河北省县域农业绿色发展指标时空变化特征

为剖析河北省县域农业绿色发展的主要问题及限制因素,本文以河北省135个县(区)为研究对象,围绕社会、经济、生产力、资源和生态环境5个维度,选取了26项农业绿色发展指标,基于专家意见和统计资料,参照农业绿色发展程度将入选指标从高到低划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ级,并定量分析了1996年和2016年河北省县域尺度的农业绿色发展指标时空变化特征。结果表明, 20年间河北省农业生产条件不断改善,农业机械化水平与农田灌溉水平均有不同程度的提升;农业经济效益大幅增长,单位面积农业产值与人均可支配收入分别增长了1.96倍和3.05倍;农业生产能力持续提升,表现为单位面积热量产量及植物蛋白产量持续上升,氮素利用效率有所回升;资源投入持续增加,表现为氮、磷、农药及农膜的使用强度不断增加;环境风险仍处于较高水平。从空间变化来看,河北省东北部和南部地区社会发展、经济和农业生产的农业绿色发展程度呈提高趋势;而资源和生态环境指标绿色发展程度总体表现为下降趋势,呈现出西北部和东南部地区高的特征。5类指标绿色发展程度等级处于Ⅰ级水平的县域数量占比较高,呈现明显的空间差异。河北省农业绿色发展的主要瓶颈问题来自资源短缺、环境污染和生态破坏,造成以上问题的原因是资源投入过高、种养结构改变和农牧分离严重,下一步需要提高资源利用效率,保持产地环境的清洁和生态系统的稳定,快速推进河北省县域的农业绿色发展。     

推进种养结合的制约因素及政策建议

随着粮食增产的迫切需求和化肥工业的快速发展,我国种植业与养殖业养分物质循环断裂,推进种养结合成为实现农业绿色发展重要途径。但目前,我国从农户层面以及区域层面都存在着种植与养殖之间的纽带断裂,造成了农业资源利用的错位,也产生了资源环境双重压力。推进种养结合的堵点主要表现在养殖场责任尚未压实、有机肥施用不便利、堆肥质量标准缺失、社会化服务体系不完善等多方面。本文结合对国内和国际上推进种养结合的典型做法的分析,在强化提升国家粮食安全保障能力的大背景下,从优化种养布局规划、压实养殖主体责任、强化科技支撑、培育社会化服务组织等方面提出了当前构建全新的种养循环体系的建议。     

基于扩散理论的华北春玉米生理成熟后籽粒脱水过程分析

玉米机收籽粒可以显著提高玉米的生产效率,是玉米生产的发展方向。生理成熟后的籽粒含水率是决定机收质量的关键,受品种、密度和气候等多种因素影响。准确估算生理成熟后玉米籽粒含水率,进而分析其主要影响因素,最终确定玉米收获时间和筛选适宜机收的品种,对玉米主产区华北的春玉米籽粒机收发展具有重要意义。因此,于2017年和2018年在河北省泊头、南大港、玉田和山西榆次进行了两年田间春玉米试验,每年设置7个共性品种,每个品种3个密度,对生理成熟后籽粒含水率、品种性状、气象和管理要素进行了监测,并利用基于扩散理论考虑空气温湿度的脱水模型对籽粒含水率进行了模拟,进而计算脱水曲线下的面积(AUDDC),用以筛选脱水优异的玉米品种。结果表明,基于扩散理论的籽粒脱水模型对玉米生理成熟后籽粒含水率的模拟效果较好;年份、地点和品种对生理成熟时籽粒含水率(M_0)和水分扩散速率(k)具有显著影响,密度对脱水参数影响不显著。逐步线性回归分析得到灌浆期参考作物蒸发蒸腾量(ET_0)、最高气温和灌水量对M_0具有显著的正效应,生理成熟后30 d内ET0和灌浆中后期降雨对k具有显著的正效应,全生育期降雨对k具有显著的负效应。品种性状中对M_0影响最大的为苞叶层数(正效应),对k影响最大的为叶片数(负效应)。通过模型计算得到,生理成熟后10d华北地区春玉米籽粒含水率可以下降到28%,籽粒含水率下降到25%的概率为50%。由模型计算得到各品种生理成熟后10 d内的AUDDC,与AUDDC平均值比较发现‘京农科728’‘张1453’‘华农887’‘广德5’和‘金科玉3306’为脱水表现优异的品种。     

