粮油多熟制种植模式研究进展

叶天承 陈惠哲 向镜 张义凯 王亚梁 王志刚 熊家欢 孙凯旋 高义卓 张玉屏

（中国水稻研究所/水稻生物育种全国重点实验室，杭州 311400；第一作者1102216337@163.com；*通信作者：zhangyuping02@caas.cn）

粮食问题一直都是国际社会关注的热点，探寻高效的种植模式，提高土地利用率和粮食产量是共有话题。从国外相关领域的研究成果来看，实行多熟种植模式是充分利用自然资源和提高产量的重要途径，世界各国的农业都在朝着多熟种植的方向发展。我国是一个耕地资源稀缺而又人口众多的国家，以全球9%的耕地养育了近世界20%的人口。因此，加强耕地资源的保护、管理和有效利用，已成为21 世纪实现我国粮食安全的必然选择。多熟种植模式能充分利用温光资源，提高耕地复种指数和单位面积粮食产量，从而实现我国粮食持续增产，对保障国家粮食安全具有重要作用。因此，发展多熟制种植模式得到了更多的关注。

1 多熟制的发展

我国自古以来就有多熟制种植的经验，早在汉代《汜胜之书》就记载“种小豆于瓜中”，北魏《齐民要术》中也提及“凡谷田，绿豆、小豆底为上，麻、黍、胡麻次之，芜菁、大豆为下”，阐明轮作种植顺序，之后各朝各代的农学著作中也均有提及轮作种植的顺序及方法。新中国成立后，我国政府大力推行多熟制，轮作、间作、套作等技术不断推广，1949 年至1999 年，我国复种指数从128%上升到了155%，相当于增加0.27 亿hm2土地面积[1]。但近年随着种植结构变化，双季稻改单季稻面积的扩大，复种指数出现下降趋势。根据国家统计局及世界银行数据，2000 年至2020 年，我国耕地复种指数平均总体维持在130%左右。表1 是我国长江中下游地区部分省份1979—2019 年复种指数的变化，总体呈下降趋势，其中浙江省在2004—2017 年间复种指数大幅降低，江苏、江西及湖南降低较少。

表1 1979—2019 年我国部分省份复种指数变化趋势（单位：%）

闫慧敏等[2]通过遥感测绘数据分析1980—2000 年我国耕地复种指数的变化，发现40%的耕地采取了多熟制种植。全国15%的耕地复种指数下降，其中平原耕地区占据了80%。赫心怡等[3]分析2001—2018 年我国长江中下游地区耕地复种指数变化，遥感数据发现该区域一年两熟种植模式耕地面积与复种指数呈下降趋势，与“双改单”现象较为一致。近年来，随着种植技术的提高、优良品种的培育及配套农业机具的发展，加上全球气候变暖导致中部及北方地区光温资源得以改善，湖北、安徽等地复种指数迅速恢复，填补了由南方稻区“双改单”造成的缺口。

2 多熟制的研究

目前国内外对多熟制制度研究区域主要集中于东南亚以及非洲、印度区域，轮作模式集中在水稻-小麦、水稻-油菜、玉米-小麦，研究内容主要是前茬作物变化带来的产量及土壤肥力变化等。近些年来一些研究人员将目光放在豆科植株上，期望将其纳入轮作，利用豆科作物根瘤菌的固氮作用，不仅能够提高土壤肥力，而且能减少周年氮肥的施用。费家骍[4]早在1982 年就在太湖地区对麦-豆-稻轮作制度进行研究，以解决当地长期种植双季稻带来的土壤环境恶化、肥料利用率降低、生产成本增加和产量上升受限等负面影响。与麦-稻-稻和麦-稻种植制度相比，麦-豆-稻三熟制粮食产量分别提高7.2%和6.1%，且劳动生产率与经济效益均有提高。赵强基等[5]在1983 年对太湖地区7 种种植制度进行分析，发现麦-稻模式和麦-豆-稻模式两者投产比相近，但前者总能量产出略高而后者有养地作用，各有所长。以常规双季稻为对比基础，表2 总结了目前部分多熟制中轮作作物不同带来的产量与收益变化。其中，大麦-中稻-再生稻模式有着最高产量，而中稻-再生稻模式有最高净收益与投产比。再生稻种植将是今后光热资源适宜区多熟制模式发展的不错选择。

表2 部分多熟制种植模式产量及收益比较（单位：%）

随着时间的推移，多熟制种植研究的重心逐步从多熟制模式带来的产量提高逐渐深入到土壤理化性质、微生物及肥力变化等方面，进一步从机理方面解读轮作制度带来的正面效益，从而为农业可持续发展提供理论基础。

