全 文 ：内蒙古伊金霍洛旗农业生产力的评估与预测 3
贾丙瑞　周广胜 3 3
(中国科学院植物研究所植被数量生态学重点实验室 ,北京 100093)
【摘要】　运用伊金霍洛旗 40 年的气象与农业统计资料 ,分析了气候与化肥使用量对于粮食产量的综合影
响 ,选取综合模型为基础 ,将化肥对粮食气候生产潜力的影响考虑为调节因子 ,建立了基于气候和化肥使
用量的粮食产量评估模型. 同时 ,基于伊金霍洛旗地区人口、气候以及化肥的未来变化情景 ,预测了未来
30 年的粮食需求增长量 ,指出在满足当地人民对粮食作物基本需求的基础上 ,从目前到 2010 年期间退耕
面积达 622～5948 hm2 ,相当于原有耕地的 3 %～31 % ;从 2010 年到 2020 年期间退耕面积最大 ,达 3263～
8164 hm2 ,相当于原有耕地的 17 % 42 % ;随后 10 年由于土地单位面积的增产是有限度的 ,而人口继续增
长 ,将导致耕地面积有所回升 ,但变动幅度不会太大 ,基本维持在 2020 年的水平.
关键词 　粮食产量 　模型 　伊金霍洛旗 　退耕还林 (草)
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 04 - 0584 - 05 　中图分类号 　S162 　文献标识码 　A
Evaluation of agricultural net primary productivity in Yijinhuoluo County , Inner Mongolia. J IA Bingrui ,ZHOU
Guangsheng ( L aboratory of Quantitative V egetation Ecology , Institute of Botany , Chinese Academy of Sci2
ences , Beijing 100093 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (4) :584～588.
An agricultural net primary productivity model considering both climatic and fertilizer factors was presented ,with
referencing over 40 years (1959～1998) climatic and agricultural data from Yijinhuoluo County. Based on the
scenarios of climate ,population and human activities (mainly fertilization) in the next 30 years as well as the de2
mand of local people for food ,the changes of the crop area were evaluated. As a result ,622～5948 hm2 could be
converted into grassland and forest land from now to the year of 2010 ,amounting to 3 %～31 % of the average
area between 1990 and 1998 ; from 2010 to 2020 ,the converted area should be 3263～8164 hm2 ,amounting to
17 %～42 %. In the next 10 years ,the area of cropland would rise slightly because of the limitation of increasing
yield and population.
Key words 　Crop yield , Model , Yijinhuoluo County , Conversion of cropland into forest and grassland areas.
3 国家重点基础研究发展规划项目 ( G1999043407) 、中国科学院知
识创新工程项目 ( KZCX12SW201212 , KSCX221207) 和国家自然科学
基金资助项目 (40231018 ,30070642 ,30028001) .3 3 通讯联系人. E2mail :zhougs @public2. bta. net . cn
2002 - 11 - 19 收稿 ,2003 - 03 - 03 接受.
1 　引 　　言
农业是人类赖以生存的基础和经济发展的先决
条件 ,是国家最重要的支柱产业之一[9 ] . 在当今全
球变化 ,特别是气候变化的大背景下 ,农业将受到重
大影响. 如何充分利用气候资源 ,最大限度地提高土
地生产潜力成为解决生态环境问题和提高人民生活
水平的关键.
通过预测未来气候的变化趋势 ,运用模型来准
确评估农业生产力是当前的热点问题. 前人在这方
面已做过大量研究 ,如北美小麦的种植面积将可能
由于大气 CO2 浓度倍增引起的气候变化而增加 ,尤
其是在加拿大 ;而在墨西哥 ,由于大气 CO2 浓度倍
增引起的高温将成为影响小麦生长的关键因子[17 ] .
郑元润[24 ]等对我国农业净第一性生产力的研究表
明 ,在气温升高 2 ℃且降水不变或增加 20 %的情况
下都有不同程度的提高 ;但在气温升高 2 ℃且降水
减少 20 %的情况下 ,仅湿润地区的农业生产力有增
加趋势 ,而干旱、半干旱地区的农业生产力则降低.
