稻麦两熟制不同耕作栽培方式对农田生态环境和周年生产力的影响
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摘要
稻麦免耕套种与秸秆还田是一种新型的耕作栽培方式，不同程度地改变了农田生态环境，直接影响稻麦的生长。通过稻麦两熟制不同耕作栽培方式对农田生态环境、稻麦生长发育、产量品质和周年效益的研究，揭示新型耕作栽培方式土壤供肥特征和稻麦吸肥与生长发育规律，为稻麦轻型高产、优质、高效栽培提供技术和理论支撑，为有效地开展免耕、合理轮耕和秸秆还田提供科学依据。本研究通过网室和大田小区3年4种不同耕作栽培方式的定位试验，研究了稻麦两熟条件下，免耕套种与秸秆还田对农田生态环境和周年生产力的影响。主要结果如下：
(1)稻田免耕套种小麦留茬高度超过30 cm时，对晴天的透光率影响较大，影响小麦苗期生长。因此，从透光对小麦生长和秸秆自然还田两方面考虑，留茬高度在20～30 cm时较为适宜。免耕与秸秆覆盖麦田苗期高温晴天中午土壤的温度降低，而早晚的土温略高，土温的日较差比较小，日均土温稍有降低，而低温晴天和阴天的日均土温略高。
(2)麦田干旱时免耕覆盖土壤含水率较高，下雨后透水性较好。免耕覆盖有助于防止土壤水分蒸发，降低地表径流，增加水分渗透。
在网室水泥池不渗漏的情况下，稻田秸秆还田后水体的pH值降低，化学耗氧量(COD)提高。还田30天内，pH值免耕覆盖还田比翻耕不还田最多降低1.0左右；翻耕还田、免耕高茬、免耕覆盖还田的COD分别为翻耕不还田的3倍、8-12倍和11-17倍。大田水体的pH值和COD变化没有这样大，对水稻生长不会产生明显影响。
(3)免耕套种的耕层土壤容重和穿透阻力均有所增加，但不会明显影响稻麦的生长。秸秆还田3年后，土壤肥力提高，有机质、全氮、速效磷、速效钾翻耕还田比翻耕不还田分别增加2.0％-8.3％、2.9％-4.7％、0.1％-3.1％、10.7％-23.5％，以速效钾增加的幅度最高。秸秆还田对土壤速效氮有一定的缓冲和调节作用，翻耕秸秆还田处理前期有一定程度的下降，而后期速效氮含量明显上升。秸秆还田为土壤微生物活动繁殖提供了充足的能源和碳源，利于土壤微生物活动，促进磷、钾的有效化，也有利于后期土壤速效磷、钾的提高，微生物生物量N增加，麦收时翻耕秸秆还田处理耕层土壤微生物量N最高，稻收时以免耕覆盖还田微生物量N最高，均为翻耕不还田的1倍。
(4)麦田埋在土层7cm和14cm的秸秆腐解速度较快，且以埋深14cm最快，覆盖在表层较慢，说明秸秆与土壤密切接触，有利于秸秆腐解。稻田由于有水层的作用和高温高湿的环境，覆盖在表层秸秆腐解也较快。麦季稻秸覆盖还田一季后秸秆残留率在60％左右，埋在土层的残留率在40％左右；稻季麦秸覆盖还田一季后秸秆残留率在25％左右，而埋在土层的残留率在20％左右。覆盖还田秸秆固定的氮素较多，对稻麦生长供应的氮素没有翻入土壤的多，但可起到很好的调节作用，提高氮肥利用率。随着还田秸秆的腐解，秸秆含氮率逐渐增加，全碳含量逐渐下降，秸秆C／N比降低。麦田稻秸表层C／N比一直较高，而稻田的麦秸表层C／N比最低，7cm最高。麦田和稻田前期不同埋深对秸秆全碳的影响不显著，C／N比主要取决于秸秆的含氮率。一季后麦田稻秸的C／N比在30左右，稻田麦秸的C／N比在15以上，比土壤腐殖质的C／N比高，说明一季后秸秆还都未完成其腐殖化过程。
(5)秸秆覆盖会影响小麦种子的发芽出苗，基本苗减少，秸秆较多处小麦冻害较重。小麦累积干物重以翻耕处理较高，免耕处理较低，成熟期免耕比翻耕平均低15％左右，而免耕秸秆覆盖还田与翻耕秸秆覆盖还田、免耕高茬与翻耕不还田差异不显著。由于免耕套种小麦的含N、P率略低，含K率持平，累积N、P、K吸收量比翻耕处理低20％左右。在同期播种，相同播量的情况下，免耕套种小麦穗数较少，千粒重较高，第一年实际产量略低。但随着连续免耕时间的延长，残留秸秆较多，稻田水绵严重，影响套种小麦出苗，免耕处理产量明显降低，免耕秸秆覆盖还田比翻耕不还田平均降低7.27％，必须改变播种方式或轮耕。耕翻秸秆覆盖还田在麦季的产量有增有减，比翻耕不还田平均减产1％左右。免耕与秸秆还田的小麦容重降低，但出粉率提高，可改善小麦的商品品质。在土壤肥力较低时，免耕处理粗蛋白质和湿面筋含量有降低趋势。而秸秆覆盖还田可提高粗蛋白质和湿面筋含量，有利于改善中、强筋专用小麦的品质。
