全 文 ：第 11卷 第 3期
2 0 0 3年 7月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese Journal of Eco—Agriculture
VO1．11 NO．3
July．， 2003
土地定量化模型在土地利用系统的应用
乔 玉辉 宇振 荣
(中国农业大学资源与环境学院 北京 100094)
Driessen P．M． 郝凤 武
(Wageningen Agricultural University，Netherlands)(河北 广 播 电视 大学 石家 庄 050051)
摘 要 运 用验 证 后 的土地 定 量 化模 型(PS123)对 曲周地 区土 地 利 用 系 统 部分 因 素 如冬 小 麦 适 播 期 、灌溉 措 施 及
光温 生产 潜 力 研 究分 析 表 明 ，该 区冬 小 麦适 播 期 为 9月 底 ～10月底 ，并宜 选 用早 熟 品 种 ，总灌 水 量 为 180～240
mm，平水年宜灌水 3次左右 ，应重视冬小麦拔节后灌水，中后期灌水宜采用 75～90 mm 较大定额。运用 PS123模
型计算该 区冬小麦光温生产潜力为 1．101万 kg／hm 左右。
关 键词 PS123模 型 冬 小麦 土 地 利用 系 统
Application of land quantified model in land use system．QIAO Yu’Hui，YU Zhen’Rong(College of Resources and Envir．
onment，China Agricultural University，Beijing 100094)，Dries．sen P．M ．(Wageningen Agricultural University。Nether—
lands)，HAO Feng’Wu(Hebei Broadcast and TV University，Shijiazhuang 050051)，CJEA，2003，11(3)：142～145
Abstract After the earlbration，the land quantified model(PS123)is used to analyze several factors 0f land Use s~tem such aS
the seeding date，irrigation scenario and biophysical potential production．The optimum seeding date is from the end of Septem~r
to Octo~r．The irrigation an2ount is 180～240 mm and it is appropriate to irrigate 75～ 90 mm each time at the laSt part 0f the
growing se&son．The biophysica1 potential yidd Of Quzhou region is about llOlOkg／hm2．
Key words Land quantified model，W inter wheat，Land use system
以合理利用土地为 目标的土地定性评价始于 20世纪 30年代，1978年联合国粮农组织为评估世界土地
资源农业利用潜力提出农业生态区域方法，为定量化评价土地生产力奠定了基石 ，随着计算机技术和地理信
息系统技术的发展 ，许多学者开始将各种作物生长模拟模型应用 于土地生产力定量评价 中 ]。Driessen
P．M．等" 强 调根据有效数 据来源建立适 用于特定土地 利用 系统生产 力定 量评 价 的多种作 物生 长 动态模 拟
模 型 ，并于 1992年完成 土地 利用系统分 析评 价模型 (PS123) ，该模 型可 动态模拟 潜在生 产力 、水分 限制 条
件下的生产力和计算 目标产量的养分需要，适用于大多数作物生产力的计算 ，可直接应用于小比例尺土地生
产力评价和土地适宜性评价。该模型在希腊、西班牙及非洲等多个国家进行了修正和应用 ，但我国进行该模
型修正和应用研究 目前尚较少 。本研究将该模型应用于黄淮海平原曲周试区冬小麦可持续生产土地管理