中国奶业全产业链绿色发展指标的时空变化特征

奶业是关乎国民健康和食品安全的战略性农业产业,本文从社会发展、经济效益、产品生产、资源投入和生态环境5个方面选取28项指标,发展和完善了中国奶业全产业链绿色发展指标体系和分级标准。基于该指标体系,利用NUFER-animal模型,定量分析了1990—2017年中国奶业绿色发展指标的时空分布特征,剖析了产业绿色发展的限制因素,阐明了优化途径。结果表明:中国人均奶制品消费量稳步提高,从2.0kg?cap.?1?a?1增加到12.5kg?cap.?1?a?1;奶牛单产水平不断提高,从2.4t?head?1?a?1增加到7.0t?head?1?a?1,种养系统氮素利用效率由8.4%提升至14.4%;单位牛奶的资源投入和环境代价均呈下降趋势,生产单位牛奶的蓝水足迹由0.5 m3?kg?1降低到0.2 m3·kg?1,耕地资源投入量由18.5 m2?kg?1降低到3.3 m2?kg?1;养殖系统氨挥发量指标由21.9 g(N)?kg?1降低到7.0 g(N)?kg?1,但仍远远高于欧美国家水平;牛奶生产和加工成本逐年增加,利润却低于欧美等先进国家的水平。空间特征分析表明:农牧交错带和东部沿海地区产品生产、资源投入和生态环境绿色发展水平相对较高,北方地区牛奶及奶制品的生产、消费水平均高于南方地区。发展种养一体化产业链融合绿色发展技术与模式、构建产销一体化产业链融合绿色发展利益共享机制和形成全产业链质量追踪服务体系与国民消费信任机制是促进中国奶业振兴和绿色发展的有效途径。     

华北平原地下水压采区冬小麦种植综合效应探讨

华北平原冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式为维护国家粮食安全发挥了重要作用。但冬小麦生长期正处于华北平原降水较少的干旱季节,实现高产依赖于灌溉,是华北平原地下水超采的主导因素之一。随着国家地下水限采政策的实施,在地下水超采区如何稳定冬小麦的种植面积和产量是面临的一个重要问题。本文通过综述以往研究并结合典型地点田间试验结果,从冬小麦种植可减少休闲期土壤蒸发损失、具有的深根系系统可充分利用土壤储水、可利用微咸水替代淡水灌溉、通过限水灌溉发展优质麦生产、冬春形成覆盖层美化和防沙尘效应等方面论述了华北平原种植冬小麦的优势,提出华北平原冬小麦生产需要转变传统高耗水高产量理念,充分发挥冬小麦抗旱、耐盐能力强的特点,在不实施大规模压缩冬小麦种植面积条件下,通过冬小麦限水灌溉和微咸水利用满足对地下水压采需求,充分发挥华北平原冬小麦种植冬春防风沙、美化环境的生态功能,同时满足区域口粮安全的保障功能。     

