全 文 ：第26卷第4期
2007年8月
生态
Ecological
科学
Science
26(4)：35l一360
Aug．2007
东北地区农业土地资源潜力评价模型及其应用
王宗明，张柏，宋开山+，刘殿伟，李 方
中国科学院东北地理与农业生态研究所，长春，130012
【摘要】 对一个地区的农业土地生产潜力进行估算，可以反映该地区的气候生产力水平和农业资源协调的程度及其地区
差异。选择应用目前通用的土地潜力分析评价模型进行参数调整，在此基础上形成东北地区农业土地资源潜力评价模型，
并在GIS的支持下，计算了东北地区主要作物一玉米和大豆的农业气候生产潜力，并分析了各地农业自然资源利用率的空
问差异。结果表明，东北地区各地光合潜力差异不大；由于南北跨度大，各地光温潜力差异非常大，且从北到南呈带状增
加趋势；由于各地作物生育期降水呈地带性分布，使得各地气候生产潜力具有较大差异，由谣向东逐渐增加。各地主要作
物农业自然资源利用率差别较大，东北西部地区资源利用率较低，增产潜力巨大。
关键词：农业生产潜力；资源利用率；GIS；东北地区
中图分类号：S162F323 文献标识码：A 文章编号：1008—8873(2007)04．351．10
Establishmentanditsapplicationofm delforevaluationofagriculturalland
potentialproductivityinNortheastChina
WANGZong．ming，ZHANGBai，SONGKai．shan+，LIUDian．wei，LIFang
NortheastInstituteofGeographyandAgriculturalEcology,ChineseAcademyofSciences,Changchun1300lZChina
Abstract：Estimationofpotentialproductivityofagriculturallandforaregioncouldgaininformationonclimaticproductivity,
harmonydegreeofagriculturalresourcesandregionaldifferences．Thispaperreportsthatauniversalmodelforevaluationofla d
potentialproductivitywaschosenandrevisedasanevaluationmodelforagriculturallandesourcesofNortheastChina．Withthis
modelandGIStechnology,climatepotentialproductivityofmaincrops，suchasmaizeandsoybean，inNortheastChinaw s
calculated．Inaddition，spatialdifferencesofuseratioofagriculturalnaturalesourcesinNortheastChinawerealsoanalyzed．The
resultsshowedthattherewasnosignificantdifferencebetweenphotosyntheticpot ntialproductivitiesofdifferentareas．However,
thedifferencesbetweenphotosyntheticandthermalpotentialproductivitiesindifferentlocationswereverysignificant．
Photosyntheticandthermalpotentialproductivitieswereincreasingfromorthemtosouthernpartbecauseofthelargelatitude
spanofthestudyarea．Zonaldistributionofrainfallingrowingseasonfdifferentlocationsledtocomparativelyb g
discrepanciesbetweenclimaticpotentialproductivities．Climaticpotenti lprodu tivitywasncreasingfromwesterntoeastern
