劉志娟，楊曉光，呂碩，王靜,2，LIN XiaoMao

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，中國(guó)北京 100193；2寧夏氣象科學(xué)研究所，中國(guó)銀川 750002；3Department of Agronomy, Kansas State University, 2108 Throckmorton Hall, Plant Sciences Center, Manhattan, Kansas 66506, USA）

東北三省春玉米產(chǎn)量差時(shí)空分布特征

劉志娟1，楊曉光1，呂碩1，王靜1,2，LIN XiaoMao3

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，中國(guó)北京 100193；2寧夏氣象科學(xué)研究所，中國(guó)銀川 750002；3Department of Agronomy, Kansas State University, 2108 Throckmorton Hall, Plant Sciences Center, Manhattan, Kansas 66506, USA）

【目的】隨著人口增加、氣候變化和環(huán)境問(wèn)題日益凸顯，糧食生產(chǎn)能力及糧食安全受到廣泛重視。然而，目前中國(guó)糧食產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于作物潛在產(chǎn)量，如何利用有限耕地生產(chǎn)更多糧食已經(jīng)成為中國(guó)農(nóng)業(yè)目前面臨的重大問(wèn)題。東北三省是中國(guó)重要的玉米生產(chǎn)區(qū)，其春玉米產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的 29%，該區(qū)玉米產(chǎn)量提升對(duì)中國(guó)糧食安全具有重要的意義?！痉椒ā空撐囊詵|北三省春玉米種植區(qū)為研究區(qū)域，基于1961—2010年氣候資料、農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站作物資料和統(tǒng)計(jì)資料，利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模擬模型（APSIM-Maize）和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，解析氣候變化背景下研究區(qū)域春玉米潛在產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量的差及各級(jí)產(chǎn)量差的時(shí)空分布特征，為提升東北三省春玉米產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)和參考?！窘Y(jié)果】東北三省春玉米潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間產(chǎn)量差（總產(chǎn)量差）呈明顯的經(jīng)向和緯向分布（P＜0.01），即由南向北遞減，由西向東遞減，且地區(qū)間差異較大，變化范圍為4.8—11.9 t·hm-2。春玉米潛在產(chǎn)量與可獲得產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差（產(chǎn)量差1）、可獲得產(chǎn)量與農(nóng)戶潛在產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差（產(chǎn)量差2）均呈現(xiàn)隨經(jīng)度升高而降低的趨勢(shì)，這與春玉米生長(zhǎng)季內(nèi)降水量分布有關(guān)。產(chǎn)量差1變化范圍在0.06—3.2 t·hm-2之間，產(chǎn)量差2地區(qū)間差異較大，變化范圍為1.7—8.0 t·hm-2，主要是由于栽培管理措施的差異造成的。從全區(qū)50年平均來(lái)看，春玉米潛在產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量間的產(chǎn)量差為 64%，其中由于不可轉(zhuǎn)化的技術(shù)因素、農(nóng)學(xué)因素和經(jīng)濟(jì)社會(huì)因素限制的產(chǎn)量差分別為8%、40%和16%。從時(shí)間變化趨勢(shì)來(lái)看，過(guò)去50年（1961—2010）研究區(qū)域春玉米各級(jí)產(chǎn)量差均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，其中總產(chǎn)量差和產(chǎn)量差3呈顯著縮小趨勢(shì)（P＜0.01），每10年分別縮小1.55 t·hm-2和1.40 t·hm-2，但產(chǎn)量差1和產(chǎn)量差2變化趨勢(shì)并不顯著。【結(jié)論】東北三省春玉米潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差呈明顯的經(jīng)向和緯向分布，即由南向北遞減，由西向東遞減。農(nóng)學(xué)因素是限制當(dāng)?shù)赜衩桩a(chǎn)量提升的主要因素，通過(guò)改善農(nóng)學(xué)因素，如提高栽培管理措施、改善土壤條件和更換高產(chǎn)品種可有效縮小產(chǎn)量差達(dá)40%。

