全 文 ：黄土塬区旱作玉米生产潜力的实验研究*
刘文兆 魏 翔 李玉山 (中国科学院水利部水土保持研究所, 杨陵 712100)
摘要 在黄土高原南部长武旱塬所做的田间试验结果表明, 玉米的水分效应函数为:
Pw= 1. 00- 5. 293(1- k ) 2. 把式中 k 取为农田干湿指数(旱作玉米全生育期内高肥水平下
耗水量与需水量的比值) , 则 Pw 即为旱作玉米生产潜力指数. 试验中 k 值的表现区间为
0. 78 至1. 10, k 值的理论上界与局部农田潜在蒸散有关. 1985~ 1988年, 旱作玉米的 Pw 的
平均值为 0. 87.旱作玉米生产潜力的远期值与近期值变化趋势相似, 前者 4 年平均值为
11247 kg!hm- 2 ,后者为 7696 kg!hm- 2. 由于试区近年来物质能量向农田的不断强化投入以
及对作物品种的改良,试区大田实际产量连年来向潜力值逼近.
关键词 旱作生产潜力 玉米 黄土高原
Potential productivity of dryland spring corn on Loess tableland. Liu Wenzhao, Wei Xiang and Li
Yushan ( Institute of Soil and Water Conservation, A cademia Sinica and Ministry of Water Resources,
Yangling 712100) . Chin. J . Appl . Ecol . , 1997, 8( 2) : 139~ 142.
According to the field experiments on Changwu tableland of southern Loess Plateau, the function of
corn yield response to water could be described as: Pw= 1. 00- 5. 293(1- k ) 2, where Pw is the po
tential productivity index of dryland corn, and k is the water stress index, a ratio of water consump
tion to water requirement during the entire growth period of dryland corn under high soil fertility condi
tions. The k value varies from 0. 78 to 1. 10, and its theoretical upperlimit is related to the local po
tential evapotranspiration.The average Pw was 0. 87 from 1985 to 1988. Its longterm value has a sim
ilar fluctuating trend with the shortterm one over the four years. The former was 11247 kg!hm- 2, and
the latter was 7696 kg!hm- 2. The actual yields in the field experimental region during recent years
approach to the shortterm value, due to the high input of fertilizers and the improvement of crop vari
eties.
Key words Potential productivity of dryland crop, Corn, Loess Plateau.
* 国家自然科学基金资助项目( 59509001) .
1996年 1月 3日收稿, 9月 10日接受.
1 引 言
关于作物生产潜力, 国内外已作了大
量的研究[ 1, 4, 6, 7, 9, 10] ,多从考虑光合生产过
程与限制因素的角度采用潜力估算模式加
以探讨.对于生产潜力概念的理解,一般认
为应是高产品种,在适应环境条件的同时,
能最大限度地利用当地光温水土气( CO2)
资源所获得的产量. 对于 CO2, 通常的估算
模式不直接考虑它的影响, 而把这种影响
以给定的边界条件通过其它因子的效应函
数反映出来.逐级考虑光温水土条件,便得
到作物光合潜力、光温潜力、光温水潜力
(即气候潜力)与光温水土潜力(即气候土
壤潜力) .在旱作地区, 降水成为唯一的水
分给源,而土壤条件及养分状况可人为调
控.因此,气候生产潜力的研究就显得最为
重要. 在此条件下, 为突出水分的限制作
用,可把气候生产潜力称为旱作生产潜力
或降水生产潜力.生产实践上的所谓∀最适
条件#必然与理论估算上的∀最适条件#有
别,通过田间试验研究生产潜力是一个重
要方面.已往的旱作生产潜力的田区定位
研究,是采用肥力梯度法进行的[ 8] .如何通
应 用 生 态 学 报 1997年 4 月 第 8卷 第 2 期
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Apr. 1997, 8( 2)∃139~ 142
过田间试验研究, 设计不同的水分梯度,
探求水分产量效应函数,将此函数用于生
产潜力的估算模式中, 并说明理论估算值
与实测值间的若干关系, 迄今尚不多见.自
1985年以来,在黄土高原南部长武塬区连
续进行旱地作物生产潜力及水肥效应的实
验研究.现就当地主要作物之一春玉米旱
作生产潜力试验结果作报道.
2 试验方法与模型
2. 1 试验设计
试区年干燥度多年均值为 1. 41, 土壤为中壤
质黑垆土.试验采用田间小区法, 设肥力与水分 2
因子, 其中肥力设高低 2 水平, 高肥水平考虑已
有肥力梯度试验的结果, 取适宜肥力水平. 水分
从高到低设 3~ 4 水平, 低水分水平即旱作条件.
具体指标由历年试验结果及生产实践确定.
就1987年而言, 肥力分高低 2 水平, N、P2O5
和有机肥(农家肥) 施量在高肥中各为 150、105、
60000 kg!hm- 2, 在低肥中各为 45、30、0 kg!hm- 2 .
