土地生产潜力的方法

以光温阶乘模型预测土地生产潜力的方法探讨摘要:土地生产潜力是土地资源评价的重要内容之一。回顾总结了土地生产潜力的起源及发展过程，系统的分析了土地生产潜力的研究方法，并把这些方法归幼为三类:理论计算法、经验公式法、高产地块法，探讨了光温阶乘模型的使用条件、特点及局限性。最后对光温阶乘模型研究土地生产潜力的努力方向做了进一步展望，提出了一些建议。关键词:土地生产潜力;光温阶乘模型；绵阳市土地的生产潜力是指在一定条件下某种生物产品（粮食，经济作物等）的内在生产潜力，一般用单位面积的产量来表示，它是反映土地质量高低的一个重要指标。它的生产潜力很大程度受到自然因素，土地资源的数量和质量的影响，同时也受到社会、经济、技术等的制约。一个地区土地生产潜力是受多种因素共同影响的结果。1发展过程与起源土地生产潜力的研究,始于1840年，。这一阶段以利比希提出最小因子定律为先导,定性分析环境因子对生物生产量的影响。1862年这个阶段研究侧重于植物群落与其环境因子之间相互关系的研究,土地生产力的研究与生态学研究相互补充,确立了生产潜力研究的萌芽。1963～1972年国际生物学计划(IBP)在世界范围内对第一性生物生产量进行一次大规模测定与普查,使产量—因子相关模型的建立成为可能,土地生产潜力研究迅速发展,土地生产潜力的统计分析更加精确。在土地生产潜力研究发展过程中,产生于20年代末的农业生态区法是一项重要成果,至此以后,其研究没有突破性进展。但是二、三十年来土地生产潜力仍受到广泛的国际关注,并作了大量的工作。在我国土壤生产潜力的研究大致可以分为三个阶段，第一阶段大约是20世纪60年代，任美锷以农业生产力为基础估算土地承载力,汤佩松、竺可桢分别从作物生理和气候角度讨论了作物生产潜力,第二阶段在70年代,以光合生产潜力和光温生产潜力研究为主,其研究思想体系基本完善。第三阶段是80年代至今,土地生产潜力研究更为广泛,有关学者进行了气候生产潜力及农业生产潜力的研究,并进行了气候生产潜力区划。2土地生产潜力的影响因素评述土地生产潜力的影响因素包括能量因素、物质因素、间接因素、技术水平，灾害等、其中能量因素的影响主要是太阳辐射的计算，植物的能量主要来自太阳辐射，但绿色只能吸收光谱在0.3——0.75微米辐射波段的太阳辐射，一些学者提出的计算方法为：Rt=R0(a+b*n/N)其中a,b根据不同区域来确定，n和N分别为当地的实际和可能的日照时数。其次是叶面积系数的影响，当能量到达地表时，并没有全部到达植物光合作用的部位，评价时我们选取群落的优势种为对象.在物质因素的影响中，主要是空气和养分，作物在生长过程中主要与三种空气成分相联系：二氧化碳，氮气，氧气，而作物的养分主要来源土壤，土壤的状况直接影响其生产潜力。间接因素影响中，主要受农作物的生长期的影响，以及温度的影响。技术，灾害的影响也不可忽视，传统的土地生产潜力模式的评价中，对经济利益考虑的较多而很少考虑人为因素和其它的自然因素，但在随着科技的不断发展，科技在土壤生产中发挥了巨大的作用，对土地生产潜力的影响日趋明显，同时一些客观的自然因素也（地震，泥石流，滑坡）也对土壤生产潜力有所影响，尤其是在地质灾害的多发地段。3土地生产潜力的计算方法评述土地生产潜力的研究己经有一个多世纪的历史，在这期间众多学者从各个角度对土地生产潜力进行了研究，总结出了大量有价值的估算方法，归纳起来可以分为三类，即理论计算法、经验公式法、高产地块法。3.1理论计算法土地生产潜力的形成是绿色植物在太阳能的作用下，通过光合作用将太阳能转化为化学能，将无机物合成有机物的结果。因此土地生产潜力的形成，实质上是能量物质的转化过程。土地生产潜力的估算可用量子效率的理论，从物质能量转化的角度来研究土地生产潜力，理论计算法又称机制法。