郭志华等[7 ]应用 Miami 模型和 Thornthwaite Memorial
模型对广东省植被净第一性生产潜力、谷物产量和木
材生产量的研究表明 ,广东省植被潜在生产力较大.
但是 ,这些研究所采用的评估或预测模型都是基于
光、热、水等气候因子对生产力的影响 ,对于人类以
及科技因素对于生产力的促进作用考虑较少 ,而且
大多用于对同一时期不同区域、不同植被类型生产
力的模拟分析[3 ,5 ,7 ,8 ,10 ,14～17 ,22 ,24 ] ,对于同一区域不
同时间尺度的连续分析研究[12 ]却很少见报道.
本文试图以地处生态过渡带的内蒙古伊金霍洛
旗为研究对象 ,探讨气候与人为因素 (主要是化肥)
对农业生产力的综合影响 ,进而构建反映气候和人
为因素影响的农业生产力模型 ,以分析作物年际间
动态变化 ;并结合未来 30 年气象、农业和人口变化
趋势 ,预测该地区作物耕地面积及其产量的变化. 该
应 用 生 态 学 报 　2004 年 4 月 　第 15 卷 　第 4 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 2004 ,15 (4)∶584～588
模型的建立为研究其它地区粮食产量提供了示范与
技术 ,为国家“退耕还林 (草)”政策的实施提供了科
学依据.
2 　研究地区与方法
211 　研究地点
伊金霍洛旗位于内蒙古鄂尔多斯市东南部、毛乌素沙地
东北缘 ,地处 38°56′～39°49′N ,108°58′～110°25′E ,南北宽
61 km ,东西长 120 km ,总面积 5981 km2 ,人口密度 24 人·
km - 2 .属于中温带的半干旱、干旱气候区 ,具有明显的大陆
性季风气候特征. 春季 (4～5 月) 干旱多风 ,气温回升快 ;夏
季 (6～8 月)炎热 ,雨热基本同期 ;秋季 (9～10 月) 温凉 ,气候
多变 ;冬季 (11 月～次年 3 月) 寒冷 ,雨雪稀少. 该地区气温
年、日较差大 ,光能丰富. 年均气温 612 ℃,无霜期 127～140
d ,作物生长季短. 全年平均风速 316 m·s - 1 ,春季多大风 ,年
均沙暴日数 26 d ,最多达 72 d ,风沙危害严重. 年降水量 358
mm ,东部偏多 ,西部偏少 ;年蒸发量 2535 mm ,湿润度 0129
～0137. 伊金霍洛旗 ,特别是其西部属于旱作农业低限区 ,降
水没有保障 ,农业生产不稳定.
212 　研究方法
21211 模型比较 　目前 ,估算自然植被潜在净第一性生产力
所采用的气候模型主要有 4 种 : Miami 模型、Thornthwaite
Memorial 模型、Chikugo 模型和综合模型. Miami 模型仅仅反
映了温度或降水对自然植被净第一性生产力的影响 ,估算精
度不高 ; Thornthwaite Memorial 模型以实际蒸散为影响因
子 ,考虑到了太阳辐射、温度、降水、饱和水汽压差、气压和风
速等一系列气候因素的影响 ,估算结果较为合理 ,但二者均
缺乏理论基础[25 ] . Chikugo 模型是植物生理生态学和统计
相关方法结合的产物 ,综合考虑了诸因子的作用 ,是一种较
好的估算方法. 但是 ,该模型是以潜在蒸散为影响因子 ,因而
在干旱半干旱地区的估算值偏低. 为此 ,周广胜和张新时 [25 ]
基于 Chikugo 模型相似的推导过程 ,根据植物生理生态学特
点及联系能量平衡方程和水量平衡方程建立了以实际蒸散
为影响因子的自然植被净第一性生产力模型 ,称为综合模
型. 据比较 ,该模型优于 Chikugo 模型 ,特别是在干旱半干旱
地区.
