陜西黃土臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地作物生產(chǎn)潛力分析及預(yù)測(cè)

馬彩虹

(陜西理工學(xué)院 秦巴地理研究所， 陜西 漢中 723000)

0 引 言

作物生產(chǎn)潛力是指在一定條件下能夠持續(xù)生產(chǎn)出滿足人類需要的生物產(chǎn)品的內(nèi)在能力，很大程度上受地形地貌、氣候、土壤等自然環(huán)境條件的影響，同時(shí)也受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等和土地資源開(kāi)發(fā)密切相關(guān)的社會(huì)因素的影響。作物生產(chǎn)潛力研究與土地、糧食、人口和發(fā)展相關(guān)聯(lián)，是當(dāng)代農(nóng)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和資源承載力研究的一個(gè)重要課題[1]。作物生產(chǎn)潛力的評(píng)估方法基本可分為三大類：趨勢(shì)外推法、經(jīng)驗(yàn)公式法以及潛力衰減法[2-3]。其中，潛力衰減法建立在生理生態(tài)學(xué)研究基礎(chǔ)上，被公認(rèn)為估算作物生產(chǎn)力的最基本方法而得到廣泛應(yīng)用[4-6]。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日漸成熟、數(shù)學(xué)模型的發(fā)展以及對(duì)作物產(chǎn)量形成機(jī)理認(rèn)識(shí)的加深，作物生產(chǎn)潛力研究也逐漸向科學(xué)化和精確化的方向推進(jìn)[7]。隨著空間插值技術(shù)的發(fā)展以及其和GIS結(jié)合技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使以象元為潛力單位計(jì)算農(nóng)用地作物生產(chǎn)潛力成為可能[8-9]。陜西黃土臺(tái)塬區(qū)是西北黃土臺(tái)塬區(qū)的主體[10]，主要分布在河谷盆地周邊以及黃土梁峁丘陵區(qū)之間，塬面平坦，是黃土高原重要的糧食生產(chǎn)區(qū)。該區(qū)域既承受本區(qū)內(nèi)人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)其高強(qiáng)度開(kāi)發(fā)的要求，又潛在承接生態(tài)脆弱區(qū)和河谷盆地經(jīng)濟(jì)高密區(qū)轉(zhuǎn)移而來(lái)的壓力，存在一定的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[11]。本文基于GIS和RS技術(shù)支持，從土地利用變化視角切入，探討陜西黃土臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地作物生產(chǎn)潛力變化，以期為該區(qū)域土地集約利用提供理論依據(jù)。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

陜西黃土臺(tái)塬位于34°08′～35°52′N(xiāo)、106°20′～110°36′E之間，呈帶狀展布于渭河谷地南北兩側(cè)，總面積1 263 773 hm2。按行政隸屬關(guān)系分為寶雞臺(tái)塬區(qū)、咸陽(yáng)臺(tái)塬區(qū)、西安臺(tái)塬區(qū)、銅川臺(tái)塬區(qū)和渭南臺(tái)塬區(qū)，包含鳳翔縣、岐山縣、扶風(fēng)縣、乾縣、禮泉縣、涇陽(yáng)縣、三原縣、富平縣、耀州區(qū)、蒲城縣、白水縣、澄城縣、合陽(yáng)縣、韓城市的部分區(qū)域。處于由東北季風(fēng)區(qū)向西北干旱半干旱氣候的過(guò)渡區(qū)，年降水量456.3～735.9 mm，主要集中于夏季。土壤以肥力較高的塿土分布最廣，其次是黃墡土，兩者占到研究區(qū)總面積的80.65%，水資源短缺。耕地是構(gòu)成研究區(qū)自然景觀的基質(zhì)；城鎮(zhèn)用地團(tuán)塊狀分布，農(nóng)村居民區(qū)點(diǎn)狀散布；林地和草地主要沿溝壑地帶展布，稀疏河流和水庫(kù)散布于基質(zhì)上[7]。社會(huì)經(jīng)濟(jì)方面，2010年總?cè)丝? 011.63萬(wàn)人，人口密度845.84人/km2，其中非農(nóng)人口250.87萬(wàn)人，占24.8%；GDP為1 827.11億元，其中，第一產(chǎn)業(yè)占12.52%，第二產(chǎn)業(yè)占50.46%，第三產(chǎn)業(yè)占37.01%。

