基于Gs栅格尺度的 我国冬小麦生产潜力研究 张晶 (德州学院,山东德州253023 中囯科学院地理科学与资源研究所,北京100101) 摘要:小麦在我国粮食安全和农业发展中地位重要,冬小麦是我国播种面积最为广泛的小麦类型,产量占全国小麦产量的 90%以上,科学估算冬小麦生产潜力是合理制定小麦发展战略、挖掘小麦增产潜力、保证粮食生产能力的基础工作。本文 利用AEZ模型,在叫S支持下将土地利用数据、气候观测数据、作物属性数据综合集成,对冬小麦不同层次的生产潜力及其 空间分布进行1kmx1km栅格尺度的估算和评价,为我国农业生产和小麦发展战略提供基础信息和科学依据。 关键词:中国;冬小麦;栅格;生产潜力 GIS-Based Study on potential Production of winter-Wheat in China ZHANG Jing (Dezhou Universty, Dezhou Shandong 253023, China; Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China) Abstract: Wheat is important for food security and agriculture in China. Winter-wheat is the biggest type in plant area and output. Choosing Ikmx lkm grid as the calculating unit, by using monthly average climate attributes data, agricultural observa- tion data, digital elevation model data and agricultural statistical data, based on the aEz model recommended by FAO, this paper ameliorates the formula of potential water production capacity with the land water balance method and the formula of potential land production capacity with the land efficient index, establishes the agricultural climate-land potential productivity model and with which calculates the photosynthesis potential productivity, photosynthesis-temperature potential productivity, photosynthesis-temperature-water potential productivity and photosynthesis-temperature-water-land potential productivity of winter-wheat in China. Bring up basic information and science foundation for agricultural development in China Key words: China; winter-wheat; grid; potential production 粮食问题是关系国计民生的大334kg,供需缺口加大2,我国的粮食面积最为广泛的小麦类型,从长城以 事,粮食安全是国家安全的重要组成安全问题再次成为政府和学界关注的南到海南岛,以及新疆、青藏高原均 部分。作为人口众多的发展中国家,热点。在新形势下,为了保证节约有种植,占全国小麦产量的90%以上。 我国的粮食安全问题对世界粮食安全成本,同时为了更好地利用市场春季播种的春小麦,生育期较短,单 有重要影响,我国政府一直致力于提来配置资源,中央政府的粮食安产低且品质相对较差,适宜冬季气温 高粮食的供应水平,以不断增强自身全政策正在逐步做出相应调整,较低的地区生产,主要分布在东北 的粮食安全程度。改革开放以来,我口粮供求安全将成为国家粮食安全政和西北地区。据此,本文以冬小麦 国的粮食产量先后登上3.5×10、4×策的核心 为研究对象,计算分析我国冬小麦各 108t、4.5×10°t和5×10四个台阶 小麦是我国最为主要的三大粮食个层次生产潜力的状况及其空间分布 同时人均粮食占有量也大幅度提高,作物之一,在当前我国的口粮消费总特征 1996年达到414kg/人,粮食生产呈量中,小麦占到43%左右,小麦在粮食 现供大于求的局面。