Spatio-temporal Evaluation of Multi-scale Cultivated Land System Resilience in Black Soil Region from 2000 to 2019:A Case Study of Liaoning Province,Northeast China

It is of great significance to systematically analyze the cultivated land system resilience(CLSR) for the black soil protection and national food security.The CLSR is impacted by planting structure adjustment and cultivated land quality decline,posing major hidden dangers to food security.It is urgent to evaluate the CLSR at multiple spatio-temporal scales.This study took Liaoning Province in the black soil region of Northeast China as an example.Based on the resilience theory,this study constructed the CLSR evaluation system from the input-feedback perspective at the provincial-scale and the city-scale,and used the rank-sum ratio comprehensive evaluation method(RSR) to analyze the key influencing factors of CLSR in Liaoning Province and its 14 cities from 2000 to 2019.The results showed that:1) the time series changes of CLSR at the provincial-scale and the city-scale in Liaoning Province were similar,both showing an increasing trend.2) The CLSR in Liaoning Province presented a spatial pattern of ‘high in the west and low in the east’ at the city-scale.3) There were seven and six main influencing factors of CLSR at the provincial-scale and the city-scale,respectively.In addition to the net income per capita of rural households,other influencing factors of CLSR were different at the provincial-scale and the city-scale.The feedback factors were dominant at the provincial-scale,and the input factors and feedback factors were dominant at the city-scale.The results could provide a reference for the utilization of black soil and draw on the experience of regional agricultural planning and adjustment.

Evaluation and Driving Force Analysis of Cultivated Land Quality in Black Soil Region of Northeast China

Cultivated land is an important natural resource to ensure food,ecological and economic security.The cultivated land quality evaluation(CQE)is greatly significant for protecting and managing cultivated land.In this study,320 counties in the black soil region of Northeast China(BSRNC)represent the research units used to construct the CQE system measuring the soil properties(SP),cultivated land productivity(CLP),ecological environment(EE)and social economy(SE).The total of 19 factors were selected to calculate the integrated fertility index(IFI)and divided into grades.Simultaneously,we used the coupling coordination degree model to comprehensively analyze the spatial pattern of the cultivated land quality(CLQ)in the BSRNC,and use the structural equation model(SEM)to analyze the driving mechanism.The results show the following:1)The CLQ of 262 counties in the BSRNC is in a state of coupling and coordination,and the coupling and coordination degree presents a spatial distribution pattern of‘high in the southwest and northeast,low in the northwest and southeast’.The coordinated development degree of 271 counties is between 0.4 and 0.6,which is in a transitional state between coordination and disorder.2)The CLQ in the BSRNC is generally good,with an average grade of 3.High-quality cultivated land accounts for 58.45%of all counties,middle-and upper-quality cultivated land accounts for 27.05%,and poor-quality cultivated land accounts for 14.49%.3)The SEM analysis shows that the SP,CLP,EE,and SE all influence the CLQ.Among them,the SP has the largest driving force on the CLQ,while the SE has the smallest driving force on it.The results confirm that the main factors affecting the evaluation results are crop productivity level,normalized difference vegetation index,ratio vegetation index,difference vegetation index,and organic carbon content.When implementing protection measures in counties with a low CLQ,considering a balanced coordination of multiple systems and reasonably controlling the quality degradation are important.This study provides the current situation and driving factors of the CLQ in the BSRNC and will play an important role in black soil governance and utilization.

Change of cultivated land area and effect on ecosystem service in black soil region in Northeast China: a case study of Lishu County, Jilin Province

