黄土高原水土流失区粮食现状与增产潜力研究_地理论文

提　要　以黄土高原 10 个试区的攻关资料为基础，从区域旱作产量潜势、试区攻关水平和试区所在县的产量现状三个层次，详细剖析了黄土高原水土流失区粮食现状和增产潜力。结果指出，该区粮食增产潜力很大，目前整体产量水平仅达到试区攻关水平的 74.7%，达到旱作粮食产量潜势水平的 54.2%。在黄土台塬区和丘陵区中，丘陵区的粮食增产潜力较台塬区大，前者尚有 117.6% 增产能力，后者仅 56.6%。但考虑到人口增长和坡耕地的退垦等因素，未来 30 年内黄土高原水土流失区的粮食供需仍处于负平衡。

关键词　黄土高原；水土流失区；粮食增产潜力

中图分类号　S157；F326.11

文献标识码　A

文章编号　1000－3037(2001)04－0366－07

　　黄土高原严重水土流失区总面积 28万km²，含黄土台塬区、黄土丘陵区和长城沿线风沙丘陵区，共 109 个县、旗、市。本区位于我国东部平原向西部高原和干旱地区的过渡带，加之受强烈水土流失的影响，区内分异性强，类型多样，年内降雨 400～600mm，大于 10℃积温 2000～3300℃，海拔 500～2500m，土壤质地由粘壤质到沙质，地形由较完整到极破碎。粮食产量对天然降雨的依赖性较大，低而不稳。为了提高该区粮食产量，自“七五”期间国家在此设立攻关项目，建立了颇具代表性的乾县、淳化、长武、隰县、安塞、米脂、离石、固原、西吉、定西和准格尔旗试验示范区。示范区科研人员通过多年来对农田水量平衡、作物丰产水分条件和作物产量水肥效应等的研究，认识到该区粮食有成倍增产的潜力，而且可实现短期内超常规增长；化肥、农田基建和良种选育是增产的突破口^[1、2]。攻关前 11 试区平均粮食单产 1696kg/hm²，10 年后粮食单产递增 14%，单产上升到 2876kg/hm²；攻关前人均占有粮食 382.2kg，在人口以 2% 的速度增长的情况下，10 年后人均占有粮食 614.8kg，增长 60.9%^[1]。但在整个水土流失区，由于生态环境脆弱，生产力与全国平均状况相比仍然处于较低水平，目前人均占有粮食仅 268.8kg，致使粮食生产成为该区生态农业建设与持续发展的关键。随着国家战略中心的西移，生态环境建设步伐的加快，退垦还林草措施的实施，该区特别是丘陵沟壑区耕地面积的减少，区域粮食自给问题愈来愈受到关注。因此，从多层面深入研究黄土高原水土流失区生产发展的潜力，对当前和未来农业生产和生态环境建设与规划都有重要意义。本文在分析和整理 10 个试区攻关资料的基础上（准格尔旗以灌溉农业为主，其产量水平不能代表旱作农业，故未考虑），从旱作产量潜势、试区攻关水平和试区所在县粮食产量现状 3 个层次，剖析占黄土高原水土流失区面积 68.7% 的台塬区和丘陵区的粮食增产潜力。

1 研究方法和试区自然条件

　　首先收集和整理试区和试区所在县的历史资料，包括产量、人口和耕地面积等，计算主要作物的旱作产量潜势。模型参数确定和检验用长武试区冬小麦和玉米 10 年潜势试验资料^[3]。本文讨论的 10 个试区分布在黄土高原水土流失严重的丘陵沟壑区和高原沟壑区，海拔高度 1050～2500m，年降水量 422～600mm，年平均气温 5.8～10.8℃，试区面积多数为 8～10hm²，试区人口包括高密度区（200～270 人/km²）、中密度区（100～170 人/km²）和低密度区（40～60 人/km²）。根据 1995 年资料统计，10 个试区在黄土高原水土流失区的代表面积为 19.3万km²，分为不同土壤侵蚀强度、不同地貌和不同社会经济条件组成的不同类型亚区。其中长武、乾县和淳化代表陇东台塬和渭北台塬亚区，总面积 5.68万km²，耕地面积 126.53万hm²；隰县代表晋南残塬亚区，总面积 0.89万km²，总耕地面积 8.89万hm²；定西代表陇海铁路沿线丘陵亚区，总面积 3.35万km²，总耕地面积 74.27万hm²；固原、西吉代表宁南丘陵亚区，总面积 2.48万km²，总耕地面积 60.64万hm²；安塞代表陕北丘陵亚区，总土地面积 3.17万km²，总耕地面积 24.48万hm²；米脂和离石代表晋陕黄河峡谷两岸丘陵亚区和晋北丘陵亚区，总面积 3.72万km²，总耕地面积 62.75万hm²。

