农业生产潜力计算模型的研究与分析

农业生产潜力计算模型的研究与分析
张晋
【摘要】本文对农业生产潜力的计算模型进行了分析和研究,提出了多种模型的计算公式、优缺点及适用范围,对各模型在国内不同区域的使用情况进行了统计与分析.本研究对于指导农业生产,提高粮食生产能力具有非常重要的意义.%This paper analyzed and studied the agricultural potential productivitycalculation model, and put forward a variety of model formulas, giving their merit, shortcoming and applicationscope. Finally, the use of modelsin difference regionswas analyzed. This study would play an important role in guiding agricultural production and improving grain production capacity.
【期刊名称】《农业网络信息》
【年(卷),期】2015(000)004
【总页数】5页(P5-9)
【关键词】光合潜力;光温潜力;气候潜力;计算模型
【作者】张晋
【作者单位】山西农业大学信息学院环境科学与食品工程系,山西太谷 030800【正文语种】中文
【中图分类】TP315
20世纪50年代提出了“农业生产潜力”这一概念，用来描述粮食生产能力的变
化。

农业生产潜力，也叫土地生物生产能力，指在一定的太阳幅射、气候、土壤、社会经济及优良品种、良好管理、无病虫害等条件下，某一作物转化为生物化学潜能的能力[1]。

目前主要用机制法对农业生产潜力进行研究，即从土地生产力的形成机制入手，推算不同条件下的农业生产潜力。

1 机制法模型研究综述
该方法是在生理生态学研究基础上提出的，对光、温、水、土等自然生态因素以及育种、灌溉、耕作、施肥等农业技术因子进行了充分的考虑，并对光合生产潜力进行逐级订正。

其函数模型表示为：
式（1）中，YF：粮食生产潜力；Q：太阳总辐射；f（Q）：光合有效系数；YQ：光合生产潜力；f（T）：温度有效系数；YT：光温生产潜力；f（W）：水分有效系数；YW：气候生产潜力；f（S）：土壤有效系数；YS：土地生产潜力； f （M）：社会有效系数[2]。

从模型可以看出，农业生产潜力是以光合生产潜力为基础进行估算的，经过温度衰减后得到光温生产潜力，再由水分衰减后得到气候生产潜力，然后由土壤衰减后得到土地生产潜力，最后由其它因素衰减后得到现实生产潜力。

1.1 光合生产潜力
光合生产潜力指当温度、水分、土壤、肥力及其他农业技术因子等处于最适宜条件下，只考虑太阳辐射所确定的生产潜力。

目前最常用的估算方法有：黄秉维模型、李世奎模式、于沪宁——赵丰收模型和邓根云模型。

1.1.1 黄秉维模型
黄秉维[3]模型按人为因素对影响农作物生产的自然因素进行了区分，提出了农业
生产潜力的概念和研究方法,模型可表示为：
式中，Q：太阳总辐射；0.92为系数。

它的计算过程为：
a=Q （太阳总辐射：卡/厘米2）
b=a*47% （太阳总辐射中可见光部分）
c=b*95% （投射于植物的太阳光）
d=c*90% （投射于光合器官上的可见光）
e=d*93.5% （未被反射的可见光）
f=e*8.64（可见光平均每卡的量子数为8.64微爱因斯坦，将e项换算为量子数：微爱因斯坦/厘米2）
g=f*0.110（微爱因斯坦的光量子能合成1微克分子的碳水化合物：微克分子/厘米2）
h=g*0.75（有75%的碳水化合物在光合作用中未被氧化为CO2）
i=h* （（30/1000000）/500）* （666.67*1002）=h*0.41（h进行换算：微克分子碳水化合物的质量为（30/1000000）克：斤/亩）
j=i/0.92（植物质中无机养分的含量约8%）
k=j/0.85（植物中根、茎、叶、籽粒、果实等含水量约15%）
l=k/2*15=k*7.5（换算成：公斤/公顷）
即：
黄秉维是中国最早提出光合潜力的学者，他的公式简便易行，一直被广泛使用。

但也因为它考虑的因素较少,对不同地域和作物没有进行区分，计算结果误差较大。

1.1.2 李世奎模型
李世奎从太阳辐射能转换原理出发，提出了光合生产潜力的计算模型：
式中，Q：总辐射能；ε：生理辐射系数，通常取值0.49；α：反射率；ρ：无效吸收率，通常取值0.1；γ：光饱和限制率，在自然条件下可以忽略；φ：为光合作用的效率；：为呼吸作用的损耗率，取0.3；χ：有机物中的水分含量，取0.14；H：每形成1克干物质所需要的热量，取值1.78×107焦耳/公斤。

