馬鈴薯輪作的生態和經濟效益
——案例分析

于臺澤，賈良良，牛麗娟，王慶鎖，李 穎，張 丹*

（1.大自然保護協會TNC，北京 100600；2.中國農業大學，北京 100083；3.河北省農林科學院農業資源環境研究所，河北 石家莊050051；4.雪川農業發展股份有限公司，河北 張家口 076481；5.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081）

馬鈴薯是中國重要的糧食作物，近年播種面積和產量都迅速擴大，其中播種面積從2000 年的472.3 萬hm2增加到2015 年的551.8 萬hm2，產量從2000年的1 325.5萬t增長至2015年的1 897.2萬t[1]。2015年，為滿足國家糧食安全的需求，農業部提出了“馬鈴薯主糧化戰略”，進一步推動了馬鈴薯產業的快速發展，馬鈴薯在中國糧食中所占的地位不斷攀升，規模化和集約化種植程度不斷提高。近年來的研究發現，隨著馬鈴薯集約化種植程度的不斷提高，馬鈴薯連作導致的土傳病害日趨嚴重，產量、品質下降問題十分突出[2]，嚴重制約了馬鈴薯產業的可持續健康發展。

輪作是指在同一田地上按一定順序連續種植不同作物的方法，這與高度集約化的單一連作模式相反。國內外已有大量試驗證明輪作對馬鈴薯生產有巨大生態和經濟效益，是實現農業可持續發展的必由之路[3]。本研究總結馬鈴薯輪作的相關文獻并結合實地案例，對馬鈴薯的輪作效益進行分析，以期對未來馬鈴薯產業的健康發展提供幫助。

1 材料與方法

1.1 馬鈴薯輪作及連作成本-效益數據庫的構建

為便于量化馬鈴薯輪作的生態效益和經濟效益，本研究收集國內外文獻，運用成本-效益分析（Cost-benefit analysis，CBA）的方法，從不同效益角度建立馬鈴薯輪作效益參數庫，以此量化馬鈴薯輪作種植的生態效益和經濟效益，并將生態效益和經濟效益指標進行了貨幣化以便更加綜合、直觀地分析問題。搜集到的文獻資料主要來自CNKI 中文文獻數據庫，Web of science 數據庫及Google scholar數據庫，文獻數據分布如圖1所示，其中圖1A 為文獻試驗地點分布，圖1B 為文獻中與馬鈴薯輪作作物種類分布。本研究共選取13 項指標，其中經濟效益指標6 項，包括病蟲害發生率、水分利用率、平均年需氮量、平均年需磷量、平均年需鉀量以及產量；生態效益指標7項，包括碳足跡、土壤有機質、土壤總氮、土壤微生物碳與氮、土壤細菌與真菌比值（細菌/真菌）及土壤酶活性。在對搜集到的文獻資料分析整理的基礎上進行了數據提取，組成了馬鈴薯輪作及連作成本-效益數據庫。把文獻收集所得出的馬鈴薯經濟及生態效益參數，運用至實地案例分析當中，并通過比較不同輪作組合的成本收益，得出對不同輪作組合在案例地區的效益。

1.2 馬鈴薯輪作及連作成本-效益分析

在馬鈴薯輪作及連作的成本-效益分析方法中，經濟效益包括因病蟲害發生率減小所導致的農藥效益、因水分利用提高所導致的灌溉效益、因需肥量減少所導致的施肥效益以及因產量提高所產生的產值效益；生態效益主要包括碳足跡減少所產生的溫室氣體減排效益，其中碳足跡是指糧食生產的凈碳排放，即碳排放與碳固定量的差值[4,5]。通過檢索國內外田間試驗條件下馬鈴薯輪作（大豆、小麥、燕麥等）與連作試驗的相關文獻[6-30]，統計了兩種種植模式下不同效益的平均值、最小值和最大值（表1），其中水分利用率計算方式為作物產量除以耗水量，碳足跡的計算公式為單位產量碳足跡乘以每公頃的產量。

