中国北方农牧交错带植被动态研究进展

通过回顾植被动态研究的历史,简要概述了植被动态的发展。综述了我国北方农牧交错带历年来植被动态的研究现状。研究指出植被动态变化与农牧交错带内气候、自然环境演变、农牧业经营方式的转变及土地利用有着密切的关系。结合前人的研究,根据农牧交错带内存在的生态环境问题,提出应从北方农牧交错带植被动态与生物多样性、生态环境、生态系统健康以及对全球变化响应的关系进行研究,揭示其受损及恢复机理,为农牧交错带受损的生态系统恢复与重建、区域可持续发展提供理论依据。     

北方农牧交错带气候变化与旱涝响应特征

依据北方农牧交错带1961-2012年46个气象站气温、降水数据,采用气候倾向率、Mann-Kendall检测及Kring插值法,对该区气候变化及旱涝时空特征进行了分析。结果表明:(1)近52 a,北方农牧交错带气候呈现暖干化趋势,1986年后暖干化趋势有所加强。(2)不同区域不同时段,气温、降水表现出不同的变化特征。(3)全区及3个子区旱涝等级均呈上升趋势,不同区域旱涝等级变化趋势差异显著。(4)北方农牧交错带大涝呈"片状"分布,大旱呈"斑点状"分布。全区整体相对较易发生大旱,东北段相对更易发生大涝,华北段更易发生大旱。     

北方农牧交错带参考作物蒸散量时空变化与成因分析

利用北方农牧交错带46个气象站1961-2013年气象资料,采用Penman-Monteith公式法计算该地区参考作物蒸散量(ET0)、ET0对气象因子的敏感性系数、气象因子对ET0的贡献率,并通过趋势分析、GIS空间插值方法对这些指标的时空变化进行分析。结果表明：（1）北方农牧交错带年ET0平均值在839～1097mm,近53a来以0.21mm · a^-1的速率减小。（2）空间分布上,ET0总体呈现“一高二低”的分布格局：陕北高原为高值区,大兴安岭北部高纬地区、青东农区及陇中片区为两大低值中心区。且陕北高原、陇中及青东农区61%的站点ET0平均以0.85mm·a^-1（P＜0.05）的趋势递增,而吉林西部、科尔沁沙地、辽西地区则呈明显减小趋势。（3）气象因子对ET0的贡献受ET0对气象因子的敏感性和气象因子的相对变化共同影响,其中北方农牧交错带ET0对相对湿度最敏感,其次为平均风速;但近53a来风速呈极显著下降趋势,下降速率达0.0154m·s^-1·a^-1（P＜0.001）,因此,综合分析结果表现为风速对ET0的贡献量最大,说明北方农牧交错带ET0下降主要归因于风速的降低。     

陕北农牧交错带土地利用景观格局动态变化研究

利用1986年、1993年和2000年3期遥感资料,基于遥感和GIS技术,选取反映景观格局特征的指数,分析了陕北农牧交错带景观格局及动态变化的特征。结果表明,陕北农牧交错带土地利用景观整体多样性增加,整个景观正从单一景观向多样化的景观过渡,景观类型在空间上呈离散性分布趋势,结构复杂,景观斑块间离散度增大,形状变得较为不规则,整体破碎度逐渐增大。     

辽北农牧交错带土地荒漠化及景观格局变化研究

以1999年和2010年两期TM遥感影像为基础数据,借助地理信息系统技术及Fragstats 3.3景观格局分析软件,分析了辽北农牧交错带11年间土地荒漠化变化特征及景观格局的演变规律。结果表明:1999—2010年研究区荒漠化土地呈减少趋势,减少了18 114.93 hm2,其中轻度荒漠化土地的减少对该时期荒漠化土地减少起主导作用;斑块数明显增加,景观破碎化程度加剧,景观多样性有所增强,其中轻度荒漠化景观始终为研究区优势景观,中度荒漠化景观类型斑块形状趋于规整有连片趋势,重度荒漠化景观有所减少。     

