一种判别地区间主要粮食作物适水种植的方法与流程

本发明涉及一种判别地区间主要粮食作物适水种植的方法，是一种粮食作物生产水资源合理利用的方法，是一种为合理控制和配置区域粮食作物灌溉水使用的方法。

背景技术：

随着人口增长和人民生活水平的不断提升，粮食需求量将进一步增大，农业发展面临着用有限水资源生产更多粮食的挑战。通过适水种植、降低粮食作物生产需用水量，特别是蓝水需求量，提高单方水的粮食生产能力是缓解区域水资源压力和保障粮食安全的根本措施。

近年来，虚拟水、水足迹等水资源利用和管理理论方法，为农业水资源管理提供了新的思路。一种区域粮食生产水足迹的测算方法（吴普特，2013年）计算了粮食生产中的蓝水足迹和绿水足迹，一种计算地区间虚拟水流动量的方法（马静，2014年）分析了农业水资源的跨区域流动。目前尚缺少粮食生产对绿水、蓝水、生产投入和产出空间格局相对定量化判别方法，缺少让农业生产、水资源管理和决策者直观判别粮食作物空间种植布局与优化的快捷方法。

技术实现要素：

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种判别地区间主要粮食作物适水种植的方法。所述的方法利用需水量、灌溉量占需水量的比例、生产成本、土地成本、单产综合判断粮食作物种植的空间特征及其适应性，为优化粮食作物空间布局、控制和减少粮食生产灌溉用水量提供帮助。

本发明的目的是这样实现的：一种判别地区间主要粮食作物适水种植的方法，所述方法的步骤如下：

划分区域的步骤：按照地形、气候、社会经济发展情况的特点将大范围区域归类划分成若干研究区域；收集各研究区域主要粮食作物生育期、与生育期相关的气象数据、降雨资料；

作物划分的步骤：粮食作物划分为i类粮食作物，i为自然数，代表水稻、小麦、玉米、高粱、红薯、白薯、紫薯中的一种；

逐旬计算粮食作物需水量的步骤：

通过公式计算研究区域逐旬的i类粮食作物蒸散量et0：

其中：δ为饱和水汽压-温度曲线斜率；rn为输入作物冠层的净辐射；g为增热土壤消耗的能量；γ为湿度计常数；t为平均气温；u2为2m高风速；ea为饱和水汽压；ed为实际观测水汽压；

通过公式计算研究区域逐旬的小类粮食作物需水量eti：

eti=et0×kci

其中：kci为i种粮食作物系数；

按旬计算粮食作物生长期内有效降雨量的步骤：以区域内各气象站点的旬降水量为基础，用泰森多边形法计算面雨量，结合旬的作物需水量，计算区域不同粮食作物生育期内的有效降水量：

pei=f（p）=min（p，pei）

式中，p为研究区域逐旬降水量值；pei为各分区i种粮食作物的有效降水量；

灌溉需水量计算的步骤：粮食作物生长首先汲取生长期内的有效雨量，不足部分再由灌溉水量补充：

式中，iri为各分区第i种粮食作物的灌溉需水量；

灌溉水占比计算的步骤：灌溉水在需水量中所占比例的计算：

；

农作物生产要素特征向量分析的步骤：以用水量少、投入小、产出大为准则，利用层次分析法对多目标、多准则、无结构性的复杂粮食作物生产系统进行综合诊断，按照粮食作物各生产要素之间的类别和层级，进行有机组合和层次划分，建立递进层次结构，采用两级指标判断矩阵群求得综合目标最大，层次分析矩阵：

第一级：包括生产需水量、生产投入、生产产出三类指标，对于节约利用水资源、增产增收来讲，一方面期望生产需水量小、产出大，两者相比前者比后者略重要；一方面期望生产投入小、产出大，两者相比重要性相当，判断矩阵a为：

；

第二级：包括生产需水量、投入、产出三个指标矩阵，采用矩阵群进行分析，需水量矩阵包括粮食生产需水量et和灌溉水占比两个指标，期望粮食作物生育期et值小，灌溉水占et的比例低，随着农业生产用水量的短缺，两个指标的重要程度相当，其判断矩阵为：；

