趙向陽，安志超，陳明優(yōu)，王晨琿，郭校偉，崔振嶺

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193)

小麥?zhǔn)俏覈鴥H次于水稻的第二大糧食作物，其播種面積占全國耕地面積的20%～30%。近年來，隨著人們對糧食需求的增加，提高小麥的產(chǎn)量水平對我國糧食安全具有非常重要的意義[1]。目前多數(shù)報道指出，我國華北地區(qū)農(nóng)戶管理條件下的冬小麥產(chǎn)量分布在5～9 t·hm-2之間[2-4]，而蔡承智等[5]通過AEZ模型分析認為，我國華北地區(qū)冬小麥的產(chǎn)量潛力為9.3～10.2 t·hm-2。因此，減小實際產(chǎn)量與潛在產(chǎn)量之間的差距，找到縮小田塊間產(chǎn)量差的有效途徑是提高小麥產(chǎn)量的重要方法[6]。

產(chǎn)量差(yield gap)是指作物不同產(chǎn)量水平之間的差異[7]。De Datta[8]將產(chǎn)量差定義為作物實際產(chǎn)量與潛在產(chǎn)量的差值；Lobell和Ivanortiz-Monasterio等[9]認為，產(chǎn)量差是農(nóng)戶地塊最高產(chǎn)量與平均產(chǎn)量的差距。造成產(chǎn)量差值的因子被定義為產(chǎn)量限制因子(yield constraints)，利用邊界線(boundary line)可分析各種產(chǎn)量限制因子和產(chǎn)量之間的相關(guān)性。產(chǎn)量差的研究方法主要分為試驗調(diào)查統(tǒng)計分析和作物模擬模型系統(tǒng)分析兩大類[10]。邊界線分析可用于定量化分析土壤因素、農(nóng)戶管理因素等對產(chǎn)量的貢獻，并預(yù)測可獲得的最大單產(chǎn)[7]。

解析產(chǎn)量差產(chǎn)生的原因和探索縮減產(chǎn)量差的途徑，是一個提高區(qū)域糧食產(chǎn)量的重要思路[6]。當(dāng)前利用產(chǎn)量差對作物產(chǎn)量潛力、生產(chǎn)限制因子進行分析的研究有很多。李克南等[11]和范 蘭等[12]通過模型分析了區(qū)域尺度冬小麥的產(chǎn)量潛力和產(chǎn)量差的時空變異特征；Chen等[13]分析認為，種植密度、N投入、播種日期等是造成華北平原夏玉米產(chǎn)量差的主要因素。對于小農(nóng)戶尺度的產(chǎn)量差的研究主要是通過農(nóng)戶調(diào)研的方式進行[7]。如，馬小龍等[14]通過農(nóng)戶調(diào)研結(jié)合土壤分析，研究了西北旱地小麥農(nóng)戶產(chǎn)量差變異規(guī)律；劉建剛等[4]通過農(nóng)戶調(diào)查法定量分析了田塊尺度產(chǎn)量差，并解析了造成產(chǎn)量差的管理措施因素。農(nóng)戶調(diào)研法操作簡單，可針對某一地區(qū)快速分析并提出優(yōu)化措施，是田塊尺度產(chǎn)量差研究的好方法。但是農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)主觀性較強[7]，分析結(jié)果常與事實不符或出現(xiàn)偏差。同時關(guān)于田塊尺度產(chǎn)量差的研究很少關(guān)注社會因素，主要分析農(nóng)田管理措施對產(chǎn)量差的影響。

本研究采用農(nóng)戶調(diào)研和農(nóng)戶田塊管理實時跟蹤相結(jié)合的方法，從農(nóng)戶實際管理中獲取數(shù)據(jù)，同時結(jié)合社會因素，利用Boundary line系統(tǒng)，定量分析河北省曲周縣農(nóng)戶田塊的產(chǎn)量差，明確該地區(qū)限制產(chǎn)量的管理因素和社會因素，以期為該地區(qū)產(chǎn)量差縮減途徑的探索提供方向。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