3 多熟制种植的优势

3.1 调节土壤菌群，改善土壤结构

土壤作为植株生长的重要环境组成部分，为植株的各个生育阶段提供充足的养分。其中土壤微生物通过氧化、硝化和固氮等作用，为土壤养分的构成提供了重要来源。不同的种植模式会带来不同的土壤扰动，会对土壤内微生物造成不同影响。王丽宏等[6]研究了我国南方稻区冬季覆盖作物对来年稻田土壤微生物的影响，发现冬闲田种植黑麦草与紫云英能显著提高微生物种类与活性，增加土壤有机碳含量。高明等[7]研究了多熟制模式下不同耕作方式对稻田土壤环境生物的影响，发现菌群多样性在水旱轮作下优于常规平作。樊军和陈文新等[8-9]研究发现，与连作相比，长期轮作提高土壤微生物碳氮含量，加快植株残体降解，提高作物产量。此外，孙倩等[10]以谷子连作为对照，发现不同种植模式均降低土壤pH 与电导率，提高土壤真菌群落多样性，改善土壤养分含量，其中谷子-大豆种植模式效果最佳。

此外，长期轮作对改变土壤菌群效果更显著。ZHANG 等[11]以31 年稻-稻-绿肥轮作为对象，研究水稻根际和土壤微生物群落结构，结果表明，长期绿肥轮作显著改变植株根际微生物群落，优势菌群以促植物根系生长菌土壤杆菌属和假单胞菌为主，前者占31.0%～41.0%，后者占14.0%～28.0%，而同期休耕土壤内仅为4.4%和2.5%。GUO 等[12]通过33 年田间试验探究了小麦-大豆轮作中土壤菌群的变化，发现施肥与轮作作用类似，均使土壤菌群结构发生改变。进一步研究表明，多熟制下土壤养分含量的变化影响土壤菌群的分布及含量，从而促进作物产量提高。LIU 等[13]研究发现，土壤pH、C/N 等的改变使得根系内细菌与真菌群落改变，从而促进植株生长，减少病害发生。综上而言，多熟制轮作制度在调节土壤菌群、改善土壤条件和提高作物产量上有巨大潜力。

3.2 调节土壤周年养分循环，提高作物产量

众多研究发现，在多熟制中，参与种植的多种作物往往会导致土壤内各项条件的变化，从而影响后续作物的产量与品质。卜容燕等[14-15]研究了氮肥与磷肥施用对水稻-油菜轮作产量的影响，结果表明，水稻季肥料施用对后茬油菜增产显著，周年肥料施用减少。水稻季施氮肥82.5~330.0 kg/hm2，相当于油菜季施用氮肥5.0~33.0 kg/hm2；施磷肥30.0~90.0 kg/hm2，相当于油菜季施用磷肥2.0~9.0 kg/hm2。朱芸等[16]参考历年文献，建立数据模型，比较了长江流域油-稻种植模式与麦-稻种植模式周年养分收支差异，发现两种体系中秸秆还田都能有效维持土壤养分平衡，油-稻体系氮素盈余高，周年种植可降低氮肥施用，提高经济效益。吴杨潇影等[17]研究发现，玉米-水稻轮作可提高土壤内脲酶及硝态氮含量，提升氮素有效性，从而促进下一季植株生长。因此在多熟制种植中，可根据前茬作物种类有针对性的选择肥料及确定施用量，进一步体现多熟制种植优势。高菊生等[18]分析了长期采用双季稻-绿肥模式对水稻产量及土壤有机质的影响，发现种植紫云英年均可增加土壤有机质0.31 g/kg，提高水稻产量27.2%。GHOSH 等[19]发现，豆科植株的加入显著提高土壤有机碳、速效磷和速效氮含量，并提高作物产量，稻-麦-绿豆种植模式可提高10.0%~14.0%水稻产量，玉米-小麦-绿豆种植模式可提高5.0%~11.0%小麦产量。KUMAR 等[20]发现，与玉米-小麦种植模式相比，大豆-小麦模式在2 年试验下通过残茬还田可提高36.7%的速效氮含量，且大豆产量较玉米提高10.0%左右。刘威[21]在3 年的水稻-绿肥种植模式试验中发现，试验田土壤容重不断降低，土壤孔隙度提高，虽然后者并未达到显著差异，但在一定程度上改善了土壤结构。而LU 等[22]在稻-稻-油种植模式下发现，＞2.00 mm 水稳定团聚体随种植时间的增长而提高，<0.53 mm 水稳定团聚体则不断减少，表明土壤结构稳定性在该模式下随种植时长的增加而提高，并由此减少了因风化等原因导致的有机质及养分减少，从而有效提升土壤肥力。NATH 等[23]则在水稻-小麦-绿豆种植模式下发现，与稻-麦轮作相比，土壤团聚体含量与碳浓度显著提高，地表0.2 m 内水稳性土壤团聚体可达64.8%，有机质含量提高约17.0%。