(6)与移栽稻相比，免耕套种水稻株高较低，单茎叶面积略小，生物量低，但生育后期干物质累积量增加迅速。从秸秆还田来看，水稻干物质的积累翻耕秸秆还田低于翻耕不还田，免耕套种覆盖低于免耕高茬，翻耕移栽秸秆还田处理在拔节期表现尤其明显。随着生育期的推进，植株含氮磷钾率逐渐下降，秸秆还田前期与水稻争氮，后期又释放氮素供水稻吸收，植株含氮率成熟期免耕套种与移栽相差不大，但无论是秸秆还是籽粒，免耕和翻耕秸秆还田都显著高于翻耕不还田。成熟期植株含P、K率也以免耕和翻耕秸秆还田处理为高，翻耕不还田较低。累积吸收N、P、K的量均以免耕覆盖和翻耕秸秆还田处理较高，免耕高茬和翻耕不还田较低，免耕覆盖还田与翻耕还田、免耕高茬与翻耕不还田间差异不明显。解决好套种水稻的立苗和草害等问题，套种水稻的产量可与移栽水稻的产量持平或略增。翻耕秸秆还田的水稻产量最高，平均比翻耕不还田增产3％左右。免耕套种覆盖还田也能获得较高产量，比翻耕不还田增产0.8-3.1％。在亩穗数相差不大的情况下，免耕套种水稻每穗实粒数较少，千粒重较高，套种水稻可获得较高产量。主要是水稻后期根系活力强，干物质积累多，抗病抗逆性强。水稻免耕套种可明显改善稻米的加工品质和外观品质，提高其出糙率、精米率和整精米率，降低垩白率和垩白度。翻耕移栽秸秆还田也能提高整精米率，垩白率、垩白度略有降低。水稻免耕套种和秸秆还田可提高稻米蛋白质含量，降低直链淀粉的含量，使其胶稠度变软，稻米品质变优；而水稻移栽秸秆还田条件下蛋白质含量提高，直链淀粉含量略增，胶稠度变硬。
(7)土壤肥力数值化综合评价表明，不同处理养分肥力指标(NFI)以免耕秸秆还田最高，耕翻不还田最低；但综合肥力指标(IFI)却以耕翻秸秆还田最高，免耕高茬最低，主要受土壤容重影响。可以认为，综合肥力指标是耕地现实持续生产力的标志，养分肥力指标是耕地潜在持续生产力的标志。翻耕秸秆还田耕地现实持续生产力最好，免耕秸秆还田有较高的耕地潜在持续生产力。
免耕套种的小麦产量较低，水稻产量有所增加，考虑节省的秧田种植小麦，则稻麦年产量免耕套种高于翻耕。从技术经济角度分析，在掌握一定的栽培技术后，采用稻麦免耕套种方式，能增加稻麦两熟的周年产量，具有明显的节本增收效果。稻麦周年产量生产力和经济生产力以免耕套种秸秆还田最高，免耕高茬次之，翻耕秸秆还田较低，翻耕不还田最低。翻耕秸秆还田比不还田有一定的增产增收效果，如果考虑到秸秆还田后所带来的土壤肥力效应和减少肥料用量，增产增收效果更为明显。
高产、高效、可持续发展是现代农业所追求的目标。运用综合评分法对稻麦两熟制不同耕作栽培方式周年生产力综合评价，选择产量和产值作为高产的指标，选用低成本和纯收入作为高效的指标，选用土壤肥力综合评价指标NFI和IFI作为可持续发展指标。根据高产、高效和可持续等总指标的相对重要性，高产为35％，高效为35％，可持续为30％，确定各指标的权重。高产指标中年产量为20％，总产值为15％：高效指标中总成本为15％，纯收入为20％，可持续指标中NFI为10％，IFI为20％。4个耕作栽培方式综合评分结果：免耕套种秸秆还田得分最高，周年生产力最好，免耕高茬次之，耕翻还田再次，耕翻不还田得分最低，周年生产力最差。
No-tillage plus inter-planting and straw return is a recently-developed farming practicein China, which produces profound effects on cropland eco-environment and the growthof rice and wheat. In order to provide a solid technological and theoretical support forlight-duty, high yield, high quality and efficient production in rice and wheat, and toprovide a scientific guidance for carrying out no-tillage, reasonable rotation tillage andstraw returning more efficiently, different tillage and cultivation methods were adopted tostudy their effects on cropland eco-environment, nutrition supply in soil and absorptionin rice and wheat, rice and wheat growth, yield and grain quality, and yearly productivity.Four different tillage and cultivation treatments lasting 3 consecutive years (no-tillageplus straw mulching, NTS; no-tillage plus high stubble remaining, NTH; conventionaltillage plus straw returning, CTS; and conventional tillage plus no straw returning, CT)were carried out both in net house and in the open field. The main results were asfollows.
