基于等價(jià)產(chǎn)量的不同輪作模式作物資源利用效率研究

邵 云，朱群英，翁正鵬，李昊烊，崔景明，李春喜

(河南師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453007)

冬小麥-夏玉米一年兩熟制是華北平原農(nóng)作物的主要種植模式[1]。據(jù)報(bào)道，河南省2017年玉米播種總面積占總播種面積的27.14%，冬小麥占38.39%[2]；北京市2017年玉米播種總面積占總播種面積的74.41%，冬小麥占16.75%[3]；天津市2017年玉米播種總面積占總播種面積的45.83%，冬小麥占24.75%[4]；河北省2017年玉米播種總面積占總播種面積的42.28%，冬小麥占28.32%[5]；山東省2017年玉米播種總面積占總播種面積的36.01%，冬小麥占36.77%[6]。常年一年兩熟制的種植模式和農(nóng)事活動(dòng)中單一化的物質(zhì)和能量投入，導(dǎo)致當(dāng)?shù)剞r(nóng)田土壤出現(xiàn)了一些負(fù)面效應(yīng)，如地下水位下降、農(nóng)田溫室氣體排放加劇、經(jīng)濟(jì)效益降低等，影響了該地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康和可持續(xù)發(fā)展[7-8]。研究表明，作物輪作倒茬優(yōu)勢(shì)明顯，根據(jù)作物對(duì)周圍環(huán)境中水分、養(yǎng)分等生態(tài)因素的需求差異進(jìn)行作物間順序配置，這樣不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)，還能平衡土壤養(yǎng)分和減少病、蟲(chóng)、草害，使作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，降低農(nóng)業(yè)投入，起到資源高效轉(zhuǎn)化和持續(xù)利用的作用[9-10]。合理輪作有利于提高土壤水分及水分利用效率，同時(shí)對(duì)培肥地力和降低溫室氣體排放等有正面效應(yīng)[11]。因此，探索新型種植模式，發(fā)展多樣化的輪作模式，是提高華北平原地區(qū)自然資源利用效率、解決農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的有效途徑之一。

現(xiàn)階段，關(guān)于單因素氣候變化對(duì)種植制度的影響研究較多[12]。但僅從單因素入手不能全面揭示環(huán)境對(duì)作物的作用，而應(yīng)該從多方面(包括光、溫、水、土等)綜合研究氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。鑒于此，以華北平原南部連年玉米-小麥種植模式為基礎(chǔ)，增加大豆-小麥、花生-小麥、甘薯-小麥種植模式與玉米-小麥種植模式交替的多年輪作模式，同時(shí),為了避免不同作物價(jià)格差異的影響，對(duì)作物產(chǎn)量進(jìn)行了等價(jià)轉(zhuǎn)換，并運(yùn)用相關(guān)分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析的方法，分析作物產(chǎn)量與光、溫、水、土自然資源間的關(guān)聯(lián)程度及相關(guān)性，以期合理評(píng)價(jià)、準(zhǔn)確篩選資源利用效率高的輪作模式，為調(diào)整華北平原南部種植模式及合理利用自然資源提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年6月至2019年6月進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省獲嘉縣西彰儀村。獲嘉縣位于河南省新鄉(xiāng)市西部，地處黃河、沁河洪沖積平原，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫14.6 ℃，年均無(wú)霜期221.2 d，年均降雨量557.2 mm，年均降雪日14.1 d，年均日照時(shí)數(shù)2 058.4 h，氣象數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 2016年6月—2019年6月獲嘉縣試驗(yàn)站氣象數(shù)據(jù)