北方农牧交错带参考作物蒸散量时空变化与成因分析*6

利用北方农牧交错带46个气象站1961-2013年气象资料,采用Penman-Monteith公式法计算该地区参考作物蒸散量(ET0)、ET0对气象因子的敏感性系数、气象因子对ET0的贡献率,并通过趋势分析、GIS空间插值方法对这些指标的时空变化进行分析。结果表明：（1）北方农牧交错带年ET0平均值在839～1097mm,近53a来以0.21mm · a-1的速率减小。（2）空间分布上,ET0总体呈现“一高二低”的分布格局：陕北高原为高值区,大兴安岭北部高纬地区、青东农区及陇中片区为两大低值中心区。且陕北高原、陇中及青东农区61%的站点ET0平均以0.85mm·a-1（P＜0.05）的趋势递增,而吉林西部、科尔沁沙地、辽西地区则呈明显减小趋势。（3）气象因子对ET0的贡献受ET0对气象因子的敏感性和气象因子的相对变化共同影响,其中北方农牧交错带 ET0对相对湿度最敏感,其次为平均风速;但近53a 来风速呈极显著下降趋势,下降速率达0.0154m·s-1·a-1（P＜0.001）,因此,综合分析结果表现为风速对ET0的贡献量最大,说明北方农牧交错带ET0下降主要归因于风速的降低。     

历史上中国北方农牧交错带土地利用演变过程

主要讨论了中国北方农牧交错带中内蒙古东南和中南两个典型地区土地利用的演变过程以及影响因素,并探讨了地貌演化与土壤侵蚀之关系。     

陕北农牧交错带土地荒漠化景观格局动态监测研究

利用1986年、1993年及2000年3期Landsat TM遥感影像，借助地理信息系统技术，分析了陕北农牧交错带19862000年土地荒漠化景观格局的演变。结果显示，该区近15年来荒漠化的范围逐渐扩大，景观结构上斑块数量增加，破碎化程度加剧。但荒漠化程度明显下降，严重荒漠化土地面积减少了121474．5hm^2，荒漠化的主导类型已由严重荒漠化转变为中度荒漠化。1986～2000年荒漠化景观整体上向西南和东北方向扩展，严重威胁着西南和东北部黄土丘陵区的生态安全。     

北方农牧交错带界线变迁区的土地利用与景观格局变化

交错带是相邻生态系统的边缘交汇带,是陆地生态系统对全球变化和人为干扰响应较为敏感的地段。在全球气候变化和人为干扰的影响下,北方农牧交错带的地理位置和界线不断变迁,界线变迁区的土地利用和景观格局也处于快速的变化之中。该文基于气象和土地利用数据,利用遥感、GIS技术和景观生态学方法,界定了北方农牧交错带及界线变迁区的地理位置,并分析了1986-2000年界线变迁区的土地利用和景观格局时空变化特征。结果显示:(1)北方农牧交错带的西北界、东南界缓冲区土地利用结构变化、不同地类之间的相互转化及土地利用动态度变化存在明显区域差异;(2)西北界、东南界缓冲区景观重心迁移的距离和方向、景观格局变化呈现出不同的特征。     

中国北方农牧交错带耕地动态变化的遥感监测

以中国北方农牧交错带典型地区(科尔沁左翼后旗)的耕地资源作为研究对象,在RS和GIS的支持下,利用遥感影像(MSS,TM)重建了科尔沁左翼后旗1975、1985、1995、2000和2005年耕地的土地利用/覆盖变化信息。研究结果表明：1975～2005年间耕地面积整体上增加但增加的幅度略有不同;1995～2000年间耕地的土地利用动态度最大,而2000～2005年间耕地的土地利用动态度相对较小;1975～2000年间耕地整体重心向西迁移,2000年后耕地的重心缓慢向东迁移;1975～2005年间耕地面积     

