全 文 ：第 26卷第4期
2006年4月
生 态 学 报
AC rA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26．No．4
Apr．，2006
稻田轮作系统的生态学分析
黄国勤 ，熊云明 ，钱海燕 ，王淑彬 ，刘隆旺 ，赵其国
(江西农业大学生态科学研究中心，南昌 330045；中国科学院南京土壤研究所 ，南京 210008)
摘要 ：针对目前稻田单一化的连作耕作制度对农田环境造成的不利因素 ，通过 5a田间定位试验 ，从土壤理化性状、作物产量变
化、病虫害发生发展规律、能流及养分平衡状况等角度对稻田连作耕作制度和轮作系统进行生态学分析。结果表明，与连作耕
作制度相比较，在试验设计范围内，稻田轮作系统明显改善了土壤的理化性状 ，使得土壤随着耕种年限增加 ，容重下降，而孑L隙
度增加，固相比率下降，气相比率上升，气液比值增大，土壤通透性大大增强，有效阻止土壤次生潜育化和土壤酸化 ，提高土壤
pH值。轮作系统不但提高了作物产量 ，而且总初级生产力、光能利用率、辅助能利用率分别 比连作系统高 17．47％、9．87％和
5 O％。N、P、K的养分利用率也同样明显高于连作系统。提出了合理轮作的优化模式和复种模式。
关键词：稻田轮作；理化性状；作物生产力；能量转化 ；物质循环
文章编号：1000 0933(2oo6)04．1159．06 中图分类号：Q143 文献标识码：A
Ecological analysis on crop rotation systems of paddy field
HUANG Guo—Qin ，XIONG Yun—Ming ，QIAN Hai—Yan ，WANG Shu—Bin ，LIU Long。Wang ，ZHAO Qi—Guo (1．
Research Center 01"．Ecological Science，Jiangxi A cultural University；2．Institute ofSoil Science，Academia，Siniea，Na 210008，China)．Acta Ecologica
Sinica，2006，26(4)：1159～1164．
Abstract：At present，environment of cultivated land has been influenced unfavorably by single continuous cropping in paddy
field．In the field experiment of five years in this paper，ecological analysis based on paddy-field rotate system and continuous
cropping was studied in the view of soil physical and chemical characteristics，crop output variety，occurring and developing rule
of plant diseases and insect pests of farmland，power-flow and state of equilibrium nutrient．The results show that，compare with
single continuous cropping，firstly，paddy—field rotate system has improved soil physical and chemical characteristics apparently．
Secondly，yield of the rotate system was increased ．Moreover，the overall initiative productivity， light energy using rate and
assistant energy using rate was increased by 17．47％ ，9．87％ ，5．O％ respectively．Nutrient using rate of N，P，K was also
improved in the rotate system．Thereby。optimizing patern and complex cultivating patern have been suggested about rational crop
rotation．
Key words：paddy-field rotate；soil physical and chemical characteristics；cmp productivity；energy translation；material circle
轮作是一种在同一田地上有顺序地轮换种植不同作物或轮换采用不同复种方式的种植方式，是农田用地
和养地相结合，提高作物产量和改善农田生态环境的一项行之有效的农业技术措施⋯。稻田轮作系统生态效
应明显，具有改善土壤理化性状，调节土壤肥力，提高系统生产力，减轻农作物的病虫草害，降低农田环境污染
等优点 “J。能量转化与物质循环是生态系统的基本功能之一，是农田生态系统的最主要的研究 内容之
