优化小规模农田的小麦产量：在不同资源条件下，宽条播种方式因作物密度而产生的收益

《Field Crops Research》：Optimizing wheat yields from smallholdings: Crop density-dependent benefits of wide strip sowing under varying resource availability

小麦宽行播种（WS）在黄土高原不同资源条件下的增产效应及机理分析，发现WS显著提高高密度种植（225-675株/m2）的产量（6.0%-8.2%），优化生殖生物质分配，并通过结构方程模型揭示密度、温度、降水和土壤有机质协同驱动增产效应，为资源约束下的小农推广提供理论依据。

　　在农业领域，尤其是小农户耕作模式下，提高作物产量一直是重要的研究课题。以中国黄土高原为例，由于自然条件的不确定性，如降水、温度和土壤肥力的波动，使得传统的小麦种植方式难以有效提升产量。近年来，一种被称为宽条播种（Wide Strip Sowing, WS）的种植方法被引入，其通过优化植物的空间分布，被认为能够改善作物竞争关系，从而提高产量。然而，WS在不同资源条件下的效果仍存在不确定性，尤其是在资源有限的环境中，其对产量的影响可能不如在资源丰富的地区显著。因此，了解WS在不同资源条件下对小麦产量的具体影响，对于指导小农户的种植实践具有重要意义。

### 研究背景与意义

全球范围内，小农户承担了大约三分之一的粮食生产任务。尤其在东亚和撒哈拉以南非洲地区，小农户在缓解贫困、饥饿和营养不良方面发挥着关键作用。然而，尽管农业技术不断进步，雨养农业地区的粮食安全问题依然严峻。由于小农户通常依赖自然条件进行农业生产，其产量往往受到降雨、温度和土壤肥力等自然因素的限制。随着气候变化和小农户对肥料等资源补充的依赖程度降低，粮食产量面临进一步下降的风险。因此，开发新的种植方式，以在不依赖额外资源的情况下提高产量，成为当务之急。

在这一背景下，播种方式的优化成为提升产量的关键手段之一。通过提高作物幼苗的均匀性，可以有效减少植物之间的竞争，从而提升整体产量。例如，在高密度种植条件下，幼苗的不均匀分布可能导致不必要的资源竞争，从而影响产量。而通过采用宽条播种方式，可以实现更均匀的植物分布，从而优化资源利用效率。近年来，研究者发现，宽条播种方式在华北平原等地已被成功应用，显著提高了小麦产量。然而，在黄土高原这样的雨养农业区，由于土地破碎和地形复杂，资源条件相对不稳定，宽条播种的效果尚不明确。

### 研究方法与实验设计

为了更系统地评估宽条播种对小麦产量的影响，本研究在黄土高原地区选取了多个实验地点，覆盖了不同的降水、温度和土壤肥力条件（尤其是土壤有机质含量）。实验采用了两种不同的播种方式：传统窄条播种（Conventional Sowing, CS）和宽条播种（Wide Strip Sowing, WS）。两种方式均采用20厘米的条间间距，但播种条的宽度分别为3–4厘米（CS）和8–10厘米（WS）。此外，实验设置了三种不同的种植密度：225、450和675株/平方米，以评估不同密度条件下宽条播种的效果。

通过比较不同播种方式和种植密度对小麦产量、地上生物量和收获指数的影响，研究者希望能够揭示宽条播种对产量提升的具体机制。同时，研究还关注了资源条件对这些机制的调节作用，例如在资源丰富的环境中，宽条播种是否能够带来更显著的产量提升，而在资源有限的环境中，其效果是否有所减弱。

### 实验结果与分析

实验结果显示，宽条播种在大多数环境中均能显著提高小麦产量，特别是在高密度种植条件下，其增产幅度达到6.0%–8.2%（P?
同时，实验还发现，宽条播种能够提高收获指数，而地上生物量并未显著变化，尤其是在产量超过4000千克/公顷的情况下。这说明，宽条播种可能通过优化生物量的分配，提高了资源向籽粒生产的转化效率。此外，宽条播种还减少了植物进入生殖生长所需的最低营养体生物量和植株高度，这有助于在资源有限的条件下，提高植物的生长效率和产量。

进一步的结构方程模型分析表明，种植密度、温度、降雨和土壤有机质含量均对宽条播种带来的产量提升有显著影响。这说明，宽条播种的增产效果不仅依赖于播种方式本身，还受到多种环境因素的共同作用。因此，宽条播种在资源丰富的环境中，尤其是在高密度种植条件下，能够更有效地提升产量。

### 讨论与启示

宽条播种对小麦产量的影响，主要体现在其优化了植物的空间分布，从而减少了植物之间的竞争。在高密度种植条件下，植物之间的竞争更为激烈，而宽条播种通过增加条间间距，能够缓解这种竞争，提高资源利用效率。此外，宽条播种还能够改善植物的生长结构，例如通过优化营养体与生殖体的分配，提高产量。

然而，在资源条件较差的环境中，宽条播种的效果可能不如在资源丰富的环境中显著。这可能是因为在资源有限的条件下，植物之间的竞争仍然存在，而宽条播种虽然能够缓解竞争，但其增产效果受到资源供给的限制。因此，宽条播种的实施需要根据具体的资源条件进行调整，以实现最佳的产量提升效果。