中国省域土地利用可持续性评价及时空格局特征

为了揭示中国省域尺度土地可持续利用程度及其时空格局特征。该研究运用基于"国家公顷"改进的生态足迹模型构建土地利用可持续性系数,对中国31个省区1998-2008年土地利用可持续状态进行综合评价,借助ArcGIS 10.0软件平台,绘制出研究期内中国土地利用可持续程度的空间格局地图,并以此进行时空分析。结果表明:从时序变化特征看,各地区土地利用可持续性总体偏低且出现不同程度的赤字现象,近71%的省区土地利用可持续性呈上升态势但增速不平衡,部分省区变动幅度较大;从空间格局及其演变特征看,土地可持续利用程度从高到低排序依次为东部沿海地区东北地区中部地区西部地区,局部省区虽有变化,但总体格局变幅较小,土地利用处于Ⅱb、Ⅲc、Ⅲb的省区分别下降了4、6和13个百分点,而处于Ⅲa的省区则上升了23个百分点,上升的省区中大都为中西部地区,土地利用可持续性的空间格局不断优化且呈良性演变趋势;人均生态足迹的本底基数较大,且人均生态足迹和人均生态承载力的变化率相差较小是导致土地利用产生赤字的主要因素,人口较快增长也是一个重要因素,贸易和区域互补可为减少或消除土地利用产生的赤字提供重要的解决路径。该研究可为中国省域尺度土地开发与可持续利用战略、政策与对策制定提供科学依据和决策参考。     

结合GWRFR和作物物候信息的玉米产量早期预测

及时并准确地估计作物产量,对保障粮食安全、维护世界粮食供应稳定具有重要意义。此前,已有许多研究者使用机器学习方法对作物产量预估进行研究。然而,结合作物的空间分布、使用局部模型进行分析的研究较少;且诸多研究均以年份为时间尺度进行建模,未能精细到作物生长的各个阶段,无法实现作物产量的早期预测。针对以上问题,该研究结合多源遥感数据,利用随机森林（random forest,RF）以及地理加权随机森林（geographically weighted random forest regression,GWRFR）模型对美国县级玉米产量进行建模,探讨全局与局部模型在玉米产量预测方面的性能;并通过将GWRFR模型应用于玉米的各个物候期,获取了玉米产量的最佳提前预测时间。结果表明,GWRFR局部模型的精度（R²=0.87,RMSE=864.21 kg/hm²）高于传统的RF全局模型（R²=0.83,RMSE=994.75 kg/hm²）,并且能够较好地克服空间数据的非平稳性,即使在全局模型中加入经纬度作为变量,RF模型的预测效果（R²=0.85,RMSE=890.88 kg/hm²）仍然低于GWRFR模型。对于玉米产量的预测可以提前至收获前2～3个月,即在乳熟期前后就能得到比较准确的预测结果（R²=0.90,RMSE=748.39 kg/hm²）。该研究结果可为大尺度作物产量预估提供一种新的思路,对区域或全球其他作物的产量预测也具有一定的指导意义。     

耕作侵蚀及其对土壤肥力和作物产量的影响研究进展

在坡耕地景观内,由于农耕工具和重力作用而引起的耕作位移使土壤发生向下坡运动或向上坡运动(依赖于耕作方向),导致净余土壤量向下坡传输、堆积,重新分配,从而形成耕作侵蚀。试验研究表明耕作侵蚀是坡耕地的主要侵蚀形式之一,耕作侵蚀发生最严重的区域是坡度较大、坡体短的坡耕地。该文就耕作侵蚀的概念、发生机理、典型的耕作侵蚀模型的发展,以及耕作侵蚀对土壤肥力和作物产量影响的研究现状作了简要论述,特别总结了针对中国的地貌和耕作工具特征而进行的耕作侵蚀的研究成果。指出在一定的景观范围内,耕作侵蚀是十分严重的,甚至其严重程度已经超过了水蚀。但是相对于水蚀而言,耕作侵蚀研究还很少,因此加强耕作侵蚀的研究是十分必要的。只有这样才能正确评价农耕地侵蚀状况,准确制定土壤保持措施和采用减少耕作侵蚀力的耕作工具,从而有效地控制土壤侵蚀。     