一
。 例如，武继承等通过对开封市几种农业种植方式的氮磷钾投入产出状况和价值转换效益等方面的分
析，论述了其物流、能流和价值流的数量特征 ¨。秦丽杰通过对珲春市农田生态系统 N、P、K物质循环的状况
基金项目：国家重大科技专项资助项目(2004BA520A14-C14)
收稿日期：2005．01．14；修订日期：2005 09．04
作者简介：黄国勤(1962～)，男，教授，主要从事耕作制度、农业生态及农业可持续发展研究资源
Foundation item：The projeet was supported by National Important Technology of Plentiful Obstetrics in F00d(No．2004BA520A14-C14)
Received date：2005·01-14；Accepted date：2005-09-04
Biography：HUANG Guo-Qing，Ph．D．，Professor，mainly engaged in farming systems，agriculture ecosystems and agricultures．E-mail：hgqjxauhgq@sina．corn．cn
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生 态 学 报 26卷
进行分析，指出了农田生产中的限制因素及解决的对策 。本文通过 5a田间定位试验，对稻田轮作系统进
行生态学分析，并筛选出能持续发展的稻田轮作系统和顺应当今农业结构调整要求的种植模式，从而为农业
发展提供理论和实践依据。
1 材料与方法
1．1 试验设计
试验于 1998年冬至2003年秋在江西农业大学实验站水稻田进行，试验前各小区均为肥(紫云英)一稻一稻
种植方式。试验设4个处理，重复4次，随机区组排列，小区面积为 33．35rn2。试验设计见表 1。
表 1 稻田轮作田间试验设计
Table 1 Design of experiment In crop rotation systems of paddy field
“
-”表示接茬 Meam continuous cropping；“l”表不I司作 Means intereropping；① 紫石英(Chinese milk vetch)；②早稻(first cropping flee)；③中稻
(mono-cropping rice)；④晚稻(second cropping rice)；⑤早玉米(first cropping com)；⑥玉米(corn)；⑦黑麦草(ryeg~as)；⑧大豆(soybean)；⑨晚大豆
second cropping soybean)
1．2 测定项目与方法
1．2．1 土壤理化性状的测定 样品分析采用常规土壤分析方法 ¨。
1．2．2 能量数学模型的建立和能量合理投入范围的确定 农田生态系统的能量投入与产出呈 s型，这种 s
型关系符合生态学有限空间种群增长的Logistic方程 ¨，其数学模型如下：
Y= Km／(1+e。 )
Y为农田生态系统的能量产出(J·hm )；X为农田生态系统的能量投入(J·hm )；r为估算系数，表示能
量产出的变化率；Km为在能量投入的各生产要素均为合理的条件下农田生态系统能够达到的潜在最大能量
产出(J·hm )；C为估算系数。
叶旭君等认为 。 ，当能量投入弹性EEI在0—1范围内的能量投入水平是农田生态系统合理的投入范围。
即当能量投入弹性 EEl=1时，边际能量生产力 MEP等于平均能量生产力AEP，通过求解即得能量合理投入
范围的下限；当能量投入弹性 EEl=0时，边际能量生产力 MEP=0(取近似值 0．005)，求得能量合理投入范围
的上限。MEP、AEP和EEl的表达式如下：
MEP ：Km·r·eC-rX／(1+e ) ；AEP =(y-y。)／x；EEl=MEP／AEP
式中，Y。指在没有任何辅助能量投入的情况下系统的能量产出(J．hm )。在各处理能量数学模型的基
础上，根据各指数的数学表达式，分别求出边际能量生产力，平均能量生产力，能量投入弹性。令 EEl=1，即
MEP=AEP时求出下限；EEl=0，即 MEP=0时，求出上限，建立能量数学模型和确定能量合理投入范围。
1．3 数据处理
采用 DPS统计分析软件，用 Duncan新复极差法进行多重比较。对于表格的同一列来说，字母相同表示处
理问无显著差异，字母不同表示有显著性差异(P≤0．05)。
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4期 黄国勤 等：稻田轮作系统的生态学分析
2 结果与分析
2．1 土壤理化性状
2．1．1 物理性状 从表2看出：(1)土壤容重：从 1999年至 2003年，各处理土壤容重总的呈下降趋势，但轮作
较连作下降幅度大。其中处理 A下降了4．1％，B下降了5．83％，C下降了5．79％，D为4．88％。(2)土壤总孔
隙度：从 1999年至 2003年，各系统土壤总孔隙度均呈上升趋势，其中A为3．96％，B为 4．79％，C为 5．12％，D
为 4．86％。(3)土壤毛管孔隙度：从 1999年至 2003年，各处理土壤毛管孔隙度均略有上升，其中 A为 1．39％，
