鎮(zhèn)原縣玉米種植限制性生態(tài)因子探析

閆耀廷，李金章，張彥山，趙強

(1.慶陽市農(nóng)業(yè)技術推廣中心，甘肅慶陽745000;2.甘肅省慶陽市農(nóng)業(yè)科學研究院，甘肅慶陽745000; 3.鎮(zhèn)原縣農(nóng)業(yè)技術推廣中心744500)

鎮(zhèn)原縣玉米種植限制性生態(tài)因子探析

閆耀廷1，李金章1，張彥山2，趙強3

(1.慶陽市農(nóng)業(yè)技術推廣中心，甘肅慶陽745000;2.甘肅省慶陽市農(nóng)業(yè)科學研究院，甘肅慶陽745000; 3.鎮(zhèn)原縣農(nóng)業(yè)技術推廣中心744500)

以甘肅省鎮(zhèn)原縣為研究區(qū)，結合我國玉米種植適宜區(qū)的必要生態(tài)條件提取鎮(zhèn)原縣春玉米種植相關生態(tài)因子，應用主成分分析和模糊綜合評價法，對鎮(zhèn)原縣春玉米種植區(qū)的生態(tài)適宜度進行了綜合評價。結果表明:鎮(zhèn)原縣玉米種植適宜度綜合評價指數(shù)為0.68，屬于春玉米適宜種植區(qū);各生態(tài)因子隸屬度分析表明，土壤有效鉀和土壤有機質(zhì)隸屬度最小，分別為0.39和0.52;＞10℃積溫因子隸屬度接近1.0，達到優(yōu)適值。鎮(zhèn)原縣春玉米種植區(qū)具有明顯的熱量優(yōu)勢;有效鉀和有機質(zhì)是鎮(zhèn)原縣玉米種植的限制性生態(tài)因子，兩因子的改善將有助于鎮(zhèn)原縣春玉米產(chǎn)量的提高和經(jīng)濟效益的提升。圖1，表3，參19。

隸屬度;限制性生態(tài)因子;主成分分析

0 引言

玉米目前作為我國第二大糧食作物，對我國糧食安全有重要作用。甘肅省鎮(zhèn)原縣地處隴東黃土高原，玉米是鎮(zhèn)原縣主要糧食作物。據(jù)統(tǒng)計，2012年全縣種植玉米4萬hm2，占全縣耕地面積37.6%［1］。隨著全膜雙壟溝播技術不斷推廣，塬區(qū)玉米產(chǎn)量可達11 250 kg·hm-2以上［2］，種植玉米已成為農(nóng)民增收的重要途徑。近年來隨著玉米種植面積不斷增加，種植區(qū)生態(tài)條件也在不斷變化。由于不同生態(tài)區(qū)玉米適宜度不同，生態(tài)因子對玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展也有不同的限制作用［3-4］。同時，由于環(huán)境中各種生態(tài)因子處在動態(tài)變化過程中，各生態(tài)因子對玉米生長與發(fā)育的影響也處在不斷變化中。關于玉米種植相關生態(tài)因子的研究對于合理利用農(nóng)業(yè)資源發(fā)展、玉米生產(chǎn)及保障糧食安全具有重要作用。目前，對玉米生態(tài)適應性研究多集中在氣侯、地形地貌及土壤立地條件等單個因素分析評價，未能對影響玉米生長發(fā)育的生態(tài)限制因子［5-7］進行相關性研究。研究以甘肅省鎮(zhèn)原縣春玉米種植區(qū)為研究對象，結合我國玉米生產(chǎn)適宜區(qū)必要生態(tài)條件，提取與鎮(zhèn)原縣春玉米生產(chǎn)相關的氣候、土壤及地形等生態(tài)因子，采用主成分分析和模糊綜合評價法對鎮(zhèn)原縣春玉米生長的生態(tài)適宜度進行綜合量化評價。以期發(fā)現(xiàn)鎮(zhèn)原縣春玉米生長發(fā)育限制性生態(tài)因子，探索鎮(zhèn)原縣春玉米研究新方向，指導制定合理栽培技術，促進玉米生產(chǎn)的健康發(fā)展。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鎮(zhèn)原縣地處隴東西南部，屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫10.3℃，無霜期140 d～170 d，年均降水量455 mm～541 mm，且多集中7月-9月這三個月，年總日照時數(shù)2 249.7 h～2 437.2 h，農(nóng)作物生長期日照1 800 h～2 000 h。鎮(zhèn)原縣海拔1 011 m～1 767 m，境內(nèi)山川塬兼有，地形復雜，生態(tài)環(huán)境豐富多樣，中南部以屯字塬、平泉塬和臨涇塬為主，北部以孟壩塬和山區(qū)為主，茹河、洪河、蒲河和交口河橫貫全境，屬典型的黃土高塬溝壑區(qū)。土壤類型以黃綿土為主，占全縣土壤總面積的76.1%;黑壚土次之，占土壤總面積的20.7%，主要分布在平泉、屯字、孟壩和臨涇等較平坦的原面及河川、溝谷高階地，零星殘存在丘陵溝壑的闊掌地段;淤積土、潮土、紅土零星分布［8］。

