吉林省梨樹縣不同作物產能及產能水分利用效率研究

劉 濤，楊曉光※，高繼卿，何 斌，白 帆，張方亮，劉志娟，王曉煜,2，孫 爽，萬能涵，陳 曦

（1.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193；2.中國氣象局資產管理事務中心，北京 100081）

0 引 言

東北地區是中國玉米、水稻、大豆的主產區，為中國重要的商品糧基地，對保障中國糧食安全具有重要作用[1-2]。近年來東北玉米種植面積、單產均呈增加趨勢，導致東北地區種植結構單一，結構矛盾日益突出，加之與國際玉米價格相比效益低，玉米庫存量大幅增加。因此，東北地區作物種植結構調整，是農業供給側改革的內容之一。作物結構如何調整才能充分利用氣候資源，提升農民收益，是學術界和政府部門普通關注的問題[3]。

東北地區氣候變化背景下，熱量資源顯著增加，降水波動性加大，對作物結構調整提出新挑戰[4-6]。前人基于不同尺度，通過模型模擬、統計分析等方法，結合遙感及地理信息系統（geographic information system，GIS），對作物結構時空變化特征、氣候資源對作物結構及種植界限的影響等方面進行解析[7-8]。Yang等[9]以降低碳足跡為切入點，分析2003－2010年中國北方地區5種種植模式碳足跡，表明與傳統密集型作物生產模式相比，多樣化作物輪作可以有效減少碳足跡，降低大氣的溫室氣體濃度，促進清潔生產的發展。毛留喜等[10]根據1981－2010年鐮刀彎地區 650個氣象臺站氣候資料及格點數據，采用農業生態地帶（agricultural ecology zone，AEZ）模型，結合衛星遙感數據，對該區域春玉米種植的氣候適宜度和氣候生產潛力進行定量評估，最終對鐮刀彎地區春玉米種植適宜區、次適宜區和不適宜區進行了詳細的劃分，指明需要進行作物結構調整的地區。杜蓮英等[11]通過統計分析和GIS相結合方法對1980－2012年吉林作物種植結構的時空特征進行了分析，發現吉林近年來糧食生產結構從多元向專一化發展趨勢明顯，形成了當前以玉米占絕對優勢的生產結構。除此之外，基于大田試驗比較不同作物產量及資源利用效率方面也有一些研究，李鋒瑞等[12]比較多種作物田間耗水量及土壤水分虧缺特征，明確作物之間耗水量、土壤貯水利用程度及土壤水分虧缺的主要原因是降水年型、作物播期、生育期及作物耗水特性。李玉義等[13]采用農戶調查、田間試驗和數學模型相結合方法，系統評價了京郊山地旱作區主要作物生態適應性，研究表明作物水分利用效率依次為春玉米＞苜蓿＞春谷子＞春大豆＞馬鈴薯。鄭煜等[14]在李玉義等研究基礎上對比了旱作農田及灌溉農田的多作物水分利用效率。

東北地區種植結構調整研究多集中于模型模擬、統計分析等方法，而基于大田試驗的實證研究較少，且多關注單一作物，而對于多種作物之間比較的研究不夠。本文基于吉林省梨樹縣2 a田間試驗，比較分析小麥、谷子、大豆及馬鈴薯產能、各生育期水分虧缺、水分利用效率和水分經濟效益差異性，為基于不同目標的種植結構調整提供科學依據和參考。

1 材料方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016－2017年在吉林省梨樹縣中國農業大學試驗站（43°16′40.4″N，124°26′16.8″E）進行，試驗站地處松遼平原，屬北溫帶半濕潤大陸性氣候，1951－2016年氣候資料表明年平均氣溫為 6.9 ℃，年降水量為614 mm，年日照時數為2 706 h，且在65 a間年平均氣溫每10 a升高0.4 ℃，日照時數每10 a下降81 h；降水量呈下降趨勢，且波動性明顯增大。試驗小區土壤類型為黑土，播種前耕層土壤含堿解氮為85.83 mg/kg，有效磷為24.59 mg/kg，速效鉀為131.34 mg/kg，有機質為1.48%，pH值為5.60。0～100 cm土壤容重平均值為1.55 g/cm3，田間持水量平均值為0.372 cm3/cm3。