試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為潮土，試驗(yàn)前基礎(chǔ)土壤有機(jī)質(zhì)含量34.55 g/kg，全氮含量為1.04 g/kg，全磷含量為0.66 g/kg，全鉀含量為1.85 g/kg。具體供試作物及品種為：冬小麥(TriticumaestivumL.)為豫麥4023，玉米(ZeamaysL.)為洛單248，大豆(GlycinemaxL.)為駐豆11，花生(ArachishypogaeaL.)為魯花10，甘薯(DioscoreaesculentaL.)為商薯19。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用大區(qū)對(duì)比設(shè)計(jì)，共設(shè)置4個(gè)處理，每個(gè)處理667 m2，試驗(yàn)處理及田間管理措施如表1所示。

表1 試驗(yàn)處理及田間管理措施

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 氣象數(shù)據(jù) 來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站，包括平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量、日最高氣溫和日最低氣溫。

1.3.2 作物產(chǎn)量 在作物成熟期，于每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取一定面積(小麥1 m2，其他作物4 m2)進(jìn)行測(cè)產(chǎn)。收割、脫粒、曬干，計(jì)產(chǎn)(kg/hm2)，3次重復(fù)。

1.4 相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算

1.4.1 等價(jià)產(chǎn)量(Equivalent yield，EGY，kg/hm2) 因不同作物產(chǎn)品單價(jià)差異，直接根據(jù)作物的質(zhì)量產(chǎn)量不足以進(jìn)行其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的比較，故統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為作物的等價(jià)產(chǎn)量進(jìn)行衡量。按照經(jīng)濟(jì)價(jià)值相等的原則，以玉米為標(biāo)準(zhǔn)，將大豆、花生和甘薯幾種作物產(chǎn)量按其與玉米的單價(jià)比折算成玉米的產(chǎn)量，具體轉(zhuǎn)換公式如下：

EGY=該作物產(chǎn)量(kg/hm2)×該作物單價(jià)(元/kg)/玉米單價(jià)(元/kg)[13]。

1.4.2 光能利用率(Radiation use efficiency，RUE，%) 計(jì)算方法見(jiàn)式(1)，利用埃斯屈朗方程將日照時(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為日輻射量[14]，然后根據(jù)高國(guó)棟[15]的方法逐步計(jì)算。

(1)

式中，H(MJ/kg)為每千克干物質(zhì)燃燒時(shí)釋放的熱量，具體熱量值參考陳阜[16]，W為成熟期等價(jià)籽粒產(chǎn)量，Q(MJ/m2)為生育期內(nèi)單位面積太陽(yáng)輻射量。

1.4.3 積溫生產(chǎn)效率[Accumulated heat productive efficiency，PEGDD，kg/(hm2·℃)] 計(jì)算方法見(jiàn)式(2)：

PEGDD=作物籽粒產(chǎn)量/生育期有效積溫[17]

(2)

式中，秋糧季積溫按≥10 ℃活動(dòng)積溫計(jì)算，小麥季積溫按≥0 ℃活動(dòng)積溫計(jì)算[18]，產(chǎn)量為等價(jià)產(chǎn)量。

1.4.4 水分利用效率(Water use efficiency，WUE，kg/mm) 計(jì)算方法見(jiàn)式(3)：

WUE=籽粒產(chǎn)量/耗水量[19]

(3)

式中，耗水量(mm)=降水+灌溉水+播前土壤含水量-收獲后土壤含水量[20]，產(chǎn)量為等價(jià)產(chǎn)量。

1.4.5 土地利用率(Land use efficiency，LUE，%) 計(jì)算方法見(jiàn)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)用作物生長(zhǎng)周期表示。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 17.0進(jìn)行相關(guān)性分析，DPS進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對(duì)作物光能利用率的影響

4種不同種植模式的光能利用率如表2所示。由于生長(zhǎng)周期不同，小麥季的輻射量高于秋糧季，總體周年輻射量介于5 429.10～6 257.61 MJ/m2。T4模式的周年輻射均為最高，其余3種模式周年輻射相差不大。2016—2017與2017—2018周年光能利用率的計(jì)算結(jié)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周年光能利用率的計(jì)算結(jié)果中，T3模式的光能利用率最高，T1模式僅次于T3模式。經(jīng)3 a均值比較可以看出，T3模式的光能利用率仍最大，T1模式的光能利用率僅次于T3模式。

