梁書民，于智媛

(1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所，北京 100081；2.中國財(cái)政科學(xué)研究院，北京 100142)

人類對(duì)陸地植物生產(chǎn)力的認(rèn)識(shí)和利用起源于石器時(shí)代，考古發(fā)現(xiàn)表明，在距今13 000～7 000 a的新石器時(shí)代早期，以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主的原始農(nóng)業(yè)在中國已經(jīng)十分發(fā)達(dá)。夏代初期成書的《禹貢》根據(jù)土壤特性把中國九州農(nóng)田按生產(chǎn)力的高低分為9等，大致體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)的土地開發(fā)程度和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的分布格局。西方對(duì)農(nóng)田生產(chǎn)力的評(píng)價(jià)起始于古希臘的亞里士多德，也強(qiáng)調(diào)土壤對(duì)農(nóng)作物的決定作用，后來逐步認(rèn)識(shí)到水和光照是決定植物生長的主要因素。1840年李比希發(fā)現(xiàn)了最低量律，在此后的生態(tài)學(xué)研究中，影響植物生長的各種自然因素均得到了重視。1971年賴斯在系統(tǒng)總結(jié)前人的植物生產(chǎn)力研究成果的基礎(chǔ)上，提出了邁阿密模型，利用全球眾多的氣象觀測(cè)和植物生產(chǎn)力測(cè)量數(shù)據(jù)，通過最小二乘法回歸得出了植物生產(chǎn)力同多年平均氣溫和多年平均降水量關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，并利用經(jīng)驗(yàn)公式和李比希定律計(jì)算了地球陸地植物的氣候生產(chǎn)力分布圖[1-2]。

近30年來邁阿密模型在中國得到了廣泛應(yīng)用。陳國南[3]利用邁阿密模型計(jì)算了我國陸地的年生物生產(chǎn)量；侯光良[4]比較了邁阿密模型和筑后模型對(duì)中國的計(jì)算結(jié)果，劉洪杰[5]肯定了邁阿密模型的生態(tài)學(xué)價(jià)值；焦翠翠等[6]利用邁阿密模型計(jì)算了全球森林生態(tài)系統(tǒng)的凈初級(jí)生產(chǎn)力，李莉[7]研究了中亞地區(qū)氣候生產(chǎn)潛力時(shí)空變化特征。利用邁阿密模型進(jìn)行的中國區(qū)域性研究主要集中在東北、華北、西北3地區(qū)和南方草地，如東北地區(qū)的東北全域、呼倫貝爾草原、西遼河平原和大興安嶺北部[8-11]，華北地區(qū)的黃淮海平原、錫林郭勒草原和內(nèi)蒙古全域牧草[12-15]，西北地區(qū)的伊犁河流域、石羊河流域、西北全域和寧夏中部等[16-20]以及南方草地的氣候生產(chǎn)力研究[21]。利用邁阿密模型進(jìn)行分省研究的有廣東、甘肅、河北、浙江、河南和青海等[22-27]。

農(nóng)田是人工生態(tài)系統(tǒng)，是地球陸地自然生態(tài)系統(tǒng)的組成部分；雨養(yǎng)農(nóng)田的生產(chǎn)力同自然生態(tài)系統(tǒng)的氣候生產(chǎn)力相當(dāng)，灌溉農(nóng)田的生產(chǎn)力同自然生態(tài)系統(tǒng)的光溫生產(chǎn)力相當(dāng)。本文通過研究地球陸地自然生態(tài)系統(tǒng)的氣候生產(chǎn)力和光溫生產(chǎn)力推算農(nóng)田的最大灌溉增產(chǎn)潛力、光溫潛力需水量、光溫潛力灌溉需水量、光溫潛力自然降水貢獻(xiàn)份額等衍生指標(biāo)，從而為計(jì)算農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿?，合理利用水資源，推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 研究方法

1.1 模型與衍生變量

邁阿密模型使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是年平均氣溫和年降水量?？捎糜谟?jì)算光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力的灌溉需水量和可持續(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率4項(xiàng)重要指標(biāo)。這4項(xiàng)指標(biāo)可用于估算自然生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力和灌溉需水量，指導(dǎo)當(dāng)?shù)匾罁?jù)當(dāng)年的降水量制定農(nóng)田實(shí)際灌溉定額，為推廣節(jié)水灌溉提供理論依據(jù)和定量數(shù)據(jù)支撐。水資源是農(nóng)田灌溉的基礎(chǔ)，為研究水資源同灌溉需水量的空間耦合關(guān)系，本文還引入了可持續(xù)灌溉墾殖率的概念。