Impacts of land fragmentation on input use,crop yield and production efficiency in the mountains of Nepal

Amidst the growing concern about agricultural underdevelopment in developing countries, this study addresses the causes and trends of land fragmentation. It analyses the impact of land fragmentation on input use efficiency, crop yield and production efficiency, especially with reference to a mountain district in Nepal. Necessary information was obtained from discussions with groups and individual land users and a questionnaire survey covering 184 households representing different degrees of land fragmentation. The analyses focused on two staple crops, namely, maize and paddy. The analysis revealed an increasing trend in the number of land parcels and a decreasing trend in the size of land parcels, primarily due to the heredity tradition of equal division of land among the inheritors. Other factors such as land purchase have also contributed to land fragmentation. Yield analysis revealed that small parcels are more productive than large parcels, because of higher applications of inputs. Consistent with this, small parcels also appeared to have a higher production efficiency than large parcels—considering both benefit and cost of purchased inputs—indicating a positive impact of land fragmentation on farmers' income. However, an analysis considering also the cost of inputs produced on the farm revealed an opposite trend, that is, on large land parcels, production is more efficient than on small parcels. In view of the need to also recover the cost of the inputs produced on‐farm, it is concluded that land fragmentation—leading to small plots—has a negative impact on production efficiency, thereby constraining agricultural development. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

中国作物生长模拟监测系统构建及应用

该文系统阐述了中国作物生长模拟监测系统（Crop Growth Simulating and Monitoring System in China, CGMS-China）的构建方法及其在国家级农业气象业务中的应用。CGMS-China是基于WOFOST、Oryza2000、WheatSM、ChinaAgroys 4个作物模型构建的系统,在作物长势监测评估、农业气象灾害影响评估、作物产量预报等农业气象业务中均有应用。该系统可进行作物长势监测、产量预报、农业气象灾害影响评估。利用CGMS-China模拟输出的地上生物量、叶面积指数、穗质量,建立作物长势评估指标,可对小麦、玉米、水稻进行实时长势监测与评估。通过CGMS-China对2014年8月中旬华北黄淮夏玉米的干旱产量损失评估和2016年6月22日早稻高温热害的产量损失预估表明,CGMS-China对农业气象灾害影响评估的效果较好。利用CGMS-China对2014年冬小麦主产省进行产量预报,各省的平均预报相对误差为7%。与此同时,在CGMS-China中利用遥感数据同化方法,对山西洪洞县进行产量预报,预报相对误差小于11%。该系统在国家级农业气象业务中具有良好的应用前景。     

基于水资源合理利用的多目标农作物种植结构调整与评价

农业系统实质是社会-生态-经济复合系统,水资源约束条件下的作物种植结构应统筹经济、社会、生态三大目标进行优化调整。针对作物种植结构调整多目标决策过程中,在数据处理、模型构建、决策者偏好等方面存在的模糊性,该文将交互式模糊多目标优化算法应用于求解作物种植结构优化调整模型,实现与决策者之间的反复协商,直至得到决策者满意的调整方案;并应用耗散结构理论和模糊数学理论,建立基于相对有序度熵的种植结构调整合理性评价模型。经实例研究验证了本文模型与方法的可行性,为可持续发展种植业研究以及灌溉水资源的合理利用提供理论依据。     

