作物生产潜力研究进展_李三爱

作物生产潜力研究进展Ξ
李三爱1,2,居　辉2,池宝亮3
(11山西农业大学资源环境学院,山西太谷　030801;21中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所;
31山西省农业科学院旱地农业研究中心)
摘要:综述了国内外作物生产潜力从光合潜力到光温潜力、再到气候潜力和土地潜力的发展历史,对作物生产潜力的研究现状进行了评述,介绍了当前研究中常用的几种方法,探讨了研究中存在的问题及今后的发展方向,认为作物动态生长模型与地理信息系统的结合将成为研究作物生产潜力的发展方向。

关键词:作物生产潜力;研究历史;发展方向
1　国外作物生产潜力的研究历史
作物生产潜力的研究最早可追溯到德国化学家Liebig[1]1840年提出的“最小养分律”(Law of the M ini2 mum),他在研究干物质生产量与营养物质间供需关系时,从光能利用与同化C O2的角度提出了作物生产潜力模型。

在此基础上,T yler把Liebig最小养分律发展到植物营养因子以外的其他环境因子,被称为Liebig最小养分律,为后来的作物生产力的研究提供了基本的思路和方法。

后来英国学者布赖克曼[2] 1905年提出了“限制因子定律”,把最小养分律扩大到养分以外的因子,该定律认为:增加一个因子的供应可使产量增加,但遇到另一个因子不足时,即使再增加前一个因子也不能使产量继续增加。

这一论点为研究作物生产力问题提供了最基本的思想,即生产力与众多制约因子的关系虽然相当复杂,但通过分析最关键的限制因子并能使其得以改善则可使生产力明显提高。

M itherlich[3]进一步将其发展为“收获量定律”,他假定环境条件处于理想状态时,作物达到的最高产量为A,假如某种因子缺乏时,产量则相应减少,且减少量与作物最高产量的减少量成比例关系。

虽然收获量定理未能确切的表达影响量以及影响程度的大小,但却是农田作物生产潜力估算模型的最早尝试。

19世纪20年代初,一些学者利用量子效率理论研究光合作用过程,认为作物生产潜力的大小最终取决于光照的多少及光能利用效率的高低。

光合作用机制以及光合作用与环境条件关系研究明确了太阳辐射是绿色植物进行光合作用的能源,也就是从辐射、反射、漏射、呼吸消耗等方式来计算作物光合生产潜力。

这方面日本的村田吉男[4],美国Loomisl 和Williams[5]等从作物的光合效率及干物质生产潜力的角度作了大量研究工作,利用量子效率概念进行了生产潜力研究,提出生物生产量(Y)与太阳总辐射(Q)之间的估算模式,而且理论上推算出作物最大光能利用率为5%～6%,但由于光合潜力未涉及其它因素如温度和降水对产量潜力的制约作用,而仅考虑了光合作用,因此,计算结果偏高,与实际产量相差甚远。

考虑到温度对光合生产潜力的影响,许多学者把光温生产潜力作为理论上限,用温度影响函数对光合生产潜力进行校正,研究光温生产潜力,其中Wagenigen模型、联合国粮农组织(FAO)的农业生态地区(AEZ)法对光温生产潜力研究较为深入,其思路和方法框架被世界不同区域采用。

Wagenigen模型考虑不同作物的品种特性、生长期长度等,能够反映不同作物的生产潜力,但模型的校正系数大部分只与温度等气候要素相关。

AEZ法比较全面地考虑了影响作物生育的辐射、温度等气候因素,并根据种植作物的特点考虑了生长期长度,不同生育阶段的水分需求等,总体而言方法的思路较严谨,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,因此在研究中得到较为广泛的应用,其缺陷在于以整个生育期内的平均辐射、温度为基本变量,没有考虑这些因子的季节分布特征对产量的影响,同时,参数的区域适用性及校正等问题也降低了其估测的精确性,国内曾有学者对该方法的一些参数提出了修正[6]。

此后作物生产力研究逐步转向气候生产潜力,
Ξ收稿日期:2004-05-12
　基金项目:“十五”国家科技攻关项目“北方旱区高效农牧结合发展模式与技术研究”(2001BA508B09)　作者简介:李三爱(1976-),山西忻州人,硕士研究生,研究方向:作物生产潜力。

