基于邊界線方法的華北冬小麥管理措施優(yōu)化及驗(yàn)證

韓彥茹，李亞楠，王 棟，吉慶凱，郭路航，馬文奇

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000)

小麥?zhǔn)侵袊?guó)三大糧食作物之一，華北地區(qū)是中國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，對(duì)中國(guó)的糧食安全有著舉足輕重的地位［1-2］。但該地區(qū)主要以小農(nóng)戶種植模式為主，地塊分散，可操作單元小，不同農(nóng)戶在作物生產(chǎn)過(guò)程中管理措施存在較大差異，間接的影響了作物產(chǎn)量和肥料效率［3-4］。針對(duì)小農(nóng)戶模式現(xiàn)狀，科研人員進(jìn)行了大量研究試驗(yàn)來(lái)提高作物產(chǎn)量和資源效率，也取得了一定的成就。但由于作物生產(chǎn)中要綜合多種管理措施，單一研究技術(shù)成果不能完全被農(nóng)戶采用［5］。雖然農(nóng)戶種植的平均產(chǎn)量水平顯著低于試驗(yàn)田［6］，但也有一些農(nóng)戶能夠達(dá)到高產(chǎn)水平。因此，利用農(nóng)戶管理和產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理技術(shù)的優(yōu)化將是實(shí)現(xiàn)大面積高產(chǎn)的重要途徑［7］。為此，本研究基于農(nóng)戶種植管理的基礎(chǔ)上，利用邊界線分析方法，進(jìn)行冬小麥基本管理措施的優(yōu)化。邊界線分析方法主要應(yīng)用于分析單一產(chǎn)量限制因素與產(chǎn)量差之間的關(guān)系，其原理是記錄和模擬實(shí)驗(yàn)中測(cè)試樣本的最佳效果值與獨(dú)立變量之間的關(guān)系，并且該方法得到了很多學(xué)者的認(rèn)可［8-11］。根據(jù)其原理，也可以利用目標(biāo)變量確定自變量的范圍，進(jìn)而利用邊界線方法優(yōu)化管理措施，但是還需要進(jìn)一步證明利用該方法得到的優(yōu)化結(jié)果的可靠性。為此，本試驗(yàn)利用整合分析法和田間試驗(yàn)法驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，明確利用該方法得到的優(yōu)化結(jié)果是否適用于華北地區(qū)冬小麥的種植。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)于2015—2020 年度在河北省保定市徐水區(qū)進(jìn)行，該區(qū)位于東經(jīng)115°19'～115°46'，北緯38°09'～39°09'，地屬山前平原，海拔8 m，土壤類型為潮褐土。屬于暖溫帶季風(fēng)型大陸性氣候。年平均氣溫12.3 ℃，年平均降水575 mm，年無(wú)霜期平均184 d，年日照時(shí)數(shù)平均2 745 h，是華北平原典型的冬小麥—夏玉米輪作種植區(qū)域。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 農(nóng)戶監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù) 試驗(yàn)于2015—2020 年對(duì)選定的農(nóng)戶地塊進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確記錄農(nóng)戶播量、播期及水肥管理等信息，并在收獲期進(jìn)行小麥產(chǎn)量測(cè)定，測(cè)定方法為收獲期在農(nóng)戶田塊中選取3 個(gè)有代表性的2 m2樣方取樣脫粒稱重，計(jì)算每667 m2地冬小麥產(chǎn)量，進(jìn)一步計(jì)算單位公頃冬小麥產(chǎn)量［12］。具體跟蹤農(nóng)戶數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 2015—2020 年冬小麥農(nóng)戶跟蹤數(shù)量Table 1 Tracking number of winter wheat farmers from 2015 to 2020

