作物生产潜力模型研究进展

中国农学通报 第 !!卷 第 "期 !##$年 "月 %&&’())*+&,-.%/+01234+05-+6&-.+ 作物潜在的生产力称为作物生产潜力! 也可以称 为理论潜力" 它是假设作物生长所需的光#温#土#水# 气等各种要素都得到满足!品种#劳动力投入#耕作技 术#管理水平等都处于最佳状态时的生产能力[1]" 作物 生产潜力具有时空性! 即作物生产潜力随着地点的转 变或社会经济技术条件的改变而变化" 对作物生产潜 力的研究是粮食综合生产能力研究的一个分支! 也是 粮食综合生产能力研究的基础"针对小区域尺度!如区 县或更小的研究 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 研究粮食作物生产潜力! 需要捕 捉影响粮食作物的各个光温水气等指标! 逐个分析某 具体粮食作物的可行极限产量!在此层面上进行分析" 1各界学者对粮食生产潜力的研究 1.1机理性方面的研究!!!作物潜力模型 起始于作物产量和光合生产的关系# 光合作用机 制以及光合作用与周边环境条件关系的研究! 在明确 太阳辐射是绿色植物进行光合作用能源的基础上!从 辐射#反射#呼吸消耗等方面来计算作物的光合生产潜 力" 这 方 面 美 国 的 R.S.Loomisl和 W.A.Williams $ 1963% #日本的村田吉勇$ 1966%等进行了大量试验研 究!并且从理论上推算出作物最大光能利用率为 5%~ 6%[2]" 然而其研究没设计其他因素! 因此计算结果偏 高!与实际产量相差甚远" 布柯德$ 1962%指出温度对 CO2同化速度及转化能力#作物生长速率均有作用!如 不考虑温带因素!无疑会夸大作物生产力的估算值"目 前作物光温生产潜力的研究已经比较成熟!Wagenl- gen#联合国粮农组织$ FAO%的研究较为深入!即把作 物生产力研究逐步转向气候生产潜力! 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" Hanks等从作物生产与水分有效利用的关系! 提出各 种计算模型[3]!归纳起来主要有两类&一类是采用降水 量与作物需水量进行比较! 反映水与产量关系的实际 作物生产潜力模型研究进展 马 帅"陈印军"郭淑敏 $ 中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所!北京 100081% 摘 要!提高粮食综合生产能力"是确保中国粮食安全的重要途径#粮食作物生产潜力"是研究粮食综 合生产能力的基础"总结了粮食作物生产潜力模型的研究进展"分析了从光$温$水$气候$土壤等因 素的机理性研究到农业模型以及主流的统计分析模型的研究脉络和存在的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 与模型发展方略# 关键词!粮食%作物生产潜力%模型%粮食生产能力 !"#"$%&’ (%)*%"## )+ (%),-&./0" ()."1./$2/./"# )+ 3%)4# 5/.’ .’" 6),"2 7./8-29." 7%30/ 809 :/+13+ ;%6+9 7%3!"#$%$&$’ () *+,%-&.$&,/. ,0#(&,-0# 1"2 ,0+%("1. 3.1""%"+4 56%"0#0 78/209: () *+,%8&.$&,;. <-%0"-0#9 ?6/1/+@ "###A"B :;#.%9&.< C+ 24D64 &2 @3040+&66 @40/+ 2E 234 .23+&4FGH H6.34/&F9 /& /H 0+ /<’24&0+& 0’’420.% &2 /<’42I6 @40/+ /+&6@40&6D ’42D3.&/2+ .0’0./&F- J%6 ’42D3.&/I6 ’2&6+&/05/&/6H 2E &%6 .42’H /H &%6 5)%,#< M22D9 ;42’ ’42D3.&/I6 ’2&6+&/05/&/6H9 82D659 =40/+ /+&6@40&6D ’42D3.&/2+ .0’0./&F 基金项目!