曲周縣地處河北省南部、海河低平原區(qū)，在漳河沖積、漳河-滏陽河沖積平原和黃河沖積平原交匯處，屬于黃淮海平原中部，位于東經(jīng) 114°50′22.3″～115°13′27.4″、北緯36°35′43″～36°57′，海拔40～45 m。全縣土地面積667 km2，屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬春季寒冷干燥，夏季溫?zé)岫嘤?。該地區(qū)雨熱同季,干濕交替明顯，熱量條件能滿足一年兩熟種植，屬雨養(yǎng)與灌溉相結(jié)合的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，冬小麥-夏玉米輪作為該地區(qū)主要的種植模式。

1.2 數(shù)據(jù)來源

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實驗站位于曲周縣東北部第四疃鎮(zhèn)，本研究所調(diào)查的田塊位于曲周實驗站東南側(cè)的付莊村、東側(cè)的王莊村、東北側(cè)小李莊村。對三個村莊123個農(nóng)戶田塊進行田間實時跟蹤和農(nóng)戶走訪調(diào)查(付莊11個、王莊102個、小李莊11個)，調(diào)查內(nèi)容包括小麥各環(huán)節(jié)管理措施、小麥產(chǎn)量、農(nóng)戶學(xué)歷水平、小麥生育期內(nèi)農(nóng)戶務(wù)工狀況等指標(biāo)(對農(nóng)戶的田間管理行為不予干涉)。2016年10月至2017年6月，通過田塊實時跟蹤獲得耕作方式、品種、播期、播量、底肥配方及用量、灌水追肥時間、追肥配方及施用量數(shù)據(jù)。每個調(diào)查田塊選擇長勢均勻的三個點(避開路邊、樹下、邊行等)，小麥成熟后每個點用1 m2樣框框取 1 m2進行收獲，共3 m2。將3個點樣品混合裝入一個大網(wǎng)袋中，晾曬之后機器脫粒，用谷物水分測定儀測定含水量，測得實際產(chǎn)量。通過走訪農(nóng)戶獲得學(xué)歷水平、小麥生育期內(nèi)農(nóng)戶務(wù)工狀況數(shù)據(jù)。

1.3 分析方法

1.3.1 Boundary line系統(tǒng)

本研究結(jié)合Boundary line系統(tǒng)對農(nóng)戶產(chǎn)量限制因素進行分析。該系統(tǒng)可從復(fù)雜的多因素中孤立出某一個因素，分析該單因素對產(chǎn)量的限制程度。同時其利用仿真模型將邊界點擬合成邊界線，預(yù)測某一因素獨立變量控制下，可獲得的最大單產(chǎn)[15-16]。為了更好地對農(nóng)戶產(chǎn)量差進行分析，提出以下概念(圖1)：

(1)總產(chǎn)量差(total yield gap)：跟蹤農(nóng)戶田塊中的最高產(chǎn)量與農(nóng)戶實際產(chǎn)量之差，等于可解釋產(chǎn)量差與不可解釋產(chǎn)量差之和；

(2)可解釋產(chǎn)量差(explainable yield gap)：跟蹤農(nóng)戶田塊中的最高產(chǎn)量與不同管理因素下農(nóng)戶田塊的預(yù)測產(chǎn)量之差；

(3)不可解釋產(chǎn)量差(unexplainable yield gap)：不同管理因素下農(nóng)戶田塊的預(yù)測產(chǎn)量與農(nóng)戶實際產(chǎn)量之差；

每一個農(nóng)戶田塊在某因素下的可解釋產(chǎn)量差是由相對應(yīng)的影響因素的不同所導(dǎo)致，不可解釋產(chǎn)量差則是由未知不可解釋的因素所導(dǎo)致。每一因素對產(chǎn)量差的貢獻程度表示為可解釋產(chǎn)量差占總產(chǎn)量差的比例，比例越大，其對產(chǎn)量差的貢獻作用就越大。找出每個農(nóng)戶的最大可解釋產(chǎn)量差所對應(yīng)的因素，確定每個因素作為最大可解釋產(chǎn)量差對應(yīng)的農(nóng)戶數(shù)量，用所占總樣本量的比例來表示，這個比例就是農(nóng)戶產(chǎn)量差限制因素的貢獻率。