馬鈴薯輪作的總效益貨幣值的計算方法為：首先根據所收集數據，計算兩種種植模式下各效益指標的變幅，得到輪作后不同效益的增長百分比。根據所得增長百分比或直接文獻檢索[31,32]到的效益增幅，將其與《全國農產品成本收益資料匯編2019》[33]中河北省馬鈴薯相關數據結合計算，并將各項效益指標進行貨幣化轉換后加和，得出馬鈴薯輪作的總效益貨幣值。農藥效益即農藥需求減少百分比與農藥費的乘積；灌溉效益即水分利用率提高百分比與灌溉費的乘積；施肥效益數據來源于文獻檢索[32]；產值效益即產量增加百分比與馬鈴薯產值的乘積；溫室氣體減排效益為碳足跡減少量與二氧化碳成交價格的乘積。

將上述計算所得的各項指標以雷達圖進行展示，將指標進行分類：病蟲害發生率、水分利用率、平均年需氮量、平均年需磷量、平均年需鉀量以及產量為經濟效益指標，碳足跡、土壤有機質、土壤總氮、土壤微生物碳與氮及土壤細菌/真菌為生態效益指標。但由于各指標間量綱不同，需要對各原始數值進行一致化處理，其中病蟲害發生率、碳足跡、平均年需氮量、平均年需鉀量以及平均年需磷量為逆向指標，這些指標的數據越大則代表相關優勢越低，因此需將逆向指標進行倒數一致化：

式中，xij為第i 個被評價對象在第j 個指標上的一致化數值，mij為第i 個被評價對象在第j 個指標上的原始數據。為了將所有數值控制在區間[0，1]，需將數據根據公式進行歸一化處理[34]：

表1 馬鈴薯輪作及連作經濟效益和生態效益參數Table 1 Parameters of economic and ecological benefits of potato rotation and continuous cropping

式中，yij為第i 個被評價對象在第j 個指標上歸一化后的數值，xij為一致化后數據。

1.3 河北省張家口察北管理區馬鈴薯輪作案例分析

1.3.1 馬鈴薯輪作案例分析情況

2018 年開始，在位于河北省張家口市察北管理區的雪川農業集團試驗田內建立了馬鈴薯輪作示范基地，將輪作作物（燕麥、小麥、大豆等）納入馬鈴薯的生產過程中，并對不同輪作組合進行對比，以定量化的科學數據分析農戶輪作的可行性，多維度分析作物經濟和生態效益的變化。

察北管理區位于河北省張北縣，地處河北省西北部壩上地區，因海拔和緯度高，氣候冷涼，無霜期短，空氣干燥，日照充足，晝夜溫差大，病蟲害發生少，非常適合馬鈴薯生長，且馬鈴薯退化慢，有利于種薯繁育，是全國優質馬鈴薯種薯和商品薯生產基地。試驗田所在位置經緯度為N 45°51′，E 115°99′，面積3.47 hm2。

輪作模式試驗從2018 年開始，設6 種馬鈴薯種植方案，分別為兩年輪作：馬鈴薯-春小麥（PWPW）、馬鈴薯-燕麥（POPO）、馬鈴薯-大豆（PSPS）；三年輪作：馬鈴薯-春小麥-燕麥（PWOP）、馬鈴薯-燕麥-大豆（POSP）；以及馬鈴薯連作。另外，利用試驗數據，將一種特殊的兩年輪作模式納入分析，因為黑麥能夠在冬季種植，因此能夠進行馬鈴薯-單播冬性黑麥+ 復播短生育期燕麥（PROPRO）輪作模式，即在同年9 月至次年5 月種植黑麥，次年6～10 月種植燕麥。總計7種馬鈴薯種植方案，具體措施見表2和表3。