但自1998年粮安全中的地位极为重要。按照播种季1数据来源和研究方法 食产量达到历史最高水平后,粮食节不同,我国小麦可分为冬小麦和春 生产潜力是指理想生产条件下农 总产量连续下降,至2003年,粮食小麦两大种类。秋末冬初播种的冬小作物所能达到的最高理论产量,生产 总产降至4.3×10,人均粮食仅为麦,产量高且品质较好,是我国播种潜力研究过程不仅能揭示作物生育规 基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目(编号:KZCX3-sw-333) 作者简介:张品(1972-),女,博士,主要从事农业资源高效利用与区域可持续发展研究。 1994-2009chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/www.cnki.net
37 粮食问题是关系国计民生的大 事，粮食安全是国家安全的重要组成 部分。作为人口众多的发展中国家， 我国的粮食安全问题对世界粮食安全 有重要影响，我国政府一直致力于提 高粮食的供应水平，以不断增强自身 的粮食安全程度[1]。改革开放以来，我 国的粮食产量先后登上3.5×108 t、4× 108 t、4.5×108 t和5×108 t四个台阶， 同时人均粮食占有量也大幅度提高， 1996年达到414kg/人，粮食生产呈 现供大于求的局面。但自1998年粮 食产量达到历史最高水平后，粮食 总产量连续下降，至2003年，粮食 总产降至4.3×10 8 t，人均粮食仅为 334kg，供需缺口加大[2]，我国的粮食 安全问题再次成为政府和学界关注的 热点。在新形势下，为了保证节约 成本，同时为了更好地利用市场 来配置资源，中央政府的粮食安 全政策正在逐步做出相 应调整， 口粮供求安全将成为国家粮食安全政 策的核心。 小麦是我国最为主要的三大粮食 作物之一，在当前我国的口粮消费总 量中，小麦占到43%左右，小麦在粮食 安全中的地位极为重要[3]。按照播种季 节不同，我国小麦可分为冬小麦和春 小麦两大种类。秋末冬初播种的冬小 麦，产量高且品质较好，是我国播种 面积最为广泛的小麦类型，从长城以 南到海南岛，以及新疆、青藏高原均 有种植，占全国小麦产量的90%以上。 春季播种的春小麦，生育期较短，单 产低且品质相对较差，适宜冬季气温 较低的地区生产，主要分布在东北 和西北地区。据此，本文以冬小麦 为研究对象，计算分析我国冬小麦各 个层次生产潜力的状况及其空间分布 特征。 1 数据来源和研究方法 生产潜力是指理想生产条件下农 作物所能达到的最高理论产量，生产 潜力研究过程不仅能揭示作物生育规 基于GIS栅格尺度的 我国冬小麦生产潜力研究 张晶 (德州学院，山东 德州 253023； 中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101) 摘要：小麦在我国粮食安全和农业发展中地位重要，冬小麦是我国播种面积最为广泛的小麦类型，产量占全国小麦产量的 90%以上，科学估算冬小麦生产潜力是合理制定小麦发展战略、挖掘小麦增产潜力、保证粮食生产能力的基础工作。本文 利用AEZ模型，在GIS支持下将土地利用数据、气候观测数据、作物属性数据综合集成，对冬小麦不同层次的生产潜力及其 空间分布进行1km×1km栅格尺度的估算和评价，为我国农业生产和小麦发展战略提供基础信息和科学依据。 关键词：中国；冬小麦；栅格；生产潜力 GIS-Based Study on Potential Production of Winter-Wheat in China ZHANG Jing (Dezhou Universty, Dezhou Shandong 253023, China; Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China) Abstract: Wheat is important for food security and agriculture in China. Winter-wheat is the biggest type in plant area and output. Choosing 1km×1km grid as the calculating unit, by using monthly average climate attributes data, agricultural observation data, digital elevation