此外，宽条播种对植物的形态和生长特性也有影响。例如，植物的形态大小与资源条件密切相关，而宽条播种可能通过优化植物的形态，提高其对资源的利用效率。这种优化可能涉及到植物的形态学变化，例如植株高度、叶片面积和根系分布等。通过改善这些形态特征，宽条播种能够提高植物的生长效率，从而提升产量。

### 实际应用与推广前景

宽条播种作为一种优化种植方式，其在小农户中的应用前景广阔。尤其是在资源丰富的环境中，宽条播种能够显著提高产量，而其在资源有限的环境中可能效果有限。因此，宽条播种的实施需要结合具体的资源条件，以实现最佳的产量提升效果。

此外，宽条播种的推广还需要考虑技术可行性。目前，宽条播种技术已在一些地区得到应用，例如华北平原。然而，在黄土高原等资源条件较差的地区，其推广仍面临一定的挑战。因此，需要进一步研究宽条播种在不同资源条件下的适用性，并开发相应的技术支持和培训体系，以帮助小农户更好地实施宽条播种。

同时，宽条播种的推广还需要考虑经济因素。由于宽条播种可能需要更多的种子投入，因此其成本效益分析对于小农户的决策具有重要意义。此外，宽条播种的实施还需要考虑土地利用效率，以确保在有限的土地资源下，能够实现最佳的产量提升效果。

### 未来研究方向

尽管宽条播种在提高小麦产量方面表现出一定的优势，但仍有许多问题需要进一步研究。例如，宽条播种对不同小麦品种的影响可能不同，因此需要进一步研究其在不同品种中的适用性。此外，宽条播种对资源条件的响应机制仍需深入探讨，以明确其在不同环境下的增产潜力。

同时，宽条播种对植物形态和生长特性的影响也需要进一步研究。例如，宽条播种是否能够改善植物的形态，从而提高其对资源的利用效率。此外，宽条播种是否能够改变植物的生长策略，例如通过优化根系分布来提高水分利用效率。

未来的研究还需要关注宽条播种与其他农业技术的结合。例如，宽条播种是否能够与精准农业技术相结合，以进一步提高产量。此外，宽条播种是否能够与土壤改良技术相结合，以改善土壤条件，从而提高产量。

### 结论与建议

综上所述，宽条播种在提高小麦产量方面表现出一定的优势，尤其是在高密度种植条件下。然而，其效果受到资源条件的显著影响，因此在资源有限的环境中，宽条播种的增产效果可能有限。因此，宽条播种的实施需要根据具体的资源条件进行调整，以实现最佳的产量提升效果。

此外，宽条播种的推广还需要考虑技术可行性和经济因素。因此，建议在资源丰富的地区优先推广宽条播种，而在资源有限的地区，需要结合其他农业技术，以实现最佳的产量提升效果。同时，还需要进一步研究宽条播种对不同小麦品种的影响，以及其与其他农业技术的结合效果，以推动其在更广泛的农业环境中的应用。

### 作者贡献与致谢

本研究由多个作者共同完成，其中Yan-Lei Du提出了研究目标和假设，Jing-Wei Fan、Fu-Min Li和Yan-Lei Du负责实验设计。Jing-Wei Fan、Chu-Yi Sun、Shi-Cheng Li、Shuang-Yi Kang、Xiao-Yu Lv和Li Hou负责实验实施和数据收集。Jing-Wei Fan、Peiyin Jia、Chu-Yi Sun、Jairo A. Palta和Yan-Lei Du负责数据分析。所有作者均参与了结果的解释。Jing-Wei Fan、Peiyin Jia、Jairo A. Palta和Yan-Lei Du撰写了论文，其他作者也提供了贡献。Jing-Wei Fan和Peiyin Jia对本研究贡献相等，应视为共同第一作者。

本研究得到了多位教授和专家的帮助，包括Weiyun Yue、Fuwei Yang、Linxue Dang和Jing Li教授，以及Neil C. Turner教授的宝贵意见。研究还得到了多个基金的支持，包括甘肃省“陇原青年人才计划”、甘肃省杰出青年学者基金和甘肃省自然科学基金等。这些支持为本研究的顺利进行提供了重要保障。

### 研究意义与影响

本研究的成果对于指导小农户的种植实践具有重要意义。通过揭示宽条播种在不同资源条件下的增产潜力，可以为小农户提供更科学的种植决策依据。此外，宽条播种的推广还可以促进粮食安全和可持续发展，尤其是在雨养农业系统中。

随着全球气候变化和资源条件的不确定性增加，宽条播种作为一种优化种植方式，能够有效缓解作物竞争，提高产量。因此，宽条播种的推广对于提高全球粮食安全具有重要意义。同时，宽条播种的实施还可以促进农业技术的创新和推广，为小农户提供更多的技术选择。

总之，宽条播种在提高小麦产量方面具有显著潜力，但其效果受到资源条件的显著影响。因此，宽条播种的实施需要结合具体的资源条件，以实现最佳的产量提升效果。同时，还需要进一步研究宽条播种对不同小麦品种的影响，以及其与其他农业技术的结合效果，以推动其在更广泛的农业环境中的应用。