中国农业气象(Chinese Journal of Agrometeorology) 2005,26(2):106-111
即把光照、温度、降水等因素综合考虑进去探讨作物生产潜力。

如Hanks[7]等从作物生产与水分有效利用的关系提出各种计算模型,归纳起来大致有两类:一类是采用降水量与作物需水量比较,其结果为光温水气候生产潜力,另一类是从农田实际蒸散量与作物需水量比较反映水与产量关系的实际状况,分析光温水生产潜力。

由于水分因素与作物生产力关系的复杂性,以及相关参数获得的难度与精确性等问题,气候生产潜力的研究在总体思路上虽已成型,但研究成果的差异性比较以及可靠性程度存在问题较多。

随后作物生产潜力的研究得到进一步的补充和完善,并在实践中得到应用。

Higgins和K assam等对气候生产能力的有限性做了深入的研究[8],德米季洛伊科提出了有效降水量的概念,并建立了水分效应模型。

切卡沙尼卡提出了C O2浓度对产量的订正公式[9],樱谷哲夫从生理角度论述了蒸散与作物生产力的关系[10],这些研究为生产潜力的深化和发展做了铺垫和补充。

2　国内作物生产潜力的研究历史
国内生产潜力研究起步虽晚,但发展比较迅速。

任美锷[11]首先提出了我国农田作物生产力问题, 1950年发表的“四川省农作物生产力的地理分布一文”,标志着我国对作物生产力研究的开始,并以农田生产力为基础估算了土地承载力。

1963年,气象学家竺可桢[12]从气候角度对作物生产潜力进行了初步研究,汤佩松从植物生理的角度探讨作物的生产潜力,指出长江流域单季稻光能利用率达到3%时,单产可达21117t/hm2。

70年代黄秉维[13]在国内最早提出了光合潜力的概念,他综合了国内外的研究成果,全面考虑了作物群体对太阳能的利用、反射、吸收、转化、消耗等多种因素后,并对Loomis和Williams所提出的光合潜力计算公式进行了修改,得出了简化的光合潜力计算式,光合潜力的计算公式为:P f=0192Q式中P f为光合潜力值(kg/hm2),Q为太阳总辐射(kcal/cm2),并认为理想状态下的最大光能利用率为6113%。

这种估算植物生物学和生理学方面的前提基础是假定温度降水等条件适宜,作物对光能利用的上限速率合成光合产物,是一种简单实用的粗略估算一地物质生产潜力的方法,但该方法忽略了作物之间的区别,具体应用时估算结果有一定的偏差。

陈明容[17]首次把温度效应系数引入到生产潜力的估算中,随后梁荣欣、侯光良、龙斯玉、牛文元等又将光温生产潜力的概念延伸和发展,不仅考虑到了光温对作物生长发育的作用关系,还考虑了作物叶面积动态对作物产量的影响。

之后,于沪宁等分别对温度效应系数进行了深入研究,并推导出了作物的光温生产潜力计算式,并且于沪宁、赵丰收、李世奎等在总结前人研究光合生产潜力的基础上将光合反应划分为能源和原料的输送、能量转化、生物化学等三个阶段,并分别分析不同阶段的光合效率和限制因子,以区别不同作物的发育阶段[14-15]。

孙惠南[16]以黄秉维的光合潜力模式作为计算光合潜力的依据,并采用“衰减法”,用温度和水分对光合生产潜力进行了订正。

李世奎进一步在喜温和喜凉两大类中分别给出各主要农作物具体的温度订正函数,对光合生产潜力进行了订正估算并算出光温生产潜力。

这些研究方法为快速地估算一地的光温潜力提供了一种解决的方案,至此,我国光合、光温生产潜力研究思想体系基本完善。

但是“衰减法”比较笼统和模糊,它未能区分不同作物对不同温度敏感性的差异,更未能按生育期调整。

此后在光温生产潜力的基础上陈明荣[17]、侯光良[18]等采用自然降水订正法对不同地区的光温生产潜力进行订正,估算出光热水生产潜力。

田国良[19]、于沪宁[20]、赵名茶[21]、李世奎[22]等诸多学者,从不同的角度研究了气候生产潜力,并对我国气候生产潜力的空间分布进行了较多的探讨。

3　作物生产潜力的研究进展
311　国外作物生产潜力的研究进展
目前欧美等国已经开始普遍采用数值方法探讨生产力分布状况,从1970年荷兰科学家DeWit研制出第一个作物计算机模拟模型E L-CROS以来,国外、国内相继开发出数十个作物生长模拟模型,其中尤以CERES、G OSSY M等模型最为著名。

