气候变化下黄土高原耕作系统演变与适应性管理

耕作系统主要包括土壤系统、作物系统和区域气候系统等几个相对独立、但又紧密关联的组成部分,涉及作物栽培模式、作物类型、杂草和病虫害及农田水土资源管理等方面,在黄土高原生态系统管理和农业可持续发展中占有重要地位。过去50a (1951-2000年),黄土高原的年平均气温升高了1.1℃,且其变率逐渐增加,降雨和热量资源分布呈现复杂的时空异质性。作物种植区域的变迁、熟制制度的演变和农田灾害的加剧促使农田管理模式不断寻求改变,对当地农业耕作系统产生了深远影响。本文总结了黄土高原过去多年的气候变化（气温、降水量、积温）特征和发展趋势,气候变化下耕作系统（种植区、耕作制度、土壤环境）和作物系统（需水量、物候、品种、产量）的演变规律,作物与土壤互作关系,以及气象灾害对黄土高原耕作系统的影响,并提出气候变化下耕作系统适应性管理途径和策略。旨在为黄土高原耕作技术和田间管理提供新的理论,寻求气候变化下区域农业可持续发展应对策略。     

气候变化对中国冬小麦生产的影响

气候变化会对中国冬小麦生产带来深远的影响。CO2浓度升高和气候变暖有利于冬小麦种植区向春麦区扩展,主要表现在辽宁、河北、陕西、内蒙古等种植边界的显著北移和青海、甘肃种植边界的显著西扩;CO2浓度升高还会促进小麦根、茎、叶的生长,提高叶片光合速率和氮素的吸收与利用,有利于产量提高。但气候变化在中国还表现为太阳辐射的下降,冬小麦主产区黄淮海麦区和长江中下游麦区下降更为显著,试验研究表明,长期弱光小麦产量降幅可达6．4％-25．8％。温度升高对小麦产量的影响目前尚无明确定论;不同生育期降雨量变化对小麦产量的影响不同,生育前期降水量增加有利于小麦产量的提高,而后期则会导致一定的减产。然而,最值得关注和警惕的是高温与低温以及降水时空分布不均导致的干旱和渍水等极端气象灾害事件,随着全球气候变化发生频率显著增加,严重影响了小麦的生产,尤其是生育中后期的逆境将导致小麦结实粒、千粒重显著下降,造成产量锐减。此外,气候变化导致的病虫草害加剧不仅导致减产,还将显著增加生产成本,不利于小麦生产。     

东北地区主要粮食作物对气候变化的响应及其产量效应

综述了在全球气候变暖背景下,东北地区农业气候资源、农业气象灾害的变化特征以及主要农作物对气候变化的响应。结果表明,气候变暖给东北地区农业带来的影响利弊共存,主要表现为东北地区主要农作物生长季节温度升高、热量资源增加,适宜农作物生长的时期延长、适种区域扩大,为作物的光温生产潜力以及产量的提高提供了潜在的可能。但由于光照及水资源的限制以及CO2浓度的增加而引发的温室效应,对农作物的产量和品质也产生了负面影响。极端天气事件增加,农作物生态环境恶化,干旱、洪涝、盐碱化速度加快,尤其是近几年受全球变暖的影响,东北地区主要农作物受干旱灾害的影响最为明显。降水总量减少和降水分布不均匀,使东北地区成为受气候变化影响最敏感和脆弱地区之一。     

基于气候背景的作物种植条件综合评价概念模型及其应用——以内蒙古巴彦淖尔河套灌区为例

为更好地适应气候变化大背景下作物种植条件变化,对各地区的作物种植条件进行综合评估已迫在眉睫。本研究应用层次分析法,基于天气学、气候学和农业气象学等原理,结合地方生态和经济发展需求,选取气候资源、灾害防御、种植配套条件3大类准则层,并选定包括光照资源、热量资源、水资源、空气质量、气象灾害、病虫害以及土壤条件、地理环境、基础设施、管理制度等相关14类小项指标,设计作物种植条件综合评价体系框架;然后通过统计分析设定14类小项指标评分细则,最终构建作物种植条件综合评价概念模型。并利用所构建的概念模型对内蒙古巴彦淖尔河套灌区主要作物种植条件进行综合评价应用试验。评估结果显示:巴彦淖尔河套灌区光照资源充足、热量资源较稳定、气候适宜度高、灌溉条件优异,春小麦、玉米和向日葵等主要作物关键生长期综合日照保证率、综合积温保证率、综合气温适宜保证率均高达85%以上,水分保证率100%,气温日较差较大,空气质量优良,灌区土壤肥沃;高温、大风、冰雹、暴雨等主要气象灾害及病虫害发生频率低,预报与防御能力较强;自然、地理、人文、政策等各类资源配置优势突出,综合分析评价得出该地区作物种植条件为Ⅰ级优良。综合分析可见,本概念模型选取的指标之间既相互联系又相互独立、具有层次性和结构性,是能定量反映区域气候系统和相关配套条件所构成的有机整体;指标获取便捷、可操作性好,评估结果可靠性良好,可推广于不同地区或不同作物的种植条件综合评价,为实现农业的生态化、可持续性发展保驾护航。     