1. Under NTS, the height of rice stubble remained on the field significantly affectedthe light transmission rate in sunny days,with an optimal height of 20-30 cm. NTS andCTS decreased soil temperature at noon in sunny and warm days, but slightly increased itin the morning and evening, which led to a less diurnal difference. The average diurnaltemperature under NTS and CTS was lower in sunny day, but higher in cloudy day.
2. Under NTS, soil water content was higher under drought condition, and soilpermeability after irrigation was better, which was propitious to the growth of wheat..NTS was suitable to prevent water evaporation, decrease surface runoff and better waterpermeability in soil. In concrete ponds in net house where no water leaking, PH readingwas decreased and COD was increased under NTS,NTH and CTS. PH reading within30d under NTS was at most 1 lower than under CT. COD under CTS, NTH and NTS was3, 8-12 and 11-17 times as much as under CT. While in the open field, the variations ofPH reading and COD were not so big, producing insignificant effects of rice growth.
3. Under NTS and NTH, both the soil bulk and penetration resistance of topsoil increased,but no apparent adverse effects of them were observed on wheat and rice growth. Strawreturning significantly improved soil structure and increased soil nutrients content. After3 years straw returning, soil organic matter, total N, available P and K in CTS treatmentincreased 4.7%-13.0%, 0%-10.6%, 0.25%-10.6% and 8.4%-15.5%, respectively,compared with that in CT. Of which, the increments of available K were the biggest.Straw returning also produced certain buffer and regulating effects on available N in soil.In CTS treatment, available N content in soil decreased to some degree at the earlierstage of treatment, but increased significantly at the later stage. Straw returning providedadequate energy and carbon sources for the aggregation of soil microorganisms, whichwas helpful to the validation of available P and K, especially at the later stage. Strawreturning increased soil microbial biomass nitrogen content. When wheat was harvested,soil microbial biomass N was highest in CTS, but when rice was harvested, that washighest in NTS. Both were twice as much as under CT.
4. Rice straw embedded into soil layer in wheat field decomposed faster than mulchedon the surface. And the highest decomposition rate was detected at the embedding depthof 14cm. This indicated that the closer contact between soil and straw was helpful tostraw decomposition. Owing to the water layer, higher moisture and temperature in ricefield, the wheat straw embedded in rice field decomposed faster than the rice strawembedded wheat field. Through the decomposition of one cropping season, the residualrates of the rice straw in wheat field and that of embedded the rice straw in wheat fieldwere 60% and 40%, respectively. While the residual rates of wheat straw in rice field andthe residual rates of embedded wheat straw in rice field were 25% and 20%, respectively.Compared with CTS, NTS fixed more nitrogen, produced less nitrogen for wheat andrice growth, but it increased the utility rate of nitrogen. Through decomposition, C/Nratio decreased due to the loss of total C. The C/N ratio of rice straw in surface layer ofwheat field remained high, while that of wheat straw was the lowest in surface layer andwas the highest in mid-layer of rice field. The C/N ratios of crop straws at earlydecomposition stage were not significantly affected by embedding depth but were closerelated to their initial nitrogen contents. The C/N ratio of rice and wheat straw after onecropping season was around 30 and 15, respectively, higher than that in humus, whichindicated that the decomposition process was not fully accomplished.