1.2 試驗設計

試驗作物為吉林省梨樹縣主要種植的春小麥、谷子、大豆和馬鈴薯4種作物。由于春小麥生育期短，為了與其他作物生育期具有可比性，在春小麥收獲后種植蕎麥，確保4種作物種植模式生育期長度相近。各作物品種、播期和密度信息如表1。試驗設灌溉和雨養2個處理，雨養處理為全生育期不灌溉，灌溉處理為作物關鍵生育期進行灌溉，灌溉標準為當1 m土層土壤含水率低于田間持水量 80%時進行補灌（由土壤水分測定儀分5層測定0～1 m土壤含水率，取各層平均值代表1 m土壤含水率），以達到田間持水量的 80%。補灌量計算方法參考金修寬等[15]的計算方法，各作物灌溉時間和灌溉量如表1所示。每個處理為1個小區，設4次重復，每個重復為20 m×12 m，采取裂區試驗設計，灌溉為主處理、作物為副處理。所有處理均為常規田間管理，生長季內防控病蟲草害。

表1 不同作物播種及灌溉情況Table 1 Sowing information and irrigation schedule for different crops

1.3 測定項目及計算方法

1.3.1 測定指標

1）作物生育期

依據農業氣象觀測規范[16]，觀測并記錄作物各生育期。

2）產量及其構成

在作物成熟期，小麥、蕎麥每小區取中間6行2m長進行測產，馬鈴薯、谷子及大豆每小區取中間 2行2 m進行測產，105 ℃殺青0.5 h，80 ℃烘干至恒質量后按各作物標準水分計算產量。本研究2 a試驗不同作物產量結果如表2所示。

表2 2016年和2017年不同作物產量Table 2 Different crop yields in 2016 and 2017

3）土壤含水率

在播種前、收獲后以及作物各生育期，利用土壤水分測定儀，測定0～100 cm土壤體積含水率，每20 cm為1層。儀器為TRIME-TDR土壤水分測定儀（德國IMKO公司）。

1.3.2 計算指標

1）作物需水量計算

采用FAO推薦公式[17]計算作物需水量：

式中ETc為作物需水量，mm；Kc為作物系數，采用FAO推薦的作物系數如表 3；ET0為參考作物蒸散量，mm，計算如下：

式中Rn為地表凈輻射通量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；U2為2 m高處的平均風速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數，kPa/℃。

2）作物耗水量的計算

作物耗水量（ETa）采用式（3）[18]計算。

式中Wini和Wend分別為播種和收獲時的0～100 cm土層土壤儲水量，mm；I為各作物生長季的灌溉量，mm；Pr為各作物生長季的降水量，mm；R 為徑流和滲透總量，mm；因梨樹地區試驗地塊平坦，可忽略。

3）水分虧缺率

不考慮灌溉下作物全生育期降水量與需水量的差值為水分虧缺量，水分虧缺量與同期作物需水量的比值為水分虧缺率[19]：

式中S為水分虧缺率，%；ETc為作物需水量，mm。

4）作物產能

為方便不同作物之間對比，將作物產量換算為產能，公式如（5）所示：

式中E為作物產能，GJ/hm2；e為單位質量下作物的能量含量（kJ/g），數據來源為《農業生態學》[20]，如表3。

表3 主要作物的作物系數及能量折算系數Table 3 Crop coefficients and energy coefficient of equivalent of different crops

