全 文 ：第 26卷第 8期
2006年 8月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26．No．8
Aug．，2006
红壤旱地多熟种植系统的综合效益评价
黄国勤，刘秀英，刘隆旺，叶 方，张明林，苏艳红
(江西农业大学生态科学研究中心，南昌 330045)
摘要 ：采 用加 权灰 色关联聚类分析的方法 ，按 生态效益 、经 济效益 和社会 效益 的各项指 标 ，对 1984～2004年 在江西农 业大 学农
学试验站红壤旱地上进行的多元多熟种植系统定位对比试验中筛选出的 23种多熟种植系统的综合效益进行了定量分析和聚
类评价 。结果表 明 ：“白菜／马铃 薯／玉米一芝麻”关联 度值最 大 ，灰色聚类 为优 ；生态 、经 济、社会 效益最 高 ，明显优 于其 他种 植系
统 。适合于大面积推广 ，是红壤旱地增 产 、增 收 、增效和维持农 业可持续 发展 的优化模 式 ；“油菜 l紫云英／玉 米／玉米 l绿豆”次
之 。适合在劳动力相对充足 的城郊红壤旱作 区推广 ，以上两种种植模式对今后红壤旱作 区种植业结 构布局的调整和种植模式 的
优化具有积极意义。
关键 词 ：红壤旱地 ；多熟 种植 ；灰色关联 ；聚类分析 ；综合评价
文章编号 ：1000-0933(2006)08—2532—08 中图分类号 ：S181 文献标识码 ：A
Evaluation on comprehensive benefits of multiple cropping systems on upland red soil
HUANG Guo—Qin，LIU Xiu—Ying，LIU Long—Wang，YE Fang，ZHANG Ming—Ling，SHU Yah—Hong (Research Center m
Ecological Science，Jiangxi Agricultral University Nanchang 330045，China)Acta Ecoiogica Sin&a，20O6，26(8)：2532—2539-
Abstract：The development of multi—component and multiple cropping systems is reviewed，and their comprehensive benefits are
criticaly evaluated． The theories underpinning use of multiple cropping systems have matured， and the approach is widely
accepted and practiced because of its potential role in sustainable agn‘culture．However，research evaluating its comprehensive
benefits and optimization of system models are stil at an early stage．It is difcult to evaluate the comprehensive benefits because
of the complexity and diversity of the ecosystem．Th erefore an evaluation indicator system for multi—component and multiple
cropping systems was set up according to the principles and methods of ecology and system engineering， and grey relation
clustering analysis used to evaluate the comprehensive benefits of multi—compo nent and multiple cropping systems． Finally
screening alowed identification of the optimized model， based on orientating experiences with upland red soil at Jiangxi