作物生长模拟模型反映的是作物生长和发育的基本生理生态机理和过程,被称为机理模型或过程模型,与传统的反映因果关系的统计回归模型有显著差别,它具有系统性、动态性、机制性与预测性,更重要的是它具有通用性,适用于任何地点、时间和品种,不受地区、时间、品种与栽培技术差异的限制。

因而,在资源生产潜力评价中应用广泛。

90年代以来,随着电子信息技术的迅速发展,计算机模型与高新技术的结合成为研究农田作物生产潜力新的发展趋势。

由于模型复杂而且机理性强,包含的参数多,因此模型参数的获取及其可靠性影响到模型的应用。

一般而言,作物模拟模型是基于单点的系
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第2期李三爱等:作物生产潜力研究进展
统[23],大部分输入数据也是针对具体地点的,因此在空间外推上很不理想[24]。

在将假设环境均匀的小区水平的作物动力模型应用于更大空间尺度和更高级系统水平时,面临的最大问题是升尺度连接(scaling-up)。

需要解决环境信息的时空变异,响应变量的空间归并,以及由于空间平均、时间变异和现有模型未考虑的新特性和新过程时所产生的偏差问题。

GIS可以将时间作为第四维空间进行考虑,把基于机理过程的作物生长模型(即随时间而发生的变化)结合进来,将有利于对作物生长过程中的时间和空间变量进行分析。

将GIS与作物模型结合的方法研究作物生产潜力,一些应用研究人员在这方面开展了深入研究[25],是目前估算作物生产潜力较为理想的方法。

312　国内作物生产潜力的研究进展
31211　以公式概算等为主要研究方法的作物生产潜力研究
我国作物生产潜力研究比较广泛,为了寻求我国北方旱区农业实际的降水生产潜力值,王立祥等在前人工作的基础上,实施田区定位研究、公式概算和寻求高产记录相结合的方法研究作物生产潜力,作为农田作物水分生产潜力研究的基本技术方法,研究结果在生产实践中得到广泛的应用,公式概算法中以FAO农业生态区域法(AEZ)应用较多,王立祥[26]等较早运用了FAO农业生态区域法计算作物光温生产潜力,并根据作物主要发育阶段需水和降水季节分配的吻合程度,确定各阶段作物需水满足率,计算自然降水生产潜力理论值。

陈阜等[27]运用田间定位试验、高产田块调查及理论公式测算等多角度方法,对半干旱偏旱区农田水分生产潜力进行了研究,得到春小麦产量与降水、风速、温度、日照等8个气象因子间的回归模型,并计算了不同年型不同作物的生产潜力。

冷石林[28]在北方旱农地区通过4年的大田试验和统计分析,明确了开发北方旱农地区降水生产潜力的限制因素,提出了以提高农田水分利用率和水分利用效率为中心的降水生产潜力开发途径关键技术体系。

这些研究成果为因地制宜实行科学的综合技术,充分发挥当地的资源潜力,提供了可靠的理论依据。

近年来,作物生产潜力模型不仅局限于气候潜力的研究,而且也扩展到其他的相关领域。

申元村[29]、周锁铨等[30]在气候生产潜力的基础上用土壤有效系数f(s)订正气候生产潜力;尚新明[31]应用M i2 ami模型系统分析了定西地区气候资源生产潜力和气候资源生产潜力的利用率,在此基础上研究该地区的土地资源人口承载力状况;谢俊奇[32]运用AEZ 方法研究了中国土地资源及其生产潜力,并计算了全国及各地土地的人口承载力。

目前总体上已经形成由光合潜力、光温潜力、光温水潜力到土地生产潜力的经验-机理模型和成熟的计算流程,并被广泛地应用到不同尺度的土地生产潜力评价中,这些研究结果对认识农田生产潜力和指导生产实践起了重要作用。