中，并进行了修正。
1 土地定量化模 型 PS123的修正
试 验在位 于河北 省 曲周县 的中国农业大学 曲周试验站进 行 ，该 区为轻盐渍化地 区 ，土壤 含盐量为0．09％
～ 0．15％，土壤 肥力 中等 。试 验观测 了不同处理冬小 麦一系列生物学 特征和土壤水 分与盐分 的变化 ，根据有
关文献资料及试验所得公式对 PS1和 PS2的部分公式进行修正并发展了 PS123模型，将土壤盐分对作物生
长及土壤环境的影响结合到 PS2模型中，使该模型在黄淮海盐渍化地区广泛应用更具实用性。
1．1 最大光合速率计算的修正
一 般作物模型中仅考虑温度对最大光合速率的影响，但本试验发现不同生育时期作物生长状况对其有
不同影响，故引入与光合作用及生长发育过程有关的叶面积指数(LA )表示冬小麦生长发育周期最大光合
速率的变化规律 ，最大光合速率(AMAX)可修改为：
AMAX = [1．8× T 一0．15×(T f— Tda )]×LA ／LAI ax (1)
*国家 自然科学基金项 目(30270780)和荷兰 SAIL基金会中荷合作项 目“可持续土地管理(SULAMA)”(SAIL·SPP299-399)共同资助
收稿 日期：2002—06—28 改回日期：2002-08—12
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第 3期 乔玉辉等 ：土地定量化模型在土地利用系统的应用 143
式中，AMAX为实际温度下最大同化速率(kg／hm。·h)，T 为参照温度(℃)，T 为白天温度(℃)。
1．2 叶面积指数计算的修正
通常用比叶重(SLA)和绿叶干物质量描述作物叶面积状况 ，比叶重指每单位干叶质量的叶面积，叶面
积指数可 由下式 计算 ：
LAJ=livS(1eaf)×SLA×10～ (2)
式中，livS(1eaf)为绿叶干物质量(kg／hm )。比叶重是作物形态发育特征值 ，与作物种类 、相对发育阶段及
温度等环境因素有关。根据 1997～1998年和 1998～1999年 2年曲周试 区小麦试验资料 ，得出适合该地区
计算小麦比叶重(sLA)的各项参数值 ：
SLA=SLA⋯ 一(SLA⋯ 一SLA )×In(RDS) (3)
式中，sLA一 、SLAmm分别为最大和最小 比叶面积 40m ／kg、19m ／kg。
计算 叶面积 指数时要用 活叶干物质 量 ，PSI模 型中模 拟 的干 物质量是各时 间段形成 的干物质 累积量 ，所
得 叶片重是 干叶和绿 叶的总 和 ，而小 麦生育后期 活叶干物质量 一般小 于总叶重 。
利用冬小麦黄叶率计算不同时期作物绿叶面积，其黄叶率(DR黄叶干物质量与总叶重之 比)特征为返
青前 DR=0，返青后初始值较高，随新叶生出其黄叶率略减少 ，而后随 RDS的增大其黄叶率渐呈增高趋势，
当 RDS达 0．95左右时(黄熟后期)黄叶率最大，此时 DR值为 1。根据试验结果得出黄叶率随相对发育阶
段 (RDS)变化 的基 本公式 ：
DR =2．142×RDS 一1．8001×RDS+0．6571 (4)
1．3 干物质在各器官分配计算的修正
目前对作物同化物分配的内部机制定量研究 尚较少 ，一般通过 田问试验 ，据不同器官问千物质增量 占总
干物质增量的比例获得。本试验利用 1997～1998年及 1998～1999年 2年相邻收获期间某器官生长增量计
算干物质分配系数，并注意小麦生育后期营养器官干物质的再转移 ，田问试验证明小麦抽穗期始其叶片部分
储存 物质开始 向外 转移 ，至开花后茎部 也开始转移 。本研究 得 出开花灌 浆后 茎叶根 中部 分干 物质 往穗 中的
转 移系数为 0．02～0．12。
PS123模型中干物质分配系数和转移系数通常用列表方式表示 ，然后通过线性 内插法求出不同 RDS的
分配系数 ，并在作物产量动态模型中应用。
1．4 作物实际蒸腾速率计算的修正
根系在吸水过程中土壤水分过多或过少均影响根系吸水和蒸腾过程，故作物达最大蒸腾速率(TRM)时
的土壤水分有其适宜范围，含水量上限主要受土壤空气影响，文献中给出的值 尚不统一。本研究假定最小空
气含量临界值为 0．06 cm ／cm ，并假定当土壤空气含量<0．02 cm ／cm 时根系停止活动，不再有根系吸水和