東北三?。挥衩?；產(chǎn)量差；時(shí)空特征

0 引言

【研究意義】19世紀(jì)60年代以來(lái)，“綠色革命”大大增加了世界的糧食產(chǎn)量，這些可以歸功于新品種的培育和作物科學(xué)管理措施的實(shí)施。然而，從世界水平來(lái)看，部分農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況并沒有得到改善[1]。因此，作物實(shí)際產(chǎn)量與潛在產(chǎn)量之間仍存在較大的差距，甚至不同地區(qū)以及同一地區(qū)不同農(nóng)戶田塊之間作物產(chǎn)量之間差距也較大。縮小這個(gè)差距對(duì)于提高糧食產(chǎn)量，滿足日益增加的生活所需具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】作物產(chǎn)量潛力是作物在良好的生長(zhǎng)狀況下，不受水分、氮肥限制以及病蟲害的脅迫，并采用適宜作物品種獲得的產(chǎn)量。在既定的研究區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)量潛力僅受太陽(yáng)輻射和溫度的限制，是該地區(qū)作物生產(chǎn)的上限[2-3]。而在農(nóng)作物實(shí)際生產(chǎn)中由于氣候、土壤、品種選擇、病蟲害、栽培管理措施以及農(nóng)民積極性等因素的限制，實(shí)際產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)氐淖魑餄撛诋a(chǎn)量。作物產(chǎn)量差的研究始于20世紀(jì)70年代中期，國(guó)際水稻研究所（IRRI）1974年開展的亞洲6國(guó)水稻產(chǎn)量差的系列對(duì)比研究[4]。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)不同地區(qū)不同作物的產(chǎn)量差做了研究，包括田塊尺度[5-8]和區(qū)域尺度[9-12]?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，造成作物產(chǎn)量差的原因主要包括不可能應(yīng)用到田間的技術(shù)和環(huán)境因子、農(nóng)學(xué)因素（品種、病蟲害等）和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素（投入產(chǎn)出比、政策、文化水平及傳統(tǒng)觀念）等[13]。產(chǎn)量差的研究方法主要有兩種：一種是試驗(yàn)調(diào)查及統(tǒng)計(jì)分析；另一種是運(yùn)用作物模擬模型。前者概念簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，但試驗(yàn)費(fèi)用大，且要求足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有較強(qiáng)主觀性；后者可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行更多處理設(shè)置，但不能對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的所有管理措施進(jìn)行精確定量化[13]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型（Agricultural Production System Simulator，APSIM）是由隸屬澳大利亞聯(lián)邦科工組織和昆士蘭州政府的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)研究組（Agricultural Production System Research Unit，APSRU）開發(fā)的具有模塊化結(jié)構(gòu)的作物生產(chǎn)模擬系統(tǒng)[14-15]?？赡M大麥、小麥、玉米、棉花、麻、油菜、花生、甘蔗、豆類作物等多種常見作物，其適應(yīng)性已在世界各地得到了驗(yàn)證[16-22]，同時(shí)本研究小組已對(duì)該模型在東北地區(qū)的適應(yīng)性進(jìn)行了驗(yàn)證[23-24]。【本研究切入點(diǎn)】究竟是哪些因素造成了農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量與作物潛在產(chǎn)量之間的差距？這個(gè)差距到底有多大？限制其產(chǎn)量潛力發(fā)揮的因素又是什么？應(yīng)該采取什么措施來(lái)縮小這個(gè)差距？要回答這些問(wèn)題，就要進(jìn)行產(chǎn)量差以及產(chǎn)量限制因素研究?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】東北三省是中國(guó)重要的玉米生產(chǎn)區(qū)之一。統(tǒng)計(jì)資料顯示，該區(qū)春玉米播種面積占全國(guó)玉米總播種面積的30%以上，春玉米產(chǎn)量占全國(guó)玉米總產(chǎn)量的29%[25]。因此，本文選擇中國(guó)東北三省春玉米為研究對(duì)象，利用在東北地區(qū)已驗(yàn)證的ASPIM-Maize模型，基于中國(guó)東北三省春玉米種植區(qū)內(nèi)氣象臺(tái)站的地面氣象觀測(cè)資料，同時(shí)結(jié)合東北三省農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站春玉米多年試驗(yàn)資料和縣級(jí)春玉米實(shí)際產(chǎn)量資料，定量氣候變化背景下東北三省春玉米潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量間產(chǎn)量差及各級(jí)產(chǎn)量差的空間分布特征和時(shí)間演變趨勢(shì)，明確限制東北地區(qū)春玉米潛在產(chǎn)量的主要限制因子，可為保障該地區(qū)玉米高產(chǎn)提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

首先基于東北三省各市（縣）春玉米播種面積，將2000—2005年連續(xù)5年玉米播種面積大于5 000 hm2的縣確定為東北三省春玉米主要種植區(qū)，氣象站點(diǎn)及研究區(qū)域圖見圖1。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，包括1961—2010年遼寧、吉林和黑龍江三省55個(gè)氣象站逐日氣象資料，氣象要素有平均氣溫、最高和最低氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和平均相對(duì)濕度。

作物數(shù)據(jù)包括兩個(gè)部分，一部分是來(lái)自中國(guó)氣象局東北三省 41個(gè)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站春玉米試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用來(lái)對(duì)APSIM-Maize模型進(jìn)行調(diào)參和驗(yàn)證。另一部分是東北三省春玉米實(shí)際產(chǎn)量資料來(lái)源于中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒及縣級(jí)統(tǒng)計(jì)年鑒 1961—2010年縣級(jí)春玉米單產(chǎn)數(shù)據(jù)。

圖 1 研究區(qū)域春玉米種植區(qū)內(nèi)氣象站點(diǎn)及農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)分布圖Fig. 1 Meteorological stations and agro-meteorological stations in the spring maize planting areas of Northeast China

模型中涉及到的土壤參數(shù)包括分層土壤容重、飽和含水量、田間持水量、凋萎系數(shù)等來(lái)源于各農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。針對(duì)農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站缺測(cè)的土壤參數(shù)，主要依據(jù)中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)（http://www.soil.csdb. cn/）中《中國(guó)土種數(shù)據(jù)庫(kù)》以及《第二次土壤普查農(nóng)田肥力》數(shù)據(jù)來(lái)確定。

