马铃薯轮作的生态和经济效益——案例分析

于台泽，贾良良，牛丽娟，王庆锁，李 颖，张 丹*

（1.大自然保护协会TNC，北京 100600；2.中国农业大学，北京 100083；3.河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北 石家庄050051；4.雪川农业发展股份有限公司，河北 张家口 076481；5.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

马铃薯是中国重要的粮食作物，近年播种面积和产量都迅速扩大，其中播种面积从2000 年的472.3 万hm2增加到2015 年的551.8 万hm2，产量从2000年的1 325.5万t增长至2015年的1 897.2万t[1]。2015年，为满足国家粮食安全的需求，农业部提出了“马铃薯主粮化战略”，进一步推动了马铃薯产业的快速发展，马铃薯在中国粮食中所占的地位不断攀升，规模化和集约化种植程度不断提高。近年来的研究发现，随着马铃薯集约化种植程度的不断提高，马铃薯连作导致的土传病害日趋严重，产量、品质下降问题十分突出[2]，严重制约了马铃薯产业的可持续健康发展。

轮作是指在同一田地上按一定顺序连续种植不同作物的方法，这与高度集约化的单一连作模式相反。国内外已有大量试验证明轮作对马铃薯生产有巨大生态和经济效益，是实现农业可持续发展的必由之路[3]。本研究总结马铃薯轮作的相关文献并结合实地案例，对马铃薯的轮作效益进行分析，以期对未来马铃薯产业的健康发展提供帮助。

1 材料与方法

1.1 马铃薯轮作及连作成本-效益数据库的构建

为便于量化马铃薯轮作的生态效益和经济效益，本研究收集国内外文献，运用成本-效益分析（Cost-benefit analysis，CBA）的方法，从不同效益角度建立马铃薯轮作效益参数库，以此量化马铃薯轮作种植的生态效益和经济效益，并将生态效益和经济效益指标进行了货币化以便更加综合、直观地分析问题。搜集到的文献资料主要来自CNKI 中文文献数据库，Web of science 数据库及Google scholar数据库，文献数据分布如图1所示，其中图1A 为文献试验地点分布，图1B 为文献中与马铃薯轮作作物种类分布。本研究共选取13 项指标，其中经济效益指标6 项，包括病虫害发生率、水分利用率、平均年需氮量、平均年需磷量、平均年需钾量以及产量；生态效益指标7项，包括碳足迹、土壤有机质、土壤总氮、土壤微生物碳与氮、土壤细菌与真菌比值（细菌/真菌）及土壤酶活性。在对搜集到的文献资料分析整理的基础上进行了数据提取，组成了马铃薯轮作及连作成本-效益数据库。把文献收集所得出的马铃薯经济及生态效益参数，运用至实地案例分析当中，并通过比较不同轮作组合的成本收益，得出对不同轮作组合在案例地区的效益。

1.2 马铃薯轮作及连作成本-效益分析

在马铃薯轮作及连作的成本-效益分析方法中，经济效益包括因病虫害发生率减小所导致的农药效益、因水分利用提高所导致的灌溉效益、因需肥量减少所导致的施肥效益以及因产量提高所产生的产值效益；生态效益主要包括碳足迹减少所产生的温室气体减排效益，其中碳足迹是指粮食生产的净碳排放，即碳排放与碳固定量的差值[4,5]。通过检索国内外田间试验条件下马铃薯轮作（大豆、小麦、燕麦等）与连作试验的相关文献[6-30]，统计了两种种植模式下不同效益的平均值、最小值和最大值（表1），其中水分利用率计算方式为作物产量除以耗水量，碳足迹的计算公式为单位产量碳足迹乘以每公顷的产量。

马铃薯轮作的总效益货币值的计算方法为：首先根据所收集数据，计算两种种植模式下各效益指标的变幅，得到轮作后不同效益的增长百分比。根据所得增长百分比或直接文献检索[31,32]到的效益增幅，将其与《全国农产品成本收益资料汇编2019》[33]中河北省马铃薯相关数据结合计算，并将各项效益指标进行货币化转换后加和，得出马铃薯轮作的总效益货币值。农药效益即农药需求减少百分比与农药费的乘积；灌溉效益即水分利用率提高百分比与灌溉费的乘积；施肥效益数据来源于文献检索[32]；产值效益即产量增加百分比与马铃薯产值的乘积；温室气体减排效益为碳足迹减少量与二氧化碳成交价格的乘积。