1.2 作物生產(chǎn)潛力估算模型

光合生產(chǎn)潛力是指假定溫度、水分、土壤肥力、農(nóng)業(yè)技術(shù)措施均處于最適宜的狀態(tài)時(shí)，僅僅由太陽(yáng)輻射因子所決定的產(chǎn)量。根據(jù)李世奎(1984)的研究思路，光合生產(chǎn)潛力估算模型如下[12]：

(1)

式中：Y為光合生產(chǎn)潛力；ε為光合有效輻射，取值范圍為0.45～0.55；α為植物葉面反射率；β為漏射率；γ為光飽和限制率；ω為植物呼吸作用損耗率(約為30%)；ρ為植物非光合器官的無(wú)效吸收，約占光合有效輻射的10%；ψ為量子效率(約為22.4%)；h為單位干物質(zhì)發(fā)熱量(J/g)；∑Q為各月太陽(yáng)總輻射；CA為植物體的灰分含量(約為5%)；CM為植物體的含水率(約為14%)。

光溫生產(chǎn)潛力又稱熱量生產(chǎn)潛力，是指在水分、土壤肥力和農(nóng)業(yè)技術(shù)措施處于適宜狀態(tài)下，由太陽(yáng)輻射和溫度因子所決定的作物產(chǎn)量上限。計(jì)算公式為：

Yt=Y×f(t)。

(2)

①喜涼作物(小麥、馬鈴薯等)溫度訂正系數(shù)

(3)

②喜溫作物(水稻、谷子、玉米等)溫度訂正系數(shù)

(4)

式中Yt為光溫生產(chǎn)潛力，f(t)為溫度訂正系數(shù)，t為月平均氣溫(℃)。

氣候生產(chǎn)潛力又稱光溫水生產(chǎn)潛力，是指在作物的養(yǎng)分供應(yīng)處于最適宜狀態(tài)時(shí)，由太陽(yáng)輻射、溫度、水分等主要?dú)夂蛞厮鶝Q定的作物生產(chǎn)潛力。氣候生產(chǎn)潛力是在光溫生產(chǎn)潛力的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水分訂正得出，計(jì)算公式為：

Yw=Yt×f(w)，

(5)

(6)

E0=0.001 8×(t+25)2×(100-f)，

(7)

式中Yw為氣候生產(chǎn)潛力，f(w)為水分訂正系數(shù)，R為月降水量，E0為月蒸發(fā)量(mm)，t為月平均氣溫(℃)，f為月相對(duì)濕度(%)。

土壤生產(chǎn)潛力也稱為作物的自然生產(chǎn)潛力，即由光、溫、水和土壤肥力4個(gè)因子共同決定的作物產(chǎn)量潛力。計(jì)算公式為：

Ys=Yw×f(s)，

(8)

f(s)=U×O，

(9)

(10)

(11)

式中Ys為土壤生產(chǎn)潛力，f(s)為土壤肥力的訂正系數(shù)，U為土壤中氮磷鉀等養(yǎng)分含量訂正系數(shù)，O為土壤中有機(jī)質(zhì)訂正系數(shù)，N為土壤中的堿解氮含量(mg/kg)，P為土壤總的速效磷含量(mg/kg)，K為土壤中速效鉀含量(mg/kg)，M為土壤中有機(jī)質(zhì)含量(g/kg)。

1.3 氣候生產(chǎn)潛力目標(biāo)下作物增產(chǎn)潛力預(yù)測(cè)

理論增產(chǎn)潛力是理論單產(chǎn)與最高單產(chǎn)的差。計(jì)算公式為：

LTi=YFi-YPi，

(12)

