曲周县冬小麦产量差及限制因素分析

赵向阳，安志超，陈明优，王晨珲，郭校伟，崔振岭

(中国农业大学资源与环境学院，北京 100193)

小麦是我国仅次于水稻的第二大粮食作物，其播种面积占全国耕地面积的20%～30%。近年来，随着人们对粮食需求的增加，提高小麦的产量水平对我国粮食安全具有非常重要的意义[1]。目前多数报道指出，我国华北地区农户管理条件下的冬小麦产量分布在5～9 t·hm-2之间[2-4]，而蔡承智等[5]通过AEZ模型分析认为，我国华北地区冬小麦的产量潜力为9.3～10.2 t·hm-2。因此，减小实际产量与潜在产量之间的差距，找到缩小田块间产量差的有效途径是提高小麦产量的重要方法[6]。

产量差(yield gap)是指作物不同产量水平之间的差异[7]。De Datta[8]将产量差定义为作物实际产量与潜在产量的差值；Lobell和Ivanortiz-Monasterio等[9]认为，产量差是农户地块最高产量与平均产量的差距。造成产量差值的因子被定义为产量限制因子(yield constraints)，利用边界线(boundary line)可分析各种产量限制因子和产量之间的相关性。产量差的研究方法主要分为试验调查统计分析和作物模拟模型系统分析两大类[10]。边界线分析可用于定量化分析土壤因素、农户管理因素等对产量的贡献，并预测可获得的最大单产[7]。

解析产量差产生的原因和探索缩减产量差的途径，是一个提高区域粮食产量的重要思路[6]。当前利用产量差对作物产量潜力、生产限制因子进行分析的研究有很多。李克南等[11]和范 兰等[12]通过模型分析了区域尺度冬小麦的产量潜力和产量差的时空变异特征；Chen等[13]分析认为，种植密度、N投入、播种日期等是造成华北平原夏玉米产量差的主要因素。对于小农户尺度的产量差的研究主要是通过农户调研的方式进行[7]。如，马小龙等[14]通过农户调研结合土壤分析，研究了西北旱地小麦农户产量差变异规律；刘建刚等[4]通过农户调查法定量分析了田块尺度产量差，并解析了造成产量差的管理措施因素。农户调研法操作简单，可针对某一地区快速分析并提出优化措施，是田块尺度产量差研究的好方法。但是农户调查数据主观性较强[7]，分析结果常与事实不符或出现偏差。同时关于田块尺度产量差的研究很少关注社会因素，主要分析农田管理措施对产量差的影响。

本研究采用农户调研和农户田块管理实时跟踪相结合的方法，从农户实际管理中获取数据，同时结合社会因素，利用Boundary line系统，定量分析河北省曲周县农户田块的产量差，明确该地区限制产量的管理因素和社会因素，以期为该地区产量差缩减途径的探索提供方向。

1 材料与方法

1.1 研究区域

曲周县地处河北省南部、海河低平原区，在漳河冲积、漳河-滏阳河冲积平原和黄河冲积平原交汇处，属于黄淮海平原中部，位于东经 114°50′22.3″～115°13′27.4″、北纬36°35′43″～36°57′，海拔40～45 m。全县土地面积667 km2，属温带半湿润大陆性季风气候区，冬春季寒冷干燥，夏季温热多雨。该地区雨热同季,干湿交替明显，热量条件能满足一年两熟种植，属雨养与灌溉相结合的农业生产区，冬小麦-夏玉米轮作为该地区主要的种植模式。

1.2 数据来源

中国农业大学曲周实验站位于曲周县东北部第四疃镇，本研究所调查的田块位于曲周实验站东南侧的付庄村、东侧的王庄村、东北侧小李庄村。对三个村庄123个农户田块进行田间实时跟踪和农户走访调查(付庄11个、王庄102个、小李庄11个)，调查内容包括小麦各环节管理措施、小麦产量、农户学历水平、小麦生育期内农户务工状况等指标(对农户的田间管理行为不予干涉)。2016年10月至2017年6月，通过田块实时跟踪获得耕作方式、品种、播期、播量、底肥配方及用量、灌水追肥时间、追肥配方及施用量数据。每个调查田块选择长势均匀的三个点(避开路边、树下、边行等)，小麦成熟后每个点用1 m2样框框取 1 m2进行收获，共3 m2。将3个点样品混合装入一个大网袋中，晾晒之后机器脱粒，用谷物水分测定仪测定含水量，测得实际产量。通过走访农户获得学历水平、小麦生育期内农户务工状况数据。