圖1 邊界線分析方法示意圖

1.3.2 產(chǎn)量差影響因素劃分

按照作物學(xué)范疇，本研究將耕作方式、品種、播期、播量劃分為栽培管理措施，將灌水次數(shù)、灌水時間劃分為灌溉管理措施，將肥料投入及不同占比劃分為施肥管理措施，將學(xué)歷及務(wù)工狀況劃分為社會因素。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel、SPSS20.0軟件進行處理，采用Origin2016進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬小麥產(chǎn)量現(xiàn)狀

將123個田塊產(chǎn)量從小到大進行排列(按籽粒含水量13%計算產(chǎn)量)，其中前10%田塊的產(chǎn)量較高，代表本地區(qū)小農(nóng)戶生產(chǎn)條件下的高產(chǎn)水平，產(chǎn)量均在9.40 t·hm-2以上，平均為9.56 t·hm-2。46.34%田塊的產(chǎn)量分布范圍為 8.80～9.40 t·hm-2，平均為9.17 t·hm-2，為普遍田塊產(chǎn)量；后10%田塊的產(chǎn)量相對較低，平均為 7.92 t·hm-2。前10%田塊的產(chǎn)量與普遍田塊的差距(G0)為0.39 t·hm-2，與平均田塊的差距(G1)為0.61 t·hm-2，與后10%田塊的差距(G2)為1.64 t·hm-2(圖2A)。農(nóng)戶田塊的產(chǎn)量范圍為7.09～9.93 t·hm-2，田塊間極差為 2.84 t·hm-2，產(chǎn)量范圍在8.8～9.4 t·hm-2的田塊數(shù)最多，達到57塊(圖2B)。

G0、G1和G2分別為普遍田塊產(chǎn)量、平均田塊產(chǎn)量和后10%田塊產(chǎn)量與前10%田塊產(chǎn)量的差值。

G0,G1 and G2 represent the yield gaps of the universal fields,all fields and the last 10% fields related to the fist 10% fields,respectively.

圖2 曲周縣冬小麥跟蹤田塊不同產(chǎn)量差距和單產(chǎn)頻數(shù)分布

Fig.2 Distribution of the different tracked yields and yield per unit of winter wheat in Quzhou county

2.2 農(nóng)戶管理措施對冬小麥產(chǎn)量差的影響

2.2.1 栽培管理措施對冬小麥產(chǎn)量的影響

深翻和旋耕是調(diào)查區(qū)域兩種主要耕作方式(圖3A)。兩種耕作方式田塊的平均產(chǎn)量分別為9.06和8.44 t·hm-2，深翻田塊的產(chǎn)量極顯著高于旋耕田塊。當(dāng)?shù)卦谄贩N選擇上相對統(tǒng)一，集中在濟麥22、魯原502兩個品種上，其中濟麥22、魯原502、衡麥49表現(xiàn)較好(圖3B)。

調(diào)查區(qū)域冬小麥的播種日期均在10月1日以后，田塊間播期差異明顯，從10月2日到10月18日，51.22%的田塊集中在10月8日到10月11日。通過Boundary line模擬，隨播種日期的推延，冬小麥產(chǎn)量呈現(xiàn)拋物線變化趨勢。當(dāng)播期為10月9日時，模擬產(chǎn)量達到最大值(圖3C)。調(diào)查地區(qū)冬小麥的播量范圍為142.5～300 kg·hm-2，田塊間播量差異較大，78.05%田塊的播量在150～200 kg·hm-2之間。Boundary line模擬發(fā)現(xiàn)，隨播種量的增加，冬小麥產(chǎn)量呈先增后降趨勢，播量為161 kg·hm-2時達到產(chǎn)量最大(圖3D)。

箱體上字母不同表示差異顯著(P<0.05)。**P<0.01。圖7同。

Different letters on the boxes indicate significant differences among the average values at 0.05 level.**:P<0.01.The same in figures 7.