式中LTi為i區(qū)域耕地理論增產(chǎn)潛力，YFi為i區(qū)域的理論單產(chǎn)，YPi為i區(qū)域的最高單產(chǎn)。以氣候生產(chǎn)潛力作為最大理論生產(chǎn)潛力，以2010年研究區(qū)耕地面積和現(xiàn)實(shí)人口承載力為基礎(chǔ)，計(jì)算臺(tái)塬區(qū)各區(qū)縣糧食單產(chǎn)、糧食總產(chǎn)潛力。

1.4 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文所需土地利用變化數(shù)據(jù)主要來(lái)源于Landsat陸地資源衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，并采用ERDAS 9.2軟件進(jìn)行遙感影像校正、投影轉(zhuǎn)換及解譯，得到研究區(qū)土地利用解譯圖。生產(chǎn)潛力計(jì)算數(shù)據(jù)及處理流程如下：先將陜西黃土臺(tái)塬區(qū)多個(gè)氣象站點(diǎn)各月的輻射、海平面平均氣溫、降水量、蒸發(fā)量近30年的均值進(jìn)行Kriging內(nèi)插，獲取各氣候因子1—12月30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)；然后利用30 m×30 m DEM對(duì)月平均氣溫作高程矯正，獲取實(shí)際地形氣溫分布圖。再依據(jù)溫度訂正系數(shù)模型、水分訂正系數(shù)模型、土壤肥力訂正系數(shù)模型獲取陜西黃土臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地生產(chǎn)潛力各月的溫度、水分及肥力訂正系數(shù)分布圖。最后依據(jù)光溫階乘模型得出研究區(qū)各月作物各類生產(chǎn)潛力。陜西黃土臺(tái)塬區(qū)內(nèi)的氣象站點(diǎn)分別是銅川站點(diǎn)(53947)、耀縣站點(diǎn)(57037)、鳳翔站點(diǎn)(57025)、寶雞站點(diǎn)(57016)、武功站點(diǎn)(57034)、西安站點(diǎn)(57036)、華縣站點(diǎn)(57046)。

2 結(jié)果分析

2.1 農(nóng)用地作物生產(chǎn)潛力空間分布特征

計(jì)算多年平均的作物生產(chǎn)潛力發(fā)現(xiàn)，黃土臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地的光合生產(chǎn)潛力密度空間變化區(qū)間為55.69～65.92 t/(hm2·a)，均值為61.47 t/(hm2·a)；光溫生產(chǎn)潛力密度空間變化區(qū)間為22.29～39.56 t/(hm2·a)，均值為32.21 t/(hm2·a)；氣候生產(chǎn)潛力密度空間變化區(qū)間為8.61～16.34 t/(hm2·a)，均值為11.98 t/(hm2·a)；土壤生產(chǎn)潛力密度空間變化區(qū)間為3.05～15.45 t/(hm2·a)，均值為5.26 t/(hm2·a)?？臻g分布情況為(圖1)，光合生產(chǎn)潛力總體趨勢(shì)為由東北向西南遞減；光溫生產(chǎn)潛力表現(xiàn)為寶雞臺(tái)塬區(qū)、咸陽(yáng)臺(tái)塬區(qū)北部、銅川臺(tái)塬區(qū)、西安臺(tái)塬區(qū)以及渭南臺(tái)塬區(qū)北部邊緣區(qū)較低，臺(tái)塬區(qū)中部的咸陽(yáng)臺(tái)塬區(qū)南部及東部、渭南臺(tái)塬區(qū)南部和東部較高；氣候生產(chǎn)潛力分布特點(diǎn)表現(xiàn)為西安臺(tái)塬區(qū)、渭南臺(tái)塬區(qū)南部、咸陽(yáng)臺(tái)塬區(qū)南部和寶雞臺(tái)塬區(qū)東部較高，其它區(qū)域較低；土壤生產(chǎn)潛力總體上黃土臺(tái)塬區(qū)南部較高，北部較低，河谷區(qū)的土壤生產(chǎn)潛力數(shù)值顯著高于其它地區(qū)，這與河谷地帶土壤質(zhì)量明顯優(yōu)與其它區(qū)域有關(guān)。