model data and agricultural statistical data, based on the AEZ model recommended by FAO, this paper ameliorates the formula of potential water production capacity with the land water balance method and the formula of potential land production capacity with the land efficient index, establishes the agricultural climate–land potential productivity model and with which calculates the photosynthesis potential productivity, photosynthesis-temperature potential productivity, photosynthesis-temperature-water potential productivity and photosynthesis-temperature-water-land potential productivity of winter-wheat in China. Bring up basic information and science foundation for agricultural development in China. Key words: China; winter-wheat; grid; potential production 基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（编号：KZCX3-SW-333） 作者简介：张晶（1972～ ），女，博士，主要从事农业资源高效利用与区域可持续发展研究
前沿论坛 FORWARD FORUM 律、产量形成与环境条件的关系,而想作物群体在当地光照条件下单位面121光温生产潜力 且可以查明作物对气候、土壤等资源积上所形成的最高产量。光合生产潜 对于光温生产潜力的计算,研 的利用程度以及产量形成的限制因力被认为是粮食产量的理论上限,是究采用联合国粮农组织推荐的下 子,展示区域粮食生产发展的可能前粮食生产潜力的最高层次。研究中利式进行 景,进而为制定订区域农业资源合理用DeWi方法(1965)计算各个地区 当≥20kg/hm2/hour时 开发利用规划及调整人口、资源、环的光合生产潜力日值。这种方法是以 yr=cL·cN·cH·G·[F(0.8+ 境协调发展战略提供科学依据。自20标准条件下有效短波入射辐射的强度0.01n)y。+(1-P)(0.5+0.025ym) 世纪60年代以来,世界各国的有关学为基础的,其计算公式为 者从不同学科、不同角度对土地生产 Y=F·y+(1-PJy (1) 当<20kg/hm2/hour时, 潜力进行了大量深入细致的研究,取式中,y为某种标准作物的干物 CL·cN·cH·G·[F(0.5+ 得了丰硕的成果M 质总产量(kg/hm2/day);F为-0.025Jmy+(1-p)(0.025yn) 农业生态区(agro- ecological天中阴天所占部分,F=(Rx-0.5R2)/ zone,AEZ)模型是目前世界上0.8Ra,其中R为晴天最大有效辐射 式中,F为某种作物的光温生产 应用范围最广的一个农业生产潜力量(cal/cm2/日),R2为实际测量的潜力(kg/hm2);cL是作物生长和叶 评估模型,属机制法范畴。该模型短波入射辐射量(cacm2/日),可面校正系数;cN为干物质生产校正系 是由 Kassam等于20世纪70年代在以根据公式R=(0.25+0.50n/MR得数,凉气候条件下为0.6,暖气候条件 FAO及 IIASA等机构的支持下,在出,式中R是地外辐射量,用cal/小下为0.5;cH是作物收获指数校正数; Wageningen模型的基础上,为农业时表示,N是最大日照时数(小时),G是作物的全生育期天数(天);F为 生态区项目制定的计算作物生产潜力7是实际测量的日照持续时间(小白天中的阴天部分;Jm表示在一定气 的一种方法。这种方法思路严谨,不时);J是一定地区某种标准作物候下某种作物的叶片最大干物质总生 但同时涉及光、温、水、土等十余个在一全阴天里的干物质生产率(kg/产率(kg/hm2/day);y为在一定地 影响生物产量形成的因素及指标,还hm2/day);y是一定地区某种标准方某种标准作物在一全阴天中的干物 考虑到作物类型在不同生长条件下产作物在一全晴天(无云)里的干物质质总产量(kg/hm3/day);y是在 量形成的差异,同时该方法的基础资生产率(kg/hm2/day)。 