圖3 栽培管理措施對冬小麥產(chǎn)量的影響

Fig.3 Effects of cultivation management measures on winter wheat yield

2.2.2 灌溉管理措施對冬小麥產(chǎn)量的影響

分析發(fā)現(xiàn)，灌溉越冬水(11月下旬)的田塊產(chǎn)量顯著高于沒有灌溉越冬水的田塊(圖4A)，說明越冬水對小麥高產(chǎn)非常重要。春季灌水也是冬小麥高產(chǎn)管理中的重要環(huán)節(jié)。通過監(jiān)測分析，春季第一次灌水時間(以下簡稱為春一水)與冬小麥產(chǎn)量有很好的相關(guān)性。對123個田塊實時跟蹤發(fā)現(xiàn)，有122個田塊進行了春季灌溉，其中灌溉時間從2月2日到4月24日，田塊間灌溉時間差異明顯。通過Boundary line分析，隨春一水灌溉時間的推后，冬小麥產(chǎn)量呈先增后降的拋物線變化趨勢。通過產(chǎn)量模擬，灌水時間在4月2日時，產(chǎn)量最高(圖4B)。

2.2.3 施肥管理措施對冬小麥產(chǎn)量的影響

肥料是小麥生產(chǎn)中投入最大的生產(chǎn)資料。小麥?zhǔn)┑刻幱?12.50～307.5 kg·hm-2范圍，平均為243.60 kg·hm-2，78.9%田塊的施氮量集中于211.50～270.75 kg·hm-2(圖5)。Boundary line分析發(fā)現(xiàn)，隨施氮量的增加，小麥產(chǎn)量呈先增后減的趨勢，施氮量為273.75 kg·hm-2時產(chǎn)量最高。農(nóng)戶施磷量為108～345 kg·hm-2，平均為 156.62 kg·hm-2，87.8%田塊的施磷量集中于112.5～178.5 kg·hm-2。農(nóng)戶施鉀量為30～135 kg·hm-2，平均為78.49 kg·hm-2。

調(diào)查區(qū)域的農(nóng)戶習(xí)慣在來年春季對小麥追施一次氮肥。跟蹤的123個農(nóng)戶田塊中有119個田塊進行過追施氮肥，4個田塊未進行過追施氮肥。氮肥基施所占比例為39.47%～100%。Boundary line模擬顯示，隨著氮肥基施比的增加，冬小麥產(chǎn)量呈明顯的先增后減的拋物線變化趨勢。氮肥基施比在0.54時小麥產(chǎn)量達到最高(圖5)。

*：P<0.05.

圖5 施肥管理措施對冬小麥產(chǎn)量的影響

2.3 區(qū)域內(nèi)造成冬小麥產(chǎn)量差的主導(dǎo)因素

通過分析，不同管理措施中限制小麥產(chǎn)量提高的影響因素大小依次為春季第一水時間>播量>播期>磷肥施用量>鉀肥施用量>氮肥施用量>氮肥基施比，各管理因素對冬小麥產(chǎn)量差的貢獻率依次為32.52%、30.08%、20.33%、8.13%、4.07%、3.25%、1.63%(圖6)。

圖6 各管理因素對冬小麥可解釋產(chǎn)量差的貢獻

2.4 農(nóng)戶農(nóng)田管理狀況和學(xué)歷水平對冬小麥產(chǎn)量的影響

根據(jù)123個田塊農(nóng)事決策者的務(wù)工狀況，將農(nóng)戶農(nóng)田管理分為四種類型：A型，只管理自家承包田，不做其他工作；B型，管理自家承包田，農(nóng)閑時在本縣范圍內(nèi)做零工；C型，管理自家承包田，農(nóng)閑時在第四疃鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)工作；D型，管理自家承包田，農(nóng)閑時到外地工作(下面簡稱ABCD型農(nóng)戶)。結(jié)果顯示，B型農(nóng)戶產(chǎn)量水平最高，變異最小。D型農(nóng)戶產(chǎn)量水平最低，變異最大 (圖7A)。