蒸腾过程，根系活动虽仍受其他因素的影响，但为简化模型 ，通过分段方法将土壤实际蒸腾速率分为 5段，即
若 SMPSI≥ (SMO 一0．02)，则 TR=0；若(SMO一0．02)≥SMPST≥ (sM0—0．06)，则 TR =TRM ×
(sM0—0．02一SMPSI)／o．04；若(sM0—0．06)≥SMPSI≥ SMCR，则 TR：TRM ；若 SMCR≥SMPSJ≥
SMPWP，则 TR=TRM ×(SMPSj—s』ⅥPwP)／(SMCR—SMPWP)；若 SMPWP≥ SMPSJ，则 TR=0。式
中 SMPSI为土壤含水量(cm ／cm )，SMO 为饱和土壤含水量(cm ／cm )，SMCR为实际蒸腾速率等于最大
蒸腾速率时的土壤含水量，SMPWP为萎蔫点时的土壤含水量。
1．5 土壤盐分 、作物生长参数与模型结合
本模型用盐分平衡法计算土壤盐分，且考虑盐分对作物生长影响时以渗透理论为主，以渗透势与水势相
结合为切入点，将土壤盐分纳入作物吸水过程中，从而影响作物合成干物质。同时结合产量对土壤盐分的响
应模型，并规定保证产量的上下限，根据土壤含盐量进行分段处理。当土壤溶液浓度超出一定范围时，在提
高渗透势的同时会产生离子毒害，当土壤含盐量
浓度(盐分临界值 ，ms／era)。与当地试验和调查资料相对照对本模型模拟结果进行检验和有效化验证表明，
所用作物品种参数、土壤参数及对模型的修正效果均较好 ，模型可在曲周地区应用 ，并 由此得 出 1套适于该
地 区的参 数 。
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144 中 国 生 态 农 业 学 报 第 11卷
2 土地定量化模型 PS123在 土地 利用的应用
2．1 曲周地区冬小麦适播期的确定
图 1模拟 1997～1998年和 1998～1999年“邯 4564”小麦品种 2年产量结果显示，10月 1日前出苗的小
麦随出苗期的提前而下降趋势较明显 ，10月 5～30日出苗的小麦为最高产量区，之后 11月底出苗的产量有
日期(月-日)
图 1 不 同播期 冬 小麦 产量 比较
Fig．1 Production comparison of different
seeding date of winter wheat
所下降，但降幅较缓慢 ，随出苗期 的推迟 ，其成熟期也推迟。该地
区冬小 麦收后种植夏 玉米并多 以平播 方式 ，据研 究 ，该 区夏 玉米
播期在 5月 30日后随播期的推迟其产量逐渐下降。故本研究确
定 “邯 4564”冬小麦 品种 最适 播期为 9月底 ～10月底 间 ，且 冬小麦
和夏玉米应选择 1个早熟 品种或改为套种 ，以保证冬小麦和夏玉
米产量均不受 影响 。
2．2 曲周地 区宜灌期指标的确定
本研究在确定宜灌期指标时，采用与作物吸水及干物质合成
有关 的指标水 分 因子 系数 (CFWATER)，它是 实 际供水 条 件下 蒸
腾速率与最大蒸腾速率之 比，与干物质合成直接相关 ，故用它作为
水分 因子限制指标 即宜灌 期指标更具 准确性 。据研究 当作 物全
生 育 期 平 均 水分 因子 系
数<0．57时 则 严 重 影 响 作 物 生 长 ，故 本研 究 取水 分 因子 系 数 <
0．60时 ，说 明作 物生 长 已受抑 制 ，若不 及 时灌 溉将影 响最 终产 量 。
当水分 因子系数 <0．60时第 1天定 为 CFWONE(天)，表 明 由此 开
始作 物生长受阻 。图 2模拟显 示 ，1997～1998年和 1998～1999年
未灌水 下冬小 麦生 长 前 期 水 分 因子 系 数 均为 1，基 本 不受 水 分 胁
迫 ，而 4月 15日左右水分因子系数开始降低，这是因为此时处于小
麦 生育期 的 180d(拔节 期 )需 水 量大 ，而越 冬 消耗 土壤 水分 已不 能
满足小麦生长后期需求 ，之后虽降雨使水分因子系数有所恢复 ，但
已使小麦生 长严重受影 响 。故本研 究 确定该 区 4月 15日左 右 (小
麦生育期 的第 180 d)应 为 宜灌 期 ，这 时 灌溉 可 大大 缓 解小 麦需 水
与供水 矛盾 。同时模 拟该 区 1984～1998年 15年 未 灌水 下 1／3的
l 2
l 0