1.2 研究方法

1.2.1 不同產(chǎn)量水平定義及 APSIM-Maize模型情景設(shè)定 產(chǎn)量差概念發(fā)展至今，雖然眾多學(xué)者都對(duì)其做了不同的定義及闡述，但總體而言，一般可以分為 4個(gè)等級(jí)的產(chǎn)量水平，即潛在產(chǎn)量、可獲得產(chǎn)量、農(nóng)戶潛在產(chǎn)量和農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量[13]。潛在產(chǎn)量是一個(gè)地區(qū)的作物產(chǎn)量上限，可獲得產(chǎn)量是指在最優(yōu)栽培管理措施下可實(shí)現(xiàn)的最大產(chǎn)量，即該地區(qū)作物可實(shí)現(xiàn)的最大產(chǎn)量；農(nóng)戶潛在產(chǎn)量是指在現(xiàn)有的農(nóng)戶栽培管理措施下的最高產(chǎn)量，該產(chǎn)量反映目前的栽培水平下的產(chǎn)量潛力，即可以達(dá)到的最大產(chǎn)量，而農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量是該地區(qū)農(nóng)戶實(shí)際獲得的產(chǎn)量。為解析東北三省春玉米各級(jí)產(chǎn)量差，本文基于APSIM-Maize模型模擬1961—2010年春玉米潛在產(chǎn)量、可獲得產(chǎn)量和農(nóng)戶潛在產(chǎn)量，并結(jié)合東北三省統(tǒng)計(jì)年鑒春玉米縣級(jí)平均產(chǎn)量，明確春玉米產(chǎn)量差的時(shí)空分布特征。

春玉米潛在產(chǎn)量、可獲得產(chǎn)量和農(nóng)戶潛在產(chǎn)量模擬的模型參數(shù)設(shè)置如下：（1）潛在產(chǎn)量：我們假設(shè)作物品種不變。選擇農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的高產(chǎn)品種，對(duì)沒有相應(yīng)作物觀測(cè)資料的氣象站，選用同一積溫帶中相鄰站點(diǎn)的玉米品種參數(shù)；播種日期采用農(nóng)業(yè)氣象站的實(shí)際平均播種日期設(shè)定，播種深度為5 cm，行距為0.6 m，播種密度為80 000 株/hm2。采用模型中自動(dòng)灌溉對(duì)春玉米進(jìn)行灌溉，即土壤可利用水量低于田持的80%即進(jìn)行補(bǔ)充灌溉使作物生長(zhǎng)過(guò)程中不受水分限制。同時(shí)保證作物整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中不受氮肥限制。（2）可獲得產(chǎn)量：采用當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田的栽培管理措施，品種選擇與計(jì)算潛在產(chǎn)量時(shí)的品種一致。根據(jù)陳國(guó)平等[26]對(duì) 2006—2008年全國(guó)玉米高產(chǎn)田的配套栽培技術(shù)的研究，表明高產(chǎn)田的密度比較穩(wěn)妥的是每公頃75 000—90 000 株，但對(duì)抗倒性差的品種和暴風(fēng)雨較多的地區(qū)而言，密度過(guò)高則將面臨倒伏減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)結(jié)合東北三省春玉米的實(shí)際生產(chǎn)，將可獲得產(chǎn)量的種植密度設(shè)定為每公頃70 000 株較為合理。推薦春玉米施氮量為300 kg·hm-2，灌溉量為200 mm，分別在拔節(jié)期和開花期灌溉。（3）農(nóng)戶潛在產(chǎn)量：假設(shè)農(nóng)戶不考慮各種市場(chǎng)因素及政策的條件下，將現(xiàn)有的栽培管理措施應(yīng)用到最佳所獲得的產(chǎn)量。另外根據(jù)高強(qiáng)等[27]的研究及農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站多年的研究數(shù)據(jù)，確定農(nóng)戶潛在產(chǎn)量的模型參數(shù)設(shè)定如下：平均施氮量為 200 kg·hm-2，無(wú)灌溉，播種密度為每公頃50 000 株。

1.2.2 各級(jí)產(chǎn)量差定義 潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差，是農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量距離當(dāng)?shù)乩碚撋献罡弋a(chǎn)量即潛在產(chǎn)量的差距，是一個(gè)地區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)中存在的總產(chǎn)量差（total yield gap，TYG），研究該產(chǎn)量差有助于我們明確目前的作物實(shí)際產(chǎn)量距離最高產(chǎn)量的差距。根據(jù)3大類產(chǎn)量差限制因素，總產(chǎn)量差可進(jìn)一步分解為三個(gè)層次：產(chǎn)量差1，產(chǎn)量差2和產(chǎn)量差3，如圖2所示。

產(chǎn)量差1（yield gap 1，YG1），潛在產(chǎn)量與可獲得產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差，它主要由環(huán)境條件和某些技術(shù)因素引起的，這些因素是非轉(zhuǎn)移性的。盡管縮小該產(chǎn)量差是比較困難的，但仍然需要明確東北三省春玉米產(chǎn)量差1的時(shí)空分布特征，為縮小該地區(qū)春玉米產(chǎn)量差提供科學(xué)依據(jù)。

產(chǎn)量差2（yield gap 2，YG2），可獲得產(chǎn)量與農(nóng)戶潛在產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差，是因?yàn)檗r(nóng)民投入不足、栽培措施不理想、土壤條件和品種選擇等因素造成的，這些影響因素是可操作管理的，可通過(guò)加強(qiáng)研究和推廣，以及政府的適度干預(yù)，特別是研究機(jī)構(gòu)的努力來(lái)縮小這種產(chǎn)量差距。