It is of great significance to study the influence of spatial pattern change of cultivated land on eco-system service,including the sustainable utilization and ecological protection in black soil region in Northeast China.Taking Lishu County of Jilin Province as the study area,we quantitatively evaluated soil conservation,habitat quality,carbon storage and grain production service,and analyzed the change of cultivated land and ecosystem service pattern in Lishu County from 1990 to 2020 by using Pearson correlation analysis on the correlation between cultivated land change and ecosystem service.The results show that:(1)The cultivated land area of Lishu County was reduced by 19.67 km2,the characteristics of cultivated land change are signifi-cant;(2)the overall change rate of carbon storage,habitat quality,soil conservation and grain production ser-vice in the study area was 10.82%,-0.09%,4.07%and 1.80%,respectively.They all had significant spatial differentiation features;(3)the change of habitat quality,grain production service showed a significant pos-itive correlation with the change of cultivated land area.The change in soil conservation and carbon storage were negatively related to cultivated land area.In order to promote the rational development and utilization of cultivated land in the research area,it is suggested to scientifically carry out the comprehensive utilization of cultivated land reserve resources such as saline-alkali land,strengthen the management and protection of newly added cultivated land at the same time.The results can provide scientific reference for formulating comprehensive land use planning under ecological security conditions.

Temporal and Spatial Variation Characteristics of Soil Organic Carbon Content in Cultivated Land of Black Soil Region in Liaoning Province

[Objectives]To study the temporal and spatial variation of SOC content in cultivated land in black soil region in Liaoning Province.[Methods]Through the evaluation and analysis of the research data of this project and the data of the second national soil census,and using GIS technology,this paper studied the temporal and spatial variation characteristics of SOC in the black soil region of Liaoning Province,and provided a basis for improving cultivated land carbon storage and soil organic matter content.[Results]Since 1980,the SOC content in cultivated land in the black soil region in Liaoning Province has generally declined,and the spatial distribution difference has gradually decreased.From 1980 to 2018,the homogeneity of SOC distribution weakened,and the variation in a small range strengthened.The SOC content generally showed the characteristics of increase and decrease,and the changes in the area were scattered.[Conclusions]This study is of great significance to the sustainable utilization of land resources.

东北黑土区典型县域耕地质量对耕地水田化的空间响应

[目的]耕地水田化过程对耕地质量具有至关重要的影响,明确东北黑土区耕地质量对耕地水田化的空间响应,是提升黑土耕地质量实现耕地可持续利用的重要前提。[方法]构建LESA耕地质量评价体系,采用CRITIC模型、双变量局部空间自相关模型,揭示耕地质量和耕地利用变化之间的空间响应关系。[结果](1)研究区耕地水田化现象剧烈,呈现出东部最强、西部次之、中部最弱的时空分异格局;(2)研究区耕地质量变化显著,耕地质量下降比例低于质量提升比例,表现出中部下降最高、西部下降次高、东部下降最低的时空格局;(3)研究区耕地质量对水田化的响应具有双重效应,负向响应更为敏感,整体呈现出东部耕地质量响应程度高于其他区域的空间格局。[结论]研究区耕地水田化对耕地质量具有正、负两种效应,依据效应方向进行耕地利用结构调整,是保护黑土耕地的重要途径。对于具有正向效应的区域应适度推进旱改水项目,而针对具有负向效应的区域应停止旱改水工程,积极进行水田休耕,并可适当地将其恢复为旱地。

“双碳”目标下东北黑土区耕地利用生态效率时空格局与演变趋势

[目的]探究东北黑土区耕地利用生态效率的时空格局和演变趋势,将碳源与碳汇融入耕地利用过程,这对于实现黑土减排增效和“双碳”目标至关重要。[方法]基于超效率SBM模型、核密度估计、探索性空间数据分析和空间插值工具等方法,系统考察了2006—2020年东北黑土区耕地利用生态效率的时空特征与演进规律。[结果]黑土区耕地利用生态效率历经波动上升、显著下降和迅速回升3个阶段,总体处于较高发展水平,北部边缘城市的效率值明显高于中南部地区,基期和末期区间两极分化局势尤为显著,整体发展严重失衡;黑土区耕地利用生态效率全局空间相关特性并不明显,大致呈现“边缘—中心”空间扩散格局,由南北两端高值集聚向内及四周递减,而后形成多个块状高值区和低值分布带,规模集聚优势未能得到充分发挥;多数城市均存在不同程度的投入与产出冗余,劳动力和化肥冗余问题较为严重,碳排放冗余是造成黑土区耕地利用生态效率损失的普遍因素。[结论]优化要素配置和污染减排治理成为黑土利用重点改善方向,也是提升黑土区耕地利用生态效率的关键路径。