o-s
害。一6
。一4
0 2
0 0
07—28 ll-05 02-l3 05-24 09·01
日期(月一日)
图 2 冬小 麦 生长 季水 分 因子 系数 动态 变化
Fig．2 Variation of CFW ATER during
winter wheat growth sea son
CFWONE出现在 2月 中下旬 ，2／3的第 1天水分胁迫 出现在 4月初 ，故该 区宜灌期应选择 越冬期和拔节期 。
2．3 曲周地区灌溉次数与灌溉量的确定
灌溉时 间从生 长期 的 170 d(4月 3日)开始 ，由表 1可知 不同灌水方 案中最 终产量 以 3、5、6、8、9和 12方
案最佳，水分利用效率>2．5 kg／hm ·mm的方案依次为 3、5、4、6和 8，收获指数较高的除上述几个方案处理
表 1 不 同灌溉 方 案灌 溉 效果 比较 (1998 1999)
Tab．1 Comparison of different irrigation scenarios from 1998 to 1999
项 目 灌溉方案 Irrigation scheme
Items 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
总 干 物 质 13278．0 17610 0 24676．0 21478．0 24999 0 25436 0 20849 0 24587 0 25495．0 18814 0 23449．0 25495．0 20045 0 24371．0 25495．0
量 ／kg·hm
粒重／kg·hm 1999 0 4521 0 9267．0 7439．0 9615．0 9886．0 6936 0 9298．0 9923．0 5847．0 8499．0 9923．0 6832．0 9237．0 9923．0
CFWONE ／d Il8．0 128．0 148．0 l23．0 l23．0 l23．0 l33．0 l53．0 l23．0 l48．0 Il8．0 l23．0
土 壤 最 终 含 6．7 6．7 6．6 6 6 6 3 6 0 6 6 6．6 6．0 6．7 6．7 6．2 6．2 5．9 5 3
盐量 ms·cmI1
第 1 次 灌 170／50 170／90 170／90 170／60 170／75 170／9 l70／50 170／60 170／70 170／40 170／50 170／60 170／40 170／50 170／60
溉／d·mm ’
第 2 次 灌 200／50 200／60 200／90 190／60 190／75 190／75 185／50 185／60 185／70 180／40 180／50 180／60 180／40 180／50 180／60
溉／d·mmI1“
第 3 次 灌 210／60 210／75 210／75 200／50 200／60 200／70 190／40 190／50 190／60 190／40 190／50 190／40
溉／d·mm
第 4 次 灌 215／50 215／60 215／70 200／40 200／50 200／60 200／40 200／50 200／40
溉／d·mmI1“
目 )l，椰
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第 3期 乔玉 辉 等 ：土 地定 量 化模 型 在土 地利 用 系统 的 应用 145
第 5 次 灌
溉／d·toni-l“
第 6 次 灌
溉／d·mm “
灌溉次数／次 2
总灌溉量／mm 100．00
收 获 指 数 0．15
水 分 利 用 效 1．33
率／kg·}Ill ·m
4
200 00
0 33
2 31
4
240 00
0．38
2 58
210／40 210／50 210／60 210／40 210／50 210／40
220[40 220[50 220／40
4 5
280．00 200 00
0．39 0 31
2．36 1 95
250．00
0．36
2．27
5
300 00
0 39
2 21
6
240 00
0 34
1．90
6
300．00
0．38
2．05
6
280．00
0．39
2．36