1.2.2 整合分析數(shù)據(jù) 在萬(wàn)方、中國(guó)知網(wǎng)和Web of Science 數(shù)據(jù)庫(kù)檢索2000—2020 年華北平原公開(kāi)發(fā)表的關(guān)于冬小麥氮肥施用和播種技術(shù)的田間試驗(yàn)研究論文，篩選標(biāo)準(zhǔn)為：(1)試驗(yàn)區(qū)域?yàn)槿A北平原，包括北京、天津、河北、河南、山東、山西等；(2)試驗(yàn)為田間試驗(yàn)；(3)研究需給出明確的氮肥施用量、基追比、追肥時(shí)期、播種期和播種量；(4)試驗(yàn)必須同時(shí)包括對(duì)照組和處理組。根據(jù)以上要求，氮肥施用量、氮肥基追比、氮肥追肥時(shí)期、播種期和播種量所采納文獻(xiàn)分別為有83、43、27、50 和52 篇，共2 547 組數(shù)據(jù)。

1.2.3 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù) 試驗(yàn)在河北省保定市徐水區(qū)沿公村開(kāi)展，于2018 年在農(nóng)戶地塊對(duì)冬小麥進(jìn)行氮肥施用量試驗(yàn)，氮肥用量試驗(yàn)包含5 個(gè)施肥量＜170 kg/hm2、200 kg/hm2、225 kg/hm2、255 kg/hm2、＞270 kg/hm2，其中200、225、255 kg/hm2是在農(nóng)戶基肥基礎(chǔ)上進(jìn)行追肥，使N 總投入量達(dá)到200、225、255 kg/hm2，＜170 kg/hm2為農(nóng)戶基肥施用量，生長(zhǎng)期間不再追肥，＞270 kg/hm2是農(nóng)戶習(xí)慣施肥。試驗(yàn)選擇11 個(gè)試驗(yàn)地塊，每個(gè)小區(qū)面積30 m2。小麥?zhǔn)斋@后進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)定，并根據(jù)氮肥施用量計(jì)算氮肥偏生產(chǎn)力。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 邊界線優(yōu)化分析 氮肥效率采用氮肥偏生產(chǎn)力（PFPN）表征。

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=產(chǎn)量（kg/hm2）/施氮量（kg/hm2）

根據(jù)前人研究結(jié)果，華北地區(qū)冬小麥產(chǎn)量大于等于9 000 kg/hm2即達(dá)到高產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，PFPN大于等于40 kg/kg 達(dá)到高效標(biāo)準(zhǔn)［13-16］。首先用Excel 2010 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，然后進(jìn)行邊界線作圖，得到各管理因素與邊界值的擬合方程，求解方程即可得出相應(yīng)的優(yōu)化范圍。

1.3.2 數(shù)據(jù)整合分析 用Excel 2010 建立數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)歸納，在數(shù)據(jù)搜集過(guò)程中，如果數(shù)據(jù)是以圖的形式呈現(xiàn)，則采用Get Date Graph Digitizer 2.26軟件來(lái)獲取，采用小麥產(chǎn)量和PFPN的響應(yīng)比作為效應(yīng)值進(jìn)行合并分析。公式為

式中Xt和Xc分別為試驗(yàn)組和對(duì)照組平均值，由于本研究所用文獻(xiàn)大多沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)差或者標(biāo)準(zhǔn)誤，所以本研究采用無(wú)權(quán)重分析方法，該方法已經(jīng)在間作套種體系和輪作體系被使用過(guò)［17-18］。利用SPSS 19.0，stata 1.6 獲得效應(yīng)值置信區(qū)間，再利用origin 制作森林圖。如果在95%的置信區(qū)間內(nèi)不包括1，則認(rèn)為效應(yīng)是顯著的；如果95%的置信區(qū)間不重疊，則分類變量之間被認(rèn)為是顯著的［19］。

1.3.3 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 采用SPSS 19.0 對(duì)不同處理作物產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 華北冬小麥優(yōu)化管理措施

由圖1 可以看出，施氮量、追肥時(shí)期和氮肥基追比與產(chǎn)量的邊界值呈現(xiàn)先上升后下降的拋物線關(guān)系，對(duì)于PFPN，施氮量與氮肥偏生產(chǎn)力邊界值呈逐漸下降趨勢(shì)，追肥時(shí)期和氮肥基追比則呈現(xiàn)先上升后下降的拋物線關(guān)系且相關(guān)性良好。

