24卷第3期2002年5月
资 源 科 学RESOURCESSCIENCE
Vol.24,No.3May,2002
农业自然资源利用效率的因子-能量评价模型及其应用
徐 勇,齐文虎,谢高地,章予舒
(中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101)
摘要:提高农业自然资源利用效率是切实保护资源、节约资源和高效持续利用资源的根本途径,而诊
断和寻找农业自然资源利用低效的制约因素和“瓶颈”所在是农业自然资源高效利用目标得以实现的重要
手段。
该文在概括和总结农作物生产过程中能量运动转化特征的基础上,通过对各资源因子作物生产作用的虚拟阶段划分,以能量运动转化的资源因子衰减过程为评价主线,建立了农业自然资源利用效率的因子-能量评价模型,并将之应用于山东省宁津县,得出了可行的评价结论。
关键词:农业自然资源;资源利用效率;因子-能量评价模型中图分类号:F30314;S203;S21017 文献标识码:
A 文章编号:1007-7588(2002)03-0086-06 THEFACTOR2ENERGYEVALUATIONMODELOF AGRICULTURALNATURALRESOURCESUTILIZATION EFFICIENCYANDITSAPPLICATION XUYong,QIWen2hu,XIEGao2di,ZHANGYu2shu (InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China) Abstract:Thekeypointofnaturalresourcesutilizationistoenhanceitsutilizationefficiency,whichisthe fundamentalwaytoprotectnaturalresources,andthus,toachieveitssustainableutilization.Therefore,to explorethefactorsrestrictingresourcesutilizationwithhighefficiencyisingimportant.Concerningthe featuresofenergymovementandthechangesofcropproductionprocess,thecourseofcropproductionwas dividedintoaseriesoffictitioussteps,eachofthemincludingandimportantfactor,andthenthefactor2ener2 gyposedoflossvolume,lossratioandutilityratioofenergywassetup.AppliedtoNingjinCoun2 ty,Shangdongprovince,thefactor2energyevaluationmodelwasprovedtobepractical,andresultsfairlyac2 cordedwiththeactualsituationofcropproductionwithinthatcounty. Keywords:Agriculturalnaturalresources;Resourcesutilizationefficiency;Factor-energyevaluationmodel 农业生产及作物生物学产量的形成是能量、是通过对农业生产过程中的能量、物质等资源利 物质等农业资源耦合运动转化的连续过程。
在用状况进行系统识别和诊断,以揭示致使农业资 这个连续过程中,每时每刻都存在着诸如光、温、源利用低效的制约因素和“瓶颈”所在,为提高农 水、肥等资源的匹配组合问题。
不同的作物有不业资源利用效率提供科学依据[1]。
按照作者的 同的资源组合要求,而不同的资源又存在着不同的时空变化过程,即作物生长的能量、物质要求与能量、物质要素的现实状态之间总是存在着偏差。
开展农业资源利用评价和构建评价模型就 思考,农业资源利用评价模型至少应包括3组模型,即农业自然资源利用效率评价模型、投入产出模型和空间评价模型。
效率评价模型属于主体模型,基于空间同质点或同质地域单元,侧重于农业自然资源综合利用效果评价;投入产出模 收稿日期:2001-06-01;修订日期:2001-11-02基金项目:中国科学院知识创新工程项目(KZCX2-307-05)。
作者简介:徐勇(1964～),男,陕西榆林人,副研究员,主要从事农业与乡村发展、流域开发与管理和区域持续发展模拟等领域的科研工作。
©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 24卷第3期 徐 勇等:农业自然资源利用效率的因子-能量评价模型及其应用 87 型属于效率评价模型的辅助模型,侧重于农业社会经济资源的投入产出经济合理性评价;空间评价模型建立在前两组模型的基础上,用以反映一定地域范围内农业资源利用的空间效果。
3组模型相辅相成,从不同的侧面共同完成资源利用评价的目的。
综合历史的和现状的关于农业资源模型研究的侧重点、基本思想和主要成果[2～5],开展农业自然资源利用效果评价和设计农业自然资源利用效率评价模型宜分两步执行:一是按因子划分相对评价环节,目的在于寻找限制性资源因子及其定量制约程度,即从因子与因子关系的角度设计评价模型;二是在第一步工作的基础上,考虑各因子作物生产的人为可调控性,从单因子的角度设计资源利用效率评价模型。
本文侧重于前一部分的研究,即试图通过对各资源因子作物生产作用的虚拟环节划分,以能量运动转化的资源因子衰减过程为评价主线,建立农业自然资源利用效率的因子-能量评价模型。
1 因子-能量评价模型的建立 111 理论依据及评价环节划分基于第一性生产生理-环境机制认识发展 的第一性生产方程式及有关生产力模型研究的思路和成果积累是建立因子-能量评价模型的理论和方法论基础。
