镇原县玉米种植限制性生态因子探析

闫耀廷，李金章，张彦山，赵强

(1.庆阳市农业技术推广中心，甘肃庆阳745000;2.甘肃省庆阳市农业科学研究院，甘肃庆阳745000; 3.镇原县农业技术推广中心744500)

镇原县玉米种植限制性生态因子探析

闫耀廷1，李金章1，张彦山2，赵强3

(1.庆阳市农业技术推广中心，甘肃庆阳745000;2.甘肃省庆阳市农业科学研究院，甘肃庆阳745000; 3.镇原县农业技术推广中心744500)

以甘肃省镇原县为研究区，结合我国玉米种植适宜区的必要生态条件提取镇原县春玉米种植相关生态因子，应用主成分分析和模糊综合评价法，对镇原县春玉米种植区的生态适宜度进行了综合评价。结果表明:镇原县玉米种植适宜度综合评价指数为0.68，属于春玉米适宜种植区;各生态因子隶属度分析表明，土壤有效钾和土壤有机质隶属度最小，分别为0.39和0.52;＞10℃积温因子隶属度接近1.0，达到优适值。镇原县春玉米种植区具有明显的热量优势;有效钾和有机质是镇原县玉米种植的限制性生态因子，两因子的改善将有助于镇原县春玉米产量的提高和经济效益的提升。图1，表3，参19。

隶属度;限制性生态因子;主成分分析

0 引言

玉米目前作为我国第二大粮食作物，对我国粮食安全有重要作用。甘肃省镇原县地处陇东黄土高原，玉米是镇原县主要粮食作物。据统计，2012年全县种植玉米4万hm2，占全县耕地面积37.6%［1］。随着全膜双垄沟播技术不断推广，塬区玉米产量可达11 250 kg·hm-2以上［2］，种植玉米已成为农民增收的重要途径。近年来随着玉米种植面积不断增加，种植区生态条件也在不断变化。由于不同生态区玉米适宜度不同，生态因子对玉米产业发展也有不同的限制作用［3-4］。同时，由于环境中各种生态因子处在动态变化过程中，各生态因子对玉米生长与发育的影响也处在不断变化中。关于玉米种植相关生态因子的研究对于合理利用农业资源发展、玉米生产及保障粮食安全具有重要作用。目前，对玉米生态适应性研究多集中在气侯、地形地貌及土壤立地条件等单个因素分析评价，未能对影响玉米生长发育的生态限制因子［5-7］进行相关性研究。研究以甘肃省镇原县春玉米种植区为研究对象，结合我国玉米生产适宜区必要生态条件，提取与镇原县春玉米生产相关的气候、土壤及地形等生态因子，采用主成分分析和模糊综合评价法对镇原县春玉米生长的生态适宜度进行综合量化评价。以期发现镇原县春玉米生长发育限制性生态因子，探索镇原县春玉米研究新方向，指导制定合理栽培技术，促进玉米生产的健康发展。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

镇原县地处陇东西南部，属温带大陆性气候，年均气温10.3℃，无霜期140 d～170 d，年均降水量455 mm～541 mm，且多集中7月-9月这三个月，年总日照时数2 249.7 h～2 437.2 h，农作物生长期日照1 800 h～2 000 h。镇原县海拔1 011 m～1 767 m，境内山川塬兼有，地形复杂，生态环境丰富多样，中南部以屯字塬、平泉塬和临泾塬为主，北部以孟坝塬和山区为主，茹河、洪河、蒲河和交口河横贯全境，属典型的黄土高塬沟壑区。土壤类型以黄绵土为主，占全县土壤总面积的76.1%;黑垆土次之，占土壤总面积的20.7%，主要分布在平泉、屯字、孟坝和临泾等较平坦的原面及河川、沟谷高阶地，零星残存在丘陵沟壑的阔掌地段;淤积土、潮土、红土零星分布［8］。

1.2 数据来源

数据资料来源包括2007年-2013年镇原县统计年鉴，镇原县经济与社会统计年鉴，镇原县土地利用现状数据库(1∶5万，2010年)，镇原县土壤普查，耕地地力调查样点资料(包括调查样点经、纬度及其土壤环境和相关理化性状调查分析资料)，镇原县土壤类型分布图(1∶5万)，镇原县气象局近20年气象要素观测资料，镇原县数字高程模型(DEM，1∶5万)等。