圖1 冬小麥高產(chǎn)高效氮肥施用量、追肥時(shí)期和基追比的優(yōu)化Fig.1 Optimization of nitrogen application rate, topdressing time and base-topdressing ratio for high yield (a, b, c) and high efficiency (d, e, f) of winter wheat

當(dāng)小麥同時(shí)達(dá)到9 000 kg/hm2高產(chǎn)目標(biāo)和40 kg/kg高效目標(biāo)時(shí)的氮肥施用量為172 ～270 kg/hm2，追肥日期為3 月29 日—4 月17 日，即起身到孕穗期之間，基追比為0.33 ～1.30 之間。

圖2 冬小麥高產(chǎn)高效播量和播期的優(yōu)化Fig. 2 Optimized sowing amount and sowing date for high yield (a, b) and high efficiency (c, d) of winter wheat

由圖2 可以看出，播種量和播種日期與產(chǎn)量和氮肥偏生產(chǎn)力的邊界值都呈現(xiàn)了先上升后下降的拋物線關(guān)系，根據(jù)模擬方程計(jì)算，當(dāng)小麥同時(shí)達(dá)到9 000 kg/hm2高產(chǎn)目標(biāo)和40 kg/kg 高效目標(biāo)時(shí)的播種量為188 ～298 kg/hm2，播種日期為10 月2 日到10 月11 日之間。

2.2 小麥氮肥運(yùn)籌和播種技術(shù)的整合分析驗(yàn)證

圖3a 代表施氮量與產(chǎn)量和氮肥偏生力的關(guān)系，可以看出，當(dāng)施氮量不在優(yōu)化范圍時(shí)，與優(yōu)化范圍相比，冬小麥產(chǎn)量和PFPN都不存在顯著差異，但產(chǎn)量的均值小于優(yōu)化施氮量，PFPN的均值大于優(yōu)化的施氮量，其中氮肥施用量小于邊界線優(yōu)化范圍時(shí)，冬小麥產(chǎn)量呈顯著負(fù)效應(yīng)，PFPN呈顯著正效應(yīng)，當(dāng)?shù)适┯昧看笥谶吔缇€優(yōu)化結(jié)果時(shí)，冬小麥產(chǎn)量不存在顯著差異，PFPN呈顯著負(fù)效應(yīng)。圖3b 代表的是追肥運(yùn)籌與冬小麥產(chǎn)量的關(guān)系，由圖可以看出，不同時(shí)期追肥與拔節(jié)期追肥相比較，冬小麥產(chǎn)量呈顯著負(fù)效應(yīng)，其中返青期、起身期和抽穗期相對(duì)于拔節(jié)期追肥，冬小麥產(chǎn)量呈顯著負(fù)效應(yīng)，孕穗期相對(duì)于拔節(jié)期追肥，冬小麥產(chǎn)量不存在顯著差異，但均值小于拔節(jié)期追肥產(chǎn)量?；繁?.35 ～0.8 與其它基追比相比，冬小麥產(chǎn)量不存在顯著差異，但均值小于基追比為0.35 ～0.8 的冬小麥產(chǎn)量，其中基追比大于或小于邊界線優(yōu)化結(jié)果時(shí)冬小麥產(chǎn)量呈顯著負(fù)效應(yīng)，對(duì)于邊界線優(yōu)化范圍中的基追比0.8 ～1.3相對(duì)于基追比0.35 ～0.8，冬小麥產(chǎn)量不存在顯著差異。圖3c 中表明，冬小麥播期不在優(yōu)化播期中時(shí)，與優(yōu)化播期相比，冬小麥產(chǎn)量不存在顯著差異，但均值小于優(yōu)化播期的冬小麥產(chǎn)量，其中播期早于邊界線優(yōu)化播期時(shí)，冬小麥產(chǎn)量不存在顯著差異，當(dāng)播期晚于邊界線優(yōu)化結(jié)果時(shí)，產(chǎn)量呈顯著負(fù)效應(yīng)。當(dāng)播種量不在優(yōu)化播種量范圍時(shí)，冬小麥產(chǎn)量整體呈負(fù)效應(yīng)，并且低于或高于邊界線優(yōu)化結(jié)果時(shí)，冬小麥產(chǎn)量都呈顯著負(fù)效應(yīng)。對(duì)于播期來(lái)說(shuō)，早于邊界線優(yōu)化結(jié)果，冬小麥產(chǎn)量不存在顯著差異，可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐南挠衩资斋@時(shí)間向前稍擴(kuò)大播期范圍，對(duì)于氮肥施用量，低于邊界線優(yōu)化結(jié)果，冬小麥產(chǎn)量呈顯著負(fù)效應(yīng)，但氮肥偏生產(chǎn)力呈顯著正效應(yīng)，所以還需要進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果。