按照
H.里思(HelmutLieth)关于第一性生产力研究的历史综述[2],人类认识第一性生产方程式达到现在的程度至少花了近2300a的时间。
第一性生产方程式给出了植物生长与太阳辐射能、矿物营养物、水分和空气之间的量化关系,为开展植物(或作物)生产力影响因素分类纵深化研究及数学模型的建立提供了理论基础。
植物(或作物)生产力影响因素分类纵深化研究重在探讨第一性生产力形成的生理机制和与诸如土壤养分、水分以及气候的光、热、水等环境因子的密切关系;数学模型多基于作物(或植物)的生理机制,从环境因子相互作用和限制性角度研究作物的生产能力。
60年代初,许多学者都注意到了光合作用在作物生产中的决定性意义。
认为光合作用是作物形成的基础,作物生产的实质就是作物的光 合生产,作物的生产能力最终受光能转化规律的支配,农业生产力模型的研究主要围绕光合生产和能量运动转化展开,温度、水分、土壤等系列环境因素均被视为作物生产中能量运动转化的“衰减”因子,即通过因子作用虚拟环节划分来构建不同级别的农业生产潜力估算模型。
从到达地球表面的太阳总辐射开始到作物产量中贮存的化学能结束有多少能量转化成了有价值的化学能,有多少被损失掉了,损失发生在哪些环节将是农业资源利用效率因子能量评价模型研究所要解决的问题。
综合有关学者的研究成果[6],作物生产中的能量运动转化过程可根据参与作物生产的资源因子特点相对划分为九个虚拟评价环节,各环节对应评价因子及变量如图
1。
112 建模思路及条件设定
(1)用能量作为评价“媒体”。
在影响作物生长的众多因子中,来源于太阳辐射的能量是作物生长的直接驱动力。
能量在作物生长过程中的运动、转化受其它因子制约,但它是作物进行光合生产的最终控制因子。
采用能量形式,可将诸多功能、性质、量纲等都不一致的因子置于统一的衡量指标下[7],便于对各种资源要素的作物利用有效性状况进行对比评价。
(2)将“要素同时起作用”的作物生产过程按要素人为可控制性程度顺序概念性地划分为前后对接的若干环节或阶段,每个环节或阶段甚少有一个重要因子加入。
一般来说,考虑的因子越多,环节划分应越细,评价结果也越理想。
在实际操作中,环节划分需视具体情况而定。
图1作物生产中的能量流动与转化过程从太阳总辐射到实际作物产出贮能共包括9个环节,这就是一种较为详细的评价环节划分,这个划分在实际评价中因生产方式、制度及管理等因子难以量化,对应的因子评价工作尚无法进行。
(3)对因子环节的条件设定。
在对先行环节的因子进行评价时,认为所有后继环节所涉及到的因子均处于最适状态。
如在进行光合生产潜力环节评价时,认为温度、CO2、水分、土壤等条件均处于适宜状态;而对水分环节进行评价时, ©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 88 资 源 科 学 24卷第3期 图
1 作物生产中的农业自然资源利用因子-能量评价虚拟流程 Fig.1 Fictitiousprogressonthefactor2energyevaluationofagriculturalnaturalresourcesutilization inthemiddleofcropproduction 认为土壤等条件处于适宜状态。
也就是说,随着加入的评价因子的增多和评价环节的后移,假设条件愈来愈少,到了实际产出环节,即无假设条件存在。
(4)进行因子环节的对接评价。
即后继环节的因子评价以先行环节的因子对能量控制的结果为起始点,对每种资源要素的作物利用效果评价应在其因子环节或阶段内完成。
(5)各因子环节的评价指标(评价变量)是相同的,可采用能量损失量、能量衰减率和(资源组合)能量利用率等表示。
n个,即评价过程可分为n个环节,每个环节存 在一个对应评价因子。
而认为n个评价因子引 起的能量衰减曲线是连续的和光滑的(图2)。
如果将这条能量衰减曲线用函数y=f(x)表示, 则由第k(1(1)
Δyk·yk-1-1=[f(k)-f(k-1)]·f(k-1)-1
(2) 第k个因子对应的资源组合利用率(Rk)为: Rk=Qyeo·fk-1(或Rk=Qyo·fk-1)
(3) 113 模型的数学表达式
(3)式中,QYo为作物现实生物产量储能,QYeo 理论上,对因子-能量评价模型可作如下的为作物现实经济产量储能。
概念性解读:假定影响农作物产量形成的因子有 在实际评价工作中,评价因子不可能太多, ©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 24卷第3期 徐 勇等:农业自然资源利用效率的因子-能量评价模型及其应用 89 图
2 作物生产过程中的因子能量衰减曲线 Fig.2 Factor2energyreductionprogressofcropproduction 评价环节也只能根据数据的可得性进行划分。
根据前面关于评价环节划分、建模思路及条件设 定,农业自然资源利用效率-因子能量评价模型 可由下列3组数学表达式组成: 因子-能量损失量表达式: ΔQi=Qi-Qi-
1
(4) Qi∈[QSep,QPpp,QPtp,QPcp,QPanp, QCfs,QYo,QYeo] 因子-能量衰减率表达式: Ari=ΔQi·Qi-1-
1
(5) Qi∈[QSep,QPpp,QPtp,QPcp,QPanp, QCfs,QYo,QYeo] 资源组合利用效率表达式: Ri=Qyeo·QI-1(或Ri=Qyo·QI-1)
(6) Qi∈[QStp,QSep,QPpp,QPtp,QPcp, QPanp,QCfs,QYo]
(4)式中的ΔQi与
(5)式中的Ari值的变化是对 应的(ΔQi和Ari均为负值),ΔQi值越大,Ari值 也越大,说明第i个因子引起的能量损失越小。
反之,则表明能量损失较大。