定地方某种标准作物在一全晴天(无 料较易取得,便于计算,其结果也能对各项指标进行空间化后代入上云)中的干物质总生产率(kg/hm2/ 够较好地反映地区作物生产潜力的多式,利用GIS技术,研究计算了冬小麦day) 年平均状况。经过20多年的推广和的1kmx1km的光合生产潜力日值。122光温水(降水)生产潜力 应用,该模型在世界上得到了广泛应在此基础上,将作物生育期内的光合 光温水生产潜力是光温生产潜力 用。在我国,约有35%的农业潜力评估生产潜力日值进行累计,计算了中国受自然降水条件限制而衰减后的作物 项目采用了这一模型°。 小麦的光合生产潜力 生产潜力,也就是当土壤肥力和农业 基于此,本研究运用月均气象观1.2气候生产潜力 技术措施等参量处于最适宜的条件 测数据、农业气象观测数据、数字高 气候生产潜力是指在保持土壤肥下,由辐射、温度和降水等气候因素 程模型、农业详查及统计数据,采 力等相关要素最适宜的状态下,由 究中采用下式 AEZ模型,以1kmx1km栅格为基本候条件决定的潜在产量。影响作物生对光温水生产潜力进行计算: 计算单元,逐级计算了中国冬小麦长的气候条件主要包含温度和降水两 p=r·() (4) 的光合、气候、水资源和土地资源大因素,其中,由温度条件决定的潜 式中,Y是某种作物的光温水生 生产潜力。研究所用数据均来源于力通常称作光温生产潜力,被认为是产潜力(kg/hm2);Yr为某种作物的 国家气象局数据中心,经由IDW灌溉农业粮食产量的上限;在光温生光温生产潜力(kg/hm2);f(p)为降 及GIDW等方法插值后生成1km×产潜力的基础上,考虑自然降水对作水订正系数 lkm栅格数据 物产量的衰减作用而得到的潜力通常 由上述光温水生产潜力的计算公 1.1光合生产潜力 称作光温水生产潜力,被认为是旱地式不难发现,正确认识作物生产力与 光合生产潜力是指除太阳能以外农业粮食产量的上限。研究中光温生水分的关系,确定水分有效系数是估 的其他生态条件(温、水、土)和生产潜力与光温水生产潜力的计算分述算水分生产潜力的关键。大量研究表 产条件(肥、灌、技)均适宜时,理如下。 明,作物在产量形成过程中,每生成 38ecoLoGicAlEcoNoMynIcJournalElectronicPublishingHOuse.Allrightsreservedhttp:/wwww.cnkinet
38 ECOLOGICAL ECONOMY 前沿论坛 FORWARD FORUM 律、产量形成与环境条件的关系，而 且可以查明作物对气候、土壤等资源 的利用程度以及产量形成的限制因 子，展示区域粮食生产发展的可能前 景，进而为制定订区域农业资源合理 开发利用规划及调整人口、资源、环 境协调发展战略提供科学依据。自20 世纪60年代以来，世界各国的有关学 者从不同学科、不同角度对土地生产 潜力进行了大量深入细致的研究，取 得了丰硕的成果[4，5]。 农业生态区（agro-ecological zone, AEZ）模型是目前世界上 应用范围最广的一个农业生产潜力 评估模型，属机制法范畴。该模型 是由Kassam等于20世纪70年代在 FAO及IIASA等机构的支持下，在 Wageningen模型的基础上，为农业 生态区项目制定的计算作物生产潜力 的一种方法。这种方法思路严谨，不 但同时涉及光、温、水、土等十余个 影响生物产量形成的因素及指标，还 考虑到作物类型在不同生长条件下产 量形成的差异，同时该方法的基础资 料较易取得，便于计算，其结果也能 够较好地反映地区作物生产潜力的多 年平均状况。经过20多年的推广和 应用，该模型在世界上得到了广泛应 用。在我国，约有35%的农业潜力评估 项目采用了这一模型[6]。 基于此，本研究运用月均气象观 测数据、农业气象观测数据、数字高 程模型、农业详查及统计数据，采用 AEZ模型，以1km×1km栅格为基本 计算单元，逐级计算了中国冬小麦 的光合、气候、水资源和土地资源 生产潜力。研究所用数据均来源于 国家气象局数据中心，经由IDW 及GIDW等方法插值后生成1km× 1km栅格数据[7]。 1.1 光合生产潜力 光合生产潜力是指除太阳能以外 的其他生态条件（温、水、土）和生 产条件（肥、灌、技）均适宜时，理 想作物群体在当地光照条件下单位面 积上所形成的最高产量。光合生产潜 力被认为是粮食产量的理论上限，是 粮食生产潜力的最高层次。研究中利 用De Wit方法（1965）计算各个地区 的光合生产潜力日值。