余強(qiáng)毅，項(xiàng)銘濤，謝安坤，申 格，楊 鵬，吳文斌

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081）

0 引言

中國(guó)農(nóng)業(yè)在過(guò)去幾十年取得了舉世矚目的成就，利用全球8%的耕地供養(yǎng)了全球20%的人口［1-2］?！笆濉币詠?lái)，我國(guó)繼續(xù)推進(jìn)“谷物基本自給、口糧絕對(duì)安全”的國(guó)家糧食安全戰(zhàn)略，確保中國(guó)人的飯碗始終牢牢端在了自己手上。2017年“中央一號(hào)”文件明確，推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的進(jìn)程中要確保糧食生產(chǎn)能力不降低，同時(shí)還進(jìn)一步提出，深入實(shí)施藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略，嚴(yán)守耕地紅線(xiàn)，保護(hù)優(yōu)化糧食產(chǎn)能。然而，面對(duì)當(dāng)前我國(guó)人口持續(xù)增長(zhǎng)、資源環(huán)境限制不斷加大等問(wèn)題，如何確保糧食生產(chǎn)能力建設(shè)不斷夯實(shí)，成為我國(guó)推進(jìn)糧食安全戰(zhàn)略的新挑戰(zhàn)［1］。

糧食總產(chǎn)等于作物單產(chǎn)與收獲面積的乘積，而收獲面積主要取決于耕地面積的多少與復(fù)種的次數(shù)。進(jìn)而，影響糧食總產(chǎn)的因素可以分解成作物單產(chǎn)、耕地面積、復(fù)種3個(gè)方面。作物單產(chǎn)方面，近年來(lái)作物單產(chǎn)增加對(duì)我國(guó)糧食總產(chǎn)的貢獻(xiàn)顯著，但研究表明，我國(guó)的作物單產(chǎn)已經(jīng)接近“天花板”［3］，提升空間已經(jīng)非常有限［4］。耕地面積方面，在快速城市化背景下，我國(guó)耕地面積總體呈下降趨勢(shì)，對(duì)糧食總產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)面影響［5］。因此，在嚴(yán)守耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量紅線(xiàn)、努力提高作物單產(chǎn)的同時(shí)，還應(yīng)該注重提高耕地資源集約利用程度。

復(fù)種（multi-cropping）是反應(yīng)耕地資源集約利用程度的重要指標(biāo)［6］，具體指一塊地上一年內(nèi)種收一季以上作物的種植方式［7］；“復(fù)種潛力”（multi-cropping potential）是指在考慮地塊所處的自然環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，理論上一年內(nèi)的最大種收次數(shù)［8-9］。圍繞復(fù)種與復(fù)種潛力，相關(guān)案例研究已經(jīng)廣泛在全球尺度［10-11］以及區(qū)域尺度開(kāi)展，包括中國(guó)［12］，亞洲［13］，歐洲［14-15］，北美［16］，南美［17-18］等。在已有耕地基礎(chǔ)上增加復(fù)種以縮小復(fù)種與復(fù)種潛力之間的差值（即復(fù)種差），成為能否繼續(xù)提高耕地資源集約利用程度的關(guān)鍵［19-21］。

當(dāng)前研究大多利用復(fù)種指數(shù)描述復(fù)種情況?！皬?fù)種指數(shù)”（multi-cropping index）是指區(qū)域收獲面積與耕地面積的比值（值可以為小數(shù)），反映的是區(qū)域的平均情況而非地塊的特定情況。此外，“種植頻率”（cropping frequency）也用以描述復(fù)種情況，指的是具體的種收次數(shù)（值只能為整數(shù)），其不僅反映了地塊的特定情況，也體現(xiàn)了復(fù)種的原始內(nèi)涵。已有研究容易忽視概念、數(shù)據(jù)、方法方面的差別，導(dǎo)致不同研究之間缺乏可比性。該文將以“復(fù)種差概念—實(shí)際復(fù)種研究—潛力復(fù)種研究—復(fù)種差研究”為主線(xiàn)，系統(tǒng)梳理當(dāng)前復(fù)種差研究的相關(guān)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。進(jìn)而，總結(jié)了基于復(fù)種指數(shù)在區(qū)域尺度研究復(fù)種差的不足，并提出了一個(gè)基于種植頻率在地塊復(fù)種差研究的可行模式，為未來(lái)復(fù)種差研究提供理論與方法參考。