圖2 春玉米各級(jí)產(chǎn)量及產(chǎn)量差示意圖Fig. 2 Conceptual model for spring maize yield and yield gaps

產(chǎn)量差3（yield gap 3，YG3），農(nóng)戶潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差，主要是由于各種經(jīng)濟(jì)因素而造成的，如成本、風(fēng)險(xiǎn)和回報(bào)率，以及農(nóng)業(yè)政策和勞動(dòng)力的供給影響農(nóng)戶對(duì)土地的投入，影響農(nóng)民的積極性及栽培管理措施實(shí)施的質(zhì)量，這些因子是導(dǎo)致產(chǎn)量差的間接因素。

本文著重分析東北三省春玉米總產(chǎn)量差及各級(jí)產(chǎn)量差（產(chǎn)量差1、產(chǎn)量差2和產(chǎn)量差3）的空間分布特征以及時(shí)間演變趨勢(shì)。

1.2.3 APSIM-Maize中地表總輻射的計(jì)算 APSIM模型所需的地表總輻射采用Penman-Monteith公式[28]計(jì)算，具體計(jì)算公式如下：

式中，Rns為地表凈短波輻射（MJ·m-2·d-1）；Ra為晴空太陽(yáng)輻射（MJ·m-2·d-1）；dr為日地相對(duì)距離；δ為太陽(yáng)赤緯（rad）；Ws為日出日落時(shí)角（rad）；N為最大天文日照時(shí)數(shù)（h）；n為日照時(shí)數(shù)（h）；φ為測(cè)點(diǎn)緯度（rad）；J為日序。

1.2.4 顯著性檢驗(yàn) 采用t檢驗(yàn)對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量差的年際變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，為變化趨勢(shì)顯著；通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，為變化趨勢(shì)極顯著。

2 結(jié)果

2.1 潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間產(chǎn)量差的時(shí)空分布特征

圖3-a為東北三省春玉米潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間產(chǎn)量差（總產(chǎn)量差）近50年（1961—2010年）平均值的空間分布特征。從全區(qū)50年平均來(lái)看，春玉米潛在產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差（總產(chǎn)量差）地區(qū)間差異較大，變化范圍為4.8—11.9 t·hm-2。圖4為東北三省春玉米總產(chǎn)量差與經(jīng)緯度的相關(guān)關(guān)系，由圖可以看出研究區(qū)域玉米總產(chǎn)量差呈明顯的經(jīng)向和緯向分布（P＜0.01），即由南向北遞減，由西向東遞減。具體而言，遼寧省和吉林省的西部地區(qū)該產(chǎn)量差較高（8.0—11.9 t·hm-2），主要是由于這些區(qū)域積溫和日照時(shí)數(shù)較高導(dǎo)致潛在產(chǎn)量較高，而由于降水量（大部分玉米產(chǎn)區(qū)為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)）及栽培水平較低使得春玉米農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量較低，因此該地區(qū)總產(chǎn)量差較大，特別是吉林省白城、通榆和遼寧省葉柏壽、朝陽(yáng)、阜新和彰武地區(qū)，50年平均總產(chǎn)量差達(dá)10.0 t·hm-2以上。而遼寧省東部的寬甸、丹東、莊河、岫巖和鞍山地區(qū)，50年春玉米總產(chǎn)量差相對(duì)西部地區(qū)較小，為6.0—8.0 t·hm-2。黑龍江省大部分區(qū)域50年平均總產(chǎn)量差稍低，為6.0—8.0 t·hm-2。春玉米總產(chǎn)量差最低值為黑龍江省東部三江平原地區(qū)以及吉林省東部的樺甸、梅河口和通化一帶，總產(chǎn)量差 50年平均值的范圍為 4.8—6.0 t·hm-2，主要是由于熱量資源的限制，使得該地區(qū)成為東北三省春玉米潛在產(chǎn)量的低值區(qū)（小于10.0 t·hm-2）。

圖3 研究區(qū)域春玉米近50年（1961—2010年）產(chǎn)量差平均值Fig. 3 The 50-year mean values of yield gaps of spring maize from 1961 to 2010 in Northeast China

圖4 研究區(qū)域春玉米近50年（1961—2010年）潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差與緯度（a）和經(jīng)度（b）的關(guān)系Fig. 4 The relationship between yield gaps (between potential yield and actual farmers’ yield) of spring maize and latitude (a), longitude (b) from 1961 to 2010 in Northeast China

圖5-a為東北三省總產(chǎn)量差的時(shí)間變化趨勢(shì)。由于過(guò)去50年研究區(qū)域春玉米潛在產(chǎn)量略有下降，而農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量增加趨勢(shì)顯著，因此研究區(qū)域春玉米總產(chǎn)量差呈縮小趨勢(shì)，該產(chǎn)量差全區(qū)平均每 10年縮小0.4—2.9 t·hm-2。總產(chǎn)量差降低的高值區(qū)為吉林省四平、長(zhǎng)嶺和梅河口和黑龍江省的哈爾濱地區(qū)，平均每10年降低2.0—2.9 t·hm-2，主要是由于過(guò)去50年該區(qū)域春玉米實(shí)際產(chǎn)量的增加趨勢(shì)明顯。全區(qū)大部分地區(qū)總產(chǎn)量差平均每10年縮小1.0—2.0 t·hm-2，主要包括黑龍江省和吉林省大部分和遼寧省的西北部地區(qū)，占全區(qū)站點(diǎn)總數(shù)的 71%?？偖a(chǎn)量差減少最小的地區(qū)包括黑龍江省的富裕、泰來(lái)、鶴崗、通河，吉林省的通化地區(qū)和遼寧省的東南部地區(qū)，平均每10年減少0.37—1.0 t·hm-2。