Agricultural University from 1984 to 2004．Th e results showed that the grey relation degree of“cabbage／potato／maize—sesame’was
highest among 23 multi—compo nent and multiple cropping systems，and corresponded to the optimized system．It provides optimal
social。 economic and ecological benefits， based upo n improved yields and farmers ’ income while achieving sustainable
development of agricultural production．Th erefore its use in future could be beneficialy extended on upland red soil over a large
scale．The grey relation degree of“canola l chinese milk vetch／maize／maize I mung bean”was next best，and is suitable for more
extensive use on upland red soil at the outskias of the city．Th ese two planting patterns should be actively pursued in the
adjustment of planting structure and optimization of planting patterns on upland red soil in the future．
Key words：upland red soil；multiple cropping systems；grey relation analysis；clustering analysis；comprehensive evaluation
基金项 目：国家教育部科 学技术研究重点资助项 目(03067)
收稿 日期 ：2005—09一I 1；修订 日期 ：2006—07—28
作者简介：黄国勤(1962一)，男，江西余江人，博士，教授 ，主要从事耕作制度、农业生态、农业可持续发展的研究与教学．E-mail：hgqjxauhgq@sina．
com 、cn
Foundation item：The project was supported by Scientifc and Technological Key Item of the Ministry of Education of China(No．03067)
Received date：2005—09—1 I：Accepted da te：2006—07—28
Biography：HUANG Guo-Qin，Ph、D．，Professor，mainly e"sas~ in tilage system，agricdtural ecology，a cu1tural sustainable development．E-mail：hgqjxaahgq@
sina tom ．cn
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8期 黄国勤 等：红壤旱地多熟种植系统的综合效益评价 2533
红壤旱地是我国南方重要的农业土壤资源。深度开发和合理利用红壤旱地资源，不仅在我国南方农业可
持续发展 中占有重要战略地位，而且一直是我 国南方农业大发展的重要方 向和研究重点 。 。长期 以来 ，由
于存在酸、瘦 、粘 、板 、旱 、蚀等多种生产限制因子，加上耕作粗放和不合理的开发利用 ，致使红壤旱地至今农 田
生产力低 、经济效益差 ，与南方快速发展的经济形势极不相称。或者说 ，红壤旱地较低的生产力和较差的经济
效益，在一定程度上已难 以适应南方经济快速发展的需要 ，对促进当前的粮食增产 、农 民增收，以及全面建设
小康社会 和构建社会主义和谐社会等极为不利。
然而，由于南方红壤旱地地处热带、亚热带湿润气候区，光、温、水资源充足，自然条件十分优越，适宜于种
植多种农作物、发展多熟种植模式和建立高效优化的多熟种植系统。建立高效、优化的多熟种植系统和模式，