123個田塊的農(nóng)戶學(xué)歷均處在高中及以下水平(圖7B)。學(xué)歷水平在小學(xué)及以下的農(nóng)戶田塊平均產(chǎn)量為8.59 t·hm-2，學(xué)歷水平為初中的農(nóng)戶田塊平均產(chǎn)量為9.00 t·hm-2，學(xué)歷水平為高中的農(nóng)戶田塊的平均產(chǎn)量為9.12 t·hm-2。隨著學(xué)歷的提高，農(nóng)戶管理田塊的產(chǎn)量水平呈增高趨勢，同時農(nóng)戶田塊的變異減小。

A：只管理自家承包田，不做其他工作；B：管理自家承包田，農(nóng)閑時在本縣范圍內(nèi)做零工；C：管理自家承包田，農(nóng)閑時在第四疃鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)工作；D：管理自家承包田，農(nóng)閑時到外地工作。

A:Only managing own field; B:Besides managing own field,having part-time job in Quzhou county; C:Besides managing own field,having a job in Quzhou county; D:Besides managing own field,having a job outside Quzhou county.

圖7 農(nóng)戶農(nóng)田管理狀況和學(xué)歷水平對冬小麥產(chǎn)量的影響

Fig.7 Effect of farmers’field management status and education level on winter wheat yield

3 討 論

作物產(chǎn)量差研究是探知作物生產(chǎn)潛力和解析作物產(chǎn)量限制因素的重要方法，縮減產(chǎn)量差是提高區(qū)域糧食總產(chǎn)量的有效途徑。本研究通過田塊跟蹤和農(nóng)戶走訪對曲周地區(qū)農(nóng)戶田塊間冬小麥產(chǎn)量及生產(chǎn)限制因子進行了定量化分析。結(jié)果顯示，研究區(qū)域農(nóng)戶田塊的產(chǎn)量范圍為7.09～9.93 t·hm-2，田塊間變異為2.84 t·hm-2，后10%田塊產(chǎn)量與前10%田塊產(chǎn)量的差距為1.64 t·hm-2，田塊產(chǎn)量差異明顯。田塊平均產(chǎn)量為8.95 t·hm-2，產(chǎn)量水平比其他學(xué)者報道高出10%以上[2,17]，這與當(dāng)?shù)囟←湼弋a(chǎn)技術(shù)應(yīng)用率相對較高有很大關(guān)系。因為研究區(qū)域臨近中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實驗站，科研人員在當(dāng)?shù)剡M行長期的高產(chǎn)高效田間試驗，提出并推廣了很多針對當(dāng)?shù)貤l件下的冬小麥高產(chǎn)技術(shù)措施。但是還是存在較大的產(chǎn)量差，這是農(nóng)戶管理粗放、技術(shù)應(yīng)用不積極等因素造成的。

本研究中，深翻田塊產(chǎn)量顯著高于旋耕田塊，這主要因為播前深翻有利于小麥根系下扎和養(yǎng)分的吸收[18-19]。本研究區(qū)域的品種選擇較統(tǒng)一，以魯原502和濟麥22為主，與雷友等[20]報道的品種雜亂結(jié)果不同，其主要原因也與科研人員在當(dāng)?shù)卦囼炌茝V這兩個高產(chǎn)品種有關(guān)。播期播量與小麥籽粒產(chǎn)量密切相關(guān)[21]，適宜的播期可保證小麥生育期溫度的積累，保證單株莖孽和單株成穗數(shù)[22]。同時播量過大影響單株分蘗數(shù)，降低千粒重；播量減少，千粒重增加，但基本苗和有效孽數(shù)減少[23]。本研究利用Boundary line模擬的結(jié)果表明，播期在10月9日時產(chǎn)量水平最高，推薦該地區(qū)播種日期應(yīng)為10月7-10日。對播量的模擬分析發(fā)現(xiàn)，播量在161 kg·hm-2時，冬小麥產(chǎn)量最高，符合曹國鑫等[24]的150～200 kg·hm-2的高產(chǎn)推薦量。