东北典型黑土区耕地侵蚀沟形态系统分类方法构建

侵蚀沟形态分类是认识其发展现状和潜在危害的重要方法,探究耕地侵蚀沟形态分类特征和分布特征对把握耕地侵蚀沟防治重点,预防坡耕地水土流失具有重要意义。针对现有侵蚀沟形态分类体系指标获取难、分类结果不完整等问题,利用遥感解译数据,根据系统分类和信息科学理论,结合东北黑土区现实需求,构建了耕地侵蚀沟系统分类方法,并在典型黑土耕作区海伦市进行了验证。结果表明:1)海伦市耕地侵蚀沟具有小面积、大宽度、短长度的特点,Ⅰ类和Ⅱ类为数量最多的一级分类;Ⅱ类四等微型沟(Ⅱ4T)和Ⅱ类四等小型沟(Ⅱ4S)在二级和三级分类中数量居多,易通过高标准农田建设进行治理。2)地形要素下耕地侵蚀沟形态分布差异明显,需要特别关注在高程180~<240 m,坡长35~<55 m,坡度2°~6°,西南坡区域内的Ⅰ4T、Ⅱ4S、Ⅱ4T等发育程度较低的侵蚀沟向更高发育程度的Ⅳ4M、Ⅴ4M等类型转变,建议结合农田建设及时采取综合防治措施,以防止耕地侵蚀沟的潜在破坏。3)构建的“类+等+型”耕地侵蚀沟分类定级方法,兼顾指标的易获取性和方法的易操作性,能够精准、直观地揭示耕地侵蚀沟的形态特征及其危害情况,可为侵蚀沟和黑土耕地的协同综合治理提供方法借鉴。

考虑碳排放约束的耕地利用生态效率时空差异与影响因素分析——以东北黑土区29个地级市为例

为保障粮食安全,促进东北黑土区农业低碳发展,推动黑土区农业绿色高质量发展和区域协同发展提供参考。以耕作过程产生的碳排放量作为非期望产出约束,利用超效率EBM模型对2007—2021年东北黑土区耕地利用生态效率进行有效测度,进一步采用Malmquist指数模型和Tobit回归模型探究考虑碳排放约束的东北黑土区耕地利用生态效率时空差异与影响因素。结果表明:①考虑碳排放约束条件的东北黑土区耕地利用生态效率整体上呈先上升后下降再上升的“N”型态势,东北黑土区四省中黑龙江省是唯一相对有效省份,29个地级市中未达到有效状态城市占72.4%;②碳排放约束条件的耕地利用生态效率损失是投入、非期望产出冗余和期望产出不足导致的,同时技术进步变化对生产率的影响更显著;③东北黑土区耕地利用生态效率受资源禀赋、环境规制水平和政府支持力度的显著影响。基于上述研究,为提高黑土区耕地利用生态效率,应考虑黑土地的自然、生产和生态特性,优化投入结构、提高农业现代化水平、制定可持续耕地利用绿色降碳减排的发展规划。

基于GBDT的望奎县农田土壤有机碳主控因子研究

利用多源公开数据,针对于2012年搜集到的农田土壤有机碳(SOC)数据,通过梯度增强决策树(GBDT)探究SOC的主控因子,揭示SOC空间分异机理.选择国家商品粮食生产基地县和全国产量大县-望奎县作为研究区域,结果表明,GBDT模型相较于一元线性回归模型在所有的自变量上均具有更好的预测效果,总体的R^(2)为0.958,表明该模型能够很好地解释目标变量的变异;碱解氮、有效磷、气温、土壤微生物多样性、速效钾、土壤pH和降水量依次是影响有机碳含量最为显著的几个因素,其中碱解氮以33.85%的影响权重位居最高;7个环境协变量均观察到对SOC的阈值效应,且均具有两个阈值.研究发现任意两个变量都不是独立的,均存在相互作用的负值效应.表明环境变量对SOC含量的影响是一个复杂的交互作用,而不是简单的叠加.侧面证明了过度施肥并不会达到增加土壤肥力的作用,而会造成资源浪费和农田生态污染问题.