这类方法以光温阶乘模型、瓦赫宁根模型和农业生态区域模型为代表。3.2经验公式法通过统计某种因子与产量的关系而得到的。自20世纪s0年代以来，国外一些学者从全球出发，以合理的种植密度下环境参数为依据来估算生物产量精心设计了一些模型。其中较为著名的是L}er}等人创建的:迈阿密模型、桑斯威特纪念模型、格斯纳一里思模型。3.3高产地块法这是计算土地生产潜力的一种简便易行的方法，尤其适合在县级规划应用。这种方法第一步是调查分析，调查区内各种高产地块，并分析高产条件和投入水平。第二步是以这些高产地块的产量作为规划末期普遍可以达到的产量水平来计算全区土地生产潜力。4以光温阶乘模型计算土地生产潜力4.1土地生产潜力可以通过以下几个阶段逐步订正来计算:光能生产潜力一光温生产潜力一气候生产潜力一土地生产潜力。即:（1）光合生产潜力。光合生产潜力一般是运用太阳辐射及其有关指标计算，常见指标有太阳辐射总量、生理辐射总量、光能利用率、干物质产热率、日照时数等。在我国广泛运用的公式还有经黄秉维订正和修改多项参数后得到的较为通用的经验公式:Y=0.123Q式中:Y为光合潜力(kgö(hm2·a));Q为太阳辐射总量(Jö(cm2·a));0.123为黄秉维系数。该公式简便易用,应用较广。80年代初期许多学者从不同角度计算了光能转换系数，如黄秉维提出了将太阳辐射Q乘以系数0.124便是光合潜力Y(Q)。估算光能生产潜力，是研究农业生产潜力的起点和依据。显然，直接采取一个系数乘以太阳总辐射的计算方法误差较大，而考虑了光饱和及植被的反射率、投射率等影响因素的模型的计算误差较小。(2)光温生产潜力。用衰减法计算光温生产潜力的一般模型为:Yt=Y*f(t)式中:Yt和Y分别为光温生产潜力和光合生产潜力(kg/(hm^2·a))。f(t)可通过无霜期及与植物生长有关的温度指标(如植物生长的上限温度、最适温度、下限温度等)计算确定。其中影响较大的是瓦赫宁根方法，但是主要适用于估算小麦、玉米、高粱、苜蓿等作物的产量，还有就是农业生态区域法，这种方法应用的范围更广，适合于更多的作物，由于这种方法需要更多的参数，国内对它的研究较少。我国在光温生产潜力研究也有自己的计算方法，用有机制计算光温生产潜力的研究模型Y=1/qKQ(1-A)Pt(1-R)式中:Y为光温生产潜力(kg/(hm^2·a));Q为太阳辐射总量(J/(cm^2·a));q为1g干物质产热率;K为经济系数;A为反射率;R为呼吸作用率(温度t时呼吸损失光合产物的百分数);Pt为相对光合速率。周锁锉等、李玉娥等、沈思渊等也分别采用侯光良等的经验公式计算了陕西宝鸡地区、我国冬麦区及淮北涡河流域的土地生产潜力。这类模式所需资料一般只有作物的生长期、温度和辐射，极易得到，因此计算容易。但这类方法机理性不强，缺乏理论依据，难以真实地反映某地区的光温资源对作物生产力形成的影响。(3)气候生产潜力。目前气候生产的主要计算方法是用水分有效系数乘以光温生产潜力得到,因而对于气候生产潜力的计算主要是研究水分有效系数的计算方法,水分有效系数Kw：Kw=P/E0其中,P:降水量,E0：可能蒸发量气候生产潜力：YT=Kw*Yt其中Kw为为水分有效系数（4）气候—土壤生产潜力。气候土壤生产潜力的计算一般用气候生产潜力乘土壤有效系数得出,土壤有效系数是指土壤即土壤肥力对产量的影响,土壤肥力是一个十分复杂的问题,一般的处理方法是认可并采用土壤养分代替土壤肥力,从而土壤有效系数为式中:B为土壤养分含量;A为形成气候土壤生产潜力所需养分;气候土壤生产潜力为最后，还有一些学者考虑到目然灾害对产量的影响，对土地生产潜力作进一步订正。