2 黄土高原主要作物的旱作产量潜势的计算方法

2.1 计算方法

　　FAO 推荐旱作产量潜势的计算模型是根据作物的光合生产潜力，考虑温度修正，转化为光温生产潜力，然后再考虑水分因子修正，转化为旱作产量潜势的。计算模型如下：

式中，Yd 为旱作产量潜势；Y_si 为光合生产潜力；f(LAI) 为叶面积指数修正系数；f(T) 为温度修正系数；f(W) 为水分因子修正系数；i 为第 i 个生长时段，n 为全生育期划分的总时段数。光合生产潜力的计算公式为：

Y_si＝A·C_n[F_i·Y_oi＋(1－F_i)Y_ei] (2)

式中，A 为经济系数；C_n 为同化物转化率；Y_oi、Y_ei 分别为全阴天和全晴天一定地点标准作物的总干物质；F_i 为每天云遮盖时间的比率。各参数 FAO 均给出计算方法或参考值。

2.2 水分订正函数

　　对水分订正函数的研究报导较多^[4～10]，其基本思想都是水分亏缺率与产量减低率之间成一定的函数关系，但表达形式略有不同。本文取如下函数关系：

式中，ky 为作物产量反映系数；α为修闲期蓄墒率，据研究黄土高原冬小麦休闲期的蓄墒率为 0.3，而春小麦、玉米和谷子等作物播前底墒对作物产量影响不大，
α=0^[9]；R₁ ^＇、R₂ ^＇分别为休闲期和作物生长期的有效降水量；ET_m 为作物需水量。该公式从理论上反映了水分产量效应的普遍规律，因此适用于黄土高原。

　　我们用长期潜势试验资料来确定作物产量反映系数 ky。二组潜势试验资料分别为高肥条件下充分供水和自然降水所得的产量、耗水量或者最大蒸散量资料。计算结果证实 1－f(W) 与 1－(αR₁ ^＇＋R₂ ^＇)/ETm 成显著直线相关关系，就整个生育期而言，冬小麦和玉米的 ky 值分别为 1.0 和 1.07。而对于要讨论的春小麦和谷子两种作物，由于没有潜势试验资料，ky 均取二者的平均值。

2.3 模型计算结果的准确性检验

　　为了证明上式的合理性和适用性，我们利用高施肥水平中等水分处理的冬小麦和玉米耗水量和产量实测资料对其进行检验，计算结果与实测结果的比较如表 1 和表 2 所示。可见，冬小麦光温生产潜力的计算结果与实测值之间的相对误差变化范围是 2.49%（1986 年）～12.17%（1987 年），多年平均误差为 5.31%；旱作产量潜势的计算结果与测定值的相对误差变化为 0.11%（1994 年）～27.49%（1987 年），多年平均误差为 9.05%。玉米光温生产潜力的计算值与实测值的相对误差变化为 0.01%～26.3%，平均误差 7.21%；旱作产量潜势的计算值与实测值的相对误差变化为 2.03%～18.06%，平均误差为 8.71%。用上述模型计算黄土高原两种主要粮食作物的光温生产潜力和旱作产量潜势的相对误差均小于 10%，这说明用上述模型计算的结果是可靠的，可用来分析黄土区旱作粮食的增产潜力。

表 1 冬小麦光温生产潜力和旱作产量潜势的计算值与实测值的比较
Table 1 Comparison of the measured and calculated sunlight-temperature and dryland potential yields of winter wheat

表 2 玉米光温生产潜力和旱作产量潜势的计算值与实测值的比较
Table 2 Comparison of the measured and calculated sunlight-temperature and dryland potential yields of corn

3 结果与分析

3.1 黄土高原粮食生产现状

　　1949 年以来黄土高原粮食生产的增长过程大致经过了如下 4 个阶段：1949～1969 年，1970～1980 年，1981～1989 年，1990 年至现在，每个阶段粮食单产大约提高 750kg/hm² 左右（图 1）；虽然由于技术改进、品种更新和化肥的较大投入，单产每提高 750kg/hm² 所需时间愈来愈短，但由于基数低，黄土高原的粮食现状仍不容乐观，1991～1997 年平均，人均占有粮食约 268.8kg，而且由于年度和季节降雨的变化，粮食产量年际波动较大，生产与消费之间存在较大缺口。因此加大科技和物质投入，提高粮食单产，仍然是黄土高原水土流失区农业生产的重点。

