海南岛木薯主产区产量差及限制因素分析

梁海波 黄洁 韩全辉 陈冬冬 肖鑫辉 安飞飞 薛茂富

摘 要 为分析海南岛木薯主产区产量的限制因素，找出缩减产量差的途径。研究调查海南岛木薯主产区典型乡村木薯种植管理情况，确定各级木薯产量差，从种植密度、连作年数、养分管理、产投结构等方面分析产量差的贡献因素。结果显示：不同产量等级间木薯产量差异显著，基于高产农户的产量差YGT、高产纪录的产量差YGB、模型模拟的产量差YGM分别为15.59、30.98、37.82 t/hm2；25%最低产农户平均种植密度和连作年数均高于其余农户，其K2O总施用量、基肥中N、K2O的施用量及追肥中K2O的施用量均低于其余农户；现有管理水平条件下，N、P2O5、K2O对产量差的贡献率分别为6.3%、11.0%、6.3%，达到高产高效施肥水平的农户仅4.69%～6.45%；产投结构中，产量达到65.15 t/hm2时产投比最大，此后随产量增加，报酬递减，人工成本尤其收获成本是最大限制因素。缩减木薯产量差的途径为合理密植，减少连作年数，增施钾肥，调整基追肥比例，增施氮钾基肥，追肥增钾，为节约劳动力成本，推广全程机械化，尤其是收获环节。

关键词 木薯；海南岛；产量差；种植密度；连作年数；养分管理；产投结构

中图分类号 S533 文献标识码 A

Abstract This study aims to analyze the limiting factors on cassava yield and find measures to decrease its yield gap in the main growing regions of Hainan Island. Based on the investigation of the cassava cultivation in typical villages in the major cassava producing areas， different levels of yield gap were calculated， and then the main contribution to yield gap was analyzed from these aspect， including planting density， continuous cropping， nutrient management and economic investment and output. Cassava yield gap was significantly different among the three levels， in which， the high-yield farmers yield gap YGT， best farmers yield gap YGB， modeled yield gap YGM， was 15.59， 30.98， 37.82 t/hm2， respectively. Average planting density and continuous cropping years of 25% the lowest yield farmer were higher than those of other farmers， also its N and K2O amount for basic fertilization， K2O amount for top-dressing fertilization and the total K2O amount were lower than those of other farmers. Under the current management level， contribution rate of N， P2O5 and K2O to the yield gap was 6.3%， 11.0% and 6.3%， respectively， only 4.69%-6.45% of the farmers reached a high yield and high efficiency. In composition of production and investment structure， the yield to investment ratio was maximum when the yield reached 65.15 t/hm2， after that， it showed diminishing returns with the increasing of yield， and the cost of labor， especially spending on the harvest， was the maximum limiting factors on the yield. Reasonable planting density and decreased continuous cropping years， more potassium fertilizer， adjusted the ratio of basic fertilization and top-dressing fertilization， more nitrogen fertilizer and potassium fertilizer for basic fertilization and more potassium fertilizer for top-dressing fertilization， and advanced mechanization replacing for labor should be spread in all cassava production， especially the harvest link.

Key words Cassava； Hainan Island； Yield gap； Planting density； Continuous cropping； Nutrient management；

Production and investment structure

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.10.003

木薯（Manihot esculenta Crantz）是热带及亚热带地区重要的粮食及能源作物，也是当地山区低收入农民重要的经济作物[1]；作为生产清洁能源木薯燃料乙醇的原料，木薯因其非粮特性正发挥着越来越重要的作用[2]。海南岛地处中国最南端，属热带海洋季风气候，全年光温充足，经济作物十分丰富，是发展热带特色高效农业的天然宝地，具有发展木薯的优越条件，是中国的主要木薯产区[3]。但近年来，海南农民对木薯种植积极性不高，木薯产业出现萎缩，据农业部南亚办统计，2004～2013年间，海南岛木薯单产仅缓慢提高25.06%，而种植面积缩减了21.66%，木薯产量的高低直接影响着当地农民的种植积极性，提升木薯单产是海南岛木薯产业面临的首要问题。白沙县和琼中县二大木薯主产县种植面积分别位居海南岛第一、第二，为此，对二县进行农户调研，分析当地不同农户间木薯产量差，找出产量限制因素，挖掘增产潜力，为增产增收提供科学依据。