1.3 分析方法

1.3.1 Boundary line系统

本研究结合Boundary line系统对农户产量限制因素进行分析。该系统可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。同时其利用仿真模型将边界点拟合成边界线，预测某一因素独立变量控制下，可获得的最大单产[15-16]。为了更好地对农户产量差进行分析，提出以下概念(图1)：

(1)总产量差(total yield gap)：跟踪农户田块中的最高产量与农户实际产量之差，等于可解释产量差与不可解释产量差之和；

(2)可解释产量差(explainable yield gap)：跟踪农户田块中的最高产量与不同管理因素下农户田块的预测产量之差；

(3)不可解释产量差(unexplainable yield gap)：不同管理因素下农户田块的预测产量与农户实际产量之差；

每一个农户田块在某因素下的可解释产量差是由相对应的影响因素的不同所导致，不可解释产量差则是由未知不可解释的因素所导致。每一因素对产量差的贡献程度表示为可解释产量差占总产量差的比例，比例越大，其对产量差的贡献作用就越大。找出每个农户的最大可解释产量差所对应的因素，确定每个因素作为最大可解释产量差对应的农户数量，用所占总样本量的比例来表示，这个比例就是农户产量差限制因素的贡献率。

图1 边界线分析方法示意图

1.3.2 产量差影响因素划分

按照作物学范畴，本研究将耕作方式、品种、播期、播量划分为栽培管理措施，将灌水次数、灌水时间划分为灌溉管理措施，将肥料投入及不同占比划分为施肥管理措施，将学历及务工状况划分为社会因素。

1.4 数据分析

数据采用Excel、SPSS20.0软件进行处理，采用Origin2016进行作图。

2 结果与分析

2.1 冬小麦产量现状

将123个田块产量从小到大进行排列(按籽粒含水量13%计算产量)，其中前10%田块的产量较高，代表本地区小农户生产条件下的高产水平，产量均在9.40 t·hm-2以上，平均为9.56 t·hm-2。46.34%田块的产量分布范围为 8.80～9.40 t·hm-2，平均为9.17 t·hm-2，为普遍田块产量；后10%田块的产量相对较低，平均为 7.92 t·hm-2。前10%田块的产量与普遍田块的差距(G0)为0.39 t·hm-2，与平均田块的差距(G1)为0.61 t·hm-2，与后10%田块的差距(G2)为1.64 t·hm-2(图2A)。农户田块的产量范围为7.09～9.93 t·hm-2，田块间极差为 2.84 t·hm-2，产量范围在8.8～9.4 t·hm-2的田块数最多，达到57块(图2B)。

G0、G1和G2分别为普遍田块产量、平均田块产量和后10%田块产量与前10%田块产量的差值。

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.

图2 曲周县冬小麦跟踪田块不同产量差距和单产频数分布

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

2.2 农户管理措施对冬小麦产量差的影响

2.2.1 栽培管理措施对冬小麦产量的影响

深翻和旋耕是调查区域两种主要耕作方式(图3A)。两种耕作方式田块的平均产量分别为9.06和8.44 t·hm-2，深翻田块的产量极显著高于旋耕田块。当地在品种选择上相对统一，集中在济麦22、鲁原502两个品种上，其中济麦22、鲁原502、衡麦49表现较好(图3B)。

调查区域冬小麦的播种日期均在10月1日以后，田块间播期差异明显，从10月2日到10月18日，51.22%的田块集中在10月8日到10月11日。通过Boundary line模拟，随播种日期的推延，冬小麦产量呈现抛物线变化趋势。当播期为10月9日时，模拟产量达到最大值(图3C)。调查地区冬小麦的播量范围为142.5～300 kg·hm-2，田块间播量差异较大，78.05%田块的播量在150～200 kg·hm-2之间。Boundary line模拟发现，随播种量的增加，冬小麦产量呈先增后降趋势，播量为161 kg·hm-2时达到产量最大(图3D)。

箱体上字母不同表示差异显著(P<0.05)。**P<0.01。图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.