(6)式中的资源组 合利用效率(Ri)实际上指理论光能利用率、有效 光能利用率、光合潜力利用率、光温潜力利用率、 气候生产潜力利用率、农业生产潜力利用率和作 物经济系数等[8]。
2 因子-能量评价模型应用案例 宁津县地处黄淮海鲁北平原,属暖温带半湿 润季风气候。
光照充足,地势平坦,土层深厚, 光、热、水、土等自然要素组合匹配较好,适宜农 作物生长。
农垦历史悠久,是一个以种植业为主的农业县。
宁津县的种植业以冬小麦和夏玉米轮作为主。
1997年～1999年期间,宁津县冬小麦和夏玉米的播种面积约占农作物总播种面积的73143%,冬小麦平均单产量为6435kg·hm-
2,夏玉米平均单产量为6600kg·hm-
2。
取小麦经济系数为0148,玉米经济系数为0145,小麦燃烧值为11747×104J·g-
1,玉米燃烧值为11807×104J·g-
1,由此推算得宁津县单位面积冬小麦和夏玉米(合计)经济产量折能为2317×108J·hm-
2,单位面积生物产量折能为4994×108J·hm-
2。
根据农业生产潜力模型(中科院农业生产力课题组)计算得宁津县冬小麦与夏玉米轮作各评价环节阶段变量值见表
1,农业资源因子能量衰减过程见图
3,各环节因子能量损失量、能量衰减率及资源组合利用效率计算结果见表2和表
3。
表
1 宁津县冬小麦、夏玉米轮作各评价环节阶段潜力储能 Table1 Variantvalueofdifferentappraisalpartsofwinter wheatandsummercornproductioninNingjinCounty(108J·hm-2) 阶段变量QStpQSepQPpp3QPtp3QPcp3QPanp3QCfs3QYoQYeo 计算值538841269421549314291525121186941454949952315 3按碳
三、碳四植物潜力平均值计。
表
2 各评价环节因子-能量损失量和因子-能量损失率结果 Table2 Energylossvalueandreductionratioof differentappraisalparts 评价阶段 评价因子 能量损失量(108J·hm-2) 能量衰减率(%) QStp2QSepQSep2QPppQPpp2QPtpQPtp2QPcpQPcp2QPanpQpanp2QCfsQCfs2QYoQYo2QYeo 光质光能转换 温度水分土壤肥力耕作制度其它因素经济特性 2694212144901201617794 6427414595542675 5079161211884114625158221176516753160 ©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 90 资 源 科 学 24卷第3期 图
3 宁津县冬小麦、夏玉米轮作农业自然资源利用因子-能量衰减过程 Fig.3 Energyreductionchangeofwinterwheatandsummer cornproductionfollowingfactorsgrowthinNingjinCounty 表
3 宁津县冬小麦、夏玉米轮作农业自然资源利用效率 Table3 RatioofagriculturalnaturalresourcesutilizationofwinterwheatandsummercornproductioninNingjinCounty 指标(Ari) 指标值(%)按生物量按经济产量 理论光能利用率 0193 0143 有效光能利用率 1185 0186 光合潜力利用率
3 9109 4122 光温生产潜力利用率
3 11164 514 气候生产潜力利用率
3 19188 9123 农业自然生产潜力利用率
3 26171 12141 耕作制度农业自然生产潜力利用率334133 14185 3按碳
三、碳四植物潜力平均值计。
从能量损失量看,引起能量损失最大的因子是光质特点和光能转换,损失量分别是269421×108J·hm-2和214490×108J·hm-2;其次是水分因子、温度条件和其它因素,能量损失量分别是17794×108J·hm-2、12016×108J·hm-2和9554×108J·hm-2;其它各因子引起的能量损失量均在6500×108J·hm-2以下。
从能量衰减率角度看,衰减率最大的因子是光能转换和其它因素,对应的能量衰减率分别是79161%和65167%;其次是作物经济特性、光质特点和水分因子,能量衰减率分别是5316%、50%和41146%;温度、肥力和耕作制度的能量衰减率都在26%以下。
一般认为光质特点和光能转换引起的能量损失是不可控制的,光合生产潜力是作物生产的理论极限,温度条件大范围不可改变,作物经济特性 引起的能量损失应通过植物生理、生化及育种等途径加以解决,而改善水分条件、培肥地力及调整耕作制度应是减少能量损失的主要途径[9,10]。
由此可见,宁津县提高小麦和玉米轮作资源利用效率的关键是解决好水资源和肥料的高效利用问题。
3 结论与讨论 农业自然资源利用效率因子-能量评价模型是基于第一性生产生理-环境机制而建立的用以定量表征和反应农作物生产对各种资源有效利用状况的一组数学表达式。
该模型的构建鉴借了农业生产力模型的研究思路,将作物生产中同时起作用的环境要素虚拟化为若干前后对接的“独立环节”,通过对各虚拟环节对应的资源因子进行能量损失评价,从而达到农业资源利用效率评价的目的。
从对宁津县应用研究的结果看,得出的结论基本上反映出了宁津县主要农作物生产对农业自然资源利用的有效性状况,揭示了各资源因子对农作物生产的定量制约程度。
说明业已建立的评价模型是可行的、实用的和可操作的。
由于农业生产存在着明显的地域分异性,不同的地区有着不同的农业生产特点,对应的农业自然资源利用方式、结构及制度也是千差万别。