安徽省气候变化对水稻生产的影响及应对

收集了近30年来安徽气温和降水资料,统计分析了安徽省气候变化的特征,讨论了气候变化对水稻生产的影响。研究结果表明,近30年来安徽气温整体呈上升趋势,上世纪90年代以来增温明显。降水则表现为变率增大的趋势。当前全省处于气候高变率时期。气候变化对水稻生长期及水稻产量均有明显影响,气候变暖下双季稻生育期明显缩短,在一定程度上对水稻产量产生负面影响,极端气候事件对水稻生产产生了巨大影响。调整作物布局,加强极端气象灾害应对防范体系与能力建设是农业生产应对气候变化的重要途经。     

不同耕作模式对稻田土壤理化性质及经济效益的影响

为研究不同耕作模式对土壤理化性状和作物经济效益的影响,对皖南地区4种典型耕作模式(单季稻种植、油稻轮作、麦稻轮作、烟稻轮作)的土壤和作物产量进行了研究。结果表明:与单季稻种植相比,轮作显著降低了土壤含水量;麦稻轮作和烟稻轮作土壤体积质量显著增加,孔隙度显著降低;麦稻轮作土壤有机质和碱解氮含量分别显著降低35.8%和47.8%;烟稻轮作土壤速效钾含量显著增加68.2%,速效磷含量提高109.5%。油稻轮作和烟稻轮作总产值比单季稻种植分别显著增加35.3%和155.5%。为解决轮作对土壤的不良影响,要注重增施有机肥和秸秆还田以改善土壤体积质量和孔隙度;麦稻轮作应重点解决土壤p H降低的问题;烟稻轮作要减少烟后晚稻的磷肥和钾肥施用量。总体而言,油稻轮作和烟稻轮作是皖南地区维护农田土壤肥力,促进农业可持续发展,实现农业增产增收的重要耕作模式。     

半干旱区不同作物与苜蓿轮作对土壤水分恢复与肥力消耗的影响

苜蓿-作物轮作是我国西北半干旱区常见的耕作方式。由于苜蓿的强蒸散特征，苜蓿生长多年后常导致土壤水分匮缺，形成土壤干层，对后茬作物的生长产生不利影响。根据当地轮作习惯，苜蓿种植后通常种植一种浅根系的作物草谷子（Setaria itallca Beauv）来恢复土壤水分并获取饲料，但是这种耕种模式对土壤水分恢复的效果如何还不得知，苜蓿草地轮作为农田后的土壤水分恢复过程需要加以明晰。由于苜蓿的生物固氮作用，由农田轮作为苜蓿草地一般不会存在土壤肥力障碍，并会不断提高土壤肥力水平。由苜蓿草地轮作为农田，土壤肥力一般是下降的，但对苜蓿草地轮作为农田后土壤肥力的消耗动态，以及不同作物对土壤肥力消耗有何影响目前还很少了解。本文研究了苜蓿一作物轮作过程中的土壤水分、氮素和有机质的变化，旨在阐明苜蓿草地轮作为农田后的土壤水分恢复和肥力消耗过程，探讨合理的轮作模式。     

