基于柵格的中國(guó)一季稻生產(chǎn)潛力研究

摘要 水稻在我國(guó)糧食安全和農(nóng)業(yè)發(fā)展中地位重要，其中一季稻又是中國(guó)播種面積最大、分布最廣泛、產(chǎn)量最大的水稻類型，科學(xué)估算一季稻生產(chǎn)潛力，對(duì)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(guó)際上廣泛采用的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)模型，在地理信息系統(tǒng)技術(shù)支持下，將土地利用數(shù)據(jù)、氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)、作物屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行從微觀到宏觀的綜合集成，對(duì)我國(guó)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(zhì)地、養(yǎng)分等在內(nèi)的土地生產(chǎn)潛力及其空間分布進(jìn)行1km×1km柵格尺度的估算和評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明，我國(guó)各農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)一季稻生產(chǎn)潛力存在明顯差異，各農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)生產(chǎn)潛力具有自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，這與目前我國(guó)一季稻生產(chǎn)與布局基本相符。在此基礎(chǔ)上提出了提高我國(guó)一季稻生產(chǎn)潛力，保障糧食安全的建議和措施，為中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水稻發(fā)展戰(zhàn)略提供了基礎(chǔ)信息和科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 中國(guó)；一季稻；柵格；生產(chǎn)潛力

中圖分類號(hào) F329.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1002-2104（2008）04-0099-05

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作為人口眾多的發(fā)展中國(guó)家，我國(guó)的糧食安全問(wèn)題對(duì)世界糧食安全有重要影響，我國(guó)政府一直致力于提高糧食的供應(yīng)水平，以不斷增強(qiáng)自身的糧食安全程度［1］。改革開放以來(lái)，我國(guó)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(gè) 臺(tái)階，同時(shí)人均糧食占有量也大幅度提高，1996年達(dá)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(dá)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(guó)的糧食 安 全問(wèn)題再次成為政府和學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。水稻是中國(guó)主要糧食作物之一，在我國(guó)糧食生產(chǎn)中 占有極其重要的地位。1999－2001年全國(guó)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(fèi)主要在亞洲，且以食用為主，國(guó)際市場(chǎng)上稻谷貿(mào)易量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小麥和玉米 ［3］，依靠進(jìn)口稻谷來(lái)滿足國(guó)內(nèi)需求的可能性較小，水稻自足是我國(guó)糧食安全的基本要求。此外，水稻是我國(guó)加入WTO以后少數(shù)仍具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的農(nóng)作物之一，它的出口對(duì)拓寬國(guó)際市場(chǎng)和增加農(nóng)產(chǎn)品出口量作用巨大。因此，科學(xué)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(xué)界關(guān)注的問(wèn)題。

我國(guó)水稻種植制度類型很多，按作物的熟制來(lái)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(zhǎng)江流域以南的地區(qū)。就播種面積而言，一季稻為中國(guó)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(duì)一季稻的生產(chǎn)潛力予以計(jì)算和分析。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

土地生產(chǎn)潛力是指理想生產(chǎn)條件下農(nóng)作物所能達(dá)到的最高理論產(chǎn)量，生產(chǎn)潛力研究過(guò)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(guān)系，而且可以查明作物對(duì)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(jìn)而為制定區(qū)域農(nóng)業(yè)資源合理開發(fā)利用規(guī)劃及調(diào)整人口、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略提供科學(xué)依據(jù)。自上世紀(jì)60年代以來(lái)，世界各國(guó)的有關(guān)學(xué)者從不同學(xué)科角度對(duì)土地生產(chǎn)潛力進(jìn)行了大量深入細(xì)致的研究，取得了豐碩的成果［4～6］。

農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)(Agroecological Zone， AEZ)模型是目前世界上應(yīng)用范圍最廣的一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力評(píng)估模型，屬機(jī)制法范疇。在我國(guó)，約有35%的農(nóng)業(yè)潛力評(píng)估項(xiàng)目采用了這一模型［7］。

本研究利用月均氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、農(nóng)業(yè)詳查及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用AEZ模型，以1 km×1 km柵格為基本計(jì)算單元，逐級(jí)計(jì)算了中國(guó)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(lái)源于國(guó)家氣象局?jǐn)?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(guó)一季稻生產(chǎn)潛力研究中國(guó)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(yáng)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(shí)，理想作物群體在當(dāng)?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(rèn)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(jì)算各個(gè)地區(qū)的光合生產(chǎn)潛力日值。這種方法是以標(biāo)準(zhǔn)條件下有效短波入射輻射的強(qiáng)度為基礎(chǔ)的，其計(jì)算公式為：

