灌溉条件下农牧交错带作物产量影响因子分析*——以盐池县皖记沟村为例

随金明，宋乃平※，王 兴， 2，张玉萍

(1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地/西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，银川 750021； 2.宁夏大学农学院，银川 750021)

灌溉条件下农牧交错带作物产量影响因子分析*
——以盐池县皖记沟村为例

随金明1，宋乃平1※，王 兴1， 2，张玉萍1

(1.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地/西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室，银川 750021； 2.宁夏大学农学院，银川 750021)

[目的]农牧交错带的农业生态经济发展长期处于“旱、薄、粗、单、低、穷”状态。灌溉农业因其高产特征为解决低盖度草场及禁牧造成的饲草料短缺问题提供途径。探究水源开发条件下作物产量的影响因素以及确定有效用水量以最大限度利用水资源是协调农牧交错带生产稳定发展与生态矛盾的关键途径之一。[方法]利用参与式农村评估对盐池县皖记沟村下辖5个自然村进行灌溉农业相关调查，结合LSD、T检验以及回归分析等方法分析数据。[结果]现有滴灌条件下，研究村域内作物产量由气候条件主导，各自然村玉米单位面积产量在1 200～12 750(kg/hm2)之间大幅波动；不同土质及农艺差异会导致各自然村之间产量的差异；当节水灌溉的灌溉定额在2 245.5～6 888m3/hm2时，节水灌溉既有效也具有很好的产出效益；从地下水年补给量供给平衡而言，研究区内不适宜大范围发展灌溉农业。[结论]气候及土质等因素共同影响农牧交错带灌溉作物产量，同时灌溉农业应合理布局以实现作物最大产出以及水资源高效可持续利用。

农牧交错带 灌溉农业 作物产量影响因子 回归分析 显著性分析

0 引言

农牧交错带是典型生态环境敏感区，脆弱的生态环境及过度利用自然资源，导致该区农田、草原不同程度退化，土地沙漠化日益严重[1-2]。农牧交错带特殊的生态环境决定该区应农牧结合发展经济，实现生态与经济发展相耦合[3-4]。近年来宁夏全区全面实施禁牧政策促进农牧交错带生态环境恢复[5]，但饲草料的短缺已成为牧业发展的限制因子，偷牧现象屡禁不止[6]。已有研究表明水资源是农牧交错带发展种植业的首要限制因子，而旱作产量极不稳定，无法维持农户年际间生计稳定[7]。近年来，由于经济能力和客观条件的成熟，大量灌溉机井的出现在很大程度上为农业生产提供了水源保证。水源开发对作物产量的提升和稳定的作用究竟如何仍有待研究。文章着重研究在农牧交错带区域农业发展的影响因子以及在有限水量条件下，如何控制补充灌溉量，以达到产量与水量利用的平衡。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

宁夏盐池县是典型中温带大陆性气候，年均气温为8.4 ℃，年平均降水量350～250mm。土壤以灰钙土、风沙土、黑垆土为主，是半干旱偏旱气候； 干草原与荒漠草原； 农区与牧区的过渡带[8-9]，地势南高北低，降水年内和年际变化大[1]。该文研究区——皖记沟村位于盐池县东北角，包括杨寨子村、李寨子村、皖记沟村、南王圈村和北王圈村5个自然村，总面积71.19km2[7]。

1.2 研究数据的获取

参与式农村评估是一种依靠农户了解农村条件与生活的一种方法，其可用于农学、管理等学科领域，也可用于项目可行性研究及专题讨论等多方面[10-11]。该文参照参与式农村评估要求，以调查问卷形式对皖记沟村所属5个自然村农户进行有关灌溉和种植业发展的调查。实际调查表明研究区除北王圈村外都为灌溉农田，故调查主要在剩余4个村庄进行，共调查农户90户，取得有效问卷78份。调查所得数据包括以下方面： (1)不同年份种植作物类型及产量， (2)不同年份灌溉所需时间，(3)当前现有机井信息， (4)不同年份作物种植面积。

1.3 数据处理

该文参考干旱区灌溉农业的生态系统评价方法对研究区灌溉农业现状进行分析，结合SPSS20以及Excel2010对数据进行处理与分析。

2 数据分析

2.1 研究区年度间显著性分析

研究区内各年度间农作物产量存在较大差异，对不同年度产量进行显著性比较以探究研究区气候对农作物产量的影响状况。该文基于SPSS20对2012～2015年研究区各年份农作物灌溉产量进行显著性分析，结果如表1所示。

表1 研究区各年度平均产量及变异性

年份2012201320142015产量(kg/hm2)6945 7±1665 2a7179 7±2350 1a7770 9±2028 9a5451 4±2041 3b 注：同行数据后不同字母表示差异显著(P<0 05)

