粮食产量预测理论、方法与应用Ⅰ.科技进步增产理论、模型及其应用

粮食增产趋势及增产原因是国家制定宏观农业政策和措施的依据。科技进步增产理论是指:气候是波动的,科技是持续进步的,它是粮食多年持续增产的主要驱动力;科技进步增产预测模型是多年平均单产移动的回归方程。全国和东北三省粮食增产潜力案例分析结果表明:科技进步单产加速时间最早的是辽宁省,最晚的是黑龙江省;与全国相比,吉林省和辽宁省科技进步贡献率高于全国平均水平,黑龙江省低于全国平均水平,吉林省最高。本文初步得出以下结论:科技进步增产理论科学、模型实用、预测结果准确。     

河北平原中低产区小麦与玉米生产现状及增产潜力分析

本文基于2000—2013年MODIS/NDVI遥感信息与主要粮食作物的统计数据,分析了河北平原中低产区冬小麦和玉米生产的时空格局,并利用各县粮食作物主要生育期累积NDVI的逐年值、14年的最大值及单产统计数据,采用最小二乘法原理,进行数值曲线拟合,构建了单产遥感估测模型,估算了河北平原中低产区冬小麦和玉米的增产潜力。结果表明:1)冬小麦在邯郸和衡水的最大生产力水平较高,在沧州、廊坊及邢台中部的最大生产力水平较低,即后者挖掘增产潜力之后也很难达到前者的最大生产力水平;玉米的最大生产力水平普遍较高,挖掘增产潜力后均可达到较高的生产力水平。2)冬小麦和玉米总产增产潜力在沧州和邯郸较大;冬小麦单产增产潜力多低于10%,平均增产356 kg?hm?2(5.87%);玉米单产增产潜力多高于10%,平均增产798 kg?hm?2(12.33%);单产增产潜力区域分布不同,冬小麦为廊坊保定沧州邯郸邢台衡水,玉米为邢台邯郸保定沧州衡水廊坊。3)以河北平原近14年来作物累积NDVI的最大值估算的全区冬小麦增产潜力为3.90亿kg,玉米增产潜力为9.62亿kg,二者合计可增产13.52亿kg,约相当于区域冬小麦和玉米理论可达增产潜力的1/5。本文估测粮食作物增产潜力的方法可以应用于估测多尺度范围、不同作物的增产潜力,研究结果可为相关部门的决策和管理提供依据。     

退耕还林(草)背景下黄土高塬沟壑区长武县粮食潜力及安全分析

鉴于黄土高塬沟壑区退耕还林(草)工程和林果业迅速发展所带来的粮食-人口-资源矛盾问题,收集农业气象、耕地等数据,基于GIS技术,采用机制法分析了退耕还林(草)工程实施前后的1993年和2009年黄土高塬沟壑区长武县粮食潜力和安全问题,明确了气候要素限制下长武县各层次粮食生产潜力及开发程度。长武县1993年到2009年可实现粮食潜力总量下降了7.8%,而实际粮食生产总量增产了4.0%,潜力实现率由61.58%增至68.59%。17a间,主要粮食作物播种面积减少了27.8%,单产平均提高44.1%,而人口增长了12.5%,人均播种面积下降了35.9%,人均粮食产量由320.1kg减少至296.0kg,下降了7.5%。温度和土地有效系数的提高是促进可实现粮食潜力增加的主要因素,耕地减少是限制粮食增幅的直接原因,单产提高是促进增产的主要因素。耕地减少、人口增加是该区粮食安全的核心问题,粮食单产的提高是维持该区粮食安全稳定的保障。针对该区粮食安全问题的严峻性,提出必须以全面提高粮食单产为目标,科学增加辅助能量投入,推进基本农田建设,大力推广耕地保育技术和持续高效现代农业。     