国家’ 十五(科技攻关课题’ 区域农业协调持续发展重大战略问题研究 (中的子课题’ 中部地带粮食生产潜力和布局战略研究 (的部分内容 $ 2004BA508B20% " 第一作者简介!马帅!男!1978年出生!硕士在读"通信地址&100081北京海淀区中关村南大街 12号 中国农业科学院 农业资源与区划研究所 资源管理与 利用研究室" Tel&010-81113384!E-mail:mashuai@sina.com或 ma_shuai@21cn.com" 收稿日期!2005-09-28!修回日期&2005-10-09" 农业信息科学 !"#) ) ChineseAgriculturalScienceBulletinVol.22No.12006 !"#$"%& ’(()*++,#(-./’0#"12$%#"3.#4(./# 状况!分析光温水气候生产潜力"但由于水分因素与作 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!模型的应用存在一定局限#另一类是气 候生产潜力的研究!该类模型在总体思路上虽已成型! 但各模型之间的差异性比较显著" 气候生产潜力研究领域中的一项世界性工作是 FAO农业生态区域研究[4]!标志着人们把测定作物生 产力统一到作物!土壤"大气系统的系统研究中" 目前 FAO农业生态区域法得到国际上普遍认可和 广泛应用! 但此后的作物生产潜力研究却没有突破 性的进展!大多仅是对以往模型的完善!或依据试验 资料!建立不同区域的模型参数体系" 如切沙尼卡提 出了 CO2浓度对产量的订正公式! 樱谷哲夫从生理 角度论述了蒸散与作物生产力关系等" 澳大利亚 J. R.Evans,G.D.Farquhar等$ 1991%在光合作用的模拟 方面!深入到生物化学的领域!他们成功地建立了电 子传递速度与光强!大气 CO2&气孔 CO2分压!水气 压等的关系的模拟模型 [5]’ 美国 J.M.Norman提出 Cupid模型! 非常详细地模拟每张叶片每分钟的光 合&呼吸&蒸腾等过程!在模拟的精度上大大超过 20 世纪70#80年代的模型" 瑞典科学家皇家技术研究 所 ( RoyalInstituteofTechnology% 以 P.Jansson为首 ( 1980)1990%研制出 COUPMODEL!这是一个关于 土壤$植物%大气系统的机理性模拟模型" 它模拟 土壤&植物’大气系统中的水份& 热量转化等生物 地球化学过程" 模拟饱和与非饱和水的传导 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 !模 拟冻结与解冻过程!模拟根系发育!植物对水分吸收 的调节机制等" 自20世纪60年代起! 随着作物生长动力学理论 的创立及计算机专用模拟语言( CSMP%的诞生!各国 均针对本国具体条件! 广泛开展了作物生长模拟模 型的研究!经过 40多年的发展!各国都有自己的作 物生长模型" 荷兰主要强调模型的生物机理性为特 征!代表性的模型有*模拟一年生作物光温水生产潜 力模型MACROS! 美国研究的作物生长模型主要以 模型的应用为特征! 代表性的模型有作物(土壤) 大气系统的动态模拟模型CERES系列’ 1.2广泛性方面的研究!!!从作物到农业的模型拓 展 20世纪90年代以来! 模型在农业的多个方面得 到发展!大大超过作物模型的范围’ 模型研究几乎遍 及到农业的各个领域’ 除作物生长发育与栽培管理 外!还包括*作物育种+品种适应性&园艺学&土壤学& 农业资源环境&昆虫学&植物病理学&畜牧学&草原管 理学&兽医学&水产学&林学&农产品加工&储存&保 鲜&农业经济学&农业宏观规划等等" 可以说!模型已 经成为整个农业科学界备受普遍接受与采用的方 法" 美国 J.R.Williams的 EPIC模型( Environmental PolicyIntegratedClimate整合气候的环境政策模型% 是一个整合的模型!它是由水文学&气象&土壤侵蚀& 营养物质循环&土壤温度&作物生长模型&作物与土 地的管理&经济 8个模块组合而成的!模型设计最初 的目的是用它来评价土壤侵蚀对土地生产力的影 响! 经发展已成为国家农业政策制定的有力工具" EPIC模型是一个单点作物生长模型! 