5. Straw returning inhibited the germination and emergence rate in wheat, which led toa smaller population of basic seedlings. Straw returning also made the damage offreezing to wheat seedlings more serious. Dry matter accumulations in wheat in NTS andNTH were lower than that in CT, i.e. 15% less in average was detected at the ripeningstage. But no significant differences were observed between NTS and NTH, CTS and CT.Due to slightly lower content of N and P in wheat grains, the total accumulations of N, P and K under NTS and NTH were 20% lower in average than that under CTS and CT.Under the same planting date and seeding amount, the number of spikes under NTS andNTH was smaller, but the kilo-grain weight was higher. The grain yield was slightly butnot significantly lower under NTS in the first year. With more lodged stubble and weedsin the second and third year of no-tillage, which affected wheat germination and seedlingemergence, leading to a significant decrease in wheat yield. On average,the grain yield inNTS treatment was 7.27% lower than that in CT. In order to increase grain yield, seedingmethod must be optimized, or rotation tillage must be adopted. Compared with CT,wheat yield of CTS was higher or lower in different years. But the average yield in 3years was 1% lower than that of CT. The wheat test weight under NTS was low, but flourrate was high, with the best commercial quality. When the soil was infertile, the crudeprotein content and wet gluten content tended to decrease. While NTS and CTS increasedthe crude protein content and wet gluten content, which was beneficial to theoptimization of wheat commercial quality.
6. Compared with CT, NTS and NTH reduced the height of rice plants, leaf area perplant and the biomass of rice plants, but the treatments accumulated the biomass morequickly at the later stage. As for dry matter accumulation in rice, CTS was lower than CT,especially at the elongation stage, and NTS was also lower than NTH. With rice growth,the content of N, P and K in rice plants decreased gradually. At the ripening stage, thedifference of the content of N in rice plants between NTS and CTS was insignificant. Butthe content of N in both rice plants and rice grains under NTS and CTS was significantlyhigher than CT. At the ripening stage, the content of P and K under NTS and NTH washigher than CT. The accumulated content of N, P and K under NTS and CTS was higherthan NTH and CT, but the differences between NTS and CTS, NTH and CT were bothinsignificant. If the problems of seedlings erectness and weeding could be solved, therice yield under NTS and NTH could be as high as, or even slightly higher than thatunder CT. In all treatments, the rice yield under CTS was the highest, 3% higher than CTon average. The rice yield under NTS was also high, 0.8-3.1% higher than CT in average.When the difference between the number of spikes per unit area was not significant, thenumber of kernel per spike under NTS and NTH was smaller, but the kilo-grain-weightwas higher, and the rice yield was also higher than CT. The main reason was that rootactivity under NTS and NTH was higher, and more dry matter was accumulated at thelater stage, and the resistance to diseases and insects was also stronger. Rice under NTSand NTH enhanced the processing quality and eternal quality significantly, thepercentage of brown, milled and head rice increased while chalky rice and chalkinessdecreased. CTS also increased percentage of head rice and slightly reduced chalky riceand chalkiness. The cooking quality of NTS and NTH was improved due to the increaseof protein, decline of amylose content and the increase of gel consistency of rice starch, while CTS increased both protein and amylose contents and decreased gel consistency,which contributed to the decline in quality of cooked rice.
7. The comprehensive evaluation of soil fertility indicated that nutrient fertility index(NFI), was the highest under NTS, and was the lowest under CT. But integrated fertilityindex (IFI) was the highest under CTS, and was the lowest under NTH, as for IFI wasmainly affected by the bulk density. IFI could be used as the index of soil actualsustainable productivity, while NFI could be used to indicate soil potential sustainableproductivity. CTS could maintain the highest soil sustainable productivity, while NTShad the highest soil potential sustainable productivity.
Wheat yield under NTS and NTH was relatively low, but rice yield increased to someextent. But the total yield of rice and wheat under NTS and NTH was higher than that ofCTS and CT, considering wheat yield in rice seedling field. Technically and economically,NTS and NTH could increase the total yearly productivity and increase the total incomeas long as NTS and NTH technology was extended to individual farmers. Highest yearlyproductivity and yearly economic productivity were observed under NTS. NTH took the2nd place. CTS was in the 3rd place, while CT was the lowest. Compared with CT, CTSachieved a higher yield and productivity. Considering the effects of CTS on soil fertilityand the decreased fertilizer usage, the efficiency was obsolutely obvious.
The targets of modern agriculture are high yield, high quality and sustainabledevelopment. In this paper, comprehensive appraisal system was proposed to give a fairevaluation to the yearly productivity of rice and wheat under different rice and wheatdouble cropping systems. In the system, the yield and output were selected as the indicesto evaluate yielding ability, the total cost and the total pure income were selected as theindices to evaluate efficiency, NFI and IFI were selected as the indices to evaluate thecapability of sustainable development. Based on the importance of yield, efficiency andsustainable development, the weight of them was 35%, 35% and 30%, respectively. Inyielding ability, 20% was given to yield, and 15% was given to the total output. Inefficiency, 15% was given to the total cost, and 20% was given to the total income. Insustainable development, 10% was given to NFI, and 20% was given to IFI. According tothis evaluation system, 4 types of tillage and cultivation methods were evaluated. Theappraisal results indicated that NTS got the highest score, and the yearly productivity wasthe highest. NTH took the 2nd place. CTS took the 3rd place. CT was the last.
