泾河流域粮食产量与生产潜力时空分布特征及其与MODIS-GPP的关系

扶松林， 孔令颖，周海香，刘文兆，

(1.西北农林科技大学水土保持研究所， 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100)

黄土高原千沟万壑的地貌形态与水土流失综合治理长期以来为学界所关注[1-3]。历史上造成黄土高原水土流失的一个重要原因是土地的广种薄收，因此而开展的退耕还林还草工程，成为了该区域水土保持与综合治理的主要措施，自1999年实施以来成效显著[4-6]。退耕还林还草工程突出林草面积比例的增加，因此在有限的相对减少的耕地上不断提高作物单位面积产量具有重要意义。泾河流域是黄土高原水土流失严重地区之一，提升基本农田上的粮食产量水平是推动该区域退耕还林还草工程不断走向深入的重要保障，研究该流域的粮食产量水平、进一步增产的幅度并有效估算粮食产量意义重大。

针对区域粮食安全问题，龙鑫等[7]考虑自然灾害风险影响，认为泾河流域农业旱灾的高风险区位于该地区北部，南部为低风险区；耿艳辉等[8]根据泾河流域 1990—2005年耕地、人口和粮食的数据动态变化情况，计算了流域内 31个县(区)的耕地压力指数，表明尽管耕地面积持续减少，但随着粮食单产的不断提高，人均粮食产量表现出一定的增加趋势，维持了区域粮食安全;在地处泾河流域的长武县，张建军等[9]也给出类似的结果。黄明斌等[10]以黄土高原10个试区的攻关资料为基础，从区域旱作产量潜势、试区攻关水平和试区所在县的产量现状三个层次，详细剖析了黄土高原有代表的几个地区粮食现状和增产潜力。结果指出，就10个试区所代表的黄土高原水土流失区而言，粮食增产潜力很大，试验年份整体产量水平达到旱作产量潜力水平的54.2%。在遥感估产方面，冯美臣等[11]利用遥感数据进行冬小麦不同生育时期归一化植被指数(NDVI)和产量关系的研究，利用气象数据和光谱数据构建了冬小麦光谱产量模型、气象产量模型以及光谱气象产量模型，发现利用遥感和气象数据建立模型进行单产和总产估测是可行的，且精度较高。目前中分辨成像光谱仪生成的植被总初级生产力(MODIS GPP)数据应用广泛，利用遥感数据估算粮食产量的工作还需深入地研究。通过气候生产潜力计算及与实际产量比较，分析粮食生产进一步提升的幅度范围，对于推进区域农业生产与生态建设具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

泾河流域位于黄土高原中部，处于东经108°14′～108°42′，北纬34°46′～37°19′，流域面积45 421 km2，横跨宁夏、甘肃、陕西三个省、自治区部分地区，流域大部分属于陇东黄土高原。流域内景观大体分为北部黄土丘陵区、中部黄土塬区、西南部山地林区和东南部山地河谷区。流域内土地利用类型主要有农地、草地、果园、林地等。该流域为典型的温带大陆性气候，处于温带半湿润向半干旱气候的过渡地带，流域多年平均气温8℃，年降水量在350～600 mm之间。

1.2 数据来源

(1)本文所用气象数据为泾河流域及其周边28个气象站点2001—2012年的降水(mm)、气温(℃)等，数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn/),泾河流域及其周边气象站点分布见图1；(2)遥感数据来源于NASA官方遥感影像MOD17A2H数据产品(https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)，该数据为8 d合成产品，空间分辨率为500 m；(3)社会经济数据来源于中国知网的中国经济社会大数据研究平台(陕西、甘肃和宁夏农业统计年鉴)。

图1 泾河流域及周边气象站点分布

1.3 研究方法

1.3.1 光温生产潜力计算 考虑光能利用过程，从光、热、水资源逐级订正的角度分析作物光温生产潜力、气候生产潜力是作物生产潜力研究中的一种传统方法。本文采用陈明荣提出的光温生产潜力计算公式[12]：

GM=mQg(1-α)Pt(1-R)

(1)

式中，GM指一定时间内单位面积的气候生产潜力(kg·hm-2)，m为与植物覆盖度、量子转换率、干物质产热力有关的参数。Qg为生理辐射(MJ·hm-2)，α为植物对生理辐射的反射率，Pt为温度t时的相对光合速率，计算方法为：