本文将在比较 Chikugo 模型和综合模型估算伊金霍洛
旗农作物净第一性生产力的基础上 ,结合该地区的特点 ,构
建反映气候和人为因素 (主要是化肥施用量) 影响的农业生
产力模型 ,为最大限度地利用当地的气候资源取得最大的生
产潜力 ,以及预测未来气候变化的可能影响以采取科学的应
对策略保证食物供应及环境安全提供科学依据.
21212 Chikugo 模型 　Chikugo 模型可表示如下 :
N PP = 0129exp ( - 01216 ( RDI) 2) ·R n
式中 , N PP 为自然植被的净第一性生产力 ( t·hm - 2·年 - 1) ,
RDI 为辐射干燥度 ( = R n/ L r , L 为蒸发潜热 , r 为年降水
量) , R n 为年净辐射 (kJ·cm - 2) .
由于计算陆地表面所获得的年净辐射时需要的气候变
量较多 ,不适于预测气候变化对生产力的影响. 根据张新时
等[22 ]的研究有 :
RDI = 01629 + 01237 PER - 0100313 PER2
式中 , PER 为可能蒸散率 ,可计算如下 :
PER = PET/ r
PET = B T ×58193
B T = Σt/ 365 或ΣT/ 12
式中 , PET 为年可能蒸散量 (mm) , r 为年降水量 (mm) , B T
为年均生物温度 ( ℃) , t 为大于 0 ℃与小于 30 ℃的日均温 ,
T 为大于 0 ℃与小于 30 ℃的月均温.
21213 综合模型 　周广胜与张新时 [25 ]所建立的综合模型可
表示如下 :
N PP = RDI
rR n ( r2 + R2n + rR n)
( R n + r) ( R2n + r2)
exp ( - (9187 +
6125 RDI) 0105)
式中 , N PP为自然植被的净第一性生产力 (t·hm - 2·年 - 1) , r
为年降水量 (mm) , R n 为地表获得的净辐射量 (换算为蒸发
量单位 ,mm) .
基于求得的自然植被净第一性生产力 ,利用作物经济系
数可换算得农作物产量 ( Y) :
Y = N PP ×CH
式中 , CH 为作物经济系数 ,取 0135[20 ] .
213 　研究资料
本研究采用的资料来自内蒙古伊金霍洛旗当地政府统
计部门 ,包括内蒙古伊金霍洛旗 40 年 (1959～1998) 的气象
(日均温、年降雨量、湿度、蒸发量) 、农业 (耕地面积、粮食产
量、施肥量)和人口资料等 ,能客观、准确地反映当地 40 来年
的发展变化情况.
3 　结果与分析
311 　基于气候与化肥使用量的农业生产力模型
图 1 给出了基于 Chikugo 模型与综合模型对伊
金霍洛旗 40 年的粮食作物产量估算值及实际值的
比较. 通过对二者进行线型回归分析 ,尽管综合模型
( R2 = 0104)较 Chikugo 模型 ( R2 = 0103) 稍好 ,但这
两个模型的差异并不大 ,都不能很好地模拟粮食作
物产量. 从图 1 可以看出 ,在粮食产量较低的早期年
代两个模型的估算值与实测值相关性很好 ,而随着
近年产量提高 ,其估算值明显偏低 ,这可能是由于这
两个模型均是基于自然植被的潜在生产力发展而来
的 ;另外 ,农业生产管理水平的提高 ,特别是化肥的
大量施用极大地提高了粮食产量[1 ] .
根据农业现代化的发展史 ,世界 4 次粮食产量
的突破都与增施化肥有关. 1978 年世界肥料会议认
为 ,发展中国家过去 20 年中所增产之粮食约有
30 %是由于化肥的施用 ,而在谷类的增产上 ,约有
5854 期 　　　　　　　　　　　　贾丙瑞等 :内蒙古伊金霍洛旗农业生产力的评估与预测 　　　　　　　　　　　
50 %是由于化肥的施用[21 ] . 统计资料表明 ,伊金霍
洛旗自 20 世纪 70 年代初开始大量使用化肥 ,大大
促进了农作物单位产量的提高. 因此 ,要准确模拟该
地农业生产力 ,除考虑气候因子 (如温度和降水) ,还
应包括化肥这个与农业生产管理密切相关的重要因
素.