1.3 数据处理

采用SPSS 16.0软件的主成分分析(PCA)功能确定各评价指标的权重系数，计算生态适宜度;利用Sigmaplot 12.5软件制作雷达图。

2 结果

2.1 玉米生态适宜性评价指标的选取

影响玉米生长的因子很多，科学选取指标是进行生态特征评价的重要方面。首先确定选取对玉米生长、产量形成具有指导性的指标，遵循重要性原则、差异性原则、稳定性原则、易获取原则、必要性原则及精简性原则，采用定量和定性方法结合，进行参评因素的选取［9］。此次评价充分利用现有研究成果，按照玉米生长对自然及社会经济条件的一般要求，采用专家经验法确定镇原县玉米适宜性评价因子，包括气候因子(≥10℃活动积温、降雨量)、立地条件(坡度、海拔、地貌类型)和土壤养分状况(有机质、有效磷、速效)8项评价因子。玉米是喜温喜水植物，整个生育期需要较高的热量和水分，据报道，玉米最适宜区≥10℃年积温为2 913.9℃～6 146.0℃，年降水量508.7 mm～812.7 mm［10］。根据镇原玉米推荐施肥指标要求，土壤中有机质≥20 g·kg-1，有效磷≥33.43 mg·kg-1，速效钾≥260.04 mg·kg-1时，产量可达12 000 kg·hm-2以上［11］。综上可确定镇原县玉米种植生态特征评价指标，见表1。

2.2 各评价因子权重的确定

文章基于多元统计分析，利用主成分分析法得到的各评价指标的公因子方差，通过计算各公因子方差占公因子方差总和的百分数确定权重系数［12］。各评价指标的权重系数分配较为一致，均对玉米的生产具有明显的作用，见表2。

表1 镇原县玉米种植区生态特征Tab.1Ecological factors of maize-growing regions in Zhenyuan county

表2 生态特征评价指标的公因子方差及权重系数Tab.2Communality and weight coefficient of ecological factors

2.3 生态适宜度评价

2.3.1 生态适宜度单因子评价。影响环境的各种生态因子处在动态变化中，各生态因子对玉米生长与发育的影响也处在不断变化中，因此，文章对各评价的指标研究采用模糊分析法。应用模糊数学函数方法建立生态环境中各评价指标与镇原县种植区指标间的隶属度函数，通过隶属度函数值反映各评价指标的优劣，同时实现评价指标量纲统一化，使评价指标值更加客观、具体。

土壤因子采用升型分布函数表示，用以确定各指标的隶属度值，即:

式中:F(Xi)—各评价指标的隶属度值;Xij—各评价指标的因子值;S—各评价指标的最适范围;nij—满足条件的次数;Nij—该指标样本容量;Simax—最适范围的上限值;Simin—最适范围的下限值。

气候因子采用模糊多元统计法确定各指标的隶属度值，即:立地条件因子采用函数模型确定各指标的隶属度值，见表3。

依据公式(1)、(2)、表3及生态适宜度综合效益指数(Integrated ecological indices，IEI)计算镇原现种植区各指标隶属度值和生态适宜度。用Sigmaplot 12.5制成雷达图直观反映各指标状态的整体水平，见图1。

雷达图的几何意义:每个二维平面上的点距离圆心越近，表示其在这个指标上的属性越差，相反离圆心越远，表示其在这个指标上的属性越好，由这些点连接成的多边形面积大小反映评价指标体系对个体总体属性评价的优劣［13］。

镇原县五类种植区的速效钾、有机质隶属度最小分别为0.39和0.52，这两项指标远低于优适值，见图1。这表明有机质和速效钾是影响镇原县玉米种植的首要限制性生态因子。有效磷(0.62)，属中等水平;坡度(0.79)、地貌类型(0.76)、海拔(0.79)和年降雨量(0.87)属中等偏上水平;在≥10℃积温指标上表现出色，达到优适值。2.3.2生态适宜度综合评价。生态适宜度综合评价能够有效反映各生态因子的影响程度，文章应用模糊综合评价法对镇原县玉米种植区的生态适宜度进行综合评价。模糊综合评价法是应用模糊数学的理论进行综合评标的方法。该评价法基于模糊数学中的隶属度理论把定性问题转化为定量问题，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。它具有结果清晰、系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。