Pt=2.8+0.348t+0.532t2-0.0086t3

(2)

R为呼吸作用而消耗的光合产物的百分数，计算式为：

R=7.825+1.145t

(3)

1.3.2 气候生产潜力计算 气候生产潜力的计算是在光温生产潜力的基础上，考虑降水资源对于作物需水的满足程度，采用侯光良等提出的公式[13]：

Gc=GM·f(W)

(4)

(5)

式中，Gc为作物气候生产潜力(kg·hm-2)；C为地表径流量占降水量的比例系数，考虑气候生产潜力条件下雨水的充分利用与退耕还林工程背景下泾河流域农田的水保措施水平，本文C取为0；P为自然降水量(mm)，ETm为作物需水量(mm)，其可用参考作物蒸散量ET0乘以作物系数得到，本文讨论的是泾河流域全年气候生产潜力，不涉及具体作物，参考已有的研究，作物系数取为1[14-15]。本研究利用联合国粮农组织(FAO)推荐的计算方法来计算参考作物蒸散量，其表达式为[15]：

(6)

式中，ET0为日参考作物蒸散量(mm·d-1)；Rn为作物冠层表面的净辐射(MJ·m-2·d-1)；G为土壤热通量(MJ·m-2·d-1)，日尺度内近似为0；γ为干湿表常数(kPa·℃-1)；T为平均气温(℃)；μ2为2 m高度处的风速(m·s-1)；es和ea分别为饱和水汽压与实际水汽压(kPa)；Δ为饱和水汽压和气温曲线的斜率(kPa·℃-1)。

1.3.3 太阳辐射计算 泾河流域太阳辐射观测站很少，本文选取FAO推荐的计算方法[15]：

(7)

(8)

(9)

ω0=cos-1(-tanφtanδ)

(10)

(11)

1.3.4 统计方法 Mann-Kendall (MK)检验法是一种连续的、非参数统计方法，用于确定气象和水文数据的时间序列是否具有显著变化趋势。其优势是能够避免特大值与特小值的影响，比较客观地分析数据。在MK趋势性检验中，若Z值为正，则该序列表现出上升趋势；相反地，若Z值为负，则该序列表现出下降趋势。当|Z|≥1.64，|Z|≥1.96和|Z|≥2.58时，分别表示通过了0.1，0.05和0.01显著水平的检验，本文用其检验植被总初级生产力(GPP)、光温、气候生产潜力及玉米产量变化趋势的显著性；Pearson相关系数法可以检验变量间的相关性，本文使用SPSS软件对各变量间的相关性进行分析。

2 结果与分析

2.1 泾河流域 GPP时空分布

2001—2012年间泾河流域的平均GPP为519.6 g·m-2·a-1。由图2可看出，总体上流域单位年GPP呈波动式上升趋势，由389.8 g·m-2·a-1上升至658.4 g·m-2·a-1，年均增加22.4 g·m-2·a-1。总体上升的趋势与退耕还林还草工程的实施有很大关系。GPP最高的3 a分别是2008年(556.9 g·m-2·a-1)、2010年(562.3 g·m-2·a-1)和2012年(658.4 g·m-2·a-1)，最低的3年分别是2001年(389.8 g·m-2·a-1)、2003年(477.0 g·m-2·a-1)、2007年(467.4 g·m-2·a-1)。2005—2007年泾河流域的降水量较低，植物水分供给量受限，影响了植被光合作用，因此GPP有所降低；2008—2012年雨水较为充足， GPP增长较快。泾河流域GPP季节特征明显，依据季节GPP单位面积值排序：冬季(12月～次年2月)<秋季(9—11月)<春季(3—5月)<夏季(6—8月)。泾河流域GPP在夏季由于降水和辐射达到峰值，植被光合作用最大，单位GPP也达到了峰值。

图2 泾河流域GPP年际变化

2001—2012年流域的GPP空间特征见图3。由图3可知，北部盐池、定边、环县一带为GPP低值区，GPP范围为0～300 g·m-2·a-1；流域两侧山地林区和河谷区为GPP高值区，其值在700 g·m-2·a-1以上，部分地区的年单位面积GPP甚至达到了1 000 g·m-2·a-1以上；流域中部如彭阳、庆阳、镇原、西峰一带年单位面积GPP范围为300～700 g；流域南部的长武、正宁、旬邑、彬县一带是GPP次高值区，其范围是700～1 000 g·m-2·a-1。GPP空间格局总体上与降雨、光热因子分布特征一致，自西北向东南逐渐增加。

