水稻是我国重要的粮食作物之一,在保障国家粮食安全中扮演着举足轻重的角色
[1]。近年来我国水稻种植面积虽略有降低,但产量保持稳定且略有增加
[2]。为进一步提高水稻产量、保障粮食安全,采取科学合理的稻田管理措施以维持和提高稻田土壤肥力尤为关键。然而,受自然条件和农业发展状况影响,我国水稻种植区分布广泛,水稻土类型较多,加之肥料施用、耕作措施和田间管理等存在差异,导致水稻土的肥力存在高度时空异质性
[3]。系统调研水稻田土壤肥力现状和生产现状,比较不同种植模式下的水稻成本效益,采取针对性措施提高生产经营效益,对提高农民收入、稳定粮食生产能力和保障国家粮食安全具有重要意义
[4]。
目前国内学者对我国区域稻田生产现状及土壤肥力已开展一系列研究。在水稻生产方面,江西省双季稻面积近40年呈先减后增再减的波动变化,单季稻面积则持续增加
[5];安徽省水稻生产规模与效益也呈增长趋势
[6]。在土壤肥力方面,不同区域间肥力存在显著差异。广东英德稻田土壤总体呈酸性,有机质和全氮含量中等偏丰富,但速效钾普遍缺乏
[7];江苏扬州作为长江中下游粮食主产区,在1984—2014年耕层土壤肥力显著上升,有机质、全氮和有效磷含量增加,而速效钾含量下降
[8]。因此土壤有机质、全氮和有效磷等指标是影响南方土壤肥力变化的关键因素。朱德峰等
[9]研究了浙江省在1993—2004年水稻种植制度及种植区划的变化,但未详细分析浙江省水稻生产管理技术特点。石艳平等
[10]研究表明,浙江省杭州市大同镇表层土壤pH偏低,有机质和碱解氮含量丰富,有效磷和速效钾含量变异性大,但调研区域较局限,缺乏普适性。当前研究很少系统性地关注浙江省水稻生产状况及稻田土壤肥力特征,因此有必要对浙江省的市、县域范围的水稻种植模式、土壤肥力和施肥用量等情况开展进一步研究。
本研究于2022年1—2月在浙江省衢州市各区县开展种植业基线调研,利用第一手数据剖析该区域水稻种植现状和稻田土壤肥力特征,探索水稻生产效益和稻田土壤质量的显著影响因子,为农田培肥改良及政府部门制定农业发展决策提供参考。
1 研究区概况
衢州市位于浙江省西部,钱塘江上游。属亚热带季风气候区,全年四季分明,冬夏长、春秋短,光热充足、降水丰沛、气温适中且无霜期长。根据衢州市第3次全国国土调查数据
[11],全市耕地10.50万hm
2,水田占总耕地的84.59%。水稻是衢州市粮食生产的基石
[12],2021年全市水稻种植面积为6.41万hm
2,占种粮总面积的71.60%;水稻产量约为45.73万t,占全市粮食总产量的82.59%。其中,各类水稻产量分别为:早稻11.22万t,单季晚稻24.70万t,连作晚稻9.82万t。全市耕地面积前3位的县级行政区为江山市、衢江区和龙游县,占全市耕地的66.88%。
2 数据来源与研究方法
2.1 数据来源
本研究于2022年1—2月对浙江省衢州市的江山市、龙游县和衢江区3个县级行政区开展水稻种植户生产经营及销售情况实地调查。选取这3个区域调研获取衢州市水稻种植业数据的主要原因如下:1)江山市、龙游县和衢江区是浙江省衢州市的水稻主产区,水稻是当地农业发展的支柱产业;2)3个区域横跨浙江省的金衢盆地单双季籼稻区的西部和中部
[9,13],该区域水稻种植面积占浙江省的17.50%,不同区域农业及经济发展水平存在一定差异性,阶梯特征较明显,能较好反映不同层次水稻种植户生产经营状况;3)所选区域均属于土层上部为强酸性粘质红壤、下层为紫色岩层发育紫色土的“衢江红砂岩”地貌区
[14],此地貌占全省面积的6%,坡度较缓,水利条件好,在水稻土研究方面地位颇为重要。因此,选择这3个县级行政区作为研究区域,其研究结论具有典型性和代表性。调研共发放问卷260份,剔除逻辑不通、关键信息不完整、数据异常等问卷后,获得有效问卷247份,有效率为95%。对农户开展问卷调查后,调研人员在水稻种植典型地块上采集土壤样品
[15],以探究土壤理化指标对稻田土壤质量水平的影响,剔除筛选不符合检测标准的样品后,共获得有效土壤样品152份。各区域问卷及采集土样数量详见