文章采用模糊综合评价法中的加权平均复合运算法来计算玉米生态适宜度，其数学表达式为:

图1 各指标隶属度函数值的雷达图Fig.1Membership degree radar plot of ecology

式中:F(Xi)—对象在第Xi个评价指标上的隶属度值;W(Xi)—第Xi个指标的权重值;n—评价指标的个数，文中n=7。由计算得到，镇原县玉米种植区的生态适宜度综合指数为0.68。

3 讨论

评价结果的准确性和实用性取决于原始数据信息的完备性以及所采用评价方法的科学性和合理性。主成分分析法按照方差贡献率来简化生态适宜度信息集以及确定评价指标的权重，可将定性问题定量化解决。这种方法可将人们的感性思维数字化，使决策过程更客观、具体，更有助于完成定量化评价［14］。

研究以甘肃省镇原县为例，采集大量的气象、土壤肥力等数据，筛选不同生态因子，利用主成分分析法和模糊综合评价法对镇原玉米生产的生态因子进行评价，分析了限制镇原县玉米产业发展的主要生态因子，实现了利用大宗数据分析生产实际的问题。

镇原县位于半湿润偏旱区，60%降水主要集中在7月-9月。玉米是镇原县主要粮食作物之一，镇原县主要播种春玉米，玉米需水量最大的时期集中在6月-8月，镇原县水热条件与玉米生长发育过程高度吻合，有利于发展玉米种植业，研究分析表明镇原县春玉米生态适宜度综合效益指数为0.68，属于偏上水平，分析结果与当地农业自然条件吻合。

镇原县玉米产量始终低而不稳，限制了玉米产业的发展。许多研究发现［15-17］，春旱对玉米幼苗形态、生育性状、光合特性和产量有显著影响，很大程度上限制了玉米产业发展。随着全膜双垄沟栽培技术的推广应用，春玉米生长前期需水得到明显改善，可使春玉米顺利进入拔节期，拔节期后当地降雨增多，水热资源协调，利于春玉米产量形成。因此，春玉米全膜双垄沟栽培技术使干旱这个对春玉米生产有主要限制性的生态因子得到基本改善［18-19］。研究以采用全膜双垄沟栽培技术的春玉米为对象，通过PCA法和模糊综合评价法分析了与玉米生长发育有关的各生态因子，结果表明，在该技术条件下限制玉米发展的主要因子为土壤速效钾和土壤有机质，这与近年来生产中不注重施钾肥和有机肥有直接关联。为保证当地种植玉米的高产、高效，生产中应注重钾肥和有机肥的施入。

4 结论

通过对镇原县玉米种植区生态适宜度进行分析，得出镇原县玉米生态适宜度综合效益指数达到0.68，属于中等水平。在影响玉米生长的生态适宜度指标中，土壤速效钾和有机质含量是制约该区域玉米生产的最主要限制因子。因此，首先优先从改善土壤营养入手，提高土壤有机质、速效钾的含量，促进镇原玉米产量的稳步提高。

［1］庆阳市统计局.庆阳年鉴［M］.北京:中国统计出版社，2013.

［2］唐小明，李尚中，樊廷录，等.不同覆膜方式对旱地玉米生长发育和产量的影响［J］.玉米科学，2011，19(4):103-107.

［3］胡瑞法，Erika C H M，张世煌，等.采用参与式方法评估中国玉米研究的优先序［J］.中国农业科学，2004，37(6):781-787.

［4］Rattan L.Black and buried carbons＇impacts on soil quality and ecosystem services［J］.Soil and Tillage Research，2008，99(1):1-3.

［5］吴克宁，杨扬，吕巧灵.模糊综合评判在烟草生态适宜性评价中的应用［J］.土壤通报，2007，38(4):631-634.