(1)稻田免耕套种小麦留茬高度超过30 cm时，对晴天的透光率影响较大，影响小麦苗期生长。因此，从透光对小麦生长和秸秆自然还田两方面考虑，留茬高度在20～30 cm时较为适宜。免耕与秸秆覆盖麦田苗期高温晴天中午土壤的温度降低，而早晚的土温略高，土温的日较差比较小，日均土温稍有降低，而低温晴天和阴天的日均土温略高。
(2)麦田干旱时免耕覆盖土壤含水率较高，下雨后透水性较好。免耕覆盖有助于防止土壤水分蒸发，降低地表径流，增加水分渗透。
在网室水泥池不渗漏的情况下，稻田秸秆还田后水体的pH值降低，化学耗氧量(COD)提高。还田30天内，pH值免耕覆盖还田比翻耕不还田最多降低1.0左右；翻耕还田、免耕高茬、免耕覆盖还田的COD分别为翻耕不还田的3倍、8-12倍和11-17倍。大田水体的pH值和COD变化没有这样大，对水稻生长不会产生明显影响。
(3)免耕套种的耕层土壤容重和穿透阻力均有所增加，但不会明显影响稻麦的生长。秸秆还田3年后，土壤肥力提高，有机质、全氮、速效磷、速效钾翻耕还田比翻耕不还田分别增加2.0％-8.3％、2.9％-4.7％、0.1％-3.1％、10.7％-23.5％，以速效钾增加的幅度最高。秸秆还田对土壤速效氮有一定的缓冲和调节作用，翻耕秸秆还田处理前期有一定程度的下降，而后期速效氮含量明显上升。秸秆还田为土壤微生物活动繁殖提供了充足的能源和碳源，利于土壤微生物活动，促进磷、钾的有效化，也有利于后期土壤速效磷、钾的提高，微生物生物量N增加，麦收时翻耕秸秆还田处理耕层土壤微生物量N最高，稻收时以免耕覆盖还田微生物量N最高，均为翻耕不还田的1倍。
(4)麦田埋在土层7cm和14cm的秸秆腐解速度较快，且以埋深14cm最快，覆盖在表层较慢，说明秸秆与土壤密切接触，有利于秸秆腐解。稻田由于有水层的作用和高温高湿的环境，覆盖在表层秸秆腐解也较快。麦季稻秸覆盖还田一季后秸秆残留率在60％左右，埋在土层的残留率在40％左右；稻季麦秸覆盖还田一季后秸秆残留率在25％左右，而埋在土层的残留率在20％左右。覆盖还田秸秆固定的氮素较多，对稻麦生长供应的氮素没有翻入土壤的多，但可起到很好的调节作用，提高氮肥利用率。随着还田秸秆的腐解，秸秆含氮率逐渐增加，全碳含量逐渐下降，秸秆C／N比降低。麦田稻秸表层C／N比一直较高，而稻田的麦秸表层C／N比最低，7cm最高。麦田和稻田前期不同埋深对秸秆全碳的影响不显著，C／N比主要取决于秸秆的含氮率。一季后麦田稻秸的C／N比在30左右，稻田麦秸的C／N比在15以上，比土壤腐殖质的C／N比高，说明一季后秸秆还都未完成其腐殖化过程。
(5)秸秆覆盖会影响小麦种子的发芽出苗，基本苗减少，秸秆较多处小麦冻害较重。小麦累积干物重以翻耕处理较高，免耕处理较低，成熟期免耕比翻耕平均低15％左右，而免耕秸秆覆盖还田与翻耕秸秆覆盖还田、免耕高茬与翻耕不还田差异不显著。由于免耕套种小麦的含N、P率略低，含K率持平，累积N、P、K吸收量比翻耕处理低20％左右。在同期播种，相同播量的情况下，免耕套种小麦穗数较少，千粒重较高，第一年实际产量略低。但随着连续免耕时间的延长，残留秸秆较多，稻田水绵严重，影响套种小麦出苗，免耕处理产量明显降低，免耕秸秆覆盖还田比翻耕不还田平均降低7.27％，必须改变播种方式或轮耕。耕翻秸秆覆盖还田在麦季的产量有增有减，比翻耕不还田平均减产1％左右。免耕与秸秆还田的小麦容重降低，但出粉率提高，可改善小麦的商品品质。在土壤肥力较低时，免耕处理粗蛋白质和湿面筋含量有降低趋势。而秸秆覆盖还田可提高粗蛋白质和湿面筋含量，有利于改善中、强筋专用小麦的品质。
(6)与移栽稻相比，免耕套种水稻株高较低，单茎叶面积略小，生物量低，但生育后期干物质累积量增加迅速。从秸秆还田来看，水稻干物质的积累翻耕秸秆还田低于翻耕不还田，免耕套种覆盖低于免耕高茬，翻耕移栽秸秆还田处理在拔节期表现尤其明显。随着生育期的推进，植株含氮磷钾率逐渐下降，秸秆还田前期与水稻争氮，后期又释放氮素供水稻吸收，植株含氮率成熟期免耕套种与移栽相差不大，但无论是秸秆还是籽粒，免耕和翻耕秸秆还田都显著高于翻耕不还田。成熟期植株含P、K率也以免耕和翻耕秸秆还田处理为高，翻耕不还田较低。累积吸收N、P、K的量均以免耕覆盖和翻耕秸秆还田处理较高，免耕高茬和翻耕不还田较低，免耕覆盖还田与翻耕还田、免耕高茬与翻耕不还田间差异不明显。解决好套种水稻的立苗和草害等问题，套种水稻的产量可与移栽水稻的产量持平或略增。翻耕秸秆还田的水稻产量最高，平均比翻耕不还田增产3％左右。免耕套种覆盖还田也能获得较高产量，比翻耕不还田增产0.8-3.1％。在亩穗数相差不大的情况下，免耕套种水稻每穗实粒数较少，千粒重较高，套种水稻可获得较高产量。主要是水稻后期根系活力强，干物质积累多，抗病抗逆性强。水稻免耕套种可明显改善稻米的加工品质和外观品质，提高其出糙率、精米率和整精米率，降低垩白率和垩白度。翻耕移栽秸秆还田也能提高整精米率，垩白率、垩白度略有降低。水稻免耕套种和秸秆还田可提高稻米蛋白质含量，降低直链淀粉的含量，使其胶稠度变软，稻米品质变优；而水稻移栽秸秆还田条件下蛋白质含量提高，直链淀粉含量略增，胶稠度变硬。