这种方法是以 标准条件下有效短波入射辐射的强度 为基础的，其计算公式为： Y0 =F·yo +(1－F)yc （1） 式中，Y 0 为某种标准作物的干物 质总产量（kg/hm2/day）；F 为一 天中阴天所占部分，F=(R se－0.5R s )/ 0.8R se，其中Rse为晴天最大有效辐射 量（cal/cm2 /日），R s 为实际测量的 短波入射辐射量（cal /cm2 /日），可 以根据公式R s =(0.25+0.50n/N )R a 得 出，式中R a 是地外辐射量，用cal/小 时表示，N是最大日照时数（小时）， η 是实际测量的日照持续时间（小 时）；y o 是一定地区某种标准作物 在一全阴天里的干物质生产率（kg/ hm2 /day）；y c 是一定地区某种标准 作物在一全晴天（无云）里的干物质 生产率（kg/hm2 /day）。 对各项指标进行空间化后代入上 式，利用GIS技术，研究计算了冬小麦 的1km×1km的光合生产潜力日值。 在此基础上，将作物生育期内的光合 生产潜力日值进行累计，计算了中国 冬小麦的光合生产潜力。 1.2 气候生产潜力 气候生产潜力是指在保持土壤肥 力等相关要素最适宜的状态下，由气 候条件决定的潜在产量。影响作物生 长的气候条件主要包含温度和降水两 大因素，其中，由温度条件决定的潜 力通常称作光温生产潜力，被认为是 灌溉农业粮食产量的上限；在光温生 产潜力的基础上，考虑自然降水对作 物产量的衰减作用而得到的潜力通常 称作光温水生产潜力，被认为是旱地 农业粮食产量的上限。研究中光温生 产潜力与光温水生产潜力的计算分述 如下。 1.2.1 光温生产潜力 对于光温生产 潜 力的计算，研 究 采 用 联 合 国 粮 农 组 织 推 荐的下 式进行： 当y m≥20kg/hm2 /hour时， Y T＝cL·cN·cH·G·[F(0.8＋ 0.01y m)y o ＋(1－F )(0.5＋0.025y m)y c ] （2） 当y m＜20kg/hm2 /hour时， Y T＝cL·cN·cH·G·[F(0.5＋ 0.025y m)yo ＋(1－F)(0.025y m)y c ] （3） 式中，Y T为某种作物的光温生产 潜力（kg/hm2 ）；cL是作物生长和叶 面校正系数；cN为干物质生产校正系 数，凉气候条件下为0.6，暖气候条件 下为0.5；cH是作物收获指数校正数； G是作物的全生育期天数（天）；F为 白天中的阴天部分；y m表示在一定气 候下某种作物的叶片最大干物质总生 产率（kg/hm2 /day）；y o 为在一定地 方某种标准作物在一全阴天中的干物 质总产量（kg/hm2 /day）；y c 是在一 定地方某种标准作物在一全晴天（无 云）中的干物质总生产率（kg/hm2 / day）。 1.2.2 光温水（降水）生产潜力 光温水生产潜力是光温生产潜力 受自然降水条件限制而衰减后的作物 生产潜力，也就是当土壤肥力和农业 技术措施等参量处于最适宜的条件 下，由辐射、温度和降水等气候因素 所确定的作物产量。研究中采用下式 对光温水生产潜力进行计算： Y P ＝Y T·f(p) （4） 式中，Y P是某种作物的光温水生 产潜力（kg/hm2 ）；Y T为某种作物的 光温生产潜力（kg/hm2 ）；f(p )为降 水订正系数。 由上述光温水生产潜力的计算公 式不难发现，正确认识作物生产力与 水分的关系，确定水分有效系数是估 算水分生产潜力的关键。大量研究表 明，作物在产量形成过程中，每生成
1kg干物质都需要一定的水分,作物水 比UST=0 究中,采用上述三步骤,计算了全国 分亏缺量的大小对产量高低具有直接 ST≥0 土壤因子的权重系数及其分级评分体 影响。研究中采用水分亏缺率与产量 研究中根据上述假定条件,利用系。在此基础上,计算了冬小麦土地 反应系数来确定水分有效系数,具体各气象要素和农气要素栅格数据,定生产潜力。 算法如下: 量计算了冬小麦逐月农田水分盈、亏 量。在此基础上,将生育期内的亏水2研究结果 式中,f(p)为降水订正系数;Ky量进行累加,将之与作物生育期需水 根据确定的我国粮食作物生产潜 为产量反应经验系数;wd为水分亏缺量进行比较,求算了冬小麦生育期内力模型,研究中,以栅格为单元,计 率。对于水分亏缺率,本研究采用下的水分亏缺率(W),并进而计算了中算了冬小麦的光合、光温、光温水和 述农田水分平衡模型计算得到: 国冬小麦的光温水生产潜力 土地生产潜力 P1+ST1-Q-K。xET=ST+1.3土地生产潜力 下页图为我国冬小麦光合、光 (Q-Q t+ (6) 由于耕种土壤并不能满足作物生温、光温水和土地生产潜力分布图。 