gradually．TherewerbigdifferencesamonguseratiosofagficulturalnaturalesourcesinthewholeNortheastplain．Theresource
useratiosfwesternpartofNortheastChinawerelowerthanthatofeasternpart，whichmeansthattheremaybeabigpotential
toincreasecropyieldsinwesternpart．
Keywords：agriculturalpotentiproductivity；resourcesusratio；GIS；NortheastChina
收稿日期：2007．06．05收稿，2007．07．20接受
基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX3．SW．356)、中国科学院振兴东北科技行动计划重点项目。
作者简介：王宗明(1976--)，男，博士，副研究员，从事生态遥感信息与全球变化的区域响应研究。e．mail：zongmingwang@neigae．ac．crl。
奉通讯作者：宋开山，博士，副研究员，e-m棚：songkafshan@126．corn。
万方数据
1引言(Introduction)
东北地区位于欧亚大陆的东部，南、东两面接近
太平洋，北、西两面与蒙古高原和西伯利亚高原接壤；
地处东北亚的中央部位、太平洋西岸的中央环节；农
业自然条件优越，工业自然资源丰富，地缘关系与战
略地位十分突出，在国家粮食安全和区域生态安全方
面具有举足轻重的地位。区内雨热同步，具有可观的
气候生产潜力；然而由于缺乏对土地生产潜力和开发
空间的充分认识，目前该区生产潜力尚未发挥其应有
水平，粮食生产不稳定，农业现实生产力水平与生产
潜力相比仍有不小的差距Il’2j。各地生态环境和生产
条件各不相同，生产潜力也有较大差异。
农业气候生产潜力是评价农业气候资源的判据
之一，农业气候生产潜力的大小，取决干光、温、水
三要素的数量及其相互配合协调的程度13J。对一个地
区的气候生产潜力进行估算，其结果不仅可以直接反
映该地区的气候生产力水平和光、温、水资源配合协
调的程度及其地区差异，而且从不同阶段潜力值所反
映出来的各影响要素对生产力衰减程度的差异中，可
以分析出不同影响要素对生产力影响的大小，从而找
出一个地区或某种作物生产中的主导限制因素【4J。此
外，通过气候潜力与实际产量的对比，可以表明在目
前农业生产条件下，气候生产潜力发挥的程度，进而
综合反映该地农业生产技术水平的高低及地区间差
异。本文应用地理信息系统(GIS)和数据库管理系
统技术，利用月平均农业气象数据，建立东北地区农
业土地资源潜力综合评价模型，计算东北地区主要作
物玉米和大豆的各级生产潜力及农业资源利用率，以
期为东北地区农业资源管理提供依据和借鉴。
2研究方法(Methods)
作物生产力由四个依次递减的层次构成，分别是
光合生产潜力、光温生产潜力、气候生产潜力和土地
生产潜力【5】。它根据作物生产力形成的机理，考虑光、
温、水、土等自然生态因子，逐步“衰减”估算土地
生产潜力。但由于计算土壤系数时涉及到土地评价，
且评价过程中所用参数繁杂，加之各地自然条件和生
产条件差异较大，评价标准难以统一【6】；另外对于我
国农业土地经营规模小而零散的情况，难以说明“为
什么土地自然状况较好而生产能力较低”的现象【『71，
因此本文只考虑农业气候生产潜力，而没有对土壤系
数进行计算。
本研究在地理信息系统的支持下，利用月平均农
业气象数据，通过数学模型的选择、数据库的建立、
数据分析处理、结果输出等步骤，采用逐级订正的方
法，计算了东北地区各县市主要作物玉米和大豆的各
级生产潜力及农业资源利用率。应用东北地区所属县
市气象站点1961．2000年的月平均气象资料进行气候
生产潜力计算。
依据作物能量转化及产量形成过程，逐步“衰减”
计算农业气候生产潜力[7-91，其函数式为：
％=Q×厂(Q)×厂(r)×厂(∥) r1、
=yD×／(r)×厂(∥)=巧X，(缈)式中种候生产潜力，9一生育期太阳总辐射，．舷必合有效系数，场一光合生产潜力，fiT)—温度
有效系数，y卜光温生产潜力，．，r叨—水分有效系数。
根据东北地区的特点，参考前人的研究成果【1⋯，
采用符合研究区域特点的各级有效系数，以“分县空
间与属性一体化数据库”为基础，分作物、分生育期