基于站点数据分析中国大陆区域喜凉/温作物界限温度的时空演变

喜凉/温作物界限温度的时空分布能够影响作物物候和种植区域。利用全国585个气象站点1961-2020年地面气象观测资料,以喜凉/温作物界限温度(0℃和10℃)的积温、初日、终日作为农业热量资源研究指标,基于ANUSPLIN气象插值软件,从年际和年代际时间尺度分析1961-2020年喜凉/温作物界限温度的时空演变特征,并探讨热量资源变化对全国农业生产格局的影响。结果表明：受纬度和地形影响,全国热量资源变化幅度较大,东部地区≥0℃、≥10℃积温随纬度变化呈阶梯状分布,而在西部地区主要受海拔影响,总体表现为由南向北逐渐递减。各地≥0℃和≥10℃积温范围分别为700.0～8960.0℃·d和46.3～8960.0℃·d,≥0℃和≥10℃积温气候倾向率平均为72.8℃·d·10a^-1和73.7℃·d·10a^-1。60a内,界限温度0℃、10℃初日分别提前9.6d和8.4d,终日分别推迟4.8d和7.8d。界限温度初日的提前和终日推迟使60a内日平均气温≥0℃和≥10℃的持续日数分别增加14.4d和16.2d。2011-2020年是研究时段内最温暖10a...     

内蒙古玉米主产区农业热量资源变化及其对策探讨

为了探讨在气候变化、生态环境恶化和农业提质增效的压力下,内蒙古玉米主产区农业热量资源的变化及其生产对策,分析了1961—2017年间内蒙古玉米主产区通辽市、赤峰市、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市和兴安盟等地区年均温、≥10℃年积温和生长季(5—9月)积温的变化。结果表明,各地区年均温、≥10℃年积温和生长季积温存在地区差异,但1961—2017年间三者均呈线性上升趋势,而生长季积温占比下降。气温的升高和积温的增加使农业热量资源增加,有利于玉米增产和种植面积的扩大,使内蒙古气候温暖区玉米生产潜力增大;但应避免越区种植,警惕气象灾害风险。在气温升高的背景下,通过品种选择、播期调整和肥料管理,充分利用农业热量资源,可使热量资源利用率提高15%,对于内蒙古地区应对气候变化、实现玉米生产的高产高效具有重要现实意义。     

豆科作物与禾本科作物轮作研究进展及前景

豆科作物与禾本科作物轮作是可持续农业的重要种植技术,也是我国传统农业的精华。利用豆科作物与禾本科作物轮作对于减少农业生产对化学氮肥与农药的依赖、保护农田生物多样性、提高资源利用效率有重要的意义。本文针对当前农业发展现状与存在的问题,提出推行豆科作物与禾本科作物轮作的重要性。从豆科作物与禾本科作物轮作的增产效应、作物增产的氮效应、对农田病虫草害的控制及增加农田的生物多样性等方面论述了国内外豆科作物与禾本科作物轮作的研究进展,明确围绕豆科作物与禾本科作物应当研究的重点。提出了豆科作物与禾本科作物轮作所面临的主要挑战及未来可取得突破的主要领域,如协调作物茬口,开发推广豆-禾轮作田间综合管理技术,提高轮作综合效应;利用长期定位试验,研究轮作响应的农业生态前沿问题;评价轮作生态环境效应,建立轮作生态补偿机制等。本文重新审视豆科作物与禾本科作物轮作体系的作用及前景,对于保障农业可持续发展具有重要意义。     

四川单季稻抽穗扬花期和灌浆结实期高温热害时空特征

利用四川省84个气象观测站1961-2014年逐日平均气温、最高气温和日平均相对湿度等气象资料以及1981-2014年水稻空壳率数据,通过线性回归法、多项式回归法、Morlet小波分析等方法,分析水稻抽穗扬花期和灌浆结实期高温热害的时空变化规律。结果表明： 1961-2014年高温热害总次数呈上升趋势,不同等级热害发生次数的年际变化特点与总次数一致,尤以2000年后增幅显著,其中抽穗扬花期轻度热害和灌浆结实期重度热害的增幅最显著,这与气候变暖背景下,1990年以来水稻高温热害区域增多的趋势基本一致;不同生育期内各等级高温热害发生次数均有显著的周期震荡规律,方差值在16a、12a、4a时间尺度上均出现峰值,依据周期变化推测,2015年后高温热害将持续偏多。依据高温热害“山区少、盆地多”的分布特征,可将盆中浅丘区及盆南丘陵区划分为热害频发区,盆东岭谷区为热害偶发区,川西南山地为热害少发区。在气候变暖背景下,1990年以来不同等级高温热害均呈现发生频率增多,范围扩大,高发中心从平原向山地扩大的趋势。本研究实现了水稻高温热害监测产品由定性向定量化的转变,融合常规高温指标的动态监测,提高了空间分布的精细度,延长了研究的时效性,更具针对性和指导性。     