1 復(fù)種差概念的提出

作物需要在特定的水熱條件下，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間生長(zhǎng)才能達(dá)到成熟，農(nóng)學(xué)上稱(chēng)之為成熟天數(shù)（days to maturity，DTM）。這一過(guò)程需要從兩方面理解：一方面，DTM很大程度上與作物類(lèi)型、品種、種植期等因素有關(guān)［22-23］，體現(xiàn)作物本身特征與栽培管理水平；另一方面，作物種植也需要考慮環(huán)境因素，例如適宜的溫度與降水。因此，農(nóng)業(yè)氣象、農(nóng)業(yè)地理等學(xué)科從資源利用的角度提出了生育期長(zhǎng)度的概念（length of growing period，LGP），即特定區(qū)域內(nèi)降水與溫度共同使作物得以生長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，用“天”來(lái)表示［24］。

理論上而言，如果一個(gè)區(qū)域的LGP能夠先后包含多個(gè)完整DTM，那么該區(qū)域一年內(nèi)就能種收多季作物（地塊復(fù)種潛力的數(shù)學(xué)表達(dá)見(jiàn)表1）。我國(guó)主要作物的DTM在60～250d之間（包括冬季作物越冬期），平均標(biāo)準(zhǔn)DTM為90d左右［25］。標(biāo)準(zhǔn)情況下，根據(jù)溫度、降水等自然條件，我國(guó)南方的某些區(qū)域一年內(nèi)理論上最多能支持種收3次（即LGP≥3*DTM，圖1a），大部分地塊支持種收2次（即3*DTM≥LGP≥2*DTM，圖1b），北方冷涼地區(qū)的地塊一般只能種收1次（即2*DTM≥LGP≥DTM，圖1c）。由于區(qū)域尺度的LGP一般是特定的，而DTM是根據(jù)作物類(lèi)型、品種以及種植方式等變化而變化的，理論上可通過(guò)合理配置作物類(lèi)型與種植方式，提高地塊種收的次數(shù)，反之亦然。例如，如果選擇種植DTM較長(zhǎng)（≥90d）的作物，可能會(huì)因?yàn)槠湔加玫腖GP過(guò)長(zhǎng)，而使得剩余的LGP不夠支持種收一季DTM同樣較長(zhǎng)的作物，從而降低地塊的潛在種收次數(shù)。此外，間作、套作、連作等種植方式可以使前后兩季作物共生一段時(shí)，最高可達(dá)80d左右［25-26］。這些方式可以有效提高對(duì)LGP的利用，例如，采用間作套作方式種植兩季DTM=90d的作物，兩季共同利用的LGP將小于180d，而使得LGP相對(duì)不足的情況下，仍然能夠支持復(fù)種（圖1d）。

圖1 復(fù)種潛力的農(nóng)學(xué)與地理學(xué)意義Fig.1 Concept of multi-cropping

復(fù)種差研究是復(fù)種研究在實(shí)際維度與潛力維度的整合與深化。與復(fù)種相關(guān)的學(xué)術(shù)概念很多，包括種植頻率［17］、收獲頻率［10］、種植指數(shù)［7］、（統(tǒng)計(jì)）復(fù)種指數(shù)、（遙感）復(fù)種指數(shù)、潛力復(fù)種指數(shù)［27-28］等。首先值得說(shuō)明的是，種植頻率與收獲頻率（類(lèi)比于種植面積與收獲面積），二者雖有差別，但該研究不重點(diǎn)關(guān)注年初與年末種收之間的差異，因此，二者等同對(duì)待。表1簡(jiǎn)單梳理了復(fù)種差研究的主要概念，并將相近或相似的概念進(jìn)行了合并處理。雖然作物DTM與區(qū)域LGP是復(fù)種差研究的理論基礎(chǔ)，但當(dāng)前研究很少考慮作物生長(zhǎng)期特征，而是直接考慮復(fù)種情況，且大多在區(qū)域尺度或者像元尺度開(kāi)展（表1）。