式中,P1为平衡时段(t)的降水量长所要求的最适条件,所以,有必要从图中可以看出,就光合生产潜力而 (mm);t对应于作物生育期的月份进一步考虑实际土壤的肥力状况与理言,全国最高值达114.98t/hm2,最 序数;Q为时段的产流量(mm),想土壤之差别,估算土壤对作物生长低值为26.86t/hm2,二者相差近428 由降水一径流关系得到;ET为时段发育及产量形成的有效性。土地生产倍,地区之间差异显著,全国平均值 的参考蒸散量(mm);K为t时段的潜力是指在其他条件保持最适宜状态为44.59t/hm2。青藏高原地区冬小麦 作物系数;ST-1为t-1时段的土壤下,由光、温度、水分和土壤因子光合生产潜力平均值达94.74t/hm2 水含量;ST,为t时段的土壤水含量;共同决定的产量,它是在水分生产为全国最高区。这一方面是由于青藏 Qm-Qa为时段内降水人渗量与毛管上潜力基础上经土壤有效系数衰减后高原大部分地区年日照时数在2800小 升水量之差(mm);n为时段的误形成的。研究中,采用下式对其进行时以上,年总辐射量在7000百万焦耳 差项(mm)。 计算: 以上,是我国太阳辐射和日照时数较 上式表明,平衡时段的降水量与 =y·f(s (7)多的区域;同时也是因为青藏高原冬 土壤前期含水量之和,减去作物需水 式中,Y为某种作物的土地生产麦区为全国冬小麦生长发育最长的区 量和地表产流量之后,其平衡项为同潜力(kg/hm2);Ym是某种作物的水域,生育期达240天以上。华南、江 期的土壤含水量、降水入渗补给地下资源生产潜力(kg/hm2);f(s)为土南以及四川盆地等地区,因年太阳辐 水量与毛管上升量之差以及误差项三壤有效系数 射量较小而且生育期较短,为冬小麦 者之和 由上式可以看出,土地生产潜力光合生产潜力的低值区,其值大多在 令BL,=S Q)t+n,土计算的关键是土壤有效系数的确定。45t/hm以下 壤最大有效持水量为STmx:农田的亏影响水分生产潜力衰减的土壤因子比 就冬小麦光温潜力来讲,各地区 水量为DEF,盈水量为 PLUST,则较复杂,本研究仅选用土壤质地、酸之间因温度条件的差异而导致对冬小 根据蓄满产流原理,区域农田水分的碱度、有机质、全氮、全磷、全钾以麦潜力的限制性也各有不同。华南区 盈、亏水量和土壤含水量有三种可能及土壤侵蚀度等7项主要指标评价来确为全国冬小麦生长发育期间温度限制 变化情况 定土壤有效系数,所有基础数据均来性最小的区域,平均温度有效系数为 ①当BL1>S7m时, 源于1100万中国土壤数据库,所采用0.23,青藏高原区温度有效系数仅为 的方法主要是层次分析法。 0.07,是温度衰减最为严重的区域。 PLUST=ST-ST 在获取各项土壤要素的栅格化数东北地区冬小麦因主要分布于辽东南 据基础上,本研究采用层次分析法,地区,温度条件也较好,平均温度有 ②当ST1<B,≤ST时, 构造判断矩阵,确定了七大土壤因子效系数达到0.20。总体来讲,全国 的权重。根据各因子的权重对农作物冬小麦光温生产潜力较光合潜力地区 PLUST=O 生长发育及产量形成的促进与制约作间差异有所减弱,高值区主要分布于 用,按其数值划分成一定数量的等中高纬度的西北、辽东南及黄准海地 ③当BL,≤ST-1时, 级,并分别赋予不同的分数,从而获区,平均值在9t/hm2以上;低值区 DEF=ST-BL 得了土壤有效因子分级评分体系。研则主要位于青藏高原及四川盆地,这 1994-2009chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/www.cnki.net
39 1kg干物质都需要一定的水分，作物水 分亏缺量的大小对产量高低具有直接 影响。研究中采用水分亏缺率与产量 反应系数来确定水分有效系数，具体 算法如下： f(p)＝1－K y ·W d （5） 式中，f(p)为降水订正系数；Ky 为产量反应经验系数；Wd为水分亏缺 率。对于水分亏缺率，本研究采用下 述农田水分平衡模型计算得到： P t ＋ST t-1－Q st－K c ×ET t ＝ST t ＋ (Q up－Q uc)t＋η （6） 式中，P t 为平衡时段(t)的降水量 （mm）；t对应于作物生育期的月份 序数；Q st为t时段的产流量（mm）， 由降水－径流关系得到；ET t 为t时段 的参考蒸散量（mm）；K c 为t时段的 作物系数；ST t -1为t -1时段的土壤 水含量；ST t 为t 时段的土壤水含量； Q up-Q uc为t时段内降水入渗量与毛管上 升水量之差（mm）；η为t时段的误 差项（mm）。 上式表明，平衡时段的降水量与 土壤前期含水量之和，减去作物需水 量和地表产流量之后，其平衡项为同 期的土壤含水量、降水入渗补给地下 水量与毛管上升量之差以及误差项三 者之和。 