1.2 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)資料來源包括2007年-2013年鎮(zhèn)原縣統(tǒng)計年鑒，鎮(zhèn)原縣經(jīng)濟與社會統(tǒng)計年鑒，鎮(zhèn)原縣土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫(1∶5萬，2010年)，鎮(zhèn)原縣土壤普查，耕地地力調(diào)查樣點資料(包括調(diào)查樣點經(jīng)、緯度及其土壤環(huán)境和相關理化性狀調(diào)查分析資料)，鎮(zhèn)原縣土壤類型分布圖(1∶5萬)，鎮(zhèn)原縣氣象局近20年氣象要素觀測資料，鎮(zhèn)原縣數(shù)字高程模型(DEM，1∶5萬)等。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 16.0軟件的主成分分析(PCA)功能確定各評價指標的權重系數(shù)，計算生態(tài)適宜度;利用Sigmaplot 12.5軟件制作雷達圖。

2 結果

2.1 玉米生態(tài)適宜性評價指標的選取

影響玉米生長的因子很多，科學選取指標是進行生態(tài)特征評價的重要方面。首先確定選取對玉米生長、產(chǎn)量形成具有指導性的指標，遵循重要性原則、差異性原則、穩(wěn)定性原則、易獲取原則、必要性原則及精簡性原則，采用定量和定性方法結合，進行參評因素的選?。?］。此次評價充分利用現(xiàn)有研究成果，按照玉米生長對自然及社會經(jīng)濟條件的一般要求，采用專家經(jīng)驗法確定鎮(zhèn)原縣玉米適宜性評價因子，包括氣候因子(≥10℃活動積溫、降雨量)、立地條件(坡度、海拔、地貌類型)和土壤養(yǎng)分狀況(有機質(zhì)、有效磷、速效)8項評價因子。玉米是喜溫喜水植物，整個生育期需要較高的熱量和水分，據(jù)報道，玉米最適宜區(qū)≥10℃年積溫為2 913.9℃～6 146.0℃，年降水量508.7 mm～812.7 mm［10］。根據(jù)鎮(zhèn)原玉米推薦施肥指標要求，土壤中有機質(zhì)≥20 g·kg-1，有效磷≥33.43 mg·kg-1，速效鉀≥260.04 mg·kg-1時，產(chǎn)量可達12 000 kg·hm-2以上［11］。綜上可確定鎮(zhèn)原縣玉米種植生態(tài)特征評價指標，見表1。

2.2 各評價因子權重的確定

文章基于多元統(tǒng)計分析，利用主成分分析法得到的各評價指標的公因子方差，通過計算各公因子方差占公因子方差總和的百分數(shù)確定權重系數(shù)［12］。各評價指標的權重系數(shù)分配較為一致，均對玉米的生產(chǎn)具有明顯的作用，見表2。

表1 鎮(zhèn)原縣玉米種植區(qū)生態(tài)特征Tab.1Ecological factors of maize-growing regions in Zhenyuan county

表2 生態(tài)特征評價指標的公因子方差及權重系數(shù)Tab.2Communality and weight coefficient of ecological factors