图3 泾河流域GPP空间分布与年际变化趋势

通过MK检验法对泾河流域内18个县域的GPP进行趋势分析，结果表明：大部分站点表现为增加趋势。旬邑GPP有略微降低，其年降水量在12 a平均处于550 m左右，年平均温度变化范围为8.8～10.1℃，二者变化不大， GPP减少的原因还需做进一步分析。在GPP表现为增加趋势的站点中，50%站点的Z值大于1.64(P<0.1)，这些站点主要位于泾河流域南部，其中灵台、淳化、永寿、正宁4个站点的Z值大于1.96(P<0.05)。而流域北部如麻黄山、环县等地，中部如崆峒、镇原、西峰等地的单位GPP也有不同程度的增加，但并未达到显著性水平。

2.2 泾河流域光温生产潜力时空分布

通过计算各气象站点历年的光温生产潜力，取平均值并空间插值得到泾河流域光温生产潜力空间分布图。由图4可知，泾河流域光温生产潜力在空间上整体自西向东呈增加趋势，范围为16 462～21 786 kg·hm-2。其在南北方向上又呈马鞍型，南、北二侧较高，中间较低。流域光温生产潜力较高值在庆城、彬县一带，较低值在泾源、华亭一带。通过对泾河流域光温生产潜力各气象站点的年际变化进行趋势分析，其中有减小趋势的站点占94%，分别为麻黄山、环县、崆峒、华亭、西峰等，且其中有25%站点的下降趋势达到了显著性水平，分别为庆城、泾川、灵台、旬邑；有增加趋势的站点只有镇原，但增加趋势未达到显著性水平。

图4 泾河流域光温生产潜力空间分布与年际变化趋势

2.3 泾河流域作物气候生产潜力时空分布

由图5可知，泾河流域多年平均作物气候生产潜力在空间上自西北向东南呈增加趋势，区域差异明显，流域内作物气候生产潜力范围为4 945～12 412 kg·hm-2。2001—2012年间，流域北部麻黄山、环县一带作物气候生产潜力为4 945～8 000 kg·hm-2，中部如泾源、崆峒、镇原、西峰、庆城一带作物气候生产潜力为8 000～11 000 kg·hm-2，南部如灵台、长武、彬县、永寿等地区作物气候生产潜力最大，其值分布在11 000 kg·hm-2以上。12 a间，泾河流域作物气候生产潜力呈波动变化，其中，2003年的气候生产潜力出现最高值(14 847 kg·hm-2)；而2003年的光温生产潜力在12 a间是一个低值(18 931 kg·hm-2)，结合降雨数据来看，2003年泾河流域的降水量为770.3 mm，高于多年平均水平(535.7 mm)，降水量为气候生产潜力的主要影响因素之一，因此出现了这种情况。

图5 泾河流域气候生产潜力空间分布与年际变化趋势

通过对泾河流域各气象站点作物气候生产潜力的年际变化进行趋势分析(图6)，其中有减小趋势的站点占52.9%，这些站点大部分分布于流域的北部和西部，且趋势变化未达到显著性水平；有增加趋势的站点占35.3%，其增加趋势也未达到显著性水平；而华亭和正宁的作物气候生产潜力在12 a间变化不明显。

图6 泾河流域作物生产潜力与实际产量年际变化

2.4 泾河流域粮食产量时空分布

由图7可知，2001—2012年间泾河流域粮食产量在空间上由北向南增加，如北部的盐池、环县一带年粮食产量为1 452～2 000 kg·hm-2，流域西部的泾源、固原一带年粮食产量为2 600～3 200 kg·hm-2，流域东南部正宁、彬县、旬邑、淳化的年粮食产量最高，达到了4 000 kg·hm-2以上。泾河流域各县区的粮食产量大部分呈上升趋势，其中环县增加速度最快，为222 kg·hm-2·a-1，流域中部的泾源、崆峒、庆城增长速度也较为明显，分别以199.5、115.5、121.5 kg·hm-2·a-1的速度增长，流域南部的长武、永寿、彬县的增长不明显。12 a间流域平均粮食产量呈增加趋势，且趋势明显。由图6可知，泾河流域粮食产量逐年增加，且通过MK趋势检验表明Z为3.63(P<0.01)，说明泾河流域粮食产量增加趋势达到了极显著水平。图7还展现了泾河流域各县区粮食产量的空间变化趋势。由图7可知，流域北部的盐池、定边、环县和中部如镇原、西峰等地虽然有增加趋势，但趋势不明显；流域西部的彭阳县，东部的庆城、合水以及东南部彬县、礼泉等地的增加趋势达到了95%的置信度，流域西南部的泾源、华亭、崇信等地及东南部的正宁、长武、淳化等地增加趋势达到了99%的置信度。从空间分布上来看，流域北部和中部部分地区的增加趋势不显著，粮食产量增加趋势显著的地区集中在降水丰富的南部。