因此,评价模型在实践应用时必须针对评价目标区农业生产和农业自然资源利用的实际情况确定评价主体目标,并围绕评价主体目标展开评价工作。
在宁津县,农业生产以种植业为主,而种植业的主体是冬小麦与夏玉米轮作,显然,对小麦与玉米轮作的资源利用有效性评价就是宁津县农业自然资源利用评价工作的主体目标。
评价模型的建立尽管从理论上考虑了方法的通用性,但由于它与第一性生产生理-环境机制认识程度、尤其是农业生产力模型的研究进展密切相关,其阶段变量值均来源于不同生产级别的农业生产力模型计算结果,因此,在实际应用时无论评价思路、评价环节划分、还是评价结果都受到农业生产力模型研究进展及其精确程度的制约。
从前面模型构建的过程和应用实例研究可以看出,业已建立的评价模型主要侧重于农 ©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 24卷第3期 徐 勇等:农业自然资源利用效率的因子-能量评价模型及其应用 91 业自然资源,而对与农业生产有密切关系的诸如灌溉、施肥、管理、劳动力投入等社会经济资源涉及不够,反映出了评价模型的农业生产力模型研究进展制约性。
参考文献 (References): [1] 封志明,李飞,刘爱民,等.农业资源高效利用研究中的若干问题[J].资源科学,1998,20
(5):1～
6.FENGZhi2ming,LIFei,LIUAi2min,etal.Someproblemsinstudyofefficientutilizationofagriculturalresources[J].ResourcesScience,1998,20
(5):1～
6. [2] 徐勇.农业生产力模型研究进展述评[J].地理研究,1999,18
(5):157～163.XUYong.Adiscussiononresearchprogressofagriculturalproductivitymodels[J].GeographicalResearch,1999,18
(5):157～163. [3] 刘建栋,傅抱璞,金之庆,等.应用ARIDCROP模型对中国黄淮海地区冬小麦气候生产力的数值模拟研究[J].自然资源学报,1997,12
(3):282～287.LIUJian2dong,FUBao2pu,JINZhi2qing,etal.ThenumericalsimulationoftheclimaticproductivityofwinterwheatintheHuanghuaihaiRegionbyus2ingtheARIDCROPmodel[J].JournalofNaturalResources,1997,12
(3):282～287. [4] 侯光良,游松才.用筑后模型估算我国植物气候生产力[J].自然资源学报,1990,5
(1):62～65.HOUGuang2liang,YOUSong2cai.TocalculateChina’splant2climateproductivepotentialitiesby“ChikuzoModel”[J].JournalofNaturalRe2 sources,1990,5
(1):62～65.[5] 陈国南.用迈阿密模型测算我国生产量的尝试[J].自然 资源学报,1987,2
(3):270～278.CHENGuo2nan.Calcula2tionofprimaryproductionofecosysteminChinawithapplicationofMiamiModel[J].JournalofNaturalResources,1987,2
(3):270～278.[6] 徐勇,朱会义.农业生产中的资源运动转化及其可控性分析[J].地理研究,1999,18
(5):10～16.XUYong,ZHUHui2yi.Ananalysisofresourcesmovementchangeanditscon2trollabilityintheagriculturalproduction[J].GeographicalRe2search,1999,18
(5):10～16.[7] 徐勇.农业资源高效利用评价的程序、内容及方法[J].资源科学,1998,20
(5):12～17.XUYong.Procedures,contents andmethodsforevaluatingtheefficientutilizationofagriculturalresources[J].ResourcesScience,1998,20
(5):12～17.[8] 徐勇.农业资源高效利用评价指标体系初步研究[J].地理科学进展,2001,20
(3):240～246.XUYong.Theevalu2ationindexsystemofagriculturalresourcesefficientutility[J].ProgressinGeography,2001,20
(3):240～246.[9] 谢高地,齐文虎,章予舒,等.主要农业资源利用效率研究[J].资源科学,1998,20
(5):7～11.XIEGao2di,QIWen2hu,ZHANGYu2shu,etal.Utilizationefficiencyofmainagriculturalresources[J].ResourcesScience,1998,20
(5):7～11.[10] 王会肖,刘昌明.农田蒸散、土壤蒸发与水分有效利用[J].地理学报,1997,52
(5):447～454.WANGHui2xiao,LIUChang2ming.Evapotranspiration,soilevaporationandwatereffi2cientuse[J].ActaGeographicaSinica,1997,52
(5):447～454. ©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.