不仅能提高作物光能利用率和水分利用率，减缓干旱程度，而且可以提高养分再循环率，使 N、P、K的配比更
为合理 ，因此 ，是合理开发利用红壤旱地 、提升红壤旱地生态经济 和社会效 益的重要措施 之一 。作者从
1984年开始 ，在江西农业大学农学试验站进行“红壤旱地多熟种植 系统生态 、经济和社会效益研究”的长期定
位试验 ，至今已进行了 20a(田间定位试验仍在继续)，已连续筛选 出一些较优化的多熟种植模式 ，急需科学全
面地进行综合评价和分类 ，以便生产上大面积推广应用。迄今 ，前人 已对不 同种植 系统的效益采用多种方法
进行综合评价 ，但缺少定位性年际间系统 、纵向定量研究。本 文基于灰色系统理论 中的关联度概念 ，
采用加权灰色关联聚类分析法，拟对红壤旱地 20a定位对 比试验 中 23种多熟种植 系统的生态 、经济 、社会效
益进行定量分析 ，并给予分类和综合评价 ，旨在科学探索和精确筛选适宜红壤旱地种植的优化种植模式，以便
为实际生产提供参考依据，从而为红壤旱作区农业的全面、协调和可持续发展做出积极贡献。
1 试验地概况和资料来源
试验地点设在江西农业大学农学试验站(28。46 04．476”N，115。50 02．040”E)内，1984～2004年间，年平均气
温为 17．6℃，日平均气温 ≥10℃的活动积 温达 5600℃，持续 255d。年平均 日照总辐射量为 1 14．39×4．186J／
cm ，年平均 日照时数为 1820．4h，无霜期 272d，年平均降水量达 1624．4 mm。四季温差大 ，光 照充足 ，雨量 丰
沛 ，适于作物多熟生长期需要 ，并有较大的温光生产潜力。土壤为第四纪红粘土发育 的红壤 ，地形为 岗地 ，无
灌溉条件。本文资料来源于 1984～2004 年在江西农业大学农学试验站进行 的“红壤旱地多熟种植系统生态 、
经济和社会效益研究”长期定位试验选择研究的农田种植模式及所测定的试验数据 。
2 评价对象与指标体系
采用 1984～2004年在江西农业大学红壤旱地上不同类型的 23种多元 多熟种植 系统 为样 品，分别为 ：
(1)大豆一玉米 ；(2)混播绿肥一甘薯 ；(3)花生一绿豆；(4)蚕豆 一棉花 ；(5)早玉米 l绿豆；(6)紫云英一玉米一芝麻 ；
(7)紫云英一玉米／玉米 l绿豆 ；(8)蚕豆一玉米／甘薯 ；(9)油菜／大豆 {l玉米一芝麻 ；(10)黑麦草 ×紫云英／大豆一玉
米；(11)油菜 l紫云英／玉米／玉米 l绿豆；(12)紫云英 ×油菜一玉米一玉米 ；(13)紫云英／大豆 l玉米／玉米 ；(14)
蚕豆／玉米／甘薯 ；(15)油菜一绿豆 l甘薯；(16)早玉米 』l花生 ；(17)混播绿肥一玉米一大豆 ；(18)黑麦草／大豆．晚玉
米；(19)玉米 l大豆；(20)油菜一大豆 l玉米一芝麻 ；(21)大麦．花生一荞麦 ；(22)白菜／马铃薯／玉米一芝麻；(23)蚕
豆一西瓜一玉米。然后，据有关文献 ，定量分析红壤旱地多元多熟种植系统曾先后采用多个评价因子，除去
定性因子和明显相关因子后 ，选 20个评价因子构成评价指标体系 (见表 1)。按其物理意义 ，这 20个评价 因
子又可归为生态效益(1．～1．，)、经济效益(1． ～1． )和社会效益(I． ～I∞)3大公共因子。评价指标体系确定后．
搜集4个典型试验年份(1984、1998、2001、2003)各年中多元多熟种植系统中的 20个指标原始数据，共 2300个
数据，分别逐个列入表 2。
* 符号号说明：“一”作物接茬；“I(或“+”)作物间作；“，”作物套作；“×”作物混作
① 黄国勤 ．红壤旱地二熟制与三熟制生产力及其机理研究 ．硕士论文．1984
② 叶方．红壤旱地以玉米为主体耕作制度的可持续发展研究及评价．硕士论文．1998
③ 张明林．红壤旱地间作生态系统功能及调控研究．硕士论文．2001
④ 苏艳红．红壤旱地多熟种植系统的生态学功能及调控措施研究．硕士论文．2004
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表1 多元多熟种植系统综合效益评价指标体系
TabIe 1 The indicators of comprehensive benefits evaluation for multicomponent-multiple c~pwng systems
表2 23种多熟种植系统评价指标原始数据及参比种植系统的指标数列