B为0．92％，C为 0．46％，D为 1．17％。(4)土壤非毛管孔隙度：从 1999年至 2003年，各处理土壤非毛管孔隙
度，均呈上升趋势，到 2003年秋，A为 1999年的 1．87倍，B为2．04倍，C为 3．20倍，D为2．84倍。
衰2 不同处理土壤物理性状的变化
Table 2 Variations in soil physical characteristics under diferent treatments
2．1．2 土壤化学性状 从表 3看出：(1)土壤有机质：从 1999年到 2003年，各处理土壤有机质均呈上升趋势。
较之 1999年，2003年 A土壤增加了 10．7％，B增加了 17．61％，C增加了31％，D增加了8．36％。其排列顺序
依次为 C>B>A>D。(2)土壤有效 N、P、K，从 1999年到2003年，土壤有效 N、P、K含量，不论哪种种植方式，
总体上均有随土壤耕种年限增加而增加的趋势，但各处理增幅有差异。较之 1999年，有效 N 2003年 A增加
了8．67，B增加了 12．37％，C增加了 18．16％，D增加了 13．03％；有效 P 2003年 A增加了43．08％，B增加了
50．07％，C增加了 62．38％，D增加了 48．56％；有效 K 2003年 A增加了 20．1％，B增加了 38．6％，C增加
80．3％，D增加了 22．23％。由此可知，B、c、D要高于连作 A，其排列顺序依次为 c>B>D>A。(3)土壤 pH
值，从 1999年至 2003年，各处理土壤 pH值均有上升趋势。连作在冬季种植越冬肥料作物，使得土壤有一个
短暂的回早过程，从而在一定程度上得以增强土壤的通透性，减少土壤次生潜育化和酸化。轮作通过在稻田
种植早地作物，则明显地有了一个较长而彻底的回旱过程，使得土壤通透性大大增强，有效阻止土壤次生潜育
化和土壤酸化，提高土壤 pH值。
裹3 不同处理土壤化学性状的变化
Table 3 Variations in soil chemical characteristics under diferent treatments
2．2 作物的产量变化
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生 态 学 报 26卷
2．2．1 水稻产量及其构成因素 由表4可知，2003年轮作早稻与连作早稻相比，其有效穗、每穗粒数及结实
率等各项指标均优于连作，最终导致其产量要比连作高 569．6kg·hm～，增幅为 9．15％；轮作晚稻与连作晚稻
相比，处理 B和 D分别比A高 7．15％和4．77％，平均高 5．96％。C与 A全年比较，中稻比连作两季稻少收稻
谷3580．3kg·hm～，减幅为 27．6％，D与 A全年比较，D比A多收稻谷901．5kg。hm～，增幅为6．84％。
裹4 不同处理对水稻产量殛其构成因素的影响(2003年)
Table 4 Yleld and yieId components of rice under diferent treatments(2003)
2．2．2 不同处理作物产量比较 表 5结果为各处理不同作物的产量情况，为便于比较，将各处理作物的经济
产量根据价格比调整为晚稻产量。折算后的产量以处理 D最高，为 13685．9kg·hm一，比 A高 6．7％，C由于种
植一季稻，因而产量最低，折算后比连作处理低 25．1％。然而冬季作物产量以 c最高，其他依次为 D和 B，分
别比A高出385％、226％和 3．O％，其中 c比 D高出36．1％。因此，将紫云英调整为黑麦草后，不但提高了粮
食作物或经济作物的产量，而且提高了饲料作物的产量。
表5 不同处理各作物产量(2003年)
Table 5 The yield of crops under diferent treatments(2003)
*根据价格比折成晚稻产量(不包括冬季作物紫云荚和黑麦草)，各作物均按发稿日市场最新报价：早稻为 1．6元。kg～，中晚稻均为 1．7元
·kg～；玉米为 1．3元·ks一 ；大豆为 3．6元 kg～ Prices of every kind of agricultural productinthemarket respectively asfolows：early rice1．6yuan／ks；middle
season rice 1．7yuan·ks～；late vice 1．7 yuan·ks一 ：COrn 1．3 yuan’kg～：soybean 3 6 yuan·kg一
2．3 能流分析
2．3．1 能量构成及能流特征 从表6中可知，稻田轮作系统总初级生产力平均为575．51×10 J·hm～，比连作
系统高85．61×10。J·hm～，达 17．47％。其中处理 D表现最高，比A高出2O．41％，其他依次为处理 C 19．79％，
B 12．22％。轮作系统能量总投入平均为 148．94×10 J·hm～，比连作系统高 16．17×10 J·hm～，达 12．18％。
其中，处理 D最高，比A高 14．81％，其他依次为处理 C 13．63％，B 8．1％。轮作系统的光能利用率比连作系统
平均高出9．87％，辅助能效率约比连作系统平均高 5．O％。
