中国农田小麦和玉米产量时空演变及驱动因素

探究中国小麦和玉米产量的时空变化特征和关键驱动因素,为粮食安全战略决策提供理论依据。基于农业农村部近30年(825个点位,1988-2019年)全国农田监测数据,分析了小麦和玉米产量的时空变化特征,利用逐步回归和随机森林模型探究施肥、气候和土壤属性对产量变化的影响,最后通过偏最小二乘法探究各指标影响产量变化的主要调控路径。结果表明,近30年,小麦、玉米单作和二者轮作下平均产量分别为5.05、9.05、6.01和7.08 t/hm^(2),相应的变异系数为36.6%、26.2%、32.1%和28.0%,相应作物产量随时间的增加速率分别为100、159、46和98 kg/(hm^(2)·a)(P<0.05)。同其他作物轮作下的小麦产量、变异系数和变化速率分别为5.29t/hm^(2)、28.6%和67kg/(hm^(2)·a)(P<0.001)。高产玉米主要分布在西北(单作)和华北地区(与小麦轮作);高产小麦主要分布在同玉米轮作下的长江下游和华北地区。西南地区小麦和玉米产量最低。除了西南和长江中游地区小麦玉米轮作下的小麦产量随监测时间延长呈负增长,其他各区域及全国尺度上的产量均呈正增长。逐步回归结果表明:氮肥对小麦和玉米产量的调控作用均达到极显著水平(P<0.01),而土壤pH的调控作用均未达到极显著水平。针对不同区域而言,随机森林结果显示:除了气候和氮肥的重要性以外,有机质在大部分区域(尤其是西南地区)对产量变化的重要性较大,而钾肥对华北和西北地区的玉米产量变化的重要性较大。通过偏最小二乘法分析发现,土壤属性、肥料投入和气候三者对产量调控的总效应分别为47.6%、29.4%和23.0%,气候主要是通过影响土壤属性和施肥进而调控作物产量。近30年中国小麦和玉米产量整体上呈不断增加趋势,但是西南和长江中游地区小麦玉米轮作下小麦产量随时间呈降低趋势,需引起重视。土壤性质对小麦和玉米产量变化的影响高于施肥和气候,除了氮肥是调控各区域作物产量的关键因素以外,华北、东北和西北地区在种植玉米时还应当重视钾肥合理的投入,而西南地区应当将提升土壤有机质和有效磷含量作为实现高产稳产的主要措施。

中国水稻相对产量差时空变异及其对氮肥的响应

【目的】通过分析2004—2019年间中国水稻相对产量差的时空变异特征、驱动因素以及不同地力水平下相对产量差对氮肥的响应,为实现水稻增产和氮肥合理施用提供理论依据。【方法】数据来源于2004—2019年间农业农村部耕地质量监测保护中心设置在全国主要稻区的408个监测点,包括东北地区24个、长三角地区110个、长江中游地区138个、西南地区56个、华南地区80个。以各监测点施肥区与不施肥区水稻产量之差代表由肥料投入及由此引起的土壤性质改变所贡献的相对产量,利用高产农户统计法获取最高相对产量(HRY)和平均相对产量(ARY),HRY和ARY之差为相对产量差(G_(RY))。根据不施肥区产量,将各区域土壤地力划分为低、中、高3个水平,结合随机森林模型探讨不同区域G_(RY)的主要驱动因素,计算不同地力水平下GRY与氮肥用量的关系。【结果】2004—2019年间,全国水稻HRY为4.98~6.86 t/hm^(2),ARY为3.06~3.47 t/hm^(2),GRY为1.92~3.41 t/hm^(2)。不同区域相比,HRY和GRY均是西南(水稻–其他作物轮作)>长三角(水稻–其他作物轮作)>华南(早稻)>东北(单季稻)>长江中游(水稻–其他作物轮作)>华南(晚稻)>长江中游(早稻)>长江中游(晚稻)。G_(RY)在低、中地力土壤上随着氮肥施用量的增加先显著降低后趋缓,而在高地力土壤上下降不显著。除西南稻区低、中地力和东北稻区低地力土壤外,其他区域的低、中地力上均出现了氮肥施用量的转折点:长江中游早稻和晚稻分别为187.5、165.0 kg/hm^(2)和183.5、152.5 kg/hm^(2),华南早稻和晚稻分别为195.0、153.0 kg/hm^(2)和169.0、157.0 kg/hm^(2),长江中游和长三角水稻–其他作物轮作体系下分别为199.5、184.5 kg/hm^(2)和202.0、171.0 kg/hm^(2),东北中地力土壤上为146.5 kg/hm^(2)。整体而言,低、中地力土壤上,氮肥用量、土壤有机质和全氮是影响G_(RY)相对重要的因素;高地力土壤上,土壤有机质和全氮对G_(RY)的影响较大,同时钾肥施用量显著影响长江中游和华南早稻的G_(RY)。【结论】西南地区水稻相对产量差最高,长江中游地区晚稻相对产量差最低。氮肥施用量、土壤有机质和全氮含量是影响水稻相对产量差的重要因素。高地力土壤上,氮肥用量对相对产量差影响不显著,建议适当减施氮肥。低、中地力土壤上,在氮肥用量转折点(146.50~202.00 kg/hm^(2))之前,增施氮肥可显著降低相对产量差,提高产量潜力。在长江中游和华南地区的高地力土壤上早稻应注重钾肥施用。

基于多评估方法的县域镉污染风险管控研究

为支撑区域尺度重金属镉(Cd)污染农田的分区管理决策,以湖南省某典型粮食大县为案例,通过区域网格采集土壤和水稻样品,分析县域Cd污染空间分布特征,结合单因子评价、地累积指数法和人体健康风险法,评估该县Cd污染风险。结果表明:不同评价方法对Cd污染风险区划分差异较大。单因子指数法显示该县仅有5.9%的区域存在污染风险,地累积指数法显示该县29.2%的区域存在污染风险,主要分布于中东部。而健康风险评估法显示全县分别有90.0%和82.7%的区域对儿童和成人存在Cd污染风险,风险面积最大,主要位于该县中东部和南部区域。情景分析显示,土壤酸化改良是降低酸性中轻度Cd污染农田风险的有效措施,酸化改良可减少22.0%-37.8%的风险区域。研究表明,在南方酸性土壤地区,应强化以人体健康为导向的区域Cd污染风险管理方案,并结合酸化农田改良降低中轻度Cd污染地区的污染风险,促进Cd污染农田安全利用。