Table 2 O~ nal data of assessment indicators for 23 multiple cropping systems and an indicator series of reference c~pwng system
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8期 黄国勤 等：红壤旱地多熟种植系统的综合效益评价 2535
表中多熟种植 系统 Xo为参 比种植 系统 Reference cropping system is represented as 0
3 运行计算与结果分析
3．1 加权灰色关联度的计算
首先根据本地 的生产 实际和 “两 高一优 ”目标 ，确定 各指 标最优 化 值，构 成参 比数 列 X (．j})，表示 为
{ 。(1)}，{X。(2)}，⋯，{ 。(n)}(．j}= 1，2，⋯，n)。试验 各处理各单项 指标所构成 的数 列 ，构成 比较数 列
(．j})( 为各处理的种类)，表示为{ (1)，X (2)⋯ (n)}(．j}=1，2，⋯ ，n；i：1，2，⋯，m)。然后将数据
进行同一化处理 ，经同一化处理后所有值均居于 0～1。其 中对于指标值越大越好 的正指标 ，采用下式处
理 ：
；
对于指标值越小越好的逆指标 ，采用下式处理 ：
：( )=
其次参比数列 {X。(P)}与比较数列为{X (P)}的关联系数 L．(P)可由下式计算。
p = 箍 (2)
式中，△．(P)表示 P时刻两 比较序 列的绝对差 ，即 △ (P)= I 。(P)一 (P)I(1≤i≤m)；A 和
△⋯，分别表示所有比较序列各个时刻绝对差中的最大值与最小值。lD称为分辨系数，其意义是削弱最大绝
对差数值太大引起的失真 ，提高关联系数之间的差异显著性 ，p∈(0，1)，一般情况下常取 0．5。关联系数的范
围为 0
同的权重( )，对各种植模式的评价将更为合理。因此计算公式为：
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生 态 学 报 26卷
rI=∑wkL；(Ij}) (3)
I= l
本研究各种效益的权重分别为 ：经济效益 0．5，生态效益 0．3，社会效益 0．2，其 中能量效益 0．15，肥料效益
0．15。再将 m个比较序列对同一比较序列的关联度按大小顺序排列起来，便组成关联序，它直接反映各个比
较序列对于参比序列的“优劣”关系。
根据上述步骤，计算不同种植系统综合效益的关联度如表 3。
表3 23种多熟种植系统综合效益的灰色关联度及排序
Table 3 Grey relation degrees of comprehensive benefits of 23 multiple cropping systems and their taxis
从表 3中可看出：关联度值大于 0．6的种植 系统综合效益大小顺序为 (“白菜／马铃薯／3i,米．芝麻”)>
X。(“油菜 l紫云英／V．米，玉米 l绿豆”)> X (“蚕豆．玉米，甘薯”)。同时，关联度值大于 O．5小于 O．6的种植
系统综合效益大小顺序为 。(“油菜／大豆 l玉米．芝麻”)> X。 (“蚕豆／玉米／甘薯”)> X (“紫云英一玉米／玉米
l绿豆”)> X。 (“紫 云英 ×油菜一玉米一玉米”)> X。 (“油菜．绿豆 l甘薯”)> X。，(“紫 云英／大豆 l玉米／V,
米”)> X。 (“蚕豆／玉米／甘薯”)> X。(“黑麦草 ×紫云英／大豆．玉米”)> X 。(“油菜．大豆 l玉米．芝麻”)>
，(“蚕豆一西瓜一玉米”)> X (“紫云英．玉米．芝麻”)> X。(“黑麦草／大豆．晚玉米”)> X。，(“混播绿肥．玉米．
大豆”)> X 。(“大麦一花生一荞麦”)> X (“蚕豆一棉花”)。其他种植系统关联度值均小于 0．5。
3．2 聚类分析
根据全体 可构成加权关联度集尺，根据 尺集，定义各元素间关联度差异矩阵 ，其中矩阵中每一元素
d =l r。一rJ l (4)
由 矩阵求差异距离矩阵 D，其中矩阵 D是一主对角线为零的对称矩阵。再 由差异距离矩阵 D求得相
似关系舷 ，其 中矩阵中元素
d
g0 1一 (5)
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8期 黄国勤 等：红壤旱地多熟种植系统的综合效益评价 2537
式中max(D)表示取矩阵 D中的最大值元素。
根据上述步骤，计算不同种植系统各种效益的相似关 系矩阵 船 ，共有 23×23个元 素(略)。首先设不同