计算气候生产潜力，形成东北地区农业土地资源潜力
综合评价应用模型。
2．1光合生产潜力
作物光合生产潜力指在温度、水分、品种、土
壤以及其它农业技术条件都适宜的条件下，仅由自
然辐射决定的单产水平。其计算以月均太阳总辐射
值为基本数据，并用生育期对各月数据进行订正(针
对研究区的实际情况，本研究所选作物生育期为5-9
月份)。计算公式为：
珞。Q×彻 (2)
：!：竖!竺坚二望!g二旦：堡二生：!!二塑兰璺二塑：!堕：墨兰塑
qxO—r／)×O一昂
其中，c为单位换算系数，统一取666．7，％为
单位面积光合生产潜力(kg·hm之)，Q为生长季各月
总辐射鼙(MJ·m。2)，其他参数的意义和取值如表1
所示。
2．2温度修正函数
温度衰减过程的订正是利用月平均温度分段进
行订正的，国内外许多学者都提出了不同的温度系数
修正方法，本文采用马树庆031针对东北地区实际情
况的温度修正函数：坩，=祭器协措’(3)
式中丁是5-9月各月的平均气温，乃、乃、乃
万方数据
4期 王宗明，等：东北地区农业土地资源潜力评价模型及其应用 353
源自：参考文献[1l】、[12】
表2东北地区主要作物高产条件下的三基点温度(℃)
Tab．2BasetemperaturesofmaincropsunderproductiveonditionsinNortheastChina
源自：参考文献[11】、[12]
是作物生产的三基点温度，指不同作物在该时段
内生长发育的最适温度、下限温度和上限温度。
主要作物不同时期的死、乃、疋值如表2所示。
2．3作物降水有效系数
应用农田水分评价模式来定量评价各生长水分
资源对农作物生长发育的满足程度，表达式为：
f峭、)i=l-AWjxk|Wi
△％=R厂％，％=E，×口， (4)
R，为5-9月各月平均大气降水，孵为某时期、
某作物的需水量(mm)，B为草地蒸发力，计算公式
采用国内学者进行风速修正后的简便算法[141，k是经
验参数，当△彬≥2mm时，农田水分过多，k<1：
AW／<2mm时，降水适中或偏少，k=1。0fi为作物
不同时期的作物系数，因水田以水利灌溉为前提，故
这项分析只考虑旱田作物玉米和大豆。本文所采用的
作物系数值见表3：
万方数据
i!兰 生查型堂坠竺12墅!垒!坠堡翌望 !!鲞
表3东北地区各生育期作物系数值443kg-hm一。
3东北地区农业土地生产潜力空间分异(Spatial
differencesofagriculturallandpotentialproductivity
inNortheastChina)
‘
3．1东北地区玉米和大豆光合生产潜力的空间差异
由公式(2)计算得到光合生产潜力分布图(图
1)。可以看出，东北地区光合潜力主要与太阳辐射的
空间分布有关，黑龙江省的甘南、兰西，以及吉林省
的洮南、通榆和双辽是光合潜力最高的地区，而黑龙
江省的明水、北安和吉林省的九台则属于光合潜力最
低的地区。尽管两种作物光合潜力的空间分布趋势一
致，但不同作物的光合潜力存在差异，玉米和大豆的光
合潜力最高值分别为29481kg·hm七和8936kg·hm～；
最低值分别为23830kg·hm’2和6493kg·hm～；最
高值和最低值的差值分别为5651kg·hm。2和2。
3．2东北地区主要作物温度修正系数和光温生产潜力
东北地区玉米和大豆生产潜力温度修正系数见
图2。可以看出，玉米和大豆的温度系数都呈现从北
到南的明显递增趋势，这与东北地区作物生长季(5-9
月)平均气温的变化趋势是一致的。对大豆而言，温
度系数在东北地区西南部地区如镇赉、大安、洮南、
乾安、前郭等地以及辽宁省东南部地区为0．90左右，
而在北部如五大连池、北安、克山、克东、讷河等地
多在0．70以下。而对于玉米而言，生产潜力的温度
修正系数最高为0．89，分布在吉林省西南部和辽宁省
南部；最低则只有0．52，分布在黑龙江省北部地区。
以上结果同时表明，对于喜温作物玉米来说，在北部
地区，温度已经成为限制生产潜力的重要因素。
对作物的光合潜力进行温度订正，得到光温潜力
的空间分布图(图3)，由于光温生产潜力是在光合
潜力的基础上进一步衰减的结果，因此，作物的光温
潜力与光合潜力高值区和低值区的分布位置基本一
致，而且其空间分布规律与作物生产潜力温度修正系
数密切相关。但是由于各地作物生育期的温度对于作
物生长的温度要求所达到的程度不同，也出现不同于
光合潜力分布的区域。从玉米和大豆的光温潜力分布