不同产量水平之间的差异即为产量差（Yield gap，YG）。产量差的概念首先由De Datta[4]提出，定义为作物实际产量与潜在产量的差值。Fresco[5]进一步完善了产量差概念模型的内涵，引入了“经济上限产量”的概念。de Bie[6]总结了不同定义下的各级产量差，并对各级产量差的主要限制因子进行了分类。产量差在世界各地研究广泛，尤其是在印度和泰国等一些发展中国家[4]；目前在小麦、水稻、玉米和大豆等作物上的研究较多[7]，研究方法主要分为试验调查与统计分析以及作物模拟模型系统分析两大类[8]，可分为基于产量潜力的产量差、试验产量的产量差、高产纪录的产量差，也可用来分析区域尺度的产量差和农户尺度的产量差[9]。de Bie采用比较优势评价法对造成泰国芒果产量差的因素进行分析[10]；Surabol等[11]通过农户调查方法对泰国大豆产量限制因子进行了分析。产量差分析是明确增产潜力、阐明决定因素、制订管理措施、指导未来发展的有效工具，分析不同农户的产量差和决定因素，有助于揭示增产限制因子，制订高产高效措施[9，12]。

1 材料与方法

1.1 材料

2015年6～7月份，选取海南岛木薯主产区中具有代表性的白沙县阜龙乡、邦溪镇以及琼中县黎母山镇；每个乡镇均选4个村，与当地农技推广人员一起，每个村选取2～3个代表性种植类型样本；每个样本随机抽取2～3户农民进行问卷调查，总计67户农户。调查内容包括农户基本情况，木薯品种、种植面积、种植密度、连作年数、施肥情况及产量效益等。调查木薯种植总面积约56.75 hm2，平均每户面积约0.85 hm2；种植品种主要为华南5号和华南8号，分别占农户总数的43.28%、35.82%，其次是华南10号和华南205，共占农户总数的20.90%；主要是在前1年的11月份至当年的4、5月份种植，当年的10月份至翌年的4、5月份收获。

1.2 方法

1.2.1 分析方法 不同产量等级的产量差（YG）、肥料偏生产力（Partial factor productivity， PFP）、经济效益（Economic benefit， EB）按下列公式计算。肥料偏生产力（PFP）是指单位投入的肥料所能生产的作物产量，是反映肥料效益的指标[13]。

YG=Y1-Y2

上式中，Y1、Y2分别表示不同产量等级的产量。

肥料偏生产力[PFP/（kg/kg）]=施肥区产量÷肥料施用量[13]

经济效益EB=单位面积产量×当年单价-总成本[14]

产量潜力的平台不同，对应产生的产量差结果也不同。Lobell等[9]确定4个常用的产量平台，即高产农户产量、模拟产量潜力、试验产量潜力和农户平均产量，对应产生3级产量差即以高产农户为基础的产量差、以试验产量为基础的产量差和以模型产量为基础的产量差。本研究中选用其中的3个产量平台--高产农户产量YT、模拟产量潜力YB和农户平均产量YA，加上高产纪录YB，共有4个产量平台；对应产生了3级产量差，即基于高产农户的产量差YGT=YT-YA，基于高产纪录的产量差YGB=YB-YA，和基于模型模拟的产量差YGM=YM-YA（图1）。

1.2.2 化肥与有机肥养分的换算 化肥养分按照调查表记录值计算，有机肥养分按照《中国有机肥料养分志》提供的标准值计算[15]。

1.3 数据处理

用Excel 2010对数据进行计算制图，SPSS 20.0、SigmaPlot 12.5软件进行统计分析，用Duncau（D）法检验p<0.05水平上的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 农户产量差

将调研区域木薯的鲜薯单产按4等分法分为4个等级（表1），4个等级的农户鲜薯单产差异均达到显著水平。其中，占总数25%的最高产农户平均鲜薯单产YT为51.77 t/hm2，与全部农户平均产量YA=36.18 t/hm2相比，产量差YGT达15.59 t/hm2 （图1中高产农户产量均值，用表1中占总数25%的最高产农户产量均值表示）；调研区域农户木薯高产纪录产量YB为67.16 t/hm2，基于高产纪录的产量差YGB=30.98 t/hm2。