结果表明研究区不同年份间产量差异显著， 2012～2014年研究区年际间差异不显著，而2015年与上述3年均为显著差异。综合自动气象站降水记录数据及农户调查，研究区2015年降水量少且伴有雹灾、风灾及虫害等自然灾害，导致农作物产量在2015年大幅下降，平均产量较2012～2014年分别降低21.51%， 24.07%， 29.84%。说明在有灌溉措施保障的情况下，自然灾害频发以及降水减少导致地下水资源过于集中利用对农作物产量影响很大。从多年产量考虑，气候仍是研究区农作产量稳定的重要保证，不同村庄农户间农业技术上的差异不足以影响到研究区各年份产量间的差异。

表2 2013～2015年同一年份不同村庄产量间显著性对比 kg/hm2

2.2 研究区村域间差异比较

气候决定研究区年际间产量相对稳定，但同一年份各自然村产量仍存在差异，因此从自然村角度进行分析，以研究村域间产量影响因子。因皖记沟村灌溉农业从2013年开始大面积实施，故以2013～2015年为时间段对研究区内各自然村进行显著性分析，结果见表2。

结合表1与表2，研究区气候稳定年份年际间产量差异不显著，但从各自然村作物产量角度研究可知，同一年份自然村间产量差异显著，以2013～2014年而言，李寨子村与杨寨子村差异不显著，但与剩余2个自然村在灌溉产量上存在显著差异， 2015年气候干旱，造成各自然村不同程度减产，但皖记沟村仍与其他各村产量差异显著。从土壤质地方面来看，杨寨子村与李寨子村年均产量最高的2个村，其半沙半土与土质耕地类型占比较高，杨寨子75.25%，李寨子58%，皖记沟村56.31%，南王圈43.69%，说明不同村域土壤质地对于农作物产量有很大影响。

同一村庄在不同年份之间产量也存在较大波动，对研究区各自然村计算其不同年份变异系数，以进一步研究作物产量的影响因素，结果见表3。

表3 研究区各村多年及不同年份产量变异系数

村名产量均值(kg/hm2)变异系数(%)2012～2014年各年度变异系数(%)2012201320142015杨寨子村7247 9±2352 032 4521 0123 6625 6434 21李寨子村7433 2±2368 931 8720 0921 1924 2033 48皖记沟村5367 0±2319 543 22—44 6223 4849 43南王圈村6550 4±1972 330 1128 6033 9825 4230 08平均值——23 2330 8624 6936 80

从表3得出2012～2015年，变异系数呈波动增加的趋势，尤其在2015年各村变异系数明显增加，说明不同年份之间产量波动可能是年降水量造成，同时变异系数增加趋势反映化肥等投入和农艺技术的成熟促使各村之间的差异。实际调查也表明不同农艺技术会造成农作物产量差异明显。从多年变异系数平均值而言，皖记沟村差异最大，南王圈次之，杨寨子再次，李寨子最小。皖记沟村机井集中在一起，对于水的供应较为紧张，同时耕作年限不同是造成该村差异显著的原因。南王圈村各农户多利用集体井进行灌溉，在干旱年份对水需求明显增加的情况下，普遍反映出灌溉时所受限制。对于杨寨子与李寨子村而言灌溉电压的限制成为当前所面临的主要问题，但农户大部分可利用自家机井进行补充灌溉。

表4 2012～2013年研究区年均旱作产量 kg/hm2

2.3 旱作产量的比较

旱作情况下，对研究区不同村庄进行农作物产量的显著性对比，以此反映地理位置、农艺措施变化与气候等对旱作产量的决定关系。对2012与2013年研究区5个自然村的旱作产量以0.05水平进行显著性分析。研究区2012～2013年年均旱作产量见表4。

结果表明，研究区内各自然村旱作产量在不同自然村以及不同年份没有显著性差异，说明旱作条件下各自然村产量处于同一水平上，相对于地理位置及农户间农艺措施的差异而言，气候对旱作产量具有决定性作用。

研究区位于半干旱偏旱气候的农牧交错带，降水量年际变化显著，单纯依靠自然降水的旱作农业，在干旱年份无法支持农户生计，因此对旱作产量与灌溉产量进行分析，以表明灌溉对于农业发展的重要性[7]。利用旱作平均产量与已有灌溉产量进行T检验，结果表明，灌溉后产量显著高于旱作产量，说明研究区内灌溉农业明显优于旱作农业，同时以2012～2013年为研究时段比较各自然村旱作产量与灌溉产量变异系数，结果显示除皖记沟村2013年变异系数低于灌溉农业外，研究时段内各村庄旱作农业的变异系数都高于灌溉农业，说明灌溉农业降低了产量的波动。因此发展灌溉农业既可为畜牧业发展提供保障，也能减少对于草原的无序利用，防止该区土地的进一步破坏。

