陕西黄土台塬区农用地作物生产潜力分析及预测

马彩虹

(陕西理工学院 秦巴地理研究所， 陕西 汉中 723000)

0 引 言

作物生产潜力是指在一定条件下能够持续生产出满足人类需要的生物产品的内在能力，很大程度上受地形地貌、气候、土壤等自然环境条件的影响，同时也受经济、技术等和土地资源开发密切相关的社会因素的影响。作物生产潜力研究与土地、粮食、人口和发展相关联，是当代农业发展战略和资源承载力研究的一个重要课题[1]。作物生产潜力的评估方法基本可分为三大类：趋势外推法、经验公式法以及潜力衰减法[2-3]。其中，潜力衰减法建立在生理生态学研究基础上，被公认为估算作物生产力的最基本方法而得到广泛应用[4-6]。近年来，随着计算机技术的日渐成熟、数学模型的发展以及对作物产量形成机理认识的加深，作物生产潜力研究也逐渐向科学化和精确化的方向推进[7]。随着空间插值技术的发展以及其和GIS结合技术的广泛应用，使以象元为潜力单位计算农用地作物生产潜力成为可能[8-9]。陕西黄土台塬区是西北黄土台塬区的主体[10]，主要分布在河谷盆地周边以及黄土梁峁丘陵区之间，塬面平坦，是黄土高原重要的粮食生产区。该区域既承受本区内人口与社会经济发展对其高强度开发的要求，又潜在承接生态脆弱区和河谷盆地经济高密区转移而来的压力，存在一定的潜在生态风险[11]。本文基于GIS和RS技术支持，从土地利用变化视角切入，探讨陕西黄土台塬区农用地作物生产潜力变化，以期为该区域土地集约利用提供理论依据。

1 方法与数据

1.1 研究区概况

陕西黄土台塬位于34°08′～35°52′N、106°20′～110°36′E之间，呈带状展布于渭河谷地南北两侧，总面积1 263 773 hm2。按行政隶属关系分为宝鸡台塬区、咸阳台塬区、西安台塬区、铜川台塬区和渭南台塬区，包含凤翔县、岐山县、扶风县、乾县、礼泉县、泾阳县、三原县、富平县、耀州区、蒲城县、白水县、澄城县、合阳县、韩城市的部分区域。处于由东北季风区向西北干旱半干旱气候的过渡区，年降水量456.3～735.9 mm，主要集中于夏季。土壤以肥力较高的塿土分布最广，其次是黄墡土，两者占到研究区总面积的80.65%，水资源短缺。耕地是构成研究区自然景观的基质；城镇用地团块状分布，农村居民区点状散布；林地和草地主要沿沟壑地带展布，稀疏河流和水库散布于基质上[7]。社会经济方面，2010年总人口1 011.63万人，人口密度845.84人/km2，其中非农人口250.87万人，占24.8%；GDP为1 827.11亿元，其中，第一产业占12.52%，第二产业占50.46%，第三产业占37.01%。

1.2 作物生产潜力估算模型

光合生产潜力是指假定温度、水分、土壤肥力、农业技术措施均处于最适宜的状态时，仅仅由太阳辐射因子所决定的产量。根据李世奎(1984)的研究思路，光合生产潜力估算模型如下[12]：

(1)

式中：Y为光合生产潜力；ε为光合有效辐射，取值范围为0.45～0.55；α为植物叶面反射率；β为漏射率；γ为光饱和限制率；ω为植物呼吸作用损耗率(约为30%)；ρ为植物非光合器官的无效吸收，约占光合有效辐射的10%；ψ为量子效率(约为22.4%)；h为单位干物质发热量(J/g)；∑Q为各月太阳总辐射；CA为植物体的灰分含量(约为5%)；CM为植物体的含水率(约为14%)。

光温生产潜力又称热量生产潜力，是指在水分、土壤肥力和农业技术措施处于适宜状态下，由太阳辐射和温度因子所决定的作物产量上限。计算公式为：

Yt=Y×f(t)。

(2)

①喜凉作物(小麦、马铃薯等)温度订正系数

(3)

②喜温作物(水稻、谷子、玉米等)温度订正系数

(4)

式中Yt为光温生产潜力，f(t)为温度订正系数，t为月平均气温(℃)。

气候生产潜力又称光温水生产潜力，是指在作物的养分供应处于最适宜状态时，由太阳辐射、温度、水分等主要气候要素所决定的作物生产潜力。气候生产潜力是在光温生产潜力的基础上，进行水分订正得出，计算公式为：

Yw=Yt×f(w)，

(5)

(6)

E0=0.001 8×(t+25)2×(100-f)，

(7)