(7)土壤肥力数值化综合评价表明，不同处理养分肥力指标(NFI)以免耕秸秆还田最高，耕翻不还田最低；但综合肥力指标(IFI)却以耕翻秸秆还田最高，免耕高茬最低，主要受土壤容重影响。可以认为，综合肥力指标是耕地现实持续生产力的标志，养分肥力指标是耕地潜在持续生产力的标志。翻耕秸秆还田耕地现实持续生产力最好，免耕秸秆还田有较高的耕地潜在持续生产力。
免耕套种的小麦产量较低，水稻产量有所增加，考虑节省的秧田种植小麦，则稻麦年产量免耕套种高于翻耕。从技术经济角度分析，在掌握一定的栽培技术后，采用稻麦免耕套种方式，能增加稻麦两熟的周年产量，具有明显的节本增收效果。稻麦周年产量生产力和经济生产力以免耕套种秸秆还田最高，免耕高茬次之，翻耕秸秆还田较低，翻耕不还田最低。翻耕秸秆还田比不还田有一定的增产增收效果，如果考虑到秸秆还田后所带来的土壤肥力效应和减少肥料用量，增产增收效果更为明显。
高产、高效、可持续发展是现代农业所追求的目标。运用综合评分法对稻麦两熟制不同耕作栽培方式周年生产力综合评价，选择产量和产值作为高产的指标，选用低成本和纯收入作为高效的指标，选用土壤肥力综合评价指标NFI和IFI作为可持续发展指标。根据高产、高效和可持续等总指标的相对重要性，高产为35％，高效为35％，可持续为30％，确定各指标的权重。高产指标中年产量为20％，总产值为15％：高效指标中总成本为15％，纯收入为20％，可持续指标中NFI为10％，IFI为20％。4个耕作栽培方式综合评分结果：免耕套种秸秆还田得分最高，周年生产力最好，免耕高茬次之，耕翻还田再次，耕翻不还田得分最低，周年生产力最差。
No-tillage plus inter-planting and straw return is a recently-developed farming practicein China, which produces profound effects on cropland eco-environment and the growthof rice and wheat. In order to provide a solid technological and theoretical support forlight-duty, high yield, high quality and efficient production in rice and wheat, and toprovide a scientific guidance for carrying out no-tillage, reasonable rotation tillage andstraw returning more efficiently, different tillage and cultivation methods were adopted tostudy their effects on cropland eco-environment, nutrition supply in soil and absorptionin rice and wheat, rice and wheat growth, yield and grain quality, and yearly productivity.Four different tillage and cultivation treatments lasting 3 consecutive years (no-tillageplus straw mulching, NTS; no-tillage plus high stubble remaining, NTH; conventionaltillage plus straw returning, CTS; and conventional tillage plus no straw returning, CT)were carried out both in net house and in the open field. The main results were asfollows.