［6］Zhao H L，Cui J Y，Zhou R L，et al.Soil properties，crop productivity and irrigation effects on five croplands of Inner Mongolia［J］.Soil and Tillage Research，2007，93(2):346-355.

［7］赵峰，千怀遂.全球变暖影响下农作物气候适宜性研究进展［J］.中国生态农业学报，2004，12(2):134-137.

［8］董博，江晶，郭天文，等.镇原县玉米生态适宜性评价及种植区划［J］.土壤通报，2013，44(3):526-530.

［9］孔祥斌，刘灵伟，秦静，等.基于农户行为的耕地质量评价指标体系构建的理论与方法［J］.地理科学进展，2007，26(4):75 -85.

［10］何奇瑾，周广胜.我国玉米种植区分布的气候适宜性［J］.科学通报，2012，57(4):267-275.

［11］镇原县农业技术推广中心.镇原县县域耕地资源管理信息系统建设与耕地地力评价［M］.兰州:甘肃科技出版社，2011.

［12］李祚泳.环境质量评价原理与方法［M］.北京:化学工业出版社，2004.

［13］高慧璇.应用多元统计分析［M］.北京:北京大学出版社，2005.

［14］孙霞，文启凯，尹林克，等.层次分析法在塔里木河中下游退耕适宜性评价中的应用［J］.干旱区资源与环境，2004，18(6): 72-75.

［15］崔震海，马兴林，张立军，等.苗期干旱对玉米产量和水分利用效率的影响［J］.玉米科学，2005，13(2):79-81，89.

［16］陈若礼，王兴于，张存岭，等.夏玉米播种出苗和生长发育与耕层土壤水分含量的关系［J］.玉米科学，2006，14(S):112-113，117.

［17］白莉萍，隋方功，孙朝晖，等.土壤水分胁迫对玉米形态发育及产量的影响［J］.生态学报，2004，24(7):1556-1560.

［18］李尚中，王勇，樊廷录，等.旱地玉米不同覆膜方式的水温及增产效应［J］.中国农业科学，2010，43(5):922-931.

［19］王勇，宋尚有，樊廷录，等.黄土高原旱地秋覆膜及氮肥秋基表追比例对春玉米产量和品质的影响［J］.中国农业科学，2012，45(3):460-470.

Preliminary Study on Restrained Ecological Factors for Spring Maize Production in Zhenyuan County，Gansu Province

YAN Yao-ting1，LI Jin-zhang1，ZHANG Yan-shan2，ZHAO Qiang3
(1.Qingyang Center of Agriculture Technology Extension，Qing Yang 745000，China; 2.Qingyang Academy of Agricultural Sciences，Qing Yang 745000，China; 3.Zhenyuan Center of Agriculture Technology Extension，Zhenyuan 744500，China)

Taking Zhenyuan county of Gansu province as a study area and considering China＇s ecological conditions for optimal maize planting，local ecological factors were selected，by using Principal Component Analysis(PCA)and fuzzy methods，to have an overall evaluation for ecological adaptation of spring maize planting in this area.The results showed that the overall evaluation index was 0.68，meaning that the area was suitable for spring maize planting.An analysis for ecological factors showed that，the membership degrees of soil available potassium and soil organic matter content were 0.39 and 0.52，respectively;the membership degree of＞10℃accumulated temperature was close 1.0，with an optimal value for spring maize planting.Therefore，the analysis indicated that Zhenyuan county of Gansu province was an optimal area for spring maize planting in terms of temperature;and the restrained ecological factors for spring maize planting in this area were soil available potassium and soil organic matter content;thus the improvement of soil potassium and organic matter content would increase maize yield and economic benefit locally.

membership degree;restrained ecological factors;principal component analysis

S661.1

A

10.11689/j.issn.2095-2961.2015.04.004

2095-2961(2015)04-0163-05

2015-4-22;

2015-05-15.

国家测土配方施肥项目.

闫耀廷(1981-)，男，甘肃镇原人，硕士，农艺师，主要从事农技推广工作.

李金章(1971-)，男，甘肃镇原人，高级农艺师，主要从事农技推广工作.