模型模拟是目前定量评估产量潜力最为有效的方法之一，对探索农户短期内增产潜力具有重要意义。试验产量和高产农户产量一般会低于模型模拟产量潜力[16]。Schnug等[17]开发的Boundary line系统，可用来分析各种生物物理因素和产量之间的相关性关系，从复杂的多因素中孤立出某一个因素，分析该单因素对产量的限制程度，适用性较好，土壤因素、农户管理因素等都可分析[18-20]。Boundary line系统利用Fermont等[21]开发出的仿真模型将边界点拟合成边界线，其中，Ym是在独立变量X的限制下，预测可获得的最大单产；Yatt表示在调研区域内的可获得的最高产量；X表示各种独立的生物、非生物变量；K和R是常数。

本研究中，用Boundary line系统建立散点图组合成边界线上的点，根据各试验中实际推荐施肥条件下获得的鲜薯单产，用Boundary line系统拟合出理论上可实现的鲜薯单产（图2），对3个方程进行F检验，施N量p值为0.045<0.05，方程拟合度好，达到显著水平；施P量p值为0.098>0.05，方程拟合度稍差；施K量p值为0.000<0.001，方程拟合度最好，达到极显著水平。模型模拟出在现有施肥技术水平下，海南省农民鲜薯产量潜力为74.00 t/hm2，基于模型模拟的产量差 YGM=37.82 t/hm2；分别根据N、P2O5、K2O施用量与鲜薯单产的一元二次方程，得出N、P2O5、K2O最高施用量分别为166.32、117.08、174.77 t/hm2，从此图可初步发现，N、P2O5施用过量、K2O施用不足，是造成减产的重要原因。

图2中最高产量和边界线模拟产量间的产量差即①，是由变量（N、P2O5、K2O施用量）不同产生的，定义为可解释的产量差（Explainable yield gap）；边界线模拟产量和农户实际产量之间的产量差即②，是由除该变量外的其他因素造成的，定义为不可解释的产量差（Unexplainable yield gap）[18]。可解释产量差可定量某一因素对产量差的贡献量，而可解释的产量差占最高产量的比例，即yield gap%，可用来解析该因素对产量差的贡献率。本研究中，N、P2O5、K2O对产量差的贡献率分别为6.3%、11.0%、6.3%（图3）。

根据Lobell等的理论[9]，不同产量差的影响因素不同，YGT是由于微域土壤和气候差异，投入成本、技术和管理措施的不同造成的；YGB主要来源于土壤肥力、投入成本和管理措施等；YGM主要由品种、光温水资源的利用、土壤条件、栽培管理措施以及杂草、病虫害等管理措施导致。针对不同的产量差，分别从种植密度、连作年数、养分管理、产投结构等方面，对造成当地木薯产量差的原因进行分析。

2.2 种植密度、连作年数

调研发现，当地农户木薯平均种植密度为26 490株/hm2，平均连作年数为3.31年，连作年数主要集中在1～5年，不同产量等级的农户木薯种植密度、连作年数差异较大（表2）。占总数25%的最低产农户的平均种植密度为40 430株/hm2，显著高于其余3类农户，其余3类农户的平均种植密度不超过24 990株/hm2；占总数25%的最低产农户木薯连作年数均值为4.06年，显著高于占总数25%的最高产农户，木薯连作年数越长则产量越低；占总数25%的最高产农户的平均连作年限仅为2年，显著少于其余3类农户。可见，当地木薯合理密植以1.7～2.5万株/hm2为宜，连作年数以2年为佳，最多连作3年。

2.3 养分管理

2.3.1 氮磷钾肥投入量分布 当地农户施肥基本以无机肥为主，调研的67户农户中，仅有1户施用了有机肥，占总施肥量的2.38%。当地N、P2O5、K2O投入量均值分别为123、89、82 kg/hm2，N的投入量远高于P2O5和K2O，说明当地农户存在偏施氮肥的习惯（表3）。各产量等级农户N、P2O5投入量差异不显著，但占总数25%的最低产农户K2O施用量远低于其余3类农户，且显著低于占总数25%的最高产农户，仅为其K2O施用量的36.28%，可见，K2O施用不足是造成产量差的主要原因。