試驗田距離雪川廠區2 km，在2018 年之前已連續種植馬鈴薯3 年，其中每個輪作組合占地0.67 hm2，馬鈴薯連作占地0.13 hm2，地塊分布為兩年輪作與三年輪作交替排列。馬鈴薯品種為‘中薯4號’，試驗過程中使用噴灌的方式進行灌溉，馬鈴薯以525 kg/hm2復合肥（N∶P2O5∶K2O = 12∶19∶16）為底肥，用195 kg/hm2尿素（N，46%）與75 kg/hm2硝酸鉀（N∶P2O5∶K2O=13∶0∶46）進行追肥，其余輪作作物以磷酸二銨（N∶P2O5∶K2O=18∶46∶0）為底肥，以尿素進行追肥。

表2 不同馬鈴薯輪作模式試驗處理Table 2 Experimental treatments of different potato rotation patterns

表3 試驗田輪作種植方案Table 3 Rotation planting plan of experimental field

1.3.2 成本收益數據來源

馬鈴薯連作相關成本收益及生態效益數據來自《全國農產品成本收益資料匯編2019》[33]以及《2019 年張北縣馬鈴薯輪作項目作物產量效益及品質總結》。馬鈴薯輪作后相關成本收益及生態效益數據根據上文所計算的效益參數進行計算（包括產量的提升比率以及因農藥、灌溉和化肥減少所產生的成本降低），輪作馬鈴薯產值即連作馬鈴薯產值與產量提升比例的乘積，輪作馬鈴薯的直接成本即連作馬鈴薯成本減去參數中因農藥、灌溉和化肥減少取得的效益值；春小麥、大豆的成本收益數據來自《全國農產品成本收益資料匯編2019》[33]中河北省數據；其余燕麥、黑麥成本收益以及作物碳足跡數據均來源于文獻檢索[23,35,36]，每公頃碳足跡二氧化碳當量即每千克碳足跡二氧化碳當量與每公頃作物產量的乘積，構建不同種類作物每年的成本收益以及生態效益（表4）。在成本收益中，凈利潤即產值減去總成本，其中總成本為生產成本（包括物質與服務費用與人工成本）與土地成本之和；在生態效益當中，碳足跡成本為二氧化碳當量與二氧化碳交易價格的乘積；生態效益折現為馬鈴薯連作碳足跡成本與馬鈴薯輪作碳足跡成本的差值。最后，通過疊加的方法計算不同種植模式的成本收益以及生態效益，建立表格并進行比較。表格中，直接費用包括種子費、化肥費、農家肥費、農藥費、農膜費、租賃作業費、燃料動力費、技術服務費、工具材料費、修理維護費和其他直接費用；間接費用包括固定資產折舊、保險費、管理費、財務費以及銷售費；土地成本為當地流轉地租金，合計效益為凈利潤與生態效益折現的總和。

1.4 數據處理

所有數據導入Microsoft Excel 2016 進行計算、制圖。

2 結果與分析

2.1 馬鈴薯輪作及連作經濟效益和生態效益

馬鈴薯輪作經濟效益和生態效益增幅見表5。馬鈴薯輪作與連作相比，經濟效益與生態效益均有不同程度的提高。在經濟效益方面，馬鈴薯病蟲害發生率如黑痣病、黃萎病等顯著降低，能夠有效降低農藥的使用，節省119 元/hm2的農藥成本；通過輪作，馬鈴薯的水分利用率也會提高24.60%，從而節省58 元/hm2的灌溉成本；需肥量的減少能夠有效降低化肥的施用量，從而節約4 500 元/hm2的化肥成本；通過輪作，馬鈴薯的產量也能夠提升31.86%，從而增加5 921 元/hm2的收入。在生態效益方面，輪作同樣會帶來效益，如土壤碳、氮，土壤微生物碳、氮以及土壤酶活性，馬鈴薯輪作與連作相比均有提高，這意味著土壤肥力的有效提高。另外輪作體系的碳足跡遠低于連作，根據歐洲能源交易所碳交易價格折合成碳交易成本，能夠提供1 973 元/hm2的效益。總的來說，經過將不同的經濟效益和生態效益貨幣化加和后發現，輪作與單做相比可多獲得12 571元/hm2的經濟和生態效益（其中生態效益僅包含碳減排效益）。

