东北区农业气候土壤资源潜力及开发利用研究，本文主要内容关键词为：土壤论文,开发利用论文,气候论文,潜力论文,农业论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
关键词 气候与土壤资源 生产潜力 农业开发 东北区
我国的东北三省属于温带大陆性季风气候区，总土地面积7870×10[4]ha，其中耕地1853×10[4]ha，是我国主要商品粮基地之一。但是，由于东北区地理环境复杂，气候、土壤等自然资源条件的地理差异较大，各地农业生产发展仍很不平衡，农业生产潜力尚未充分发挥出来，即使在粮食生产水平较高的中部平原区，其农业、气候、土壤及农业技术开发潜力也很大。目前及今后几年，东北各省都在进行农业综合开发，以使粮食产量和生产效益再上一个台阶。许多研究及实际情况都表明，东北粮食产量进一步提高的主要途径是提高单位面积产量，而不是扩大耕地面积，这是由农业生态环境及资源有限性决定的[1]。粮食单产潜力的发挥实际上是通过农业综合技术水平的提高和农业生态环境的改善来提高气候、土壤等资源的粮食转化率。因此，本文根据东北农业综合开发的实际需要，采用计算各级农作物生产潜力的方法，揭示东北各地主要粮豆作物单产潜力及改善资源环境条件、进行农业技术开发利用的最大增产能力。
本项研究采用东北区100个气象台站的气象资料和部分土壤普查资料，气象资料年代为1971～1990年。
1 各级生产潜力计算方法
关于主要农作物气候、土壤资源生产潜力的计算方法问题，国内外有不少研究[2～7]，归纳起来可分为逐项资源要素订正法、综合法和动态模拟法等[5]，各有其优点、缺点及适用范围。我们综合分析了几种方案，认为逐步订正法虽然形成较早，但这种方法从作物光合作用及其与环境要素相关原理出发，物理意义清晰，适用范围广，资料易获取，其结果便于在时空范围内比较，有很强的实用性。这种方法的应用效果关键在于建立符合生产实际的作物对温、光、水、土壤的反应函数。而正是在此类技术问题上，前人的研究存在不少问题，如采用了较高的“适宜温度”值而使热量资源订正值偏低，农田水分平衡及其对产量的影响考虑较少等，从而使生产潜力计算结果偏离实际情况，难以用于指导生产。因而，本文采用新的、更为合理的订正函数，克服上述不足之处，使计算结果可用于指导农业生产、制定长远规划，并可用于估算东北区的人口承载力。
1.1 光合生产潜力
光合生产潜力(Y[,1])指农作物栽培在温、水、土壤、品种和农业技术都适宜的条件下，仅由自然辐射条件决定的单产水平，其计算式为：
是各时期叶面积系数与生长旺盛期最大叶面积系数比例的平均值[11]。其它技术参数，ε：光合有效辐射比例，ψ：作物光合作用量子效率π植物群体对光的反射率，β：作物群体透光率，ρ：作物非光合器官截光比例，Υ：超过光饱和点那部分光的比例，ω：作物呼吸消耗能量比例，η：粮食含水率，ξ：干物质无机灰分比例，g：作物经济系数，q：干物质热含量常数，Ω：不同作物光合作用固定CO[,2]能力的相对比例，玉米为1。这些参数有的由实测得到，有的引用文献得到[2～6,14]，具体数值详见文献[12]。
1.2 光温生产潜力
光温生产潜力(Y[,2])指在水分、土壤、品种和其它农业技术均适宜的条件下，由自然光照、热量条件决定的单产水平，是灌溉农业可以实现的产量上限，其表达式为：
式中f[,2](T)为作物光合作用的温度订正函数。这一订正函数以前多数同行采用作物生长速率与温度关系的生理模式代替[5]，把生长最快的那一时刻的温度定为“最适温度”，然后用线性、分阶段线性或非线性关系推算某一生育阶段或整个生长季的温度订正值，个别的“最适温度”已超过40度，因其过高而使温度订正值过小，从而使气候产量计算结果偏低，甚至低于现实高产水平值，显然是不合理的。事实上，生长最快的温度并非是高产的最适温度，假如作物一生均处于生长最快的高温条件下，必然因生育期缩短，徒长或过量蒸散耗水而大大减产。
：
表1 主要作物的T[,1]、T[,2]T和T[,0]值
Table 1 The Optimum(T[,0]),lower(T[,1])and upper limited(T[,2])temperature of main crops in northeast China
1.3 气候生产潜力