圖5 研究區(qū)域春玉米近50年（1961—2010年）產(chǎn)量差變化趨勢(shì)Fig. 5 The trends of yield gaps of spring maize from 1961 to 2010 in Northeast China

2.2 潛在產(chǎn)量與可獲得產(chǎn)量之間產(chǎn)量差的時(shí)空分布特征

圖3-b為研究區(qū)域50年（1961—2010年）春玉米潛在產(chǎn)量與可獲得產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差（產(chǎn)量差 1）空間分布特征。從全區(qū)50年平均來(lái)看，春玉米產(chǎn)量差1變化范圍在0.06—3.2 t·hm-2之間。該產(chǎn)量差隨經(jīng)度升高而降低，這與春玉米生長(zhǎng)季內(nèi)降水量分布有關(guān)（P＜0.01）（圖6-a）。研究區(qū)域該產(chǎn)量差最大值為西部地區(qū)，包括吉林省的白城、通榆和遼寧省的葉柏壽、朝陽(yáng)地區(qū)，近50年春玉米產(chǎn)量差1平均值大于2.0 t·hm-2，主要是由于這些區(qū)域降水量較低，在補(bǔ)充灌溉200 mm的前提下產(chǎn)量與潛在產(chǎn)量差距仍然較大。該產(chǎn)量差相對(duì)較小的區(qū)域包括黑龍江省泰來(lái)、齊齊哈爾、海倫，吉林省的乾安、前郭爾羅斯、雙遼和遼寧省的阜新、彰武和黑山等 9個(gè)站點(diǎn)，該產(chǎn)量差 50年平均值為1.0—2.0 t·hm-2，而東部降水量相對(duì)充足的區(qū)域以及黑龍江省大部分區(qū)域該產(chǎn)量差較小，50年平均值小于1.0 t·hm-2，該區(qū)域站點(diǎn)數(shù)占全區(qū)總站點(diǎn)數(shù)的76%。

圖6 研究區(qū)域春玉米潛在產(chǎn)量與可獲得產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差（產(chǎn)量差1，a）、可獲得產(chǎn)量與農(nóng)戶潛在產(chǎn)量之間產(chǎn)量差（產(chǎn)量差2，b）與春玉米生長(zhǎng)季內(nèi)降水量的相關(guān)關(guān)系Fig. 6 The relationship between yield gaps 1 (potential yield and attainable yield), yield gap 2 (attainable yield and potential farmers’ yield) of spring maize and total precipitation during spring maize growing season in Northeast China

研究區(qū)域過(guò)去 50年春玉米潛在產(chǎn)量和可獲得產(chǎn)量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但是各站點(diǎn)下降幅度不同，因此導(dǎo)致研究區(qū)域內(nèi)春玉米產(chǎn)量差1各地區(qū)變化趨勢(shì)不一致，如圖5-b。全區(qū)有58%的站點(diǎn)過(guò)去50年該產(chǎn)量差呈降低的趨勢(shì)，平均每10年減少在0—0.3 t·hm-2。剩余42%的站點(diǎn)該產(chǎn)量差呈增加的趨勢(shì)。除通榆和尚志外，其他站點(diǎn)平均每10年增加0—0.2 t·hm-2。從各省分布狀況來(lái)看，遼寧省和吉林省大部分地區(qū)該產(chǎn)量差呈下降的趨勢(shì)（白城、通榆、前郭爾羅斯、蛟河、開原、彰武、章黨、本溪和莊河除外），而黑龍江省大部分地區(qū)該產(chǎn)量差呈增加的趨勢(shì)（富裕、明水、哈爾濱、牡丹江和雞西除外）。過(guò)去50年春玉米產(chǎn)量差1全區(qū)平均值變化趨勢(shì)并不顯著，21世紀(jì)初，該產(chǎn)量差全區(qū)平均值呈現(xiàn)較大的波動(dòng)。

2.3 可獲得產(chǎn)量與農(nóng)戶潛在產(chǎn)量之間產(chǎn)量差的時(shí)空分布特征

圖3-c為東北三省50年（1961—2010年）春玉米可獲得產(chǎn)量與農(nóng)戶潛在產(chǎn)量之間產(chǎn)量差（產(chǎn)量差 2）平均值的空間分布特征。該產(chǎn)量差全區(qū)空間上差異較大，變化范圍為1.7—8.0 t·hm-2。該產(chǎn)量差主要是由于栽培管理措施的差異造成的，在可獲得產(chǎn)量的模擬中設(shè)定在拔節(jié)期和開花期分別灌溉 100 mm，而農(nóng)戶潛在產(chǎn)量設(shè)定在春玉米生長(zhǎng)季內(nèi)并無(wú)灌溉條件，這是基于東北三省大部分春玉米為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，因此該產(chǎn)量差與降水量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖 6-b），即在春玉米生長(zhǎng)季內(nèi)降水量較充沛的地區(qū)，該產(chǎn)量差相對(duì)較小，這些區(qū)域主要集中在吉林省和遼寧省東部地區(qū)，而在降水量相對(duì)較少的地區(qū)，該產(chǎn)量差相對(duì)較大，最大值可達(dá)到6.0—8.0 t·hm-2，這些區(qū)域主要位于研究區(qū)域的西部地區(qū)。