研究區(qū)域?qū)儆谟牮B(yǎng)與灌溉相結(jié)合農(nóng)區(qū)，及時合理的灌溉是小麥產(chǎn)量的保證。小麥灌溉越冬水可預(yù)防干冷凍害[25]，另外春季第一次灌水時間過早會增大小麥群體，不利于產(chǎn)量的形成[26]。實際操作中農(nóng)民常將灌水和追肥同一時間進行，適當(dāng)?shù)耐七t春季第一次水肥的供應(yīng)有利于小麥根系的下扎和有效分蘗的形成。

對養(yǎng)分投入的分析結(jié)果顯示，隨著氮肥的投入增加，冬小麥模擬產(chǎn)量出現(xiàn)先增加后減少的趨勢，在273.75 kg·hm-2時產(chǎn)量最高，這與王賀正等[27]的產(chǎn)量結(jié)果相吻合。這是因為一定氮素投入得增加，小麥的光合速率、蒸騰速率、碳氮代謝等均會增加，但投入過高時，會抑制以上功能[28]。同時過高的氮素投入會促進小麥營養(yǎng)生長而忽略籽粒生長，不利于有效分蘗的形成[39]。對磷鉀投入的分析結(jié)果顯示，磷鉀的施用量對產(chǎn)量的影響較小，也均出現(xiàn)先增后減的趨勢。該區(qū)域沒有低磷投入田塊，另外高磷條件下，營養(yǎng)物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移滯后，作物不能將養(yǎng)分充分的轉(zhuǎn)移到穗部，形成經(jīng)濟產(chǎn)量[30]，出現(xiàn)以上隨著磷養(yǎng)分投入的增加，產(chǎn)量下降的趨勢。適量的鉀肥可有效增加小麥產(chǎn)量，但過量施用會降低小麥的有效群體和分蘗成穗率[31]。分析顯示氮肥基施比在 0.54時產(chǎn)量水平最高，與代新俊等[32]的基肥、拔節(jié)肥6∶4的觀點一致。

造成該區(qū)域冬小麥產(chǎn)量差的主導(dǎo)因素依次為春季第一次灌水時間、播量、播期、磷肥、鉀肥、氮肥、氮肥基施比。從邊界線分析的7個管理措施中不難發(fā)現(xiàn)，灌水時間、播量、播期三個管理措施最為分散，農(nóng)戶的統(tǒng)一度較低，相對應(yīng)的技術(shù)采納率較低。該地區(qū)以后的農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中可加強春季第一次灌水時間、播量、播期的技術(shù)指導(dǎo)。

農(nóng)村的社會人文因素對農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響越來越突出[33]，本研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)戶的學(xué)歷水平影響著農(nóng)戶管理決策，間接影響著作物產(chǎn)量水平。農(nóng)戶學(xué)歷水平越高其對科學(xué)技術(shù)的接受度和采用度越高，產(chǎn)量水平越高。農(nóng)戶在小麥生育期里的務(wù)工狀況也和產(chǎn)量水平有一定的關(guān)系，但與我們預(yù)期不同的是A型農(nóng)戶地塊產(chǎn)量并不是最高的，而B型農(nóng)戶地塊產(chǎn)量是最高的。這和農(nóng)戶投入田塊管理的精力多少有關(guān)，A型農(nóng)戶多年紀(jì)偏大或家庭事務(wù)較多，其會出現(xiàn)兩種情況：一是有充足的時間管理田塊，但年齡偏大精力不足；二是家庭事務(wù)較多者沒有足夠的時間管理田塊而投入田塊管理的精力不足。B型農(nóng)戶為當(dāng)前農(nóng)村主要的務(wù)農(nóng)人群，年齡集中在50～65歲范圍，以管理自家田塊為主同時精力相對旺盛，投入田塊管理的時間和精力較多。C、D型農(nóng)戶相對較年輕，接受新事物能力強但投入農(nóng)田管理精力不足。