我们分析发现，彭曼草地蒸发力与小型蒸发皿实测蒸发量具有很好的相关性（表2），尽管小型皿蒸发不代表草地蒸发力，但因两者同处于一个天气、气候条件下，其比例关系在时空分布上是极稳定的，二者呈极显著的正比关系（图略），因而我们可用日常观测的小型皿蒸发量很简单地推算出当地草地蒸发力。(6)式中，h为反应△W盈、亏对产量不同影响的经验参数，分析认为，在东北多数地区，水分盈余对作物的抑制作用小于同量级的水分亏损[10]，因而当水分盈余时，h在0.5～1.0之间，水分平衡或亏损时，h＝1。因水稻以水利灌溉为条件，故(6)式不适用于水田。调查及生产实践认为，在目前东北水利灌溉条件下，水田供水保证程度约为0.92。
表2 草地蒸发力与小型皿蒸发量(x[,j])的关系模式
Table 2 The relation of potential evaporation of grassland(E[,j]) and that of evaporation pan(x[,j])
1.4资源生产潜力
资源生产潜力(Y[,4])指在采用优良品种和先进农业生产技术的前提下，由自然气候及现实土壤条件决定的单产水平，其表达式为：
其中 f[,5](Z)是土壤生态条件评价函数。文献[5]中介绍了国内几位学者提出的f[,5](Z)函数，冷疏影[8]也提出了相应的建模方案。多数方案是依据土壤与作物养分供求原理及土壤分类、分级标准，以土壤普查资料确立的，而土壤分类、分级主要依据土壤有机质含量、营养要素含量、土层厚度、土地生态条件而确立的。就目前各地实际条件看，各地均缺乏建立纯数学模式的理论及资料基础。我们根据东北土壤普查资料现状，提出了一个半理论、半经验性的土壤条件评价模式：
式中 f[,5](Z)是个在0～1间的土壤条件订正函数，M、N、P、K依次为耕层作物可利用的土壤有机质、速效氮、磷、钾含量(%)，
依次为作物所需的对应要素的“最佳”营养要素含量，因资料不齐全，我们只能用东北中部地区高肥力地块（单产最高的地块）的土壤普查结果代替，如玉米“最佳”养分含量依次取值为4.00、0.25、0.15、3.50。各地区的M、N、P、K含量也由土壤普查结果确定。a、b、c、d依次为四个要素对作物产量贡献的相对权重系数，由生产经验及各作物与不同养分要素的关系确定，如吉林省西部地区的玉米的a、b、c、d依次取值为0.35、0.30、0.20和0.15，即在土壤肥力较差的地区，土壤有机质含量、氮素含量对玉米产量的贡献较大，在土壤较肥沃的地区，其贡献尽管也大于磷、钾含量，但要比贫瘠地块相对小一些。这种权重系数还因作物的不同而稍有差别，如大豆有固氮能力，因而氮素含量对产量的贡献参数(b)就相对小一点。这样处理尽管含有一定经验因素，但相对而言是较合理的。
(8)式右边第二项为土地沙、碱化状况对粮食产量影响的订正项，S/S[,0]表示严重沙、碱化耕地面积占总耕地面积的比例，U为沙、碱化耕地上粮食产量相对于当地正常耕地的减产比例，即两类耕地上产量之比，均由历年产量比较及土壤状况调查结果分析确定。
这样，(8)式即可初步反应土壤肥力及耕地状况对产量的影响，据分析认为，至少在较长时期内，产量与f[,5](Z)的关系是线性的。
2 结果与分析
将各地日照、气温、降水、蒸发、土壤状况及其它参数输入计算机，首先计算各级订正函数值，分月计算，逐月累加，然后输出各级生产潜力，绘制地理分布图。
2.1 各项生产潜力的地理分布
三种主要作物（玉米、水稻、大豆）的光合生产潜力的分布趋势都是由西南向东北方向递减的，其中玉米光合潜力的分布如图1。因各地总辐射量地理差异不大，因而光合潜力的地域差异较小。东北中部平原区玉米、水稻、大豆的光合潜力依次为26000、24000和7000Kg/ha左右，西、西南部地区依次为28000、26000和7400kg/ha，东北、北部地区依次为24500、23000和6600kg/ha左右。光合生产潜力是农作物单产的理论上限，东北粮豆光合潜力是目前高产水平的3倍左右，是平均单产的4.5倍左右，相当于玉米、水稻等高产作物光能利用率达到8%左右，而目前平均达到1.6%～2.0%，这说明光合潜力是很大的。
图1东北区玉米光合生产潜力分布图(10[3]kg/ha)
Fig.1 Distribution of photosynthesis productivity of corn in northeast China(10[3]kg/ha)
图2东北区玉米光温生产潜力分布图(10[3]kg/ha)
Fig.2 Distribution of photo-temperature productivity of corn in northeast China(10[3]kg/ha)