各變量的具體計(jì)算方法和公式如下：

(1)光溫生產(chǎn)潛力Yt邁阿密模型光溫生產(chǎn)潛力Yt通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得，是年平均氣溫t的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)。

Yt=3000/[1+exp(1.315-0.119t)]

(1)

式中,Yt為光溫生產(chǎn)潛力(g·m-2)；t為年平均氣溫(℃)。

(2)氣候生產(chǎn)潛力Ymin邁阿密模型氣候生產(chǎn)潛力Ymin是邁阿密模型光溫生產(chǎn)潛力Yt和降水生產(chǎn)潛力Yp的最小值，邁阿密模型降水生產(chǎn)潛力Yp是年平均降水量P的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)。

Yp=3000×[1-exp(-0.000664×P)]

(2)

式中，Yp為降水生產(chǎn)潛力(g·m-2)；P為年平均降水量(mm)。

Ymin=Minium(Yt,Yp)

(3)

式中，Ymin為氣候生產(chǎn)潛力(g·m-2)。

灌溉增產(chǎn)潛力Yirad是光溫生產(chǎn)潛力Yt同氣候生產(chǎn)潛力Ymin的差值。

Yirad=Yt-Ymin

(4)

式中，Yirad為灌溉增產(chǎn)潛力(g·m-2)。

(3)光溫潛力灌溉需水量Pd光溫潛力需水量PYt是降水生產(chǎn)潛力Yp同光溫生產(chǎn)潛力Yt相等時(shí)的降水量。光溫潛力灌溉需水量Pd是降水量P同光溫潛力需水量PYt的差值，該變量的負(fù)值代表多余的降水量。由于噴灌類似于自然降水，光溫潛力灌溉需水量實(shí)際即為噴灌需水量。以PYt替代P，以Yt替代Yp，通過公式(2)可以推導(dǎo)出光溫潛力需水量PYt與光溫潛力Yt的關(guān)系式進(jìn)而得出光溫潛力灌溉需水量Pd的計(jì)算公式。

PYt=1506×ln[3000/(3000-Yt)]

(5)

式中，PYt為光溫潛力需水量(mm)。

Pd=PYt-P

(6)

式中，Pd為灌溉需水量(mm)。

(4)可持續(xù)墾殖率 可持續(xù)墾殖率包括可持續(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率和可持續(xù)灌溉墾殖率，可持續(xù)灌溉墾殖率又可細(xì)分為可持續(xù)裸地噴灌墾殖率、可持續(xù)裸地滴灌墾殖率、可持續(xù)覆膜噴灌墾殖率、可持續(xù)覆膜滴灌墾殖率4種，分述如下。

可持續(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率RPPYt?？沙掷m(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率是天然降水量P同光溫生產(chǎn)潛力需水量PYt的比值。

RPPYt=P/PYt

(7)

在實(shí)踐中，寬行距地膜覆蓋雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)有收集雨水的作用，可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率。

可持續(xù)裸地噴灌墾殖率RRoPd。邁阿密模型計(jì)算的灌溉需水量Pd是噴灌需水量(相當(dāng)于自然降水)?？沙掷m(xù)裸地噴灌墾殖率是本流域的徑流深度Ro同灌溉需水量Pd的比值。為保持?jǐn)?shù)據(jù)的連貫性，在豐水區(qū)，當(dāng)Pd為0或負(fù)值時(shí)，RRoPd的值應(yīng)當(dāng)取為1，當(dāng)RRoPd>1時(shí)，Pd值應(yīng)當(dāng)取為1。

RRo-Pd=Ro/Pd

(8)

在實(shí)踐中，裸地噴灌將本地徑流集中用于灌溉部分農(nóng)田滿足灌溉需水量，可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)裸地噴灌墾殖率。其中高精度徑流分布場(chǎng)可以利用經(jīng)驗(yàn)徑流系數(shù)公式根據(jù)干旱指數(shù)、地面坡度和多年平均降水量計(jì)算得出[29]。