图 1 黄土高原部分县粮食产量演变
Fig.1 Change of grain yield in some counties of Loess Plateau

3.2 黄土高原主要作物的旱作产量潜势

　　利用上面介绍的模型，我们计算了黄土高原几种主要作物的旱作产量潜势，并与试区多年攻关产量进行了比较（表 3），以探讨黄土高原几种主要粮食作物的增产潜力。由表 3 可见，在黄土高原的 10 个试区内，以冬小麦为主要夏粮作物的试区有乾县、淳化、长武和隰县。各区冬小麦光温产量潜力大致相同，均接近 6000kg/hm²，而旱作产量以隰县为低，其它 3 个试区大致相同，约大于 4000kg/hm²。4 个试区“九五”期间 4 年的产量实现率以乾县最大，达到 87.8%，其次是淳化，达到 83.2%，最低是隰县，仅为 57.2%。固原、西吉和定西的主要夏作是春小麦，3 试区春小麦的光温产量潜力以西吉为高，固原和定西较接近，旱作产量潜势也是西吉高，为 3194.9kg/hm²，固原和定西在同一水平，约为 2 900kg/hm²。目前产量实现率以定西为高，达到 91.1%，其它 2 试区略大于 70%。10 个试区的主要秋收作物都是春玉米，其光温潜力可分为 3 个等级，隰县、离石、米脂和固原为第一级，光温潜力大于 10000kg/hm²；长武、安塞、西吉和定西为第二级，光温潜力大于 9000kg/hm²；乾县和淳化为第三级，光温潜力大于 8000kg/hm²。但是旱作产量潜势以长武和隰县为高，达到 8000kg/hm² 以上的水平；而乾县、淳化、离石和固原略低，单产可达到 7000kg/hm² 以上的水平；其他试区春玉米的旱作产量潜势变化在 6000kg/hm² 以上的水平。目前试区攻关水平较高，春玉米旱作产量潜势的实现率多已达到 70%，最大实现率是长武试区，达到 89.1%，最小是淳化，仅为 58.4%。就总体水平而言，春玉米的旱作产量实现率大于冬小麦、春小麦和谷子，是目前黄土高原的主要高产粮食作物。

表 3 各试区主要作物的旱作产量潜势 (Y_d) 与试区攻关产量 (Y_a)（1996～1999 年平均值）
Table 3 Average dryland potential yields and experimental yields of main crops in experimental areas

3.3 黄土高原水土流失区旱作粮食产量潜势与现实可实现率

　　黄土高原水土流失区旱作粮食产量潜势主要由当地夏秋作物种植面积和夏秋作物的旱作产量潜势决定。各区主要夏秋作物的旱作产量潜势上文已作分析，夏秋作物的种植面积和 10 个试区的旱作粮食产量潜势的计算结果见表 4。由表可知，10 个试区在目前的夏秋作物种植比的条件下，理论旱作粮食产量潜势可分为 3 个水平。达到 6000kg/hm² 水平的有隰县，达到 5000kg/hm² 水平的有乾县、淳化、长武和离石，略高于 4000kg/hm² 的有安塞、米脂、固原、西吉和定西。各区理论旱作粮食产量的高低，受当地夏秋作物的播种面积影响较大。例如隰县和离石，两试区主要夏收作物的旱作产量潜势与安塞、米脂、西吉试区等位于同一水平，秋作与长武、淳化等试区位于同一水平，但因两试区秋收作物种植面积大（分别占总播种面积的 68% 和 45%），因而区域旱作粮食产量潜势高。

表 4 试区产量现状与旱作产量实现率
Table 4 Yield situation in experimental areas and implementing ratio of dryland potential yield

　　旱作粮食产量潜势未考虑土壤质地、肥力、地形等其它下垫面因素对粮食产量的影响，在区域尺度上是不可实现的。土壤质地、地形等综合因素对产量的影响是不可避免的，为考虑这些因素，本文参照文献 1 的研究结果提出了一综合影响因子，从而扣除上述综合因素对产量实现的影响，得到各区现实可实现的旱作粮食产量潜势，结果见表 4。由表可知，各试区现实可实现旱作产量潜势也可分为 3 个等级。乾县、淳化、长武和隰县为第一级，现实可实现旱作产量大于 4000kg/hm²；安塞、离石为第二级，现实可实现旱作产量为 3300～3600kg/hm²；米脂、定西、固原和西吉为第三级，现实可实现旱作产量小于 3000kg/hm²。