‘小偃60’在不同水氮条件下的用水特性

以过筛土壤为培养基础,以圆形桶为容器,设置了3个水分梯度(W0、W1、W2,分别为田间持水量的50%、65%、80%)、4个氮素梯度(N0、N1、N2、N3,施氮量分别为每桶0 g·kg?1、0.10 g·kg?1、0.20 g·kg?1、0.29 g·kg?1),探究冬小麦新品系‘小偃60’干物质积累与分配、水分利用效率、光合参数的变化规律,为其推广及高产高效栽培提供依据。结果表明,水、氮均对冬小麦生物量及产量、叶片叶绿素含量、叶水势、叶片净光合速率等有显著影响,且水对籽粒产量的主效应大于氮肥。水分和氮肥适宜处理(W2N2)比水分和氮肥轻度亏缺处理(W1N1)增产66.03%,W1N1比水分和氮肥严重亏缺(W0N0)增产153.30%。在相同水分处理下,冬小麦叶绿素SPAD值随着施氮量的升高而升高,而在相同施氮量条件下,水分严重亏缺处理(W0)和水分适宜处理(W2)的冬小麦叶绿素SPAD值均低于水分轻度亏缺处理(W1)。水分对叶片水势为正效应,表现为随着土壤含水量的增加显著升高到不明显升高趋势。光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、瞬时水分利用效率(WUEi)均随着施氮量的增加而升高,Pn、Tr随土壤水分提高而上升,WUEi却随土壤水分提高而下降。在低氮(N1)或者不施氮肥(N0)条件下,产量水分利用效率(WUEy)随水分的增加表现先升高而后变化不明显的变化趋势;在适宜氮肥(N2)和高氮(N3)条件下,WUEy随着水分的增加而升高。通过对试验结果的分析得出如下结论:1合理的水氮管理使‘小偃60’的籽粒产量及水分利用效率(WUE)维持在较高水平,过多水肥均引起产量及WUE下降;2不同水氮下籽粒产量、水分利用效率均与叶片净光合速率显著正相关;3‘小偃60’在河北环渤海地区更适合在低水中肥条件下种植。     

基于遥感的华北平原农作物时空分布变化特征分析

作物种植面积的多年时空变化是进行农业结构调整和优化的基础,也是开展农业减灾、地下水保护的重要依据。为了解华北平原主要作物近年来种植面积的时空变化过程,本文基于2000—2013年的MODIS NDVI数据和TM/ETM遥感数据提取当地主要作物的种植面积,并分析了华北平原主要作物近年来的时空变化特征。结果表明:1基于MODIS NDVI数据和TM/ETM遥感数据提取当地主要作物的种植面积,提取精度较高,结果可靠;2冬小麦?夏玉米主要分布于太行山前平原、山东省和河南省的引黄河灌区,单季玉米在河北平原北部分布最广,水稻集中分布于天津、河北唐山地区和黄河沿岸,蔬菜主要分布在城市郊区,林果分散分布于几个产果区和京津周边地区,棉花主要集中于华北平原中部地区。3华北平原粮食作物(小麦、玉米和水稻)种植面积明显下降,经济作物(林果和蔬菜)则显著增加,其中林果、蔬菜和水稻的面积变化率较大,分别为56.45%、35.76%和23.16%,蔬菜和水稻的位置转移明显。4景观格局AWMPFD和SHEI指数值表明,河北平原以南的冬小麦?夏玉米种植规模化程度提高,豫北地区冬小麦?夏玉米种植面积增加,豫北以北地区由于各类经济作物种植面积增加,区域作物种植多样化指数增加。该结果可为农业种植结构调整、资源合理利用提供参考。     

华北平原旱地不同熟制作物产量、效益和水分利用比较

针对华北平原地下水超采严重,通过研究雨养旱作条件下不同熟制的产量、投入产出和水分利用效率,探索华北平原缺水区雨养旱作条件下的节水种植制度,可为地下水超采提供技术支撑。以当地主栽种植模式冬小麦和夏玉米一年2熟种植和春玉米一年1熟种植为研究对象,通过大田试验对雨养旱作条件下冬小麦、夏玉米和春玉米3种作物构成的2种种植制度的产量、耗水、投入、产出进行分析。试验于2007—2013年在中国科学院栾城农业生态系统试验站进行,该站为华北平原高产农区的典型代表。试验共设2个处理,T1为冬小麦-夏玉米一年2熟制,T2为春玉米一年1熟制。T1中的冬小麦生育期为每年的10月中上旬至翌年的6月中旬,夏玉米为6月中下旬至10月上旬,冬小麦品种大部分年份为‘科农199’,夏玉米品种为‘郑单958’。T2中春玉米的生育期为每年的5月中下旬至当年的9月上中旬,品种为‘农大108’、‘浚单20’、‘郑单958’和‘先玉335’。试验区从2007年9月至2013年6月一直未灌溉,为雨养旱作条件。研究结果表明,雨养旱作条件下,冬小麦产量基本稳定;夏玉米和春玉米产量随年型不同波动较大,尤其是夏玉米产量受播种时土壤含水量的影响较大,很多年份由于干旱少雨,玉米出苗时间推迟,导致玉米产量大幅度降低。T1比T2虽然具有明显的产量优势,增产34.1%,但由于冬小麦生产投入较高,T1的净收益比T2低279.97元·hm-2。3种作物的生产投入中,农资和机械投入比例最大,劳动力投入占很小比例,农资投入中,化肥投入最高;3种作物的产投比分别为1.42、2.66和3.42,雨养旱作条件下冬小麦的产投比最低,春玉米最高。从作物的耗水结构分析,冬小麦生育期降雨较少,以消耗雨季储存于土壤中的土壤水分为主,春(夏)玉米生育期降雨较多以消耗降雨为主。目前,生产上正在自发地压缩冬小麦的种植面积,春玉米一年1熟种植面积迅速增加。因此,在保证区域粮食安全的条件下,通过调整农业种植结构可以控制水资源的过度开采,保证农业持续发展。     