可持續(xù)裸地滴灌墾殖率RRoPddr?？沙掷m(xù)裸地滴灌墾殖率RRoPddr是本流域的徑流深度Ro同滴灌灌溉需水量Pddr的比值。實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，滴灌需水量是噴灌的62.5%，即同樣的供水量下滴灌面積是噴灌面積的1.6倍[28]。為保持?jǐn)?shù)據(jù)的連貫性，在豐水區(qū)，當(dāng)Pddr為0或負(fù)值時(shí)，RRoPddr的值應(yīng)當(dāng)取為1，當(dāng)RRoPddr>1時(shí)，Pddr值應(yīng)當(dāng)取為1。

RRo-Pddr=Ro/Pddr=1.6×Ro/Pd

(9)

式中，Pddr為滴灌灌溉需水量(mm)；Ro為徑流深度(mm)；RRoPddr為可持續(xù)裸地滴灌墾殖率。

在實(shí)踐中，裸地滴灌將本地徑流集中用于灌溉部分農(nóng)田滿足灌溉需水量，減少了農(nóng)田行間蒸發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)裸地滴灌墾殖率。

可持續(xù)覆膜噴灌墾殖率RPspr?？沙掷m(xù)覆膜噴灌墾殖率是在地膜覆蓋耕作情況下，本流域的降水量P與徑流深度Ro之和，同光溫生產(chǎn)潛力需水量PYt的比值。

RPspr=(Ro+P)/PYt

(10)

在實(shí)踐中，寬行距地膜覆蓋噴灌既利用了自然降水，又利用了本地天然降水產(chǎn)生的徑流。

可持續(xù)覆膜滴灌墾殖率RPdri?？沙掷m(xù)覆膜滴灌墾殖率是在地膜覆蓋耕作情況下，本流域的降水量P與徑流深度Ro之和，同降水量P與滴灌需水量Pddr之和的比值。

RPdri=(Ro+P)/(P+Pddr)

(11)

在實(shí)踐中，寬行距地膜覆蓋滴灌既利用了自然降水，又利用了本地天然降水產(chǎn)生的徑流，且灌溉需水量低于噴灌。

1.2 研究方法與步驟

以下為利用GIS(geographic information system)格柵數(shù)據(jù)計(jì)算邁阿密模型指標(biāo)和衍生指標(biāo)的步驟。

首先，在全球地理投影下用ARCINFO的Grid模塊中的Resample命令將0.00833°的原始全球年平均降水量和全球年平均氣溫格柵數(shù)據(jù)生成分辨率為0.1667°的格柵數(shù)據(jù)。

第二，在ARCINFO Grid模塊中用Combine指令在地理投影下將0.1667°地面分辨率的上述2組格柵數(shù)據(jù)合并為一；在ARCVIEW中用Table Joint命令將數(shù)據(jù)加載到合并后的新格柵表中。

第三，在合并后的格柵數(shù)據(jù)表格中，利用ARCVIEW表格模塊，根據(jù)上述公式(1)～(7)逐項(xiàng)計(jì)算每個(gè)格柵的光溫生產(chǎn)潛力Yt、降水生產(chǎn)潛力Yp、氣候生產(chǎn)潛力Ymin、光溫生產(chǎn)潛力需水量PYt、和光溫生產(chǎn)潛力灌溉需水量Pd，并計(jì)算可持續(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率RPPYt。

第四，在ARCINFO Grid模塊中用Combine指令將上述0.1667°格柵數(shù)據(jù)同用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的全球徑流深度0.1667°格柵數(shù)據(jù)合并，得到含有徑流變量、生產(chǎn)潛力變量和灌溉需水量數(shù)據(jù)的格柵數(shù)據(jù)。在合并后的格柵數(shù)據(jù)表格中，利用ARCVIEW表格模塊，根據(jù)上述公式(8)～(11)計(jì)算4項(xiàng)可持續(xù)灌溉墾殖率。