目前众多学者研究证明，部分地区通过多熟制种植中轮作带来的产量提升是明确而显著的。但由于世界各地气候条件、种植技术各不相同，增产结论并不一致。ZHAO 等[24]探究轮作对我国作物产量的影响，Meta分析结果表明，与连续单一作物种植相比，轮作提高20.0%的平均产量，其中我国西南部增幅（+38%）比东部（+10%）更为明显。在初始有机碳中等水平（7.0~10.0 g/kg）、总氮含量较低（≤1.2 g/kg）的粗粒或中等质地土壤中效果更好。外国学者则有不同结论，BENNETT 等[25]对短期轮作下作物产量进行分析，以世界不同种植区域实例为基础，结果表明，与较长时间轮作或首次种植相比，短期轮作或长期连作的作物产量往往下降。经济、政策与实际种植要求使得短期轮作更为普遍，而病虫害、化感作用以及土壤管理措施等各项因素综合影响导致作物产量下降。但近几年研究发现，通过选取抗性品种、提高管理水平等方式，短期轮作的作物产量也呈上升趋势。ABDALLA 等[26]通过文献检索发现，覆盖作物可显著减少氮素淋失，增加土壤有机碳含量。选择多种豆类及非豆类混合作为覆盖作物，可增产小麦、大麦、玉米等平均约13.0%。MCDANIEL 等[27]对122 项研究进行Meta 分析，综合计算发现，轮作可提高3.6%土壤总碳含量以及5.3%总氮含量，种植覆盖作物后可提高8.5%总碳含量和12.8%总氮含量，且无论何种模式均显著增加土壤微生物生物量（20.7%）及N 库（26.1%）。GARLAND 等[28]评估欧洲155 个谷地轮作作物多样化对土壤性质及作物产量的影响，发现作物覆盖时间对土壤功能和作物产量的提升影响更大。这些研究证明，多熟制要因地制宜，以提高单季作物产量、改善土壤养分、提升农业可持续发展能力为目的，为未来农业可持续发展提供有效助力。

表3 总结了国内外部分关于轮作提升作物产量的研究及其增产机制，国内外研究结果均表明，轮作有助于农业生态系统保持健康，提高农业可持续发展能力。

表3 轮作提高部分作物产量及其增产机制

3.3 破除连作障碍，减少病虫草害

集约化农业下，作物连作成为常态，使得土壤肥力降低、生物多样性减少，最终导致品质与产量降低，不利于农业可持续发展。采用多熟制种植往往可破除连作障碍，保证作物品质与产量的稳定。王飞等[31]从土壤不同角度解析连作障碍发生的因素，认为土传病害加剧、植株化感作用和土壤理化性质的改变是导致连作障碍产生的主因。FOLEY 等[32]总结说明，连作是以农业生态系统的长期损失为代价，提高短期粮食产量增长。TSIAFOULI[33]研究欧洲4 个农业区后发现，土地集约化利用减少了土壤生物及土壤食物网多样性，导致相关土壤功能群减少，最终影响正常的农业生产。曹坳程等[34]提出，选择水旱轮作和补充有机质可有效控制土传病害并提高作物产量。宋尚成等[35]提出，轮作、间作可丰富土壤生态多样性，改善土壤理化性质，减少连作障碍的影响。这一结论在花生、大豆等作物上均有体现[36-37]。RODENBURG 等[38]以稻-玉米种植制度为对象，发现间作柱花草能提高土壤氮素含量，减少土壤侵蚀与独脚金寄生状况，从而提高水稻产量。RANDRIANJAFIZANAKA 等[39]进一步研究发现，选取抗性作物品种并间作圭亚那笔花豆，可使独脚金于水稻季延后7.5 d出现，侵染程度降低79.0%；玉米季延后6.3 d 出现，侵染程度降低92.0%，保障粮食稳产。综上而言，多熟制种植制度中各项作物的参与，往往可破除连作障碍，减少病虫草害，提高作物产量与经济效益，从而促进农业可持续发展。

3.4 改善生态群落，减少灾害影响

“看天吃饭”一直以来是传统农业发展的桎梏，直至现在，各类气象灾害导致作物减产乃至绝收的现象仍有发生。据统计，1990 年至1994 年间我国每年因气象灾害造成直接经济损失约1 000 亿元，占国民生产总值的3.0%~6.0%，干旱、洪涝灾害对农业影响程度最大[40]。潘根兴等[41]分析气候变化对中国农业生产的影响，指出粮油作物产量总体呈下降趋势，生产的不稳定性显著提高，其中区域性干旱将成为严峻挑战。这一结论与王春乙等[42]结论类似，1978 年至2003 年我国旱灾面积为洪涝面积的23 倍，且各种灾害有明显增加的趋势。针对全球农业生产，GORNALL 等[43]提出，全球气温上升对农业生产力影响无法具体量化，但极端气候带来的产量降低却是显著的。