1. Under NTS, the height of rice stubble remained on the field significantly affectedthe light transmission rate in sunny days,with an optimal height of 20-30 cm. NTS andCTS decreased soil temperature at noon in sunny and warm days, but slightly increased itin the morning and evening, which led to a less diurnal difference. The average diurnaltemperature under NTS and CTS was lower in sunny day, but higher in cloudy day.
2. Under NTS, soil water content was higher under drought condition, and soilpermeability after irrigation was better, which was propitious to the growth of wheat..NTS was suitable to prevent water evaporation, decrease surface runoff and better waterpermeability in soil. In concrete ponds in net house where no water leaking, PH readingwas decreased and COD was increased under NTS,NTH and CTS. PH reading within30d under NTS was at most 1 lower than under CT. COD under CTS, NTH and NTS was3, 8-12 and 11-17 times as much as under CT. While in the open field, the variations ofPH reading and COD were not so big, producing insignificant effects of rice growth.
3. Under NTS and NTH, both the soil bulk and penetration resistance of topsoil increased,but no apparent adverse effects of them were observed on wheat and rice growth. Strawreturning significantly improved soil structure and increased soil nutrients content. After3 years straw returning, soil organic matter, total N, available P and K in CTS treatmentincreased 4.7%-13.0%, 0%-10.6%, 0.25%-10.6% and 8.4%-15.5%, respectively,compared with that in CT. Of which, the increments of available K were the biggest.Straw returning also produced certain buffer and regulating effects on available N in soil.In CTS treatment, available N content in soil decreased to some degree at the earlierstage of treatment, but increased significantly at the later stage. Straw returning providedadequate energy and carbon sources for the aggregation of soil microorganisms, whichwas helpful to the validation of available P and K, especially at the later stage. Strawreturning increased soil microbial biomass nitrogen content. When wheat was harvested,soil microbial biomass N was highest in CTS, but when rice was harvested, that washighest in NTS. Both were twice as much as under CT.
4. Rice straw embedded into soil layer in wheat field decomposed faster than mulchedon the surface. And the highest decomposition rate was detected at the embedding depthof 14cm. This indicated that the closer contact between soil and straw was helpful tostraw decomposition. Owing to the water layer, higher moisture and temperature in ricefield, the wheat straw embedded in rice field decomposed faster than the rice strawembedded wheat field. Through the decomposition of one cropping season, the residualrates of the rice straw in wheat field and that of embedded the rice straw in wheat fieldwere 60% and 40%, respectively. While the residual rates of wheat straw in rice field andthe residual rates of embedded wheat straw in rice field were 25% and 20%, respectively.Compared with CTS, NTS fixed more nitrogen, produced less nitrogen for wheat andrice growth, but it increased the utility rate of nitrogen. Through decomposition, C/Nratio decreased due to the loss of total C. The C/N ratio of rice straw in surface layer ofwheat field remained high, while that of wheat straw was the lowest in surface layer andwas the highest in mid-layer of rice field. The C/N ratios of crop straws at earlydecomposition stage were not significantly affected by embedding depth but were closerelated to their initial nitrogen contents. The C/N ratio of rice and wheat straw after onecropping season was around 30 and 15, respectively, higher than that in humus, whichindicated that the decomposition process was not fully accomplished.
5. Straw returning inhibited the germination and emergence rate in wheat, which led toa smaller population of basic seedlings. Straw returning also made the damage offreezing to wheat seedlings more serious. Dry matter accumulations in wheat in NTS andNTH were lower than that in CT, i.e. 15% less in average was detected at the ripeningstage. But no significant differences were observed between NTS and NTH, CTS and CT.Due to slightly lower content of N and P in wheat grains, the total accumulations of N, P and K under NTS and NTH were 20% lower in average than that under CTS and CT.Under the same planting date and seeding amount, the number of spikes under NTS andNTH was smaller, but the kilo-grain weight was higher. The grain yield was slightly butnot significantly lower under NTS in the first year. With more lodged stubble and weedsin the second and third year of no-tillage, which affected wheat germination and seedlingemergence, leading to a significant decrease in wheat yield. On average,the grain yield inNTS treatment was 7.27% lower than that in CT. In order to increase grain yield, seedingmethod must be optimized, or rotation tillage must be adopted. Compared with CT,wheat yield of CTS was higher or lower in different years. But the average yield in 3years was 1% lower than that of CT. The wheat test weight under NTS was low, but flourrate was high, with the best commercial quality. When the soil was infertile, the crudeprotein content and wet gluten content tended to decrease. While NTS and CTS increasedthe crude protein content and wet gluten content, which was beneficial to theoptimization of wheat commercial quality.