估算区域内农田作物生产潜力,明确作物生产力的开发前景及其影响作物生产潜力的限制性因子,具有重要的理论意义,公式概算法通常多考虑光、温、水等环境因素,较少的涉及作物生长发育机理,计算过程多以作物生长发育阶段或旬为时间步长,不可避免会忽略极端气象因子如光、温、水分胁迫等对作物生产潜力的影响,而且通常未考虑土壤特性及土壤有效水分对作物生产潜力产生的影响;田区定位试验法反映的是当时的栽培管理方式和一定的气候条件下的潜力值,不能反映大田条件下不同气候条件下的潜力值,不具有普遍的适用性;典型高产纪录值只代表了局部小气候条件和具体年份的作物潜力值,与实际的大田潜力仍存在较大的差异。

如何提高理论估算的准确性与可靠性,有待于深入研究。

31212　作物生长模型、地理信息系统在作物生产潜力研究中的应用
“公式概算—田区定位试验—高产纪录值调查相结合”研究农田水分生产潜力的方法,成为国家旱地农业增产技术研究攻关项目中水分生产潜力专题研究的技术路线,虽然取得了一定成效,但由于普适性不强,费时费力,而且各自的研究角度不同,通常三者所获得的潜力值差异较大,在实践中进一步推广应用带来了困难。

鉴于传统研究方法中存在的不足,我国开始吸收荷兰和美国的作物生长模型来研究作物生产潜力,主要模拟光、温、降水对作物生长的影响,并对有关气候和作物参数做了一定的修正。

我国的作物模拟研究起步较晚,但发展也比较快。

高亮之等[33] 1985年在美国建立了A LFAM OD模型,它主要是用来模拟气候和土壤对苜蓿生长的影响,标志着我国真正的作物模拟研究的开始。

90年代以后,金之庆等采用CERES与G C MS耦合方法,评价了全球气候变暖对中国粮食生产的影响。

高亮之、金之庆等[34]将水稻生理生态的计算机模拟技术与水稻栽培的优化
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・中国农业气象第26卷
原理相结合,首次研制成水稻栽培计算机模拟优化决策系统(RCS ODS),该系统不仅具有较强的解释性,而且将水稻模拟与环境资源研究相联系,在长江流域地区试用已经取得了较好的效果。

高亮之等[35]在1992-2000年间又研制成小麦栽培模拟优化决策系统(WCS ODS)。

这两个系统都有较强的预测功能,问世以后很快受到农业生产部门的广泛欢迎[36],推进了作物模拟技术在作物生产实践中的应用。

随着国外生产力数值模型的发展,国内学者也尝试利用生产力数值模型模拟计算作物生产潜力,刘建栋等[37]在总结了前人统计模式的基础上,借鉴了国内外地理学、农学、气象学、生物学等领域的最新研究成果[38-39],建立了一个光合生产潜力数值模拟模型。

并且利用中国小麦生态实验资料建立了黄淮海地区冬小麦发育阶段模式和光合作用、呼吸作用等模式[40]。

随着研究手段的不断提高,我国模型研究不断地得到完善和发展,但模型毕竟是对复杂的农田系统的简化,还需在生产实际中进一步得到检验和发展。

当前我国学者在研制作物生长模型方面有了一定的进展,但仍以国外研制的作物生长模型使用较多,且以CERES模型应用较多[41-43],应用于评价未来气候变化情况下作物生产力的变化。

在地区作物生产潜力评价方面A LM ANAC、CERES和EPIC等物理模型都有应用,李军[44]引进作物生长模型A L2 M ANAC模拟黄土高原地区作物产量潜力,验证了该模型的在黄土高原地区有较好的适用性,应用从美国引进的作物生长模CERES[45-46]对黄土高原地区的作物生长进行模拟,王宗明等[47]应用EPIC模型进行黄土塬区冬小麦和春玉米生产潜力模拟研究。

研究表明应用作物生长模型模拟研究作物生产潜力具有较好的适用性,通过模拟不仅可以准确的获得各种年型的作物产量潜力值,较通常的公式概算省时省力,而且可以减少作物生产潜力研究中的田间试验年限。