东北黑土地保护利用“北安模式”及推广建议

北大荒集团是东北大粮仓的重要组成部分,为国家粮食安全做出了重要贡献,总结其黑土地保护模式,为黑土地保护利用提供借鉴,为保障国家粮食安全提供路径选择。该研究利用典型案例调查法,通过实地调研与关键人物访谈,梳理黑土地保护做法与经验,总结凝练成“北安模式”。“北安模式”黑土地保护做法体现在,一是修建防护工程解决黑土变“薄”问题,打造绿色屏障,防止黑土地遭到风蚀水蚀;二是采取用养结合解决黑土变“瘦”问题,提高土壤中的有机质;三是运用深松整地解决黑土变“硬”问题,提高土壤结构的稳定性,缓解耕地板结情况。该模式取得明显的保护成效,水土流失治理面积超8 000 hm~2,黑土地有机质含量提高了2.8 g·kg^(-1),耕地质量平均已经提高0.5个等级。在运行机制上,“北安模式”黑土地保护采取“3+1”田长制、规范化生产流程与技术措施以及智慧化监测土壤墒情。为进一步推广黑土地保护的“北安模式”,建议加强高标准农田建设筑牢防护工程以促进耕地的保护和绿色利用;协同农业减污与提质增效以促进农业绿色发展;加强校企合作强化耕地科技以促进农业高质量发展;发挥服务主体优势提升社会化服务水平以协同周边地区共同保护。

大兴安岭南麓黑土区阿荣旗耕地质量评价与障碍因素分析

明确耕地质量等级及障碍因子,对土地差异化利用和农业可持续发展具有重要意义。本研究以阿荣旗全境农田土壤为研究对象,利用GPS定点采集信息,通过专家打分、层次分析等方法计算各指标权重和隶属度,构建了16项指标为核心的耕地地力等级评价体系,研究耕地等级和量化障碍因子,分析各等级耕地分布和主要障碍因子。结果表明:根据耕地质量综合指数(IFI值),阿荣旗耕地可划分为8个等级,其中一至四等耕地面积占阿荣旗总耕地面积的95.70%。微生物多样性、灌溉排水能力、农田林网化是该区域农业生产的主要障碍因子。大兴安岭南麓黑土区阿荣旗耕地生产能力的提高,应考虑一至四等耕地的保护,五至八等耕地仅占总耕地面积的4.30%,可以实行退耕还草还林或粮草轮作等技术模式,修复生态环境,提升地力。

有利于黑土耕地保护的农艺技术及配套设备

加强黑土耕地保护是东北地区乡村振兴的关键,是农业可持续发展的重要工作,在国家政策的支持下,农民的黑土保护意识不断增强,农机、农艺融合应用一定程度改善了黑土耕地资源现阶段的退化、流失、耕层变薄等问题。为进一步加强黑土耕地保护规范性,该文分析了黑土耕地资源的现状及面临的问题,介绍了黑土耕地资源保护关键农艺技术,并对黑土耕地保护适宜农机特征进行概括,希望高效率落实促进黑土耕地保护工作。