表1 復(fù)種差研究的主要概念Table 1 Concepts for multi-cropping studies

續(xù)表

由于數(shù)據(jù)獲取方面的優(yōu)勢(shì)，基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的復(fù)種指數(shù)研究率先在區(qū)域尺度開(kāi)展［32］（表1）。但復(fù)種指數(shù)與復(fù)種的原始定義（即種收次數(shù)）稍有差別：首先，復(fù)種指數(shù)作為區(qū)域內(nèi)種植面積與耕地面積的比值，是二者的因變量，而對(duì)于特定地塊，種收次數(shù)是種植面積的自變量，二者在內(nèi)涵上已經(jīng)有本質(zhì)差別；其次，由于種植面積與耕地面積等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)相對(duì)獨(dú)立，且統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)一般統(tǒng)計(jì)各類(lèi)作物的種植面積，并不直接統(tǒng)計(jì)“作物種植面積”這一綜合指標(biāo)，因此在計(jì)算統(tǒng)計(jì)復(fù)種指數(shù)的時(shí)候，一般需要先將各類(lèi)作物的種植面積進(jìn)行匯總，然而這一過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)較難統(tǒng)一，由此統(tǒng)計(jì)復(fù)種指數(shù)計(jì)算結(jié)果可能出現(xiàn)違背常理的情況（如遠(yuǎn)大于三）。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，利用遙感植被指數(shù)，可以在空間像元尺度觀測(cè)作物生長(zhǎng)狀況（表1）。通過(guò)平滑作物生長(zhǎng)曲線(xiàn)，提取波峰頻數(shù)，進(jìn)而可了解像元的復(fù)種情況［31-33］。遙感提取種的植頻率已經(jīng)十分接近復(fù)種的原始定義，但遙感影像（尤其是中低分辨率遙感影像）容易產(chǎn)生混合像元問(wèn)題，導(dǎo)致網(wǎng)格提取的波峰頻數(shù)一般為多個(gè)地塊多種作物的平均值，這導(dǎo)致與地塊種收次數(shù)這一原始內(nèi)涵又稍存差別。

區(qū)域尺度、像元尺度的研究大多不考慮不同作物DTM的差異情況，因此，復(fù)種潛力一般由區(qū)域LGP與標(biāo)準(zhǔn)作物DTM之間的比值決定。例如，楊曉光等人將中國(guó)南方統(tǒng)稱(chēng)為“潛在一年三熟區(qū)”［34］。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)前的復(fù)種差研究也大多基于區(qū)域平均情況開(kāi)展［19-21］，而地塊尺度復(fù)種差研究暫未見(jiàn)報(bào)道（表1，圖2）。由于區(qū)域內(nèi)部各個(gè)地塊的作物類(lèi)型、品種、種植方式等各不相同，如何理解區(qū)域尺度復(fù)種差的現(xiàn)實(shí)意義成為巨大挑戰(zhàn)。例如圖2所示，假設(shè)一個(gè)種植指數(shù)為1.89且標(biāo)準(zhǔn)復(fù)種潛力為3的地區(qū)，從復(fù)種指數(shù)的角度還有1.11的復(fù)種提升空間，但在哪提高、如何提高等問(wèn)題需要轉(zhuǎn)換到地塊尺度視角才能有效解決。綜上所述，復(fù)種潛力是一個(gè)綜合的概念，與區(qū)域LGP、作物DTM以及種植方式等因素有關(guān)，但傳統(tǒng)區(qū)域尺度、基于復(fù)種指數(shù)的復(fù)種差研究無(wú)法考慮上述因素的協(xié)同影響。下面將分別從實(shí)際復(fù)種、潛力復(fù)種兩方面詳細(xì)梳理當(dāng)前研究的進(jìn)展，進(jìn)而論述為何當(dāng)前的實(shí)際復(fù)種與潛力復(fù)種研究無(wú)法科學(xué)支持復(fù)種差研究。