Y0=F#8226;yo+(1-F)yc（1）

式中，Y0:某種標(biāo)準(zhǔn)作物的干物質(zhì)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(shí)際測(cè)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(shí)數(shù)（h）， n是實(shí)際測(cè)量的日照持續(xù)時(shí)間（h），yo：一定地區(qū)某種標(biāo)準(zhǔn)作物在一全陰天里 的干物質(zhì)生產(chǎn)率，kg/hm2/d；yc:一定地區(qū)某種標(biāo)準(zhǔn)作物在一全晴 天(無(wú)云)里的干物質(zhì)生產(chǎn)率，kg/hm2/d。

對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行空間化后代入上式，利用GIS技術(shù)，研究計(jì)算一季稻的1 km×1 km的光合生產(chǎn)潛力日值。在此基礎(chǔ)上，將作物生育期內(nèi)的光合生產(chǎn)潛力日值進(jìn)行累計(jì)，計(jì)算中國(guó)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(guān)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(zhǎng)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(rèn)為是灌溉農(nóng)業(yè)糧食產(chǎn)量的上限；在光溫生產(chǎn)潛力的基礎(chǔ)上，考慮自然降水對(duì)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(rèn)為是旱地農(nóng)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(jì)算分述如下。

1.2.1 光溫生產(chǎn)潛力

[WTBX]對(duì)于光溫生產(chǎn)潛力的計(jì)算，研究采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的下式進(jìn)行：

當(dāng)ym≥20 [WTBZ]kg/hm2/h 時(shí)，

[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(dāng)ym<[WTBZ]20 kg/hm2/h 時(shí)，

[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(zhǎng)和葉面校正系數(shù)；cN為干物質(zhì)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(zhì) 總生產(chǎn)率（[WTBZ]kg/hm2/d）；[WTBX]yo為在一定地方某種標(biāo)準(zhǔn)作物在一全陰天中的干 物質(zhì)總產(chǎn)量（[WTBZ]kg/hm2/d）；[WTBX]yc是在一定地方某種標(biāo)準(zhǔn)作物在一全晴天(無(wú)云)中的干物質(zhì)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(dāng)土壤肥力和農(nóng)業(yè)技術(shù)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(duì)光溫水生產(chǎn)潛力進(jìn)行計(jì)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(jì)算公式不難發(fā)現(xiàn)，正確認(rèn)識(shí)作物生產(chǎn)力與水分的關(guān)系，確定水分有效系數(shù)是估算水分生產(chǎn)潛力的關(guān)鍵。大量研究表明，作物在產(chǎn)量形成過(guò)程中，每生成1 kg干物質(zhì)都需要一定的水分，作物水分虧缺量的大小對(duì)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(yīng)系數(shù)來(lái)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(yīng)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Wd為水分虧缺率。對(duì)于水分虧缺率，本研究采用下述農(nóng)田水分平衡模型計(jì)算得到：

在獲取各項(xiàng)土壤要素的柵格化數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，本研究采用層次分析法，構(gòu)造判斷矩陣，確定了7個(gè)土壤因子的權(quán)重。根據(jù)各因子的權(quán)重對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成的促進(jìn)與制約作用，按其數(shù)值劃分成一定數(shù)量的等級(jí)，并分別賦予不同的分?jǐn)?shù)，從而獲得了土壤有效因子分級(jí)評(píng)分體系。研究中，采用上述三步驟，計(jì)算了全國(guó)土壤因子的權(quán)重系數(shù)及其分級(jí)評(píng)分體系。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了一季稻土地生產(chǎn)潛力。

2 研究結(jié)果分析

2.1 光合生產(chǎn)潛力

就光合潛力而言，全國(guó)的最高值達(dá)到了50.82 t/hm2，最低值僅為27.60 t/hm2，全國(guó)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(zhǎng)季 節(jié)里，光照時(shí)間、光照強(qiáng)度相對(duì)其它地區(qū)具有明顯優(yōu)勢(shì)，一季稻生育時(shí)段較長(zhǎng)，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(zhǎng)江以南地區(qū)廣大，雖然地處我國(guó)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(guó)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(chǔ)上，考慮溫度條件對(duì)作物生長(zhǎng)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(guó)地域遼闊，南北跨度較大，溫度對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的限制作用差異顯著。華南、江南及長(zhǎng)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(guó)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(duì)水稻生長(zhǎng)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(dǎo)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(guó)最低；西北地區(qū)光溫潛力平均值達(dá)到14.79 t/hm2，為全國(guó)最高。全國(guó)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(chǔ)上，考慮自然降水對(duì)作物產(chǎn)量形成的影響而計(jì)算得到的作物潛力。由于中國(guó)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(shì)，由此導(dǎo)致降水有效系數(shù)呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律。華南、江南、長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)江中下游地區(qū)達(dá)到12.3 t/hm2，為全國(guó)一季稻降水生產(chǎn)潛力最高的區(qū)域。西北地區(qū)為我國(guó)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(zhǎng)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(guó)最低(見表1)。此外 ，內(nèi)蒙古及長(zhǎng)