式中Yw为气候生产潜力，f(w)为水分订正系数，R为月降水量，E0为月蒸发量(mm)，t为月平均气温(℃)，f为月相对湿度(%)。

土壤生产潜力也称为作物的自然生产潜力，即由光、温、水和土壤肥力4个因子共同决定的作物产量潜力。计算公式为：

Ys=Yw×f(s)，

(8)

f(s)=U×O，

(9)

(10)

(11)

式中Ys为土壤生产潜力，f(s)为土壤肥力的订正系数，U为土壤中氮磷钾等养分含量订正系数，O为土壤中有机质订正系数，N为土壤中的碱解氮含量(mg/kg)，P为土壤总的速效磷含量(mg/kg)，K为土壤中速效钾含量(mg/kg)，M为土壤中有机质含量(g/kg)。

1.3 气候生产潜力目标下作物增产潜力预测

理论增产潜力是理论单产与最高单产的差。计算公式为：

LTi=YFi-YPi，

(12)

式中LTi为i区域耕地理论增产潜力，YFi为i区域的理论单产，YPi为i区域的最高单产。以气候生产潜力作为最大理论生产潜力，以2010年研究区耕地面积和现实人口承载力为基础，计算台塬区各区县粮食单产、粮食总产潜力。

1.4 数据来源与处理

本文所需土地利用变化数据主要来源于Landsat陆地资源卫星影像数据，并采用ERDAS 9.2软件进行遥感影像校正、投影转换及解译，得到研究区土地利用解译图。生产潜力计算数据及处理流程如下：先将陕西黄土台塬区多个气象站点各月的辐射、海平面平均气温、降水量、蒸发量近30年的均值进行Kriging内插，获取各气候因子1—12月30 m×30 m的栅格数据；然后利用30 m×30 m DEM对月平均气温作高程矫正，获取实际地形气温分布图。再依据温度订正系数模型、水分订正系数模型、土壤肥力订正系数模型获取陕西黄土台塬区农用地生产潜力各月的温度、水分及肥力订正系数分布图。最后依据光温阶乘模型得出研究区各月作物各类生产潜力。陕西黄土台塬区内的气象站点分别是铜川站点(53947)、耀县站点(57037)、凤翔站点(57025)、宝鸡站点(57016)、武功站点(57034)、西安站点(57036)、华县站点(57046)。

2 结果分析

2.1 农用地作物生产潜力空间分布特征

计算多年平均的作物生产潜力发现，黄土台塬区农用地的光合生产潜力密度空间变化区间为55.69～65.92 t/(hm2·a)，均值为61.47 t/(hm2·a)；光温生产潜力密度空间变化区间为22.29～39.56 t/(hm2·a)，均值为32.21 t/(hm2·a)；气候生产潜力密度空间变化区间为8.61～16.34 t/(hm2·a)，均值为11.98 t/(hm2·a)；土壤生产潜力密度空间变化区间为3.05～15.45 t/(hm2·a)，均值为5.26 t/(hm2·a)。空间分布情况为(图1)，光合生产潜力总体趋势为由东北向西南递减；光温生产潜力表现为宝鸡台塬区、咸阳台塬区北部、铜川台塬区、西安台塬区以及渭南台塬区北部边缘区较低，台塬区中部的咸阳台塬区南部及东部、渭南台塬区南部和东部较高；气候生产潜力分布特点表现为西安台塬区、渭南台塬区南部、咸阳台塬区南部和宝鸡台塬区东部较高，其它区域较低；土壤生产潜力总体上黄土台塬区南部较高，北部较低，河谷区的土壤生产潜力数值显著高于其它地区，这与河谷地带土壤质量明显优与其它区域有关。

(a)光合生产潜力 (b)光温生产潜力

(c)气候生产潜力 (d)土壤生产潜力

2.2 土地利用变化对农用地作物生产潜力的影响分析

1985—2010年，耕地、草地、林地、水域、未利用地均表现为减少，依次减少1 285.01、11 065.22、1 186.44、748.957 7、35.547 6 hm2，分别占1985年相应地类面积的1.29%、7.18%、4.60%、11.64%、11.24%；建设用地增加，共增加了33 902.8 hm2，增加比例为1985年的47.11%。研究时段的土地利用变化导致研究时段内陕西黄土台塬区农用地生产潜力均有不同程度的流失，光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力及土壤生产潜力损失量分别为16 670.19、8 579.06、3 185.58、1 147.98 t，各占其对应级别潜力总量的2.37%、2.33%、2.33%、1.92%(表1)。