投入矩阵包括生产成本、土地成本两个指标，期望生产成本小，土地成本小，指标重要性排序为生产成本稍高于土地成本，其判断矩阵：

；

对矩阵b1、b2进行最大特征根计算，确定其相应的特征向量；

归一化的步骤：以需水量少、投入小、产出大为准则选取要素标准值，其中et、灌溉水占比、生产成本、土地成本以最小值为标准值，用标准值除以各地实际值作为归一化后的标准化值，主产品产量以最高为标准值，用各地实际值除以标准值作为归一化后的标准化值；

适水种植评判的步骤：利用如下公式计算多个粮食作物适水种植综合评分v值：

式中，为作物i适水种植综合评分；为作物i需水量的标准值；为作物i需水量的实际值；为作物i灌溉水占比的标准值；为作物i灌溉水占比的实际值；为作物i每亩生产成本的标准值；为作物i每亩生产成本的实际值；为作物i每亩土地成本的标准值；为作物i每亩土地成本的实际值；为作物i每亩粮食产量的标准值；为作物i每亩粮食产量的实际值；

将多个v值进行排序，分别绘制各v值的递减曲线，根据v值曲线斜率变化区间，结合研究区域粮食作物的实际情况，分析确定研究区域的适水种植组合判别区间。

本发明产生的有益效果是：本发明基于虚拟水、水足迹理论，运用层次分析方法建立主要粮食作物适水种植的判别公式，并应用该公式提出了判别地区间主要粮食作物适水种植的方法。所述方法客观、全面的反映粮食生产与水资源使用，即有效雨量和灌溉水量，空间特征，为农业水资源的合理化应用，以及主要粮食作物适水种植布局提供科学依据。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例所述方法的流程图；

图2是本发明的应用实例中的小麦的适水种植综合值的递减曲线示意图。

具体实施方式

实施例：

本实施例是一种判别地区间主要粮食作物适水种植的方法，过程如图1所示。本实施例根据气象数据计算或结合水资源综合规划灌溉需水量查询系统获取作物需水、蓝水占比，结合中国的《全国农产品成本收益资料汇编》生产成本、土地成本、主产品产量数据，建立主要粮食作物适水种植的判别公式，分析主要粮食作物在空间上的适水种植特征，为实现充分利用绿水、节约使用蓝水、合理优化粮食生产空间布局以及农业水安全分析提供技术支撑。

本实施例以用水量少、投入小，产出大为目标设置适水种植判别指标，用水量少目标下采用粮食作物蒸腾蒸发量et(mm)和蓝水占et比例两项指标，投入小目标下采用生产成本、土地成本两项指标，产出大下采用主产品产量一项指标，但不仅限于这几项目标，研究者可根据实际情况和需要灵活增加需考虑的要素，对矩阵进行合理调整。

所述的方法具体过程和步骤如下，本实施例以中国的全国区域划分和农业作物为例：

1、作物需水量计算

（1）首先按照地形、气候、社会经济发展情况等特点将全国划分成若干区域。收集各区域主要粮食作物生育期、与生育期相关的气象数据、降雨资料等。主要粮食作物可分为水稻、小麦、玉米、其他谷物、薯类等，根据需要可进一步将水稻细分为早稻、中稻和晚稻，小麦细分为冬小麦、春小麦，玉米细分为春玉米、夏玉米。

（2）分作物按旬计算生育期内的总需水量。由彭曼公式（penman-menteith）按旬计算各区的粮食作物蒸散量et0，结合作物系数得到不同粮食作物生育期内的按旬需水量。

（1）

（2）

式中，δ为饱和水汽压-温度曲线斜率；rn为输入作物冠层的净辐射；g为增热土壤消耗的能量；γ为湿度计常数；t为平均气温；u2为2m高风速；ea为饱和水汽压；ed为实际观测水汽压；kci为i种粮食作物系数；为i种粮食作物逐旬的需水量，单位。

（3）分作物按旬计算生育期内的有效降水量。以区域内各气象站点的旬降水量为基础，用泰森多边形法计算面雨量，结合旬的作物需水量，计算区域不同粮食作物生育期内的有效降水量。

