陶冬雪，胡 娟，高英志，周道玮

(1.东北师范大学 草地科学研究所，植被生态科学教育部重点实验室，吉林松嫩草地生态系统国家野外科学观测研究站，吉林 长春 130024；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所 吉林省草地畜牧重点实验室，吉林 长春 130102)

0 引 言

20世纪全球温度平均升高了0.6 ℃，预计在21世纪温度将继续上升1.4 ℃～ 5.8 ℃[1]。增温延长了作物的生育期，且为发展一年两茬种植模式提供了温度基础。吉林省西部半干旱地区是气候变化过程中增温最显著的地区之一[2-3]，主产玉米和大豆等作物，一般为一年一季作物。一年两茬种植模式能增加作物光合时间和土地覆盖时长，降低春季土壤侵蚀，进而提高土地利用效率和生产力，有利于经济的发展和生态环境的保护。

前人多项研究表明，一年两茬种植模式可以增加作物对光和水的利用效率进而增加产量，显著提高经济效益[4-6]，在有限的资源和空间实现可持续发展[7-9]。同时，一年两茬种植模式可以提高作物对土、光、水及肥的利用率，为农业带来高产的同时还有助于培肥土壤，减少病虫害发生[10-11]。前人研究多集中于一年两茬种植对作物产量的影响，而有关产量、产值及物候期、种植密度及水分管理的综合研究较少，尤其缺乏半干旱地区一年两茬种植模式的研究。

吉林省西部地区传统的种植制度为玉米一年一茬，5月初种植，10月初收获。如能有效利用4-5月和10-11月的光、热及水资源，在提高生产力的同时还能增加植被覆盖时间，提高土地利用率[12]，实现半干旱地区农业的可持续发展。该区春季低温[13]，由于年内和年际的降水分布不均，旱灾频繁发生，春旱常导致延迟播种，制约农业经济发展[14]。小麦和燕麦是重要的经济作物，在4月初播种，较玉米播种期提前约一个月，可避免或减缓春旱威胁。种植密度对小麦群体或个体生长有明显调控作用[15-20]，但有关半干旱地区种植密度调控小麦产量的研究鲜见报道。芥菜型油菜具有较强的抗旱性[21]，适宜半干旱地区种植。灌溉是半干旱地区有效的农业管理措施，然而，有关半干旱地区芥菜型油菜灌水量的研究甚少。因此，本文试图从产量和经济效益方面探究一年两茬种植模式在吉林西部半干旱地区种植的可行性，并明确麦类作物适宜的种植密度以及芥菜型油菜适宜的灌水量，以期构建高效农作物栽培模式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在吉林省白城市通榆县(120°02′～123°30′E，44°12′～45°16′N)和松原市长岭县(123°44′～123°47′E，44°40′～44°44′N)进行。两个试验地均属温带半干旱大陆性季风气候，四季分明，温差大。通榆县年均气温5.5 ℃，年平均日照2 900 h，10 ℃以上有效积温2 920 ℃，无霜期164 d，年均降雨量350 mm，约70%降水集中在6-8月份。长岭县年平均气温4.9 ℃，年平均日照2 872 h，10℃以上有效积温 2 919 ℃，无霜期140 d左右，年平均降水量470 mm。长岭县和通榆县试验区耕层土壤养分含量分别为有机质17.4 g·kg-1和18.5 g·kg-1，全氮0.99 g·kg-1和0.97 g·kg-1、有效磷5.91 mg·kg-1和6.22 mg·kg-1、速效钾141 mg·kg-1和144 mg·kg-1。

1.2 试验材料

小麦品种选择小冰麦(XiaobingTriticumaestivum)、澳麦(AustralianTriticumaestivum)、前青小麦(通榆县前青村当地多年品种，具体品种名未知)；燕麦品种选择加燕2号(Avenasativa)，芥菜型油菜品种选择芥辣菜(CanolahyolaSinapis)和黑芥末(CanolahyolaBrassica)；供试玉米品种为优迪598(Zeamays)，供试白菜品种为德高371(Brassicapekinensis)。

1.3 试验设计

于2018年在通榆县和长岭县布置试验。第一茬种植前青小麦、小冰麦、加燕2号、澳麦，于4月5日播种，播种量75 kg·hm-2。第二茬种植白菜、芥辣菜、黑芥末，在第一茬收获后于7月22日播种，播种量5 kg·hm-2。试验采用随机区组设计，每处理3次重复，小区面积45.6 m×1.95 m。每处理均以磷酸二铵(N含量18%，P2O5含量46%)为种肥，施肥量300 kg·hm-2。第一茬7月上旬收获，芥菜型油菜11月下旬收获，其他田间管理同常规种植。玉米5月份播种，65 cm等行距种植，10月份收获。白菜在7月份播种，10 cm等行距种植，10月份收获。以当地传统的种植模式玉米一年一茬为对照，设前青小麦/白菜、小冰麦/芥辣菜、小冰麦/黑芥末、澳麦/芥辣菜、澳麦/黑芥末、加燕2号/芥辣菜和加燕2号/黑芥末7种一年两茬种植模式。