该文在概括和总结农作物生产过程中能量运动转化特征的基础上,通过对各资源因子作物生产作用的虚拟阶段划分,以能量运动转化的资源因子衰减过程为评价主线,建立了农业自然资源利用效率的因子-能量评价模型,并将之应用于山东省宁津县,得出了可行的评价结论。
关键词:农业自然资源;资源利用效率;因子-能量评价模型中图分类号:F30314;S203;S21017 文献标识码:
A 文章编号:1007-7588(2002)03-0086-06 THEFACTOR2ENERGYEVALUATIONMODELOF AGRICULTURALNATURALRESOURCESUTILIZATION EFFICIENCYANDITSAPPLICATION XUYong,QIWen2hu,XIEGao2di,ZHANGYu2shu (InstituteofGeographicalSciencesandNaturalResourcesResearch,CAS,Beijing100101,China) Abstract:Thekeypointofnaturalresourcesutilizationistoenhanceitsutilizationefficiency,whichisthe fundamentalwaytoprotectnaturalresources,andthus,toachieveitssustainableutilization.Therefore,to explorethefactorsrestrictingresourcesutilizationwithhighefficiencyisingimportant.Concerningthe featuresofenergymovementandthechangesofcropproductionprocess,thecourseofcropproductionwas dividedintoaseriesoffictitioussteps,eachofthemincludingandimportantfactor,andthenthefactor2ener2 gyposedoflossvolume,lossratioandutilityratioofenergywassetup.AppliedtoNingjinCoun2 ty,Shangdongprovince,thefactor2energyevaluationmodelwasprovedtobepractical,andresultsfairlyac2 cordedwiththeactualsituationofcropproductionwithinthatcounty. Keywords:Agriculturalnaturalresources;Resourcesutilizationefficiency;Factor-energyevaluationmodel 农业生产及作物生物学产量的形成是能量、是通过对农业生产过程中的能量、物质等资源利 物质等农业资源耦合运动转化的连续过程。
在用状况进行系统识别和诊断,以揭示致使农业资 这个连续过程中,每时每刻都存在着诸如光、温、源利用低效的制约因素和“瓶颈”所在,为提高农 水、肥等资源的匹配组合问题。
不同的作物有不业资源利用效率提供科学依据[1]。
按照作者的 同的资源组合要求,而不同的资源又存在着不同的时空变化过程,即作物生长的能量、物质要求与能量、物质要素的现实状态之间总是存在着偏差。
开展农业资源利用评价和构建评价模型就 思考,农业资源利用评价模型至少应包括3组模型,即农业自然资源利用效率评价模型、投入产出模型和空间评价模型。
效率评价模型属于主体模型,基于空间同质点或同质地域单元,侧重于农业自然资源综合利用效果评价;投入产出模 收稿日期:2001-06-01;修订日期:2001-11-02基金项目:中国科学院知识创新工程项目(KZCX2-307-05)。
作者简介:徐勇(1964～),男,陕西榆林人,副研究员,主要从事农业与乡村发展、流域开发与管理和区域持续发展模拟等领域的科研工作。
©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 24卷第3期 徐 勇等:农业自然资源利用效率的因子-能量评价模型及其应用 87 型属于效率评价模型的辅助模型,侧重于农业社会经济资源的投入产出经济合理性评价;空间评价模型建立在前两组模型的基础上,用以反映一定地域范围内农业资源利用的空间效果。
3组模型相辅相成,从不同的侧面共同完成资源利用评价的目的。
综合历史的和现状的关于农业资源模型研究的侧重点、基本思想和主要成果[2～5],开展农业自然资源利用效果评价和设计农业自然资源利用效率评价模型宜分两步执行:一是按因子划分相对评价环节,目的在于寻找限制性资源因子及其定量制约程度,即从因子与因子关系的角度设计评价模型;二是在第一步工作的基础上,考虑各因子作物生产的人为可调控性,从单因子的角度设计资源利用效率评价模型。
本文侧重于前一部分的研究,即试图通过对各资源因子作物生产作用的虚拟环节划分,以能量运动转化的资源因子衰减过程为评价主线,建立农业自然资源利用效率的因子-能量评价模型。
1 因子-能量评价模型的建立 111 理论依据及评价环节划分基于第一性生产生理-环境机制认识发展 的第一性生产方程式及有关生产力模型研究的思路和成果积累是建立因子-能量评价模型的理论和方法论基础。
按照
H.里思(HelmutLieth)关于第一性生产力研究的历史综述[2],人类认识第一性生产方程式达到现在的程度至少花了近2300a的时间。
第一性生产方程式给出了植物生长与太阳辐射能、矿物营养物、水分和空气之间的量化关系,为开展植物(或作物)生产力影响因素分类纵深化研究及数学模型的建立提供了理论基础。