(a)光合生產(chǎn)潛力 (b)光溫生產(chǎn)潛力

(c)氣候生產(chǎn)潛力 (d)土壤生產(chǎn)潛力

2.2 土地利用變化對(duì)農(nóng)用地作物生產(chǎn)潛力的影響分析

1985—2010年，耕地、草地、林地、水域、未利用地均表現(xiàn)為減少，依次減少1 285.01、11 065.22、1 186.44、748.957 7、35.547 6 hm2，分別占1985年相應(yīng)地類面積的1.29%、7.18%、4.60%、11.64%、11.24%；建設(shè)用地增加，共增加了33 902.8 hm2，增加比例為1985年的47.11%。研究時(shí)段的土地利用變化導(dǎo)致研究時(shí)段內(nèi)陜西黃土臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地生產(chǎn)潛力均有不同程度的流失，光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力及土壤生產(chǎn)潛力損失量分別為16 670.19、8 579.06、3 185.58、1 147.98 t，各占其對(duì)應(yīng)級(jí)別潛力總量的2.37%、2.33%、2.33%、1.92%(表1)。

伴隨著土地利用的變化，農(nóng)用地作物生產(chǎn)潛力也發(fā)生相應(yīng)變化。研究時(shí)段中，耕地的作物生產(chǎn)潛力降低的絕對(duì)數(shù)量最大，如光合生產(chǎn)潛力由1985年的598 081.38 t減少為2010年的589 447.66 t，凈減少8 633.72 t，占減少總額度的51.79%，草地潛力降低程度居于第二，凈減少6 377 t，占38.25%，林地光合生產(chǎn)潛力凈減少1 659.42 t，占9.95%；其它各類潛力如光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力和土壤生產(chǎn)潛力的損失特征，均表現(xiàn)為耕地的相關(guān)潛力損失比最小，其次為草地和林地。由于耕地?cái)?shù)量大，其各類潛力損失的總額最大，對(duì)臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地作物生產(chǎn)潛力的損失程度貢獻(xiàn)最高。研究時(shí)段中光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力和土壤生產(chǎn)潛力的損失分別占黃土臺(tái)塬區(qū)生產(chǎn)潛力損失總額的51.79%、55.04%、51.73%、57.34%；草地的作物生產(chǎn)潛力的損失度居于第二，如草地光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力和土壤生產(chǎn)潛力的損失分別占黃土臺(tái)塬區(qū)生產(chǎn)潛力損失總額的38.25%、36.50%、40.89%、37.41%；林地的作物生產(chǎn)潛力損失對(duì)臺(tái)塬區(qū)生產(chǎn)潛力的影響最小，如林地光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力和土壤生產(chǎn)潛力的損失分別占黃土臺(tái)塬區(qū)生產(chǎn)潛力損失總額的9.95%、8.46%、7.38%、5.26%。因此，保護(hù)臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地潛力的重中之重仍然是對(duì)耕地的大力保護(hù)，其次是對(duì)草地的保護(hù)。

表1 1985—2010年陜西黃土臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地土地潛力變化 (單位：t)

對(duì)研究時(shí)段內(nèi)土地利用變化造成的農(nóng)用地生產(chǎn)潛力轉(zhuǎn)移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出表2。

表2 1985—2010年農(nóng)用地轉(zhuǎn)移方向與生產(chǎn)潛力變化表 (單位：t)

分析1985—2010年黃土臺(tái)塬區(qū)土地潛力流向，發(fā)現(xiàn)耕地、林地、草地作物生產(chǎn)潛力的轉(zhuǎn)出均大于轉(zhuǎn)入，表現(xiàn)為凈流出；惟獨(dú)建設(shè)用地表現(xiàn)為凈流入。農(nóng)用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地后，一般很難在較短時(shí)間內(nèi)重新轉(zhuǎn)為生產(chǎn)性用途。因此，農(nóng)用地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地等非農(nóng)業(yè)用地是土地利用轉(zhuǎn)移中最值得警惕的轉(zhuǎn)化方向。1985—2010年，由耕地、草地、林地等的轉(zhuǎn)出造成的光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力和土壤生產(chǎn)潛力損失值分別為30 719.01、16 297.96、6 096.15、2 549.35 t，其中，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐傻霓r(nóng)用地生產(chǎn)潛力損失約占50%，可見(jiàn)，建設(shè)用地的擴(kuò)張是陜西黃土高原臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地生產(chǎn)潛力損失的主要原因。