令BL t ＝ST t ＋(Q up－Q uc)t＋n，土 壤最大有效持水量为ST max；农田的亏 水量为DEF t ，盈水量为PLUST t ，则 根据蓄满产流原理，区域农田水分的 盈、亏水量和土壤含水量有三种可能 变化情况： ①当BL t ＞ST max时， DEF t ＝0 PLUST t ＝STt －ST max STt ＝ST max ②当STt -1＜BL t ≤ST max时， DEF t ＝0 PLUST t ＝0 STt ＞0 ③当BL t ≤STt -1时， DEF t ＝STt －BL t PLUST t ＝0 STt ≥0 研究中根据上述假定条件，利用 各气象要素和农气要素栅格数据，定 量计算了冬小麦逐月农田水分盈、亏 量。在此基础上，将生育期内的亏水 量进行累加，将之与作物生育期需水 量进行比较，求算了冬小麦生育期内 的水分亏缺率(W d )，并进而计算了中 国冬小麦的光温水生产潜力。 1.3 土地生产潜力 由于耕种土壤并不能满足作物生 长所要求的最适条件，所以，有必要 进一步考虑实际土壤的肥力状况与理 想土壤之差别，估算土壤对作物生长 发育及产量形成的有效性。土地生产 潜力是指在其他条件保持最适宜状态 下，由光、温度、水分和土壤因子 共同决定的产量，它是在水分生产 潜力基础上经土壤有效系数衰减后 形成的。研究中，采用下式对其进行 计算： Y s ＝Y w·f(s) （7） 式中，Y s 为某种作物的土地生产 潜力（kg/hm2 ）；Y w是某种作物的水 资源生产潜力（kg/hm2 ）；f(s)为土 壤有效系数。 由上式可以看出，土地生产潜力 计算的关键是土壤有效系数的确定。 影响水分生产潜力衰减的土壤因子比 较复杂，本研究仅选用土壤质地、酸 碱度、有机质、全氮、全磷、全钾以 及土壤侵蚀度等7项主要指标评价来确 定土壤有效系数，所有基础数据均来 源于1:100万中国土壤数据库，所采用 的方法主要是层次分析法。 在获取各项土壤要素的栅格化数 据基础上，本研究采用层次分析法， 构造判断矩阵，确定了七大土壤因子 的权重。根据各因子的权重对农作物 生长发育及产量形成的促进与制约作 用，按其数值划分成一定数量的等 级，并分别赋予不同的分数，从而获 得了土壤有效因子分级评分体系。研 究中，采用上述三步骤，计算了全国 土壤因子的权重系数及其分级评分体 系。在此基础上，计算了冬小麦土地 生产潜力。 2 研究结果 根据确定的我国粮食作物生产潜 力模型，研究中，以栅格为单元，计 算了冬小麦的光合、光温、光温水和 土地生产潜力。 下页图为我国冬小麦光合、光 温、光温水和土地生产潜力分布图。 从图中可以看出，就光合生产潜力而 言，全国最高值达114.98t/hm2，最 低值为26.86t/hm2 ，二者相差近4.28 倍，地区之间差异显著，全国平均值 为44.59t/hm2 。青藏高原地区冬小麦 光合生产潜力平均值达94.74t/hm2 ， 为全国最高区。这一方面是由于青藏 高原大部分地区年日照时数在2 800小 时以上，年总辐射量在7 000百万焦耳 以上，是我国太阳辐射和日照时数较 多的区域；同时也是因为青藏高原冬 麦区为全国冬小麦生长发育最长的区 域，生育期达240天以上。华南、江 南以及四川盆地等地区，因年太阳辐 射量较小而且生育期较短，为冬小麦 光合生产潜力的低值区，其值大多在 45t/hm2 以下。 就冬小麦光温潜力来讲，各地区 之间因温度条件的差异而导致对冬小 麦潜力的限制性也各有不同。华南区 为全国冬小麦生长发育期间温度限制 性最小的区域，平均温度有效系数为 0.23，青藏高原区温度有效系数仅为 0.07，是温度衰减最为严重的区域。 东北地区冬小麦因主要分布于辽东南 地区，温度条件也较好，平均温度有 效系数达到0.20。总体来讲，全国 冬小麦光温生产潜力较光合潜力地区 间差异有所减弱，高值区主要分布于 中高纬度的西北、辽东南及黄淮海地 区，平均值在9t/hm2以上；低值区 则主要位于青藏高原及四川盆地，这