水分设高、中上、中下、低 4 个水平,其水分水平下
限(占田间持水量% , 0~ 50 cm)各为 80%、70%、
60%、46% (由实测值得) . 旱作之上的水平, 通过
灌水来控制. 1987 年除全生育期 4个差别供水处
理外,另设 6 个不同生育期不同供水处理[ 2] .作物
产量与耗水量试验结果如图 1. 作物耗水量由农
田水量平衡法求得.
在试验所及的区间范围内, 2 种肥力水平的
产量与耗水量关系均可由二次抛物线拟合, 其相
关比达 0. 97, 分别以最高产量(对产量耗水量函
数求导取极值得)与对应的耗水量作比较, 2 种肥
力水平下的相对产量与相对耗水量有如下同一
形式:
= 1. 00- 5. 293(1 - k ) 2 (1)
其中 为实际产量与最高产量的比值, 即相对产
量; k 为实际耗水量与对应于最高产量的耗水量
的比值, 即相对耗水量. 试验中 k 值的表现区间
为0. 78 至 1. 10.有关的研究表明[ 2] , 式( 1)对于不
同年份是有代表性的. 个别年份耗水量表现出线
性关系,但不能排除其受试验所设水分水平少
图 1 春玉米产量与耗水量关系
Fig. 1 Relations between spring corn yields and the water con
sumption.
% .高肥 High fertility, & .低肥 Low fertility.
和跨幅小的影响, 这是田间试验的条件所限. 由
于 1987 年春玉米生长季的旱情是试验年份中最
严重的一年, 试验所设水分水平跨度大, 且水分
处理数量多. 因此,以式( 1)来说明不同年份的
k 关系具有一定代表意义.
当土壤肥力水平处于最适于作物生长发育
的状态,栽培条件达到最佳时, 无灌溉条件下的
作物产量即为旱作生产潜力 .假设在此条件下给
予不同的水分水平处理, 则此时作物产量与耗水
量关系曲线与图 1 的曲线当会有别, 但由于该试
验 2 种肥力水平的 k 关系一致, 都用式 ( 1)表
示,所以式 ( 1)可看作是生产潜力所要求条件下
k 关系的一个逼近.
2. 2 旱作玉米生产潜力实验模型
现有的关于旱作生产潜力的计算模型,考虑
光合生产过程与限制因素, 可归结为如下形式:
Yp = 105 ∋!0 b( t ) ∀Qg( t)h( t) PT( t)
[ 1- r ( t) ] Pw ( t) dt (2)
式中, Yp 为旱作生产潜力( kg!hm- 2) ; 为经济产
量系数; 为风干物中水分灰分影响系数; ∀ 为量
子转化效率; b( t )为作物有效受光系数; Qg ( t )为
生理辐射 ( J! cm- 2) ; h ( t ) 为植物质产热力 ( J!
g- 2) ; PT( t )为温度效应函数; r ( t )为呼吸速率;
Pw ( t)为水分效应函数; ! 为作物生长期持续长
度; t 为时间; T 为温度.
140 应 用 生 态 学 报 8 卷
实际计算时, 常取式( 2)的离散形式.前面的
分析表明, 在旱作生产潜力所要求的条件下, 式
( 1)可作为其 k 关系的一个逼近.所以当以全生
育期为时段单位,则式( 2)中的水分效应函数可由
式( 1)表示,即
Pw = 1. 00 - 5. 293(1- k ) 2 (3)
以旱作处理的 k 值代入上式得到的水分产
量效应值Pw, 即为旱作生产潜力指数, 代表在栽
培优化条件下,最适宜养分供应时的旱作产量与
最适宜养分、水分供应时的最大产量之比. 将式
( 3)代入式( 2) ,即得旱作生产潜力的实验模型.旱
作处理的 k 值为农田干湿指数,从接近潜力条件
的角度考虑,干湿指数取高肥水平时的 k 值. 1987
年旱作高低 2 种肥力水平的 k 值非常接近, 分别
为 0. 783 和 0. 789.
3 结果与讨论
3. 1 干湿指数 k 的取值上限
把取得最大产量的耗水量看作需水
量,当耗水量大于需水量, k> 1. 00时, 随
k 的增大, Pw 值趋于减少, 产量降低.受局
部农田潜在蒸散[ 3]的制约, 指数 k 当有一
个上界限制, 考虑到局部农田潜在蒸散值
与需水量的差距不可能太大, 所以 k 在理
论上的上限值(即局部农田潜在蒸散与需
水量的比值)不可能比 1. 0大许多.田间试
验中 k 值实际达到了 1. 10.
3. 2 旱作玉米生产潜力
式( 2)中除 Pw 项外的其它各系数、函
数项以及对于理想群体推求有效受光系数
b的反射率、漏射率和无效吸收率等分别
选取文献[ 1, 6, 7, 10]中的结果, 推求 b 值时所
用的相对叶积指数(与最大叶积指数的比
值)取产量最高的高肥中上水分处理的测
定结果.
