基于柵格的中國一季稻生產(chǎn)潛力研究

摘要 水稻在我國糧食安全和農業(yè)發(fā)展中地位重要，其中一季稻又是中國播種面積最大、分布最廣泛、產(chǎn)量最大的水稻類型，科學估算一季稻生產(chǎn)潛力，對于合理制定水稻發(fā)展戰(zhàn)略，挖掘水稻增產(chǎn)潛力，保證稻谷生產(chǎn)能力具有重要意義。該文利用國際上廣泛采用的農業(yè)生態(tài)區(qū)模型，在地理信息系統(tǒng)技術支持下，將土地利用數(shù)據(jù)、氣候觀測數(shù)據(jù)、作物屬性數(shù)據(jù)進行從微觀到宏觀的綜合集成，對我國一季稻光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、光溫水生產(chǎn)潛力以及包括土壤立地條件、質地、養(yǎng)分等在內的土地生產(chǎn)潛力及其空間分布進行1km×1km柵格尺度的估算和評價。研究結果表明，我國各農業(yè)生態(tài)區(qū)一季稻生產(chǎn)潛力存在明顯差異，各農業(yè)生態(tài)區(qū)生產(chǎn)潛力具有自身的特點和優(yōu)勢，這與目前我國一季稻生產(chǎn)與布局基本相符。在此基礎上提出了提高我國一季稻生產(chǎn)潛力，保障糧食安全的建議和措施，為中國農業(yè)生產(chǎn)和水稻發(fā)展戰(zhàn)略提供了基礎信息和科學依據(jù)。

關鍵詞 中國；一季稻；柵格；生產(chǎn)潛力

中圖分類號 F329.9 文獻標識碼 A 文章編號 1002-2104（2008）04-0099-05

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作為人口眾多的發(fā)展中國家，我國的糧食安全問題對世界糧食安全有重要影響，我國政府一直致力于提高糧食的供應水平，以不斷增強自身的糧食安全程度［1］。改革開放以來，我國的糧食產(chǎn)量先后登上3.5×108 t，4×108 t，4.5×108 t和5×108 t 四個 臺階，同時人均糧食占有量也大幅度提高，1996年達到414 kg/人，糧食生產(chǎn)呈現(xiàn)供大于求 的 局面。但是，自1998年糧食產(chǎn)量達到歷史最高水平后，糧食總產(chǎn)量連續(xù)下降，至2003年，糧 食總產(chǎn)降至4.3×108 t，人均糧食僅為334 kg，供需缺口加大［2］，中國的糧食 安 全問題再次成為政府和學界關注的熱點。水稻是中國主要糧食作物之一，在我國糧食生產(chǎn)中 占有極其重要的地位。1999－2001年全國稻谷平均播種面積為3 020×104 hm2，占糧食 總播種面積的27.65%；3年平均稻谷總產(chǎn)量為1.88×108 t，占糧食總產(chǎn)量的39.63%。由于 稻谷的生產(chǎn)和消費主要在亞洲，且以食用為主，國際市場上稻谷貿易量遠遠小于小麥和玉米 ［3］，依靠進口稻谷來滿足國內需求的可能性較小，水稻自足是我國糧食安全的基本要求。此外，水稻是我國加入WTO以后少數(shù)仍具有國際競爭力的農作物之一，它的出口對拓寬國際市場和增加農產(chǎn)品出口量作用巨大。因此，科學估算水稻生產(chǎn)潛力，挖掘增產(chǎn)潛力，保證稻谷生產(chǎn)，成為政府和學界關注的問題。

我國水稻種植制度類型很多，按作物的熟制來劃分，以一季稻、雙季稻為主。其 中雙季稻分布受熱量條件的制約，主要分布在長江流域以南的地區(qū)。就播種面積而言，一季稻為中國播種面積最大的類型，其分布也最為廣泛。1999－2001年一季稻平均播種面積為1 54 7×1 04 hm2，占全部水稻播種面積的51.23%，其產(chǎn)量占全部稻谷產(chǎn)量的56.68%。由此本 文對一季稻的生產(chǎn)潛力予以計算和分析。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