粮食种植结构视角下东北黑土区耕地利用结构调控研究

科学模拟和调控耕地利用结构是实现种植结构优化的重要手段,对缓解粮食供求结构性矛盾具有重要意义。以东北黑土区典型县为例,基于粮食种植结构视角构建耕地利用系统动力学(System dynamics, SD)模型,预测水稻、玉米和大豆3种主要粮食作物的种植面积、产量和收益,通过经济、技术、市场多情景模拟提出耕地利用结构调控路径。结果表明:SD模型模拟效果良好,平均偏离度低于10%。预测2019—2030年研究区水稻和大豆种植面积将逐步增加,玉米种植面积缓慢减少。水稻和玉米产量均有所增加,大豆产量呈先增后减趋势。不同情景下3种作物的模拟结果存在明显差异,GDP水平提升、增加农业技术投入和农产品价格调控将有利于水稻种植面积、产量和收益增加。提升农民收入水平、加强农业技术支持和农产品价格调控对大豆种植面积、产量和收益的增加具有明显促进作用。而调控农民收入、农业技术和农产品价格对改善玉米的耕地利用结构效果不佳。通过建立种植结构调整补贴政策、推进农业机械化转型升级和健全农产品市场体系的路径组合实现耕地利用结构优化调控。研究系统阐释了耕地利用要素关系及其结构变化的内在逻辑,明确了不同情景下主要粮食作物耕地利用结构的调控路径,为区域未来粮食生产结构优化政策的制定提供依据,对实现粮食供求动态平衡、促进耕地资源高效可持续利用具有重要意义。

基于遥感技术的黑土区耕地质量评价指标体系研究进展分析

黑土是公认的肥沃土壤,但我国黑土耕地质量由于连年耕种导致土质严重退化。黑土区耕地质量监测与评价是落实黑土保护的重要手段,准确快速地获取耕地质量信息也是国内外重点研究方向。遥感作为一种新方法,为大范围、短周期获取黑土区耕地质量信息提供可能。文中通过文献计量分析法,归纳整理了常用的耕地质量评价指标和耕地质量评价方法,分析了国内外遥感技术在耕地质量相关方面的研究现状,构建了基于遥感技术的耕地质量监测体系框架,从耕地质量指标定量反演方面,分别分析了遥感技术在土壤物理指标、土壤化学指标定量反演的研究现状,概述了基于遥感技术在地形特征、基础设施建设方面的信息提取方法与数据基础;从耕地质量间接监测方面,分析了基于植被特征指数的耕地质量间接监测的研究现状。针对研究现状中不足与问题,提出了思考与建议。

东北黑土区耕地生态承载力动态评价及预测分析

耕地生态安全是粮食安全的基本保障,明晰黑土区耕地生态承载状况是夯实东北地区粮食安全压舱石的重要前提。基于2007~2019年统计数据,运用“省公顷”耕地生态足迹模型和ArcGIS等方法,在修正耕地均衡因子与产量因子的基础上,从时间和空间角度刻画总结东北黑土区耕地生态动态演化态势,并借助灰色GM(1,1)预测模型对比分析2020~2029年东北黑土区耕地生态未来变化趋势。结果表明,东北黑土区耕地生态足迹总体呈波动上升趋势,耕地生态承载力表现为先升后降的趋势变动,区域始终位于耕地生态盈余状态;东北黑土区内耕地生态水平呈“中间高,两端低”的空间分布格局,并逐渐由两端集聚向中部地区转移,整体上趋于衰退方向发展;2021年后,东北黑土区可能会暴露耕地生态赤字局面,到2029年人均耕地生态赤字达到0.2241公顷/人,黑土耕地资源利用将陷入不可持续发展阶段。

条耕种植对薄层黑土农田土壤物理性质与玉米产量的影响

【目的】探究不同种植年限与种植方式对松辽平原南部薄层黑土农田土壤改良与产量的影响。【方法】采用田间定位试验,分析条耕(ST)、免耕(NT)与常规垄作(CT)3种种植方式下土壤物理性质与产量性状的变化。【结果】种植2年地块,ST、NT与CT处理的耕层厚度与田间持水量无显著差异,而种植4年地块ST处理耕层厚度和田间持水量分别较CT增加15.46%和30.28%,与NT无差异。0~20 cm耕层土壤,ST处理下种植2、4年地块土壤穿透阻力分别较CT增加57.57%、42.86%,较NT处理分别降低5.2%、19.22%,3种耕作方式处理下种植2年和4年地块土壤容重与土壤孔隙度均无显著差异。20~40 cm亚耕层土壤,仅种植4年地块的ST处理土壤容重较CT降低11.56%,与NT无差异,而ST处理下种植2、4年地块的土壤穿透阻力分别较CT降低5.22%、19.62%,土壤孔隙度相应分别提高11.80%、15.92%。产量上,种植2年地块ST处理较CT、NT分别增产3.62%、3.52%,而种植4年地块,ST处理较CT、NT分别提高16.08%、9.29%。产量构成因素分析结果表明,单位面积有效穗数增加是条耕种植玉米实现增产的主要原因,随机森林模型结果进一步表明,耕层厚度与耕层穿透阻力分别是种植2年和4年条件下影响玉米产量最主要的因子。【结论】松辽平原南部薄层黑土农田种植玉米,采用条耕种植方式有利于薄层黑土农田良好耕层结构构建与产量水平提升。