表1。
2.2 调研方法
调查遵循多阶段分层抽样与随机抽样相结合原则,抽样过程为:首先考虑衢州市各区域历史水稻种植面积、产量、地理环境和区域经济发展水平,随机抽取1~3个县(县级区、市);其次根据研究目的和县级农业农村局相关部门负责人获取信息,在每个县(县级区、市)随机抽取5~8个乡镇,每个乡镇随机抽取5~8个行政村,每个行政村随机抽取3~5个水稻种植户进行面对面访谈,获取第一手信息。
为保证问卷有效性,调研团队在正式调查前,选择龙游县开展小规模预调查,在此基础上对问卷进行修改完善。在实际调研中,调查对象为从事种植业的主要决策者,一般为家庭户主。在面对面访谈中,为提高数据收集效率并保证数据可靠性,设定农户当前耕作的最大面积,且长期以水稻种植为主的地块为典型地块。问卷调研内容包括农户水稻种植面积、该地块土壤肥力特征、水稻品种、种植模式、施肥用量、各生产环节(栽种、施肥、打农药和收割等)和投入成本等信息
[16]。
2.3 样品采集及分析
每个采样地块避开施肥位置采集0~20 cm土层的土壤样品,按照“S”型路线随机选择5点取样。样品混合后,使用四分法取足量样品代表该地块土壤。所有样品贴好标签,带回实验室,放在阴凉通风的样品室风干。在半干时,用手将大土块掰碎,捡去石子和碎草。晾干后,过20目筛备用。最终获取有效土样共152份(
表1)。
土壤理化性质采用常规方法分析
[17-18],包括土壤pH、有机质、全氮、全磷、有效磷、速效钾和微生物量碳。土壤pH采用电位法(HJ962-2018)测定,有机质采用重铬酸钾氧化法测定,全氮采用凯氏蒸馏法测定,全磷采用HCLO
4-H
2SO
4双酸法和钼蓝比色法测定,有效磷采用0.5 mol/L NaHCO
3提取-钼锑抗比色法测定,土壤微生物量碳参照熏蒸法测定。
2.4 耕地质量等级划分
参考相关标准
[19],将耕地质量划分为10个耕地质量等级,一等耕地质量最高,十等耕地质量最低。利用土壤pH和有机质等指标对区域耕地质量进行等级划分,其中长江中下游区(含浙江省衢州市)的耕地质量指标分级见
表2。
利用主成分分析法(Principal component analysis, PCA)对衢州市土壤质量进行评价
[20-22]。土壤质量评价(Soil quality index, SQI)采用全数据集的方式
[23],主要分为3个步骤:1)基于标准评分函数(Standard score function, SSF)的指标评分;2)每个指标的主成分分析与权重;3)将指标得分整合到SQI。对于步骤1),使用非线性评分将所有测量的指标转换为无量纲值(范围从0到1)。考虑到农艺和环境土壤功能,使用3个SSF为每个指标分配分数,即“越多越好”“越少越好”和“中点最佳”。将“中点”的SSF应用于pH,其余各项指标使用“越多越好”进行评分。计算公式如下:
式中:S为每个土壤指标标准化后的得分;a为每个指标所能达到的最好值;x为每个指标的真实值;x0为每个指标在各个处理中的平均值;b为等式的斜率,对于“越多越好”的指标为-2.5,对于“越少越好”的指标为2.5。
对于步骤2),利用PCA法提取公因子方差,将每个指标得到的公因子方差除以所有指标公因子方差之和得到每个指标的权重。在对所有的指标进行评分和加权后,使用以下公式计算SQI。
式中:SQI为综合各项指标得出的土壤质量指数;n为土壤指标的个数;Si 为标准化得分后的值;Wi 为每个土壤指标的权重值。
2.5 水稻生产成本效益分析
采用成本效益分析法(Cost-benefit analysis, CBA)
[24],选择种植农作物每667 m
2平均种子、化肥、农药、机械作业、人工成本、土地租金和其他农资费用作为成本指标,选择每667 m
2平均纯利润、产投比和利润率作为效益指标,对当地不同水稻种植模式进行成本效益比较分析。
2.6 数据处理
问卷调查和土壤指标测定数据用Excel和SPSS Statistics 22.0进行统计分析,采用单因素分析法对土壤理化性质、土壤质量指数和肥料施用量等指标进行显著性分析,P<0.05为差异显著。
