基于等价产量的不同轮作模式作物资源利用效率研究

邵 云，朱群英，翁正鹏，李昊烊，崔景明，李春喜

(河南师范大学 生命科学学院，河南 新乡 453007)

冬小麦-夏玉米一年两熟制是华北平原农作物的主要种植模式[1]。据报道，河南省2017年玉米播种总面积占总播种面积的27.14%，冬小麦占38.39%[2]；北京市2017年玉米播种总面积占总播种面积的74.41%，冬小麦占16.75%[3]；天津市2017年玉米播种总面积占总播种面积的45.83%，冬小麦占24.75%[4]；河北省2017年玉米播种总面积占总播种面积的42.28%，冬小麦占28.32%[5]；山东省2017年玉米播种总面积占总播种面积的36.01%，冬小麦占36.77%[6]。常年一年两熟制的种植模式和农事活动中单一化的物质和能量投入，导致当地农田土壤出现了一些负面效应，如地下水位下降、农田温室气体排放加剧、经济效益降低等，影响了该地区农田生态系统健康和可持续发展[7-8]。研究表明，作物轮作倒茬优势明显，根据作物对周围环境中水分、养分等生态因素的需求差异进行作物间顺序配置，这样不仅能改善土壤结构，还能平衡土壤养分和减少病、虫、草害，使作物稳产、高产，降低农业投入，起到资源高效转化和持续利用的作用[9-10]。合理轮作有利于提高土壤水分及水分利用效率，同时对培肥地力和降低温室气体排放等有正面效应[11]。因此，探索新型种植模式，发展多样化的轮作模式，是提高华北平原地区自然资源利用效率、解决农业生态环境问题的有效途径之一。

现阶段，关于单因素气候变化对种植制度的影响研究较多[12]。但仅从单因素入手不能全面揭示环境对作物的作用，而应该从多方面(包括光、温、水、土等)综合研究气候变化对农业生产的影响。鉴于此，以华北平原南部连年玉米-小麦种植模式为基础，增加大豆-小麦、花生-小麦、甘薯-小麦种植模式与玉米-小麦种植模式交替的多年轮作模式，同时,为了避免不同作物价格差异的影响，对作物产量进行了等价转换，并运用相关分析和灰色关联度分析的方法，分析作物产量与光、温、水、土自然资源间的关联程度及相关性，以期合理评价、准确筛选资源利用效率高的轮作模式，为调整华北平原南部种植模式及合理利用自然资源提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况及试验材料

试验于2016年6月至2019年6月进行，试验地点位于河南省获嘉县西彰仪村。获嘉县位于河南省新乡市西部，地处黄河、沁河洪冲积平原，属暖温带大陆性季风气候，年均气温14.6 ℃，年均无霜期221.2 d，年均降雨量557.2 mm，年均降雪日14.1 d，年均日照时数2 058.4 h，气象数据如图1所示。

图1 2016年6月—2019年6月获嘉县试验站气象数据

试验地土壤质地为潮土，试验前基础土壤有机质含量34.55 g/kg，全氮含量为1.04 g/kg，全磷含量为0.66 g/kg，全钾含量为1.85 g/kg。具体供试作物及品种为：冬小麦(TriticumaestivumL.)为豫麦4023，玉米(ZeamaysL.)为洛单248，大豆(GlycinemaxL.)为驻豆11，花生(ArachishypogaeaL.)为鲁花10，甘薯(DioscoreaesculentaL.)为商薯19。

1.2 试验设计

试验采用大区对比设计，共设置4个处理，每个处理667 m2，试验处理及田间管理措施如表1所示。

表1 试验处理及田间管理措施

1.3 测定项目与方法

1.3.1 气象数据 来自中国气象科学数据共享网站，包括平均气温、日照时数、降水量、日最高气温和日最低气温。

1.3.2 作物产量 在作物成熟期，于每个小区随机选取一定面积(小麦1 m2，其他作物4 m2)进行测产。收割、脱粒、晒干，计产(kg/hm2)，3次重复。

1.4 相关数据的计算

1.4.1 等价产量(Equivalent yield，EGY，kg/hm2) 因不同作物产品单价差异，直接根据作物的质量产量不足以进行其经济价值的比较，故统一转换为作物的等价产量进行衡量。按照经济价值相等的原则，以玉米为标准，将大豆、花生和甘薯几种作物产量按其与玉米的单价比折算成玉米的产量，具体转换公式如下：