机井的存在为农业发展提供了保障，同时也改变了研究区内“闯田”的种植模式，促进了农作物产量的稳定。调查得到研究区各自然村灌溉产量情况如表5所示。

表5 2012～2015年研究区灌溉产量情况 kg/hm2

图1 2013年研究区产量与灌溉量关系 图2 2014年研究区产量与灌溉量关系

图3 2013～2014年研究区产量与灌溉量关系

3 产量与灌溉水量关系

对农作物而言，稳定的产量需要适宜灌溉量保障，尤其对缺水的农牧交错带而言，更需对灌溉量进行研究，以促进水源的有效利用。当前宁夏玉米生长期内灌溉需水量为549mm[14]，即当水分条件满足该数值时，玉米产量可以保持稳定。对研究区而言， 2015年玉米生长期降水量明显偏少，同时研究区内各自然村存在不同的灌溉限制因素，导致该年数据差异明显。因此利用2013～2014年研究区农户灌溉量与作物产量数据进行回归分析，结果如图1、图2所示。分析结果可知，三次方程对所得数据的拟合精度最高，R2分别为0.724与0.673，相对其它拟合方式而言，三次项拟合能更好解释数据反映出的规律。同时对两年数据进行回归分析，结果如图3所示，与单年回归结论相似，三次项拟合能更好解释数据所表达内容。

由图1～3可得，研究区50%保障率降水即279mm条件下， 2013、2014年玉米生长期灌溉需水量分别为6 818m3/hm2， 5 892m3/hm2，多年平均灌溉需水量为6 888m3/hm2。图1～3反映出灌溉量在2 245.5～6 888m3/hm2范围内研究区玉米产量随着灌溉量增加而显著增加。与前述数值差异较大的原因可能在于调查问卷所得数据不精确，同时也可能在于对数据取舍。研究区降水变率大，自然降水并不能满足玉米生长期水量要求，因而确定合适灌溉量对提高水资源利用效率尤为重要。

4 研究区地下水总量与可支持性分析

研究区总面积为71.19km2，区内没有地表径流，地下水是当地生活饮用及社会经济的重要水源，同时也是农业发展的灌溉水源。研究区地下水补给主要依靠降水补给以及区外地下水侧向径流。从富水性角度而言，研究区不同村庄地下水富存量不尽相同，其中南王圈、北王圈、李寨子以及皖记沟村大部分处于单井涌水量100～500m3/d的较贫乏区，而杨寨子处于单井涌水量小于100m3/d的水量贫乏区[12]。研究区年内地下水可利用量Q参照以下公式计算：

Q=降水补给+侧向补给-生态需水量

式中生态需水量按照枯水年蒸散量的75%计算[13]。研究区平水年地下水补给量为536.8万 m3/年，其中降水入渗补给量为496.8万m3/年，其余为侧向补给量，枯水年地下水补给总量为460.7万m3/年，其中降水入渗补给量为420.98万m3/年。与此同时研究区内生态需水量为386.6万m3/年，由公式计算出研究区不同降水年份下地下水最大利用量为150.2万m3/年和74.1万m3/年。调查得知农户依靠自身感知以调节灌水时间及频率，已有研究也表明农户对环境的感知与科学统计结果间相似[1]。虽然降水量的变化以及农户的农艺水平差异会导致在不同年份、不同农户间灌溉量有较大差异，该文主要评价研究区地下水总量是否支持当前农业发展所需，故利用研究区内农户多年灌水量均值进行分析，经整理已有调查数据得到研究区2012～2014年平均灌溉量为5 187.75m3/hm2， 2015年干旱气候下灌溉量为6 426.15m3/hm2，研究区共有耕地面积为523.57hm2[7]。其中北王圈村现今仍大部分为旱地，其余村庄耕地类型主要为水浇地。对调查所得实际灌溉面积而言，研究区现有地下水可利用量只能维持当前规模的灌溉农业存在。假定未来研究区耕地全部转化为水浇地，则从不同年份降水量多寡的现实状况考虑，未来研究区正常降水年份下需水量为271.6万m3/年，干旱年份需水量为336.4万m3/年，同时研究区居民生活用水依靠地下水，生活用水量为15万m3/年。在保证研究区地下水水文平衡的前提下，利用当前研究区现实灌溉需水量与地下水可利用量比较后得知，当前研究区内地下水年补给量不足以支持研究区更大规模地扩展灌溉农业。