的种植系统为 。从 船 矩阵中，首先以关联度值最大的种植系统 ：所对应的第 22行及第 22列的数据中
寻找最大数(本矩阵中为 0．8195)，这最大数对应的种植系统 。 综合效益评 价指数排列第二 ，然后再依 次第
二种植系统所对应数据中寻找最大值 (0．9939)，则对应 的就是综合质量排行第三的种植 系统 。，依 此类推 ，
直到 。
任取实数 ∈ ，根据每类适宜的样本数量将其进行分类 。取 =0．93，则这 23个不同的种植系统可分
为 5种类型：
优 X22；
良 ll， 8， 9；
中 l6， 7， l2， l5， l3， l4， l0， 20， 23， 6， l8， l7， 2l，X4；
劣 l9，X3；
差 2， 】， 5。
聚类结果和表 2相结合时可发现 ，在三熟种植系统 中， ：：，即 “白菜／马铃薯／T,米一芝麻”种植模式被评为
最优种植系统， ．， 。， 。种植模式属于 良性种植 系统 ， 。 ， ，， 。 等均属于 中等种植系统 。而二熟种植系
统 中， 等综合效益均表现为低差。以上聚类结果可较客观地反映多元多熟不同种植系统的优劣 ，并可
发现三熟种植系统综合效益明显地优 于二熟种植系统 ，这与实验结果相吻合 ⋯。
4 多熟种植系统的综合评价
多熟种植系统综合效益主要取决 于生态 、经济 、社会效益三者的统一。在 23种多熟种植系统中 ，首先可
以看出， ：，即 “白菜／马铃薯／t,米一芝麻”，由于茬口衔接及群体空间分布较合理，光能利用率高，生产系统稳
定 ，作物产值高，直接经济效益显著 ；粮 、经 、菜四季合理搭配 ，多种多样农产品满足人们不同的需要 ，社会效益
显著；另一方面由于无机肥料投入量相对较小 ，有机肥料利用率高，提高养分再循环率 ，使 N、P、K的配 比更为
合理 ，具有良好的生态效益和可持续发展能力 ，故被评为最优种植系统 ，适应在红壤旱作区大面积推广。
其次，在多熟种植系统中， 。(“油菜 l紫云英／t,米／T．米 l绿豆”)， (“蚕豆一玉米／甘薯”)和 (“油菜／
大豆 l玉米．芝麻”)的生态效益与经济效益均较高，但 由于人工投入大 ，社会效益不明显，因此 ，综合效益被评
为“良”，适合于劳动力相对充足的城郊红壤旱作区推广应用。
从以上被评为“优”和“良”的 4种种植系统 中可以看 出， ：(白菜／马铃薯／t,米一芝麻)和 。(油菜 l紫云
英／t米／玉米 I绿豆)两种种植模式 ，具有 “新”的特点 ，即该两种种植模式均为新型的多熟种植方式 ，其生态
效益、经济效益和社会效益均优于现行 的传统种植模式 ，对今后红壤旱作区种植业结构布局的调整和种植方
式的优化具有积极意义。
第三 ， ，， ． 等多熟种植系统绝大部分属于三熟种植系统 ，它们 的生态 、经济 、社会效益 比较均
衡 ，且都处于中等或中等以上水平，故综合效益“中”。
最后，目前在红壤旱作区种植占主体的 、 ：， ， 均属于二熟种植系统，由于作物茬口衔接不够
合理 ，土地利用率不高 ，复种指数低 ，光能利用率明显不及三熟种植系统 ，且没有考虑到用养结合 ，土壤退化严
重 ，生态效益和社会效益较差 ，因此 ，综合效益分别评为“劣”和“差”，一般来说 ，不适合在红壤旱地上大面积种
植和推广。
5 结论
从 以上 23种红壤旱地多熟种植方式定位对比实验结 果，可看出如下趋势 ：旱地从二熟种植模式逐步发展
到三熟种植模式 ，提高 了光能利用率和土地复种指数，从而达到增产 、增 收、增效 的 目的；增粮型种植模式 以
“蚕豆一春玉米”为主体的三熟制冬季和秋季引入蔬菜和芝麻等小宗经济作物，是稳定提高作物产量和增加经
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济效益的新型种植方式。总而言之，本试验红壤旱地种植系统经历了20世纪 80年代的低水平粮经两熟制，
90年代以春玉米为主体的粮饲经三熟制，到 21世纪初的粮经饲菜 4元结构的多熟种植结构。同时，根据 20
项指标，对 23类不同种植系统进行灰色关联分析，并按照最优模式关联度值，进行相似聚类分析。结果表明，
“白菜／马铃薯／t米．芝麻”关联度值最大，生态、经济、社会综合效益最高，是红壤旱地增产、增收、增效的最优
模式。“油菜 I紫云英／玉米／玉米 I绿豆”次之，适合于劳动力相对充足的城郊红壤旱作区，对今后红壤旱作
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