i：时间步长，通常取值为生育期或天数；Li：不同生育期叶面积指数；L0：最大叶面积指数。

从公式（4）可看出，李世奎模型比黄秉维模型有了显著的改进，它引入了叶面积指数（LAI），可以区分不同作物计算其光合生产潜力。

但在模型公式中，光饱和限制、无效吸收率、量子效率等参数的取值是不变的，也未区分作物和生育期，显然用此模型计算的生产潜力与实际生产潜力还是有差距的。

1.1.3 于沪宁-赵丰收模型
于沪宁、赵丰收[4]把作物光合生产过程划分为了三个阶段并分析各阶段的效率和
限制因素，其计算模型公式如下：
式中，YQ：光合生产潜力（kg/hm2）；Q：太阳总辐射量（cal/cm2）；ε：太阳总辐射中可见光（0.38-0.71μm波段）所占的比例；α：反射率，介于4%-10%之间，一般取值8%；β：漏射率，通常取平均值6%；γ：光饱和限制，可忽略；ρ：非光合器官无效吸收率，Loomis和Williams的研究认为ρ取值为10%；ω：呼吸效率，温带作物一般平均呼吸损耗为30%；φ：量子效率，可计算为
φ=112/（50*10）=0.224； H为形成1g干物质所需要的能量，平均值值4.25 kcal；8%表示植物体中无机养分的含量。

于沪宁--赵丰收的光合潜力模型有着扎实的理论基础和清晰的分析思路。

但模型中的大部分参数在计算时仍然采用前人研究的取值结果，限制了这种进步的发挥。

1.1.4 邓根云模型
邓根云认为，影响光合作用的因素有两个：一是光能利用率，二是植物生长的四个基本因子：光、温、水、气（CO2）。

邓根云在具体农业生产潜力估算时提出了
光能利用率的上限为4%，并提出了自己的模型：
式中，C：能量转换系数，大多数作物可取平均值为4.25（kcal/g）；F：光能利
用率，取值4%；E：经济系数；Q：太阳总辐射。

因此上式可改写为：
邓根云模型重点强调光照和温度两个因素对农业生产潜力的影响，邓根云模型在实际中的应用十分广泛，但它忽略了不同作物在光能利用、叶面积指数、非光合器官比率等方面的差别。

1.2 光温生产潜力
光温生产潜力是指在水分、土壤、品种及其他农业技术条件均处在适宜条件下，仅由光照、温度作为作物产量的决定因素时，所确定的作物生产潜力，是灌溉农业产量的上限。

其计算公式为：
式中， YT：光温生产潜力（kg/hm2）； f（T）：温度订正系数。

对于温度订
正系数的确定方法很多，主要有孙惠南模型、李世奎模型、邓根云模型、于沪宁--赵丰收模型等。

1.2.1 孙惠南模型
孙惠南[5]选择了无霜期作为温度指标，以黄秉维的光合潜力模型为基础，提出了
温度和水分有效系数。

假设某地区的无霜期为n天，那么该地区的温度有效系数
可以表示为n/365，其光温潜力模型为：
式中，YQ：黄秉维光合生产潜力（公斤/公顷），Q：太阳总辐射（卡/厘米2），
n/365：温度有效系数，（1-n/365）：温度衰减系数。

孙惠南模型的优点是参数容易获取，便于实际计算，但其太笼统，适用于大区域光温生产潜力的计算。

1.2.2 李世奎模型
李世奎[6]把作物分为两类：喜凉作物和喜温作物，并分别提出了温度订正系数的估算。

喜温作物如（玉米）的温度订正函数采用莱亨公式[7]：
对于喜凉作物来说，其最适温度仅局限于一个较小的范围。

喜凉作物的温度订正函数为：
式中，T0为最适温度；T为实际温度。

将作物逐日温度资料代入上述两公式，即得到逐日温度有效系数序列。

因此，李世奎的光温生产潜力模型可表示为：
公式中，i：日期序号或生育期序号，根据精度要求而定。

李世奎模型对光合潜力进行温度订正时首先将作物进行了类别的划分，对于不同作物不同温度区间的有效系数作出了精确的计算，这是一个很大的进步。

1.2.3 邓根云模型
邓根云[8]认为：对于不同物种，温度对光合速度的影响也不同，但都有一个下限温度和一个最适温度。

其分段函数如下：
邓根云模型计算出来的全国光温生产潜力比较符合实际情况，但是该模型没有给出不同作物的具体温度订正函数，也未对大于30℃的情况作相关的说明，存在一定
的局限性。

1.2.4 于沪宁-赵丰收模型
于沪宁等认为：在最适温度的范围内，温度每升高10℃，光化学反映速率增加2～3倍。

温度订正函数为：
式中，T为作物生育期内平均温度。

该式表征了光合作用的效率与温度的关系，具有很强的地区相关性，但当该模型应用到其他区域时是否需要修改其参数，于沪宁和赵丰收并未给与说明。

1.3 气候生产潜力
气候生产潜力是在光温生产潜力的基础上进一步考虑自然条件下水份供给条件对作物生长的影响所得的土地生产潜力。

其计算公式是对光温生产潜力进行水分修正，即：
式中：YW为气候生产潜力，YT为光温生产潜力（kg/hm2），f（W）为水分修正系数。

比较常用的水分订正模型有孙惠南模型、龙斯玉模式、李世奎模型。

1.3.1 孙惠南模型
孙惠南提出的水分订正函数是由Doorenbos[9]公式推算出来的，其函数如下：
式（17）中，r：降水量；E：实际蒸散量；B：径流深度。