圖2 復(fù)種差研究的概念模型Fig.2 Conceptual model for multi-cropping studies

2 實(shí)際復(fù)種研究

實(shí)際復(fù)種研究是指對(duì)真實(shí)復(fù)種情況的觀測(cè)。由于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)較容易獲取，統(tǒng)計(jì)復(fù)種指數(shù)研究率先開(kāi)展。劉巽浩測(cè)算發(fā)現(xiàn)全國(guó)的種植指數(shù)由1952年的131%上升到1995年的158%，增加了27%，大致等于增加農(nóng)作物播種面積0.27億hm2；此外，我國(guó)以復(fù)間套種為中心的多熟制土地上所生產(chǎn)的糧食約占全國(guó)的75%，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有舉足輕重的地位，在世界上也是走在前面［7］。隨后，一些學(xué)者利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)獲取的播種面積與耕地面積兩個(gè)指標(biāo)，將復(fù)種指數(shù)（時(shí)間）變化特征研究［35］，擴(kuò)展到時(shí)空差異研究［10，32］，并探討引起這種時(shí)空差異的原因［36］。這類(lèi)研究結(jié)果直接匯總在行政單元，有利于對(duì)比不同行政區(qū)之間的耕地集約化利用程度；此外，由于數(shù)據(jù)獲取較易，有利于分析較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)復(fù)種指數(shù)的變化特征。但受限于數(shù)據(jù)特性，行政區(qū)內(nèi)部的空間差異特征無(wú)法體現(xiàn)，即統(tǒng)計(jì)復(fù)種指數(shù)僅體現(xiàn)多個(gè)地塊平均的復(fù)種情況，而每個(gè)地塊的復(fù)種信息無(wú)法獲取。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感復(fù)種指數(shù)研究逐步興起。一些學(xué)者利用NOAA/AVHRRNDVI［37］，SPOT/VGT-NDVI［33，38-39］，MODIS-NDVI［14，40］，MODIS-EVI［41］以及多源遙感數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)序NDVI［42-43］或EVI［44］，對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)。并采取Savitzky-Golay濾波［45］，HANTS［33，37］，非線(xiàn)性擬合［29，46］，小波變換方［39］等方法對(duì)植被指數(shù)進(jìn)行平滑后提取波峰個(gè)數(shù)（或者直接采用決策樹(shù)法提取波峰個(gè)數(shù)［41］），進(jìn)而判斷像元的復(fù)種情況。這類(lèi)研究一般采用中低分辨率遙感影像（如分辨率1 km），考慮到中國(guó)耕地破碎化程度較高，網(wǎng)格提取的波峰頻數(shù)一般為多個(gè)地塊多種作物的平均值，并不能代表每個(gè)地塊種植頻率的具體值。此外，當(dāng)前遙感復(fù)種指數(shù)研究一般都會(huì)以網(wǎng)格耕地面積為權(quán)重，將結(jié)果匯總到統(tǒng)計(jì)單元并與統(tǒng)計(jì)復(fù)種指數(shù)對(duì)比，以此校正波峰頻數(shù)提取結(jié)果，大大降低了復(fù)種指數(shù)信息的獨(dú)立性。

由于數(shù)據(jù)獲取限制，地塊尺度的實(shí)際種植頻率較難獲取，相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道，這也成為未來(lái)研究需要著眼解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。有研究開(kāi)始嘗試用Landsat與MODIS數(shù)據(jù)相融合的方法，在30 m空間分辨率尺度獲取遙感復(fù)種指數(shù)［47］；另有研究將多年地塊尺度Cropland Data Layers（美國(guó)官方作物分布數(shù)據(jù)）疊加估算種植頻率［48］；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所研發(fā)的eFarm系統(tǒng)，通過(guò)眾包（human sensing &crowdsourcing）的手段，能直接獲取每個(gè)空間地塊的復(fù)種信息［30］，這些新研究為提取地塊尺度復(fù)種情況提供了有益參考。