研究区域最大 可以达到 100hm2!EPIC假设在 100hm2区域内土壤 及管理在水平方向上是一致的! 可用于作物生产潜 力的模拟&作物栽培 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的优化&复种与轮作方式的 产量模拟及气候变化对作物布局& 熟制及产量的影 响[6]" 荷兰瓦赫宁根( De.Wit.CT%学派( 1990年代%的 WOFOST模型 (WordFoodStudies)是荷兰开发的系 列作物模型( 如 SUCROS!MACROS等%中的一个成 员" 它是一个机理性模型!但主要用于宏观的&大范 围的模拟!因此适宜于评价区域生产力" 该模型参数 的选择比较概略!分三大类*作物( CO2同化&蒸散&发 育期&积温&收获期&分配系数&发散系数&叶面积&根 深,%&气候( 太阳辐射&气温&水汽压&风速&降水量 ,%&土壤( 持水力&水势&饱和含水量&空气含量&导 水率,%[7]- 1.3新技术的引入!!!遥感"GIS"生物技术"经济统 计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的应用 20世纪90年代以来!国际上各种新技术!如电子 信息技术&网络&生物技术等迅速发展" 农业计算机 模型与高新技术的结合成为农业模型研究的一个新 趋势" 美国Purdue大学与 Baylor大学合作( 2001%的 GRASS模型( GeographicResourcesAnalysisSupport System!地理资源分析支持系统%是一个模拟各种农 业资源的系统! 与 20世纪 70.80年代 的农业模型 有很大的区别!主要是 GRASS与电子信息技术的密 切结合*一是模拟模型与 GIS( GeographicalInforma- tionSystem%的结合!系统的模拟结果全部可用 GIS 的电子地图来表示# 二是模拟模型与 INTERNET* WWW技术的结合- 美国Oregon州立大学的 C.Daly( 1996%的 PRISM 模型( Parameter–elevationRegressiononIndependent SlopeModel,独立坡度的高度+参数回归模型%是以 农业信息科学!"#/ 0 中国农学通报 第 !!卷 第 "期 !##$年 "月 %&&’())*+&,-.%/+01234+05-+6&-.+ GIS为基础的农业气候模型!该模型可用于大范围内 如一个国家! 用 GIS技术表示不同地区的详尽的农 业气候差异" 至于农业计算机模型与分子生物学与生物技术 的结合! 如在农业生物信息学与基因组学中的应用, 虽然目前还没有出现十分重要的研究成果! 但是可 以预期!在今后较长的时期内!将是一个十分活跃的 领域" 并且! 将对农业科学的发展产生极深远的影 响" 目前对农作物长势监测和估产的方法有基于统计 模型的估产方法!基于遥感信息数据的估产方法!基 于作物生长模型的估产方法! 基于作物生长模型与 GIS等遥感数据相结合的估产方法"统计方法存在需 要花费大量的人力#物力和财力!而且对大范围地区 作物面积较难估测# 作物产量预报不能动态化的问 题!遥感和作物生长模型估产具有快速#准确#低成 本#精度高等特点!现在广泛被人们所使用" 2中国粮食作物生产潜力的研究与应用 2.1中国学者的研究 中国对生产潜力研究的历史较短!也不够系统"早 期对西方学者对粮食作物生产潜力的研究的概括主 要包括技术模型应用层面" 但笔者认为!影响单产的 制度因素#耕作方式#品种选择#种质资源等因素的 把握应建立在国内学者分析的基础上" 任美得$ 1938%首先注意到中国农业生产力研究的 重要性! 并以农业生产潜力值为基础估算土地承载 力" 此后!汤佩松#殷宏章$ 1961% #竺可桢$ 1964%分别 从作物生理和气候角度探讨了作物生产潜力" 20世 纪 70年代!黄秉维#龙斯玉分别进行了生产潜力的 研究" 他们的设计思想与研究方法已被广大农学#气 候#地理等方面的专家接受" 陈明荣$ 1979%利用长谷 川史郎资料! 首次在国内将温度效应系数引入到生 产潜力估算中!随后梁荣欣等$ 1980%计算光温生产 潜力!