植物(或作物)生产力影响因素分类纵深化研究重在探讨第一性生产力形成的生理机制和与诸如土壤养分、水分以及气候的光、热、水等环境因子的密切关系;数学模型多基于作物(或植物)的生理机制,从环境因子相互作用和限制性角度研究作物的生产能力。
60年代初,许多学者都注意到了光合作用在作物生产中的决定性意义。
认为光合作用是作物形成的基础,作物生产的实质就是作物的光 合生产,作物的生产能力最终受光能转化规律的支配,农业生产力模型的研究主要围绕光合生产和能量运动转化展开,温度、水分、土壤等系列环境因素均被视为作物生产中能量运动转化的“衰减”因子,即通过因子作用虚拟环节划分来构建不同级别的农业生产潜力估算模型。
从到达地球表面的太阳总辐射开始到作物产量中贮存的化学能结束有多少能量转化成了有价值的化学能,有多少被损失掉了,损失发生在哪些环节将是农业资源利用效率因子能量评价模型研究所要解决的问题。
综合有关学者的研究成果[6],作物生产中的能量运动转化过程可根据参与作物生产的资源因子特点相对划分为九个虚拟评价环节,各环节对应评价因子及变量如图
1。
112 建模思路及条件设定
(1)用能量作为评价“媒体”。
在影响作物生长的众多因子中,来源于太阳辐射的能量是作物生长的直接驱动力。
能量在作物生长过程中的运动、转化受其它因子制约,但它是作物进行光合生产的最终控制因子。
采用能量形式,可将诸多功能、性质、量纲等都不一致的因子置于统一的衡量指标下[7],便于对各种资源要素的作物利用有效性状况进行对比评价。
(2)将“要素同时起作用”的作物生产过程按要素人为可控制性程度顺序概念性地划分为前后对接的若干环节或阶段,每个环节或阶段甚少有一个重要因子加入。
一般来说,考虑的因子越多,环节划分应越细,评价结果也越理想。
在实际操作中,环节划分需视具体情况而定。
图1作物生产中的能量流动与转化过程从太阳总辐射到实际作物产出贮能共包括9个环节,这就是一种较为详细的评价环节划分,这个划分在实际评价中因生产方式、制度及管理等因子难以量化,对应的因子评价工作尚无法进行。
(3)对因子环节的条件设定。
在对先行环节的因子进行评价时,认为所有后继环节所涉及到的因子均处于最适状态。
如在进行光合生产潜力环节评价时,认为温度、CO2、水分、土壤等条件均处于适宜状态;而对水分环节进行评价时, ©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 88 资 源 科 学 24卷第3期 图
1 作物生产中的农业自然资源利用因子-能量评价虚拟流程 Fig.1 Fictitiousprogressonthefactor2energyevaluationofagriculturalnaturalresourcesutilization inthemiddleofcropproduction 认为土壤等条件处于适宜状态。
也就是说,随着加入的评价因子的增多和评价环节的后移,假设条件愈来愈少,到了实际产出环节,即无假设条件存在。
(4)进行因子环节的对接评价。
即后继环节的因子评价以先行环节的因子对能量控制的结果为起始点,对每种资源要素的作物利用效果评价应在其因子环节或阶段内完成。
(5)各因子环节的评价指标(评价变量)是相同的,可采用能量损失量、能量衰减率和(资源组合)能量利用率等表示。
n个,即评价过程可分为n个环节,每个环节存 在一个对应评价因子。
而认为n个评价因子引 起的能量衰减曲线是连续的和光滑的(图2)。
如果将这条能量衰减曲线用函数y=f(x)表示, 则由第k(1
(2) 第k个因子对应的资源组合利用率(Rk)为: Rk=Qyeo·fk-1(或Rk=Qyo·fk-1)
(3) 113 模型的数学表达式
(3)式中,QYo为作物现实生物产量储能,QYeo 理论上,对因子-能量评价模型可作如下的为作物现实经济产量储能。
概念性解读:假定影响农作物产量形成的因子有 在实际评价工作中,评价因子不可能太多, ©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 24卷第3期 徐 勇等:农业自然资源利用效率的因子-能量评价模型及其应用 89 图
2 作物生产过程中的因子能量衰减曲线 Fig.2 Factor2energyreductionprogressofcropproduction 评价环节也只能根据数据的可得性进行划分。
根据前面关于评价环节划分、建模思路及条件设 定,农业自然资源利用效率-因子能量评价模型 可由下列3组数学表达式组成: 因子-能量损失量表达式: ΔQi=Qi-Qi-
1
(4) Qi∈[QSep,QPpp,QPtp,QPcp,QPanp, QCfs,QYo,QYeo] 因子-能量衰减率表达式: Ari=ΔQi·Qi-1-
1
(5) Qi∈[QSep,QPpp,QPtp,QPcp,QPanp, QCfs,QYo,QYeo] 资源组合利用效率表达式: Ri=Qyeo·QI-1(或Ri=Qyo·QI-1)
(6) Qi∈[QStp,QSep,QPpp,QPtp,QPcp, QPanp,QCfs,QYo]
(4)式中的ΔQi与
(5)式中的Ari值的变化是对 应的(ΔQi和Ari均为负值),ΔQi值越大,Ari值 也越大,说明第i个因子引起的能量损失越小。
反之,则表明能量损失较大。
(6)式中的资源组 合利用效率(Ri)实际上指理论光能利用率、有效 光能利用率、光合潜力利用率、光温潜力利用率、 气候生产潜力利用率、农业生产潜力利用率和作 物经济系数等[8]。
2 因子-能量评价模型应用案例 宁津县地处黄淮海鲁北平原,属暖温带半湿 润季风气候。