图(图3)可以看出，东北地区作物的光温潜力，基
本上呈现出由北向南逐渐增加的带状分布趋势，这与
图1东北地区玉米和大豆光合生产潜力(1‘g·hm五)分布圈
F酶1Distributionmapofphotosynthesispot ntialproductivityofmaizeandsoybeaninNortheastChina
一
一～～淌咖至|㈣邮
=一
一
～～～㈣嘞协协㈣
一
二一一一～一，6
7
8
9
=]
万方数据
4期 王宗明，等：东北地区农业土地资源潜力评价模型及其应用
图2东北地区玉米和大豆生产潜力温度修正系数
Fig．2Temperaturecalibrationcoefficientsforpo entialproductivityofmaizeandsoybeaninNortheastChina
图3东北地区玉米和大豆光温生产潜力(kg·hmJ)分布圈
Fig．3DistributionmapofphotosynthesisandtemperatUrepotentialproductivityofmaizeandsoybeaninNortheastChina
温度逐渐递增的地带性分布相似。
东北地区光能资源较为充足，不是限制因素，而
温度、降水等因素则是影响旱作生产潜力实现的重要
因素。通过分析温度满足率TCR和水分满足率WCR
可以揭示温度和水分对生产潜力的影响程度，即温度
和降水满足作物需求的程度。温度满足率可以用光温
生产潜力与光合潜力之比来表示，即TCR=埽／yQ。
东北地区作物生产潜力温度满足率如图4所示。
3．3东北地区主要作物降水有效系数和作物气候生
产潜力
玉米和大豆的气候潜力呈现出由西向东逐渐增
万方数据
圈4东北地区玉米和大豆生产潜力温度满足率分布圈
F电·4Distributionmapoftemperaturecontentratiof rpotentialproductivityofmaizeandsoybeaninNortheastChina
圈5东北地区玉米和大豆气候生产潜力(kg．hm之)分布圈
Fig．5DistributionmapofclimatepotentialproductivityofmaizeandsoybeaninNortheastChina
加的趋势，这与降水逐渐增加的地带性规律相似(图
5)。由图可知，玉米气候生产潜力的最高值出现在辽
宁省南部地区。大豆气候生产潜力最高值出现在吉林
省东部地区和辽宁省南部地区。与前文中分析结果相
比较可知，东北地区西部地区尽管光温潜力较高，但
由于作物生长季降水较少，水分系数较小，导致气候
万方数据
4期 王宗明，等：东北地区农业土地资源潜力评价模型及其应用
圈6东北地区玉米和大豆生产潜力水分满足率
Fig．6Distributionmapofwatercontentratiof rpotentialproductivityofmaizeandsoybeaninNortheastChina
圈7东北地区玉米和大豆光合资瑟利用率
Fig．7Distributionmapofphotosynthesisresourceu eratioofmaizeandsoybeaninNortheastChina
生产潜力下降较多，成为气候生产潜力最低的地区，
这也证明了在东北地区西部地区，水分是限制作物生
产潜力发挥的重要影响因素。
如前所述，水分满足率表明降水满足作物需求的程
度。在自然降水条件下，旱地作物的水分满足率可以用
气候生产潜力与光温生产潜力的比值来表示，WCR=
y∥昂。玉米和大豆生产潜力水分满足率见图6。
为进一步分析东北地区各县市农业生产潜力的
万方数据
圈8东北地区玉米和大豆光温资源利用率
Fig．8DistributionmapofphotosynthesisandtemperatureresourceuseratioofmaizeandsoybeaninNortheastChina
圈9东北地区玉米和大豆气候资源利用宰
Fig．4DistributionmapofclimateresourceuseratioofmaizeandsoybeaninNortheastChina
区域差异，现将部分结果进行统计分析，如表4所示。
由表中可以看出，尽管东北地区地域广大，但各
地光合潜力差异不大，玉米、大豆光合潜力的标准差
分别为1，122kg·hm也和453kg·hm～，最高值是最低值
的1．24倍和1．13倍。由于东北地区由南向北跨越纬