第五，在ARCINFO中利用GRID模塊中的地圖投影轉(zhuǎn)換子命令，將全球地理投影轉(zhuǎn)換為具有等積特征的摩爾魏德投影(Mollweide projection)。利用ARCVIEW表格模塊，依據(jù)新投影下各等屬性單元的格柵數(shù)量計(jì)算各等屬性單元的面積。通過等積投影轉(zhuǎn)換后， 0.1667°地面分辨率的格柵邊長為20 496.1 m，面積為420.09 km2。至此得到的GRID格柵數(shù)據(jù)可用于繪制上述各變量的全球分布地圖。在摩爾魏德投影數(shù)據(jù)表格中，利用ARCVIEW表格模塊，依據(jù)各等屬性單元的面積和屬性值匯總，可得到各個(gè)變量的全球總量數(shù)據(jù)。

本研究所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，全球多年平均降水深度和平均氣溫格柵數(shù)據(jù)來源于美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分院的Hijmans等[30]于2005年生成的格柵數(shù)據(jù)，原始觀測(cè)數(shù)據(jù)年份為1950- 2000年。干旱指數(shù)來源于國際農(nóng)業(yè)研究咨詢組空間信息協(xié)會(huì)(Consultative Group on International Agricultural Research，Consortium for Spatial Information，CGIAR-CSI)[31]；地面坡度數(shù)據(jù)來源于CGIAR-CSI SRTM 90m Database[32]。

2 運(yùn)算結(jié)果

通過GIS運(yùn)算得出全球光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力。主要結(jié)果是全球陸地(不含南極洲)總面積為13 493.7×104km2；光溫生產(chǎn)潛力Yt為2 260.35×108t干物質(zhì)；氣候生產(chǎn)潛力Ymin為1 252.99×108t干物質(zhì)，是光溫潛力的55.4%，灌溉增產(chǎn)潛力Yirad為1007.36×108t，是光溫潛力的44.6%。同文獻(xiàn)比較表明，本文估計(jì)的全球氣候生產(chǎn)潛力同1972年Lieth估算的陸地生物量1 245×108t十分相近，稍微高于Lieth列舉的12種計(jì)算方法的平均值1 207×108t[1]。

若定義豐水區(qū)為灌溉需水量Pd≤0的地區(qū)，缺水區(qū)為灌溉需水量Pd>0的地區(qū)，全球豐水區(qū)面積為4 153×104km2，占地球陸地表面積(不含南極洲)的30.78%，該區(qū)光溫潛力為290.0×108t干物質(zhì)，氣候潛力同光溫潛力相等，灌溉增產(chǎn)潛力為0，在平水年不需要灌溉；豐水區(qū)降水量大于光溫需水量，水量多余13 428 km3。全球缺水區(qū)面積為9 340×104km2，占地球陸地表面積(不含南極洲)的69.22%，該區(qū)光溫潛力為1 970.3×108t干物質(zhì)，氣候潛力為963.0×108t干物質(zhì)，明顯低于光溫潛力，僅占光溫潛力的48.87%；缺水區(qū)需要通過灌溉才能實(shí)現(xiàn)光溫潛力，灌溉增產(chǎn)潛力為1 007.4×108t干物質(zhì)，高于氣候潛力，是光溫潛力的51.13%；缺水區(qū)的降水量為71 966 km3，光溫潛力需水量為84 437 km3，總?cè)彼繛?2 441 km3，是光溫潛力需水量PYt的14.73%。全球降水量為106 620 km3，光溫需水量為105 633 km3，多余量為987 km3，為光溫需水量的0.93%。但是由于地球水資源分布不均衡，同熱量資源匹配較差。全球(不含南極洲)總徑流量47 884 km3[29]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于缺水區(qū)的光溫潛力缺水量，是總?cè)彼康?.85倍，但是由于存在地域分布不均問題，徑流深度高的地區(qū)大都分布于豐水區(qū)或缺水程度較輕的地區(qū)；半干旱區(qū)可以利用本地水資源推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)，解決農(nóng)業(yè)發(fā)展中遇到的缺水問題；干旱區(qū)為嚴(yán)重缺水區(qū)，徑流量也嚴(yán)重不足，發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)需要長距離跨流域調(diào)水解決缺水問題。