2.3 生態(tài)適宜度評價

2.3.1 生態(tài)適宜度單因子評價。影響環(huán)境的各種生態(tài)因子處在動態(tài)變化中，各生態(tài)因子對玉米生長與發(fā)育的影響也處在不斷變化中，因此，文章對各評價的指標研究采用模糊分析法。應用模糊數(shù)學函數(shù)方法建立生態(tài)環(huán)境中各評價指標與鎮(zhèn)原縣種植區(qū)指標間的隸屬度函數(shù)，通過隸屬度函數(shù)值反映各評價指標的優(yōu)劣，同時實現(xiàn)評價指標量綱統(tǒng)一化，使評價指標值更加客觀、具體。

土壤因子采用升型分布函數(shù)表示，用以確定各指標的隸屬度值，即:

式中:F(Xi)—各評價指標的隸屬度值;Xij—各評價指標的因子值;S—各評價指標的最適范圍;nij—滿足條件的次數(shù);Nij—該指標樣本容量;Simax—最適范圍的上限值;Simin—最適范圍的下限值。

氣候因子采用模糊多元統(tǒng)計法確定各指標的隸屬度值，即:立地條件因子采用函數(shù)模型確定各指標的隸屬度值，見表3。

依據(jù)公式(1)、(2)、表3及生態(tài)適宜度綜合效益指數(shù)(Integrated ecological indices，IEI)計算鎮(zhèn)原現(xiàn)種植區(qū)各指標隸屬度值和生態(tài)適宜度。用Sigmaplot 12.5制成雷達圖直觀反映各指標狀態(tài)的整體水平，見圖1。

雷達圖的幾何意義:每個二維平面上的點距離圓心越近，表示其在這個指標上的屬性越差，相反離圓心越遠，表示其在這個指標上的屬性越好，由這些點連接成的多邊形面積大小反映評價指標體系對個體總體屬性評價的優(yōu)劣［13］。

鎮(zhèn)原縣五類種植區(qū)的速效鉀、有機質(zhì)隸屬度最小分別為0.39和0.52，這兩項指標遠低于優(yōu)適值，見圖1。這表明有機質(zhì)和速效鉀是影響鎮(zhèn)原縣玉米種植的首要限制性生態(tài)因子。有效磷(0.62)，屬中等水平;坡度(0.79)、地貌類型(0.76)、海拔(0.79)和年降雨量(0.87)屬中等偏上水平;在≥10℃積溫指標上表現(xiàn)出色，達到優(yōu)適值。2.3.2生態(tài)適宜度綜合評價。生態(tài)適宜度綜合評價能夠有效反映各生態(tài)因子的影響程度，文章應用模糊綜合評價法對鎮(zhèn)原縣玉米種植區(qū)的生態(tài)適宜度進行綜合評價。模糊綜合評價法是應用模糊數(shù)學的理論進行綜合評標的方法。該評價法基于模糊數(shù)學中的隸屬度理論把定性問題轉化為定量問題，即用模糊數(shù)學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價。它具有結果清晰、系統(tǒng)性強的特點，能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。

文章采用模糊綜合評價法中的加權平均復合運算法來計算玉米生態(tài)適宜度，其數(shù)學表達式為:

圖1 各指標隸屬度函數(shù)值的雷達圖Fig.1Membership degree radar plot of ecology

式中:F(Xi)—對象在第Xi個評價指標上的隸屬度值;W(Xi)—第Xi個指標的權重值;n—評價指標的個數(shù)，文中n=7。由計算得到，鎮(zhèn)原縣玉米種植區(qū)的生態(tài)適宜度綜合指數(shù)為0.68。

3 討論

評價結果的準確性和實用性取決于原始數(shù)據(jù)信息的完備性以及所采用評價方法的科學性和合理性。主成分分析法按照方差貢獻率來簡化生態(tài)適宜度信息集以及確定評價指標的權重，可將定性問題定量化解決。這種方法可將人們的感性思維數(shù)字化，使決策過程更客觀、具體，更有助于完成定量化評價［14］。

研究以甘肅省鎮(zhèn)原縣為例，采集大量的氣象、土壤肥力等數(shù)據(jù)，篩選不同生態(tài)因子，利用主成分分析法和模糊綜合評價法對鎮(zhèn)原玉米生產(chǎn)的生態(tài)因子進行評價，分析了限制鎮(zhèn)原縣玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要生態(tài)因子，實現(xiàn)了利用大宗數(shù)據(jù)分析生產(chǎn)實際的問題。