粮食产量预测理论、方法与应用Ⅳ.粮食估产理论、模型及其应用

粮食估产的"通道-概率"理论:把属于最近通道的历年来的产量划分为5个气候年型通道,即丰产年、偏丰年、平产年、偏欠年、欠产年;计算产量出现在5个气候年型中的频率作为概率使用,估产年的初始估产值等于预测年各通道内平均产量与概率之积的和;估产值等于初始估产值与气候年型修正参数之积,专家根据当年气候条件和作物长势实时确定修正参数。预报单元为全国、省和县。应用结果表明:国家尺度上不需要修正,省和县级尺度需要气候年型参数修正;预测误差在3%以内;所述估产理论严谨、方法简单,参数少,参数来自原始数据本身和专家经验,易于推广使用。     

基于四维变分和集合卡尔曼滤波同化方法的冬小麦单产估测

为了通过数据同化方法提高冬小麦的估产精度,以陕西省关中平原为研究区域,采用标定的CERES-Wheat模型模拟8个典型样点冬小麦整个生育期的叶面积指数(LAI),通过四维变分(4DVAR)和集合卡尔曼滤波(En KF)2种同化算法同化CERES-Wheat模型模拟的LAI和遥感数据反演的LAI,获得单点尺度的LAI同化数据,将单点尺度的LAI同化值扩展到区域尺度,对两种同化方法的单点尺度和区域尺度的同化结果进行对比与分析。结果表明,两种同化方法均能综合遥感反演LAI和模型模拟LAI的优势,使LAI同化值更符合冬小麦LAI的实际变化规律;在单点尺度和区域尺度上,En KF-LAI均更能反映关中平原冬小麦的实际生长状况。采用En KF-LAI构建关中平原冬小麦估产模型估测2008年和2014年的冬小麦单产,通过实测单产对估产模型进行验证,结果表明,2008年样点估测单产与实测单产的相对误差均小于15%,部分县估测单产与实测单产的相对误差均小于10%;与2014年模拟单产与实测单产间的相对误差相比,估测单产与实测单产间的相对误差降低0.57%~9.30%,RMSE降低217 kg/hm2,其中,8个样点的估产精度达到94%以上,表明组合估产模型的估产精度较高。     

2003-2011年中国粮食增产的贡献因素分析

理清2003年以来中国粮食产量增加的主要贡献因子及其贡献率,对于及时调整农业政策,保持和提升粮食生产能力有重要的意义。该文利用2003-2011年中国粮食及其各构成品种(根据国家统计局,粮食作物包括稻谷、小麦、玉米、薯类、豆类和其他谷物)的产量和播种面积数据,采用贡献因素分解的研究方法,研究了2003年以来中国粮食增产的作物和地区贡献,以及面积、单产和种植结构调整对于粮食增产的贡献率,并对各增产主力省区和主要粮食作物的增产贡献因素进行了分析,划定了增产主导类型。结果显示:研究期粮食增产全部来自3大粮食作物,其中玉米贡献了一半以上的增产量;杂粮、豆类和薯类总产均出现下降,其播种面积则分别下降了25.7%、17.4%和8.2%。地区贡献以黑龙江和河南最为突出,累积贡献率超过1/3;累积贡献率超过90%的13个省区,除新疆外其余都是粮食主产省区。作为传统农区的四川,其粮食增产贡献率仅为1.6%,与山西、陕西和甘肃等非主产区基本相当;全国粮食增产的面积贡献率最大,达到46.3%,其次是单产贡献率(44.2%),结构调整的贡献率将近10%,其中一半以上来自豆类向稻谷和玉米的调整;稻谷、玉米和春小麦的增产为面积主导型,而冬小麦的增产为单产和面积共同作用型;除河南和安徽为单产主导型,吉林和河北为面积单产共同作用型,其他增产主力省区的增产类型均为面积主导型。综合来看,2003-2011年中国粮食增产是以面积增加主导的外延式增产方式。由于粮食消费结构和国际粮食贸易容量的限制,今后结构调整的潜力已经很小。因此,在稳定粮食播种面积的基础上,进一步提高粮食作物的单产水平是今后稳定和提高粮食生产能力的重要举措。研究结果可为今后农业政策的调整提供决策依据。     

江苏省实现粮食生产连续7年增产

近年来,江苏省不断加大投入,强化科技支撑,扎实开展高标准农田建设,积极推进适度规模经营,粮食综合生产能力稳步提高。2010年全年粮食总产达到323.5亿kg（647亿斤）实现连续7年增产,7年累计增产粮食76.5亿kg（153亿斤）。粮食单产首次连续5年保持在400kg以上,创历史最好水平。江苏在发展粮食生产上突出了＂四个坚持＂。     