表2 不同輪作模式下作物的光能利用

2.2 不同輪作模式對(duì)作物積溫生產(chǎn)效率的影響

積溫是作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要指標(biāo)，4種不同種植模式的積溫生產(chǎn)效率如表3所示。由于生長(zhǎng)周期不同，小麥季的有效積溫明顯高于秋糧季。從生產(chǎn)效率上可以看出，T3模式與T1模式的積溫生產(chǎn)效率總體高于其他模式。

2.3 不同輪作模式對(duì)作物水分利用效率的影響

不同輪作模式的水分利用效率如表4所示。2016—2017年秋糧季由于天氣原因，造成降雨量驟升，從而耗水量明顯高于其他年份?？傮w來(lái)看，T3模式與T1模式的水分利用效率明顯高于其他3種模式；各模式周年水分利用效率總體呈上升趨勢(shì)，但水分利用效率的變化不僅與耗水量有關(guān)，還與籽粒產(chǎn)量有著密切關(guān)系。

2.4 不同輪作模式對(duì)作物土地利用率的影響

不同輪作模式的土地利用率如表5所示。不同模式的土地利用率總體介于87.95%～97.81%，T4模式與T1模式相差較大，而與其他模式相比，T4模式由于生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，土地利用率最高。

表3 不同輪作模式下作物的積溫統(tǒng)計(jì)Tab.3 Thermal time utilization of crops in different rotation modes

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

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

2.5 自然資源利用率與作物產(chǎn)量的相關(guān)性分析

不同輪作模式下作物產(chǎn)量與等價(jià)產(chǎn)量如表6所示。T4模式與T1模式作物產(chǎn)量的3 a均值高于其他模式，經(jīng)過(guò)產(chǎn)量等價(jià)代換后，各模式產(chǎn)量差異不大，而T3模式高于其他模式，T1模式僅次于T3模式。

不同輪作模式下光、溫、水、土自然資源利用效率與等價(jià)產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系如表7所示。由表7可知，等價(jià)產(chǎn)量與土地利用率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與積溫生產(chǎn)效率、水分利用效率存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)；光能利用率與積溫生產(chǎn)效率在極顯著正相關(guān)(P<0.01)；水分利用效率與積溫生產(chǎn)效率存在極顯著正相關(guān)(P<0.01)。綜上可知，可通過(guò)提高作物的積溫生產(chǎn)效率、水分利用效率來(lái)增加作物產(chǎn)量，而T3模式的光、溫、水資源利用效率優(yōu)于其他模式，T1模式僅次于T3模式。

表6 不同輪作模式下作物產(chǎn)量和等價(jià)產(chǎn)量Tab.6 Crop yield and EGY in different rotation modes

表7 光、溫、水、土資源利用效率與等價(jià)產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系Tab.7 Correlation between the RUE,PEGDD,WUE,LUE and EGY

2.6 自然資源利用效率與等價(jià)產(chǎn)量的灰色關(guān)聯(lián)度分析

各模式資源利用效率和等價(jià)產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度分析如表8所示。由表8可以看出，積溫生產(chǎn)效率、水分利用效率對(duì)產(chǎn)量的影響較大，與相關(guān)分析結(jié)論一致。以作物等價(jià)產(chǎn)量為母序列，其他指標(biāo)為子序列，對(duì)其關(guān)聯(lián)度進(jìn)行排序(表9)可見(jiàn)，不同輪作模式下等價(jià)產(chǎn)量與自然資源利用效率的關(guān)聯(lián)系數(shù)表現(xiàn)為積溫生產(chǎn)效率>水分利用效率>土地利用率>光能利用率。

表8 光、溫、水、土資源利用效率與等價(jià)產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)矩陣Tab.8 Correlation matrix of RUE,PEGDD,WUE,LUE and EGY