3 结果与分析
3.1 水稻种植户样本特征
问卷调研主要在衢州市的江山市、龙游县和衢江区3个粮食主产区开展(
表3)。在农户水稻种植面积上,多集中在6.68~33.33 hm
2的规模,占被调研种植户总数的58.70%,表明水稻种植模式偏向中小规模经营。在年龄分布上,51~60岁的种植户最多,占比为45.75%。学历水平主要在初中以下,占比68.42%。这些特征反映出衢州市水稻种植户以中老年群体为主,且普遍学历不高。中小规模种植面积可能限制了机械化应用和规模经营效益的发挥。农户的年龄结构和学历水平也影响着新技术的推广和应用,进而制约了衢州市水稻产业的进一步发展
[16]。
3.2 水稻生产品种结构和种植模式
浙江省衢州市种植的优质稻品种主要为‘甬优1540’‘中早39’‘甬优9号’‘中嘉早17’‘甬优15号’‘中组143’‘甬籼15’‘嘉丰优2号’‘金早47’等(
图1(a))。这些优质稻米品种产量高、外表品质好、整精米率高且口感较好,因此受到当地种植户的喜爱。在水稻品种上,主要以‘甬优’系列等杂交稻为主,常规稻种为辅。杂交稻产量高效益好,但种子价格高,一般价格在50~60元/kg,而常规稻农户可自留种,价格在3~10元/kg。在种植生产过程中,化肥、农药、种子、农膜、秧盘、柴油、农机服务和人工均明显涨价,提高了种粮成本并降低了种粮收益,这直接影响农民种粮的积极性
[25]。
衢州市水稻种植户选择的种植模式主要包括“双季稻(早稻-晚稻)”、“单季稻(早/中/晚稻)”、“早稻-油菜”、“中稻-油菜”,分别占总调研数的73.01%、17.32%、5.10%和4.60%(
图1(b))。衢州地区水热条件较好,“双季稻”稻作区分布范围广。“双季稻”种植属于精耕细作的生产方式,复种指数高,单位耕地面积的水稻年产量明显高于“单季稻”。但由于“双季稻”种植效益偏低且当地缺少劳动力,农户认为利润不高,当地存在“双改单”(“双季稻”改“单季稻”)现象,个别农户采取主动调整种植结构、发展“早稻-油菜”“中稻-油菜”等多元种植模式和增加轮作休耕面积的行动,合理保障了种植户的实际收益
[1]。因此,衢州市“双季稻”种植面积稳定和增长仍存在阻碍和挑战。
3.3 稻田土壤养分状况及质量评价
根据土壤养分分级标准,对衢州市稻田土壤指标丰缺状况进行判断
[7,26]。衢州市的稻田土壤pH范围为4.50~8.01,平均5.84,中性偏酸;有机质的质量分数为11.62~53.81 g/kg,平均为31.21 g/kg,属于肥力较高水平;全氮的质量分数为0.66~3.17 g/kg,平均为1.65 g/kg;全磷的质量分数为0.26~1.63 g/kg,平均为0.65 g/kg;有效磷的质量分数范围为1.23~67.13 mg/kg,平均为12.01 mg/kg (
表4)。其中,pH的变异系数为11.30%,变异水平较低,各采样点间差异较小,土壤pH较均匀;有机质、全氮和全磷的变异系数分别为29.21%、32.13%和35.42%,变异水平中等,各采样点间土壤肥力存在一定差异(
表5)。表明衢州市稻田土壤pH均匀性较好,而有机质、全氮、全磷和有效磷含量区域差异性较大。
选取pH、有机质、有效磷、全氮、全磷和微生物量碳含量6个指标作为土壤肥力质量评价的主要因子,对调研采集的152个典型地块土样进行质量评价。首先根据
表5中的肥力指标,采用标准评分函数的
公式(1)对各指标进行评分,再用PCA法提取公因子方差,并得出指标权重,其中pH的公因子方差为0.95,权重为0.19;有机质含量的公因子方差为0.85,权重为0.17;全氮含量的公因子方差为0.86,权重为0.17;全磷含量的公因子方差为0.86,权重为0.17;有效磷的公因子方差为0.88,权重为0.18;微生物量碳的公因子方差为0.61,权重为0.12。影响土壤质量指数的理化性质指标中,权重排序依次是:pH>有效磷>全磷≈全氮>有机质>微生物量碳。最后结合各指标,用