5 讨论

5.1 灌溉农业存在的必要性

灌溉作物产量较旱作有很大提升，研究区2012～2015年滴灌亩均产量较旱作产量分别提高96%， 106%， 131%， 33%，同时滴灌每667m2单产高于漫灌35%。当气候条件稳定，灌溉条件下研究区不同年份间产量没有显著差异，在气候波动年份，灌溉措施的存在仍可保障农户收成，降低产量波动。对位于农牧交错带的研究区而言，农牧结合是该区经济发展基础。研究表明不同时期的草场在营养物质含量与产草量等有显著差异，结合研究区草场只适宜放牧，不适宜打草贮存的现实，在140d左右的枯草期间灌溉农业能为养殖提供稳定饲料来源，保障牲畜顺利度过枯草期[15]。调查得知灌溉农业的存在促进养殖业发展，同时也是禁牧政策得以有效实施的重要保障，灌溉农业的存在促使研究区农户养殖规模不同程度扩大，并在很大程度上减少饲料的购买量，提高了经济效益。

5.2 合理灌溉，控制规模

当前研究区在国家大力支持下全部采用滴灌方式进行灌溉，但研究区地下水总量只能维持现有规模灌溉农业需水量，因而研究区内应加强控制灌溉面积。水资源作为限制当地发展灌溉的首要因子，对有限地下水的高效利用是未来农业发展的保障。玉米在不同时期需水量不同，因此在影响玉米产量的关键期进行有效灌溉[16]，在其他时期适度灌溉，以减少对地下水的过度消耗，提高水效益。

5.3 合理布局种植业，改善农艺措施

农牧交错带种植业的农艺粗放，加之土壤沙化较为普遍，不同质地土壤以及农艺措施差异造成农户间产量差异明显，因而研究区应合理布局灌溉农业，不断提高农艺水平，把有限的水资源与良好的土质和较为集约的农艺措施结合，以便获得更高产量。研究区内半沙半土或土质耕地是发展灌溉农业的较优选择，同时应通过增施农家肥等方式维持土地生产潜力，并合理种植牧草以改良草场，更好利用土地资源[17-18]。

灌溉农业之后的资源高效利用，仍然是农牧交错带节水节地的重要内容。当前研究区种植玉米主要是收获籽粒，调查中只有小部分农户进行青贮，青贮的种植面积仅有8hm2，占3.5%，说明研究区仍有很大空间发展青贮。对以养殖为目的进行的作物种植而言，优质青贮饲料相较普通玉米而言营养价值更高也能促进饲料的有效利用，并减少灌溉用水量。

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ANALYSIS OF THE FACTORS AFFECTING CROP YIELD UNDER IRRIGATION IN FRAMING-GRAZING TRANSITIONAL ZONES*——A CASE OF WANJIGOU VILLAGE,YANCHI COUNTY

Sui Jinming1，Song Naiping1※，Wang Xing1， 2，Zhang Yuping1

(1. Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration of system in North-western /Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem in North-western China of Ministry of Education，Yinchuan 750021， China；2.College of Agronomy，Ningxia University，Yinchuan750021，China)

Farming-grazing transitional zone is a typical ecological fragile area. The economic growth had to rely on the combination of farming and animal husbandry due to the unique environment. Currently, low coverage grassland and grazing policies cause the shortage of fodder which affected the normal development of animal husbandry. In farming-grazing transitional zone, water resource is an important factor affecting agricultural development and determining the layout of agriculture. Therefore, it is important to explore the influencing factors affecting the distribution of yield in different regions under irrigation and analyze how to use water effectively, so as to solve the contradiction between the development and the ecological protection. The method of participatory rural appraisal was used to collect data of irrigation agriculture and the LSD,T test and regression analysis were used to analyze the data. The results showed that, firstly, the crop yield in the study area was determined by climate condition. The maize yield in each natural village fluctuated between 1200 ～12750 (kg/hm2). Secondly, different soil and agronomic differences led to the different yield levels. Thirdly, when the irrigation quota was 2245.5 ～ 6888(m3/hm2), the water saving irrigation was effective and had very good output benefit. By evaluating the capacity of groundwater support using the water balance method, it was not suitable for large-scale development of irrigation agriculture in the study area. It concluded that the planting area should be planned reasonably based on scientific investigation, so as to ensure maximum harvest and high efficient utilization of water resources.

farming-grazing transitional zones; irrigated agriculture; crop yield influence factors; regression analysis; significance analysis

10.7621/cjarrp.1005-9121.20170519

2016-10-10

随金明(1993—)，男，河北邯郸人，硕士。研究方向：土地利用与生态过程。※通信作者：宋乃平(1963—)，男，陕西宝鸡人，博士、教授。研究方向：土地利用与生态过程、恢复生态学与植被修复。Email：songnp@163.com

*资助项目：国家自然科学基金“‘土岛’对荒漠草原植被恢复的作用及机理”(41461046)； 国家重点基础研究发展计划前期专项“荒漠草原农牧系统稳定性与维持机理研究”(2012CB723206)

F327; F326.11

A

1005-9121[2017]05128-06