对第一茬小冰麦、加燕2号、澳麦种植处理进行密度裂区设计，设3个种植密度处理，分别为290株·m-2、245株·m-2、200株·m-2。对第二茬芥辣菜、黑芥末种植处理进行灌水量裂区设计，分别设常规灌水量9.04×104mm·hm-2(W1)、半干旱处理灌水量4.52×104mm·hm-2(W0.5)和干旱处理灌水量，即不灌溉(W0)。

1.4 测定项目与方法

观察并记录小冰麦、澳麦、加燕2号和前青小麦三叶期、分蘖期、拔节期、孕穗期、抽穗期、乳熟期和成熟期时间。观察并记录芥辣菜、黑芥末五叶期、现蕾期、抽苔期、开花期、绿熟期和成熟期时间。

小冰麦、澳麦、加燕2号、前青小麦、芥辣菜和黑芥末在成熟期按1 m2取茎叶和籽粒。玉米在成熟期按1 m2取茎叶和籽粒。白菜在成熟期按1 m2取全部植株地上部分并测产。每种作物测产取3次重复，白菜鲜重称量，籽粒和茎叶在105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒重后称重，玉米籽粒称重后按14%含水量折算产量。

1.5 数据处理

采用SPSS 22.0进行数据处理，SigmaPlot 17.5制作图表，LSD法进行差异显著性检验，显著水平(P)为5%，P<0.05为差异显著，P≥0.05为差异不显著。采用R 3.6.1和R stidio 1.1.463中reshape2和tidyverse包对生育期数据进行整理和分析，用ggplot2进行图像的绘制。

2 结果与分析

2.1 生育期

一年一茬种植的玉米生育期为150 d，前青小麦/白菜总生育期175 d。小冰麦、澳麦、加燕2号与芥辣菜、黑芥末一年两茬种植总生育期189～199 d(图1)。说明一年两茬种植较传统玉米一年一茬种植明显延长了作物生长的日期。

长岭县和通榆县第一茬作物前青小麦、小冰麦和加燕2号的生育期为92 d，于4月5日播种后均表现为4月19日出苗，4月29日进入三叶期，5月4日进入分蘖期，5月21日进入拔节期，6月7日进入孕穗期，6月17日进入抽穗期，6月26日进入乳熟期，7月6日成熟并收获。澳麦的生育期较前青小麦、小冰麦和加燕2号长5 d，总生育期102 d，主要延长了成熟期天数。

长岭县和通榆县第二茬作物芥辣菜和黑芥末生育期97 d。两种芥菜型油菜于7月22日播种后均表现为8月1日出苗，8月10日进入五叶期，8月20日进入现蕾期，8月28日进入抽苔期，9月17日进入开花期，10月8日进入绿熟期，10月27日成熟并收获。

2.2 产量和产值

第一茬前青小麦、小冰麦、澳麦和加燕2号茎叶和籽粒的产量和产值存在显著差异(表1)。小冰麦茎叶产量显著高于前青小麦、加燕2号和澳麦，前青小麦和加燕2号茎叶产量显著高于澳麦(P<0.05)。加燕2号的茎叶产值显著高于其他3种小麦，提高幅度为13.4倍～18.0倍。前青小麦、小冰麦、澳麦的籽粒产量显著高于加燕2号(P<0.05)。小冰麦和加燕2号的籽粒产值较前青小麦和澳麦分别显著提高19.2%～29.0%和9.3%～18.4%(P<0.05)，且小冰麦籽粒产值较加燕2号高9.0%。第二茬白菜总产量显著高于两种芥菜型油菜，且总产值比芥辣菜和黑芥末分别显著提高了19.7%和26.2%。芥辣菜的产量和产值较黑芥末高6.8%和5.4%，未达显著水平。

表1 不同种植作物产量和总产值对比Table 1 Comparison of yield and gross production value of different planting crops

注：图中数字表示该生育时期的天数。Note:The numbers in the figures indicate the number of days required for the phenology.图1 不同种植模式作物的生育期变化Fig.1 Crop phenology in different treatments

第二茬种植白菜有较高的产值，但白菜种植的田间管理耗时费力，一旦管理不当会导致严重减产，同时投入成本非常高，仅农药成本约达8 000 yuan·hm-2。另外，白菜市场价格受控于各种因素，在大面积种植的情况下很容易引起秋季滞销现象，造成堆积腐烂受损。而种植芥菜型油菜投入成本低，田间管理简单，收获效益较高。玉米一年一茬产值为26 337 yuan·hm-2，一年两茬种植较玉米一年一茬总产值提高42.4%～94.0%(图2)。加燕2号/芥辣菜和加燕2号/黑芥末种植模式总产值较高，分别达51 092 yuan·hm-2和50 042 yuan·hm-2，分别是玉米的1.94倍和1.90倍。