松嫩草原西部县域尺度景观格局变化及预测——以黑龙江省杜蒙县为例

景观格局变化及预测是区域土地生态利用与规划的基础理论。基于1979、1990和2004年TM／ETM遥感数据,应用遥感图像处理软件ERDAS9．1、地理信息系统软件ArcGIS9．2、景观生态学研究方法及马尔科夫过程模型,对松嫩草原西部杜蒙县1979--2004年土地利用景观格局的时空变化特征、土地利用转移概率矩阵、景观指数及景观格局变化进行分析以及动态预测。结果表明：1）草地面积1979--1990年锐减,1990--2004年呈现增加趋势,1979--1990年草地转换为农田和盐碱地,1990--2004年农田、林地、盐碱地和苇地转换为草地。2）农田面积大幅增加．1990--2004年有所回落,主要由林地、草地、苇地和滩涂等用地转入。3）苇地面积逐渐减少,主要转出为水域和盐碱地。4）盐碱地面积在增大,主要由草地、农田、建设用地及水域等地类转入。5）景观破碎度加剧,景观形状变复杂、异质性加强,景观趋于不稳定的趋势。6）马尔科夫模型对研究区未来土地利用景观变化预测结果表明,今后一个时期内,农田、草地、水域、苇地等用地面积将逐渐减小,林地、建设用地、盐碱地及滩涂地面积将逐渐增加,由土地利用格局变化引起的生态环境问题将会更加突出。     

农业技术和气候变化对农作物产量和蒸散量的影响

随着农业生产条件的改善、品种改进和有利的气象条件的变化, 世界各地的作物产量得到大幅度提高, 但作物的蒸散量却未出现大幅度提高。本文以石家庄气象站1955~2007 年的气象资料为基础, 分析了河北省冬小麦和夏玉米生长期间主要气象因素变化, 结合中国科学院栾城农业生态系统试验站长期定位灌溉试验的研究结果, 分析了农业生产条件和气象因子变化对冬小麦和夏玉米产量及耗水量的影响。结果表明,1955~2007 年冬小麦和夏玉米生长季的气象因子发生了变化, 日照时数、相对湿度、风速、气温日较差显著降低, 最低气温、平均气温和积温显著升高, 气象因子的变化对作物总蒸散量未产生明显影响, 但由于降水减少,作物生长期间的灌溉需水量呈增加趋势。长期灌溉试验结果表明, 随着农业生产条件的变化和品种的改良, 冬小麦和夏玉米的产量不断增加, 而耗水量的增加幅度小于产量增加幅度, 夏玉米的耗水量呈稳定状态。节水技术的推广和应用对维持耗水量稳定起着非常关键的作用。     

Simulating nitrate retention in soils and the effect of catch crop use and rooting pattern under the climatic conditions of Northern Europe

This model analysis of catch crop effects on nitrate retention covered three soil texture classes (sand, loamy sand, sandy loam) and three precipitation regimes in a temperate climate representative of northern Europe (annual precipitation 709–1026 mm) for a period of 43 years. Simulations were made with two catch crops (ryegrass and Brassica) with different rooting depths, and soil N effects in the next spring were analysed to 0.25, 0.75 and 2.0 m depth to represent the catch crop effect on following crops with different rooting depths. Nitrate retained without a catch crop was generally located in deeper soil layers. In the low precipitation regime the overall fraction of nitrate retained in the 0–2.0 m soil profile was 0.23 for the sandy soil, 0.69 for the loamy sand and 0.81 for the sandy loam. Ryegrass reduced leaching losses much less efficiently than Brassica, which depleted nitrate in the 0–0.75 m soil layer more completely, but also in the deeper soil layer, which the ryegrass could not reach. A positive N effect (N_eff, spring mineral N availability after catch crop compared with bare soil) was found in the 0–0.25 m layer (that is shallow rooting depth of a subsequent main crop) in all three soil texture classes, with on average 10 kg N/ha for ryegrass and 34 kg N/ha for Brassica. Considering the whole soil profile (0–2.0 m deep rooting of next crop), a positive N_eff was found in the sand whereas generally a negative N_eff was found in the loamy sand and especially the sandy loam. The simulations showed that for shallow‐rooted crops, catch crop N_eff values were always positive, whereas N_eff for deeper‐rooted crops depended strongly on soil type and annual variations in precipitations. These results are crucial both for farmers crop rotation planning and for design of appropriate catch crop strategies with the aim of protecting the aquatic environment.