土地生產(chǎn)潛力是指理想生產(chǎn)條件下農作物所能達到的最高理論產(chǎn)量，生產(chǎn)潛力研究過程不僅能揭示作物生育規(guī)律、產(chǎn)量形成與環(huán)境條件的關系，而且可以查明作物對氣候、土壤等資源的利用程度以及產(chǎn)量形成的限制因子，展示區(qū)域糧食生產(chǎn)發(fā)展的可能前景，進而為制定區(qū)域農業(yè)資源合理開發(fā)利用規(guī)劃及調整人口、資源、環(huán)境協(xié)調發(fā)展戰(zhàn)略提供科學依據(jù)。自上世紀60年代以來，世界各國的有關學者從不同學科角度對土地生產(chǎn)潛力進行了大量深入細致的研究，取得了豐碩的成果［4～6］。

農業(yè)生態(tài)區(qū)(Agroecological Zone， AEZ)模型是目前世界上應用范圍最廣的一個農業(yè)生產(chǎn)潛力評估模型，屬機制法范疇。在我國，約有35%的農業(yè)潛力評估項目采用了這一模型［7］。

本研究利用月均氣象觀測數(shù)據(jù)、農業(yè)氣象觀測數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、農業(yè)詳查及統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采用AEZ模型，以1 km×1 km柵格為基本計算單元，逐級計算了中國一季稻的光合 、氣候、水資源和土地資源生產(chǎn)潛力。研究所用數(shù)據(jù)來源于國家氣象局數(shù)據(jù)中心，經(jīng)由IDW及GIDW等方法插值后生成1 km×1 km柵格數(shù)據(jù)［8］

付修勇等：基于柵格的中國一季稻生產(chǎn)潛力研究中國人口#8226;資源與環(huán)境 2008年 第4期1.1 光合生產(chǎn)潛力

光合生產(chǎn)潛力是指除太陽能以外的其他生態(tài)條件(溫、水、土)和生產(chǎn)條件(肥、灌、技)均適宜時，理想作物群體在當?shù)毓庹諚l件下單位面積上所形成的最高產(chǎn)量。光合生產(chǎn)潛力被認為是糧食產(chǎn)量的理論上限，是糧食生產(chǎn)潛力的最高層次。研究中利用De Wit 方法(1965)計算各個地區(qū)的光合生產(chǎn)潛力日值。這種方法是以標準條件下有效短波入射輻射的強度為基礎的，其計算公式為：

Y0=F#8226;yo+(1-F)yc（1）

式中，Y0:某種標準作物的干物質總產(chǎn)量，kg/hm2/day；F: 一天中陰天所占部分，F(xiàn)=(Rse-0.5Rs)/0.8Rse，其中Rse為晴天最大有效輻射量，cal/cm2/日，Rs為實際測量的短波入射輻射量，cal/cm2/日，可以根據(jù)公式Rs=(0.25+0.50 n/N)Ra得出 ，式中Ra是地外輻射量，用cal/h表示，N是最大日照時數(shù)（h）， n是實際測量的日照持續(xù)時間（h），yo：一定地區(qū)某種標準作物在一全陰天里 的干物質生產(chǎn)率，kg/hm2/d；yc:一定地區(qū)某種標準作物在一全晴 天(無云)里的干物質生產(chǎn)率，kg/hm2/d。

對各項指標進行空間化后代入上式，利用GIS技術，研究計算一季稻的1 km×1 km的光合生產(chǎn)潛力日值。在此基礎上，將作物生育期內的光合生產(chǎn)潛力日值進行累計，計算中國一季稻的光合生產(chǎn)潛力。

1.2 氣候生產(chǎn)潛力

氣候生產(chǎn)潛力是指在保證土壤肥力等相關要素最適宜的狀態(tài)下，由氣候條件決定的潛在產(chǎn)量。影響作物生長的氣候條件主要包含溫度和降水兩大因素，其中，由溫度條件決定的潛力通常稱作光溫生產(chǎn)潛力，被認為是灌溉農業(yè)糧食產(chǎn)量的上限；在光溫生產(chǎn)潛力的基礎上，考慮自然降水對作物產(chǎn)量的衰減作用而得到的潛力通常稱作光溫水生產(chǎn)潛力，被認為是旱地農業(yè)糧食產(chǎn)量的上限。研究中光溫生產(chǎn)潛力與光溫水生產(chǎn)潛力的計算分述如下。

