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(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.中國氣象局資產(chǎn)管理事務(wù)中心，北京 100081）

0 引 言

東北地區(qū)是中國玉米、水稻、大豆的主產(chǎn)區(qū)，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(chǎn)均呈增加趨勢，導(dǎo)致東北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)單一，結(jié)構(gòu)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(qū)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，是農(nóng)業(yè)供給側(cè)改革的內(nèi)容之一。作物結(jié)構(gòu)如何調(diào)整才能充分利用氣候資源，提升農(nóng)民收益，是學(xué)術(shù)界和政府部門普通關(guān)注的問題[3]。

東北地區(qū)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(jié)構(gòu)調(diào)整提出新挑戰(zhàn)[4-6]。前人基于不同尺度，通過模型模擬、統(tǒng)計分析等方法，結(jié)合遙感及地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS），對作物結(jié)構(gòu)時空變化特征、氣候資源對作物結(jié)構(gòu)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(qū)5種種植模式碳足跡，表明與傳統(tǒng)密集型作物生產(chǎn)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(chǎn)的發(fā)展。毛留喜等[10]根據(jù)1981－2010年鐮刀彎地區(qū) 650個氣象臺站氣候資料及格點數(shù)據(jù)，采用農(nóng)業(yè)生態(tài)地帶（agricultural ecology zone，AEZ）模型，結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對該區(qū)域春玉米種植的氣候適宜度和氣候生產(chǎn)潛力進行定量評估，最終對鐮刀彎地區(qū)春玉米種植適宜區(qū)、次適宜區(qū)和不適宜區(qū)進行了詳細的劃分，指明需要進行作物結(jié)構(gòu)調(diào)整的地區(qū)。杜蓮英等[11]通過統(tǒng)計分析和GIS相結(jié)合方法對1980－2012年吉林作物種植結(jié)構(gòu)的時空特征進行了分析，發(fā)現(xiàn)吉林近年來糧食生產(chǎn)結(jié)構(gòu)從多元向?qū)Ｒ换l(fā)展趨勢明顯，形成了當前以玉米占絕對優(yōu)勢的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。除此之外，基于大田試驗比較不同作物產(chǎn)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(nóng)戶調(diào)查、田間試驗和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合方法，系統(tǒng)評價了京郊山地旱作區(qū)主要作物生態(tài)適應(yīng)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(chǔ)上對比了旱作農(nóng)田及灌溉農(nóng)田的多作物水分利用效率。

東北地區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整研究多集中于模型模擬、統(tǒng)計分析等方法，而基于大田試驗的實證研究較少，且多關(guān)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(chǎn)能、各生育期水分虧缺、水分利用效率和水分經(jīng)濟效益差異性，為基于不同目標的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整提供科學(xué)依據(jù)和參考。

1 材料方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2016－2017年在吉林省梨樹縣中國農(nóng)業(yè)大學(xué)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(shù)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(shù)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(qū)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(zhì)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(shè)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(shè)灌溉和雨養(yǎng)2個處理，雨養(yǎng)處理為全生育期不灌溉，灌溉處理為作物關(guān)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(qū)，設(shè)4次重復(fù)，每個重復(fù)為20 m×12 m，采取裂區(qū)試驗設(shè)計，灌溉為主處理、作物為副處理。所有處理均為常規(guī)田間管理，生長季內(nèi)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(jù)農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范[16]，觀測并記錄作物各生育期。

2）產(chǎn)量及其構(gòu)成

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

表2 2016年和2017年不同作物產(chǎn)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(shù)，采用FAO推薦的作物系數(shù)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(fēng)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(shù)，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(qū)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(chǎn)能

為方便不同作物之間對比，將作物產(chǎn)量換算為產(chǎn)能，公式如（5）所示：

式中E為作物產(chǎn)能，GJ/hm2；e為單位質(zhì)量下作物的能量含量（kJ/g），數(shù)據(jù)來源為《農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)》[20]，如表3。