2.1 光溫生產(chǎn)潛力

光溫生產(chǎn)潛力主要受地面溫度影響，是水分條件得到滿足情況下的自然生態(tài)系統(tǒng)的最大生產(chǎn)潛力。邁阿密模型使用的產(chǎn)量單位是每年生產(chǎn)干物質(zhì)量g·m-2，或者為10 kg·hm-2。光溫潛力分布情況是熱帶的光溫潛力值高，兩極地區(qū)的值低，溫帶地區(qū)的值居中；在緯度相近的情況下，高海拔地區(qū)的光溫潛力值低，低海拔地區(qū)的值高。世界主要農(nóng)業(yè)區(qū)的光溫潛力一般在10 000～25 000 kg·hm-2之間；全球光溫潛力<10 000 kg·hm-2的低值區(qū)主要分布在加拿大、北歐、俄羅斯北部、西伯利亞和遠(yuǎn)東、青藏高原、中亞山地、美國的落基山地、南美洲的安第斯山中南部；光溫潛力>25 000 kg·hm-2的高值區(qū)主要分布在亞馬遜河流域、剛果盆地、撒哈拉沙漠中南部、非洲赤道附近的低海拔地區(qū)、阿拉伯沙漠中南部、南亞和東南亞低海拔地區(qū)、新幾內(nèi)亞島、澳大利亞北部。全球21片農(nóng)業(yè)區(qū)的光溫生產(chǎn)潛力中值在7 250～26 000 kg·hm-2之間，按8 000 kg·hm-2光溫潛力可保證農(nóng)作物一熟計(jì)算得出的理論農(nóng)作物熟制在0.91～3.25之間(圖1)。光溫生產(chǎn)潛力可以用于計(jì)算灌溉農(nóng)田的生產(chǎn)潛力、灌溉草地的產(chǎn)草量、灌溉人工林的林木蓄積量增量。

2.2 氣候生產(chǎn)潛力

自然生態(tài)系統(tǒng)的氣候生產(chǎn)潛力是自然生態(tài)系統(tǒng)受光溫條件和自然降水共同作用的結(jié)果。按照李比希定律，氣候潛力在邁阿密模型中取降水生產(chǎn)潛力和光溫生產(chǎn)潛力的最小值。在光溫生產(chǎn)潛力較小的寒帶地區(qū)，即使降水生產(chǎn)潛力大于光溫潛力，受熱量條件限制實(shí)際生產(chǎn)潛力也只能是當(dāng)?shù)氐墓鉁貪摿?。全球氣候生產(chǎn)潛力的分布特點(diǎn)是降水和溫度條件匹配較好的地區(qū)氣候潛力高，降水和溫度條件匹配差的地區(qū)氣候潛力低。高值區(qū)主要有赤道附近的熱帶雨林區(qū)，其次是北美大陸東南部、南美大陸東南部、非洲大陸東南部、澳大利亞東南部、亞洲大陸東南部、南亞次大陸、中西歐、地中海-黑海沿岸地區(qū)、北美洲西部沿海地帶。干旱區(qū)光溫潛力高，氣候潛力決定于降水生產(chǎn)潛力，一般很低，但是干旱區(qū)的山地由于降水量相對(duì)高，在雪線以下一般存在一個(gè)氣候生產(chǎn)潛力較高的地帶，如亞洲的中亞山地和喜馬拉雅山南坡，南美洲的秘魯山地和北美洲的落基山地(圖2)。

全球旱作農(nóng)業(yè)的分布同溫帶和亞熱帶的氣候生產(chǎn)潛力高值區(qū)高度吻合，這些地區(qū)也是宜農(nóng)荒地資源較為豐富的地區(qū)，可作為我國未來農(nóng)業(yè)走出去的主要目的地。熱帶氣候潛力高值區(qū)生長有熱帶雨林，主要分布于非洲剛果河盆地、東南亞沿海平原和南美洲亞馬遜平原，氣候潮濕炎熱，不適宜人類居住，環(huán)境保護(hù)主義者反對(duì)人類對(duì)熱帶雨林的農(nóng)業(yè)開發(fā)，這些地區(qū)一般不作為宜農(nóng)地區(qū)。