伴随着土地利用的变化，农用地作物生产潜力也发生相应变化。研究时段中，耕地的作物生产潜力降低的绝对数量最大，如光合生产潜力由1985年的598 081.38 t减少为2010年的589 447.66 t，净减少8 633.72 t，占减少总额度的51.79%，草地潜力降低程度居于第二，净减少6 377 t，占38.25%，林地光合生产潜力净减少1 659.42 t，占9.95%；其它各类潜力如光温生产潜力、气候生产潜力和土壤生产潜力的损失特征，均表现为耕地的相关潜力损失比最小，其次为草地和林地。由于耕地数量大，其各类潜力损失的总额最大，对台塬区农用地作物生产潜力的损失程度贡献最高。研究时段中光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力和土壤生产潜力的损失分别占黄土台塬区生产潜力损失总额的51.79%、55.04%、51.73%、57.34%；草地的作物生产潜力的损失度居于第二，如草地光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力和土壤生产潜力的损失分别占黄土台塬区生产潜力损失总额的38.25%、36.50%、40.89%、37.41%；林地的作物生产潜力损失对台塬区生产潜力的影响最小，如林地光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力和土壤生产潜力的损失分别占黄土台塬区生产潜力损失总额的9.95%、8.46%、7.38%、5.26%。因此，保护台塬区农用地潜力的重中之重仍然是对耕地的大力保护，其次是对草地的保护。

表1 1985—2010年陕西黄土台塬区农用地土地潜力变化 (单位：t)

对研究时段内土地利用变化造成的农用地生产潜力转移进行统计，得出表2。

表2 1985—2010年农用地转移方向与生产潜力变化表 (单位：t)

分析1985—2010年黄土台塬区土地潜力流向，发现耕地、林地、草地作物生产潜力的转出均大于转入，表现为净流出；惟独建设用地表现为净流入。农用地转为建设用地后，一般很难在较短时间内重新转为生产性用途。因此，农用地转为建设用地等非农业用地是土地利用转移中最值得警惕的转化方向。1985—2010年，由耕地、草地、林地等的转出造成的光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力和土壤生产潜力损失值分别为30 719.01、16 297.96、6 096.15、2 549.35 t，其中，建设用地扩张造成的农用地生产潜力损失约占50%，可见，建设用地的扩张是陕西黄土高原台塬区农用地生产潜力损失的主要原因。

2.3 气候生产潜力目标下作物增产潜力预测

在气候生产潜力为理论潜力水平下，陕西黄土台塬区农用地的作物生产潜力具有较大的提升区间(表3)。其中，渭滨区、金台区、华县、灞桥区、澄城县、白水县、蒲城县、临渭区提升值在8～10 t/hm2之间；韩城市、合阳县、王益区、礼泉县、陈仓区、大荔县、耀州区、蓝田县、永寿县、长安区、兴平市、乾县提升区间在6～8 t/hm2之间；泾阳县、富平县、临潼区、凤翔县、周至县、阎良区、秦都区、扶风县、渭城区、三原县、武功县、岐山县提升区间在4～6 t/hm2之间。因此，黄土台塬区的农用地的气候理论水平作物生产潜力提升区间仍然较大，集约利用的前景较为广阔。

表3 陕西黄土台塬区农用地作物生产潜力提升区间预测 (单位：t/hm2)

3 结 论

(1)陕西黄土台塬区的农用地作物生产潜力的空间差异较大。其中，光合生产潜力总体趋势为由东北向西南递减，光温生产潜力表现为咸阳台塬区南部及东部、渭南台塬区南部和东部高于其它地区，气候生产潜力表现为西安台塬区、渭南台塬区南部、咸阳台塬区南部和宝鸡台塬区东部高于其它地区；土壤生产潜力总体上黄台台塬区南部较高，北部较低。

(2)1985—2010年，陕西黄土台塬区农用地作物生产潜力均有不同程度的流失，光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力及土壤生产潜力损失量分别为16 670.19、8 579.06、3 185.58、1 147.98 t，各占其对应潜力类型总量的2.37%、2.33%、2.33%、1.92%。

(3)建设用地的扩张对区域农用地生产潜力有明显的负面影响。1985—2010年中，农用地作物生产潜力的变化结果为，由耕地、草地、林地等的转出造成的光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力和土壤生产潜力损失值分别为30 719.01、16 297.96、6 096.15、2 549.35 t，其中，建设用地扩张造成的农用地生产潜力损失约占50%。

(4)陕西黄土台塬区的农用地的气候理论水平增产潜力仍然较大，集约利用的前景较为广阔。其中，有8个区县的台塬区的农用地增产潜力在8～10 t/hm2之间，12个区县的台塬区农用地作物增产潜力在4～6 t/hm2之间。

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