表4 不同作物經濟效益指標原始數據Table 4 Raw data of economic benefit indicators for different crops

2.2 馬鈴薯輪作及連作經濟效益和生態效益綜合評價

根據以上對關于馬鈴薯輪作文獻的檢索以及數據的歸一化處理，得出馬鈴薯輪作與連作的經濟效益和生態效益的雷達圖（圖2）。

在經濟效益方面，馬鈴薯輪作與連作相比，病蟲害發生率降低的幅度最大（圖2A）。在生態效益方面微生物碳、氮，土壤細菌/真菌以及GHGs減排量均明顯上升，土壤酶活性的上升不是十分明顯（圖2B）。

表5 馬鈴薯輪作經濟效益和生態效益增幅參數Table 5 Summary of increase in economic and ecological benefits of potato rotation

2.3 案例描述

對7 種種植模式進行成本收益分析，不同作物經濟效益指標原始數據見表4，種植模式經濟效益和生態效益比較結果見表6。

表6 馬鈴薯不同種植模式經濟效益和生態效益比較（每4年）Table 6 Comparison of economic and ecological benefits of different potato planting methods (every four years)

利用上文所得參數進行計算發現，輪作馬鈴薯的產量比連作提升31.86%，且直接成本如農藥費、灌溉費以及化肥費用等減少4 677 元/hm2。從表6 中可以看出，輪作與連作相比，平均每年可獲得3 124（1 629～6 154）元/hm2的經濟和生態（僅包含碳足跡）效益。馬鈴薯連作模式綜合效益比輪作模式低38.33%，并且其無論從經濟效益來看還是從生態效益來看都不具備優勢，其年凈利潤5 025元/hm2，遠低于馬鈴薯輪作平均8 149元/hm2，僅為其61.66%，并且其年碳足跡成本高昂，為5 721 元/hm2，比馬鈴薯輪作（平均4 482 元/hm2）高27.64%。

將不同的輪作模式進行比較，其中，同為一年一作模式的三年輪作與兩年輪作相比，其無論是在經濟效益還是生態效益方面都比兩年輪作高。但是若在兩年輪作模式中加入PROPRO 這種兩年三季的輪作模式，發現兩年輪作的年凈利潤平均為7 583 元/hm2，三年輪作年凈利潤平均為5 565 元/hm2，兩年輪作年凈利潤比三年輪作高36.26%。兩年輪作年碳足跡成本為4 891 元/hm2，而三年輪作年碳足跡成本為3 670 元/hm2，三年輪作碳足跡成本比兩年輪作低24.96%。這是因為雖然兩年輪作模式下兩年三作比一年一作的經濟效率提高了158.88%，但是因為復種指數的增加，作物年單位面積的碳排放有所增加（134.84%），不過，正因為復種指數增加帶來了作物年單產增加，單位產量的碳排放降低了24.91%。