图3 栽培管理措施对冬小麦产量的影响

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

2.2.2 灌溉管理措施对冬小麦产量的影响

分析发现，灌溉越冬水(11月下旬)的田块产量显著高于没有灌溉越冬水的田块(图4A)，说明越冬水对小麦高产非常重要。春季灌水也是冬小麦高产管理中的重要环节。通过监测分析，春季第一次灌水时间(以下简称为春一水)与冬小麦产量有很好的相关性。对123个田块实时跟踪发现，有122个田块进行了春季灌溉，其中灌溉时间从2月2日到4月24日，田块间灌溉时间差异明显。通过Boundary line分析，随春一水灌溉时间的推后，冬小麦产量呈先增后降的抛物线变化趋势。通过产量模拟，灌水时间在4月2日时，产量最高(图4B)。

2.2.3 施肥管理措施对冬小麦产量的影响

肥料是小麦生产中投入最大的生产资料。小麦施氮量处于112.50～307.5 kg·hm-2范围，平均为243.60 kg·hm-2，78.9%田块的施氮量集中于211.50～270.75 kg·hm-2(图5)。Boundary line分析发现，随施氮量的增加，小麦产量呈先增后减的趋势，施氮量为273.75 kg·hm-2时产量最高。农户施磷量为108～345 kg·hm-2，平均为 156.62 kg·hm-2，87.8%田块的施磷量集中于112.5～178.5 kg·hm-2。农户施钾量为30～135 kg·hm-2，平均为78.49 kg·hm-2。

调查区域的农户习惯在来年春季对小麦追施一次氮肥。跟踪的123个农户田块中有119个田块进行过追施氮肥，4个田块未进行过追施氮肥。氮肥基施所占比例为39.47%～100%。Boundary line模拟显示，随着氮肥基施比的增加，冬小麦产量呈明显的先增后减的抛物线变化趋势。氮肥基施比在0.54时小麦产量达到最高(图5)。

*：P<0.05.

图5 施肥管理措施对冬小麦产量的影响

2.3 区域内造成冬小麦产量差的主导因素

通过分析，不同管理措施中限制小麦产量提高的影响因素大小依次为春季第一水时间>播量>播期>磷肥施用量>钾肥施用量>氮肥施用量>氮肥基施比，各管理因素对冬小麦产量差的贡献率依次为32.52%、30.08%、20.33%、8.13%、4.07%、3.25%、1.63%(图6)。

图6 各管理因素对冬小麦可解释产量差的贡献

2.4 农户农田管理状况和学历水平对冬小麦产量的影响

根据123个田块农事决策者的务工状况，将农户农田管理分为四种类型：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，农闲时在本县范围内做零工；C型，管理自家承包田，农闲时在第四疃镇工业园区工作；D型，管理自家承包田，农闲时到外地工作(下面简称ABCD型农户)。结果显示，B型农户产量水平最高，变异最小。D型农户产量水平最低，变异最大 (图7A)。

123个田块的农户学历均处在高中及以下水平(图7B)。学历水平在小学及以下的农户田块平均产量为8.59 t·hm-2，学历水平为初中的农户田块平均产量为9.00 t·hm-2，学历水平为高中的农户田块的平均产量为9.12 t·hm-2。随着学历的提高，农户管理田块的产量水平呈增高趋势，同时农户田块的变异减小。

A：只管理自家承包田，不做其他工作；B：管理自家承包田，农闲时在本县范围内做零工；C：管理自家承包田，农闲时在第四疃镇工业园区工作；D：管理自家承包田，农闲时到外地工作。

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.