表9 等價(jià)產(chǎn)量與自然資源的關(guān)聯(lián)系數(shù)及排序Tab.9 Correlation coefficient of EGY and natural resources utilization efficiencies and their ranks

3 結(jié)論與討論

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)自然條件的依賴性很強(qiáng)，自然資源的變化會(huì)對(duì)其產(chǎn)生重大影響。光能是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必不可少的一部分[22]，而光能利用率的高低是衡量當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)水平的重要指標(biāo)，理論計(jì)算值一般可達(dá)6%～8%，而實(shí)際生產(chǎn)中僅為0.5%～1%，最高可達(dá)2%，一般農(nóng)田光能利用率平均只有0.4%[23]。朱元?jiǎng)俒24]研究表明，冬小麥籽粒光能利用率在0.59%～0.67% ，夏玉米籽粒光能利用率在0.86%～1.06%。本研究中冬小麥籽粒光能利用率在0.37%～0.62%，夏玉米籽粒光能利用率在0.53%～1.73%，與前人研究所得結(jié)論一致。在周寶元等[25]研究中，冬小麥的積溫生產(chǎn)效率在4.31～4.88 kg/(hm2·℃)，玉米的積溫生產(chǎn)效率在3.68～5.26 kg/(hm2·℃)。本研究中，小麥季積溫生產(chǎn)效率平均為4.66 kg/(hm2·℃)，秋糧季平均為5.06 kg/(hm2·℃)，與前人研究結(jié)論相同。尹翠翠[26]研究認(rèn)為，玉米季水分利用效率介于30.81～42.06 kg/mm。陳博等[27]研究認(rèn)為，21世紀(jì)初夏玉米水分利用效率已經(jīng)達(dá)到23.36 kg/mm，而冬小麥的水分利用效率已經(jīng)達(dá)到15.91 kg/mm。李銀坤等[28]研究認(rèn)為，夏玉米水分利用效率平均在16 kg/mm左右。本研究中，秋糧季的水分利用效率平均為21.78 kg/mm，冬小麥的水分利用效率平均為31.31 kg/mm。由此可以看出，各地區(qū)水分利用效率存在差異。因?yàn)樗掷眯什粌H與氣象條件的變化有關(guān)，還與品種、肥料、耕作制度的變化等有關(guān)，這些因素對(duì)水分利用效率的貢獻(xiàn)在本試驗(yàn)中沒(méi)有涉及，有待今后進(jìn)一步探討。

本研究采用的2種統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)各種模式的自然資源利用效率和等價(jià)產(chǎn)量的分析結(jié)果一致，T3模式(花生-小麥→花生-小麥→玉米-小麥)的光能利用率、積溫生產(chǎn)效率、水分利用效率均高于其他種植模式，T1模式(玉米-小麥→玉米-小麥→玉米-小麥)僅次于T3模式。雖然玉米-小麥模式在華北平原一直占據(jù)主導(dǎo)地位，但該種植模式耗水量較高，是導(dǎo)致華北平原水資源日益緊缺的主要原因之一，而且頻繁的作物種植會(huì)導(dǎo)致雜草、害蟲(chóng)和真菌病原體的數(shù)量增加，進(jìn)而使用大量農(nóng)藥，這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本顯著增加[29-31]。小麥與玉米都屬于禾谷類旱作作物，屬非生態(tài)輪作，二者吸收的養(yǎng)分極其相似，也需要間斷性輪作其他非糧作物[32]。通過(guò)對(duì)不同種植模式的研究，優(yōu)化高效資源利用的替代模式，充分利用自然資源，但單一從光、溫、水、土自然資源的角度考慮不同輪作模式的資源利用效率，還不足以說(shuō)明哪種模式的好壞，今后還應(yīng)綜合考慮農(nóng)藝措施和社會(huì)因素的影響，為華北平原南部農(nóng)作物生產(chǎn)布局和調(diào)整提供有力的科學(xué)依據(jù)。