将上述计算所得的各项指标以雷达图进行展示，将指标进行分类：病虫害发生率、水分利用率、平均年需氮量、平均年需磷量、平均年需钾量以及产量为经济效益指标，碳足迹、土壤有机质、土壤总氮、土壤微生物碳与氮及土壤细菌/真菌为生态效益指标。但由于各指标间量纲不同，需要对各原始数值进行一致化处理，其中病虫害发生率、碳足迹、平均年需氮量、平均年需钾量以及平均年需磷量为逆向指标，这些指标的数据越大则代表相关优势越低，因此需将逆向指标进行倒数一致化：

式中，xij为第i 个被评价对象在第j 个指标上的一致化数值，mij为第i 个被评价对象在第j 个指标上的原始数据。为了将所有数值控制在区间[0，1]，需将数据根据公式进行归一化处理[34]：

表1 马铃薯轮作及连作经济效益和生态效益参数Table 1 Parameters of economic and ecological benefits of potato rotation and continuous cropping

式中，yij为第i 个被评价对象在第j 个指标上归一化后的数值，xij为一致化后数据。

1.3 河北省张家口察北管理区马铃薯轮作案例分析

1.3.1 马铃薯轮作案例分析情况

2018 年开始，在位于河北省张家口市察北管理区的雪川农业集团试验田内建立了马铃薯轮作示范基地，将轮作作物（燕麦、小麦、大豆等）纳入马铃薯的生产过程中，并对不同轮作组合进行对比，以定量化的科学数据分析农户轮作的可行性，多维度分析作物经济和生态效益的变化。

察北管理区位于河北省张北县，地处河北省西北部坝上地区，因海拔和纬度高，气候冷凉，无霜期短，空气干燥，日照充足，昼夜温差大，病虫害发生少，非常适合马铃薯生长，且马铃薯退化慢，有利于种薯繁育，是全国优质马铃薯种薯和商品薯生产基地。试验田所在位置经纬度为N 45°51′，E 115°99′，面积3.47 hm2。

轮作模式试验从2018 年开始，设6 种马铃薯种植方案，分别为两年轮作：马铃薯-春小麦（PWPW）、马铃薯-燕麦（POPO）、马铃薯-大豆（PSPS）；三年轮作：马铃薯-春小麦-燕麦（PWOP）、马铃薯-燕麦-大豆（POSP）；以及马铃薯连作。另外，利用试验数据，将一种特殊的两年轮作模式纳入分析，因为黑麦能够在冬季种植，因此能够进行马铃薯-单播冬性黑麦+ 复播短生育期燕麦（PROPRO）轮作模式，即在同年9 月至次年5 月种植黑麦，次年6～10 月种植燕麦。总计7种马铃薯种植方案，具体措施见表2和表3。

试验田距离雪川厂区2 km，在2018 年之前已连续种植马铃薯3 年，其中每个轮作组合占地0.67 hm2，马铃薯连作占地0.13 hm2，地块分布为两年轮作与三年轮作交替排列。马铃薯品种为‘中薯4号’，试验过程中使用喷灌的方式进行灌溉，马铃薯以525 kg/hm2复合肥（N∶P2O5∶K2O = 12∶19∶16）为底肥，用195 kg/hm2尿素（N，46%）与75 kg/hm2硝酸钾（N∶P2O5∶K2O=13∶0∶46）进行追肥，其余轮作作物以磷酸二铵（N∶P2O5∶K2O=18∶46∶0）为底肥，以尿素进行追肥。

表2 不同马铃薯轮作模式试验处理Table 2 Experimental treatments of different potato rotation patterns

表3 试验田轮作种植方案Table 3 Rotation planting plan of experimental field

1.3.2 成本收益数据来源

马铃薯连作相关成本收益及生态效益数据来自《全国农产品成本收益资料汇编2019》[33]以及《2019 年张北县马铃薯轮作项目作物产量效益及品质总结》。马铃薯轮作后相关成本收益及生态效益数据根据上文所计算的效益参数进行计算（包括产量的提升比率以及因农药、灌溉和化肥减少所产生的成本降低），轮作马铃薯产值即连作马铃薯产值与产量提升比例的乘积，轮作马铃薯的直接成本即连作马铃薯成本减去参数中因农药、灌溉和化肥减少取得的效益值；春小麦、大豆的成本收益数据来自《全国农产品成本收益资料汇编2019》[33]中河北省数据；其余燕麦、黑麦成本收益以及作物碳足迹数据均来源于文献检索[23,35,36]，每公顷碳足迹二氧化碳当量即每千克碳足迹二氧化碳当量与每公顷作物产量的乘积，构建不同种类作物每年的成本收益以及生态效益（表4）。在成本收益中，净利润即产值减去总成本，其中总成本为生产成本（包括物质与服务费用与人工成本）与土地成本之和；在生态效益当中，碳足迹成本为二氧化碳当量与二氧化碳交易价格的乘积；生态效益折现为马铃薯连作碳足迹成本与马铃薯轮作碳足迹成本的差值。最后，通过叠加的方法计算不同种植模式的成本收益以及生态效益，建立表格并进行比较。表格中，直接费用包括种子费、化肥费、农家肥费、农药费、农膜费、租赁作业费、燃料动力费、技术服务费、工具材料费、修理维护费和其他直接费用；间接费用包括固定资产折旧、保险费、管理费、财务费以及销售费；土地成本为当地流转地租金，合计效益为净利润与生态效益折现的总和。