5）產能水分利用效率

為使作物灌溉和雨養處理水分利用效率比較更合理有效，用產能代替產量計算產能水分利用效率。產能利用效率指田間作物消耗單位質量水所產生的能量，反映作物生產過程中的能量轉化效率，可作為衡量作物能量產出與用水量關系的一種指標。其中，產能水分利用效率WUE為單位面積產能與耗水量ETa的比值。基于產能計算的降水利用效率和灌溉水分利用效率如式（6）和式（7）所示。產能農業水利用效率為單位面積產能與灌溉量+降水量的比值。

式中WUEp、WUEIP和WUEI分別為產能降水利用效率、產能農業水分利用效率和產能灌溉水利用效率，單位均為GJ/mm；EI為灌溉處理產能，GJ/hm2；ED為雨養處理產能，GJ/hm2。

6）產能水分經濟效益

各作物的水分經濟效益為單位面積產值與單位面積作物耗水量的比值[21]，本文通過作物單位面積產能 E·Pp來代替作物單位面積產值計算作物產能水分經濟效益，如公式（9）。

式中 ECO為作物產能水分經濟效益，元/m3；Pp為作物單價，元/kg。

1.3.3 數據分析

使用 Microsoft Excel 2016及SigmaPlot12.5版本軟件進行數據處理，SPSS19.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 2016－2017年試驗期間氣象條件分析

2016－2017年試驗期間逐日平均氣溫、日降水量和日照時數與過去57 a（1951－2017年）歷史平均溫度、降水和日照時數比較如圖1和表4所示。

圖1 2016-2017年作物生長季內氣溫和降水特征Fig.1 Air temperature and precipitation characteristics during crop growth season in 2016-2017

2016年和2017年作物生長季內平均氣溫分別較歷史同期平均升高0.7和1.2 ℃；2016年日照時數與歷史平均持平，2017年比歷史均值減少 31 h；2016年降水量達742 mm，較歷史均值增加220 mm，為豐水年型，其中5月和9月降水量增加最為明顯，分別比歷史同期均值增加 238%和 141%。2017年生長季內降水量為518 mm，與歷史均值持平，為平水年型，但降水年內分布不均，4月和6月份多次出現連續無雨日。圖 1b為各級降水占總降水量百分比，可以看出2016年和2017年的24 h內≥50 mm大雨以上降水分別占降水量的57.1%和59.0%，表明強降水較多。2016－2017年與歷史平均相比日照時數波動范圍較小，熱量資源增加，降水資源年內分布嚴重不均，波動性大，2016年豐水年的5月、6月和9月降水量顯著增加，2017年平水年4月、6月和10月降水量顯著減少。與歷史同期相比，豐水年各作物發育前期、中期降水資源豐富，平水年作物發育前期及后期出現降水短缺。

表4 試驗期間氣象條件與歷史平均值比較Table 4 Comparison of meteorological conditions and historical averages during test period

2.2 不同作物需水量和耗水量比較

利用式（1）～式（3）計算各作物需水量和耗水量，并進行統計檢驗，如表5所示，灌溉處理及各作物耗水量之間存在顯著差異，且具有極顯著的交互效應。各作物耗水量在豐水年均大于平水年，其中豐水年麥-蕎連作耗水量大，馬鈴薯最小；平水年耗水量最大的是大豆、麥-蕎和谷子，最小為馬鈴薯。不同年型下，雨養處理馬鈴薯耗水量與其他作物耗水量差異均達到顯著水平。比較不同水分處理作物耗水量，2016年小麥和2017年大豆的灌溉處理耗水量顯著大于雨養處理耗水量（P＜0.05）。對比不同年型，平水年各作物需水量等于或高于豐水年。

表5 各作物需水量及耗水量比較Table 5 Comparison of water requirements and consumption in different crops