长期耕作活动对大庆和绥化地区黑土理化性质的影响

我国东北黑土区面积广阔,是我国粮食的重要生产区。而黑土区包含黑土、黑钙土、草甸土等多种土壤,为深化研究黑土区的土壤性质,实现因地制宜保护黑土区的策略,采集了大庆市和绥化市不同地区耕地和非耕地的黑土、草甸土,通过实验分析了个22点位土样的6个理化性质指标。结果表明,在11个取样地区中,耕地pH普遍低于非耕地,其中肇源地区耕地pH为7.81,与非耕地相比下降了1.35;干物质含量中,除红岗地区外,耕地干物质含量均较非耕地有一定程度的上升,望奎地区干物质含量上升最多,为1.87个百分点;有机碳含量中,所有地区耕地均高于非耕地,大同耕地有机碳含量最高,为67.67 g·kg^(-1),本文非耕地增加了25.26 g·kg^(-1);全氮含量中,耕地含量均小于非耕地,绥棱非耕地含量最高,为3699.11 mg·kg^(-1),耕地相比非耕地降低了1520.28 mg·kg^(-1);全磷、全钾中,耕地含量均不同程度高于非耕地。综上可知,长期的化肥施用导致该地区土壤中已经有明显的磷、钾元素富集,且有较明显的土壤酸化和一定程度的土壤板结。当地政府应当及时调整政策,鼓励农民施用有机肥,缓解土壤质量的恶化。

黑土耕地资源管理信息大数据平台关键技术研究与构建

针对黑土耕地资源管理中幅员辽阔、空间基准不一、精细化程度不高等问题,结合测绘地理信息数据和技术优势,通过本底数据制作、数据库建设、平台研建等关键技术,设计并实现了黑土耕地资源管理信息大数据平台,并给出实现方案,为黑土耕地资源管理与保护相关工作提供参考。

关于耕作层土壤剥离用于土壤培肥的必要条件探讨

研究目的：探讨不同区域耕作层土壤剥离用于新增耕地、劣质耕地土壤培肥的必要条件。研究方法：现象溯因法和综合分析法。研究结果：不同土壤类型的耕地其土壤肥力水平和在剖面中的分布特征不一样。研究结论：开展耕作层土壤剥离再利用应该因地制宜，使得取土区的供土状况与填土区的需土条件相互匹配。

东北3个典型黑土区土壤无机硫的形态分布

采用田间取样、室内分步浸提的方法,系统研究了我国东北3个典型黑土地区土壤无机硫的含量分布和形态特征。结果表明:耕层(0～20 cm)黑土中无机硫含量占全硫的百分比为22%,其中水溶性硫占6%,吸附性硫占3%,盐酸可溶性硫占13%。水溶性硫和吸附性硫含量表现为海伦>北安>公主岭,盐酸可溶性硫含量为公主岭>海伦>北安。水溶性硫、吸附性硫含量随剖面的加深变化不大,盐酸可溶性硫在115 cm深度以下有一个积累的过程。土壤水溶性硫、吸附性硫与土壤有机质含量、阳离子交换量和<0.002 mm黏粒含量呈显著或极显著正相关,与pH呈显著和极显著负相关;盐酸可溶性硫含量和土壤电导率之间呈显著正相关。海伦地区黑土无机硫总量和盐酸可溶性硫含量随开垦年限增加明显下降,呈显著负相关。