太湖流域粮食生产对耕地利用变化动态响应分析及预测

认识耕地利用与粮食生产的耦合作用规律是确保粮食安全和可持续发展的基础。基于模型模拟、GIS和多目标情景模拟等方法,在定量分析粮食生产对耕地利用变化动态响应基础上,分析流域粮食生产变化的关键驱动要素及粮食增产潜力,为流域耕地利用动态调控和粮食安全问题解决提供参考。结果表明:(1)1985～2015年流域耕地利用与粮食生产变化空间集聚性显著,耕地量变、耕地利用结构和方式变化幅度分别为39.2%、23.6%和19.3%,上述变化导致粮食减产44.1%;(2)1985～2015年耕地量变对流域粮食减产贡献率为50.7%,耕地利用方式变化和耕地量变则分别以43.4%和76.3%的贡献率成为前后15年粮食减产的主要驱动因素。集聚在流域北部56.8%的区域受耕地量变影响显著;太湖东南24.3%的区域和杭州-桐乡-嘉善一线等18.9%的区域分别受耕地利用方式和结构变化影响较大。随时间变化,耕地量变影响加剧,粮食减幅增加;(3)未来耕地数量持续减少,粮食安全压力较大,低-中-高方案变动下耕地量变影响范围缩小53.5%,耕地利用方式和结构影响区分别增加了2倍和1.25倍,粮食增产区由5.4%增加到54.1%。不同区域粮食生产对耕地利用变化响应的时空差异显著,未来响应变化敏感区将是流域粮食增产潜力区和耕地利用关键调控区。     

汉江流域上游作物水分生态适应性研究

采用农田水量平衡模型,结合GIS技术,通过构建作物水分亏缺风险指数,对汉江流域上游区小麦、玉米等主要作物的水分生态适应性进行了系统研究。结果表明：就全生育期而言,自然降水不能满足作物生长发育的需求,水分亏缺是汉江流域上游区农田水分平衡的主要特征;就不同作物来讲,水稻多年平均水分亏缺风险指数达23.26%,是全流域生态适应性最差的作物,麻类、薯类生态适应性较强;作物生长发育不同时段,各作物水分生态适应性差异较大,春旱应引起足够重视。     

洞庭湖区近30年土地利用/覆盖变化对湿地的影响分析

洞庭湖是我国面积仅次于鄱阳湖的第二大淡水湖。近些年来,洞庭湖区降水在减少,湘、资、沅、澧四水的来水量也在降低,尤其2011年春季以来,洞庭湖水域遭受了前所未有的持续干旱,洞庭湖地区的降水量累计比历年同期减少了50%至60%。本文基于1985年、2000年和2011年的遥感影像数据,运用RS、GIS等,系统分析了洞庭湖区近30年土地利用/覆盖的数量和空间格局动态变化。结果表明,过度围湖垦殖成为洞庭湖湖面萎缩的主要原因。湖区耕地总量持续增加,增幅达36.01%;湿地、林地、草地总量减少,其中湿地和草地面积有较大幅度的减少,分别为72.88%和62.98%。研究结果为区域土地利用规划管理及政策的制定提供科学依据,为洞庭湖区湿地的管理提供背景资料和依据。     

1981～2015年我国粮食主产区气候生产潜力的时空分异与演化

粮食主产区是关系我国粮食安全的粮食生产核心区域,研究气候变化下粮食主产区粮食气候生产潜力的时空分异与演化特征具有重要意义.基于我国粮食主产区13个省份341个气象台的日测气象数据,应用逐级订正的机制法模型对1981～2015年间粮食气候生产潜力及其时空演化进行分析,研究得出:(1)我国粮食主产区年平均粮食气候生产潜力为9 171.17 kg/hm2,时间维度上的演化路径总体平稳,而我国粮食主产区光合生产潜力呈下降趋势,光温生产潜力呈上升趋势,光、温、水气候因子变动对粮食生产的综合影响较小;(2)光照影响下光合生产潜力呈"西北高东南低"特征,光、温、水气候因子层层叠加下粮食气候生产潜力出现空间重组,粮食主产区粮食气候生产潜力自东南向西北递减的地理分异特征显著,长江中下游平原和成都平原为高值区,气候条件优越,平原地形利于耕种;(3)粮食主产区粮食气候生产潜力空间分布演化呈现高值区范围缩小、低值区范围保持、中间值地区空间差异弱化的特征.     