比較分析雨養處理各作物生育階段內水分虧缺，由表6可知，2016年各作物生育初期均未出現水分虧缺，生育中期各作物均有不同程度的水分虧缺，最嚴重的是小麥，其次是馬鈴薯、大豆和谷子，生育后期僅蕎麥發生水分虧缺。2017年生育初期小麥虧缺達 86.01%，其次為馬鈴薯 63.60%，大豆 52.61%，谷子、蕎麥未發生水分虧缺；生育中期各作物均出現水分虧缺現象，表現為小麥＞馬鈴薯＞蕎麥＞谷子＞大豆；各作物生育后期僅有大豆出現水分虧缺。就各作物全生育階段水分虧缺，結果表明水分虧缺最大為馬鈴薯，在豐水年（2016年）和平水年（2017年）分別虧缺14.00%和22.33%，大豆在2 a中分別虧缺4.30%和21.86%，麥-蕎和谷子在平水年中水分虧缺為30.01%和11.34%。由于2016年4－5月降水較其他年份有明顯增加，小麥處于生發前期，故2016年麥-蕎水分盈余 17.04%，谷子在 2016年盈余3.87%、2017年虧缺11.34%。綜合，梨樹縣平水和豐水年型下降水量與作物需水量的耦合度，馬鈴薯水分虧缺最為嚴重，其次為大豆、麥-蕎，而谷子生長季內降水量及需水量耦合較好。

表6 雨養條件下不同作物生育階段內水分虧缺率比較Table 6 Comparison of water deficit rate in growth periods of different crops under rain-fed treatment

2.3 不同作物產能比較

利用式（5）計算不同作物產能并進行統計檢驗，方差分析表明，水分處理和作物之間產能差異均達到極顯著水平（P＜0.01），且平水年具有極顯著的交互效應（P=0.007）。對比作物產能，如圖2所示，馬鈴薯產能超過100 000 GJ/hm2，顯著高于其他作物，且不同年型條件下適時適量灌溉可有效提升馬鈴薯產能。

圖2 2016年和2017年不同作物產能比較Fig.2 Comparison of different crop production capacity in 2016 and 2017

2.4 不同作物產能水分利用效率及水分經濟效益比較

利用式（6）～式（9）分別計算各作物的產能降水利用效率、產能灌溉水利用效率、產能農業水利用效率和產能水分經濟效益并進行方差分析結果如表 7所示，不同水分處理對作物產能降水利用效率和產能水分經濟效益的影響達到極顯著水平，各作物產能降水利用效率、產能農業水分利用效率和產能水分經濟效益之間差異達到極顯著水平，交互效應則對作物平水年產能降水利用效率和產能水分經濟效益有顯著影響。對作物不同年型條件下不同水分處理的產能水分利用效率及產能水分經濟效益進行顯著分析，結果如表 7所示。對比不同年型條件下雨養作物產能降水利用效率，馬鈴薯最高，其次為大豆和谷子，麥-蕎最低，且灌溉處理可以有效提高馬鈴薯的產能降水利用效率；比較產能灌溉水利用效率，馬鈴薯（20 GJ/mm以上）遠高于其他作物；分析作物產能農業水利用效率，結果與作物產能降水利用效率趨勢相同，馬鈴薯最高，其次為大豆和谷子，麥-蕎最低，且平水年灌溉可以有效提高馬鈴薯及麥-蕎的產能農業水利用效率。綜合2 a試驗結果，豐水年型下，作物產能水分經濟效益馬鈴薯最高，其次為谷子，大豆和麥-蕎最小；平水年除馬鈴薯外，其他作物差異不顯著。比較灌溉處理和雨養處理對作物影響，豐水年及平水年適量灌溉均可以有效提高馬鈴薯產能水分經濟效益。綜合比較，馬鈴薯產能水分利用效率最高，麥-蕎產能水分利用效率最低；基于作物產能水分經濟效益分析作物優勢，則馬鈴薯和谷子比較占優勢。

表7 不同作物產能水分利用效率及經濟效益比較Table 7 Comparison of different crops production-capacity-based WUE and economic benefit of water use