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(chǔ)上，考慮土壤的立地條件、質(zhì)地、養(yǎng)分等因子對(duì)作物生長(zhǎng)的限制作用計(jì)算得到的。研究中，土壤有效系數(shù)的計(jì)算是以全國(guó)1∶100萬(wàn)耕地分布圖為掩膜進(jìn)行的。計(jì)算結(jié)果表明，全國(guó)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(duì)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(zhǎng)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(nèi)蒙及長(zhǎng)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(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

該項(xiàng)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(cè)數(shù)據(jù)、作物屬性數(shù)據(jù)綜合集成，對(duì)一季稻不同層次的生產(chǎn)潛力及其空間分布進(jìn)行1 km×1 km柵格尺度的估算和評(píng)價(jià) 。研究表明，我國(guó)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(nóng)業(yè)環(huán)境資源條件存在差異直接相關(guān)。

3.2 建議

為保障我國(guó)糧食安全，確保一季稻的生產(chǎn)與布局，針對(duì)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(nóng)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(zhì)優(yōu)良，生產(chǎn)潛力大，但受低溫災(zāi)害影響產(chǎn)量不穩(wěn)定，因此在生產(chǎn)與管理過(guò)程中要注意適時(shí)播種，加強(qiáng)田間管理，同時(shí)要加強(qiáng)適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件特別是能抵御低溫災(zāi)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(zhǎng)季內(nèi)發(fā)揮最大生產(chǎn)潛力，必須使一季稻生長(zhǎng)發(fā)育期與光、溫、水的變化同步，特別要使其生長(zhǎng)旺盛期與降水和高山冰雪融水的高峰重疊，同時(shí)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(zhǎng)期普遍偏短，氣溫日較差較小，稻谷質(zhì)量稍差，在保證一季稻產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)重點(diǎn)改良現(xiàn)有品種，培育新的優(yōu)質(zhì)品種。

（2）加強(qiáng)氣候變化研究，采取有效應(yīng)對(duì)措施。過(guò)去100年來(lái)，全球表面氣溫已經(jīng)升高了0.6±0.2 ℃，中國(guó)同期氣溫升高0.5 ℃～0.8 ℃。農(nóng)業(yè)是對(duì)氣候變暖最為敏感和脆弱的部門 之一，水稻是我國(guó)第一大糧食作物， 一季稻又是中國(guó)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(píng)估氣候變化對(duì)一季稻生產(chǎn)與布局的影響，在影響評(píng)估的基礎(chǔ)上探討切實(shí)可行的適應(yīng)性措施，減輕氣候變化對(duì)我國(guó)一季稻的危害，這對(duì)保障我國(guó)糧食供給安全具有重要意義。具體而言應(yīng)在一季稻生長(zhǎng)期的調(diào)控、品種改良、抗逆性、抗病蟲害等方面進(jìn)行深入研究，以適應(yīng)不斷的氣候變化。

（3）發(fā)揮科技促進(jìn)作用，提高生產(chǎn)綜合效益。在所有糧食生產(chǎn)中，水稻對(duì)技術(shù)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(jìn)步，在改良品質(zhì)、改革耕作制度上下功夫。今后，應(yīng)加強(qiáng)常規(guī)稻品的提純復(fù)壯，推廣水稻旱育稀植、機(jī)械化插秧、免耕栽培技術(shù)，以及稻、鴨、魚共生的生態(tài)學(xué)技術(shù)，切實(shí)提高水稻特別是一季稻生產(chǎn)的綜合效益和農(nóng)業(yè)科技的轉(zhuǎn)化效率。

（4）加強(qiáng)政策引導(dǎo)，穩(wěn)定播種面積。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下，比較經(jīng)濟(jì)利益是導(dǎo)致耕地資源流向非農(nóng)利用或優(yōu)質(zhì)糧田拋荒的最根本原因。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本上升較快，而糧食價(jià)格持續(xù)偏低，種糧收益明顯減少，耕地用途轉(zhuǎn)移或棄耕勢(shì)成必然。資料表明，近年來(lái)我國(guó)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(méi)有能夠阻止水稻總播種面積的下降。今后國(guó)家和地方政府要在農(nóng)資、稻谷價(jià)格等方面給予正確引導(dǎo)，千方百計(jì)地穩(wěn)定現(xiàn)有的水稻種植面積，特別注意提高優(yōu)質(zhì)一季稻種植面積。(編輯：李 琪)

參考文獻(xiàn)（References）

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