公式(2)计算出各个样点的SQI。对各样点所属的县(市、区)的土壤理化指标数据和SQI结果进行汇总(
图2),各地土壤pH均为中性偏酸,其中江山市的pH略高。在有机质方面,江山市的含量显著领先于其他两县区,这与其SQI的高分相符。有效磷含量在3个地区中差异显著,其中衢江区的含量相对较低,这也影响了其SQI的总体评分。全氮和全磷的含量在3地中较为均衡。而在微生物量碳方面,江山市同样具有优势。各项指标结果与三地的土壤质量指数结果相符(
图3),江山市的SQI最高(0.51),龙游县次之(0.44),衢江区最低(0.41)。综合来看,江山市在多数土壤理化指标上均表现较好,特别是有机质和微生物量碳的高含量对其土壤质量指数有显著提升(
P<0.05);而衢江区SQI最低,主要是由于其平均土壤有效磷含量较低,微生物量碳也显著低于其他2个地区(
P<0.05),从而影响其整体SQI。综上,影响衢州市3个县级行政区土壤质量指数的主要因素是有效磷、有机质和微生物量碳含量。
3.4 稻田施氮磷钾肥现状
养分管理是水稻栽培的重要环节,合理的施肥方式是提高肥料利用率、增加作物产量和减少肥料浪费的有效途径。本研究参考孙浩燕等
[27]划分的水稻氮磷钾肥的施用量分级方法,结合已有研究
[28-30],将水稻氮肥(N)、磷肥(P
2O
5)和钾肥(K
2O)用量从低到高分别划分成5个层级,调研区域各分级用量见
图4。2022年衢州市水稻肥料投入量调查数据表明,N、P
2O
5和K
2O平均用量分别为237.55、117.01和148.83 kg/hm
2。总体来看,氮肥投入量大于240 kg/hm
2的种植户最多,占比为32.54%;其次为160~200和200~240 kg/hm
2,占比分别为24.44%和23.40%。磷肥投入量在60~80 kg/hm
2最多,占比为26.94%;其次为>120 kg/hm
2,占比为22.83%。钾肥投入量在>120 kg/hm
2最多,占比为53.11%;其次为100~120 kg/hm
2,占比为21.58%。目前,衢州市稻田总体施肥量处于较高水平,且个体施肥量差异明显,可能是土壤质量区域差异性较大的原因。
单季稻因品种熟期和种植制度的不同可分为单季早稻、中稻、晚稻,其肥料投入量也存在一定差异
[1]。衢州市不同水稻种植模式的N、P
2O
5和K
2O投入量调查结果表明(
图5),中稻的N平均投入量为268 kg/hm
2,表现出较高的养分投入,而早稻和晚稻N平均投入量分别为233和236 kg/hm
2,具有相似的养分输入水平。从不同养分投入类型分析,中稻、早稻和晚稻的N投入量间差异不显著,但是中稻的P
2O
5和K
2O投入量显著高于早稻和晚稻(
P<0.05),说明在氮肥投入方面,不同时期水稻种植中普遍存在过量施氮的情况,而在钾肥和磷肥投入方面,中稻的用量普遍高于早稻和晚稻用量。
结合《2022年水稻科学施肥指导意见》
[31]和浙江省地方标准
[32]对衢州市水稻施肥用量要求,衢州市水稻种植氮肥用量应在195~225 kg/hm
2,磷肥用量应在60~75 kg/hm
2,钾肥用量应在60~75 kg/hm
2。其中,早稻氮肥投入应不超过195 kg/hm
2,磷肥投入应不超过60 kg/hm
2,钾肥投入应不超过90 kg/hm
2;晚稻氮肥投入应不超过210 kg/hm
2,磷肥投入应不超过67.50 kg/hm
2,钾肥投入应不超过150 kg/hm
2;中稻氮肥投入应不超过255 kg/hm
2,磷肥投入应不超过75 kg/hm
2,钾肥投入应不超过135 kg/hm
2。而实际氮肥、磷肥和钾肥用量均超过推荐用量,尤其是氮肥。因此,过量施肥可能造成地区性养分利用效率降低,环境中养分富营养化会致使环境污染。
3.5 不同种植模式下生产成本收益
水稻种植是我国水稻主产区农民的主要收入之一
[33],不同种植模式下的水稻种植投入成本和经济收益存在明显差异(