1.4 数据处理

所有数据导入Microsoft Excel 2016 进行计算、制图。

2 结果与分析

2.1 马铃薯轮作及连作经济效益和生态效益

马铃薯轮作经济效益和生态效益增幅见表5。马铃薯轮作与连作相比，经济效益与生态效益均有不同程度的提高。在经济效益方面，马铃薯病虫害发生率如黑痣病、黄萎病等显著降低，能够有效降低农药的使用，节省119 元/hm2的农药成本；通过轮作，马铃薯的水分利用率也会提高24.60%，从而节省58 元/hm2的灌溉成本；需肥量的减少能够有效降低化肥的施用量，从而节约4 500 元/hm2的化肥成本；通过轮作，马铃薯的产量也能够提升31.86%，从而增加5 921 元/hm2的收入。在生态效益方面，轮作同样会带来效益，如土壤碳、氮，土壤微生物碳、氮以及土壤酶活性，马铃薯轮作与连作相比均有提高，这意味着土壤肥力的有效提高。另外轮作体系的碳足迹远低于连作，根据欧洲能源交易所碳交易价格折合成碳交易成本，能够提供1 973 元/hm2的效益。总的来说，经过将不同的经济效益和生态效益货币化加和后发现，轮作与单做相比可多获得12 571元/hm2的经济和生态效益（其中生态效益仅包含碳减排效益）。

表4 不同作物经济效益指标原始数据Table 4 Raw data of economic benefit indicators for different crops

2.2 马铃薯轮作及连作经济效益和生态效益综合评价

根据以上对关于马铃薯轮作文献的检索以及数据的归一化处理，得出马铃薯轮作与连作的经济效益和生态效益的雷达图（图2）。

在经济效益方面，马铃薯轮作与连作相比，病虫害发生率降低的幅度最大（图2A）。在生态效益方面微生物碳、氮，土壤细菌/真菌以及GHGs减排量均明显上升，土壤酶活性的上升不是十分明显（图2B）。

表5 马铃薯轮作经济效益和生态效益增幅参数Table 5 Summary of increase in economic and ecological benefits of potato rotation

2.3 案例描述

对7 种种植模式进行成本收益分析，不同作物经济效益指标原始数据见表4，种植模式经济效益和生态效益比较结果见表6。

表6 马铃薯不同种植模式经济效益和生态效益比较（每4年）Table 6 Comparison of economic and ecological benefits of different potato planting methods (every four years)

利用上文所得参数进行计算发现，轮作马铃薯的产量比连作提升31.86%，且直接成本如农药费、灌溉费以及化肥费用等减少4 677 元/hm2。从表6 中可以看出，轮作与连作相比，平均每年可获得3 124（1 629～6 154）元/hm2的经济和生态（仅包含碳足迹）效益。马铃薯连作模式综合效益比轮作模式低38.33%，并且其无论从经济效益来看还是从生态效益来看都不具备优势，其年净利润5 025元/hm2，远低于马铃薯轮作平均8 149元/hm2，仅为其61.66%，并且其年碳足迹成本高昂，为5 721 元/hm2，比马铃薯轮作（平均4 482 元/hm2）高27.64%。

将不同的轮作模式进行比较，其中，同为一年一作模式的三年轮作与两年轮作相比，其无论是在经济效益还是生态效益方面都比两年轮作高。但是若在两年轮作模式中加入PROPRO 这种两年三季的轮作模式，发现两年轮作的年净利润平均为7 583 元/hm2，三年轮作年净利润平均为5 565 元/hm2，两年轮作年净利润比三年轮作高36.26%。两年轮作年碳足迹成本为4 891 元/hm2，而三年轮作年碳足迹成本为3 670 元/hm2，三年轮作碳足迹成本比两年轮作低24.96%。这是因为虽然两年轮作模式下两年三作比一年一作的经济效率提高了158.88%，但是因为复种指数的增加，作物年单位面积的碳排放有所增加（134.84%），不过，正因为复种指数增加带来了作物年单产增加，单位产量的碳排放降低了24.91%。