1.2.1 光溫生產(chǎn)潛力

[WTBX]對于光溫生產(chǎn)潛力的計算，研究采用聯(lián)合國糧農組織推薦的下式進行：

當ym≥20 [WTBZ]kg/hm2/h 時，

[WTBX]YT=cL#8226;cN#8226;cH#8226;G#8226;［F(0.8+0.01ym)yo+(1-F)(0.5+0.025y m)yc］[JY，2](2)

當ym<[WTBZ]20 kg/hm2/h 時，

[WTBX]YT=cL#8226;cN#8226;cH#8226;G#8226;［F(0.5+0.025ym)yo+(1-F)(0.025 ym)yc］[JY，2](3)

式中，YT為某種作物的光溫生產(chǎn)潛力；cL是作物生長和葉面校正系數(shù)；cN為干物質生產(chǎn)校 正系數(shù)，涼氣候條件下為0.6，暖氣候條件下為0.5；cH是作物收獲指數(shù)校正數(shù)；G是作物的 全生育期天數(shù)；F為白天中的陰天部分；ym表示在一定氣候下某種作物的葉片最大干物質 總生產(chǎn)率（[WTBZ]kg/hm2/d）；[WTBX]yo為在一定地方某種標準作物在一全陰天中的干 物質總產(chǎn)量（[WTBZ]kg/hm2/d）；[WTBX]yc是在一定地方某種標準作物在一全晴天(無云)中的干物質總生產(chǎn)率（[WTBZ]kg/hm2/d）。

1.2.2 光溫水（降水）生產(chǎn)潛力

光溫水生產(chǎn)潛力是光溫生產(chǎn)潛力受自然降水條件限制而衰減后的作物生產(chǎn)潛力，也就是當土壤肥力和農業(yè)技術措施等參量處于最適宜的條件下，由輻射、溫度和降水等氣候因素所確定的作物產(chǎn)量。研究中采用下式對光溫水生產(chǎn)潛力進行計算：

Yp=YT#8226;f(p)[JY，2](4)

式中：Yp是某種作物的光溫水生產(chǎn)潛力，[WTBZ]kg/hm2；[WTBX]YT為某種作物的光溫生產(chǎn)潛力，[WTBZ]kg/hm2；[WTBX]f(p)為降水訂正系數(shù)。

由上述光溫水生產(chǎn)潛力的計算公式不難發(fā)現(xiàn)，正確認識作物生產(chǎn)力與水分的關系，確定水分有效系數(shù)是估算水分生產(chǎn)潛力的關鍵。大量研究表明，作物在產(chǎn)量形成過程中，每生成1 kg干物質都需要一定的水分，作物水分虧缺量的大小對產(chǎn)量高低具有直 接影響。研究中采用水分虧缺率與產(chǎn)量反應系數(shù)來確定水分有效系數(shù)，具體算法如下：

f(p)=1-Ky#8226;Wd[JY，2](5)

式中：f(p)為降水訂正系數(shù)；Ky為產(chǎn)量反應經(jīng)驗系數(shù)；Wd為水分虧缺率。對于水分虧缺率，本研究采用下述農田水分平衡模型計算得到：

在獲取各項土壤要素的柵格化數(shù)據(jù)基礎上，本研究采用層次分析法，構造判斷矩陣，確定了7個土壤因子的權重。根據(jù)各因子的權重對農作物生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的促進與制約作用，按其數(shù)值劃分成一定數(shù)量的等級，并分別賦予不同的分數(shù)，從而獲得了土壤有效因子分級評分體系。研究中，采用上述三步驟，計算了全國土壤因子的權重系數(shù)及其分級評分體系。在此基礎上，計算了一季稻土地生產(chǎn)潛力。