孙惠南模型在参考干湿指数的基础上，考虑到我国因受季风影响而使年内水分分配不均的情况，以及灌溉因素对水分的调节作用，很好地解决了季风影响区的水分有效系数问题。

1.3.2 龙斯玉模型
龙斯玉[10]认为，旱生作物和水生作物对水分的反应是不同的。

旱生作物和水生作
物当降水量少于某一低限值Hmin时，都不能进行光合作用，当超过Hmin以后，随降水量的增加产量也增加，在适宜降水量E0条件下的产量最高，当超过适宜降水量时旱生作物产量会减少，并呈线性关系：
式中，Hmin对旱生作物来说，一般为4E0，因此公式可转换为：
而对水生作物来说，不存在水分过多问题，当超过 E0 时， f（W）=1。

1.3.3 李世奎模型
李世奎把水分订正系数定义为实际蒸散量与最大蒸散量之比：
式中，ETm为土壤水分供给充足时的作物最大蒸散量，ET为水分供给不足时的实际蒸散量。

mm为水分供给充足时的作物干物质产量，m为水分供给不足时的作
物干物质产量。

K'为反应系数，据实验研究表明，大部分主要粮食作物的K'值都
在1左右。

ETm可由彭曼公式求出。

式中，C：从地表和渗入地下的流出量与降雨量的比例系数，取值为0.2；R：大气降水。

故f（W）改写为：
通常情况下，如果作物排水良好并且即水分条件能满足最大蒸散量，同时又能即
时排掉多余的水分，这时的产量将不受水分状况的影响。

所以，的分段函数形式
如下：
李世奎把实际蒸散量和最大蒸散量的比值定义为水分订正系数，这显然也参考了Doorenbos模型。

2 各模型在国内不同区域的特征分析
目前，我国有七个地区，各个地区由于种植的作物，气候，土壤等社会和自然的因素不同，在研究农业生产潜力时采用的模型也不同。

以下选取华北（包括北京、天津、河北、山西、内蒙古），西北（包括陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆）和西南（包括四川、重庆、云南、贵州、西藏）三个地区，对其农业生产潜力模型的使用情况进行统计和分析。

2.1 情况统计
2.1.1 华北地区
光合生产潜力：黄秉维模型，李世奎模型，邓根云模型，AEZ模型。

光温生产潜力：孙惠南模型，李世奎模型，迈阿密模型，侯光良模型。

气候生产潜力：孙惠南模型，Doorenbos模型，龙斯玉模型。

2.1.2 西北地区
光合生产潜力：黄秉维模型，邓根云模型，李世奎模型，龙斯玉模型。

光温生产潜力：孙惠南模型，李世奎模型，喜凉喜温订正模型。

气候生产潜力：Doorenbos模型，孙惠南模型，龙斯玉模型，李世奎模型。

2.1.3 西南地区
光合生产潜力：黄秉维模型，邓根云模型。

光温生产潜力：孙惠南模型，最适和上限温度影响函数模型。

气候生产潜力：孙惠南模型，龙斯玉模型。

2.2 研究结论
本文在对华北、西北和西南三个地区模型使用情况的对比分析的基础上，得到以下结论：
（1）三个地区所用的模型大多是我国学者自70年代以来创立的，符合国内耕地生产潜力实际。

（2）三个地区所使用的模型大同小异，光合生产潜力主要采用黄秉维模型和邓根云模型，光温生产潜力和气候生产潜力采用孙惠南的温度和水分订正系数模型。

（3）现有的成果非常全面和完整地考虑了对光、温、水等气候因素对农业生产潜力的影响，但对土壤有效系数的计算还在进一步的探索中。

参考文献
[1]孟庆香,刘国彬,常庆瑞,等.陕北黄土高原农牧交错带土地生产潜力及人口承载力[J].西北农林科技大学学报（自然科学版）,2006,34（12）：135-141.
[2]党安荣,阎守邕,吴宏歧,刘亚岚.基于GIS的中国土地生产潜力研究[J].生态学报,2000,20（6）：910-915.
[3]黄秉维.中国农业生产潜力-光合潜力[A].地理集刊 1985,（17）：15-22.
[4]于沪宁,赵丰收.光热资源作物生产潜力-以河北省架城县为例[J].气象学
报,1952,40（3）：327-334.
[5]孙惠南.自然地理学中的农业生产潜力研究及我国生产潜力的分布特征[A].地理集刊,1985,（17）：235-240.
[6]李世奎.中国农业气候资源和农业气候区划[M].北京：科学出版社,1988,124-144.
[7]Ccellho D T,Dale.Agronomy Journal[J].1980,（72）：5-6.
[8]邓根云,冯雪华.我国光温资源与气候生产潜力[J].自然资源,1980,（4）：11-16.
[9]J.Doorenbos A.H.Kassam.yield response to water[J].F.A.O.1974,6-12.
[10]龙斯玉.我国小麦气候生产力的地理分布[J].南京大学学报（自然科学版）,1983,（3）：21-26.。