光照充足,地势平坦,土层深厚, 光、热、水、土等自然要素组合匹配较好,适宜农 作物生长。
农垦历史悠久,是一个以种植业为主的农业县。
宁津县的种植业以冬小麦和夏玉米轮作为主。
1997年～1999年期间,宁津县冬小麦和夏玉米的播种面积约占农作物总播种面积的73143%,冬小麦平均单产量为6435kg·hm-
2,夏玉米平均单产量为6600kg·hm-
2。
取小麦经济系数为0148,玉米经济系数为0145,小麦燃烧值为11747×104J·g-
1,玉米燃烧值为11807×104J·g-
1,由此推算得宁津县单位面积冬小麦和夏玉米(合计)经济产量折能为2317×108J·hm-
2,单位面积生物产量折能为4994×108J·hm-
2。
根据农业生产潜力模型(中科院农业生产力课题组)计算得宁津县冬小麦与夏玉米轮作各评价环节阶段变量值见表
1,农业资源因子能量衰减过程见图
3,各环节因子能量损失量、能量衰减率及资源组合利用效率计算结果见表2和表
3。
表
1 宁津县冬小麦、夏玉米轮作各评价环节阶段潜力储能 Table1 Variantvalueofdifferentappraisalpartsofwinter wheatandsummercornproductioninNingjinCounty(108J·hm-2) 阶段变量QStpQSepQPpp3QPtp3QPcp3QPanp3QCfs3QYoQYeo 计算值538841269421549314291525121186941454949952315 3按碳
三、碳四植物潜力平均值计。
表
2 各评价环节因子-能量损失量和因子-能量损失率结果 Table2 Energylossvalueandreductionratioof differentappraisalparts 评价阶段 评价因子 能量损失量(108J·hm-2) 能量衰减率(%) QStp2QSepQSep2QPppQPpp2QPtpQPtp2QPcpQPcp2QPanpQpanp2QCfsQCfs2QYoQYo2QYeo 光质光能转换 温度水分土壤肥力耕作制度其它因素经济特性 2694212144901201617794 6427414595542675 5079161211884114625158221176516753160 ©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 90 资 源 科 学 24卷第3期 图
3 宁津县冬小麦、夏玉米轮作农业自然资源利用因子-能量衰减过程 Fig.3 Energyreductionchangeofwinterwheatandsummer cornproductionfollowingfactorsgrowthinNingjinCounty 表
3 宁津县冬小麦、夏玉米轮作农业自然资源利用效率 Table3 RatioofagriculturalnaturalresourcesutilizationofwinterwheatandsummercornproductioninNingjinCounty 指标(Ari) 指标值(%)按生物量按经济产量 理论光能利用率 0193 0143 有效光能利用率 1185 0186 光合潜力利用率
3 9109 4122 光温生产潜力利用率
3 11164 514 气候生产潜力利用率
3 19188 9123 农业自然生产潜力利用率
3 26171 12141 耕作制度农业自然生产潜力利用率334133 14185 3按碳
三、碳四植物潜力平均值计。
从能量损失量看,引起能量损失最大的因子是光质特点和光能转换,损失量分别是269421×108J·hm-2和214490×108J·hm-2;其次是水分因子、温度条件和其它因素,能量损失量分别是17794×108J·hm-2、12016×108J·hm-2和9554×108J·hm-2;其它各因子引起的能量损失量均在6500×108J·hm-2以下。
从能量衰减率角度看,衰减率最大的因子是光能转换和其它因素,对应的能量衰减率分别是79161%和65167%;其次是作物经济特性、光质特点和水分因子,能量衰减率分别是5316%、50%和41146%;温度、肥力和耕作制度的能量衰减率都在26%以下。
一般认为光质特点和光能转换引起的能量损失是不可控制的,光合生产潜力是作物生产的理论极限,温度条件大范围不可改变,作物经济特性 引起的能量损失应通过植物生理、生化及育种等途径加以解决,而改善水分条件、培肥地力及调整耕作制度应是减少能量损失的主要途径[9,10]。
由此可见,宁津县提高小麦和玉米轮作资源利用效率的关键是解决好水资源和肥料的高效利用问题。
3 结论与讨论 农业自然资源利用效率因子-能量评价模型是基于第一性生产生理-环境机制而建立的用以定量表征和反应农作物生产对各种资源有效利用状况的一组数学表达式。
该模型的构建鉴借了农业生产力模型的研究思路,将作物生产中同时起作用的环境要素虚拟化为若干前后对接的“独立环节”,通过对各虚拟环节对应的资源因子进行能量损失评价,从而达到农业资源利用效率评价的目的。
从对宁津县应用研究的结果看,得出的结论基本上反映出了宁津县主要农作物生产对农业自然资源利用的有效性状况,揭示了各资源因子对农作物生产的定量制约程度。
说明业已建立的评价模型是可行的、实用的和可操作的。
由于农业生产存在着明显的地域分异性,不同的地区有着不同的农业生产特点,对应的农业自然资源利用方式、结构及制度也是千差万别。
因此,评价模型在实践应用时必须针对评价目标区农业生产和农业自然资源利用的实际情况确定评价主体目标,并围绕评价主体目标展开评价工作。
在宁津县,农业生产以种植业为主,而种植业的主体是冬小麦与夏玉米轮作,显然,对小麦与玉米轮作的资源利用有效性评价就是宁津县农业自然资源利用评价工作的主体目标。