三种作物的光温生产潜力的地理分布趋势是西南部高，东、北部低，其中玉米光温潜力如图2。这种分布特征主要是由热量资源的区城变化决定的，各地5～9月f[,2](T)的平均值计算结果表明，南、西南部为0.90以上，热量条件满足主要作物的要求，加之光合潜力高，因而其光温潜力最高，三种作物依次为25000、22000和7000kg/ha左右；中部、中西部铁岭、长春、四平、白城等地区，热量评价函数值为0.80～0.85之间，基本满足作物要求，光温潜力也较高，三种作物依次为22000、20000和6200kg/ha左右；黑龙江省北部地区及吉林省东部山区，热量资源贫乏，温度函数值为0.3～0.60，因而其光温潜力最低，三种作物依次14000、12000和4000kg/ha左右。光温生产潜力是通过水利灌溉实现的，东北中部地区光温潜力是目前平均单产的3.5倍左右，相当于高产作物光能利用率达到6%～7%。
气候潜力的地理分布如图3～5所示，地域变化较大。中部平原区和西南部地区气候潜力水平较高，玉米、水稻、大豆依次为19000、19000和5500kg/ha左右；黑龙江省南部、吉林省西部和东部半山区及辽宁东部山区次之，三作物依次为15500、16000和4500kg/ha左右；其它地区，即黑龙江省北部，吉林省东部高寒山区等地气候潜力低，三种作物依次在12000、11000和3500kg/ha以下。这种区域变化特征除与上述热量条件的区域变化有关外，主要取决于水分条件。东北中部及西南部少部分地区水分订正函数值为0.85以上，水分条件适宜，且热量条件较好，因而气候潜力较大；而东部山区雨水过多，且气温较低，气候潜力低；西部地区干旱少雨，水分订证值为0.6～0.7，则气候潜力也较低。
我们还计算了几种作物的相对气候潜力指数[12]，结果表明，中部、南部水稻相对气候潜力较高，西、中部玉米相对值较高，北、东部地区大豆相对气候产量指数较大，即在北部、东部低温或多雨地区，从气候角度看，种大豆要比种玉米、水稻更适宜。
因各地土壤养分含量资料不十分完善，故目前还难以给出较为完善的作物资源生产潜力分布图，但从部分地区的土壤订正函数(f[,5](Z))的分析结果看，其地域差异是较明显的。吉林省、黑龙江省中部、辽宁中部及北部地区耕地肥力及生态条件较好，其函数值在0.70左右，个别地区达到0.80；黑龙江北部、三江平原和吉林省东部山区次之，在0.60～0.70之间；辽南、辽西、吉林省西部地区土壤条件较差，沙碱化面积大，其土壤订正值在0.55左右。这在很大程度上决定了东北区资源生产潜力是东北中部平原区最高，三种作物依次在14500、13800和3900kg/ha左右，其中铁岭、四平、长春一带更高一点。黑龙江省中部和吉林省东部半山区居中，三种作物依次为10500、11000和3100kg/ha左右。尽管辽南、辽西及吉林省西部土壤肥力较低，但因气候潜力不低，因而其资源潜力并不很低，三种作物依次为9000、10800和2900kg/ha左右，其中辽南、辽西地区要更高一些。因黑龙江北部地区、吉林省东部高寒山区气候生产力最低，尽管这些地区土壤条件不太差，其资源生产力仍是最低的，三种作物分别在7700、7500和2300kg/ha左右。总之，资源生产力的分布是较复杂的，取决于光、热、水、土多种因素。
图3东北区玉米气候生产潜力分布图(10[3]kg/ha)
Fig.3 Distribution of climate potential productivity of corn in northeast China(10[3]kg/ha)
图4东北区水稻气候生产潜力分布图(10[3]kg/ha)
Fig.4 Distribution of climate potential productivity of rice in northeast China (10[3]kg/ha)
2.2 粮食增产潜力及增产途径分析
2.2.1 改善热量条件 从理论上讲，光合潜力与光温潜力的差值
是在水、肥、农业技术等条件基本满足的条件下，靠采用地膜覆盖等增温措施可获得最大增产能力。很显然，在热量资源贫乏的地区，其增产效果是非常显著的，如在黑龙江省北部和吉林省东部长白山区，改善热量条件可使产量提高50%左右，个别地区可增产7成。而在辽南、辽西等地，热量较丰富，就一熟制而言改善热量条件，增产潜力很有限，如变一熟为两熟，通过采用增温措施，充分利用早春及晚秋的热量条件，其效益仍较显著。
图5东北区大豆气候生产潜力分布图(10[3]kg/ha)