2.3 光溫潛力需水量與可持續(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率

光溫潛力需水量同光溫生產(chǎn)潛力呈正單調(diào)函數(shù)關(guān)系，二者空間分布形勢(shì)十分相似?？沙掷m(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率是光溫潛力需水量中天然降水的貢獻(xiàn)份額，其空間分布形勢(shì)與灌溉增產(chǎn)潛力的分布形勢(shì)互補(bǔ)，數(shù)值由濕潤區(qū)的100%向半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)遞減，到干旱區(qū)一般接近0。該指標(biāo)描述了雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)對(duì)天然降水的可持續(xù)利用程度。當(dāng)前雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)較先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)是利用溝畦地膜覆蓋收集和保持天然降水來增加產(chǎn)量，通過加寬行距可以將地面雨水集中于溝畦底部被播種于此的農(nóng)作物所利用，利用田間微地形實(shí)現(xiàn)局部地帶供水增加，從而使農(nóng)作物產(chǎn)量得到提高。可持續(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率越低，地膜覆蓋成本越高，旱災(zāi)頻率越大，經(jīng)濟(jì)效益越差，宜農(nóng)荒地適宜開發(fā)程度越低。一般可持續(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率在2/3以下則不適宜發(fā)展旱作農(nóng)業(yè)。

圖1 全球光溫潛力Yt分布圖Fig.1 Distribution of global light and temperature productivity potential, Yt

圖2 全球氣候潛力Ymin分布圖Fig.2 Distribution of global climate productivity potential, Ymin

2.4 灌溉需水量與可持續(xù)灌溉墾殖率

灌溉需水量同灌溉增產(chǎn)潛力呈正單調(diào)函數(shù)關(guān)系，二者空間分布形勢(shì)也十分相似(圖3)。 由于灌溉是干旱半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素，光溫潛力灌溉需水量可用于評(píng)價(jià)各種灌溉方式的節(jié)水效果。在各種灌溉方式中，噴灌更接近自然降水，噴灌的灌溉定額同光溫潛力灌溉需水量較為相近；滴灌比噴灌更節(jié)水，滴灌的灌溉定額一般低于光溫潛力灌溉需水量。由于噴灌和滴灌的實(shí)際灌水量接近或低于理論灌溉需水量，所以一般稱之為高效節(jié)水灌溉?？沙掷m(xù)裸地噴灌墾殖率是本地徑流量同光溫潛力灌溉需水量的比值，其分布形勢(shì)同可持續(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率相似，但是一般比可持續(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率低，數(shù)值由濕潤區(qū)的100%向半濕潤區(qū)、半干旱區(qū)和干旱區(qū)快速下降，到半干旱區(qū)與干旱區(qū)的過渡地帶已經(jīng)接近0?？沙掷m(xù)覆膜滴灌墾殖率是5項(xiàng)可持續(xù)墾殖率的最大值(圖4)，其分布形勢(shì)同可持續(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率相似。

一般情況下5項(xiàng)可持續(xù)墾殖率數(shù)值從大到小的順序是：可持續(xù)覆膜滴灌墾殖率、可持續(xù)覆膜噴灌墾殖率、可持續(xù)覆膜雨養(yǎng)墾殖率、可持續(xù)裸地滴灌墾殖率、可持續(xù)裸地噴灌墾殖率。引入可持續(xù)灌溉墾殖率概念的意義在于它可以作為干旱半干旱區(qū)在沒有外來水源，在利用各種灌溉技術(shù)靠抽取本地地下水灌溉情況下的最大墾殖率，大于該墾殖率就意味著當(dāng)?shù)氐叵滤Y源被過度開發(fā)，地下水位將持續(xù)下降，直到枯竭?？沙掷m(xù)覆膜滴灌墾殖率較可持續(xù)裸地噴灌墾殖率的增量，大致可以反映在不進(jìn)行跨流域調(diào)水情況下寬壟覆膜滴灌較裸地噴灌的節(jié)水效果，可作為寬壟覆膜滴灌技術(shù)推廣適宜性評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)。從全球可持續(xù)覆膜滴灌墾殖率較可持續(xù)裸地噴灌墾殖率的增量分布圖可見，寬壟覆膜滴灌技術(shù)廣泛適宜于在干旱半干旱和半濕潤地區(qū)推廣，這些地區(qū)可持續(xù)灌溉墾殖率增量一般>0.1。全球范圍內(nèi)大面積推廣覆膜滴灌灌溉技術(shù)，可以使熱帶亞熱帶地區(qū)的農(nóng)作物熟制增加，如熱帶雨林邊緣地區(qū)、美國東南部、印度東南部、中國東南部和中南半島；還可以使溫帶地區(qū)的宜農(nóng)荒地可開墾面積擴(kuò)大，如北半球泰加林南緣、南美洲東南部、非洲東南部和澳大利亞東南部。