3 復(fù)種潛力研究

復(fù)種潛力研究是指對(duì)潛在復(fù)種能力的預(yù)測(cè)。楊曉光等人利用大于等于0℃有效積溫，選擇5 900℃與4 200℃為閾值，劃分中國(guó)一年三熟、兩熟種植北界［34］；同樣利用溫度閾值法，Ray等人在全球10 km空間尺度估算了網(wǎng)格的最大復(fù)種潛力［10］。范錦龍與吳炳方利用縣級(jí)尺度統(tǒng)計(jì)復(fù)種指數(shù)與溫度、降水的相關(guān)關(guān)系，建立復(fù)種潛力經(jīng)驗(yàn)估算模型［28］；劉洛等人利用農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)模型，綜合考慮溫度、降水、蒸散、土壤、地形等因素，在10 km空間分辨率尺度，估算中國(guó)復(fù)種潛力格局［49］。左麗君等人基于250 m空間分辨率尺度全國(guó)遙感復(fù)種指數(shù)提取結(jié)果，利用隨機(jī)前沿法，估算氣象、地形、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素綜合影響下的復(fù)種潛力最大值［12］。

已有研究多關(guān)注氣候等自然因素對(duì)區(qū)域尺度標(biāo)準(zhǔn)復(fù)種潛力的影響，而地塊尺度、考慮特定作物種植情況的復(fù)種潛力研究較少。具體而言，已有研究一般估算的是潛力復(fù)種指數(shù)，且潛力復(fù)種指數(shù)估算本身的方法與理論也存在一些問(wèn)題。例如，根據(jù)范錦龍與吳炳方的經(jīng)驗(yàn)方法［28］，年平均溫度與年平均降水量是決定區(qū)域潛力復(fù)種指數(shù)的僅有兩個(gè)變量，這種簡(jiǎn)單化處理無(wú)法考慮年內(nèi)溫度降水波動(dòng)、雨熱不同季、極端天氣事件等問(wèn)題，加大了估算結(jié)果的不確定性。此外，標(biāo)準(zhǔn)復(fù)種指數(shù)估算大多預(yù)先限定了潛力復(fù)種的上限，如中國(guó)最高為一年三熟［28，34］，但這可能與實(shí)際不符。一方面，在氣溫非常適宜的地區(qū)配合以灌溉、間作套作、作物品種優(yōu)選等田間管理手段，完全可能實(shí)現(xiàn)種植次數(shù)超過(guò)3次；另一方面，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，一些縣的統(tǒng)計(jì)復(fù)種指數(shù)的確存在高于3的情況。這意味著由這套方法估算的復(fù)種潛力指數(shù)，可能并不是真實(shí)的潛力上限。簡(jiǎn)單忽略這些情況，具有明顯的人為傾向性，最終會(huì)導(dǎo)致整個(gè)估算結(jié)果的偏差加大。

潛力復(fù)種指數(shù)的內(nèi)涵是泛化的，估算結(jié)果是固定的，不能很好地反應(yīng)現(xiàn)實(shí)情況；而地塊尺度復(fù)種潛力的內(nèi)涵是具體的，估算結(jié)果是浮動(dòng)的（與區(qū)域LGP、作物DMT以及種植方式等因素有關(guān)）。因此二者不能簡(jiǎn)單等同。相對(duì)于區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)復(fù)種潛力，地塊復(fù)種潛力對(duì)科學(xué)制定集約化方案有更為直接的參考意義。不同作物類(lèi)型、種植方式的組合將對(duì)地塊標(biāo)準(zhǔn)復(fù)種潛力產(chǎn)生何種影響是未來(lái)研究需要著眼解決的另一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

4 復(fù)種差研究

復(fù)種差研究是評(píng)估實(shí)際復(fù)種情況下繼續(xù)開(kāi)發(fā)復(fù)種潛力的可能性。何文斯等人利用“溫度—降水”復(fù)種潛力經(jīng)驗(yàn)估算模型測(cè)算縣級(jí)尺度潛力復(fù)種指數(shù)，然后將其與縣級(jí)尺度統(tǒng)計(jì)統(tǒng)計(jì)復(fù)種指數(shù)相減，估算復(fù)種差［27］。利用同樣的思路，左麗君等人將其在250 m空間尺度估算得到的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)種潛力與遙感提取的復(fù)種指數(shù)相減估算復(fù)種差［12］。在全球尺度，吳文斌等人與Ray等人分別提出了cropping intensity gap［20］與harvest gap的概念［10］，在網(wǎng)格尺度與國(guó)家尺度估算了復(fù)種差。