*在 作物 生育期 内 ，当水 分 因子系 数 <0．60时 的第 1天定为 CFWONE(天 )；**左 边数 值为 灌溉 日期 ，右边 为灌 溉量 。
外 ，还有 9、12、14、15方 案。综合得 出 3、4、5、6、8方 案效果最佳 ，与其所 达产量效果基本 一致 ，若 考虑节约水
资源及人 力 物 力 ，小 麦 中后 期 进 行 2次 较 大 定 额灌 溉 为 最 佳 方 案 ，其 次 灌 溉 3次 ，即 总灌 水 量 为 225～
240mm 的方案值得推荐。土壤积盐状况各方案差异较小，但随灌水量的增加而呈增加趋势 ，若用微咸水灌
溉该趋 势更明显 。小 麦生长 中后期 根系 已深至 1～1．6m，应重视 拔节期 进行 1次 75～90mm 定 额灌 溉对根
系吸水很有益。由表 1可知第 1次灌水定额较小下在 190d仍有轻微水分胁迫 ，若稍加大灌水量则这种现象
即消失，而后期可采用少量灌溉，方案 15效果优于方案 12。方案 3是节水高产的可持续措施，与实验结果
及其他研究类似 ，故该地 区平水年份推广不灌冻水和返青水 ，而
拔节和开花灌浆期实行 2～3次较大定额灌溉为宜。
2．4 曲周地区小麦生产潜力数值模拟
FAO所推广 的 AEZ法 是 应 用较 广 的土 地 生 产 潜 力 评 价 方
法 ，王恩 利 ，韩 湘玲 利 用此 方法 对该 地 区光 温 生产 力进 行 订正
和 分 析 结 果 认 为 ，黄 河 以 北 地 区 小 麦 光 温 生 产 潜 力 为 9600
kg／hm 。刘建栋⋯对冬小麦光合生产潜力进行数值模拟认为 ，黄
淮海 地 区 光 温 生产 潜 力 为 1．2～1．35万 kg／hm2。本 研 究 运 用
喜
{L
982 1985 1988 1991 1994 l997
年 份
PS123模型计算出该地区光温生产潜 力为 1·101万 kg／hm 左 图3 曲周地区Ps123模拟产量(1982
～ 1997)
右 ，变动 范围主要 与不 同年型光温资 源有较大关 系(见 图 3)。 Fig．3 PS123 simul tio productio i Quzhou
本研究确定 的最适栽培季 节 为多年 平均 光温 的结 果 ，而实 际 region from 1982 tO 1997
生产中不同年份存在年际间差异，特别是对一些特殊气候年型尚需进一步深入研究其最适季节及其对策。
参 考 文 献
1 刘建栋等．冬小麦光合生产潜力数值模拟．地理研究 ，1998，17(1)：56～65
2 王恩利 ，韩湘玲．黄淮海地区冬小麦、夏玉米生产力评价及其应用 中国农业气象，1990，11(2)：41～45
3 辛德惠，李维炯 ．浅层咸水型盐渍化低产地区综合治理与发展．北京 ：北京农业大学出版社，1990
4 Driessen P．M．．Konijin N．T．Land use system analysis．Wageningen：Wageningen Agricultural University Press，1992
5 Bouma J．，Kuyvenhoven A．，Bouman B．A M ．，et a1．Eco—regional Approaches to Sustainable Land Use and Food Production．(Eds．)Klu·
war Academic Pub1．，Dordrecht，the Netherlands，1995
6 Van Lanen H．J．Qualitative and quantitative physical land evaluation：an operational approach．Ph．D Thesis．Wageningen Agricultural Uni—
versity， 1991
7 Driessen P M ．Quantified land evaluation(QLE)procedures，a new tool for land—use planning．Neth．J．Ag ric．Sci．，1986，34：295～300
∞
3 0 2
∞
3 0 2
∞
3 蛐 0 2
∞
2 蚰 0 3
∞ 叭
2 0 2
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