农业主产区生态系统服务供需格局及影响因素分析——以湖北省四湖流域为例

生态系统服务供需匹配状况可以反映区域生态与社会经济发展的协调程度,探究其空间异质性与主导驱动因子对于农业主产区生态与农业的协同发展具有重要意义。以湖北省四湖流域为研究对象,综合多源数据,应用ArcGIS、InVEST模型和地理探测器等方法,定量分析了四湖流域水源供给、固碳、粮食生产和水质净化等(4)种生态系统服务供需匹配状况、综合供需比及其冷热点区域的驱动因子。结果表明：(1)4种服务供给低值区与需求高值区的空间分布格局相似,主要位于流域西部高城市化区域。(2)除固碳服务外,其他三种服务均能满足流域内部需求,流域综合供需比为0.28,整体处于盈余状态。(3)各项生态系统服务供需比均呈现空间差异性,仅水质净化服务无明显冷点区域,其他服务冷点区域集中在西部高城市化区域,热点区域分布在水域和耕地密集区域。(4)建设用地与耕地分别为影响四湖流域生态系统服务冷点和热点区域供需平衡的主导因子,适当平衡耕地与建设用地的面积,增大湖泊湿地面积是流域实现供需平衡的重要方法。研究结果可为四湖流域和其他类似农业流域的生态系统保护与土地资源可持续利用提供科学支撑。     

卫星遥感洞庭湖主汛期水体时空变化特征及影响因子分析

基于1989~2011年的长时间序列卫星遥感数据,利用综合水体信息提取方法提取了洞庭湖区6~9月主汛期的水体信息,通过较高分辨率卫星遥感数据验证,水体面积提取精度达到90%以上。洞庭湖年平均径流入湖量、NCEP再分析资料计算的湖体上空和流域累计月平均降水量分别与水体面积变化的关系进行分析,结果表明: 1989~2011年间洞庭湖水体面积最大值主要分布在7和8月,这两个月也是洞庭湖区域发生洪涝灾情的高风险期;洞庭湖水体面积与年平均径流入湖水量的相关系数为0.67(置信度为95%);2003年以前,洞庭湖主汛期间水体面积波动比较大,2003年三峡水库运行后,洞庭湖的面积波动有所减少;洞庭湖上空累计月平均降水量对于水体面积存在正相关性,相关系数为0.68(置信度为99%);2003年以前,洞庭湖流域累计月平均降水量和水体面积相关系数为0.50(置信度为90%),2003年三峡水库运行后,两者相关性有所减弱。     

基于虚拟耕地方法的中国粮食生产布局诊断

为研究我国区域粮食生产空间布局问题,运用虚拟耕地方法和对比方法对我国粮食生产空间布局进行诊断。首先,用人均农村人口粮食产量的虚拟耕地量表征我国粮食生产的空间布局现状,发现其存在“高值区相对集中,低值区相对分散”、区域间差异明显的特点。高值区集中于东北和内蒙古、长江中下游以及江南丘陵的北部地区;其次,主要从水土资源、自然灾害等方面构建包含8个具体指标的评价指标体系对我国31个省级行政区的粮食生产适宜度进行定量评价。发现我国不同区域间的粮食生产适宜度存在显著差异,区域粮食生产适宜度整体上呈现东高西低的空间分布规律,其中,高适宜度区域主要分布在我国的东北、黄淮海、华中、华南和西南各省区,低适宜度区域主要分布在西北、华北和东南沿海的福建、江西等省区;最后,构建粮食生产布局协调指数作为我国不同区域粮食生产布局调整的依据,发现北方11个省区粮食生产布局过密,南方16个省区粮食生产布局过疏。研究方法具有一定的创新性,但是,在粮食生产适应性评价的指标选择等方面尚存在明显的不足,研究结果和结论都有待进一步完善。     

泾河流域不同生态功能区可持续发展能力评价

水土资源的不合理利用会引发严重的生态问题,这些问题正逐步得到重视,相关的研究也备受关注.本文以泾河流域为研究对象,分别不同生态功能区对基于水土资源的可持续发展能力进行评价,研究结果可为区域水土资源的进一步优化配置和合理利用提供指导.本文首先将流域分为六个生态功能区,即东部山地水源涵养区(Ⅰ区)、西部山地水源涵养区(Ⅱ区)、北部丘陵沟壑水土保持区(Ⅲ区)、南部山地丘陵沟壑水土保持区(Ⅳ区)、塬地(阶地、平原)、农田保护区(Ⅴ区)、中部过渡区(Ⅵ区).然后,确定了由两个系统即社会经济子系统和水土资源与生态环境子系统、8个综合性指标组成的水土资源可持续发展能力评价体系,从生态环境现状(林草覆盖率和土地退化指数)、耕地压力、水足迹与水压力三个方面对各功能区及相互之间的差异性进行分项评价,在此基础上,对各区进行综合评价.研究结果表明,泾河流域除Ⅴ区处于比较协调状态外,其他各区(面积总计占90.09%)均处于不协调状态,这反映出流域总体可持续发展能力差.     

