical structure in Hexi Irrigation area[C]//Chinese Crop Association. Abstracts of Papers of the Annual Conference of Chinese Crop Association in 2019. Hangzhou: Chinese Crop Association, 2019: 1

[21] 李泽坤, 田德龙, 徐冰, 等. 不同灌溉水量下春小麦复种西兰花产量及水分利用效率研究[J]. 中国农村水利水电, 2020, (3): 25–28 LI Z K, TIAN D L, XU B, et al. Research on the yield and water use efficiency of spring wheat replanted broccoli under different irrigation water volumes[J]. China Rural Water and Hydropower, 2020, (3): 25–28

[22] 张明. 春小麦高效复种模式及配套技术[J]. 现代农业, 2018, (6): 52–53 ZHANG M. High-efficiency multiple cropping pattern and matching technology of spring wheat[J]. Modern Agriculture, 2018, (6): 52–53

[23] 朱志明, 杨晓婉, 杜海东, 等. 宁夏引黄灌区种植制度的演变与发展[J]. 农业科学研究, 2019, 40(2): 39–45 ZHU Z M, YANG X W, DU H D, et al. Evolution and development of tillage system in Ningxia Irrigation Area of Yellow River Diversion[J]. Journal of Agricultural Sciences, 2019, 40(2): 39–45

[24] 周立萍, 吴宏亮, 康建宏. 宁夏引黄灌区不同种植模式的经济效益分析[J]. 南方农业, 2019, 13(17): 99–101 ZHOU L P, WU H L, KANG J H. Economic benefit analysis of different planting patterns in Ningxia Irrigation District of diverting the Yellow River[J]. South China Agriculture, 2019, 13(17): 99–101

[25] 范玲, 何文寿, 贾彪. 宁夏引黄灌区麦后复种饲料油菜生长发育规律及其主要性状分析[J]. 西南农业学报, 2018, 31(7): 1355–1359 FAN L, HE W S, JIA B. Growth and Development rule and analysis of main characters ofL. after spring wheat harvesting in irrigated area of Ningxia[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2018, 31(7): 1355–1359

[26] 韦春雨, 贾彪, 何文寿. 氮磷配施对麦后复种饲料油菜农艺性状及产量的影响[J]. 湖北农业科学, 2018, 57(20): 40–43 WEI C Y, JIA B, HE W S. Effects of nitrogen phosphorus combined application on agronomic characters and yield ofof multiple cropping after wheat[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2018, 57(20): 40–43

[27] 王东兴. 春小麦复种油葵高产栽培技术[J]. 现代农业, 2018, (10): 45 WANG D X. High-yield cultivation techniques of multiple cropping oil sunflower with spring wheat[J]. Modern Agriculture, 2018, (10): 45

[28] 栗鑫鑫, 钱必长, 李金融, 等. 不同种植方式对麦油两熟制花生生理特性及产量的影响[J]. 山东农业科学, 2018, 50(6): 90–95 LI X X, QIAN B C, LI J R, et al. Effects of different planting methods on physiological characteristics and yield of peanut in wheat-peanut double cropping system[J]. Shandong Agricultural Sciences, 2018, 50(6): 90–95

[29] 朱倩倩, 刘国宏, 许咏梅, 等. 水氮对新疆南部麦后复种饲料油菜产量和品质的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2019, 27(7): 1033–1041 ZHU Q Q, LIU G H, XU Y M, et al. Effect of water and nitrogen on the yield and quality of forage rape grown after wheat in South Xinjiang[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(7): 1033–1041

[30] 刘超, 廖允成. 宁夏引黄灌区春小麦复种模式效益对比试验研究[J]. 宁夏农林科技, 2018, 59(4): 12–14 LIU C, LIAO Y C. Economic benefit comparison of multiple cropping patterns of spring wheat in Yellow River Irrigation Area, Ningxia[J]. Ningxia Journal of Agriculture and Forestry Science and Technology, 2018, 59(4): 12–14

[31] 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 第3版. 北京: 中国农业出版社, 2000 BAO S D. Agrochemical Analysis of Soils[M]. 3rd ed. Beijing: China Agricultural Press, 2000

[32] 宁夏统计年鉴委员会. 宁夏回族自治区统计年鉴分享平台[EB/OL]. www.yearbookchina.comCommittee of Ningxia Staticitical Sharing Platform of Statistical Yearbook of Ningxia Hui Autonomous Region[EB/OL]. www.yearbookchina.com

[33] 李军. 农作学[M]. 第2版. 北京: 科学出版社, 2016: 68–71 LI J. Science of Farming System[M]. 2nd ed. Beijing: Science Press, 2016: 68–71