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

5）產(chǎn)能水分利用效率

為使作物灌溉和雨養(yǎng)處理水分利用效率比較更合理有效，用產(chǎn)能代替產(chǎn)量計算產(chǎn)能水分利用效率。產(chǎn)能利用效率指田間作物消耗單位質(zhì)量水所產(chǎn)生的能量，反映作物生產(chǎn)過程中的能量轉(zhuǎn)化效率，可作為衡量作物能量產(chǎn)出與用水量關(guān)系的一種指標。其中，產(chǎn)能水分利用效率WUE為單位面積產(chǎn)能與耗水量ETa的比值?；诋a(chǎn)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(chǎn)能農(nóng)業(yè)水利用效率為單位面積產(chǎn)能與灌溉量+降水量的比值。

式中WUEp、WUEIP和WUEI分別為產(chǎn)能降水利用效率、產(chǎn)能農(nóng)業(yè)水分利用效率和產(chǎn)能灌溉水利用效率，單位均為GJ/mm；EI為灌溉處理產(chǎn)能，GJ/hm2；ED為雨養(yǎng)處理產(chǎn)能，GJ/hm2。

6）產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益

各作物的水分經(jīng)濟效益為單位面積產(chǎn)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(chǎn)能 E·Pp來代替作物單位面積產(chǎn)值計算作物產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益，如公式（9）。

式中 ECO為作物產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益，元/m3；Pp為作物單價，元/kg。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

使用 Microsoft Excel 2016及SigmaPlot12.5版本軟件進行數(shù)據(jù)處理，SPSS19.0進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)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(shù)與過去57 a（1951－2017年）歷史平均溫度、降水和日照時數(shù)比較如圖1和表4所示。

圖1 2016-2017年作物生長季內(nèi)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(nèi)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(shù)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(nèi)降水量為518 mm，與歷史均值持平，為平水年型，但降水年內(nèi)分布不均，4月和6月份多次出現(xiàn)連續(xù)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(nèi)≥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(shù)波動范圍較小，熱量資源增加，降水資源年內(nèi)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(fā)育前期、中期降水資源豐富，平水年作物發(fā)育前期及后期出現(xiàn)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(tǒng)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(yīng)。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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)處理各作物生育階段內(nèi)水分虧缺，由表6可知，2016年各作物生育初期均未出現(xiàn)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(fā)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(fā)生水分虧缺；生育中期各作物均出現(xiàn)水分虧缺現(xiàn)象，表現(xiàn)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(xiàn)水分虧缺。就各作物全生育階段水分虧缺，結(jié)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(fā)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(nèi)降水量及需水量耦合較好。

表6 雨養(yǎng)條件下不同作物生育階段內(nèi)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(chǎn)能比較

利用式（5）計算不同作物產(chǎn)能并進行統(tǒng)計檢驗，方差分析表明，水分處理和作物之間產(chǎn)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(yīng)（P=0.007）。對比作物產(chǎn)能，如圖2所示，馬鈴薯產(chǎn)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(chǎn)能。

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

2.4 不同作物產(chǎn)能水分利用效率及水分經(jīng)濟效益比較

利用式（6）～式（9）分別計算各作物的產(chǎn)能降水利用效率、產(chǎn)能灌溉水利用效率、產(chǎn)能農(nóng)業(yè)水利用效率和產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益并進行方差分析結(jié)果如表 7所示，不同水分處理對作物產(chǎn)能降水利用效率和產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益的影響達到極顯著水平，各作物產(chǎn)能降水利用效率、產(chǎn)能農(nóng)業(yè)水分利用效率和產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益之間差異達到極顯著水平，交互效應(yīng)則對作物平水年產(chǎn)能降水利用效率和產(chǎn)能水分經(jīng)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(chǎn)能水分利用效率及產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益進行顯著分析，結(jié)果如表 7所示。對比不同年型條件下雨養(yǎng)作物產(chǎn)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(chǎn)能降水利用效率；比較產(chǎn)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(chǎn)能農(nóng)業(yè)水利用效率，結(jié)果與作物產(chǎn)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(chǎn)能農(nóng)業(yè)水利用效率。綜合2 a試驗結(jié)果，豐水年型下，作物產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益馬鈴薯最高，其次為谷子，大豆和麥-蕎最?。黄剿瓿R鈴薯外，其他作物差異不顯著。比較灌溉處理和雨養(yǎng)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(chǎn)能水分經(jīng)濟效益。綜合比較，馬鈴薯產(chǎn)能水分利用效率最高，麥-蕎產(chǎn)能水分利用效率最低；基于作物產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益分析作物優(yōu)勢，則馬鈴薯和谷子比較占優(yōu)勢。