不仅涉及光温对作物生长发育的影响!还考虑 了作物叶面积动态对作物产量的影响" 至此!中国光 合#光温生产潜力研究思想体系基本完善" 20世纪80年代中期! 中国作物生产潜力研究更 加广泛" 于沪宁#龙斯玉#陈明荣等$ 1983%考虑了水 分条件! 认为水分是作物生长中的一个十分重要和 活跃的生活因素! 计算了不同区域光温降水生产潜 力!并以此为基础进行潜力区划&梁荣欣#孙玉亭等 探讨了土壤效应系数& 江爱良等则把灾害因子引入 作物生产潜力计算中& 陈国良等提出了气候!土壤 生产潜力模式 ! 尤其郑剑非 # 王立祥 # 冷石林等 $ 1996%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! 得出北方旱地 6种 作物$ 春玉米#春谷#冬麦#春麦#马铃薯和莜麦%光温 生产潜力#降水生产理论值!平均为 12045kg/hm2和 5805kg/hm2!与试验平均值$ 4515kg/hm2%相差22%" 在实际生产条件下!由于短期内的不利气候条件# 水分和营养供应# 耕作措施以及包括收获在内的问 题!产量会遭受损失!这些限制因素无疑是复杂的" 计算得出的潜在产量都需要进行综合订正! 而且尽 可能搜集当地的观测试验资料! 采用根据实际数据 得出的参数" 中国作物生产潜力研究在光温潜力基 础上的水分#土壤#管理技术水平$ 如肥料#灌溉方式 等%的订正尤待完善!但上述的这些有关生产潜力的 研究成果! 均为中国各个地区进行农业区划和潜力 分析提供了理论依据" 总之!目前作物生产潜力研究!国外采用的先进方 法基本上是借用计算机技术和田间试验进行作物生 长动态和产量形成模拟! 剖析农田水分与生产力的 量化关系!而中国则是将潜力分析数学模型#动态模 拟#田间潜力试验等结合探讨" 2.2具体模型的应用 农业模型的主要目的在于应用"因此!应用性一直 是农业模型研制中的重要问题"20世纪70’80年代 的作物模型一般都是以模拟模型为主" 模拟模型可 以较好地解释与模拟作物的生长发育过程!但是!只 依靠模拟模型! 在农业生产的实际应用上还是困难 的" 20世纪 90年代以来!在农业模型的应用方面进 行了多种探索" 针对荷兰 WOFOST模型在中国具体区域的应 用!对于针对中国具体区域的参数校准方面!中科院 地理所的邬定荣等$ 2002%在山东禹城#中国农科院 的郭淑敏$ 2004%在北京市顺义区进行了增产潜力的 模拟研究" 研究结果表明,WOFOST模型在模拟中国 大区域的水分限制产量和潜在产量方面具有很高的 应用价值,与实际产量拟合值很好,这对日益缺水的 中国北方地区作物生产潜力和节水灌溉,提高用水效 率起到了积极的指导作用[8]" 针对美国EPIC在中国的应用! 中国农科院的陈 仲新#余福水$ 2005%以河北栾城为例进行了模型应 用在参数校准方面的工作! 研究的内容是将原模型 根据美国气候水分条件的参数设定调整为适合河北 栾城地区的数值设定方法! 从而提高该模型在黄淮 农业信息科学 !"#( ( ChineseAgriculturalScienceBulletinVol.22No.12006 !"#$"%& ’(()*++,#(-./’0#"12$%#"3.#4(./# 海地区的研究应用价值! 高亮之等" 1990#研制的CCSODS系统" CropCul- tivationalSimulation optimization Decision-making System,作物栽培模拟优化决策系统#是一个作物模 型系列! 到目前CCSODS已经完成的有$高亮之%金 之庆等" 1991%1999#的 RCSODS" 水稻栽培模拟优化 决策系统# 和 WCSODS" 小麦栽培模拟优化决策系 统# &郑国清等" 2001#的 MCSODS" 玉米栽培模拟优 化决策系统# &冯利平等" 2000#CTSODS" 棉花栽培模 拟优化决策系统# ! CCSODS的主要方法是将作物模 拟与作物栽培的优化原理相结合%以此为基础%进行 各种栽培决策! 合肥智能研究所熊范纶%北京市农科 院赵春江等" 1990#推出了系列的农业专家和决策支 持系统%在中国安徽’云南’北京等不少省市推广应 用%有较大的影响! 