农业部总经济师解读：粮食生产“七连增”的背后

在自然灾害多发重发、农产品市场复杂多变的挑战下,我国粮食实现两个＂七连增＂、两个＂创新高＂——即总产、面积均＂七连增＂,总产、单产均＂创新高＂。大灾之年粮食缘何再获丰收,粮食生产连续7年增产的趋势能否继续保持,     

山东省环渤海平原区粮食产出潜力与技术途径分析

为了给国家新增粮食生产能力规划布局提供依据,基于山东环渤海平原区目前耕地资源、种植制度及其生产力现状,估算了该区域内30个县(市、区)的粮食产出潜力。结果表明:通过扩大粮食种植面积和提高粮食单产具有新增粮食4.034 1×109 kg的潜力,具体技术途径为:①调整种植制度,通过将一年1熟种植棉花调整为小麦/玉米一年2熟种植粮食作物,可增加粮食产出2.364 7×109 kg;②开发利用耕地资源,通过改造治理盐碱荒地种植粮食作物可增加粮食产出7.755 5×108 kg;③实施均衡增产措施,通过提高现有粮田单产水平可增加粮食产出8.938 5×108 kg。无论是扩大种植面积,还是提高单产,增粮增产潜力较大的县(市、区)主要分布在黄河三角洲地区。粮食生产潜力开发的核心技术措施是进行洗盐排盐抑制耕层土壤返盐,改土培肥提高中低田地力,筛选配置耐盐作物品种、优化耕作制度,实施适度规模集中连片标准化技术。     

陕西省米脂县耕地动态变化与粮食安全研究

根据米脂县1990-2007年粮食生产的相关数据,对该县耕地、人口和粮食生产动态变化以及粮食总产与其影响因素进行了灰色关联度分析.结果表明,退耕还林还草工程是耕地总面积迅速减少的主要原因;提高粮食单产保障粮食总产是实现粮食安全的最关键因子;持续增长的人口造成耕地的承载压力越来越大,并对该区实现粮食安全提出了更大的挑战.最后,根据分析结果提出了增加科技投入,提高单产,保护耕地,挖掘耕地潜力等措施以保障该区域的粮食安全,为政府部门制定相关粮食安全政策提供科学的理论依据.     

粮食产量预测理论、方法与应用Ⅲ.粮食生产潜力中、长期预测理论、模型及其应用

粮食生产潜力中、长期预测的目的是为国家中、长期粮食生产规划提供科学依据。粮食生产潜力中、长期预测的"双向预测理论":从若干个预测模型中选择出2个模型,一个模型预测的未来产量是持续增加的,体现产量持续增加的科技进步力量;另一个模型预测的未来产量是先增加后减少或持续减少的,体现影响产量持续增加的负面综合因素力量。应用结果表明:模型可预测未来1~10年的粮食生产潜力,平均预测误差在5%以内。大量案例证明粮食生产潜力中、长期预测的"双向预测理论"是科学的、方法是通用的、结果是实用的。     

粮食产量预测理论、方法与应用Ⅱ.粮食生产潜力短期预测理论、模型及其应用

粮食生产潜力短期预测结果可以检验粮食中长期生产潜力预测的准确性和为国家提供制定粮食生产战略的科学依据。粮食生产潜力短期预测理论即"趋势-波动理论",它建立在粮食或作物"现状生产潜力"概念和"天-人-地概念模型"基础上,预测模型为最佳移动步长条件下的多年单产移动平均趋势模型,实际预测时采用系统预测方法。11个研究案例预测的平均误差为0.77%,最大误差为2.99%,预测精度高。本研究初步结论是:粮食生产潜力短期预测理论和模型是科学和实用的。     