搜集2005～2015年海南岛木薯肥料试验文献[22-24]及中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所试验基地（海南儋州）的木薯肥料试验，总计21组推荐施肥数据，求其平均值，得出当地N、P2O5、K2O试验推荐施肥量均值分别为127、43、135 kg/hm2（表4），结合调研的当地占总数25%的最高产农户的施肥量，将2个施肥指标作为当地的推荐施肥量基准，考虑到农户操作可行性及不同品种、地区间差异等因素，结合Boundary line系统模拟的当地N、P2O5、K2O的最高投入量，基本确定海南岛木薯的氮磷钾肥施用量范围以305～458 kg/hm2为宜，其中，N为127～166 kg/hm2，P2O5为43～117 kg/hm2，K2O为113～175 kg/hm2。

2.3.2 基肥及追肥投入量分布 当地木薯施肥主要以基肥为主，占总施肥量的64.36%，N、P2O5、K2O的基肥与追肥比例分别为1.12 ∶ 1、3.01 ∶ 1、2.34 ∶ 1（表5）。调研结果显示，施用基肥时，占总数25%的最低产农户N、K2O的施用量均低于其余3类农户，且显著低于占总数25%的最高产农户，仅为其N、K2O施用量的56.34%、45.15%；追肥时，占总数25%的最低产农户K2O的施用量低于其余3类农户，仅为占总数25%的最高产农户施K2O量的15.95%。可见，基肥中N、K2O投入不足，追肥中K2O投入过少，也是造成当地木薯产量差的重要原因。

2.3.3 氮磷钾肥投入与产出效果分析 当地农户氮磷钾肥投入与产出效果分析表明，当地木薯N、P2O5、K2O偏生产力均值分别为384.44、618.59、666.75 kg/kg（表6）。随着N、P2O5、K2O投入量的增加，肥料偏生产力均逐渐降低（图4），将N、P2O5、K2O偏生产力分别按照4等分法进行划分，统计分析得出，N偏生产力以300～450 kg/kg比例最大，占总数的35.94%，54.69%的农户氮肥偏生产力低于平均水平；P2O5偏生产力以200～400 kg/kg比例最大，占总数的40.32%，69.35%的农户磷肥偏生产力低于平均水平；K2O偏生产力以200～ 400 kg/kg比例最大，占总数的47.54%，73.77%的农户钾肥偏生产力低于平均水平。

依据增产10%～15%、增效15%～20%的目标，提出高产高效施肥的划分标准[25]。则海南岛木薯的高产目标为41.61 t/hm2，氮、磷、钾肥偏生产力高效目标分别为430.19、700.58、752.97 kg/kg，按此标准（表7），将海南岛农户施肥划分为高产高效、高产低效、低产高效、低产低效4个水平，仅有7.81%～11.48%的农户达到了高产高效水平，70%以上的农户氮、磷、钾肥的投入仍处于低产低效水平（图5）。如何实现高产高效施肥是当地木薯施肥面临的首要问题。

2.4 产投结构分析

种植效益是决定农户种植积极性的重要因素，也是直接导致当地作物产量上下波动的原因之一[14]。对不同产量水平农户种植木薯经济效益的分析结果表明：占总数25%的最低产农户的净收益显著低于25%～50%中产农户，且以上2类农户净收益均显著低于50%～75%中高产农户及占总数25%的最高产农户（图6）；随着木薯产量提升，净收益快速提升，在产量水平中上等情况下仍能获得较大的收益，产量超过50 t/hm2时，随着木薯产量提升，净收益提升速度逐渐变慢，当鲜薯产量达到65.15 t/hm2时，净效益最高，为15 581.70元/hm2，总投入成本为15 214.17元/hm2，产投比达到最大值2.02，此后随着产量的进一步提升，出现报酬递减，可见，当产量达到65.15 t/hm2后，需要考虑减少投入来提升收益，以缩小不同田块间的产量差。从农户的投入结构来看，主要包括人工费投入和肥料、租金、农药的投入两部分，67户农户中24户有地租费，当地农户均自留种茎、不灌溉，故二者不计算成本，随着鲜薯产量提高，人工投入增长最快，其次是肥料、租金和农药投入。目前，海南岛基本是人工种植管理，极少机械化生产，以100元/人·天的工价计算，人工费在总成本中所占比例最大，达65.97%，不同农户间投入水平的差异主要体现人工投入上。