2 研究結果分析

2.1 光合生產(chǎn)潛力

就光合潛力而言，全國的最高值達到了50.82 t/hm2，最低值僅為27.60 t/hm2，全國平均值為33.74 t/hm2。從空間分布規(guī)律上，高值區(qū)主要是位于中高緯度的東北平原、華北平原北部、天山南北盆地、河套以及銀川平原等地(見表1)。上述較高緯度地區(qū)在水稻生長季 節(jié)里，光照時間、光照強度相對其它地區(qū)具有明顯優(yōu)勢，一季稻生育時段較長，環(huán)境脅迫因子較少。其它一季稻主產(chǎn)區(qū)光合潛力較小，如長江以南地區(qū)廣大，雖然地處我國水稻的主產(chǎn)區(qū)，但由于陰雨天氣和霧日較多，一季稻光合潛力較全國高值區(qū)小了近一倍。

2.2 光溫生產(chǎn)潛力

光溫生產(chǎn)潛力是在光合生產(chǎn)潛力的基礎上，考慮溫度條件對作物生長發(fā)育的限制的作物潛力。從一季稻光溫生產(chǎn)潛力分布情況看，中國地域遼闊，南北跨度較大，溫度對水稻生長發(fā)育的限制作用差異顯著。華南、江南及長江中下游等地區(qū)，平均溫度有效系數(shù)均在0.36以上，為全國溫度條件較好的區(qū)域。青藏高原、東北山地以及橫斷山區(qū)，溫度對水稻生長的限制作用較為突出，大部分地區(qū)溫度有效系數(shù)在0.30以下，由此導致這些區(qū)域光溫生產(chǎn)潛力較光合潛力顯著降低。就各生態(tài)區(qū)而言，青藏高原地區(qū)一季稻平均光溫生產(chǎn)潛力僅為7.78 t/hm2，為全國最低；西北地區(qū)光溫潛力平均值達到14.79 t/hm2，為全國最高。全國平均光溫潛力值為12.01 t/hm2(見表1)。

2.3 光溫水生產(chǎn)潛力

光溫水生產(chǎn)潛力是在光溫生產(chǎn)潛力的基礎上，考慮自然降水對作物產(chǎn)量形成的影響而計算得到的作物潛力。由于中國降水的空間分布規(guī)律具有從東南向西北逐漸遞減的趨勢，由此導致降水有效系數(shù)呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律。華南、江南、長江中下游及云貴高原的大部分地區(qū)，水分有效系數(shù)均趨近等于1，即降水對一季稻的生產(chǎn)基本未形成限制作用。這些地區(qū)一季稻的平均光溫水生產(chǎn)潛力均在11 t/hm2，其中，長江中下游地區(qū)達到12.3 t/hm2，為全國一季稻降水生產(chǎn)潛力最高的區(qū)域。西北地區(qū)為我國降水量最少的區(qū)域，大部分地區(qū)多年平均降雨量在200 mm以下，平均降水訂正系數(shù)在0.1以下，水分成為這一地區(qū)一季稻生長的最主要的限制因子，全區(qū)一季稻平均降水生產(chǎn)潛力僅為1.28 t/hm2，為全國最低(見表1)。此外 ，內蒙古及長

2.4 土地生產(chǎn)潛力

土地生產(chǎn)潛力是在降水生產(chǎn)潛力的基礎上，考慮土壤的立地條件、質地、養(yǎng)分等因子對作物生長的限制作用計算得到的。研究中，土壤有效系數(shù)的計算是以全國1∶100萬耕地分布圖為掩膜進行的。計算結果表明，全國土壤有效系數(shù)在0.64～0.89之間，區(qū)域之間差異較降水對生產(chǎn)潛力的衰減作用有所減弱。就各生態(tài)區(qū)而言，東北、長江中下游等地為一季稻土地生產(chǎn)潛力較高的區(qū)域；西北、內蒙及長城沿線地區(qū)、青藏高原區(qū)為一季稻生產(chǎn)潛力的較低的區(qū)域，其潛力值在4 t/hm2以下(見表1)。