由旱作耗水量与需水量可求得旱作生
产潜力指数, 进而得到旱作生产潜力值.
1987年高肥水平下的玉米需水量为 524. 3
mm,旱作耗水量为 410. 4 mm,所以农田干
湿指数为 0. 78,由式( 3)知, 旱作生产潜力
指数为 0. 74, 即由于水分条件的制约, 光
温生产潜力降低了 26% . 由式 ( 2) 求得
1987年旱作生产潜力为 9651 kg!hm- 2,而
试验田高肥水平实际旱作产量为 5734 kg!
hm- 2,表明受品种、实际土壤肥力与栽培
措施的影响, 产量降低了40. 6% (图 2) .从
光合潜力到光温潜力, 产量降低了约
15%.
图 2 玉米生产潜力的逐级递减趋势
Fig. 2 Different potent ial yields of spring corn( 1987) .
未知需水量时, 其值可由作物系数与
农田潜在蒸散换算得到. 作物系数是与一
定作物、气候及土壤条件对应的相对稳定
值. 1987年春玉米生育期依彭曼修正式求
取的农田潜在蒸散(通常小于局部农田潜
在蒸散[ 5] )为 434. 2 mm,作物系数为1. 21.
由此系数及 1985、1986及1988年各年度的
农田潜在蒸散, 求知作物需水量分别为
457. 4、501 和 547. 0 mm, 其旱作耗水量分
别为 398. 0、451. 9和 476. 7 mm.由式( 3)知
旱作生产潜力指数各为0. 91、0. 93和0. 91,
由式( 2)得旱作生产潜力各为 11713、11908
和 11715 kg!hm- 2, 三者均较 1987 年的值
高出2000 kg 以上,可见旱作生产潜力具有
相当幅度年际变化. 1985~ 1988年旱作玉
米生产潜力指数平均为0. 87, 生产潜力平
均为 11247 kg!hm- 2.
1412期 刘文兆等: 黄土塬区旱作玉米生产潜力的实验研究
3. 3 实验模型与黄土高原农业生产
3. 3. 1 水分效应函数与作物增产 黄土高
原农业以旱农为主, 部分地区实行有限灌
溉.能否利用有限的水源获得高产,一直是
该区农业生产中的一个非常重要的问题.
作物水分利用效率是衡量水分有效性的一
个重要指标. 以往的研究只是通过求取产
量(或生物量)与耗水量的比值来给出一个
平均结果,并没有考虑在耗水量变化的条
件下, 由产量耗水量关系对其加以动态分
析,而这样的动态分析可用以说明不同水
分状况下作物水分利用效率的变化情况.
将水分效应函数 Pw 对干湿指数 k 求导
(亦即将相对产量 对相对耗水量 k 求
导) , 即得 dPw / dk = 10. 586(1- k ) . dPw /
dk 并非一个常数,而是随干湿指数 k 变化
的变量, k 值愈近于1. 00, 在黄土高原即当
耗水量通常由小变大接近需水量时, dPw /
dk 值随之变小且趋于零;反之, 则 dPw / dk
由小变大.可见, 低耗水量条件下增加(或
减少 )单位耗水的产量效应要大于高耗水
量.在水分亏缺条件下,土壤
图 3 旱作玉米生产潜力与实测产量的年际变化
Fig. 3 Yearly variations of dryland corn potent ial yields and ac
tual yields in field experimental region.
% .远期旱作生产潜力 Longt erm potential yields of dryland
corn, & . 近期旱作生产潜力 Shortt erm potent ial yields of
dryland corn, ( . 大田实测产量 Actual corn yields in field
experimental region.
供水直接制约着作物的耗水.
3. 3. 2 旱作玉米生产潜力与大田产量间的
关系 图 3表明了 1985~ 1988 年长武试
验区玉米旱作生产潜力与实测产量的年际
变化.从目前农业生产的可行性上讲,可把
曲线 I 称为远期旱作生产潜力, 把曲线 II
称作近期旱作生产潜力. 前者 4年平均值
为 11247 kg!hm- 2, 后者为 7696 kg!hm- 2.
随着试验区近 10 年来农田物质能量的不
断强化投入及品种改良, 大田玉米产量由
平均2752 kg!hm- 2,达到1988年的 7297 kg
!hm- 2,增加在 1倍以上, 逐渐向近期旱作
生产潜力逼近.近期潜力与远期潜力相比,
其变化趋势相似, 差距一般在 4000 kg 左
右.要缩短差距, 主要依赖于抗旱耐肥高产
新品种的出现. 黄土高原南部地区有相对
优越的自然生态条件, 而现今农田物质能
量投入远不及长武试验区. 可以认为,只要
增加农田养分输入,并注意品种改良、选育
和优化栽培措施, 则近期粮食产量即具有
增产 50~ 100%的巨大潜力, 远期的潜力
则更大.
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