存在的主要问题是逐日气象资料的获取较为困难,干旱年份的潜力值的模拟值与实测值的相对误差较大[48],需要对作物、土壤等参数的修正方法加以改进。

目前生产力模拟模型研究的发展,除了通过多点研究和检验及进一步完善模型之外,主要尝试将模型方法与地理信息系统相结合。

作物生长模拟技术用来描述某一位置上特定生长环境下的生长状态,GIS用于描述农田空间上的差异性,可提供田间任一小区、不同生长时期的时空数据,同时,GIS具有强大的对空间数据进行储存、处理、分析和可视化的功能。

作物动态生长模型与地理信息系统相结合,在决策者的参与下,可定量研究各种土地利用方案下的作物生产力,制定出切实可行的决策方案,提供科学的管理方法,成为研究农田作物生产潜力新的发展趋势。

党安荣[49]等首先探讨了基于GIS的土地生产潜力研究方法。

在地理信息系统(GIS)及全国农业空间数据库和属性数据库的支持下,在前人农业生产潜力研究的基础上进行了全国土地生产潜力的研究。

李忠武[50]等以黄土丘陵沟壑区典型小流域晋西狼窝沟为例在地理信息系统技术的支持下,应用YIE LD模型对该流域的作物生产潜力进行了模拟。

熊伟[51]选择具有基于站点模拟功能的CERS模型,对模型的计算读写功能进行了改进,使其与GIS数据库建立联系,将站点模型扩展到区域模型,但由于区域作物模型需要的大部分参数没有现成的高分辨率精度的数据,需要大量的过程和模型来对低精度和低分辨率的数据进行内插,对站点数据外推。

模型模拟与地理信息系统相结合研究作物生产潜力为生产潜力的研究提供了一种有效的手段和方法,成为目前生产潜力研究的热点。

但是由于模型与GIS 结构不同、在不同操作环境下运行,但两个系统间有输入输出数据文件的交换[52],使得面向用户的模型与GIS结合有一定的困难,作物模型与地理信息系统的集成问题尚有待于进一步研究。

4　存在问题及发展方向
总体上看农田作物生产潜力的研究经历了从光合潜力到光温潜力,再到气候潜力和土地潜力的发展历史,内容日趋完善,范围愈加广泛。

随着研究手段的不断提高,作物生产潜力研究将由静态分析走向动态模拟,由单一因素走向综合因素研究,作物动态生长模型与地理信息系统的结合将成为研究作物生产潜力新的发展趋势。

存在的主要问题有:
(1)各种方法及模型测算潜力值统一性差造成可比性太弱,用各种模型方法测算同一地点的作物生产潜力差异大,而在不同地区用各种方法测算的潜力值无法比较。

模型的可靠性及适用性有待于进一步研究,而且多数旱地潜力试验研究局限与田间小区定位观测,资料数据的代表性不足,缺乏大面积多年连续的确定能代表区域特点的有关参数资料,这种以点代面的方法造成潜力分析结果失真,应以多面多点的田间试验与宏观区域调查研究相结合的方法研究生产潜力。

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第2期李三爱等:作物生产潜力研究进展
(2)潜力的研究仍局限于气候、土壤等自然因素,而对社会经济、管理技术、作物品种特性、自然灾害等因子考虑较少。

今后应从单纯考虑自然因素转向自然因素与社会经济技术因素相结合,是作物生产潜力进一步开发的研究方向。

(3)由于作物生长物理模型的精确性较高,成为当前研究的一个热点。

但人们在评价作物生产潜力和进行环境因子对作物影响的研究时,采用方法仍然有所差别,虽然这种做法可能会促进作物生产潜力研究方法的发展,但也造成研究结果的可比性降低,另外模型的适用性研究和参数调整尚未大范围的展开,作物模型参数确定以经验、资料为主,缺少多点多品种系统的观测试验数据,应根据模型的要求和各地的自然条件,建立模型所需要的标准化参数数据库,组建模型运行所需的气候、土壤和作物特性数据库,为模型使用者提供方便,以降低模型应用的难度。

(4)机理性的作物生长模拟模型作为生产潜力研究的一种方法,已经在国内外广泛应用,并且验证了有较好的适用性。

然而,把来自属性均匀小区上的动力作物生长模拟模型应用到更大区域,需要解决时空变异、升尺度连接等许多科学问题,还要借助地理信息系统、遥感网络等现代信息技术和数学方法,其中很多问题还有待于探讨和解决。

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