沿黄九省水土资源对粮食生产的阻尼效应测度及时空分异特征

粮食生产的根本在耕地,命脉在水利,水土资源的投入数量短缺及空间匹配错位在一定程度上限制了粮食产业的增长速度。文章基于沿黄九省2009—2018年的相关数据,将水资源、土地资源和水土匹配特征同时纳入增长阻尼模型,针对粮食产业机械化发展的特点选择以劳动生产率增长率和资源实际增长率分别衡量不受约束的资源增长率和受约束的资源增长率,利用岭回归测度沿黄九省水资源、土地资源及水土匹配特征对粮食生产的阻尼效应,并分析其时间演变特征和空间布局特征。研究结果表明:(1)由于粮食产业劳动力存在"农转非"的趋势,若以劳动力增长率衡量不受约束的资源增长率,会在一定程度上低估水土资源对粮食生产的约束作用,甚至得出水土资源对粮食生产不存在约束作用的结论。(2)研究期间内,沿黄九省水土资源对粮食生产的阻尼效应呈现波动特征,其中水资源阻尼系数波动较为平稳且小幅度下降,即水资源对粮食生产的约束作用一直存在但并不突出;土地资源阻尼系数在长时间下降后快速上升,且其近年来对粮食生产的限制最为显著;水土匹配阻尼系数近年来下降趋势明显且对粮食生产不再具有约束作用。(3)水资源和水土匹配阻尼效应的空间分布特征较为相似,高约束区均集中在沿黄九省的东部;土地资源阻尼效应较大的省份集中在沿黄九省的西南部,空间差异性明显。从各省份内部看,除河南、山东以及内蒙古水资源对粮食生产的阻尼效应最大外,其余省份土地资源对粮食生产的约束均大于水资源和水土匹配特征的约束。为了缓解沿黄九省粮食生产所受到的资源约束,一方面要严格落实年度水量分配计划,推进灌溉节水水利工程的建设,确保流域供水安全。另一方面要坚持最严格的耕地保护制度,强化耕地数量保护和质量提升,遏制耕地"非农化",防止"非粮化",积极划定粮食生产功能区和重要农产品生产保护区。此外,还要完善农业科技创新体系,加强农业机械的研发应用,发挥科学技术对资源投入的替代作用。     

洞庭湖区湿地景观指数选取与格局分析

在遥感与地理信息系统的支持下,从2000年的LANDSAT TM影像中提取洞庭湖湿地信息,结合景观结构分析软件FRAGSTATS计算湿地景观指数,采用主成分分析法与方差矩阵分析法选取最能表征湿地结构及功能的核心景观指数,分析洞庭湖区湿地的景观结构特征及功能状态。研究表明：Shannon多样性指数、斑块面积标准差、斑块丰富度密度与景观类型平均分维度最能反应湿地景观的信息及特征;研究区景观格局的空间差异性与组织结构状态具有明显的不均衡性,湿地景观类型比例不均,水田与湖泊景观优势显著;以洞庭湖核心区滨湖的县市和远离湿地核心区的县市为两大群体,在景观格局复杂性和多样性状态中表现出两大群体相似的特征。     

基于洪旱灾害的雅鲁藏布江流域水资源脆弱性时空差异分析

水资源脆弱性分析是确立区域水资源问题和调控水安全的重要环节。雅鲁藏布江流域水资源丰富,但时空分布不均,洪旱灾害频发、经济欠发达,导致水资源脆弱性明显。基于1965～2014年的气象月尺度数据,分析流域降水分布特征、确定其干湿分区;采用标准化降水指数认识流域洪旱灾害时空分布状况,并从洪旱灾害及沙漠化、供用水及用水效益、调控能力3个方面构建流域水资源脆弱性指标评价体系,运用熵权法分析时空差异特征。结果表明:(1)流域多年平均降水量458 mm,空间上从西北向东南方向递增,上游日喀则市大部、中游拉萨市和山南地区属于中等干旱区,下游林芝市为湿润区;(2)流域内4区/市均易发生春旱和盛夏洪涝,干旱灾害发生率高于洪涝灾害发生率,拉萨市和林芝市易发生干旱重灾,山南地区易发生洪涝重灾;(3)流域及4区/市在2005～2014年间水资源脆弱性均呈下降趋势,山南地区、林芝市的降幅大于日喀则市、拉萨市;(4)流域水资源脆弱性的主导因子为干旱、洪涝、用水效益、管理能力、地区生产总值。流域水资源脆弱性特征为由洪旱灾害主导、调控能力弱、水资源利用效率低。     