2.3 氣候生產(chǎn)潛力目標(biāo)下作物增產(chǎn)潛力預(yù)測(cè)

在氣候生產(chǎn)潛力為理論潛力水平下，陜西黃土臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地的作物生產(chǎn)潛力具有較大的提升區(qū)間(表3)。其中，渭濱區(qū)、金臺(tái)區(qū)、華縣、灞橋區(qū)、澄城縣、白水縣、蒲城縣、臨渭區(qū)提升值在8～10 t/hm2之間；韓城市、合陽(yáng)縣、王益區(qū)、禮泉縣、陳倉(cāng)區(qū)、大荔縣、耀州區(qū)、藍(lán)田縣、永壽縣、長(zhǎng)安區(qū)、興平市、乾縣提升區(qū)間在6～8 t/hm2之間；涇陽(yáng)縣、富平縣、臨潼區(qū)、鳳翔縣、周至縣、閻良區(qū)、秦都區(qū)、扶風(fēng)縣、渭城區(qū)、三原縣、武功縣、岐山縣提升區(qū)間在4～6 t/hm2之間。因此，黃土臺(tái)塬區(qū)的農(nóng)用地的氣候理論水平作物生產(chǎn)潛力提升區(qū)間仍然較大，集約利用的前景較為廣闊。

表3 陜西黃土臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地作物生產(chǎn)潛力提升區(qū)間預(yù)測(cè) (單位：t/hm2)

3 結(jié) 論

(1)陜西黃土臺(tái)塬區(qū)的農(nóng)用地作物生產(chǎn)潛力的空間差異較大。其中，光合生產(chǎn)潛力總體趨勢(shì)為由東北向西南遞減，光溫生產(chǎn)潛力表現(xiàn)為咸陽(yáng)臺(tái)塬區(qū)南部及東部、渭南臺(tái)塬區(qū)南部和東部高于其它地區(qū)，氣候生產(chǎn)潛力表現(xiàn)為西安臺(tái)塬區(qū)、渭南臺(tái)塬區(qū)南部、咸陽(yáng)臺(tái)塬區(qū)南部和寶雞臺(tái)塬區(qū)東部高于其它地區(qū)；土壤生產(chǎn)潛力總體上黃臺(tái)臺(tái)塬區(qū)南部較高，北部較低。

(2)1985—2010年，陜西黃土臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地作物生產(chǎn)潛力均有不同程度的流失，光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力及土壤生產(chǎn)潛力損失量分別為16 670.19、8 579.06、3 185.58、1 147.98 t，各占其對(duì)應(yīng)潛力類型總量的2.37%、2.33%、2.33%、1.92%。

(3)建設(shè)用地的擴(kuò)張對(duì)區(qū)域農(nóng)用地生產(chǎn)潛力有明顯的負(fù)面影響。1985—2010年中，農(nóng)用地作物生產(chǎn)潛力的變化結(jié)果為，由耕地、草地、林地等的轉(zhuǎn)出造成的光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力和土壤生產(chǎn)潛力損失值分別為30 719.01、16 297.96、6 096.15、2 549.35 t，其中，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張?jiān)斐傻霓r(nóng)用地生產(chǎn)潛力損失約占50%。

(4)陜西黃土臺(tái)塬區(qū)的農(nóng)用地的氣候理論水平增產(chǎn)潛力仍然較大，集約利用的前景較為廣闊。其中，有8個(gè)區(qū)縣的臺(tái)塬區(qū)的農(nóng)用地增產(chǎn)潛力在8～10 t/hm2之間，12個(gè)區(qū)縣的臺(tái)塬區(qū)農(nóng)用地作物增產(chǎn)潛力在4～6 t/hm2之間。

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