4.2笔者以绵阳市为例，选择小麦、玉米和水稻作研究对象，结合前人研究成果，构建绵阳农业用地生产潜力模型(1),(2),(3),(4)式:光合潜力:(1)其中K为经济系数(小麦为0.40、玉米为0.35、水稻为0.45),b为光合有效辐射利用率(取5%),H表示能量转化系数(4.25千卜/克),a为常数(取0.18),S为日照百分率、H为海拔高度，Q。为理想大气年(月)总辐射量(采用张炯远、冯雪华、倪建华等人的计算法求取)。温度订正:(2)t为累年大春、小春季节的月平均气温值。T1,Ts,Th为三基点温度,其取值范围分别为:小麦一1,15,28;玉米一8,10,24,40;水稻一10,12,26,40。水分订正:(3)P为累计降水量，E0为累年蒸发量。(4)Con-s为自然土壤养分系数:在土壤一人工供肥系统中Con-sp1为人工施肥利用率为n时的养分系数，Con-sp2为充分利用人工施肥时的养分系数。Nss为土壤自我供氧量、Nps为人工供氮量、Nd为作物需氮量、n为人工供氧利用率。利用绵阳各区县市的气候、土地肥力和人工施肥量指标求得绵阳市各区县光合潜力、潜力订正系数和农业用地潜力见表1.结论：气候潜力(Gt)优势明显，但区域差异大;供肥系统性质对农业用地生产潜力类型的影响大；农业用地生产潜力的动态变化特性的指示意义，人工施肥量与农业用地生产潜力值呈正向变动关系表明:在一定限度内，通过增施有机、无机肥可以提高农业用地生产潜力；农业增产的气候限制小，养分是绵阳农业用地生产潜力的主要限制因素，从长远来看，通过科技生态措施相结合，改善农业生态环境，增强生态系统的自我供肥保肥能力、提高人工施肥水平和利用率，才是提高农业用地生产潜力的根本途径。5总结和意见土地生产潜力研究是一项十分复杂的综合性、基础性、实践性的工作，既需要对产量形成的机理进行深入研究，也需要大量翔实可靠的资料，需进行大量实测工作，然而土地生产潜力的理论研究还很模糊，统计资料也不完善，田间实测资料也很少，使得土地生产潜力的研究十分困难。光温阶乘模型要求深入研究土壤——作物——天气之间的内部机制，需要把各个学科紧密的结合并要进行大量实测工作，掌握试验站长期可靠的数据，同时进一步研究的主题要从植物生理学角度进一步讨论光合作用,尤其是大田条件下,具体作物及其不同发育阶段光量子效率。将现代技术如遥感(RS)、地理信息系统(GIS)等应用到土地承载力的研究领域中，因此，成熟的模型分析和遥感、地理信息系统方法相结合的分析方法将会对土地承载力的研究提供更准确、更深入、更全而的定量研究结果。其次对作物生产力与环境条件以及经济的联系将在更广泛的基础上进行研究,并运用系统分析方法,求算在不同自然条件下的影响土地生产潜力的因素，这样使估算的结果更接近实际，从而提高土壤的生产潜力。参考文献1.陈白明中国土地资源生产能力及人口承载量研究方法论概述[期刊论文]自然资源学报1991(03)2.陈念平土地资源承载力若干问题浅析[期刊论文]自然资源学报1989(04)3.申元材土地人口承载能力研究理论与方法探讨1990(04)4.戴全厚，刘明义，土跃邦，等.东北地山丘领区上地适宜性评价与潜力分析.水上保持通报，2003,23(1):27-31.5．高文彬，江东，杨小唤.遥感数据驱动的耕地生产潜力模型与应用.地理科学进展，2009,28(4):597-602.6.李方敏，秦巧燕，程彩虹.宜昌市耕地生产潜力和人口承载力研究.农业系统科学与综合研究，2007,23(3):342-3467.郭秀锐，毛显强中国土地承载力计算方法研究综述.地球科学进展.第15卷第6期.2000年12月8.刘扬,贾树海土地生产潜力计算方法研究中国农学通报第21卷第12期2005年12月9.雷军,赵明呼和浩特市土地生产潜力预测模型研究内蒙古师大学报(自然科学汉文版)1996年第3期10.冉清红，岳云华绵阳市农业用地生产潜力的研究绵阳师范高等专科学校学报2001年10月第20卷第5期