2．3．2 能量数学模型的建立和能量合理投入范围的确定 通过分析 1998～2003年江西农业大学农学实验站
农田生态系统的能量输入和输出的动态变化趋势，建立该系统的 Logistic能量模型，并确定该系统的能量投入
合理范围。
由表 7可知，稻田生态系统各处理，即轮作系统和连作系统的能量投入均在合理范围之内，目前各系统的
能量产出仍稍低于理论上最高能量的产出。因此各系统仍可以通过适当增加辅助能投入进一步提高能量产
出，以期获得更大的经济效益。
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4期 黄国勤 等：稻田轮作系统的生态学分析 1163
裹 6 稻田轮作系统初级生产者能量输入输出参数值(1o9 x J·hm。)
Table 6 The energy parameters of output and input from primary producer In crop rotation ecosystems
*以上数据为5a平均值；折能标准参考文献 ；全年辐射能平均为 4．462×10”J／hm ；人工辅助能的总投入包括农机具、化肥、劳力、畜力、
种子等 Above．meati0ned dHIes are average value of flye yesfS；standard w∞seen in consult documents ；Average energy of 811．year radintEen is 4．462x 10
J／hm2；input of artifcial auxiliaries include a／pieuhural implements，chemical fertilizer。labour。animal power。seed
． etc．
表7 稻田轮作系统能量数学模型和能量合理投入范围
Table 7 Energy Input-output model and rational range of energy input In crop rotation systenm
2．4 养分平衡状况分析
如表 8所示，N、P20 、K O的产投比均为轮作系统大于连作系统。
表 8 不同处理养分的输入与输出分析
Table 8 Analyses on input and output of nitrogen。phosphOrUS and potassium under diferent treatments
*以上数据为5a平均值；系统养分产出包括作物籽实和秸秆的含量；养分折算标准参考《农业生态学》I”J Above-mentioned datas are average
value Df five years；output of systemic nutrient include crop content；standard was seen in consult documents
N的投入，处理 D最高 505．6kg-hm～，A最低 419．7kg·hm。。，各系统依次为 D>C>B>A；I)!O 的投入各
系统均相同，为 152．1kg·hm。。；K20的投入 A最低，为 420．7kg·hm“。，其他处理均为 465．7kg·hm～。N、P1 O5、
K O产投比均小于 1，说明农田土壤中N素、P素、K素均为盈余状态，呈正平衡状态。这有利于实现土壤养分
的良性循环和农田的持续稳定发展。
3 结论
通过5a定位试验，运用生态学原理对稻田轮作系统进行了较系统的研究和分析，并筛选出适应南方稻区
发展的合理高效的种植模式。本文认为，稻田轮作系统的优化模式为“紫云英．早玉米．晚稻一紫云英一早玉米一
晚玉米一紫云英．早稻．晚玉米一紫云英。早玉米 l早大豆一晚稻一黑麦草一中稻”。该模式中包含了粮食作物、
} } } ； I ● I_I5 f ! i l1 } } ． j
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1164 生 态 学 报 26卷
经济作物及饲料作物，涵盖了水早轮作、稻草轮作及间作套种等多种方式，能改善由于连作带来的农业生态环
境问题。复种方式的优化模式为“黑麦草．中稻”。黑麦草的根系极大地丰富了土壤有机质，而且通过其根系
的生长，可以加大土壤的孑L隙，降低土壤的容重，改善土壤的团粒结构，并使后季作物产量得以明显提高。通
过种植黑麦草发展养殖业，不仅可以使农民增收，提高农民务农的积极性，更有利于农业结构的调整，有利于
农业的可持续发展。一季中稻不仅避免了双季稻连作的不利影响，而且其生育期所处的光温条件也明显优于
双季稻，从而使其产量和品质都得到明显提高。另外，一季中稻没有了双季稻的“双抢”农忙时节，可以适度缓
解农村劳动力的紧张问题。“黑麦草．中稻”的种植模式还考虑了粮食的安全，因此在我国南方双季稻区适当
发展“黑麦草．中稻”模式有着良好的前景。
由于时间的限制，本研究还不够全面，在有些方面未能做到更进一步的研究，如作物的生理生化指标的定
量分析、黑麦草的根系效应与土壤中微生物群落变化的关系、不同耕作制度与土壤中微生物群落变化的关系
以及稻草轮作的长期效应、农田小气候，等等 ，都有待进一步的研究和探讨。
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