3作物生产潜力模型研究存在问题与发展方略 3.1模型总体偏重于理论上的推导%参数确定’系数 订正缺乏长期系统的试验测定% 数值估算以点估计 为主而不是区间估计% 同时也缺乏置信区间的假设 检验%实证性较差! 3.2多数研究试验局限于田间小区定位观测!这种以 点代面的方法针对大规模农业项目存在问题% 容易 造成潜力分析结论的失真% 对指导生产决策的依据 不足! 3.3由于农业生产不同于工业生产%农业生产过程不 可完全模拟%要素的投入不具备完全可控性%而且各 要素对产量的影响是一个交叉作用的结构%因此%以 微观层面研究为主所取得的结论在实际推广中可能 会得到南辕北辙的后果! 3.4潜力研究普遍局限于气候’土壤’水分和作物具 体属性等自然和生物影响因素% 对社会经济技术影 响因子考虑甚少%这样%在进行中观和宏观尺度的研 究时%局限性比较明显! 多数研究缺乏从区域整体角 度综合考虑自然潜力和经济技术的协调% 潜力开发 与资源环境的保护等%不可能在自然与社会’资源与 环境’经济与环保’优化与和谐上达成一致! 技术和 政策等宏观因素对粮食生产的影响是不容忽视的% 应该在粮食生产模型的参数上有所体现! 从上文的分析可以看出% 目前的模型分析对大范 围区域粮食生产潜力的分析和预测的实践效力较 弱%因此在此尺度上%必须对传统的模型进行修正% 引入一些政策’经济’科技’生态’区划等宏观性的指 标! 而从引入的要素来看%由于粮食生产是社会再生 产和自然再生产的有机结合%受到社会’经济和气候 等多种因素的影响%所利用的资源包括光照’降水和 土地资源%所投入的劳动资料包括机械’畜力等固定 资产%也包括种子’化肥’饲料’农药’农膜’农机等流 动资产! 除上述投入外%还包括劳动者和技术等社会 投入%并且受社会大环境的制约! 随着世界对粮食生产潜力的研究的拓展和深入% 西方传统作物的微观模型在中国应用存在参数设定 适合度的缺陷%因此%越是细化的模型%越需要进行 复杂的参数校准工作! 而且%随着生物技术’GIS’数 据挖掘’数据仓库技术的发展%作物生产模型逐步呈 现跨学科’多元化’宏观化的趋势%对大范围地区作 物面积和产量的估测能力越来越得到强化% 作物产 量预报的即时性和动态化的工作也是目前发展的重 点%新的估产方法将具有快速’准确’低成本’精度高 等特点! 参考文献 1 封志明.区域土地资源承载力研究模式雏议.自然资源学报,1990,5 (3):271~283 2 R.S.Loomis,etal.MaxiamumCropProductivity:AnEstimate,Crop Science,1963.3:53~58 3 HanksR.J.,YieldandWater-UseRelationships:AnOverview.InH.M. Tayloretal.LimitationstoEfficientwateruseinCropProduction, 1983.3 4 FAOReportontheAgro-ecologicalZonesProject,Vol.1,WorldSoil ResourcesReportNo.48,Rome,1978,1~20 5 JonesJW,RitchieJT,cropgrowthmodel.InHoffmanGJed.Man- agement of farm irrigation system. St. Joseph, M1:ASAE, 1991.265~312 6 William E.Easterling,CynthiaJ.Hays,MaryMcKenneyEasterling, JamesR.Brandle.Modellingtheeffectofshelterbeltsonmaizeproduc- tivityunderclimatechange:AnapplicationoftheEPICmodel.1997, (14):163~176 7 郭淑敏.都市型农业土地可持续利用问题研究:[学位论文].北京:中 国农业大学,2004.83~96 8 邬定荣.作物生长模型 WOFOST在华北平原的适用性研究.北京:中 科院地理所.植物生态学报,2003.27(5):594~602 " 责任编辑$陶冶之# 农业信息科学!"#( (