连续施氮对玉米产量稳定性及其增产潜力的调控

通过7年的定位试验(2007~2013年),研究不同施氮水平对辽北地区玉米产量稳定性、可持续性及其增产潜力的影响。试验氮肥用量从低到高共设N0(不施氮)、N_1(138 kg hm~(-2))、N_2(241.5 kg hm~(-2))、N_3(345 kg hm~(-2))4个水平。结果表明,施氮可以显著增加玉米产量,在一定范围内产量和产量稳定性随施氮量的增加而增加,其中N2处理的产量(平均产量9598.1kg hm~(-2))和增产率(70.7%)最高,年际间变异系数最小,相应的稳定性最高;N_3处理虽然施氮量比N_2处理增加43%,然而产量和产量的稳定性并没有显著提高。根据7年的平均产量研究结果得出肥料-产量效应函数,曲线符合报酬递减率,可知玉米增产潜力为1279.3 kg hm~(-2),由此说明辽北地区的玉米单产还有很大的增产空间。     

基于县域的地膜覆盖粮食增产潜力分析

根据中国各地区1999～2001年地膜使用量和作物产量,以小麦、玉米、水稻3种主要粮食作物为研究对象,在调查单位播种面积地膜使用量的基础上,求得全国各县的地膜覆盖率;在此基础上,通过文献资料收集整理3种作物的地膜增产率,求出地膜覆盖单位播种面积的粮食增产潜力。研究表明：中国的地膜覆盖率大多在1%～10%的范围内,粮食单位播种面积增产潜力大多在1000～1500 kg/hm²范围内,但是各地区的差异较大,而地膜覆盖率相对较低和增产潜力相对较大的县主要集中在中国的东部和中部地区。因此,今后一段时间中国地膜应重点考虑投入东部和中部地区。最后,在此基础上,设定两种合理的情景假设,预测了中国总的粮食增产潜力。     

新疆化肥利用的空间特征及增产潜力分析

根据1989～2005年新疆各地州农用化肥施用量、农作物播种面积和粮食单产数据,采用聚类分析法对研究区进行区域划分,并运用回归分析计算出各区域化肥的顷均施用量和增产效率.结果表明:根据施用化肥情况可将新疆分为3大区域,即低施肥量地区,平均施肥量115.88 kg·hm-2,增长量5.78 kg·hm-2·a-1:中施肥量地区,平均施肥量175.93 kg·hm-2,增长量10.41 kg·hm-2·a-1;高施肥量地区,平均施肥量219.59kg·hm-2,增长量11.22 kg·hm-2·a-1.这3个地区的单位面积施肥量均低于全国平均水平.同时,中施肥量地区的化肥增产效率[kg(粮食)·kg-1(化肥)]居新疆最高,为21.45;低施肥量地区的化肥增产率为13.88;高施肥量地区的化肥增产效率为10.80,为新疆最低;但3个地区的化肥增产效率均高于全国平均水平.新疆应重点加强中,低施肥量地区的施肥强度,以发挥其最大的增产潜力.     

气候变化和品种更替对东北地区春玉米产量潜力的影响

东北地区是中国重要的粮食生产基地。近50 a中国东北地区正经历着一次显著的增温过程,年平均气温每10a增加0.38℃。明确气候变化对东北春玉米产量的影响以及新品种对产量的贡献对实际生产有重要的指导意义。该文利用通过参数调试与验证后的APSIM-Maize模型,对吉林梨树县春玉米的产量潜力进行模拟分析,解析了不同年代育成的玉米品种的产量潜力,明确了气候变化对春玉米产量潜力的影响以及品种对增产的贡献。结果表明,假设1961－2010年种植的玉米品种不改变,种植20世纪60年代的农家种50 a平均产量潜力为7 879 kg/hm2,种植70年代育成品种50 a平均产量潜力为11 482 kg/hm2,种植80年代育成品种50 a平均产量潜力为12 148 kg/hm2,种植90年代育成品种50 a平均产量潜力为13 400 kg/hm2,种植2000年以后育成的玉米品种50 a平均产量潜力为14 139 kg/hm2,随玉米品种育成年代的后移而增大;1961－2010年随着新品种的育成而不断更替品种时,产量潜力50 a平均值为11 537 kg/hm2。在栽培管理措施不改变的条件下,1961－2010年种植同一品种,产量潜力呈下降的趋势,气候变化对玉米产量潜力的影响表现出负效应,减产率在22%～26%,生育阶段内日照时数的下降是产量潜力下降的主要气候因素;当品种不断更替时,玉米的产量潜力呈上升的趋势,新品种的增产贡献率为46.1%～79.0%,品种的改良对气候变化的负效应有一定的补偿作用;新玉米品种从开花到成熟生育阶段天数延长,成熟期生物量和收获指数增大有利于产量的提高。     