Fig.5 Distribution of climate potential productivity of soybean in northeast China (10[3]kg/ha)
2.2.2 农田水利建设 变雨养农业为灌溉农业，扩大旱、涝保收面积，可大大提高产量，其最大增产幅度就是光温潜力与气候潜力的差值
，这是通过灌溉与排水，使产量在气候潜力基础上再增加的幅度，辽南、辽西、吉林省西部易旱区，三江平原及辽东易涝区这方面的效益最大，玉米、大豆的△Y[,2]依次为8000和2200kg/ha左右，等于在气候产量基础上增长30%以上，个别地县可达50%。其它地区自然降水与作物需水比较吻合，水利建设可增产20%左右。当然，这是就多年平均而言，在严重旱、涝年份或时期，水利建设的增产幅度会更大。
2.2.3 农业技术综合开发利用 所谓农业技术开发利用的增产潜力是指除上述改善水热条件以外的、在自然气候条件下，通过改良土壤、培育和采用良种、合理施肥、加强农田管理等措施的最大增产幅度，也就是气候潜力与现实产量(Y[,A])①的差值
，其地域变化较复杂，与气候、土壤条件有关，又与现实生产水平有关，气候、土壤条件好、而生产水平低的地区，农业技术增产幅度最大，如辽西、辽南地区三种作物的△Y[,3]依次为16000、15000和4500kg/ha左右，是当地平均产量的2.6倍左右，其中大豆的△Y[,3]是目前平均产量的3.2倍左右。辽北、吉林省中部和黑龙江省南部地区△Y[,3]是目前平均产量的2.2倍左右。其它地区△Y[,3]是目前平均产量的1.2～2.0倍左右。因目前大豆产量较低，投入少，栽培水平低，因而农业技术综合开发利用增产潜力高于玉米和水稻。总体来看，在东北多数地区，充分开发利用农业技术的增产能力可使现实产量提高。在这些农业技术增产措施中，改良土壤，培肥地力是较显著的增产措施。如前所述，东北区土壤订正函数值为0.50～0.70，也就是说，通过改善土壤条件，使其满足作物要求，可使产量大幅度提高，肥力低的地区可增产5成左右，如西部地区通过培肥地力，防治沙、碱化，可大幅度提高产量。培育并推广优良品种也是提高产量的主要措施，其增产潜力约占农业技术总增产潜力的三分之一，多年来推广杂交种，近两年推广玉米耐密高产品种的增产效果已证明了这一点。其余的三分之一左右增产能力就靠加强农田管理等技术了，如适时铲趟、合理施肥、防治病虫草害等。理论研究和小区高产栽培试验都证明，通过多方面农业科学技术的应用，东北各地作物单产达到气候生产潜力是很可能的，目前中部试验地块产量已达到16000kg/ha，达到或接近气候潜力指标。在此基础上，变雨养农业为灌溉农业，实现光温潜力，在东北中部平原及西南部主要产粮区使高产作物实现20000kg/ha是可能的。这需要长期的努力。培育、引进和使用优良品种、科学施肥、使用农业实用技术、加强农田管理，可使粮豆产量年增长10%左右，是解决目前人口与粮食供求矛盾的现实措施。而就长远发展看，主要措施是全面实现灌溉农业和改良土壤生态条件，这要随着经济的发展逐步实现。
注释：
①现实产量为1989～1991年三年平均值，下同。
3 结论
(1)东北区各地玉米、水稻的光合、光温、气候和资源生产潜力依次为26000、21000、17000和12000kg/ha左右，大豆依次为7200、6200、5000和3500kg/ha左右。光合潜力是目前平均产量水平的4.5倍左右，光温潜力是目前产量的3.5倍左右，气候潜力和资源潜力分别为目前实产的2.8倍和2.0倍左右。各级生产潜力的地域差异较大，其中中部、南部气候潜力是北部的2.0倍左右。光合、光温潜力的地理分布规律是由南向北、由西向东递减，气候和资源潜力是中部及西南部较高，北部、东部寒冷地区及西部半干旱、土壤肥力差的地区偏低。(2)各地气候、土壤和农业技术开发利用潜力都较大，地理差异明显。改善热量条件可使北部及东部山区作物产量增长4～6成，农田水利建设可使西部易旱地区及三江平原、东南部易涝区产量提高4成以上。各地开发应用农业技术的增产潜力都较大，其中改良土壤可使多数地区产量增长4～5成左右。农作物资源、气候和光温潜力都可通过资源开发及农业技术应用逐步实现。(3)本文建立并使用了新的温度、水分和土壤条件评价函数，充分考虑了作物产量与水、热、土壤条件的实际关系，各级作物生产潜力计算结果的地理分布与气候、土壤条件吻合，可用于制定农业远景规划和估算当地人口承栽力。
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