全 文 ：第 13卷 第 2期
2 0 0 5年 4月
中 国 生 态 农 业 学 报
Chinese JournaI of Eco—Agriculture
VOI．13 NO．2
April， 2005
作物产量潜力极限研究*
蔡承智 陈 阜一 隋 鹏 陈军胜
(中国农业大学农学与生物技术学院 北京 100094)
摘 要 应用模型模拟方法研 究近 50年来主要作物产量演变趋势结果表 明，作物长期进化过程 中产量演变遵循 s
曲线增长规律 ，目前主要作物产量处于 S曲线驻点(最快增长值点)左右 ，种植效益已开始下降，进 一步提高产量 日
益 困难 ，作物产量将不断接近其极限，多数作物未来产量潜力极限约为 目前产量的 2～3倍。提高作物产量潜力途
径主要包括加强农 田水利建设 、提高作物育种手段、强化作物栽培措施、优化投入和 改善作物生长的大环境等。
关键词 作物 产量 潜力 极限
Study on potential limit of crop yield．CAI Cheng‘Zhi，CHEN Fu，SUI Peng，CHEN Jun‘Sheng(Colege of Agronomy and
Biotechnology，China Agricultural University，Beijing 100094，China)，CJEA，2005，13(2)：145～148
Abstract The variation trends of the main crops yields in recent five decades were simulated by linear，quadratic，cubic
and exponential models simultaneously．The results shoW that the main crops yields over years evolve in curve S trend in a
long run，and their present yields are around its sharpest point．It wil become more and more difficult for man to increase
the crop yield from nOW on because cropping benefit has begun tO decline．The maximal po tentials of the main crops yields
will probably be two tO three times of their present levels．The approaches how tO enhance the crop yield potential can be
generalized as hydraulic infrastructure construction，breeding techniques ，cultivation measures ，input optimization and envi-
ronmental improvement．
Key words Crop，Yield，Potential，Limit
(Received Dec．19，2003；revised Jan．23，2004)
作物产量潜力是指通过人为措施克服某 1个限制因子、几个限制因子或所有限制因子后可能达到的最
高产量 ，目前该类研究主要集中在作物产量的光合生产潜力方面_1 J。在改进作物代谢机制基础上 ，同时克
服作物生长的所有限制因子而可能获得的最大产量即作物产量潜力极限。随着系统科学和计算机技术的
发展 ，作物生产模型不断涌现 ，为研究作物产量潜力提供了便捷手段_2．3 J。本研究探讨了近 50年来藁城县、
河北省、中国乃至世界 4个递增尺度主要作物产量演变趋势及潜力极限值 ，为提高作物产量潜力提供途径。
1 研究方法
目前国际上较受欢迎的作物生产函数模型为 Mitscherlich—Baule复合指数方程 ：
y=[(1一e一 -一。-x-)一N]⋯[(1一e—b—a X一)一N] (1)
式中，y为产量基数 ，a、b为参数 ，1，⋯， 为作物产量贡献因子 ，N 为作物产量潜力。引入不同作物产量贡
献因子 ，代人相应参数得方程组并求解可预测未来作物产量潜力。本研究将影响作物产量 的灌溉、良种 、化
肥 、农药、农机动力、薄膜等多种要素统一视为投入因子 ，因投入逐年递增，故用年份取代作为 自变量 ，以作
物产量作为因变量 ，藁城县、河北省、全国乃至世界 4种范围内 40～50年来主要作物单产变化规律依次进行
线性、二次、三次和指数方程拟合，并根据拟合度高低预测作物产量演变的未来趋势，从而预测作物产量潜