　　各试区经过 3 个五年计划的科技攻关，粮食产量在“六五”的基础上有重大突破，各试区 1986～1999 年平均粮食产量见表 4。长武和隰县粮食单产最高，已达到 4000kg/hm² 的较高水平；乾县和淳化次之，单产在 3000kg/hm² 以上；其它各试区处于 1500～2000kg/hm² 的水平。现实旱作粮食产量实现率最高的是长武试区，达到 92.8%；其次是乾县、隰县和米脂试区，实现率超过 80%；而安塞、离石和固原现实旱作粮食产量的实现率仅有 45.7%、52.6% 和 53.9%；其它 3 个试区旱作粮食产量潜势的实现率变化在 65.7%～71.1% 之间。了解了各试区的现实可实现的旱作粮食产量及其实现率，对于分析黄土高原水土流失区的粮食增产潜力具有重要作用。

3.4 黄土高原水土流失区粮食增产潜力

　　表 5 从现实可实现产量、试区多年平均攻关产量和各试区所在县实际多年平均产量水平三个层次初步反映了黄土高原水土流失区粮食的增产潜力。由表可见，水土流失区目前粮食总的增产潜力还很大，其中固原、西吉、定西三县的粮食产量仅达到当地现实可实现产量的 42.7%、38.7% 和 41.8%，达到试区产量的 58.4%、58.9% 和 59.3%，相对于现实可实现产量各县尚有 60% 左右的增产潜力，相对于试区目前已达到的产量水平各县也有 40% 多的增产潜力；淳化、长武、安塞、离石和米脂各县粮食水平达到现实可实现产量的 50% 上下，也尚有 50% 左右的增产潜力；目前隰县的现实可实现产量的实现率较高，是黄土高原粮食产量的高产区，目前还有 30% 左右的增产潜力。乾县由于存在部分水浇地，所以全县平均粮食产量较高。总之，目前黄土高原水土流失区的大部分丘陵地区仍处于低产水平，台塬区处于中上水平，各区均有一定的增产潜力。

表 5 黄土高原水土流失区粮食增产潜力
Table 5 Potential of foodstuff increase in soil loss region of Loess Plateau

　　就整个黄土丘陵区和台塬沟壑区而言，其增产潜力也是相当可观的。两区现有耕地面积为 360.23万hm²，人口 2547.44 万人，粮食总产量为 684.83万t（1991～1995 年平均），其中台塬区 372.7万t，丘陵区 312.1万t，人均占有粮食 268.8kg。如果各区粮单食产达到目前试区攻关水平，则两区粮食总产量可达到 917.2万t，其中台塬区 479.1万t，丘陵区 438.1万t。不考虑人口增加，人均占有粮食为 360kg，达到温饱型。如果各区粮食单产达到现实可实现产量水平，则两区粮食总产量为 1262.76万t，其中台塬区 583.6万t，丘陵区 679.0万t。不考虑人口增加，人均占有粮食为 495.7kg，粮食供给成为富裕型。就增长潜力而言，丘陵区明显高于台塬，前者仅为 56.6%，后者还有 117.6%。据预测，总产量 917.2万t 的目标可在 2010 年左右实现，全区人口按 1.1% 的速率增长，届时两区人口总数 3170.5 万人，人均占有粮食 289.3kg；总产量 1262.76万t 的目标在 2030 年左右实现，届时两区总人口为 3735.9 万人，人均占有粮食为 338kg。按目前标准来衡量，要实现小康水平，各阶段均需外调部分粮食。

4 结论

　　本文以黄土高原 10 个试区的攻关资料为基础，从区域旱作产量潜势、试区攻关水平和试区所在县的产量现状三个层次，详细剖析了黄土高原水土流失较为严重的丘陵区和台塬区粮食现状和增产潜力。结果指出，就 10 个试区所代表的黄土高原 19.3万km² 水土流失区而言，该区粮食增产潜力很大，目前整体产量水平仅达到试区攻关水平的 74.7%，达到旱作粮食产量潜势水平的 54.2%。目前人均占有粮食仅 268.8kg，在不考虑人口增加前提下，如果粮单食产达到目前试区攻关水平，则人均占有粮食为 360kg，达到温饱型；如果粮食单产达到现实可实现产量水平，则人均占有粮食为 495.7kg，粮食供给成为富裕型。但考虑人口增长和坡耕地退垦等因素，则未来 30 年内黄土高原水土流失区的粮食生产尚不能自给，各阶段均需外调粮食，因此加大科技投入、提高粮食单产应是水土流失区未来农业发展的重点。

参考文献