1研究方法
1．1光合生产潜力
光合生产潜力是假设水热条件、养分以及其他生态条件均处于最佳状态，作物在当地光照条件下单位面积上所形成的产量，是理论分析计算作物产量的上限、土壤生产潜力研究的起点。本研究采用的计算公式为其中，YQ为光合生产潜力(kg/hm2);F为最大光能利用率;E为作物经济系数;C为干物质发热量(kcal/g);Q为太阳总辐射(kcal/cm2)。黄秉维先生在其研究中综合考虑作物群体对太阳辐射的反射、漏设、吸收、转化和消耗等10个多因子，计算得到F值为6．13%［14］。而实际我国中南、华南的三熟制高产区光能利用率仅为2．5%［13］。本研究为避免过高或过低估计，假设现代的种植制度及育种技术均对光能利用率的提高起到了积极的改进作用，结合湖南的实际生产水平，选取F为3%来计算湖南省粮食作物光合生产潜力。湖南省主要粮食作物包括水稻、小麦和玉米，作物经济系数E的平均值分别为0．42、0．35和0．35。据2011年统计数据显示可知，稻谷播种面积(4066．3khm2)占粮食作物播种面积(4879．58khm2)的83%。因此，本研究选取水稻经济系数0．42作为湖南省粮食作物经济系数。物质发热量C取多数作物的平均值4．25kcal/g。
1．2光温生产潜力
光温生产潜力是在光合生产潜力的基础上，考虑温度对作物生产潜力的影响，是在水分、养分以及其他生态条件均处于最佳状态下，由当地光能和温度所决定的作物产量，其修正计算公式为YT=f(T)YQ(2)其中，YT为光温生产潜力(kg/hm2)，f(T)为温度修正系数，YQ为光合生产潜力(kg/hm2)。f(T)=n/365(3)其中，n表示研究区域内无霜期天数。1．3气候生产潜力气候生产潜力是在光温生产潜力的基础上，考虑水分对作物生产潜力的影响，是在养分以及其他生态条件均处于最佳状态下，由当地光、温、水所决定的作物产量，其修正计算公式为YW=f(W)YT(4)其中，YW为气候生产潜力(kg/hm2)，f(W)为水分修正系数，YT为光温生产潜力(kg/hm2)。f(W)=ＲEＲ≤E1{Ｒ＞E(5)其中，Ｒ为研究区域内累年均降雨量，E为累年均蒸发量。1．4土壤生产潜力土壤生产潜力是在气候生产潜力的基础上，考虑土壤对作物生产潜力的影响，其修正计算公式为YS=f(S)YW(6)其中，YS为土壤生产潜力(kg/hm2)，f(S)为土壤修正系数，YW为气候生产潜力(kg/hm2)。参考罗雁文［12］等依据专家打分确定的湖南省不同等级土壤对土壤生产力的贡献率，Ⅰ级土壤可得到气候潜在生产力的60%，Ⅱ级土壤可得到30%，Ⅲ级土壤可得到15%。同时，考虑为保证栅格化后数据能在空间上连续分布，本研究所采用的土壤修正系数如表1所示。其中，PI为土壤质量等级指数，取地形、土壤质地、综合肥力、pH值等因子的几何平均值进行土壤的自然等级评价，则PI=5ESpH槡FT(7)其中，E表示高程，S表示地面坡度;pH表示土壤的酸碱度;F为土壤综合肥力;T为土壤质地。参考孙希华［15］，谢俊奇［16］，谢炳庚［17］等人对土壤评价指标的前期研究成果，表2列出了土壤修正系数中所选用指标的贡献函数。本文所有的气象数据均来源于国家气象信息中心，原始数据为1981－2010年的湖南34个国家级站点年平均太阳辐射、无霜日数、降雨量以及蒸发量等数据，土壤数据来源于中科院南京土壤所编制的中国1∶100万土壤类型图及全国1∶400万土壤肥力质量分布图集，地形数据来源于全国公里网格的DEM数据，上述数据经过空间化形成1km×1km的栅格数据;分市(州)的粮食作物实际产量及农机总动力投入等统计数据来源于2011年湖南省农村统计年鉴。
2湖南粮食生产潜力分析