[34] 刘根红, 许强, 乔娜, 等. 宁夏自流灌区农作物氮磷低污染种植结构优化[J]. 干旱地区农业研究, 2016, 34(1): 140–146 LIU G H, XU Q, QIAO N, et al. Cultivation structure optimization of crops with low nitrogen and phosphorus pollution in irrigated Yellow River Region of Ningxia[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2016, 34(1): 140–146

[35] 王长松, 周海波, 叶川. 江西省红壤旱地多年轮种模式的综合效益评价[J]. 现代农业科技, 2019, (14): 163–167 WANG C S, ZHOU H B, YE C. Comprehensive benefit evaluation of crop rotation patterns of red soil dry land in Jiangxi Province[J]. Modern Agricultural Science and Technology, 2019, (14): 163–167

[36] 刘根红, 许强, 康建宏, 等. 基于低污染的宁夏引黄灌区13种种植模式氮磷平衡分析[J]. 干旱地区农业研究, 2012, 30(2): 1–7LIU G H, XU Q, KANG J H, et al. Analysis of equilibrium between nitrogen and phosphorus in thirteen planting patterns in the area irrigated with Yellow River water in Ningxia based on low pollution[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2012, 30(2): 1–7

[37] 杨印生, 林伟. 不同玉米种植模式的环境影响评价研究——基于LCA[J]. 农机化研究, 2015, 37(12): 1–6YANG Y S, LIN W. Study on environmental impact evaluation of different corn planting patterns—based on LCA[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(12): 1–6

Determining suitable vegetables for planting after spring wheat harvest in the Ningxia Yellow River Irrigation Area*

LIU Genhong, XUE Yinxin, ZHANG Qian, ZHOU Jiarui, MAI Xiaofeng, MU Zhimei

(College of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Multiple cropping is important for improving land use and ensuring regional food security. Climate change in the Ningxia Yellow River Irrigation Area in recent years favors a multiple-cropping system. Thus, a hierarchical analysis (AHP) with three secondary indicators and twelve three-level indicators was used to determine the vegetable crops that could be planted after spring wheat harvest based on the climate. By doing so, a double-cropping system could be implemented in the Ningxia Yellow River Irrigation Area. In the irrigation area over the past ten years, the annual accumulated temperature ≥ 10 ℃ was 3407.9 ℃, the annual precipitation was 206.4 mm, and the annual evaporation was 1619.3 mm. These climatic conditions are sufficient for leaf and root vegetables cropping after spring wheat harvest. Compared with the theoretical production potential, the actual yield had room for improvement; the conditions were insufficient for fruit vegetable crops after spring wheat harvest. Among 17 vegetable species (varieties) planted after spring wheat, four had higher use efficiency (turnip, mantanghong, baby cabbage, and cucumber), four improved soil fertility (carrot, turnip, celery, and tomato), and four had higher economic benefits [baby cabbage, turnip, mantanghong, and pepper (Jiaolong 7)]. AHP evaluation showed that eight vegetables were suitable for planting after spring wheat harvest based on their comprehensive benefits: baby cabbage, turnip (white turnip), turnip (mantanghong), pepper (Jiaolong 7), pepper (Yangdashuai), endive, celery, and squash (33.0%); they had 143.0%, 121.5%, 77.7%, 46.3%, 43.0%, 35.5%, 33.1% and 33.0% higher comprehensive benefits than kohlrabi. These eight vegetables can be widely cultivated across the area.

Springwheat; Vegetable; Multiple cropping; Ningxia Yellow River Irrigation Area

10.13930/j.cnki.cjea.200298

刘根红, 薛银鑫, 张倩, 周佳瑞, 买晓凤, 穆志梅. 宁夏引黄灌区春小麦复种蔬菜适宜种类筛选[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021, 29(3): 559-571

LIU G H, XUE Y X, ZHANG Q, ZHOU J R, MAI X F, MU Z M. Determining suitable vegetables for planting after spring wheat harvest in the Ningxia Yellow River Irrigation Area[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(3): 559-571

S344.3

* 宁夏回族自治区重点研发项目(2019BBF02007)资助

刘根红, 主要研究方向为作物栽培与耕作学。E-mail: liu_genhong@163.com

2020-04-24

2020-07-01

* This study was supported by the Key Research and Development Project of Ningxia Hui Autonomous Region (2019BBF02007).

, LIU Genhong, E-mail: liu_genhong@163.com

Apr. 24, 2020;

Jul. 1, 2020