測(cè)算復(fù)種差的最終目的在于通過(guò)提高復(fù)種，實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)。在楊曉光等人估算的的一年多熟種植北界基礎(chǔ)上［9］，結(jié)合網(wǎng)格尺度真實(shí)耕地面積數(shù)據(jù)與作物種植面積數(shù)據(jù)［50］，余強(qiáng)毅等人將這3者相結(jié)合，量化了不同水資源分配情景下的收獲面積潛力。據(jù)其測(cè)算，中國(guó)在2005年左右的收獲面積潛力在1 333.33萬(wàn)hm2左右［21］，受氣候變化與耕地實(shí)際利用程度的共同影響，1981—2010年間，中國(guó)的收獲面積潛力經(jīng)歷了先減少再增加的過(guò)程［19］，當(dāng)前的收獲面積潛力在現(xiàn)有糧食生產(chǎn)力水平下約相當(dāng)于1.17億t產(chǎn)量潛力［51］。

耕地過(guò)度集約化利用，會(huì)帶來(lái)極大的環(huán)境影響，從而影響可持續(xù)發(fā)展。實(shí)施保護(hù)性農(nóng)業(yè)（conservation agriculture）是緩解環(huán)境壓力的一個(gè)有效手段［52］。同時(shí)，發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)也成為新時(shí)期我國(guó)推動(dòng)“四化同步”發(fā)展的新要求［53］。農(nóng)業(yè)集約化過(guò)程的“投入—產(chǎn)出—環(huán)境”綜合效益，受種植方式的影響很大。例如，一季中稻的平均單產(chǎn)約為8.0 t/hm2，而雙季水稻平均單產(chǎn)之和約為13.4 t/hm2（早稻6.5 t/hm2，晚稻6.9 t/hm2），二者的比例關(guān)系約為1：1.6［54］。這說(shuō)明種植兩季能獲得的產(chǎn)量一般小于種植一季能獲得的產(chǎn)量的2倍（圖3b），同時(shí)也印證了品種的DTM越長(zhǎng)，單產(chǎn)一般會(huì)越高［55］。受限于地塊尺度種植頻率與復(fù)種潛力觀測(cè)，當(dāng)前復(fù)種差研究只能基于“混合作物”的前提開(kāi)展。這意味著，即便在了解復(fù)種差的情況下（圖2），也無(wú)法有效評(píng)估不同集約化措施的不同效果。如何在“投入—產(chǎn)出—環(huán)境”綜合維度提高集約化效益，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展需要考慮的一大難題［56］，在復(fù)種差開(kāi)發(fā)與利用的過(guò)程中，也需要綜合考慮集約化過(guò)程的“權(quán)衡與協(xié)同”效應(yīng)（tradeoff and synergy）。

圖3 不同種植方式的投入—產(chǎn)出關(guān)系（根據(jù)文獻(xiàn)Wang et al.（2017）修改［55］）Fig.3 Input-output relation under different multi-cropping practices.（The figure is adopted from Wang et al.，2017）

5 復(fù)種差研究展望

綜上所述，傳統(tǒng)復(fù)種差研究大多基于復(fù)種指數(shù)開(kāi)展，而這類(lèi)研究的理論意義大于現(xiàn)實(shí)意義。筆者認(rèn)為從地塊尺度、種植頻率的視角重新評(píng)估復(fù)種差將是未來(lái)研究的一個(gè)可行模式。兩種模式的具體差別體現(xiàn)在以下方面。