圖3 全球灌溉需水量Pd分布圖Fig.3 Distribution of global irrigation water demand, Pd

3 結(jié)論與討論

邁阿密模型可用于計(jì)算光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力、噴灌需水量和可持續(xù)雨養(yǎng)與灌溉墾殖率等衍生指標(biāo)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和宜農(nóng)荒地開發(fā)提供定量化指標(biāo)。本文得出的主要結(jié)論為：(1)光溫潛力可用于計(jì)算灌溉農(nóng)田的生產(chǎn)潛力，灌溉需水量可用于制定噴灌灌溉定額，指導(dǎo)灌溉農(nóng)田的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐和宜農(nóng)荒地的灌溉農(nóng)業(yè)開發(fā)。(2)氣候潛力可用于計(jì)算雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)潛力，覆膜雨養(yǎng)墾殖率可用于指導(dǎo)旱作農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐和宜農(nóng)荒地的旱作開發(fā)。(3)覆膜滴灌墾殖率在熱帶亞熱帶地區(qū)可用于指導(dǎo)多熟制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和當(dāng)?shù)匾宿r(nóng)荒地的多熟制農(nóng)業(yè)開發(fā)，在溫帶地區(qū)可用于指導(dǎo)當(dāng)?shù)氐囊宿r(nóng)荒地開墾和一熟制農(nóng)業(yè)區(qū)的擴(kuò)張。(4)水肥一體化覆膜滴灌農(nóng)業(yè)技術(shù)具有增溫、保濕、平衡土壤養(yǎng)分三重效果，適宜于在水分、熱量和土壤為限制條件的地區(qū)推廣，應(yīng)用于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)資源開發(fā)，開墾宜農(nóng)荒地，增加農(nóng)作物熟制，提供農(nóng)作物單產(chǎn)，增加全球農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，保障人類的食物供給。(5)干旱半干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)容易遭受旱災(zāi)，寬行距覆膜滴灌可持續(xù)灌溉率是現(xiàn)行灌溉技術(shù)下可持續(xù)灌溉率的最高值，在旱災(zāi)頻繁的干旱半干旱地區(qū)大力推廣水肥一體化覆膜滴灌，既可以抗御旱災(zāi)，又可以實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用，還可以節(jié)約化肥，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展十分有利。

以下問題有待進(jìn)一步討論：(1)光溫潛力灌溉需水量是評(píng)價(jià)灌溉定額的主要指標(biāo)，具有統(tǒng)一性、合理性和科學(xué)性，應(yīng)當(dāng)用于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)向高效節(jié)水灌溉發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)水肥一體化覆膜滴灌的最佳節(jié)水灌溉方式。(2)本文計(jì)算的一系列邁阿密模型指標(biāo)及延伸指標(biāo)，可用于全球宜農(nóng)荒地開發(fā)的適宜性評(píng)價(jià)，作為中國農(nóng)業(yè)走出去戰(zhàn)略中地域選擇的參考指標(biāo)。(3)在水分條件得到滿足的情況下，提高農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)系數(shù)是發(fā)揮光溫生產(chǎn)潛力，促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)的重要途徑，應(yīng)當(dāng)成為作物育種的重點(diǎn)發(fā)展方向。(4)發(fā)展中國家發(fā)展節(jié)水灌溉的最大障礙是農(nóng)田水利設(shè)施落后，解決資金短缺問題是關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)利用豐富的耕地資源、宜農(nóng)荒地資源和水資源以及巨大的農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿?，吸引國際投資，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平和食物自給率。(5)一帶一路地區(qū)土地資源和水資源豐富且開發(fā)程度較低，發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的投資需求巨大，應(yīng)當(dāng)是我國農(nóng)業(yè)走出去的主要地區(qū)，如俄羅斯西伯利亞和遠(yuǎn)東的南部地帶、蒙古和中亞5國、南亞和東南亞地區(qū)以及非洲。拉丁美洲和澳大利亞地區(qū)土地資源豐富，具有巨大的農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿?，也可作為我國國家農(nóng)業(yè)合作的主要目的地。