鲁西平原冬小麦水分生产力时空格局及其变化分解

提高作物水分生产力(Crop Water Productivity,CWP)是减少农业用水、实现可持续发展的重要途径,掌握CWP的时空特征则是通过管理生产和耗水提高CWP的重要前提。本文综合作物遥感蒸散数据和农业生产数据,分析了鲁西平原冬小麦CWP的时空格局,并利用因素分解方法探讨了单产和蒸散对CWP变化的直接贡献。结果表明:2002年以来,鲁西平原冬小麦单产显著提高(P<0.05),推动冬小麦总产稳步提升,但2010年以后,单产贡献量逐渐减弱。2010年以后,种植面积具有正向效应(种植面积增加、总产增加,或种植面积减少、总产减少)的县域数目呈减少趋势。2006年以后,鲁西平原冬小麦CWP显著增加(P<0.05),2016年达到1.64 kg/m^(3)。空间分布特征表明,德州和济宁是CWP较高的“热点”地区。冬小麦CWP的变化直接受单产和蒸散的影响,2010年以后,单产具有正向效应(单产增加、CWP增加,或单产减少、CWP减少)的县域数量减少,蒸散具有正向效应(蒸散增加、CWP减少,或蒸散减少、CWP增加)的县域数目维持在较高水平,蒸散在CWP变化中起着越来越重要的作用。在单产增长趋于平缓的现状下,通过管理蒸散成为提升鲁西平原冬小麦CWP的重要途径,但也需要进一步挖掘单产的提升潜力。本研究可为鲁西平原冬小麦生产和耗水管理决策提供参考。

权衡生产和耗水的区域小麦种植格局优化

【目的】优化种植广泛、灌溉密集的小麦种植面积,发挥节水灌溉优势,缓解华北地区的水资源短缺压力。【方法】引入小麦蒸散量耗水和产量等指标,建立华北区域尺度上的县域小麦种植面积目标规划模型,探讨生产和耗水权衡视角下的区域小麦生产布局优化方案。【结果】2001—2009年,华北地区小麦生育期ET(Evapotranspiration)呈上升趋势,2010—2018年呈显著下降趋势(p<0.05)。不同水文年型的小麦ET差异显著,总体表现出“枯水年最高、平水年次之、丰水年最低”的特征。省级水平上,当总产量权重为1时,现有灌溉水平下的小麦总产量可提高1.2%~2.3%,当ET权重为1时,小麦蒸散量耗水可减少0.4%~0.8%;市级水平上的相应结果分别为0.7%~1.6%和0.3%~0.5%。此外,同一灌溉水平下,在总产量权重降低、ET权重增加的过程中,能保持较高小麦种植规模的区域呈现规律性转移(在河北是由南向北转移),体现了不同县域在小麦生产或耗水管理方面的优势。【结论】无论是当前灌溉水平还是在一定的灌溉约束下,通过优化华北地区的县域小麦种植规模,都可以获取更多的产量或实现更少的蒸散量耗水,本研究可为该地区区域小麦种植格局优化和水资源管理提供一定的参考。

黄淮海平原旱作农田土壤有机质含量的空间分异特征

基于空间自相关理论,探讨黄淮海平原旱作农田土壤有机质含量的空间分布结构,以及有机质与土壤黏粒含量和容重的空间相关关系。结果表明:黄淮海旱作农田土壤不同土层有机质含量区域均值分别为20.11±6.46(0~10 cm),14.76±5.11(10~20 cm),9.96±4.14(20~30 cm),8.03±3.45(30~40 cm)g·kg^(-1),分别处在三级至五级水平;0~20 cm各土层中,高值区域主要分布在太行山山前平原、山东引黄灌区等传统农业生产地带,以及河南南部和安徽北部的砂姜黑土区。随着土层深度的增加,有机质含量的空间分布结构趋于明显,10~40 cm各土层中,河北平原和鲁西北地区呈现LL(低-低)/HL(高-低)型分布特征;河南和安徽地区主要为HH(高-高)/LH(低-高)型,但不同土层的具体分布差异较大。有机质含量与黏粒含量之间存在显著的数理相关关系,与容重之间关系并不明显;有机质/黏粒含量和有机质/容重的双变量局部空间自相关类型中,LL/HL型主要分布在河北平原和鲁西北地区,其中HL型在0~20cm各土层中集中分布在太行山山前平原和山东引黄灌区地带,HH/LH型样点主要分布在河南和安徽地区,但不同土层具体分布差异明显。有机质与黏粒含量的空间自相关结构更明显;0~10 cm、10~20 cm土层较20~30 cm、30~40 cm土层的空间自相关结构更明显;农业管理措施及其地域差异性是造成各分布结构在空间水平方向及土壤垂直分层方向上差异化的重要原因。

农作物种植结构演变下的黄淮海旱作区小麦玉米生产时空格局

明确农作物种植结构类型的时空演变规律、以及演变过程中主要作物的生产时空格局,对开展农作物生产布局优化工作、促进农业可持续发展具有重要意义。基于农业统计数据,探讨2002—2018年黄淮海旱作区农作物种植结构类型的时空演变特征,同时利用空间自相关、重心模型等方法探讨农作物种植结构变化过程中该区域的两种主要作物——小麦和玉米的生产时空格局及其变化规律。结果发现:①近20年,黄淮海旱作区农作物种植结构类型整体由多样化向专一化发展,种植结构类型丰富度总体呈减小趋势,以小麦和玉米及其组合为主的种植结构占有的县域数目逐年增多,43%的县域小麦种植比例显著增加,81%的县域玉米种植比例显著增加(p<0.05)。②传统农业生产地带,包括河北平原西部、鲁西北等地小麦和玉米单产呈显著“高-高”聚集特征(p<0.05),河南中东部小麦单产也呈显著“高-高”聚集特征,但研究区南部玉米单产呈显著“低-低”聚集特征。尽管旱作区内部小麦和玉米的生产格局表现出一定的地域差异性,但近20年小麦和玉米的生产重心均集中分布在河北、山东、河南三省交界处,表明在农作物种植结构类型演变的过程中,区域尺度小麦和玉米的生产具有一定的时序稳定性。③在“以水定产”和地下水可持续利用的目标导向下,河北平原的小麦种植比例有所减少,2014年以后,小麦玉米型县域数目减少,玉米小麦型增加,2018年已不存在单一小麦型县域。本文可为黄淮海旱作区区域尺度农作物种植结构优化提供数据支撑与决策支持。