图 1 　内蒙古伊金霍洛旗粮食作物产量的模拟值与实测值比较
Fig11 Comparison between observed and simulated crop yields in Yijin2
huoluo County.
Ⅰ1 综合模型 Synthetic model , Ⅱ1Chikugo 模型 Chikugo model , Ⅲ1
实测值 Observed values.
　　考虑到计算精度及资料获取的难易 ,选取综合
模型为基础 ,将化肥对粮食气候生产潜力的影响考
虑为调节因子 ,从而可将粮食作物生产力模型表示
如下 :
N PPf = N PPz·f (化肥)
其中 , N PPf 是考虑化肥影响时的粮食作物生产力 ,
N PPz 是根据综合模型估算的粮食气候生产潜力 , f
(化肥)是化肥作为限制因子对粮食作物产量的限制
函数.
从伊金霍洛旗地区 40 年气象、农业资料中 ,每
隔两年取出一年 ,得 27 组资料. 根据这些资料求取
N PPf/ N PPz 与化肥使用量之间的关系. 其余的 13
组资料用于模型验证. 运用 SPSS 软件进行曲线估
计 ,发现 N PPf/ N PPz 与化肥使用量之间存在着很
好的线性关系 (图 2) ,可表示如下 :
N PPf/ N PPz = 2191 C + 0138
式中 , C 为当地耕地平均化肥施用量 ( t·hm - 2) . 其
相关系数 ( R2) 为 0181 .
于是 ,伊金霍洛旗地区粮食作物生产力的估算
模型可表示如下 :
　N PP = (2191 C + 0138) RDIrR n ( r2 + R2n + rR n)( R n + r) ( R2n + r2)
exp ( - (9187 + 6125 RDI) 0105)
312 　农业生产力模型的验证
利用余下的 13 组资料对所建立的基于气候与
化肥使用量的粮食生产力模型进行了验证 (图 3) .
可以看出 ,新建模型模拟结果与实测值相符很好 ,而
Chikugo 模型和综合模型模拟结果与实测值偏差较
大.
图 2 　N PPf/ N PPz 与化肥的关系
Fig12 Relationship between N PPf/ N PPz and fertilizer.
Ⅰ1 实测值 Observation values , Ⅱ1 模拟值 Simulation values.
图 3 　实测与采用不同模型模拟净第一性生产力的比较
Fig13 Comparison of observed NPP and simulated NPP by different
models.
Ⅰ1 新建模型 New model , Ⅱ1 综合模型 Synthetic model , Ⅲ1Chikugo
模型 Chikugo model , Ⅳ1 实测值 Observation NPP.
313 　农业生产力模型的运用
31311 伊金霍洛旗未来粮食需求增长量预测 　为满
足当地人民对粮食作物的基本需求 ,为退耕还林
(草)提供有序的、科学的依据 ,必须了解未来所需的
耕地面积 ,而要做到这一点必须了解未来粮食产量
的变化趋势. 据估计 ,2000 年伊金霍洛旗地区人均
粮食消费达到 400 kg·人 - 1 (宽裕型) ,2020 年将达
到 425 kg·人 - 1 (小康型) [6 ] . 据联合国粮农组织估
计 ,在 2050 年达到中等食物消费水平条件下 ,人均
消费粮食至少要 500～600 kg[13 ] . 在充分考虑当地
人民对粮食作物需求的基础上 ,未来 30 年人均粮食
需求量变化趋势以每 10 年 15 kg 递增为宜 ,同时当
地高、中、低 3 种人口增长速率已有预测[2 ] ,从而可
以得出目前及未来 30 年伊金霍洛旗人口和粮食需
求增长量 (表 1) .