前沿论坛 FORWARD FORUM 光合潜力 光温潜力 (thm 光温水潜力 土地潜力 () (thm"-a) 中国冬小麦生产潜力(1kmx1km The potential production of winter-wheat in china 些地区冬小麦平均光温生产潜力大多光温水生产潜力的高值区主要位于长参考文献 低于7t/hm2。全国冬小麦平均值为江中下游地区以及江南区,其值大[]周小萍,卢艳霞,陈百明中国近 8.12t/hm2。 多在8t/hm以上,低值区则主要分期粮食生产与耕地资源变化的相关分 析[J].北京师范大学学报:社会科学 就冬小麦光温水生产潜力而言 布于西北、青藏高原及内蒙长城沿线版,2005191(5):122-127 全国由东南向西北因降水量的减少导地区 [2]王占礼,彭珂珊.中国粮食生产可 致冬小麦光温潜力衰减的现象明显。 就冬小麦土地生产潜力而言,全持续发展问题的再思与再识[].生态 江南以及长江中下游地区,冬小麦国土壤状况对冬小麦产量形成的限制经济,190 生长发育期间降水充裕,基本可性地区间差异不大。土壤条件较好的[3]顾列铭.中国粮价“升温”[]生 态经济,2004(1):56-59 以满足其生长的需求,大多数地区水区域主要位于东北地区,平均值达到[4]张录强.粮食危机论:折射经济 分有效系数在0.95以上,为全国水分0.86;限制性较强的主要分布于西学家的思维分歧[].生态经济,2005 条件最佳区域。西北地区因深居内北、黄土高原、江南山地区,其值多 陆,降水稀少,为水分衰减最为严小于0.7。整体而言,中国冬小麦土[5]李三爱,居辉,池宝亮。作物生 产潜力研究进展[J].中国农业气象, 重的区域,平均水分有效系数仅为地生产潜力的高值区主要分布于长江2005,26(2):106-11 0.07。内蒙及长城沿线、黄土高原中下游、江南等地区,一般年产量在[6]田永中.基于栅格的中国陆地生态 大部以及黄淮海平原的部分地区,由5.5t/hm以上;低值区主要位于西北系统食物供给功能评估[.北京师范 于降水的季节分布与冬小麦需水不相干旱区,年产量低于t/hm2;全国冬 大学,2004. [7]封志明,杨艳昭,丁晓强,等.气 匹配,春旱问题严重,降水有效系数小麦土地生产潜力平均值仅为4221/象要素空间插值方法优化[J].地理研 也较低,多在0.55以下。全国冬小麦hm2。园 究,2004,23(3):357-364 40EcoLog!caLEcoNomYnicJournaleLectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/www.cnki.net
40 ECOLOGICAL ECONOMY 前沿论坛 FORWARD FORUM 些地区冬小麦平均光温生产潜力大多 低于7t/hm2。全国冬小麦平均值为 8.12t/hm2 。 就冬小麦光温水生产潜力而言， 全国由东南向西北因降水量的减少导 致冬小麦光温潜力衰减的现象明显。 江南以及长江中下游地区，冬小麦 生长发育期间降水充裕，基本可 以满足其生长的需求，大多数地区水 分有效系数在0.95以上，为全国水分 条件最佳区域。西北地区 因深居内 陆，降水稀少，为水分衰减最为严 重的区域，平均水分有效系数仅为 0.07。内蒙及长城沿线、黄土高原 大部以及黄淮海平原的部分地区，由 于降水的季节分布与冬小麦需水不相 匹配，春旱问题严重，降水有效系数 也较低，多在0.55以下。全国冬小麦 光温水生产潜力的高值区主要位于长 江中下游地区以及 江南区，其值大 多在8t/hm2以上，低值区则主要分 布于西北、青藏高原及内蒙长城沿线 地区。 就冬小麦土地生产潜力而言，全 国土壤状况对冬小麦产量形成的限制 性地区间差异不大。土壤条件较好的 区域主要位于东北地区，平均值达到 0.86；限制性较强的主要分布于西 北、黄土高原、江南山地区，其值多 小于0.7。整体而言，中国冬小麦土 地生产潜力的高值区主要分布于长江 中下游、江南等地区，一般年产量在 5.5t/hm2 以上；低值区主要位于西北 干旱区，年产量低于1t/hm2 ；全国冬 小麦土地生产潜力平均值仅为4.22t/ hm2 。 参考文献： [1] 周小萍，卢艳霞，陈百眀. 中国近 期粮食生产与耕地资源变化的相关分 析[J]. 北京师范大学学报：社会科学 版，2005，191（5）：122～127. [2] 王占礼，彭珂珊. 中国粮食生产可 持续发展问题的再思与再识[J]. 生态 经济，1999（1）：1～11. [3] 顾列铭. 中国粮价“升温”[J]. 生 态经济，2004（1）：56～59. [4] 张录强. 粮食危机论：折射经济 学家的思维分歧[J]. 生态经济，2005 （7）：24～26. [5] 李三爱，居辉，池宝亮. 作物生 产潜力研究进展[J]. 中国农业气象， 2005，26（2）：106～111. [6] 田永中. 基于栅格的中国陆地生态 系统食物供给功能评估[D]. 北京师范 大学，2004. [7] 封志明，杨艳昭，丁晓强，等. 气 象要素空间插值方法优化[J]. 地理研 究，2004，23（3）：357～364. 中国冬小麦生产潜力（1km×1km） The potential production of winter-wheat in China