(3)

式中，为分区逐旬降水量值，单位；为各分区i种粮食作物的有效降水量，单位。

（4）灌溉需水量计算。粮食作物生长首先汲取生长期内的有效雨量（绿水），不足部分再由灌溉水量（蓝水）补充。

(4)

式中，为各分区i种粮食作物的灌溉需水量，单位。

（5）不同粮食作物蓝水（灌溉水）占比计算

(5)

2、基于层次分析法的农作物生产要素特征向量分析：

（1）以用水量少、投入小、产出大为准则，利用层次分析法对多目标、多准则、无结构性的复杂粮食物生产系统进行综合诊断，按照粮食作物各生产要素之间的类别和层级，进行有机组合和层次划分，建立递进层次结构，采用两级指标判断矩阵群求得综合目标最大。层次分析标度含义列于表1。

表1层次分析标度含义

（2）两级指标判断矩阵群如下：

第一级：包括生产需水量、生产投入、生产产出三类指标。对于节约利用水资源、增产增收来讲，一方面期望生产需水量小、产出大，两者相比前者比后者略重要；一方面期望生产投入小、产出大，两者相比重要性相当，按照权重分析的标准（表一），判断矩阵a为：

第二级：包括生产需水量、投入、产出三个指标矩阵，采用矩阵群进行分析。需水量矩阵包括粮食生产需水量et（mm）和灌溉水占比两个指标，期望粮食作物生育期et值小，灌溉水占et的比例低，随着农业生产用水量的短缺，两个指标的重要程度相当，其判断矩阵如所示。投入矩阵包括生产成本（元/亩）、土地成本（元/亩）两个指标，期望生产成本小，土地成本小，指标重要性排序为生产成本稍高于土地成本，其判断矩阵如所示。产出矩阵只有主产品产量（kg/hm²）一个指标。

（3）对上述矩阵进行最大特征根计算，确定其相应的特征向量（表2）。

表2指标层次结构及权重分值

3、归一化与适水种植评判：

（1）以需水量少、投入小、产出大为准则选取要素标准值，其中et、灌溉水占比、生产成本、土地成本以最小值为标准值，用标准值除以各地实际值作为归一化后的标准化值，主产品产量以最高为标准值，用各地实际值除以标准值作为归一化后的标准化值。在缺少基础数据或对计算结果没有特别高要求情况下，各要素标准值可采用2015年中国农作物产区的相应值计算（表3）。

表32015年粮食作物生产要素指标标准值

基于层次分析法的作物适水种植判别公式：

(6)

式中，为作物i适水种植综合评分，无量纲；为作物i需水量的标准值（取最小值），单位mm，为作物i需水量的实际值，单位mm；为作物i灌溉水占比的标准值（取最小值），无量纲；为作物i灌溉水占比的实际值，无量纲；为作物i每亩生产成本的标准值（取最小值），单位元/亩；为作物i每亩生产成本的实际值，单位元/亩；为作物i每亩土地成本的标准值（取最小值），单位元/亩；为作物i每亩土地成本的实际值，单位元/亩；为作物i每亩粮食产量的标准值（取最大值），单位kg/hm²；为作物i每亩粮食产量的实际值，单位kg/hm²。

（2）主要粮食作物适水种植性判别：

采用式（6）计算得到2015年中国主要粮食生产省的水稻、小麦、玉米作物综合评价值（v值），按从大到小排序，结果列于表4，分别绘制三种粮食作物v值的递减曲线，根据v值曲线斜率变化区间，结合中国十三个粮食主产省和口粮（稻谷和小麦）生产大省的实际情况，分析确定适水种植综合判别区间（参见图2），水稻、小麦、玉米作物适水种植判别区间列于表5。

表42015年粮食生产省适水种植综合值分析结果

表5主要粮食作物适水种植综合值v判别区间

表5给出了三种作物在中国地区的适水性的范围。对于某一地区之间直接计算v值，并通过表5即可以得到该地区是否适宜种植水稻、小麦或玉米。如果增加作物的种类，或者改变研究区域，通过本实施例所述方法，能够得到更大范围的综合结论。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如地区的划分方式、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。