在建立了“光合—光温—气候—土壤”生产潜力模型的基础上，应用JMP统计软件计算了湖南1km×1km栅格尺度上的主要粮食作物的生产潜力，如图1所示。就空间分布规律而言，湖南省光照资源、水热条件湘北明显优于湘南地区，以湘北的张家界和常德市为最高值逐渐向湘东、湘西、湘南方向递减，湘南永州市的光照及水热条件均相对最差。土壤资源在空间上分布较为零散，优质土壤资源主要分布在洞庭湖区和湘江中游河谷平原区，土壤生产潜力总体上表现为东北部优于西南部，土壤生产潜力分布情况与图2(a)中2010年湖南省实际粮食产量分布情况相吻合。为了进一步分析湖南粮食生产力水平及空间分布差异，将生产潜力的栅格值进行统计求得湖南各市(州)的平均生产潜力，并根据公式(8)计算了生产潜力指数(P)，P值越大说明当前现实生产力水平越低，资源可挖掘潜力越大;反之，P值越小说明当前现实生产力水平高，生产条件越适宜，资源可挖掘潜力越小。具体数值如表3所示。湖南省全省平均光合、光温、气候以及土壤生产潜力分别为54938、52203、51996、22018kg/hm2。不难看出温度及降水对湖南粮食生产的衰减作用较小，修正系数为0．95和0．99，主要的生产潜力衰减来源于土壤资源，修正系数仅为0.42。同时，统计分析各市(州)“光合－光温－气候－土壤”生产潜力与实际粮食生产力的关系，如图3所示。与光合生产潜力、光温生产潜力以及气候生产潜力相比，土壤生产潜力与2010年湖南省各市(州)粮食实际产量呈现出良好的线性关系，这说明土壤对湖南粮食实际生产力的影响较大。上述分析结果表明对于地处亚热带气候区的湖南省来讲，太阳辐射、水热自然资源均较为富庶，不构成限制粮食生产力的主要因素;而湖南省土壤资源则由于社会行为等造成的利用不当，质量普遍不高，使得土壤成为限制粮食生产的主要因素。因此，缩小粮食现实生产力与土壤生产潜力差距的主要途径应为着力改善湖南省土壤质量。从统计数据可以看出，湖南各州市的实际粮食生产力远小于土壤生产潜力，开发潜力指数均在65%以上，说明湖南省的粮食生产潜力具有较大发展空间，各种资源的利用率有待进一步提高，各市(州)的粮食现实生产力均仍有2～3倍的增长空间。图2(b)为生产潜力指数分布图，如图可知总体上东北部生产潜力指数高于西南部，即湘东北部资源可挖掘利用空间较大。其中，以岳阳土地的开发空间和粮食增产潜力最为广阔，其次为常德、衡阳、益阳、长沙、以怀化土地开发及粮食增产空间最小，其次为邵阳、永州、湘西土家苗族自治州。从图3中可知，岳阳市的土壤生产潜力全省最高，但是粮食现实产量却相对低于土壤生产潜力略低的娄底、长沙、湘潭和株洲市。其原因在于粮食现实生产力除了受自然资源条件影响，还受社会投入等因素的影响，如农业机械、化肥、灌溉的投入情况等。化肥使用量主要体现在土壤质量上，已在土壤修正系数中得以体现。湖南水资源丰富，灌溉农业对湖南粮食现实生产力影响大不。这里主要分析农机投入量对粮食现实生产力的影响。结合各市(州)的农用机械总动力投入情况(见表1)可以看出娄底、长沙、湘潭和株洲四市单位面积上的农用机械总动力投入要高于其他地区，虽然土壤生产潜力并非全省最高，但粮食现实生产力却高于土壤生产潜力最高的岳阳，这说明农用机械总动力的投入对粮食生产力的提高起到的积极的促进作用。统计资料表明，借助现代农业机械化作业(如土壤深耕，化肥深施等)可以大大提高土壤资源的利用效率，从而提高传统农业产量的10%左右。因此，大力发展农业机械化作业提高土壤资源利用率是实现湖南粮食增产的有效途径之一。
3结论与讨论
基于“生产力逐级修订”模型，以1km×1km栅格为基本单元定量计算了栅格尺度上湖南粮食生产潜力，并统计了各市(州)的各层次粮食生产潜力，通过对粮食生产的资源状况逐层分析，全面揭示了湖南粮食生产的光照、气候与土壤资源空间分布规律，揭示了湖南省粮食生产潜力的空间分布差异。研究结果表明:1)1km×1km栅格尺度的湖南省光合、光温、气候与土壤平均生产潜力依次为54938、52203、51996、22018kg/hm2。2)湖南省粮食生产潜力空间分布规律，整体上呈现东部高于西部，生产潜力值在湘东北最高，向湘西南逐渐降低。3)湖南省各市(州)的土壤生产潜力指数均在65%以上，即湖南粮食现实生产力距离土壤资源的潜力在2010年实际产量的基础上仍有2～3倍的增长空间。4)土壤资源为限制湖南省粮食生产的主要因素，湘东北地区土地开发和粮食增产空间较湘西南广阔。5)大力发展湖南农业机械化作业是提高土壤资源利用率进而实现粮食产量增长的有效途径之一。
作者：孙伟 诸云强 郭春霞 单位：中国科学院 地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室
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