圖5-c為東北三省春玉米產(chǎn)量差 2的時(shí)間變化趨勢(shì)，從圖可以看出，研究區(qū)域過(guò)去50年春玉米產(chǎn)量差2在全區(qū)64%的站點(diǎn)呈下降的趨勢(shì)，其中約有22%的站點(diǎn)下降趨勢(shì)較大，平均每 10年減少 0.2—0.4 t·hm-2，主要包括黑龍江省的泰來(lái)、安達(dá)，吉林省的西部地區(qū)和遼寧省的阜新和彰武等12個(gè)站點(diǎn)。約有42%的站點(diǎn)在過(guò)去50年該產(chǎn)量差平均每10年減少低于0.2 t·hm-2，主要包括黑龍江省西部地區(qū)、吉林省中東部地區(qū)和遼寧省的葉柏壽、朝陽(yáng)、興城等地區(qū)。全區(qū)其余36%的站點(diǎn)該產(chǎn)量差呈增加的趨勢(shì)，主要包括黑龍江省的中東部地區(qū)和遼寧省的東部地區(qū)的個(gè)別站點(diǎn)。從各省分布狀況來(lái)看，遼寧省和吉林省大部分地區(qū)該產(chǎn)量差呈下降的趨勢(shì)（白城、蛟河、開原、章黨、本溪、岫巖、莊河、熊岳、綏中和錦州除外），而黑龍江省中東部大部分地區(qū)該產(chǎn)量差呈增加的趨勢(shì)，而西部地區(qū)該產(chǎn)量差呈降低的趨勢(shì)。過(guò)去50年全區(qū)春玉米產(chǎn)量差2平均值變化趨勢(shì)并不顯著。

2.4 農(nóng)戶潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間產(chǎn)量差的時(shí)空分布特征

圖3-d為東北三省50年（1961—2010年）平均農(nóng)戶潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差（產(chǎn)量差3）空間分布特征。該產(chǎn)量差變化范圍為 0.04—5.5 t·hm-2。由圖可以看出，遼寧省屬于該產(chǎn)量差的高值區(qū)，大部分站點(diǎn)產(chǎn)量差可達(dá)3.0—5.5 t·hm-2，僅有西部的葉柏壽、朝陽(yáng)、阜新和鞍山地區(qū)的產(chǎn)量差3在1.0—3.0 t·hm-2；吉林省西部大部分地區(qū)該產(chǎn)量差小于 1.0 t·hm-2，主要是由于該地區(qū)農(nóng)戶潛在產(chǎn)量相對(duì)較低（4.0—6.0 t·hm-2），而農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量較遼寧省大部分地區(qū)高（4.0—5.0 t·hm-2），而東部地區(qū)該產(chǎn)量差相對(duì)較大，50年平均值達(dá)1.0—3.0 t·hm-2；黑龍江省大部分地區(qū)該產(chǎn)量差小于1.0 t·hm-2，僅有北部的富裕、明水、海倫、鐵力和虎林地區(qū)在1.0—2.0 t·hm-2，最大值出現(xiàn)在鶴崗和通河，達(dá)到2.0—3.0 t·hm-2。

圖5-d為東北三省春玉米產(chǎn)量差 3的時(shí)間變化趨勢(shì)。由于過(guò)去50年?yáng)|北三省春玉米農(nóng)戶潛在產(chǎn)量呈下降的趨勢(shì)，同時(shí)農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量呈顯著上升的趨勢(shì)，因此，過(guò)去50年產(chǎn)量差3全區(qū)均呈下降的趨勢(shì)，且均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05）。其中以白城、長(zhǎng)嶺、四平、章黨、雞西和尚志地區(qū)該產(chǎn)量差下降幅度最大（平均每10年減少大于2.0 t·hm-2）。全區(qū)有62%的站點(diǎn)該產(chǎn)量差下降幅度為每 10年減少1.0—2.0 t·hm-2。該產(chǎn)量差下降幅度最小的站點(diǎn)包括黑龍江省的泰來(lái)、齊齊哈爾、富裕，吉林省的通榆、通化和遼寧省的東南部地區(qū)，平均每 10年減少0.2—1.0 t·hm-2。

2.5 東北三省春玉米各級(jí)產(chǎn)量差比較

綜合上述結(jié)果，比較各省及全區(qū)春玉米各級(jí)產(chǎn)量差50年（1961—2010）平均值如圖7所示：從全區(qū)50年平均來(lái)看，春玉米農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量達(dá)到潛在產(chǎn)量的36%，即春玉米總產(chǎn)量差為64%，相當(dāng)于單產(chǎn)7.9 t·hm-2，其中產(chǎn)量差1為8%，產(chǎn)量差2為40%，產(chǎn)量差3為16%。其中產(chǎn)量差2是可以通過(guò)栽培管理措施調(diào)控、改善土壤條件和更換高產(chǎn)品種來(lái)逐步縮小的。