表6)。不同种植模式水稻种植投入成本依次为:“双季稻”>“中稻”>“晚稻”>“早稻”。种植户投入成本主要在土地租金、机械作业、肥料和农药方面。其中,“早稻”种植通常采用直播,人工成本较低;而“中稻”和“晚稻”种植多采用人工移栽,水稻插秧机在当地应用区域较小,机械移栽技术未得到广泛应用,因此大幅增加人工成本,且农村劳动力缺乏,成本仍在逐年上涨。
水稻种植户选择种植模式主要依据经济效益水平
[5]。从
表6可见,“中稻”的纯利润、产投比和利润率均属于较高水平。“双季稻”虽然产投比和利润率较低,但表现出最高的纯利润,因此,“中稻”和“双季稻”是衢州市水稻的主要种植模式(
图1)。此外,“早稻”的纯利润、产投比和利润率较高,但“晚稻”的纯利润、产投比和利润率过低。结合衢州市农村青壮年劳动力短缺、“双季稻”种植对灌溉和气候条件要求高等问题,衢州市更多农户选择“中稻”种植模式,种植“中稻”的面积逐年增加。
4 结论与政策建议
本研究以浙江省衢州市为例,探讨了当前该区域水稻生产及土壤肥力状况,得到如下结论:1)衢州市水稻种植户以51~60岁的中老年人为主,多数种植户教育水平在初中以下,种植户水稻种植面积普遍小于33.33 hm2,表明中小规模种植模式处于主导地位。2)衢州市水稻种植以杂交稻品种‘甬优’系列为主,其中优质稻种如‘甬优1540’等受到农户青睐;衢州地区主要种植“双季稻”,即“早稻-晚稻”模式,但由于种植经济效益和劳动力短缺导致部分地区种植结构逐步转向“单季稻”种植。3)衢州市稻田土壤平均pH偏酸性(5.84),有机质和全氮含量较高,全磷含量偏低;土壤质量指数在各县级行政区间存在显著差异,以江山市最高(0.51),衢江区最低(0.41);SQI主要受有效磷、有机质和微生物量碳含量影响。4)稻田氮肥平均用量为237.55 kg/hm2,存在过量施氮现象;同类型肥料投入在不同稻作模式间存在显著差异,尤其是“中稻”显著高于“早稻”和“晚稻”肥料投入量。5)“双季稻”产量最高,达776.37 kg/667 m²,“中稻”次之,为465.02 kg/667 m²;“双季稻”生产成本和纯收益均为最高,但“中稻”的产投比和利润率优于“双季稻”,经济效益较高,结合农村劳动力稀缺现状,“中稻”种植模式可能更受种植户青睐。
本研究针对衢州市水稻生产面临的品种选择分散性高、养分使用超标和劳动力资源短缺等问题,提出以下政策建议:1)加强适宜衢州市种植的优质高产水稻品种的选育、引进和推广。重点关注综合抗性强、肥料利用率高的品种,集中推广3~5个主栽品种,提高稻米品质的整齐度,满足消费需求。2)加强土壤监测和平衡施肥。完善土壤养分测试服务体系,推行类似“一村一企一方案”的科学施肥模式,减少氮肥和磷肥用量,增施有机肥,提升肥料利用率;尤其要针对“单季稻”种植模式下的过量施肥问题,加大技术指导力度。3)加快高标准农田改造和新型农业经营主体培育。整合涉农项目资金,改善水利、道路等基础设施,提高农田质量;扶持家庭农场、农民合作社等,促进土地适度规模经营,推广先进适用的农业机械,提高生产效率。4)鼓励发展多种形式的产业融合,拓宽增收渠道
[34]。支持发展水稻种植与观光农业、创意农业、体验农业等相结合的新业态,增加附加值;引导劳动力向二三产业转移,缓解农业劳动力短缺问题,促进农民持续增收。
需要指出的是,本研究侧重于通过土壤理化性质指标构建土壤质量指数,旨在研究当前区域的土壤肥力及水稻生产状况,尚未深入探究其与水稻产量、施肥用量等生产因素的内在联系,这一过程中可能的影响机制有待进一步结合区域田间试验分析。此外,本研究选取衢州市这一南方水稻主产区作为研究主体,具有一定区域代表性,而不同地区在自然条件和种植制度等方面差异明显,结论普适性还有待于通过扩大调研范围和开展对比分析等方式进一步验证。未来可综合考虑社会经济因素和政策变动等对区域水稻生产的影响,采取定量与定性相结合方法,深化土壤质量与水稻产量、种植户收益的关系研究,为区域农业高质量发展提供更加全面的理论支撑和实践指导。
国家自然科学基金项目(32071629)
碳账户核算及减排固碳技术研究项目(衢农合2022-31)
衢州市农业碳中和账户建设项目(衢农合2021-27)