圖3 基于整合分析的邊界線優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證Fig. 3 Validation of boundary line optimization results based on meta analysis

2.3 小麥氮肥施用量的大田試驗(yàn)驗(yàn)證

表2 中優(yōu)化施氮量處理的施氮量為170 ～270 kg/hm2， 優(yōu)化施氮處理的平均產(chǎn)量為9 299.84 kg/hm2，顯著高于其他施氮量處理，這與整合分析驗(yàn)證的結(jié)果相同。對(duì)于氮肥偏生產(chǎn)力，優(yōu)化施氮處理和小于優(yōu)化施氮量處理的結(jié)果顯著高于施氮量大于優(yōu)化施氮量的處理，但二者之間差異并不顯著。綜合大田驗(yàn)證和數(shù)據(jù)整合分析結(jié)果，可以得出：利用邊界線分析法，根據(jù)農(nóng)戶數(shù)據(jù)得出的優(yōu)化結(jié)果適用于華北地區(qū)冬小麥高產(chǎn)高效種植。分析產(chǎn)量構(gòu)成可以看出，優(yōu)化處理和非優(yōu)化處理的小麥千粒重和穗粒數(shù)差異不顯著，而在單位公頃穗數(shù)上差異顯著，所以單位公頃穗數(shù)是該研究區(qū)產(chǎn)量差的主導(dǎo)因素。

表2 不同施氮量對(duì)小麥產(chǎn)量及氮肥偏生產(chǎn)力的影響Table 2 Effects of different nitrogen application rates on wheat yield and nitrogen partial productivity

3 討論與結(jié)論

3.1 基于農(nóng)戶生產(chǎn)角度的高產(chǎn)高效優(yōu)化管理措施

中國(guó)的種植模式是以小農(nóng)戶為主，這些小農(nóng)戶是中國(guó)糧食安全的主體和主要貢獻(xiàn)者［20］。在中國(guó)現(xiàn)有種植模式下，要想實(shí)現(xiàn)糧食的穩(wěn)定增產(chǎn)可以通過(guò)增加種植面積、品種研發(fā)、提高作物單產(chǎn)以及開(kāi)發(fā)新作物和創(chuàng)新農(nóng)作系統(tǒng)。在過(guò)去的40 年中，全球沒(méi)有重要的新作物和農(nóng)作系統(tǒng)得到開(kāi)發(fā)［7,21］。跟蹤監(jiān)測(cè)農(nóng)戶管理數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的研究方法打破了傳統(tǒng)的田間試驗(yàn)的局限性，將每一個(gè)跟蹤監(jiān)測(cè)的農(nóng)戶地塊作為試驗(yàn)地塊，農(nóng)戶在作物生育期各環(huán)節(jié)的管理措施作為每一個(gè)試驗(yàn)的處理，分析統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定作物獲得最高產(chǎn)量（或最高產(chǎn)量10%領(lǐng)域）的各環(huán)節(jié)管理措施［7,22-23］。本研究結(jié)果證明，基于研究區(qū)域農(nóng)戶管理數(shù)據(jù)，獲得的冬小麥高產(chǎn)高效管理優(yōu)化措施與田間試驗(yàn)結(jié)果基本一致，可以在生產(chǎn)中直接應(yīng)用。