31312 伊金霍洛旗未来粮食产量预测 　长期施用化
肥在带来粮食增产的同时也会引起负面效应. 据吕
家珑等[11 ]1978～1998 年在陕西关中地区农田的长
期定位试验研究表明 ,长期单施化肥处理使土壤腐
殖质能量水平降低 ,分子缩合程度和芳构化度增大 ,
“老化”作用增强. 伊金霍洛旗化肥使用量以每年
7 164 %的速度增长[2 ] . 基于当地1974～1998年的化
685　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
表 1 　伊金霍洛旗目前及未来 30 年人口和粮食需求增长量
Table 1 Population and crop requirements at present and next 30 years in Yijinhuoluo County
年份
Year
人均粮食
Per capita
crop
(t)
人口高增长率 1217 ‰
High population growth rate
人口 (104)
Population
粮食需求量 (t)
Requirments for crop
人口中增长率 1017 ‰
Middle population growth rate
人口 (104)
Population
粮食需求量 (t)
Requirments for crop
人口低增长率 917 ‰
Low population growth rate
人口 (104)
Population
粮食需求量 (t)
Requirments for crop
1998 01400 1414 57 57916 1414 57 57916 1414 57 57916
2010 01415 1616 68 84310 1612 67 40913 1611 66 69214
2020 01430 1817 80 39014 1810 77 31913 1716 75 80610
2030 01445 2111 93 76015 2010 88 57812 1913 86 06011
肥资料可以得到 20 世纪 70 年代、80 年代、90 年代
每公顷施肥量的增长率分别是 3717 %、1213 %、
918 % ,明显呈下降趋势. 因此 ,从土地可持续利用的
长远发展来看 ,在进行未来粮食产量预测时 ,化肥年
增长率 2010 年取 7 % , 2020 年取 4 % , 2030 年取
1 %较合理. 赵宗慈[23 ]选用世界上 5 个著名的全球
大气海洋海冰模式模拟了 CO2 浓度倍增对我国气
候的影响 ,其中 4 个模式预测鄂尔多斯地区冬季增
温在 4 ℃以上 ,大部分模式模拟出夏季全国大部分
地区增暖 < 4 ℃; 而 3 个大气环流模型 ( GISS、
GFDL 、U KMO)也预测 CO2 浓度倍增后全球气温增
加 410～512 ℃[19 ] . 因此 ,未来气温预测时 ,2010 年
增加 2 ℃,2020 年增加 3 ℃,2030 年增加 4 ℃较适
中. 在降水方面 ,虽然全新世高温期鄂尔多斯地区的
降水比现在多 ,但近 40 年的观测资料与千年尺度旱
涝资料并不能证实这一点 ,因而未来区域降水存在
着不确定性[4 ] . 根据若干大气环流模型对 CO2 浓度
倍增后中国大陆降水变化的预测 ,最可能的一般结
果可综合如下[24 ] : 年降水量减少 20 % ;年降水量不
变 ;年降水量增加 20 %. 根据新建的伊金霍洛旗地
区粮食作物生产力估算模型 ,以及未来的气候背景
和化肥使用量 ,给出了不同时期伊金霍洛旗的粮食
产量 (表 2) ,其中 1990～1998 年的各项指标均是实
测平均值.
表 2 　目前及未来 30 年伊金霍洛旗的粮食产量
Table 2 Crop yields at present and next 30 years in Yijinhuoluo County
( t·hm - 2·yr - 1)
年份
Year
未来气候预测
Climate in the future
B T
( ℃)
r
(mm)
施肥量
Fertilizer
(t·hm - 2)
粮食产量
Crop yields
(t·hm - 2)
1990～1998 9142 37219 01409 2178
r - 20 % , T + 2 ℃ 1018 29813 01695 3166
2010 r 不变 , T + 2 ℃ 1018 37219 01695 4132
r + 20 % , T + 2 ℃ 1018 44715 01695 4194
r - 20 % , T + 3 ℃ 1115 29813 01973 4197
2020 r 不变 , T + 3 ℃ 1115 37219 01973 5187
r + 20 % , T + 3 ℃ 1115 44715 01973 6172
r - 20 % , T + 4 ℃ 1213 29813 11070 5149
2030 r 不变 , T + 4 ℃ 1213 37219 11070 6149
r + 20 % , T + 4 ℃ 1213 44715 11070 7143
r :年降雨量 Annual precipitation (mm) ; T :年均温 Mean annual temperature ( ℃) ;
B T :生物温度 Biotemperature ( ℃) .