面向极端气候事件的冀鲁豫地区农业气象灾害分析

[目的]研究冀鲁豫地区表征极端气候事件的极端气候指数时空变化特征,揭示区域内极端气候事件变化规律及其对农业气象灾害的影响,为农业生产合理利用气候资源,提高防灾减灾能力提供科学依据。[方法]基于冀鲁豫地区1960—2020年52个气象站点数据,1970—2019年农作物受灾面积数据,利用一元线性回归、滑动平均、R/S分析、IDW、Mann-Kendall和Pettitt检验分析了极端气候指数变化特征,通过灰色关联度和相关分析法研究了极端气候事件对农业气象灾害的影响。[结果]1960—2020年,冀鲁豫地区气候呈暖干化趋势,表征高温(低温)事件的指数呈上升(下降)趋势,气候逐年暖化;降水量略微下降,降水强度缓慢上升;未来该区气温会强持续上升,降水量(降水强度)会弱持续下降(上升)。近61年来该地区极端高温事件发生频率与持续时间呈大范围上升趋势,冀北与鲁东地区最为显著;河北中南部和山东中部地区极端低温事件发生频率与持续时间显著降低;山东中部与河南中东部地区降水极端化特征显著。1970—2019年,研究区农作物洪涝、旱灾、风雹受灾面积(受灾率)呈下降趋势,低温冻害受灾面积(受灾率)略有增加;旱...     

Climate change impacts on soil erosion in Midwest United States with changes in crop management

This study investigates potential changes in erosion rates in the Midwestern United States under climate change, including the adaptation of crop management to climate change. Previous studies of erosion under climate change have not taken into account farmer choices of crop rotations or planting dates, which will adjust to compensate for climate change. In this study, changes in management were assigned based on previous studies of crop yield, optimal planting date, and most profitable rotations under climate change in the Midwestern United States. Those studies predicted future shifts from maize and wheat to soybeans based on price and yield advantages to soybeans. In the results of our simulations, for 10 of 11 regions of the study area runoff increased from + 10% to + 310%, and soil loss increased from + 33% to + 274%, in 2040–2059 relative to 1990–1999. Soil loss changes were more variable compared to studies that did not take into account changes in management. Increased precipitation and decreasing cover from temperature-stressed maize were important factors in the results. The soil erosion model appeared to underestimate the impact of change in crop type, particularly to soybeans, meaning that erosion increases could be even higher than simulated. This research shows that future crop management changes due to climate and economics can affect the magnitude of erosional impacts beyond that which would be predicted from direct climate change alone. Prediction of future soil erosion can help in the management of valuable cropland and suggest the need for continually changing soil conservation strategies.     

近30年中国主要农业气象灾害典型场时空格局分异特征

在全球气候变暖,气象灾害频发重发的背景下,农业生产受到日益严重的气象灾害影响。研究中国农业气象灾害的时空格局对于降低灾害风险、减轻灾害损失十分重要。本文利用1978—2013年主要省、直辖市及自治区的农业灾害受灾、成灾面积和播种面积资料,以受灾率和成灾率作为指标,利用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function,EOF)等统计分析,对影响我国农业生产的主要农业气象灾害(干旱灾害、洪涝灾害、低温冻害和风雹灾害)的时空变化进行分析并得到典型场。结果表明,近几年除洪涝灾害没有明显的升降趋势以外,干旱、风雹和低温冻害受灾率成灾率均呈下降趋势。干旱受灾率和成灾率典型场较为相似,北方因灾损失情况明显重于南方;全国大部分地区均有轻微的因风雹灾害造成损失的情况,西部和西北部容易受到风雹灾害的影响;洪涝灾害受灾率和成灾率典型场存在差异,全国普遍受到洪涝灾害轻微影响,但长江流域和东北三省情况较重。低温冻害受灾、成灾率的典型场不明显,北方因灾损失程度重于南方。另外,干旱和洪涝灾害不会持续影响东北地区;风雹灾害在我国西北部容易造成持续且严重的影响。总之,各灾害的受灾、成灾率时间变化也不是完全同步的,空间分布也不相同,二者并不是完全匹配的。     

不同草田轮作模式对土壤养分动态的影响

在宁南旱区10年生苜蓿草地上进行了为期3a的27种不同草田轮作模式试验,研究了土壤有机质、氮、磷的动态变化特征。结果表明,与保持生长的对照苜蓿草地相比,苜蓿草地实行草田轮作后,有机质持续下降,轮作第1,3a的马铃薯,第2a的春小麦对土壤有机质有明显影响,马铃薯连作模式使土壤有机质降幅最大;不同轮作模式的土壤全氮变化有较大差异,谷子和春小麦等禾本科作物单一连作模式对土壤氮素造成偏耗;不同轮作模式碱解氮总体上呈下降趋势,轮作作物产量水平直接影响土壤碱解氮含量的高低。全磷呈先降后升又降趋势。作物轮作能够提高苜蓿草地土壤氮、磷有效性。为了高效、协调和可持续地利用水肥,应选择合理的草田轮作模式。     