力的可能极限。与 目前世界各种作物生产预测模型相 比，该模型最稳妥且最便捷 。
2 结果与分析
2．1 作物产量演变规律
由表 1可知建国 50年来河北省藁城县主要作物产量演变规律总体呈逐步上升趋势 ，前期增长较缓慢，
*欧盟项 目“中国农业适应全球化的可持续决策支持”(ICA4-CT-2001-10085)和奥地利 国际应用系统分析研究所资助
*嗵 讯作者
收稿 日期 ：2003。12。19 改回日期：2004。01。23 、
中 国 生 态 农 业 学 报 第 13卷
塞星塞薹垂萋星量星塞墨星塞量垂萋薹
年 份
图 1 建国 5O年来我国主要作物单产变化趋势
F ．1 Variation ofthe rmin crop yieldsfrom 1949to1999in China
20世纪 70年代增长加快，至 90年代增幅有所降低。
其中棉花产量波动较大 ，表明棉花受气候变化和市场
行情影响较大。建国 50年来藁城县主要作物单产变
化趋势线性 、二次、三次和指数方程拟合结果表 明，该
县主要作物产量 4种回归关系均达极显著水平 ，其中
棉花决定系数最低，粮食作物决定系数最高，且稻谷、
玉米、粮食作物和棉花指数方程决定系数在 4种 回归
关系中最高，其余作物均为三次方程决定系数最
高_4 J。建国 50年来河北省与藁城县主要作物产量演
变规律类似，但 曲线趋势更明显。河北省主要作物产
量 4种 回归关系均达极显著水平 ，其 中油料作物和棉
花决定系数最低 ，粮食作物和玉米决定系数最高 ，且小
麦、玉米 、棉花和粮食作物指数方程决定系数在 4种回归关系中最高，中稻和油料作物等三次方程决定系数
最高。建国 50年来我 国与河北省主要作物产量演变规律类似 ，但波动明显减小 ，曲线趋势更明显(见图
1)[ 。我国主要作物产量随年代变化的回归关系均达极显著水平 ，其中油料作物和大豆决定系数最低 ，稻
谷决定系数最高，且小麦、玉米、大豆、棉花和稻谷指数方程决定系数在4种回归关系中最高，其余作物三次
方程决定系数最高。40年来世界与我国主要作物产量演变规律类似 ，除蔬菜 、薯类和水果3类作物产量波
表 1 主要作物产量长期演变规律 比较
Tab．1 Comparison of the main crop yields variability
*所有方程均达极显著水平，资料来源为藁城县统计局和《新中国 50年农业统计资料> ；统计数据藁城县为 1949～1998年，河北省为
1949～1997年 ，全国为 l949～1997年 ，世界为 1961～2001年 。
7 6 5 4 3 2 l O
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第 2期 蔡承智等 ：作物产量潜力极限研究 147
动最明显外，其余作物产量变化曲
线十分平滑。世界主要作物产量 4
种回归关系均达极显著水平，其 中
水果和薯类决定系数最低 ，蔬菜和
稻谷决定系数最高 ，且水果和籽棉
指数方程决定系数在 4种回归关系
中最高 ，其余作物均为三次方程决
定系数最高。表 1表明作物产量长
期演变趋势在 4种递增尺度上有很
表 2 50年来主要作物平均单产
Tab．2 Average yields of the main crops from 1949 tO 1999
*棉花单产世界范围按籽棉计 ，其余按皮棉计。
大相似性 即遵 循 S曲线 (三次 方
程)增长规律 ，将同类作物(如粮食作物)综合后回归拟合其趋势比单一作物(如小麦)更 明显。表 2表明藁城
县作为粮食主产区，农业生产水平在河北省处于上等，主要作物产量高于河北省平均水平；河北省农业生产
水平在全国居于中偏上水平 ，主要作物产量略高于全国平均水平；我国作为世界上最大的发展中国家，主要
作物产量与世界平均水平相当。
2．2 作物产量潜力极限预测
市场经济下作物种植效益长期变化遵循 s曲线规律 ，自1994年起我国主要作物种植效益(产投价格比)
均开始下降，表明其收益率(边际效益除以边际成本)已越过最大值。以水稻为例，其 同期产投比变化趋势
表现为二次曲线回归关系，用线性和二次函数对近 20年来我国水稻产出随投入变化趋势拟合其结果见式
(2)和 (3)：
Y=一13．958+1．7317X (R =0．951一 ) (2)
y=一67．715+2．5208X一0．0019X (R =0．957 ) (3)
二次方程决定系数高于直线方程 ，表明其产投比逐渐下降，其他作物表现出类似趋势_5j。作物产量 的
单位步长增幅已越过最大值点且将越来越小 ，增加作物产量将 Et益困难。故作物的产量潜力有极限，但精
图 2 作物产量潜力极限示意图
确计算其数值是不可能的。根据分析可进行粗略估算(见图 2)，设
作物由野生到栽培时 的初始产量为 y ，若干年后作物产量潜力极
限为 y，，二者间连线为作物产量长期演变的趋势线，大致可分为图