评价模型的建立尽管从理论上考虑了方法的通用性,但由于它与第一性生产生理-环境机制认识程度、尤其是农业生产力模型的研究进展密切相关,其阶段变量值均来源于不同生产级别的农业生产力模型计算结果,因此,在实际应用时无论评价思路、评价环节划分、还是评价结果都受到农业生产力模型研究进展及其精确程度的制约。
从前面模型构建的过程和应用实例研究可以看出,业已建立的评价模型主要侧重于农 ©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 24卷第3期 徐 勇等:农业自然资源利用效率的因子-能量评价模型及其应用 91 业自然资源,而对与农业生产有密切关系的诸如灌溉、施肥、管理、劳动力投入等社会经济资源涉及不够,反映出了评价模型的农业生产力模型研究进展制约性。
参考文献 (References): [1] 封志明,李飞,刘爱民,等.农业资源高效利用研究中的若干问题[J].资源科学,1998,20
(5):1～
6.FENGZhi2ming,LIFei,LIUAi2min,etal.Someproblemsinstudyofefficientutilizationofagriculturalresources[J].ResourcesScience,1998,20
(5):1～
6. [2] 徐勇.农业生产力模型研究进展述评[J].地理研究,1999,18
(5):157～163.XUYong.Adiscussiononresearchprogressofagriculturalproductivitymodels[J].GeographicalResearch,1999,18
(5):157～163. [3] 刘建栋,傅抱璞,金之庆,等.应用ARIDCROP模型对中国黄淮海地区冬小麦气候生产力的数值模拟研究[J].自然资源学报,1997,12
(3):282～287.LIUJian2dong,FUBao2pu,JINZhi2qing,etal.ThenumericalsimulationoftheclimaticproductivityofwinterwheatintheHuanghuaihaiRegionbyus2ingtheARIDCROPmodel[J].JournalofNaturalResources,1997,12
(3):282～287. [4] 侯光良,游松才.用筑后模型估算我国植物气候生产力[J].自然资源学报,1990,5
(1):62～65.HOUGuang2liang,YOUSong2cai.TocalculateChina’splant2climateproductivepotentialitiesby“ChikuzoModel”[J].JournalofNaturalRe2 sources,1990,5
(1):62～65.[5] 陈国南.用迈阿密模型测算我国生产量的尝试[J].自然 资源学报,1987,2
(3):270～278.CHENGuo2nan.Calcula2tionofprimaryproductionofecosysteminChinawithapplicationofMiamiModel[J].JournalofNaturalResources,1987,2
(3):270～278.[6] 徐勇,朱会义.农业生产中的资源运动转化及其可控性分析[J].地理研究,1999,18
(5):10～16.XUYong,ZHUHui2yi.Ananalysisofresourcesmovementchangeanditscon2trollabilityintheagriculturalproduction[J].GeographicalRe2search,1999,18
(5):10～16.[7] 徐勇.农业资源高效利用评价的程序、内容及方法[J].资源科学,1998,20
(5):12～17.XUYong.Procedures,contents andmethodsforevaluatingtheefficientutilizationofagriculturalresources[J].ResourcesScience,1998,20
(5):12～17.[8] 徐勇.农业资源高效利用评价指标体系初步研究[J].地理科学进展,2001,20
(3):240～246.XUYong.Theevalu2ationindexsystemofagriculturalresourcesefficientutility[J].ProgressinGeography,2001,20
(3):240～246.[9] 谢高地,齐文虎,章予舒,等.主要农业资源利用效率研究[J].资源科学,1998,20
(5):7～11.XIEGao2di,QIWen2hu,ZHANGYu2shu,etal.Utilizationefficiencyofmainagriculturalresources[J].ResourcesScience,1998,20
(5):7～11.[10] 王会肖,刘昌明.农田蒸散、土壤蒸发与水分有效利用[J].地理学报,1997,52
(5):447～454.WANGHui2xiao,LIUChang2ming.Evapotranspiration,soilevaporationandwatereffi2cientuse[J].ActaGeographicaSinica,1997,52
(5):447～454. ©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.
声明：
该资讯来自于互联网网友发布，如有侵犯您的权益请联系我们。