2.3 灌水量对芥菜型油菜籽粒产量的影响

不同灌水量对芥辣菜和黑芥末籽粒产量有显著影响(图3)。W0.5和W1处理芥辣菜和黑芥末籽粒产量均显著高于W0处理(P<0.05)，但W0.5和W1处理间差异不显著。W0.5处理芥辣菜籽粒产量为3 665 kg·hm-2，较W1处理低2.6%；W0.5处理黑芥末籽粒产量为3 308 kg·hm-2，较W0.5处理低7.9%。上述研究结果表明，对芥辣菜和黑芥末进行灌溉控制，灌水量处理为W0.5时两种芥菜型油菜籽粒产量可以达到较高水平。

注：不同字母代表不同种植模式总产值的差异(P<0.05)。Note:Different letters represent significant differences in gross production values of different planting patterns(P<0.05).图2 不同种植模式总产值比较 Fig.2 Comparison of gross production value of different planting patterns

2.4 种植密度对小麦籽粒产量的影响

不同种植密度处理对小麦籽粒产量有显著影响(图4)。245株·m-2和290株·m-2处理小冰麦、澳麦和加燕2号籽粒产量均显著高于200株·m-2处理(P<0.05)。尽管245株·m-2和200株·m-2处理间差异不显著，但245株·m-2处理小冰麦、澳麦和加燕2号籽粒产量分别达7 820 kg·hm-2、6 060 kg·hm-2和3 130 kg·hm-2，较290株·m-2处理分别高10.4%、8.7%和3.9%。

注：不同字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note:Different letters represent significant differences between treatments at P<0.05.The same is as below.图3 灌水量对油芥菜籽粒产量的影响Fig.3 Effects of irrigation amounts on grains yields and water efficiency of Canola

图4 种植密度对小麦和燕麦籽粒产量的影响Fig.4 Effects of planting densities on wheat grain yields

3 讨 论

气候变暖对农作物生长最直接的影响是延长作物生长季[22]。相关研究指出，半干旱地区出苗日期的推迟主要是由播种日期推迟引起的[23]，而第一茬四月份种植小麦使出苗期提前。第二茬种植芥菜型油菜，其具有抗寒能力，成熟日期的推迟有利于延长芥菜型油菜籽粒生长时间，提高千粒重，有利于增加产量[24]。气候变暖使东北区适宜作物生长期延长10天左右，提高了一年种植两茬作物的可行性[25]。吉林西部一年两茬种植模式，相比于当地传统的玉米一年一茬种植不仅延长了作物生长日期，而且显著增加了产值，总产值提高42.4%～94.0%。加燕2号和芥辣菜一年两茬种植模式经济效益最高，是玉米一年一茬种植模式的1.94倍。第一茬种植加燕2号，有利于推动吉林省西部地区农牧交错带粮经饲改革，同时引进的小冰麦和澳麦品种适宜在当地生长，且产量高于当地本土小麦(前青小麦)。此外，第二茬种植白菜和芥菜型油菜也有较高的产量和产值。白菜是一种重要的蔬菜，但白菜市场价格受控于各种因素，在大面积种植的情况下很容易引起秋季滞销现象。而芥菜型油菜具有很高的经济价值，是我国重要的食用植物油来源[26]，是当地的新兴作物具有很好的销售前景，而且有望通过大面积种植在当地建立有料加工产业，促进当地经济发展。

在栽培管理过程中，可通过适量灌溉、调整种植密度等措施来减少资源浪费和增加作物产量。已有研究表明，种植密度对作物产量及其构成因素具有明显调控作用，在一定种植密度范围内，产量随种植密度的增加而增加，当种植密度达到一定水平后，产量随种植密度增加呈下降趋势[27-28]。本研究表明，种植密度为245株·m-2小冰麦、澳麦、加燕2号的产量显著高于200株·m-2，而种植密度为290株·m-2的产量低于245株·m-2。种植密度是协调群体与个体最有效的措施[29]，低密度条件下个体发育良好，而密度超过一定限度，叶面积指数过大，小麦生长中后期植株互相遮荫严重，冠层中下部通风透光不良，导致光合速率显著降低，群体生物量显著减少[30-31]。芥菜型油菜是相对耐旱作物，根据降水量合理调整灌水量不仅可以节约用水，而且对于半干旱地区作物产量和水分消耗具有重要作用。本研究结果表明，不同灌水量芥菜型油菜水分利用效率表现为W0.5>W1>W0，说明，与常规灌水量相比，当灌水量减少一半时有利于提高水分利用效率。

4 结 论

吉林西部地区适宜发展一年两茬种植模式。一年两茬种植模式较玉米一年一茬种植模式延长作物生长期25～49 d，比传统玉米一年一茬种植模式能产生更多经济效益，总产值提高42.4%～94.0%。加燕2号/芥辣菜和加燕2号/黑芥末产值显著高于其他一年两茬种植模式，更适宜在吉林西部半干旱地区推广。第一茬作物小冰麦、澳麦和加燕2号的最佳种植密度为245株·m-2，第二茬作物芥辣菜和黑芥末的最佳灌水量为4.52×104mm·hm-2。