3 討 論

山侖等[22]比較分析干濕交替條件下春小麥、馬鈴薯、大豆和玉米產量，結果主要對全濕和干濕交替條件下作物產量增量進行了對比，但限于研究指標，無法對作物產出進行有效對比。本文從作物產出入手，根據不同作物能量折算系數對馬鈴薯、谷子、麥-蕎和大豆產能進行比較分析，各作物產能的比較結果為馬鈴薯最高。宋娜等[23-26]通過試驗研究表明馬鈴薯、春小麥、大豆及谷子適時適量灌溉可有效提高作物產量，而產量的提升同步提高作物產能，本試驗在此基礎上發現馬鈴薯通過灌溉提升產能效果顯著，其他作物產能提升不顯著，可能是受灌溉時間、灌溉量或降水年型影響。產能指標是除產量外，各作物單位面積產出具有可比性指標，而針對這方面研究仍然比較缺乏，未來需要深入研究，使各作物單位面積產出具有可比性，為未來作物結構調整研究提供科學參考。

段愛旺等[27]比較了中國22個省7大類主要作物農業水分利用效率，得到馬鈴薯最高，谷子次之，麥-蕎和大豆的水分利用效率較低，與本研究通過產能計算得到的水分利用效率結果大致相同。本文在此基礎上進一步考慮了不同年型及灌溉處理下各作物產能農業水分利用效率，對比得到不同年型條件下各作物產能農業水分利用效率規律。除此之外，本研究比較了吉林梨樹各作物產能降水利用效率、灌溉水利用效率，結果表明各作物產能降水利用效率與產能農業水利用效率有很好一致性，馬鈴薯產能灌溉水利用效率最高。前人研究發現平水年作物灌溉水利用效率高于豐水年型[28-31]，本研究則并未呈現顯著差異，這可能與年型條件及灌溉方式有關，有待進一步研究。本研究綜合考慮了作物產能和價格影響，比較了不同作物產能水分經濟效益，結果顯示豐水年作物產能水分經濟效益馬鈴薯最高，其次為谷子，麥-蕎最低。考慮年型條件和水分處理對作物產能水分經濟效益的影響，各作物表現結果不同。

本文基于田間試驗比較了主要作物不同年型及灌溉處理下的產能水分利用效率及產能，由于僅開展了2 a試驗，分別為豐水年和平水年年型，未來還需要進一步開展試驗，獲取不同年型條件下的試驗資料，系統比較不同降水年型條件下差異性。同時結合作物模型方法，開展未來不同年型條件下各作物產能和資源利用效率比較研究，為當地作物結構調整提供系統的基礎資料和科學參考。

4 結 論

基于2a田間試驗，比較了吉林省梨樹縣可替代玉米種植的 4種作物需水耗水特征、產能和產能水分利用效率差異，結果表明：

1）對比作物需水量與降水量的耦合性，水分虧缺最嚴重的是馬鈴薯，其次為大豆、麥-蕎和谷子，平水年作物水分虧缺明顯高于豐水年。與其他作物相比，不同年型下谷子降水及需水耦合均最好。

2）折合能量計算作物產能后比較不同作物，馬鈴薯最高，雨養條件下超過100 000 GJ/hm2。適時適量灌溉在不同年型條件下可以不同程度提高馬鈴薯產能，但對其他作物產能的影響不顯著。

3）馬鈴薯的產能降水利用效率、產能灌溉水利用效率和產能農業水分利用效率顯著高于其他作物，且適時適量灌溉可以有效提高馬鈴薯產能水分利用效率。不同作物的產能水分利用效率受降水年型及水分處理影響的程度不同。

4）比較作物產能水分經濟效益，豐水年雨養條件下，最高為馬鈴薯、其次為谷子，麥-蕎最小。考慮年型條件和水分處理對作物產能水分經濟效益的影響，各作物表現結果不同。