傳統(tǒng)模式認(rèn)為：復(fù)種差=潛力復(fù)種指數(shù)-實(shí)際復(fù)種指數(shù)。傳統(tǒng)模式一般是直接將標(biāo)準(zhǔn)復(fù)種潛力與實(shí)際復(fù)種指數(shù)相減，考慮到標(biāo)準(zhǔn)復(fù)種潛力估算已經(jīng)是取整之后的結(jié)果，即LGP/標(biāo)準(zhǔn)DTM（取整），取整過(guò)程已經(jīng)抹去了一定的“殘值”。此外，標(biāo)準(zhǔn)情況下支持一年三熟的地塊，在種收一季DTM較長(zhǎng)的作物之后，復(fù)種差可能小于二；但如果采用間作套作等種植方式，并選擇DTM較短的作物，則仍可能在這塊地上繼續(xù)種收兩季（圖1）。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)情況無(wú)法包括所有情況，從而可能使評(píng)估結(jié)果存在系統(tǒng)誤差（biased estimation），例如圖4所示，在LGP足夠長(zhǎng)的地區(qū)，傳統(tǒng)模式會(huì)認(rèn)為所有種收1次的地塊，都將存在2次復(fù)種差，然而，如果現(xiàn)有作物已經(jīng)占用了相當(dāng)長(zhǎng)的LGP，復(fù)種差也將隨之減少。

圖4 作物種植頻率與復(fù)種差判定示意圖Fig.4 Illustration for cropping intensity gap based on different multi-cropping frequency

此外，在復(fù)種差評(píng)估基礎(chǔ)上，地塊模式還可服務(wù)于復(fù)種差利用方案的優(yōu)化選擇。如圖3a所示，針對(duì)不同復(fù)種差利用方案，可利用作物模型等工具開(kāi)展投入、產(chǎn)量、管理過(guò)程、環(huán)境效應(yīng)等模擬。綜合從LGP利用率、投入、產(chǎn)量、品質(zhì)、環(huán)境影響等方面設(shè)置評(píng)價(jià)規(guī)則，分析不同方案下的“投入—產(chǎn)出—環(huán)境”綜合效益，為合理提高耕地集約化利用開(kāi)展科學(xué)評(píng)估。

圖5 復(fù)種差利用方案對(duì)比示意圖Fig.5 Illustration for different alternatives for filling the cropping intensity gap

6 結(jié)語(yǔ)

該文系統(tǒng)梳理了當(dāng)前復(fù)種差研究的進(jìn)展與問(wèn)題，并從復(fù)種的原始意義出發(fā)，提出了一個(gè)地塊尺度復(fù)種差研究的新模式。這一模式將具體探究以下關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：在了解區(qū)域復(fù)種指數(shù)差的前提下，復(fù)種差發(fā)生在哪些地塊？發(fā)生在什么季節(jié)？進(jìn)一步，如果填補(bǔ)該復(fù)種差，從LGP占用的角度是否還存在可能？該選取何種作物？需采取何種種植方式？最后，在“投入—產(chǎn)出—環(huán)境”綜合維度如何優(yōu)化耕地集約化利用方案？

地塊尺度復(fù)種差研究的核心理論是將復(fù)種差轉(zhuǎn)換成作物DTM對(duì)區(qū)域LGP的動(dòng)態(tài)利用程度，而不再是簡(jiǎn)單的將其等同于潛力復(fù)種指數(shù)與實(shí)際復(fù)種指數(shù)的靜態(tài)差值。此外，地塊尺度復(fù)種差研究具有較強(qiáng)的學(xué)科交叉性，可借鑒相關(guān)領(lǐng)域成熟的研究方法，如將種植頻率提?。ㄟb感）、物候期提?。ㄟb感）、遙感作物分類(lèi)（遙感）、以及LGP估算（農(nóng)業(yè)氣象）、產(chǎn)量模擬（農(nóng)業(yè)氣象）、投入產(chǎn)出分析（農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)）等有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)新性的應(yīng)用于地理學(xué)（自然資源利用）研究。地塊模式將有效填補(bǔ)復(fù)種差研究的“知識(shí)鴻溝”（knowledge gap），為優(yōu)化資源利用方式，提高自然資源利用效率提供新的視角。