鎮(zhèn)原縣位于半濕潤偏旱區(qū)，60%降水主要集中在7月-9月。玉米是鎮(zhèn)原縣主要糧食作物之一，鎮(zhèn)原縣主要播種春玉米，玉米需水量最大的時期集中在6月-8月，鎮(zhèn)原縣水熱條件與玉米生長發(fā)育過程高度吻合，有利于發(fā)展玉米種植業(yè)，研究分析表明鎮(zhèn)原縣春玉米生態(tài)適宜度綜合效益指數(shù)為0.68，屬于偏上水平，分析結果與當?shù)剞r(nóng)業(yè)自然條件吻合。

鎮(zhèn)原縣玉米產(chǎn)量始終低而不穩(wěn)，限制了玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。許多研究發(fā)現(xiàn)［15-17］，春旱對玉米幼苗形態(tài)、生育性狀、光合特性和產(chǎn)量有顯著影響，很大程度上限制了玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著全膜雙壟溝栽培技術的推廣應用，春玉米生長前期需水得到明顯改善，可使春玉米順利進入拔節(jié)期，拔節(jié)期后當?shù)亟涤暝龆?，水熱資源協(xié)調(diào)，利于春玉米產(chǎn)量形成。因此，春玉米全膜雙壟溝栽培技術使干旱這個對春玉米生產(chǎn)有主要限制性的生態(tài)因子得到基本改善［18-19］。研究以采用全膜雙壟溝栽培技術的春玉米為對象，通過PCA法和模糊綜合評價法分析了與玉米生長發(fā)育有關的各生態(tài)因子，結果表明，在該技術條件下限制玉米發(fā)展的主要因子為土壤速效鉀和土壤有機質(zhì)，這與近年來生產(chǎn)中不注重施鉀肥和有機肥有直接關聯(lián)。為保證當?shù)胤N植玉米的高產(chǎn)、高效，生產(chǎn)中應注重鉀肥和有機肥的施入。

4 結論

通過對鎮(zhèn)原縣玉米種植區(qū)生態(tài)適宜度進行分析，得出鎮(zhèn)原縣玉米生態(tài)適宜度綜合效益指數(shù)達到0.68，屬于中等水平。在影響玉米生長的生態(tài)適宜度指標中，土壤速效鉀和有機質(zhì)含量是制約該區(qū)域玉米生產(chǎn)的最主要限制因子。因此，首先優(yōu)先從改善土壤營養(yǎng)入手，提高土壤有機質(zhì)、速效鉀的含量，促進鎮(zhèn)原玉米產(chǎn)量的穩(wěn)步提高。

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Preliminary Study on Restrained Ecological Factors for Spring Maize Production in Zhenyuan County，Gansu Province

YAN Yao-ting1，LI Jin-zhang1，ZHANG Yan-shan2，ZHAO Qiang3
(1.Qingyang Center of Agriculture Technology Extension，Qing Yang 745000，China; 2.Qingyang Academy of Agricultural Sciences，Qing Yang 745000，China; 3.Zhenyuan Center of Agriculture Technology Extension，Zhenyuan 744500，China)

Taking Zhenyuan county of Gansu province as a study area and considering China＇s ecological conditions for optimal maize planting，local ecological factors were selected，by using Principal Component Analysis(PCA)and fuzzy methods，to have an overall evaluation for ecological adaptation of spring maize planting in this area.The results showed that the overall evaluation index was 0.68，meaning that the area was suitable for spring maize planting.An analysis for ecological factors showed that，the membership degrees of soil available potassium and soil organic matter content were 0.39 and 0.52，respectively;the membership degree of＞10℃accumulated temperature was close 1.0，with an optimal value for spring maize planting.Therefore，the analysis indicated that Zhenyuan county of Gansu province was an optimal area for spring maize planting in terms of temperature;and the restrained ecological factors for spring maize planting in this area were soil available potassium and soil organic matter content;thus the improvement of soil potassium and organic matter content would increase maize yield and economic benefit locally.

membership degree;restrained ecological factors;principal component analysis

S661.1

A

10.11689/j.issn.2095-2961.2015.04.004

2095-2961(2015)04-0163-05

2015-4-22;

2015-05-15.

國家測土配方施肥項目.

閆耀廷(1981-)，男，甘肅鎮(zhèn)原人，碩士，農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)技推廣工作.

李金章(1971-)，男，甘肅鎮(zhèn)原人，高級農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)技推廣工作.