黑龍江省春玉米農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量 50年平均僅達(dá)到潛在產(chǎn)量的37%，即春玉米總產(chǎn)量差為63%，相當(dāng)于單產(chǎn)6.6 t·hm-2，其中產(chǎn)量差1為9%，產(chǎn)量差2為47%，產(chǎn)量差3為7%。說(shuō)明黑龍江省通過(guò)提高栽培管理措施、改善土壤條件和更換高產(chǎn)品種等措施能夠提高的玉米產(chǎn)量空間較大，達(dá)47%。

吉林省 50年春玉米農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量?jī)H達(dá)到潛在產(chǎn)量的38%，即該省春玉米總產(chǎn)量差為62%，相當(dāng)于單產(chǎn)8.3 t·hm-2，其中產(chǎn)量差1、產(chǎn)量差2和產(chǎn)量差3分別占到7%、41%和14%。說(shuō)明吉林省通過(guò)提高栽培管理措施、改善土壤條件和更換高產(chǎn)品種能夠提高的玉米產(chǎn)量空間較黑龍江省略低，為41%。

遼寧省 50年春玉米農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量?jī)H達(dá)到潛在產(chǎn)量的34%，略低于黑龍江省和吉林省，春玉米總產(chǎn)量差為66%，相當(dāng)于單產(chǎn)8.8 t·hm-2，其中產(chǎn)量差1為7%，產(chǎn)量差2為32%，產(chǎn)量差3為27%。說(shuō)明與黑龍江省和吉林省相比，遼寧省通過(guò)提高栽培管理措施、改善土壤條件和更換高產(chǎn)品種能夠提高的玉米產(chǎn)量空間較低，僅為32%。

過(guò)去50年（1961—2010）研究區(qū)域春玉米各級(jí)產(chǎn)量差均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，其中總產(chǎn)量差和產(chǎn)量差3呈顯著縮小趨勢(shì)（P＜0.01），每10年分別縮小1.55 t·hm-2和1.40 t·hm-2。但產(chǎn)量差1和產(chǎn)量差2變化趨勢(shì)并不顯著（表1）。

表1 1961—2010年?yáng)|北三省各省及全區(qū)產(chǎn)量差變化趨勢(shì)Table 1 The trends of yield gaps from 1961 to 2010 of spring maize in each province and the whole region in Northeast China (t·hm-2·(10a)-1)

圖7 東北三省各省及全區(qū)近50年（1961—2010年）平均春玉米潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間產(chǎn)量差TYG及YG1、YG2和YG3所占比例Fig. 7 The provincial and regional total yield gaps and the proportion of YG1, YG2, and YG3of spring maize during 1961-2010 in Northeast China

3 討論

利用東北三省 1961—2010年氣象數(shù)據(jù)和農(nóng)戶實(shí)際春玉米產(chǎn)量數(shù)據(jù)，采用APSIM-Maize模型、ArcGIS和統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合的方法，明確了東北三省春玉米潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差，以及各級(jí)產(chǎn)量差的空間分布特征和時(shí)間演變趨勢(shì)，該結(jié)果對(duì)于提高東北三省春玉米產(chǎn)量縮小產(chǎn)量差具有重要的科學(xué)意義。

本研究區(qū)域覆蓋東北三省的春玉米種植區(qū)，由于其氣候差異性和農(nóng)戶的生產(chǎn)條件，其栽培管理水平存在較大的空間差異性，同時(shí)為適應(yīng)氣候變化，栽培管理措施也發(fā)生相應(yīng)的變化，如提前播期，更換生育期較長(zhǎng)的品種，改變密度，增加水肥投入等。然而受資料限制，本文設(shè)定潛在產(chǎn)量、可獲得產(chǎn)量和農(nóng)戶潛在產(chǎn)量的模型參數(shù)時(shí)，未能考慮栽培管理措施的空間和時(shí)間差異性，在未來(lái)的研究中有待進(jìn)一步完善。目前由于產(chǎn)量差層次劃分、研究方法的差異，使得不同區(qū)域或同一區(qū)域不同研究結(jié)果之間的可比性較差，如MENG 等[29]認(rèn)為，東北地區(qū)春玉米的產(chǎn)量差約為40%，與本文的研究結(jié)果有一定差異。因此在未來(lái)的研究中，應(yīng)首先選擇適用于當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物產(chǎn)量潛力的估算方法，客觀評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)貧夂驐l件下目前農(nóng)作物的產(chǎn)量潛力；其次探討針對(duì)不同產(chǎn)量差的評(píng)估方法，充分體現(xiàn)不同區(qū)域或同一區(qū)域內(nèi)同一作物之間產(chǎn)量差的可比性。