度从北纬38。437到北纬53。30’，各地温度条件
差异很大，生育期温度对作物适宜性也有较大差异；
＼
因此，光温潜力在各地差异非常大，可看出，各地光
万方数据
4期 王宗明，等：东北地区农业土地资源潜力评价模型及其应用 359
光合籼kgohm-2)惹
Ph咖8ym燮擘mial大豆
p∞du。t1V1ty
Soybean
光温潜力(kg．hm-2) 愁
Phot08ynthe8i8_tempemture大豆
pOtentialp‘。ductiⅥty．
Soybean
29481
8936
26981
7929
23830
6493
16190
55ll
26693
7908
21538
6894
1．24
1．13
1．67
1．44
1122
253
2487
460
温潜力的标准差几乎是光合潜力标准差的2倍。大豆
光温潜力各地差异相对较小，但最高值仍然达到最低
值的1．44值。由于各地降水条件差异较大，据统计，
各地5-9月份作物生育期降水从340mm～950mm不
等，使得各地气候生产潜力具有较大差异。
4东北地区农业自然资源利用率(Agricultura
naturaIesourcesusratiosofNortheastChina)
粮食生产对农业自然资源的利用率是评价农业
生产水平高低的科学指标，可表示为单位面积生产的
粮食干物质能量占可利用的资源能量的比率。此处利
用研究区各县市1996～2000年作物单产的平均值
(代表20世纪90年代末的农业实际生产水平)与各
级生产潜力比较，分析东北地区农业自然资源利用率
的地域分布状态。
4．1光合资源利用率
光合资源利用率为实际单产与作物光合生产潜
力的比率，是对一地区除光能以外的气候、土壤等资
源开发利用及农业科技进步水平的综合反映。结果表
明，东北三省中东部地区玉米的光合资源利用率已经
达到了0．30以上，而其中克东、海伦、巴彦、宾县
四地达到O．35以上。西部地区的光合利用率多在0．20
以下，杜尔伯特、镇赉、通榆、大安、甘南等地小于
0．16。大豆光合资源利用率东部明显高于西部，讷河、
克东、海伦、巴彦、农安达到0．31以上，齐齐哈尔、
大庆、肇源、乾安以西的地区都在0．20以下(图7)。
4．2光温资源利用率
光温资源利用率是指实际产量与光温生产潜力
的比率，可反映一地区改善水、土条件、采用良种良
法及常规农业投入的水平。玉米光温资源利用率在讷
河、克东、海伦等地最高；西部的甘南、杜尔伯特、
大安、肇源、镇赉、通榆等地多在0．20左右。大豆
光温利用率最高值在讷河和克东，分别为0。51和
0．53；北部地区在0．35以上，中南部地区在0．20和
O．35之间，西部地区多在0．20左右或低于0．20(图8)。
4．3气候资源利用率
气候资源利用率为实际产量占气候生产潜力的
比率，是把气候因素视为不易改变的资源条件，在雨
养农业条件下，通过改良土壤、采用良种良法等技术
而实现的资源利用率。玉米气候资源利用率在东部地
区大部分在0．40～O．60之间，而西部地区多在O．40
以下，甘南、杜尔伯特、大安、通榆最低。大豆气候
资源利用率在北部和南部较高，而中间较低。最高值
在黑龙江省的讷河等地，为0．60以上。在东北地区
中部的龙江、泰来、杜尔伯特、大庆、安达、双城、
万方数据
!竺 生查型堂曼竺坦巫!型兰生!旦望 !!堂
肇州等地则低于0．30(图9)。 【414 江爱良．1990．农业气象和农业发展的战略研究[J】．中
5结论(Conclusion) 【5l愁焉㈣11(1)：11．．-4中国土地资源蝴凇人口承
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万方数据
东北地区农业土地资源潜力评价模型及其应用
作者： 王宗明， 张柏， 宋开山， 刘殿伟， 李方， WANG Zong-ming， ZHANG Bai， SONG Kai-
shan， LIU Dian-wei， LI Fang
作者单位： 中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春,130012
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGICAL SCIENCE
年，卷(期)： 2007,26(4)
被引用次数： 4次

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