6. Compared with CT, NTS and NTH reduced the height of rice plants, leaf area perplant and the biomass of rice plants, but the treatments accumulated the biomass morequickly at the later stage. As for dry matter accumulation in rice, CTS was lower than CT,especially at the elongation stage, and NTS was also lower than NTH. With rice growth,the content of N, P and K in rice plants decreased gradually. At the ripening stage, thedifference of the content of N in rice plants between NTS and CTS was insignificant. Butthe content of N in both rice plants and rice grains under NTS and CTS was significantlyhigher than CT. At the ripening stage, the content of P and K under NTS and NTH washigher than CT. The accumulated content of N, P and K under NTS and CTS was higherthan NTH and CT, but the differences between NTS and CTS, NTH and CT were bothinsignificant. If the problems of seedlings erectness and weeding could be solved, therice yield under NTS and NTH could be as high as, or even slightly higher than thatunder CT. In all treatments, the rice yield under CTS was the highest, 3% higher than CTon average. The rice yield under NTS was also high, 0.8-3.1% higher than CT in average.When the difference between the number of spikes per unit area was not significant, thenumber of kernel per spike under NTS and NTH was smaller, but the kilo-grain-weightwas higher, and the rice yield was also higher than CT. The main reason was that rootactivity under NTS and NTH was higher, and more dry matter was accumulated at thelater stage, and the resistance to diseases and insects was also stronger. Rice under NTSand NTH enhanced the processing quality and eternal quality significantly, thepercentage of brown, milled and head rice increased while chalky rice and chalkinessdecreased. CTS also increased percentage of head rice and slightly reduced chalky riceand chalkiness. The cooking quality of NTS and NTH was improved due to the increaseof protein, decline of amylose content and the increase of gel consistency of rice starch, while CTS increased both protein and amylose contents and decreased gel consistency,which contributed to the decline in quality of cooked rice.
7. The comprehensive evaluation of soil fertility indicated that nutrient fertility index(NFI), was the highest under NTS, and was the lowest under CT. But integrated fertilityindex (IFI) was the highest under CTS, and was the lowest under NTH, as for IFI wasmainly affected by the bulk density. IFI could be used as the index of soil actualsustainable productivity, while NFI could be used to indicate soil potential sustainableproductivity. CTS could maintain the highest soil sustainable productivity, while NTShad the highest soil potential sustainable productivity.
Wheat yield under NTS and NTH was relatively low, but rice yield increased to someextent. But the total yield of rice and wheat under NTS and NTH was higher than that ofCTS and CT, considering wheat yield in rice seedling field. Technically and economically,NTS and NTH could increase the total yearly productivity and increase the total incomeas long as NTS and NTH technology was extended to individual farmers. Highest yearlyproductivity and yearly economic productivity were observed under NTS. NTH took the2nd place. CTS was in the 3rd place, while CT was the lowest. Compared with CT, CTSachieved a higher yield and productivity. Considering the effects of CTS on soil fertilityand the decreased fertilizer usage, the efficiency was obsolutely obvious.
The targets of modern agriculture are high yield, high quality and sustainabledevelopment. In this paper, comprehensive appraisal system was proposed to give a fairevaluation to the yearly productivity of rice and wheat under different rice and wheatdouble cropping systems. In the system, the yield and output were selected as the indicesto evaluate yielding ability, the total cost and the total pure income were selected as theindices to evaluate efficiency, NFI and IFI were selected as the indices to evaluate thecapability of sustainable development. Based on the importance of yield, efficiency andsustainable development, the weight of them was 35%, 35% and 30%, respectively. Inyielding ability, 20% was given to yield, and 15% was given to the total output. Inefficiency, 15% was given to the total cost, and 20% was given to the total income. Insustainable development, 10% was given to NFI, and 20% was given to IFI. According tothis evaluation system, 4 types of tillage and cultivation methods were evaluated. Theappraisal results indicated that NTS got the highest score, and the yearly productivity wasthe highest. NTH took the 2nd place. CTS took the 3rd place. CT was the last.
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