图7 农户农田管理状况和学历水平对冬小麦产量的影响

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

3 讨 论

作物产量差研究是探知作物生产潜力和解析作物产量限制因素的重要方法，缩减产量差是提高区域粮食总产量的有效途径。本研究通过田块跟踪和农户走访对曲周地区农户田块间冬小麦产量及生产限制因子进行了定量化分析。结果显示，研究区域农户田块的产量范围为7.09～9.93 t·hm-2，田块间变异为2.84 t·hm-2，后10%田块产量与前10%田块产量的差距为1.64 t·hm-2，田块产量差异明显。田块平均产量为8.95 t·hm-2，产量水平比其他学者报道高出10%以上[2,17]，这与当地冬小麦高产技术应用率相对较高有很大关系。因为研究区域临近中国农业大学曲周实验站，科研人员在当地进行长期的高产高效田间试验，提出并推广了很多针对当地条件下的冬小麦高产技术措施。但是还是存在较大的产量差，这是农户管理粗放、技术应用不积极等因素造成的。

本研究中，深翻田块产量显著高于旋耕田块，这主要因为播前深翻有利于小麦根系下扎和养分的吸收[18-19]。本研究区域的品种选择较统一，以鲁原502和济麦22为主，与雷友等[20]报道的品种杂乱结果不同，其主要原因也与科研人员在当地试验推广这两个高产品种有关。播期播量与小麦籽粒产量密切相关[21]，适宜的播期可保证小麦生育期温度的积累，保证单株茎孽和单株成穗数[22]。同时播量过大影响单株分蘖数，降低千粒重；播量减少，千粒重增加，但基本苗和有效孽数减少[23]。本研究利用Boundary line模拟的结果表明，播期在10月9日时产量水平最高，推荐该地区播种日期应为10月7-10日。对播量的模拟分析发现，播量在161 kg·hm-2时，冬小麦产量最高，符合曹国鑫等[24]的150～200 kg·hm-2的高产推荐量。

研究区域属于雨养与灌溉相结合农区，及时合理的灌溉是小麦产量的保证。小麦灌溉越冬水可预防干冷冻害[25]，另外春季第一次灌水时间过早会增大小麦群体，不利于产量的形成[26]。实际操作中农民常将灌水和追肥同一时间进行，适当的推迟春季第一次水肥的供应有利于小麦根系的下扎和有效分蘖的形成。

对养分投入的分析结果显示，随着氮肥的投入增加，冬小麦模拟产量出现先增加后减少的趋势，在273.75 kg·hm-2时产量最高，这与王贺正等[27]的产量结果相吻合。这是因为一定氮素投入得增加，小麦的光合速率、蒸腾速率、碳氮代谢等均会增加，但投入过高时，会抑制以上功能[28]。同时过高的氮素投入会促进小麦营养生长而忽略籽粒生长，不利于有效分蘖的形成[39]。对磷钾投入的分析结果显示，磷钾的施用量对产量的影响较小，也均出现先增后减的趋势。该区域没有低磷投入田块，另外高磷条件下，营养物质向籽粒转移滞后，作物不能将养分充分的转移到穗部，形成经济产量[30]，出现以上随着磷养分投入的增加，产量下降的趋势。适量的钾肥可有效增加小麦产量，但过量施用会降低小麦的有效群体和分蘖成穗率[31]。分析显示氮肥基施比在 0.54时产量水平最高，与代新俊等[32]的基肥、拔节肥6∶4的观点一致。

造成该区域冬小麦产量差的主导因素依次为春季第一次灌水时间、播量、播期、磷肥、钾肥、氮肥、氮肥基施比。从边界线分析的7个管理措施中不难发现，灌水时间、播量、播期三个管理措施最为分散，农户的统一度较低，相对应的技术采纳率较低。该地区以后的农业技术服务中可加强春季第一次灌水时间、播量、播期的技术指导。

农村的社会人文因素对农业发展的影响越来越突出[33]，本研究发现农户的学历水平影响着农户管理决策，间接影响着作物产量水平。农户学历水平越高其对科学技术的接受度和采用度越高，产量水平越高。农户在小麦生育期里的务工状况也和产量水平有一定的关系，但与我们预期不同的是A型农户地块产量并不是最高的，而B型农户地块产量是最高的。这和农户投入田块管理的精力多少有关，A型农户多年纪偏大或家庭事务较多，其会出现两种情况：一是有充足的时间管理田块，但年龄偏大精力不足；二是家庭事务较多者没有足够的时间管理田块而投入田块管理的精力不足。B型农户为当前农村主要的务农人群，年龄集中在50～65岁范围，以管理自家田块为主同时精力相对旺盛，投入田块管理的时间和精力较多。C、D型农户相对较年轻，接受新事物能力强但投入农田管理精力不足。