表7 不同作物產(chǎn)能水分利用效率及經(jīng)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(chǎn)量，結(jié)果主要對全濕和干濕交替條件下作物產(chǎn)量增量進行了對比，但限于研究指標，無法對作物產(chǎn)出進行有效對比。本文從作物產(chǎn)出入手，根據(jù)不同作物能量折算系數(shù)對馬鈴薯、谷子、麥-蕎和大豆產(chǎn)能進行比較分析，各作物產(chǎn)能的比較結(jié)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(chǎn)量，而產(chǎn)量的提升同步提高作物產(chǎn)能，本試驗在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)馬鈴薯通過灌溉提升產(chǎn)能效果顯著，其他作物產(chǎn)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(chǎn)能指標是除產(chǎn)量外，各作物單位面積產(chǎn)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(chǎn)出具有可比性，為未來作物結(jié)構(gòu)調(diào)整研究提供科學(xué)參考。

段愛旺等[27]比較了中國22個省7大類主要作物農(nóng)業(yè)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(chǎn)能計算得到的水分利用效率結(jié)果大致相同。本文在此基礎(chǔ)上進一步考慮了不同年型及灌溉處理下各作物產(chǎn)能農(nóng)業(yè)水分利用效率，對比得到不同年型條件下各作物產(chǎn)能農(nóng)業(yè)水分利用效率規(guī)律。除此之外，本研究比較了吉林梨樹各作物產(chǎn)能降水利用效率、灌溉水利用效率，結(jié)果表明各作物產(chǎn)能降水利用效率與產(chǎn)能農(nóng)業(yè)水利用效率有很好一致性，馬鈴薯產(chǎn)能灌溉水利用效率最高。前人研究發(fā)現(xiàn)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(xiàn)顯著差異，這可能與年型條件及灌溉方式有關(guān)，有待進一步研究。本研究綜合考慮了作物產(chǎn)能和價格影響，比較了不同作物產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益，結(jié)果顯示豐水年作物產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益馬鈴薯最高，其次為谷子，麥-蕎最低?？紤]年型條件和水分處理對作物產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益的影響，各作物表現(xiàn)結(jié)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(chǎn)能水分利用效率及產(chǎn)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(tǒng)比較不同降水年型條件下差異性。同時結(jié)合作物模型方法，開展未來不同年型條件下各作物產(chǎn)能和資源利用效率比較研究，為當?shù)刈魑锝Y(jié)構(gòu)調(diào)整提供系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料和科學(xué)參考。

4 結(jié) 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(chǎn)能和產(chǎn)能水分利用效率差異，結(jié)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(chǎn)能后比較不同作物，馬鈴薯最高，雨養(yǎng)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(chǎn)能，但對其他作物產(chǎn)能的影響不顯著。

3）馬鈴薯的產(chǎn)能降水利用效率、產(chǎn)能灌溉水利用效率和產(chǎn)能農(nóng)業(yè)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(chǎn)能水分利用效率。不同作物的產(chǎn)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(chǎn)能水分經(jīng)濟效益，豐水年雨養(yǎng)條件下，最高為馬鈴薯、其次為谷子，麥-蕎最小?？紤]年型條件和水分處理對作物產(chǎn)能水分經(jīng)濟效益的影響，各作物表現(xiàn)結(jié)果不同。