3.2 高產(chǎn)高效措施優(yōu)化中邊界線方法的適用性

本研究采用邊界線方法進(jìn)行研究，該方法廣泛應(yīng)用于研究單一限制因素與產(chǎn)量的關(guān)系［12］，它可以依據(jù)僅在農(nóng)戶管理情況下獲得的樣本數(shù)據(jù)，就能夠量化一系列影響因素與產(chǎn)量差的關(guān)系及各因素的貢獻(xiàn)程度，該方法可在單產(chǎn)差距較大的國(guó)家和地區(qū)輕松使用［11］。例如國(guó)外利用邊界線法研究限制咖啡產(chǎn)量的諸多因素，也有研究利用邊界線法優(yōu)化農(nóng)用機(jī)械的使用數(shù)量等［24-25］，國(guó)內(nèi)楊曉彤等利用邊界線法評(píng)價(jià)了小麥/西瓜/玉米間作體系產(chǎn)量的限制因子，并給出相應(yīng)優(yōu)化措施［26］。但邊界線也存在一些限制，它僅適用于可定量因素，并且在確定作物產(chǎn)量時(shí)沒(méi)有涉及變量的相互作用［11］。雖然已有研究結(jié)果進(jìn)行了邊界線方法進(jìn)行管理措施的優(yōu)化研究，但缺乏適用性和可靠性的驗(yàn)證。而本研究采用了數(shù)據(jù)整合和田間試驗(yàn)的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，邊界線分析方法可以用于作物種植過(guò)程中各管理環(huán)節(jié)的優(yōu)化，其優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行嚴(yán)格的復(fù)雜田間試驗(yàn)，可以通過(guò)精確獲取大樣本農(nóng)戶管理數(shù)據(jù)并采用邊界線方法來(lái)實(shí)現(xiàn)管理措施的優(yōu)化，特別適用于一些難以進(jìn)行多因素田間試驗(yàn)的地區(qū)和作物。

3.3 冬小麥高產(chǎn)高效管理措施優(yōu)化結(jié)果的改進(jìn)

對(duì)于作物產(chǎn)量或肥料效率的研究，已有大量研究圍繞小麥生長(zhǎng)過(guò)程中的某一環(huán)節(jié)管理進(jìn)行試驗(yàn)，喬文臣等人［27］研究了播量播期對(duì)小麥產(chǎn)量的影響，此外高宏偉［28］、杜少勇等［29］在施氮量和基追比方面對(duì)冬小麥產(chǎn)量和氮素利用效率也進(jìn)行了研究。但由于農(nóng)戶實(shí)際生產(chǎn)中要綜合多種技術(shù)，受生產(chǎn)條件影響，單一優(yōu)化結(jié)果在農(nóng)戶應(yīng)用時(shí)不能達(dá)到試驗(yàn)水平［4］。要解決農(nóng)戶的技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題，就需要依據(jù)農(nóng)戶管理數(shù)據(jù)，針對(duì)農(nóng)戶在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)的操作進(jìn)行各管理環(huán)節(jié)的綜合優(yōu)化。本研究對(duì)此進(jìn)行了嘗試，也證明邊界線分析方法對(duì)冬小麥高產(chǎn)高效管理措施的優(yōu)化結(jié)果適用于華北地區(qū)冬小麥種植。但是本研究中并沒(méi)有考慮各個(gè)管理措施的之間的互作，例如在種植過(guò)程中，如果播量或者播期變化，是否可以通過(guò)施肥或追肥進(jìn)行調(diào)整。因此還需要進(jìn)一步對(duì)各環(huán)節(jié)之間的相互影響進(jìn)行研究，使結(jié)果更好的適用于小農(nóng)戶種植。