2中A点(第 1拐点)之前 、A点至 B点(B点为驻点)、B点至 C点和
C点(第 2拐点 )以后 4个阶段 。自作物有产量记载以来 ，20世纪
60～70年代产量增幅最大(2次绿色革命时期 )，可视为是 s曲线第 1
拐点的出现(仅在第 1拐点以前作物产量的长期变化才可能 出现直
线增长)；20世纪 90年代中期起主要农作物种植效益(产投比)普遍
下降 ，可视为 s曲线驻点 的出现 (只有驻点以后才呈现三次曲线变
’g’2 map of potential limi of。rop yield 化趋势
，产投比逐步下降 ，驻点前呈指数增长趋势)。由图 2可知 目
前产量水平处于 s曲线第 1拐点左右的作物，其产量潜力极限约为目前产量的 3倍 ；目前产量水平处于 s曲
线驻点左右的作物，其产量潜力极限约为 目前产量的 2倍。 目前主要作物产量介于 A点与 B点之间，其产
量潜力极限约为 目前产量的 2～3倍。
3 小 结与 讨 论
作物产量长期演变呈 S曲线趋势 ，即前期增长缓慢且持续时间长，中期增长加快但持续时间较短，之后
增长减慢且不断接近其潜力极限。主要作物产量长期演变趋势均为直线方程决定系数最低 ，基本可确定其
目前产量水平已越过 s曲线的第 1个拐点；多数作物为三次回归方程和指数方程决定系数最高 ，表明主要作
物 目前产量可能处于 s曲线驻点左右位置 ，若其种植效益持续下降 ，则说明正越过驻点 ，否则说明其尚在驻
点之前。递增尺度上主要作物产量的长期演变趋势越来越明显，回归方程决定系数越来越高；将同类作物
(如粮食作物)综合后进行回归拟合其趋势比单一作物更明显，其原因是作物间互补性和相互制约性一定程
度抵消了作物产量波动和统计上的系统误差。在历史长河中某一 阶段作物产量变化可能会表现出一些特
殊规律。提高作物产量潜力的途径一是加强农 田水利建设，从长期而言影响农作物产量的几大因子中“灌
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溉”贡献最大_6 J，通过农田水利建设，把我国南方约 1／3的雨养田变为灌溉田，可使其农作物总产量提高
20％～30％。二是提高作物育种手段，随农业科技发展和基 因工程技术的崛起 ，通过育种手段提高作物产
量潜力将发挥更大作用。三是强化作物栽培措施，如适时早播 、作物秸秆还 田、冷浸 田实施半旱式栽培、间
套作与轮连作等，通过栽培、耕作措施提高当季作物产量。四是优化投入 ，在物化投入不变情况下，利用现
代技术如计算机系统优化组合各种投入 ，集成配套运用综合措施 ，科学 、合理、充分地利用既定有限资源 ，提
高作物产量和种植效益。五是改善作物生长的大环境(即生态环境)，从宏观上提高作物产量潜力。
参 考 文 献
1 杨守仁 ，郑丕尧，王经武等．作物栽培学概论 ．北京 ：中国农业出版社。1989．86～125
2 谢 云 ，James R．Kiniry．国外作物生长模型发展综述．作物学报 ，2002(2)：190～195
3 白莉萍 ，陈 阜．国内外作物生产潜力研究现状与评价 ．作物杂志，2002(1)：7～9
4 国家统计局农村社会经济调查总队．新中国5O年农业统计资料．北京 ：中国统计出版社 ，2000．40～42．8l～84
5 蔡承智 ，陈 阜，徐 杰等 ．作物产量潜力及其提高途径探讨．农业现代化研究 ，2002(6)：465～468
6 石玉林 ，卢良恕．中国农业需水与节水高效农业建设．北京 ：中国水利水电出版社 ，2001．80～121
《中国生态农业学报》征稿启事
《中一生态农业学报》(原刊名《生态农业研究》)是由中国科学院遗传与发育生物学研究所和中国生
态经济学会主办的综合性大农业学术期刊，科学出版社 出版。系中国科技核心期刊、中国科学引文数据库源
刊 。荣获第三、第四届全国农 业优秀期刊一等奖和首届 中国北方优秀期刊奖。本 刊为季刊 。季初 月出版。
国内外公开发行 ，国际标准大 16开本。192页。国际刊号 ：ISSN 1671—3990，国内刊号 ：CN 13—1315／S，国内新
邮发代号 ：82—973。国外发行代号 ：Q1625，全 国各地邮局均可订阅，敬请广大读者订户及时在报刊发行 目录
北京地区栏目寻找订购本刊。本刊 旨在探 索与研究生态农业的理论、方法、技术创新及其研 究进展等 ，推动
学科发展，主要刊登生态学、生态经济学、农、林、牧、副、渔及资源与环境保护等领域具有创新性的研 究学术
论文、研究技术报告(包括理论与应用研 究、农 业生态工程技术与 实用生物技术、生物 多样性保护、湿地保
护、资源优化配置与开发及其效益研究、城镇绿地生态建设、无公害农产品生产技 术、农业环境污染防治技
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