31313 伊金霍洛旗未来粮食作物耕地面积预测 　由
伊金霍洛旗未来 30 年粮食需求增长量 (表 1)与粮食
产量变化趋势 (表 2)可以预测未来 30 年粮食作物耕
地面积的变化趋势 (表 3) .以 1990～1998 年伊金霍洛
旗粮食作物平均耕地面积 11945 ×104 hm2 作为对照 ,
从目前到 2010 年期间退耕面积是 622～5948 hm2 ,相
当于原有耕地的 3 %～31 %;从 2010 年到 2020 年期
间退耕面积最大 ,达 3 263～8 164 hm2 ,相当于原有耕
地的 17 %～42 %;随后 10 年由于土地单位面积的增
产是有限度的 ,而人口继续增长 ,将导致耕地面积有
所回升 ,但变动幅度不会太大 ,基本维持在 2020 年的
水平.
表 3 　伊金霍洛旗未来 30 年粮食作物耕地面积
Table 3 Crop area in the next 30 years in Yijinhuoluo County( 104hm2)
未来粮食产量 (t·hm - 2)
Crop yields in the future
2010 年粮食需求量 (t)
Requirments for crop in 2010
高 High 中 Middle 低 Low
2020 年粮食需求量 (t)
Requirments for crop in 2020
高 High 中 Middle 低 Low
2030 年粮食需求量 (t)
Requirments for crop in 2030
高 High 中 Middle 低 Low
r - 20 % , T + 2、3 或 4 ℃ 11883 11844 11824 11619 11557 11527 11710 11615 11569
r 不变 , T + 2、3 或 4 ℃ 11595 11562 11545 11370 11317 11292 11445 11365 11326
r + 20 % , T + 2、3 或 4 ℃ 11394 11365 11350 11197 11151 11129 11262 11192 11158
4 　结 　　论
411 　运用伊金霍洛旗 40 年的气象与农业统计资
料 ,分析了气候与化肥使用量对于粮食产量的综合
影响 ,建立了基于气候和化肥使用量的粮食产量评
估模型 ,为研究其它地区的粮食产量提供了示范与
技术. 同时 ,基于伊金霍洛旗地区人口、气候以及化
肥的未来变化情景 ,预测了未来 30 年伊金霍洛旗的
粮食需求增长量 ,指出在满足当地人民对粮食作物
基本需求的基础上 ,以 1990～1998 年粮食作物耕地
7854 期 　　　　　　　　　　　　贾丙瑞等 :内蒙古伊金霍洛旗农业生产力的评估与预测 　　　　　　　　　　　
面积为对照 ,从目前到 2010 年期间退耕面积是 622
～5 948hm2 ,相当于原有耕地的 3 %～31 % ;从 2010
年到 2020 年期间退耕面积最大 ,达 3 263～8 164
hm2 ,相当于原有耕地的 17 %～42 % ;随后 10 年由
于土地单位面积的增产是有限度的 ,而人口继续增
长 ,将导致耕地面积有所回升 ,但变动幅度不大 ,从
而为国家环境改善及国土资源的可持续发展提供了
依据.
412 　本研究在预测伊金霍洛旗未来 30 年气候、农
业和人口动态变化的基础上 ,分析了伊金霍洛旗耕
地面积的动态变化 ,为分步骤、合理实施退耕还林
(草) 工程提供了定量依据 ,对于国家“退耕还林
(草)”政策的科学实施具有重要的示范与指导意义.
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作者简介 　贾丙瑞 ,男 ,1976 年生 ,硕士生 ,主要从事全球变
化的研究. E2mail :jiabingrui @ns. ibcas. ac. cn
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