EGY=该作物产量(kg/hm2)×该作物单价(元/kg)/玉米单价(元/kg)[13]。

1.4.2 光能利用率(Radiation use efficiency，RUE，%) 计算方法见式(1)，利用埃斯屈朗方程将日照时数转换为日辐射量[14]，然后根据高国栋[15]的方法逐步计算。

(1)

式中，H(MJ/kg)为每千克干物质燃烧时释放的热量，具体热量值参考陈阜[16]，W为成熟期等价籽粒产量，Q(MJ/m2)为生育期内单位面积太阳辐射量。

1.4.3 积温生产效率[Accumulated heat productive efficiency，PEGDD，kg/(hm2·℃)] 计算方法见式(2)：

PEGDD=作物籽粒产量/生育期有效积温[17]

(2)

式中，秋粮季积温按≥10 ℃活动积温计算，小麦季积温按≥0 ℃活动积温计算[18]，产量为等价产量。

1.4.4 水分利用效率(Water use efficiency，WUE，kg/mm) 计算方法见式(3)：

WUE=籽粒产量/耗水量[19]

(3)

式中，耗水量(mm)=降水+灌溉水+播前土壤含水量-收获后土壤含水量[20]，产量为等价产量。

1.4.5 土地利用率(Land use efficiency，LUE，%) 计算方法见式(4)：

LUE=周年土地利用期(d)/365×100%[21]

(4)

式中，周年土地利用期(d)用作物生长周期表示。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理，SPSS 17.0进行相关性分析，DPS进行灰色关联度分析。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式对作物光能利用率的影响

4种不同种植模式的光能利用率如表2所示。由于生长周期不同，小麦季的辐射量高于秋粮季，总体周年辐射量介于5 429.10～6 257.61 MJ/m2。T4模式的周年辐射均为最高，其余3种模式周年辐射相差不大。2016—2017与2017—2018周年光能利用率的计算结果中，T3模式的周年光能利用率最高，T4模式的周年光能利用率最低；2018—2019周年光能利用率的计算结果中，T3模式的光能利用率最高，T1模式仅次于T3模式。经3 a均值比较可以看出，T3模式的光能利用率仍最大，T1模式的光能利用率仅次于T3模式。

表2 不同轮作模式下作物的光能利用

2.2 不同轮作模式对作物积温生产效率的影响

积温是作物生长发育的重要指标，4种不同种植模式的积温生产效率如表3所示。由于生长周期不同，小麦季的有效积温明显高于秋粮季。从生产效率上可以看出，T3模式与T1模式的积温生产效率总体高于其他模式。

2.3 不同轮作模式对作物水分利用效率的影响

不同轮作模式的水分利用效率如表4所示。2016—2017年秋粮季由于天气原因，造成降雨量骤升，从而耗水量明显高于其他年份。总体来看，T3模式与T1模式的水分利用效率明显高于其他3种模式；各模式周年水分利用效率总体呈上升趋势，但水分利用效率的变化不仅与耗水量有关，还与籽粒产量有着密切关系。

2.4 不同轮作模式对作物土地利用率的影响

不同轮作模式的土地利用率如表5所示。不同模式的土地利用率总体介于87.95%～97.81%，T4模式与T1模式相差较大，而与其他模式相比，T4模式由于生长周期长，土地利用率最高。

表3 不同轮作模式下作物的积温统计Tab.3 Thermal time utilization of crops in different rotation modes

表4 不同轮作模式下作物的水分利用Tab.4 Rainfall utilization of crops in different rotation modes

表5 不同轮作模式下作物的土地利用率Tab.5 Land utilization of crops in different rotation modes

2.5 自然资源利用率与作物产量的相关性分析

不同轮作模式下作物产量与等价产量如表6所示。T4模式与T1模式作物产量的3 a均值高于其他模式，经过产量等价代换后，各模式产量差异不大，而T3模式高于其他模式，T1模式仅次于T3模式。