科技进步增产的“多年平均产量移动模型”的验证

应用全国、31个省、6个典型地区和16个典型县的数据对科技进步增产的"多年平均产量移动模型"进行了系统性的验证和讨论。研究结果如下:(1)定义了用相邻10年平均单产之差表示科技进步对单产的贡献及其趋势,结论是科技进步是单产增加的主要驱动力;(2)分别定义了用每年单产与5、10、20年平均单产对比关系的概率作为短、中、长期单产稳定性的指标;稳定性研究结果表明国家级大于省级、省级大于地区级、地区级大于县级,不同省、不同地区、不同县之间稳定性差别比较大,这与境内气候的互补性和农田抗御自然灾害的能力有关;(3)就全国而言,越是经济发达的地区科技进步增产加速的时间越早;发达地区单产存在增加-下降-回升阶段,下降原因是经济快速发展初期高产农田被大量占用和(或)蔬菜、水果面积大量增加,回升原因是科技进步持续作用于中、低产田而使其单产得到稳步提高。     

玉米高产创建综合配套栽培技术

柘城县地处豫东平原,近几年来多次被评为＂全国粮食生产先进县＂,随着玉米高产创建活动的开展,玉米单产、总产不断提高,并为提高区域面积产量起到很好的示范作用。全县每年设立玉米万亩高产创建示范方4个,示范方平均产量625.6kg/667m2,较方外平均475kg/667m2增产30%以上,现将柘城县玉米高产创建综合配套栽培技术总结如下。     

1985-2015年黄土高原地区粮食生产空间格局变化及原因

针对黄土高原地区扩大退耕还林还草是否会引起区域粮食供给不足的问题,利用1985—2015年黄土高原地区县级单元人口、粮食产量、播种面积、单产等数据,采用分级法和空间自相关分析法研究黄土高原地区粮食生产时空分异特征,运用对数平均迪式分解法探讨不同时期粮食单产与播种面积对粮食增产的贡献率。结果表明:2015年黄土高原地区粮食总产量和人均粮食产量分别达4.45×10⁷ t和396.53 kg,分别为1985年的1.97,1.39倍;粮食生产空间分布不平衡,284个县级单元之间粮食产量相差较大,1985—2015年粮食生产空间格局呈现逐渐由南向北、由东向西的转移趋势;粮食生产主要依靠单产支撑,1985—2015年粮食增产2.19×10⁷ t,其中单产贡献率达94.25%,面积贡献率仅5.75%,但近几年单产贡献率下降应引起重视。该研究有助于提高对黄土高原地区粮食生产的认识,为区域制定粮食生产政策和生态退耕政策提供一些参考依据。     

三大粮食作物产量潜力与产量差研究进展

产量潜力和产量差的研究对揭示未来粮食增产潜力,有针对性地制定提高作物产量的措施具有重要意义。通过总结近年发表的64篇经典文献,本文总结了世界三大粮食作物小麦、水稻和玉米的产量潜力和产量差的研究进展,并对定量产量潜力和产量差的4种常用方法进行了比较分析。研究表明:1)当前全世界小麦、水稻、玉米的平均产量潜力分别为6.7 t-hm-2、8.1 t-hm-2、11.2 t-hm-2,农户产量分别实现了产量潜力的60%、60%、53%。2)模型模拟是目前定量评估产量潜力最为有效的方法之一,综合使用模型模拟和高产纪录两种方法进行比较分析产量潜力结果会更加可靠;试验产量和高产农户产量一般会低于模型模拟产量潜力,对探索农户短期内增产潜力具有重要意义。3)优化栽培管理措施比如应用土壤-作物综合管理系统等方法是缩小产量差的有效途径。因此,当前三大粮食作物具有较大增产潜力,如何有效缩小产量差、提高作物产量、保证粮食安全是未来需要关注的重点。