3 討 論

雖然關于馬鈴薯相關輪作效益的研究很多，但是大多數的研究僅局限于土壤及作物本身，選取的評價指標往往僅局限于土壤理化性質、作物產量等[6-22,25-30]，主要體現在病蟲害發生率降低，平均年需氮、鉀、磷減少，產量上升、土壤全氮提高以及水分利用率提高等方面。如宋佳承等[37]在西北干旱地區的試驗結論指出，通過與藜麥、玉米等作物輪作后，土壤pH 明顯升高，土壤中有機質、堿解氮、有效磷等含量顯著增加，且細菌與真菌數量比值、土壤酶活性顯著提高，生態環境得到有效改善。胡新元等[38]在半干旱區的試驗結果顯示，輪作較連作處理顯著增加了土壤有效磷和全氮的含量，并且全氮與馬鈴薯產量呈顯著正相關。Wright 等[7]在新西蘭奧克蘭的試驗中發現馬鈴薯與洋蔥輪作的土壤有機質含量比連作提升12%，土壤氮含量提升11%。可見，馬鈴薯輪作在各個方面均優于馬鈴薯連作，經濟效益明顯。與此同時，輪作所帶來的生態效益不可忽視，輪作雖然并沒有使直接種植收益顯著提升，但卻能夠通過改善土壤健康狀況而減少水、肥等種植成本投入[32,39]，間接增加農民的凈收益。從本研究的結果可以發現，與單作相比，馬鈴薯輪作的優勢主要體現在碳足跡降低和土壤微生物豐度提升兩方面，能為國家實現二氧化碳等溫室氣體的減排目標做出貢獻[40]。綜合比較，輪作與單作相比可多獲得12 571 元/hm2的經濟和生態效益。

在冀西北等干旱地區，馬鈴薯輪作能夠很大程度上提升土壤有機質和氮的含量[37]。實地案例分析可以發現，當同時考慮生態與經濟的綜合效益時，在冀西北地區馬鈴薯連作不具備優勢[41]，其綜合效益比輪作低38.34%。將一年一作條件下不同的輪作模式進行比較，發現馬鈴薯三年輪作（一年一作）無論是在經濟效益還是生態效益方面都比馬鈴薯兩年輪作（一年一作）高。值得注意的是，在兩年輪作模式中，馬鈴薯-黑麥草/燕麥（PROPRO）這種兩年三季的輪作模式，由于能夠充分利用冬季的種植時間，與同為兩年輪作模式的一年一作相比，經濟效益提高了158.88%。雖然作物單位面積的碳排放有所增加（134.84%），但是由于復種指數增加帶來了作物年單產增加，單位產量的碳排放降低了24.91%。同時由于冬季土壤覆蓋，減少了風蝕和水分無效蒸發，輪作系統的生態效益得以提升，因此這是一種兼顧經濟與生態雙贏值得推廣的輪作模式。

雖然本研究通過現有文獻的收集選取了多種經濟和生態效益指標量化輪作效益，但是由于現有研究的限制，并沒有把所有的指標計算在內，如減少土壤養分流失、土壤侵蝕、農田產流量等，增加上述指標的分析所得到的生態效益將會更大，如輪作不僅可以通過減少土壤養分的流失解決水體富營養化的問題[42]，也可以減少農田產流量和土壤侵蝕量，保持土壤的健康[43]，這些生態指標的改善往往會帶來環境的改善，減少用于治理環境問題所產生的巨量成本[42]。但在現有的馬鈴薯輪作研究中，雖然有對這些指標的定性分析，但是很少有人關注這些指標的量化分析，及其變化產生的環境治理成本變化的關系[42]。因此在未來的相關研究中，研究人員應加強關注土壤侵蝕量、養分流失量、水體富營養化程度等生態效益指標變化的定量分析，從而量化因這些指標的改善帶來的用于治理環境問題所產生的成本減少，從而更全面、準確地對馬鈴薯輪作效益進行評價。另外，無論是田間試驗還是文獻研究都發現，馬鈴薯兩年三作等多熟的輪作方式可以在提升農民收益的同時減少土壤侵蝕、控制水土流失等從而提升生態效益[44,45]，但目前對于馬鈴薯多熟制輪作模式的探索研究非常少尤其是在北方地區，因此在今后的研究過程中，應加強馬鈴薯多熟制輪作的研究，從而探尋生態和經濟綜合效益更好的輪作方式，為馬鈴薯產業發展提供技術支撐。

綜上所述，馬鈴薯輪作不僅可以幫助農民節約成本、提高經濟效益，同時還能收益間接的因農田土壤健康提升、生態環境改善而節約的生產成本投入，并且為國家環境治理節約成本。助力實現馬鈴薯產業健康發展的同時，為中國農業的可持續發展貢獻力量。