多熟制种植模式能提高群落内物种多样性，能在一定范围内提高作物逆境抵抗能力。BOWELS 等[44]通过分析美国玉米种植的11 项试验347 个站点的数据，发现多样化轮作能提高北美农业风险应对能力，增加玉米产量28.1%，干旱年份玉米产量损失减少14.0%～89.9%。从长远来看，农田系统中作物多样性的提高是减少气候变化适应风险的一项基本组成部分，为未来生产中不确定的恶劣环境提供了良好的对策。CHOUDHARY 等[45]在印度恒河平原研究发现，玉米-小麦-绿豆种植模式较常规稻-麦种植模式可节省1 660 mm 降水提供的水分，并提高38.0%产量和84.0%净收益。此外，多熟制种植制度可灵活调整种植结构以应对气象灾害，以水稻种植为例，生育期内遭遇高温干旱、严重病虫害等，预期产量大幅下降时，间作豇豆、秋葵等耐高温干旱作物，可减少农民经济损失，或种植马铃薯、粟等粮食作物，以保证粮食安全。在光温资源不足以支撑双季稻种植区域种植再生稻，遭遇严重灾害时可选择提前收割，后茬可重新生长保证作物产量。

4 稻-豆种植模式的优势

豆科植株在轮作中比其他植株有着更广泛的优势，能更有效提升土壤肥力、减少寄生现象、促进作物氮素吸收等，生态效益和经济效益更佳。稻-豆种植模式中，大豆完全成熟收获可作为榨油原料，也可提前收获作为菜豆进入市场销售，以避免生育后期遇到低温等不利条件，可见豆类作物种植时间可灵活调整，错开与其他作物收获与种植的茬口，保证水稻产量不受影响。此外，覆盖作物越冬，利用豆科根瘤菌固氮作用，及残茬归田可有效提高土壤肥力，利于农田可持续发展。

综上所述，稻-豆种植模式能更有效面对未来实际生产中面临的各项不确定因素，是保障粮油安全问题的一种重要种植模式。

5 多熟制生产存在的问题

虽然多熟制能提高作物产量、培育土壤肥力，但仍存在一定问题。光温资源的限制、劳动力短缺、种植经验不足、小农经济风险抵御能力弱和种植品种的限制均抑制多熟制种植发展。光温资源是限制其发展的最主要因素，纵观全球农业发展，绝大部分多熟制种植集中于中低纬度光热资源充足的国家，以东南亚地区为主。以美国为例，其多熟制种植模式局限于中部玉米种植带，并以与大豆等作物进行轮作间作为主。地处中高纬度的欧洲等区域多熟制种植模式则较为罕见。种植技术与农机需求也是限制多熟制种植的因素之一。在稻-油种植体系替代双季稻种植时，油菜季种植所需农机与种植技术与水稻种植迥然不同，品种的选择、关键生育时期的病虫草害防治等，都将对种植人员的学习能力和农机研发能力提出新要求。而我国农村老龄化加剧，高学历人才从事农业人数较少等均不利于多熟制的发展。且我国小农经营基数大，额外的农机需求将带来不小的经济负担，不理想的轮作结果将导致严重的经济损失，打击种植积极性；此外，部分轮作模式存在需要抢收抢种的情况，这更加剧了劳动力的需求与早熟品种培育的要求。

6 多熟制发展展望

综上所述，多熟制种植模式能带来更多的种植效益，它可以培育土壤肥力，提高作物产量，破除连作障碍，提高生态稳定性，促进现代农业可持续发展。

目前，可用耕地面积减少，耕地资源面临短缺加剧形势很难逆转，但中国南方光温资源条件好，适合水稻、玉米、薯类、小麦、油菜、豆类和各种蔬菜等多种作物生长，可实行一年两熟或三熟。多熟种植模式能充分利用温光资源，提高耕地复种指数，提高单位土地面积产出，从而实现我国粮食稳产增产。近年来，新品种的选育与推广运用为多熟制发展奠定了良好基础，新型的长秧龄育苗、移栽及栽培等技术的研发大大促进了多熟制的发展，与多熟制配套的机械种植新技术也逐渐兴起，对于确保粮油安全有效供给、提高农民收入、促进农旅融合、美化农村环境和繁荣乡村经济文化都具有非常重要的意义。

粮油多熟制生产作业环节复杂，要因地制宜选择种植模式，发挥气候优势，注意抗御自然灾害，实现作物生产的高效标准化、粮油优良品种的大规模应用和新技术的机械化、轻简化和智能化。构建“农机农艺融合、良种良法配套、增产增效并重”的粮油多熟制种植模式是未来方向。