3 讨 论

虽然关于马铃薯相关轮作效益的研究很多，但是大多数的研究仅局限于土壤及作物本身，选取的评价指标往往仅局限于土壤理化性质、作物产量等[6-22,25-30]，主要体现在病虫害发生率降低，平均年需氮、钾、磷减少，产量上升、土壤全氮提高以及水分利用率提高等方面。如宋佳承等[37]在西北干旱地区的试验结论指出，通过与藜麦、玉米等作物轮作后，土壤pH 明显升高，土壤中有机质、碱解氮、有效磷等含量显著增加，且细菌与真菌数量比值、土壤酶活性显著提高，生态环境得到有效改善。胡新元等[38]在半干旱区的试验结果显示，轮作较连作处理显著增加了土壤有效磷和全氮的含量，并且全氮与马铃薯产量呈显著正相关。Wright 等[7]在新西兰奥克兰的试验中发现马铃薯与洋葱轮作的土壤有机质含量比连作提升12%，土壤氮含量提升11%。可见，马铃薯轮作在各个方面均优于马铃薯连作，经济效益明显。与此同时，轮作所带来的生态效益不可忽视，轮作虽然并没有使直接种植收益显著提升，但却能够通过改善土壤健康状况而减少水、肥等种植成本投入[32,39]，间接增加农民的净收益。从本研究的结果可以发现，与单作相比，马铃薯轮作的优势主要体现在碳足迹降低和土壤微生物丰度提升两方面，能为国家实现二氧化碳等温室气体的减排目标做出贡献[40]。综合比较，轮作与单作相比可多获得12 571 元/hm2的经济和生态效益。

在冀西北等干旱地区，马铃薯轮作能够很大程度上提升土壤有机质和氮的含量[37]。实地案例分析可以发现，当同时考虑生态与经济的综合效益时，在冀西北地区马铃薯连作不具备优势[41]，其综合效益比轮作低38.34%。将一年一作条件下不同的轮作模式进行比较，发现马铃薯三年轮作（一年一作）无论是在经济效益还是生态效益方面都比马铃薯两年轮作（一年一作）高。值得注意的是，在两年轮作模式中，马铃薯-黑麦草/燕麦（PROPRO）这种两年三季的轮作模式，由于能够充分利用冬季的种植时间，与同为两年轮作模式的一年一作相比，经济效益提高了158.88%。虽然作物单位面积的碳排放有所增加（134.84%），但是由于复种指数增加带来了作物年单产增加，单位产量的碳排放降低了24.91%。同时由于冬季土壤覆盖，减少了风蚀和水分无效蒸发，轮作系统的生态效益得以提升，因此这是一种兼顾经济与生态双赢值得推广的轮作模式。

虽然本研究通过现有文献的收集选取了多种经济和生态效益指标量化轮作效益，但是由于现有研究的限制，并没有把所有的指标计算在内，如减少土壤养分流失、土壤侵蚀、农田产流量等，增加上述指标的分析所得到的生态效益将会更大，如轮作不仅可以通过减少土壤养分的流失解决水体富营养化的问题[42]，也可以减少农田产流量和土壤侵蚀量，保持土壤的健康[43]，这些生态指标的改善往往会带来环境的改善，减少用于治理环境问题所产生的巨量成本[42]。但在现有的马铃薯轮作研究中，虽然有对这些指标的定性分析，但是很少有人关注这些指标的量化分析，及其变化产生的环境治理成本变化的关系[42]。因此在未来的相关研究中，研究人员应加强关注土壤侵蚀量、养分流失量、水体富营养化程度等生态效益指标变化的定量分析，从而量化因这些指标的改善带来的用于治理环境问题所产生的成本减少，从而更全面、准确地对马铃薯轮作效益进行评价。另外，无论是田间试验还是文献研究都发现，马铃薯两年三作等多熟的轮作方式可以在提升农民收益的同时减少土壤侵蚀、控制水土流失等从而提升生态效益[44,45]，但目前对于马铃薯多熟制轮作模式的探索研究非常少尤其是在北方地区，因此在今后的研究过程中，应加强马铃薯多熟制轮作的研究，从而探寻生态和经济综合效益更好的轮作方式，为马铃薯产业发展提供技术支撑。

综上所述，马铃薯轮作不仅可以帮助农民节约成本、提高经济效益，同时还能收益间接的因农田土壤健康提升、生态环境改善而节约的生产成本投入，并且为国家环境治理节约成本。助力实现马铃薯产业健康发展的同时，为中国农业的可持续发展贡献力量。