限制作物產(chǎn)量的因素主要包括不可能應(yīng)用到田間的技術(shù)和環(huán)境因子、農(nóng)學(xué)因素（品種、病蟲害等）和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素（投入產(chǎn)出比、政策、文化水平及傳統(tǒng)觀念）等[13]。而作物最終產(chǎn)量是各因子間交互作用綜合效應(yīng)的結(jié)果，因此在未來(lái)的研究中應(yīng)綜合考慮各因子間的相互作用，結(jié)合更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步解析造成各個(gè)區(qū)域春玉米產(chǎn)量差的主要限制因子及限制程度。同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步考慮農(nóng)民意愿、政策和經(jīng)濟(jì)等社會(huì)因素的影響，加強(qiáng)農(nóng)戶決策行為對(duì)產(chǎn)量差形成機(jī)制的研究，即不僅要分析導(dǎo)致產(chǎn)量差的直接因素如管理和投入水平的影響，還需要從作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主體的農(nóng)戶以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素著手進(jìn)行綜合分析。進(jìn)一步加強(qiáng)研究結(jié)果的實(shí)踐價(jià)值，為制定切實(shí)可行的針對(duì)縮小東北三省春玉米產(chǎn)量差的實(shí)施方案及政策建議提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

東北三省春玉米潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差（總產(chǎn)量差）呈明顯的經(jīng)向和緯向分布，即由南向北遞減，由西向東遞減。研究區(qū)域產(chǎn)量差平均值為64%，且近50年呈顯著縮小趨勢(shì)，每10年縮小1.55 t·hm-2。潛在產(chǎn)量與可獲得產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差（產(chǎn)量差1）、可獲得產(chǎn)量與農(nóng)戶潛在產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差（產(chǎn)量差 2）均呈現(xiàn)隨經(jīng)度升高而降低的趨勢(shì)，這與春玉米生長(zhǎng)季內(nèi)降水量分布有關(guān)。農(nóng)戶潛在產(chǎn)量與農(nóng)戶實(shí)際產(chǎn)量之間的產(chǎn)量差（產(chǎn)量差3）近50年呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，每10年減少1.40 t·hm-2。從全區(qū)50年平均來(lái)看，農(nóng)學(xué)因素是限制當(dāng)?shù)赜衩桩a(chǎn)量提升的主要因素。通過(guò)改善農(nóng)學(xué)因素，如提高栽培管理措施、改善土壤條件和更換高產(chǎn)品種可有效縮小產(chǎn)量差達(dá)40%。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Spatial-Temporal Variations of Yield Gaps of Spring Maize in Northeast China

LIU ZhiJuan1, YANG XiaoGuang1, Lü Shuo1, WANG Jing1,2, LIN XiaoMao3
(1College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China;2Ningxia Institute of Meteorological Sciences, Yinchuan 750002, China;3Department of Agronomy, Kansas State University, 2108 Throckmorton Hall, Plant Sciences Center, Manhattan, Kansas 66506, USA)

【Objective】 As the population increase, climate change and the environmental issues become increasingly prominent, food production and food security issues have attracted extensive attention. However, at present, the yields of crops are much lower than potential yields, therefore, how to produce enough food on limited land resources has become the major agricultural problem in China. Northeast China (NEC) is one of the most important maize production areas in China, where the maize outputaccounts for about 29% of the nation’s production. Therefore, increasing maize yield has undoubtedly played a vital role in securing food production in China. 【Method】 The yield gap between the potential yield and actual farmers’ yields of maize in Northeast China was studied on the basis of meteorological data, agro-meteorological observations, and agricultural statistical data during the period from 1961 to 2010, and by using the Agricultural Production System Simulation Model (APSIM-maize) and statistical method, which will provide a scientific basis for the ascension of crop production in NEC. 【Result】 The yield gap between potential and actual farmers’ yields (total yield gap) of spring maize decreased with increasing latitudes and longitudes (P＜0.01). Among locations, this yield gap ranged from 4.8 t·hm-2to 11.9 t·hm-2. The yield gaps between potential and attainable yields (yield gap 1), attainable and potential farmers’ yields (yield gap 2) showed a decreasing trend with increasing longitudes, showed a negative relationship with precipitation during the growing season. Among locations, mean yield gap 1 ranged from 0.06 t·hm-2to 3.2 t·hm-2. And mean yield gap 2 ranged from 1.7 t·hm-2to 8.0 t·hm-2, mainly due to the effects of management practices. The mean weighted yield gap between potential and actual farmers’ yields was 64% of the potential yield of spring maize. Moreover, 8%, 40%, and 16% reductions in potential yields were due to non-controllable factors, agronomic factors, and socioeconomic factors, respectively. During the past five decades, the yield gap of these four levels all showed a decreasing trend, total yield gap and yield gap 3 decreased by 1.55 t·hm-2, and 1.40 t·hm-2per decade (P＜0.01) in NEC, However, yield gap 1 and 2 showed no significant trend. 【Conclusion】 It was concluded that the yield gap between potential and actual farmers’ yields of spring maize decreased with increasing latitudes and longitudes, moreover, agronomic factors are the main constraints limiting maize yield in NEC, the yield gap could be deeply reduced by 40% by improving agronomic factors, including local management practices, soil conditions, and high-yielding varieties.

Northeast China; maize; yield gap; spatial-temporal variations

2016-07-26；接受日期：2016-12-02

國(guó)家自然科學(xué)基金（31471408，41401049）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0300101）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2014XJ030）

聯(lián)系方式：劉志娟，E-mail：zhjjuanliu@cau.edu.cn。通信作者楊曉光，E-mail：yangxg@cau.edu.cn