图7 泾河流域粮食产量空间分布与年际变化趋势

3 讨 论

3.1 泾河流域作物气候生产潜力与GPP的关系

从图2与图6可知，GPP与气候生产潜力时间过程趋势并不一致，图3与图5表明二者空间分布有相似性。取各站点多年平均值分析其空间相关性(图8)显示，二者决定系数为0.75，达极显著水平(P<0.01)。关于气候生产潜力的研究中，以往部分学者们用迈阿密模型(Miami Model)、桑斯维特纪念模型(Thornthwait Memorial Model)等来研究气候生产潜力[16-17]，而这些模型通常是用来计算陆地植物生产量，即植被净初级生产力(NPP)的，这本身即源于气候生产潜力与植被净初级生产力、总初级生产力间存在的密切关系的认识。

注：**表示极显著相关(P<0.01).Note: ** means extremely significant correlation (P<0.01).

3.2 泾河流域作物增产潜力及其实现途径

逐站点比较作物气候生产潜力与单位粮食产量数据可知(表1)，流域北部气候生产潜力与单位粮食产量差值相对较低，流域中部如庆城、崆峒、泾源、西峰等地的差值约在6 000～7 000 kg·hm-2，而流域南部的差值均在7 000 kg·hm-2以上，部分地区达到8 000 kg·hm-2以上。这说明泾河流域粮食的增产潜力很大。从空间分布分析，各站点多年平均作物气候生产潜力与粮食产量之间的相关性达到极显著水平(P0.01)。

泾河流域作物生产以旱地为主。山仑等[18]认为：黄土高原降水量低，但这并不是其粮食产量低下的主要原因，而是对降水未能加以充分利用，需采取措施解决水土流失、土面强烈蒸发、土壤深层储水利用不足等问题。王立祥等[19]研究指出:干旱固然是黄土高原农业生产的威协，然而地力不足乃是导致水分无谓耗损的更为直接的原因，有所侧重地培肥地力是使作物的潜在生产力充分化为现实生产力的重要途径。地膜覆盖在减少土表蒸发、增加土壤贮水量、提高春季土壤温度等方面效果显著。王喜庆等[20]通过春玉米田间试验发现，地膜覆盖可大幅度提高粮食产量，覆膜者产量为6 232.5 kg·hm-2，未覆膜者仅4 240.5 kg·hm-2。钟良平等[21]在长武的田间试验表明，同一施肥条件下地膜栽培玉米比露天栽培增产显著，大旱之年的1997年增产达46.7%～ 52.4%，平水年份增产28.6%。在降水与肥力因素有效调控的基础上，品种选育及改良是重要的增产途径。2010—2012年陕西省区域试验中，吉万全等[22]选育的小麦新品种‘西农529’平均产量达到7 792.5 kg·hm-2；高瑞景等[23]育出‘陕单008’玉米，多年平均产量为9 640.1 kg·hm-2。几十年来黄土塬区主要粮食作物冬小麦和春玉米品种已经多次更新，由传统农业的旱薄型发展到旱肥型、旱肥高产型。长武塬区旱作冬小麦产量由上世纪50年代初的低于1 000 kg·hm-2提升到近年的4 500 kg·hm-2水平，产量水平总体呈波动上升的趋势，品种更新在其中发挥了重要作用[24]。年际过程中大田实际产量是逐渐向气候生产潜力逼近的，以往研究已有报道气候生产潜力计算具有相对性[25]。公式(1)中参数取值是基于已有的试验结果，而这些结果也随着农业科学试验的推进在不断发展。 进一步要做的是对这些参数进行新的调整，以适应新的研究结果。近年已出现基于集约管理的小块试验田收获的产量高于表1中气候生产潜力数据的报道，譬如朱琳[26]在长武应用高产高效栽培技术种植春玉米产量达13 334～13 707 kg·hm-2。