不同轮作模式下光、温、水、土自然资源利用效率与等价产量的相关关系如表7所示。由表7可知，等价产量与土地利用率呈显著正相关(P<0.05)，与积温生产效率、水分利用效率存在极显著正相关(P<0.01)；光能利用率与积温生产效率在极显著正相关(P<0.01)；水分利用效率与积温生产效率存在极显著正相关(P<0.01)。综上可知，可通过提高作物的积温生产效率、水分利用效率来增加作物产量，而T3模式的光、温、水资源利用效率优于其他模式，T1模式仅次于T3模式。

表6 不同轮作模式下作物产量和等价产量Tab.6 Crop yield and EGY in different rotation modes

表7 光、温、水、土资源利用效率与等价产量的相关关系Tab.7 Correlation between the RUE,PEGDD,WUE,LUE and EGY

2.6 自然资源利用效率与等价产量的灰色关联度分析

各模式资源利用效率和等价产量的关联度分析如表8所示。由表8可以看出，积温生产效率、水分利用效率对产量的影响较大，与相关分析结论一致。以作物等价产量为母序列，其他指标为子序列，对其关联度进行排序(表9)可见，不同轮作模式下等价产量与自然资源利用效率的关联系数表现为积温生产效率>水分利用效率>土地利用率>光能利用率。

表8 光、温、水、土资源利用效率与等价产量的关联矩阵Tab.8 Correlation matrix of RUE,PEGDD,WUE,LUE and EGY

表9 等价产量与自然资源的关联系数及排序Tab.9 Correlation coefficient of EGY and natural resources utilization efficiencies and their ranks

3 结论与讨论

农业生产对自然条件的依赖性很强，自然资源的变化会对其产生重大影响。光能是农业生产必不可少的一部分[22]，而光能利用率的高低是衡量当地农业水平的重要指标，理论计算值一般可达6%～8%，而实际生产中仅为0.5%～1%，最高可达2%，一般农田光能利用率平均只有0.4%[23]。朱元刚[24]研究表明，冬小麦籽粒光能利用率在0.59%～0.67% ，夏玉米籽粒光能利用率在0.86%～1.06%。本研究中冬小麦籽粒光能利用率在0.37%～0.62%，夏玉米籽粒光能利用率在0.53%～1.73%，与前人研究所得结论一致。在周宝元等[25]研究中，冬小麦的积温生产效率在4.31～4.88 kg/(hm2·℃)，玉米的积温生产效率在3.68～5.26 kg/(hm2·℃)。本研究中，小麦季积温生产效率平均为4.66 kg/(hm2·℃)，秋粮季平均为5.06 kg/(hm2·℃)，与前人研究结论相同。尹翠翠[26]研究认为，玉米季水分利用效率介于30.81～42.06 kg/mm。陈博等[27]研究认为，21世纪初夏玉米水分利用效率已经达到23.36 kg/mm，而冬小麦的水分利用效率已经达到15.91 kg/mm。李银坤等[28]研究认为，夏玉米水分利用效率平均在16 kg/mm左右。本研究中，秋粮季的水分利用效率平均为21.78 kg/mm，冬小麦的水分利用效率平均为31.31 kg/mm。由此可以看出，各地区水分利用效率存在差异。因为水分利用效率不仅与气象条件的变化有关，还与品种、肥料、耕作制度的变化等有关，这些因素对水分利用效率的贡献在本试验中没有涉及，有待今后进一步探讨。

本研究采用的2种统计分析方法对各种模式的自然资源利用效率和等价产量的分析结果一致，T3模式(花生-小麦→花生-小麦→玉米-小麦)的光能利用率、积温生产效率、水分利用效率均高于其他种植模式，T1模式(玉米-小麦→玉米-小麦→玉米-小麦)仅次于T3模式。虽然玉米-小麦模式在华北平原一直占据主导地位，但该种植模式耗水量较高，是导致华北平原水资源日益紧缺的主要原因之一，而且频繁的作物种植会导致杂草、害虫和真菌病原体的数量增加，进而使用大量农药，这反过来又会导致生产成本显著增加[29-31]。小麦与玉米都属于禾谷类旱作作物，属非生态轮作，二者吸收的养分极其相似，也需要间断性轮作其他非粮作物[32]。通过对不同种植模式的研究，优化高效资源利用的替代模式，充分利用自然资源，但单一从光、温、水、土自然资源的角度考虑不同轮作模式的资源利用效率，还不足以说明哪种模式的好坏，今后还应综合考虑农艺措施和社会因素的影响，为华北平原南部农作物生产布局和调整提供有力的科学依据。