氮肥施加条件下增温对硝化菌活性和丰度的影响

温度在多种生物地球化学过程中起到关键的调节作用,是影响土壤硝化作用和微生物分布的重要因素之一。硝化过程的第1个步骤由氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)催化,然而,不同施氮量下,增温对硝化菌活性和丰度的影响尚不清楚。本研究基于2008年10月起设立于太行山山前平原的长期增温试验平台(高于地表2m的红外加热器使土壤温度升高1.5℃),于2018年5月对不施氮(N0)和施氮[N1,240kg(N)·hm-2·a-1]下增温分别对0～10 cm和10～20 cm土壤硝化潜势(PNR)、AOA和AOB丰度的影响进行了研究。硝态氮(NO3--N和铵态氮(NH4+-N)含量用分光光度法测量,应用缓冲液培养法测定土壤PNR,提取土壤DNA后用实时荧光定量PCR技术测定功能基因AOA和AOB的丰度。结果表明:温度升高显著增加N1条件下PNR和NO3--N含量(P0.05),降低了N0条件下PNR和NO3--N含量,但差异不显著。N1条件下,增温土壤AOB丰度显著提高(P0.05); N0条件下,增温土壤AOA丰度显著降低(P0.05)。与N0相比, N1条件下的AOA/AOB比值明显降低,表明增温加氮肥处理对AOB的生长刺激更强烈。在增温加施氮条件下,细菌(AOB)表现显著的正反应,在增温不施氮条件下,古菌(AOA)和AOB表现显著的负反应。本研究结果可为全球增温背景下进一步了解硝化活性和氨氧化微生物对增温和氮有效性的响应提供科学依据。     

雄安新区上游农业种植结构及需水时空演变

本文利用作物模型模拟小麦、玉米灌溉需水量,结合蒸发皿法估算蔬菜、果树等其他作物需水量,回溯雄安新区上游1986-2015年农业种植结构及农业需水的时空演变趋势,摸清不同作物的需水量比例及时间变化,并推算了消除降水年际波动的1970-2015年农作物灌溉需水量,探讨单纯人类活动下的农业需水量变化趋势。结果表明,1986-2015年,研究区作物播种总面积总体呈上升趋势,耕地面积多年平均84.9万hm²,有效灌溉面积平均71.3万hm²,占总耕地面积的84%。其中小麦播种面积稍有下降,玉米、蔬菜播种面积显著增加,果树种植比例在山区增加、平原区减少。研究区多年平均灌溉需水量22.52×10⁸ m³,小麦、玉米、蔬菜、果树和其他作物分别占灌溉需水总量的58.6%、12.6%、5.8%、16.3%和6.7%,受播种面积增加影响,1970-2015年,蔬菜和果树需水显著上升。从空间上来看,灌溉需水总量在上游山区上升显著,而在平原区表现为下降;排除降水的年际波动后,研究区作物需水自1970年以来一直呈上升趋势,进入20世纪80年代中期,虽然整体上升减缓,但随农业播种总面积增加和蔬菜、水果需水增加影响,需水量整体呈缓慢上升趋势。因此,控制上游农业用水,种植低耗水作物、减少耗水作物的种植面积,是恢复雄安新区清水产流的关键。