长江流域土壤保持能力时空特征

利用MODIS-NDVI数据、地面气象站数据等,采用通用土壤流失方程计算了长江流域2000~2010年土壤保持量,并基于GIS平台与GeoDa软件,辅以Morans I指数以及一元线性回归系数等方法分析了长江流域土壤保持能力的时空分布特征。结果表明:(1)长江源区以及中下游沿岸至长江入海口地区的土壤保持量最低(≤560t/hm2),土壤保持量高值区(≥2 400t/hm2)主要分布于上游四川盆地周围以及中下游长江以南地区;(2)长江流域土壤保持量在市域单元上存在明显的空间聚集现象,"低—低"聚集区分布在长江源区、武汉西部以及流域入海口,"高—高"聚集区主体分布在流域上游与江西南部;(3)土壤保持量年际变化呈增加趋势的区域占62%,其中呈快速增加趋势(b5)的地区分布在陕西南部、湖南西北部、江西东部以及四川东部,呈减少趋势的区域占38%,主要分布于流域上游以及中下游长江以南部分地区。     

城镇化、耕地集约利用与粮食生产——气候条件下有调节的中介效应北大核心CSCDCSSCI

将社会经济与自然气候条件相结合,构建了一个集城镇化、耕地集约利用、气候条件与粮食生产于一体的理论框架,实证评估城镇化对粮食生产的影响及路径。基于2000—2018年330个中国地级及以上城市的面板数据,运用一个有调节的中介效应模型考察了气温、降水量和日照时数等气候变量调节作用下耕地集约利用在城镇化影响粮食生产的中介效应,进一步分析了该中介效应的程度变化及区域异质性。研究发现:①城镇化对粮食生产存在显著的负向影响,耕地集约利用的中介效应能够削弱城镇化的负向影响。②气候条件能够在耕地集约利用的中介路径中发挥显著的调节作用,气温、降水量与日照时数均能够显著调节该中介作用的全路径,但在不同气候变量的调节下,耕地集约利用的中介作用表现出明显的区域异质性。③气温在胡焕庸线以东大部分地区、日照时数在长江流域以北大部分地区,耕地集约利用能够发挥正向中介效应,而降水量在高于800 mm等降水量线的大部分地区则部分削弱耕地集约利用的负向中介效应,即不同气候变量调节的共同作用能够弱化甚至完全抵消耕地集约利用的负向中介效应。总体上,耕地集约利用中介效应与气候条件调节效应的双重作用能够削弱城镇化的负向影响。文章在理论上有助于丰富中国城镇化对粮食生产影响的评估框架,在实践上也有助于为政府促进城镇化高质量发展与保障粮食安全均衡协调提供经验参考。     

洞庭湖流域氮磷污染风险评价与时空分布特征

洞庭湖农业面源污染日益严重,深入了解洞庭湖流域氮磷污染的时空分布特征,是促进洞庭湖流域面源污染治理需解决的科学问题。运用改进输出系数模型、等标污染负荷法对洞庭湖流域25个县(市、区)的TN、TP污染物负荷量进行计算,借助GIS软件绘制TN、TP污染负荷空间分布图,分析流域TN、TP污染负荷量的时空变化特征。结果表明：(1)从空间尺度上看,TN、TP污染负荷量在空间排放上呈现明显的地域差异特征,安化县、桃源县、石门县、平江县、桃江县等县区是洞庭湖流域农业面源污染的重点防治区域,污染负荷较高的区域集中分布在流域的上游。(2)从时间尺度上看,2010、2015、2019年TN污染负荷量分别为11.95、10.90、6.95万t/a, TP污染负荷量分别为7.60、7.00、4.21万t/a,洞庭湖流域TN、TP污染物负荷量呈现明显减少趋势,TN污染负荷量始终大于TP污染负荷量。(3)从畜禽养殖、土地利用和居民生活3个方面来看,TN、TP污染负荷量也呈现出递减规律。(4)运用聚类分析方法将流域分为复合污染型、畜禽养殖污染型、土地利用污染型、居民生活污染型4种类型。最后,为推进洞庭湖流域氮磷污染...     