表1 泾河流域各地气候生产潜力与粮食产量/(kg·hm-2)

概括地说，以旱农为主的泾河流域提升粮食产量的关键在于充分利用降水，提高作物对水分的利用率和利用效率，从作物利用降水资源过程的角度上通盘考虑[27]，培肥土壤要放在首要位置，主要通过肥料以及种植方式来改善土壤肥力，以肥调水；同时要因地制宜，实行作物轮作，采用有效的蓄水保墒等措施(如覆盖等)。加强作物育种是实现增产的另一重要方面，选择和推广适宜于雨养条件的旱肥型优良品种，提高良种覆盖率，发挥大面积良种的增产潜力。

3.3 GPP与粮食产量的关系及粮食单产估算

泾河流域各县区的粮食作物主要为玉米和小麦，为探究GPP与粮食产量的关系，分别取各县区的玉米、小麦及其综合的粮食产量数据与GPP进行回归分析。做时间过程分析时，同一年份取流域各站点平均值；做空间关系分析时，同一站点取研究时段的平均值。结果表明，玉米产量与GPP在时间上相关性较好，达到了显著水平(P<0.05)，而空间相关性较弱。这种现象的原因之一可能是由于流域北部和中部地区的玉米生产中有一定的灌溉条件，而GPP是综合结果，更多展现的是降水条件的作用。如北部盐池和定边两县的多年平均玉米产量分别为6 192、5 178 kg·hm-2，其相邻的环县玉米产量为1 906 kg·hm-2，而流域南部如彬县、旬邑、永寿、淳化等县的玉米单位产量均在6 000 kg·hm-2左右；小麦产量与GPP在时间过程上正相关，但相关性不显著，而空间上的相关性达极显著水平(P<0.01)；单位面积粮食产量与GPP在时间与空间上的相关性均好于单独分析玉米或小麦时的结果，其在时间上达显著水平(P<0.05)，在空间上达到了极显著性水平(P<0.01)。图9为泾河流域各县区各年粮食产量与GPP的散点关系，线性回归的决定系数达0.59(P<0.01)，这表明用年尺度GPP估算泾河流域单位面积粮食产量的可信度较高。在用遥感数据估算粮食产量方面，李军玲等[28]以县为单位，对冬小麦平均单产和县域内冬小麦种植像元遥感参数的均值(NDVI、NPP、LAI)进行相关研究，遥感模型预测精度在68.1%到95.5%之间，平均精度为83.9%，其精度可以满足大面积估产要求，可以对产量预报提供科学参考；孙俊英等[29]使用MODIS-NDVI进行湖北省中稻单产预测，结果表明该方法基本能够满足省级系统单产估算的精度要求，可以为政府和企业决策提供支持信息。本文使用MODIS-GPP估算粮食单产，结果显示其在综合粮食单产估算的可行性，这有助于推进区域粮食产量的预测预报，但其精度的提高还需进一步研究。

图9 泾河流域粮食产量与GPP的关系

4 结 论

本研究在MODIS-GPP数据的基础上，结合陈明荣生产潜力计算数据与统计年鉴上的粮食产量数据[12]，分析了泾河流域2001—2012年的GPP、生产潜力以及粮食产量的时空分布及其相互之间的关系。空间上，流域内年平均MODIS-GPP自西北向东南逐渐增加；光温生产潜力整体自西向东呈增加趋势，东部在南北方向上又呈马鞍型分布；气候生产潜力与粮食产量在空间上自西北向东南都呈增加趋势。2001—2012年间，流域单位面积GPP和粮食产量都呈波动式上升趋势，GPP季节特征明显，而光温生产潜力和气候生产潜力没有表现出明显年际变化趋势。流域内大部分县区的作物气候生产潜力与粮食产量差值在6 000 kg·hm-2以上，增产的幅度很大。年际过程中大田实际产量是逐渐向气候生产潜力逼近的，进一步的分析发现气候生产潜力计算中参数取值需要结合农业科学试验的新进展做进一步的修正。通过流域各县区的粮食产量与GPP的回归分析发现，GPP与综合粮食产量相关性最好，次之是小麦单产与玉米单产。表明了用GPP来预测单位面积粮食产量的有效性与可靠性。