3 結論與建議

3.1 結論

該項研究采用AEZ模型，在GIS支持下將土地利用數(shù)據(jù)、氣候觀測數(shù)據(jù)、作物屬性數(shù)據(jù)綜合集成，對一季稻不同層次的生產(chǎn)潛力及其空間分布進行1 km×1 km柵格尺度的估算和評價 。研究表明，我國一季稻不同生態(tài)區(qū)（AEZ）生產(chǎn)潛力存在明顯差異，這與各地氣候、土壤、地形等農業(yè)環(huán)境資源條件存在差異直接相關。

3.2 建議

為保障我國糧食安全，確保一季稻的生產(chǎn)與布局，針對各地區(qū)一季稻生產(chǎn)潛力的差異提出如下建議：

（1）因地制宜，合理利用光、熱、水、土資源。不同農業(yè)生態(tài)區(qū)環(huán)境資源條件存在差異，東北地區(qū)光、水、土條件良好，一季稻品質優(yōu)良，生產(chǎn)潛力大，但受低溫災害影響產(chǎn)量不穩(wěn)定，因此在生產(chǎn)與管理過程中要注意適時播種，加強田間管理，同時要加強適應當?shù)丨h(huán)境條件特別是能抵御低溫災害的良種培育。西北地區(qū)光照資源充沛，但水資源缺乏，墾區(qū)、綠洲與黃灌區(qū)水源很難保障，要使生長季內發(fā)揮最大生產(chǎn)潛力，必須使一季稻生長發(fā)育期與光、溫、水的變化同步，特別要使其生長旺盛期與降水和高山冰雪融水的高峰重疊，同時要注意發(fā)展節(jié)水種植。南方各地一季稻的產(chǎn)量大，但生長期普遍偏短，氣溫日較差較小，稻谷質量稍差，在保證一季稻產(chǎn)量的基礎上，應重點改良現(xiàn)有品種，培育新的優(yōu)質品種。

（2）加強氣候變化研究，采取有效應對措施。過去100年來，全球表面氣溫已經(jīng)升高了0.6±0.2 ℃，中國同期氣溫升高0.5 ℃～0.8 ℃。農業(yè)是對氣候變暖最為敏感和脆弱的部門 之一，水稻是我國第一大糧食作物， 一季稻又是中國水稻中播種面積最大、分布最廣、產(chǎn)量最大的類型，因此正確評估氣候變化對一季稻生產(chǎn)與布局的影響，在影響評估的基礎上探討切實可行的適應性措施，減輕氣候變化對我國一季稻的危害，這對保障我國糧食供給安全具有重要意義。具體而言應在一季稻生長期的調控、品種改良、抗逆性、抗病蟲害等方面進行深入研究，以適應不斷的氣候變化。

（3）發(fā)揮科技促進作用，提高生產(chǎn)綜合效益。在所有糧食生產(chǎn)中，水稻對技術的要求是最高的，受水資源的約束也是最明顯的。要擺脫水資源硬約束，就必須依靠科技進步，在改良品質、改革耕作制度上下功夫。今后，應加強常規(guī)稻品的提純復壯，推廣水稻旱育稀植、機械化插秧、免耕栽培技術，以及稻、鴨、魚共生的生態(tài)學技術，切實提高水稻特別是一季稻生產(chǎn)的綜合效益和農業(yè)科技的轉化效率。

（4）加強政策引導，穩(wěn)定播種面積。在市場經(jīng)濟條件下，比較經(jīng)濟利益是導致耕地資源流向非農利用或優(yōu)質糧田拋荒的最根本原因。農業(yè)生產(chǎn)成本上升較快，而糧食價格持續(xù)偏低，種糧收益明顯減少，耕地用途轉移或棄耕勢成必然。資料表明，近年來我國稻谷產(chǎn)量年年下降，水稻減產(chǎn)的原因主要是水稻播種面積的減少和單產(chǎn)的下降。雖然一季稻播種面積在緩慢增加，但仍沒有能夠阻止水稻總播種面積的下降。今后國家和地方政府要在農資、稻谷價格等方面給予正確引導，千方百計地穩(wěn)定現(xiàn)有的水稻種植面積，特別注意提高優(yōu)質一季稻種植面積。(編輯：李 琪)

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