进一步将整地、种植、田间管理和收获4个环节的人工投入分开来看（图7），不同产量水平的农户整地、种植2个环节的人工投入差异较小，趋势线几乎呈水平状；田间管理人工投入在各产量水平间差异较显著，趋势线有一定的上升趋势；而收获环节人工投入趋势线斜率最大，在总人工成本中占比最大，达56.29%，不同产量水平的农户投入结构中，收获环节人工投入差异最显著。因此，当改进木薯高产高效栽培技术时，必须考虑精减田间管理环节的投入，特别是要大幅压缩收获环节的人工投入。在当前投入水平下要想做到少投入高收益，实现农户利益最大化，当务之急就是要提升整地、种植、管理和收获的全程机械化程度，尤其是收获环节。

3 讨论与结论

产量差分析是明确增产潜力、阐明生产限制因素、制订管理措施的有效工具，是衡量区域作物生产现状和增产潜力、探索区域作物产量限制因素和解决方法的有效途径。本研究结合海南岛木薯生产情况，在Lobell等人[9]的量化模型基础上，构建了基于高产农户的产量差（YGT），基于高产纪录的产量差（YGB）和基于模型模拟的产量差（YGM）3个产量差分析模型，并从种植密度、连作年数、养分管理和产投结构等方面进行了分析。木薯适宜种植密度与水肥、品种等密切相关，过稀或过密均不利于高产[26]，本研究建议当地木薯种植密度以1.7～2.5万株/hm2为宜，但一般生产上推荐密度为1～1.5万株/hm2[27]，可见，今后应根据各地实际情况推荐最佳种植密度。长期连作会扰乱土壤微生物的生态平衡，滋生病原菌[28]，本研究发现，木薯长年连作会导致严重减产，为维持木薯地土壤肥力，减轻连作障碍，建议当地木薯连作年数以2年为佳，最长连作3年。木薯长期定位肥料试验表明，长期连作且钾肥不足将导致土壤退化，木薯严重减产，重视施用钾肥可保证多年连作木薯增产增收[29]，增加氮营养，木薯株高、茎粗、功能叶和冠层宽度随之提高[30]，氮素供应不足尤其是在生长前期，会导致木薯植株生长缓慢[1]，本研究农户基肥中N、K2O配比及追肥中K2O配比偏低，导致木薯减产的现象，与前人试验结论相吻合[1，29]，建议遵循大配方小调整的施肥原则，以当地的肥料试验推荐施肥数据及占总数25%的最高产农户施肥数据为基准，结合Boundary line系统模拟出的当地N、P2O5、K2O最高施用量，推荐当地肥料施用量范围，即N为127～166 kg/hm2，P2O5为42～117 kg/hm2，K2O为113～174 kg/hm2；以占总数25%的最高产农户基追肥比例为基准，调整基追肥配比，建议增加基肥中N和P2O5的投入量，后期追肥中增加K2O的投入量。人工成本高，劳动强度大，生产效率低等现象，严重制约了木薯产业的发展[31]，而机械化种植、除草比传统人工效率分别提升了10倍、20倍，收获机可节省70%成本[32]，本研究发现，人工成本尤其收获环节人工成本过高是当地木薯产量的重要限制因素，今后应重视优化产投结构，提高木薯全程机械化程度，特别是研究推广中耕和收获机械。

在现代农业条件下，降低自然灾害和病虫害，提高技术到位率将是减小木薯产量差的重要途径，但本研究尚未具体分析造成木薯产量差的气候、自然灾害、病虫害、土壤等因素，今后应进一步量化研究上述影响因素，进一步分析缩小木薯产量差的途径。

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