基于农作物灾情的长江中下游地区粮食产量损失评估

利用长江中下游地区7省（市）1949-2014年农作物灾情统计数据和粮食作物单产数据,采用多元线性回归方法,构建粮食气象减产量与农作物受灾面积、成灾面积及绝收面积的回归模型,运用主成分分析法研究长江中下游7省（市）影响粮食产量的主要农业气象灾害,对因气象灾害导致的粮食产量损失进行评估。结果表明：（1）粮食气象减产量与总灾情显著相关（P＜0.05）,其中除湖南省外,其它各省相关关系达极显著水平（P＜0.01）。粮食气象减产量与成灾面积关系更密切,依据总灾情评估粮食产量,模型的拟合优度（R2）除上海市外均大于0.9。（2）根据粮食气象减产量与干旱、洪涝、风雹、低温、台风5种灾情的相关性,建立主要灾种粮食产量模型,仅从R2数值来看,除湖南省外,其它6省（市）主要灾种模型的R2均略高于总灾情模型,但单因素方差分析表明,两类模型的R2不存在显著差异。（3）两类模型均不能解释粮食作物结构性逐年波动变化,是模型产生模拟误差的一个主要因素。本研究建立的灾损模型和产量评估模型能较好地模拟灾情与粮食产量的关系,2015年数据试报检验表明,可以将其用作长江中下游地区不同省（市）粮食产量短期预测。     

条带休闲轮作对坡地土壤水分及作物产量的影响

为探索休闲轮作模式下土壤水分动态及作物产量效应,2007年-2010年在宁南半干旱区坡耕地上设置了条带隔年休闲轮作试验。结果表明,4a后,条带休闲轮作与无条带休闲轮作(对照)相比,利于提高土壤对降水的保蓄能力,显著增加0～200cm土层土壤蓄水量。拔节和抽穗期,各处理0～200cm土层土壤含水率垂直变化表现出不同的变化趋势,条带休闲轮作显著高于无条带休闲轮作模式。研究期间,条带休闲轮作均较无条带种植模式有不同程度的增产:条带种植模式的谷子和冬小麦产量较无条带种植模式分别提高了8.79%～15.52%和6.33%～14.69%,差异显著。该研究成果可为旱区坡耕地土壤扩蓄增容和作物生产研究提供参考。     

东北黑土区典型县域种植模式遥感识别与空间格局分析

种植模式对黑土地的土壤肥力和作物产量有显著影响,建立合理的种植模式是养好用好黑土地的重要措施。目前,黑土区种植模式的类型及其空间格局仍缺乏系统的分析,而遥感技术结合地学信息图谱方法则是监测黑土区种植模式的有效手段,但应用较少。该研究基于2012－2017年遥感反演作物分类数据,采用地学信息图谱方法识别种植模式,并使用核密度分析方法测度了各类种植模式的空间分布特征。结果表明：1）克东县可识别出5类种植模式,其中,主要的种植模式为无序种植模式、大豆连作模式和两年轮作模式,三者面积总和占比为83.90%。2）县域西部和北部以大豆连作模式为主,县域中部、东部和南部以无序种植模式为主,玉米连作模式呈东北-西南向带状分布,三年轮作模式和两年轮作模式呈"局部集聚、全局分散"的分布形态。3）行政村尺度的种植模式结构大体可以分为5种类型,总体呈现以"无序种植-大豆连作-两年轮作"类型为主并以其他类型为辅的空间结构特征,属于主要类型的行政村数量占比为32.08%。     

基于GEE平台与Sentinel-NDVI时序数据江汉平原种植模式提取

快速精准地掌握作物种植模式信息对于农业产能评估、区域种植结构平衡和国家粮食安全保障具有重要的战略意义.然而,目前尚缺乏高精度、大范围、涵盖复杂种植模式的空间数据集.因此,本研究以中国南方重要的产粮地之一江汉平原为例,基于GEE平台和Sentinel-NDVI数据,构建时序物候特征集,通过探究半自动提取大量样本的方法,对...