洞庭湖区不同利用方式下农田土壤有机碳含量特征

土地利用方式是影响土壤有机碳含量和动态的重要因子之一。其利用方式的改变必将引起土壤有机碳含量发生相应的变化。在洞庭湖腹地选取典型样区,通过调查走访和密集取样,分析了不同土地利用方式（旱地、水旱轮作地、一季稻水田和双季稻水田）下623个农田耕层土样有机碳含量。结果表明,研究区内土壤有机碳含量高低顺序为双季稻水田（28.12 g/kg） > 一季稻水田（27.03 g/kg） > 水旱轮作地（24.79 g/kg） > 旱地（17.96 g/kg）,其差异均达到极显著水平（P < 0.01）。土地生产力、秸秆还田量和土壤水文状态是导致不同利用方式下耕层土壤有机碳含量差异的主要原因。进一步分析表明：加强作物秸秆还田（土）、提高土地复种指数、增加地表覆盖是维持和提高洞庭湖区耕作土壤有机碳含量的可行措施,尤其是旱作土壤。     

洞庭湖流域分布式水文模型

流域出口径流观测序列是水文模型参数率定重要依据,不受水文站控制区域的模型应用是水文研究关注点之一。首先根据水文站观测资料建立洞庭湖流域四水控制站之上基于水文响应单元的分布式水文模型,在此基础上结合实验、同质移植和虚拟水库等方法,将分布式水文模型拓展到包含无径流站控制区域的丘陵区间和平原圩垸区,最终实现了洞庭湖全流域水文过程模拟。结果表明:在较完备土壤、地形、土地利用等空间数据支持下,通过合理的流域划分和水文响应单元定义,建立的流域分布式水文模型可以较好地在水文响应单元尺度反应降水发生后蒸散、地表径流、土壤和地下水的响应特征。而基于观测实验及基流分割等方法获取的关键水文过程特征对模型参数优化的认识,可以提高模型参数率定效率,在较少优化迭代运算后既可使月径流模拟的效率系数NSE和确定性系数R²值高于0.81(日过程高于0.62)。借助参数同质移植和虚拟水库解决了区间和圩垸区无控制站区域水文过程模拟。在全流域水文过程的模拟中,基流指数和蒸散比例与实际过程具有较好的一致性。说明相关参数较好地反映了其物理机制,具备在相似气候及下垫面条件区域进行同质移植的基础,圩垸区径流交换采用虚拟水库的处理方式也合理可行。     

长江上游流域生长季植被覆盖度时空变化特征及其成因

植被覆盖度是衡量区域植被生长状态及描述生态环境质量的重要指标,基于MODIS MOD13A3遥感数据和气象数据,采用趋势分析法分析长江上游流域生长季植被覆盖度时空变化特征,进一步采用偏相关分析、残差分析法揭示植被覆盖度变化对气候和人类活动的响应机制。结果表明：(1)2000～2019年长江上游流域生长季植被覆盖度呈显著上升趋势(P<0.05),增长速率为1.3×10^-3/a,多年平均植被覆盖度为0.64,呈东部向西北部逐渐下降趋势;(2)植被覆盖度空间分布异质性显著,61.5%的区域呈改善趋势,主要为分布在嘉陵江流域及乌江流域的栽培植物,退化区域占38.5%,主要为分布在金沙江流域及岷江上游流域的针叶林、草甸及灌丛;(3)植被覆盖度以海拔3.5 km为界,呈先上升后下降态势,海拔低于3.5 km,植被覆盖度变化随海拔变化梯度较小,海拔高于3.5 km,植被覆盖度随海拔变化梯度较大;(4)以降水为植被覆盖度变化主要影响因子的像元面积占57.5%,分布多集中在嘉陵江流域及乌江流域,以气温为主要影响因子分布较分散;(5)2000～2019年长江上游流域人类活动对植...     

四川省耕地等别空间分布特征

本文采用统计分析与景观生态学相结合的方式,分析了四川省耕地自然等、利用等和经济等的空间分布特征,结果表明:(1)四川省耕地以7-12等为主,耕地质量处于中等偏下水平;各二级指标区耕地等别分布差异大,成都平原区耕地质量最优,川西北高山高原区耕地质量最差,川西南山地区等别分布范围最广,是优等地集中区域;(2)耕地等别空间异质性表现为,等别多样性呈现平原向丘陵低山、山区向高原递减的规律,而等别集中程度规律则相反;(3)耕地等别与区域资源本底和农业投入要素总体一致,但各要素对区域影响程度不同,其中日照时数对自然等的影响作用大,化肥施用量对等别提升作用大。     

耕地多功能权衡与协同关系研究——以上海市青浦区为例

为识别耕地各功能的关联程度及在不同空间上的相关关系,基于土地利用变更调查数据和统计年鉴等数据,利用冷热点分析和偏相关分析等方法对上海市青浦区耕地的生产功能、生态功能和景观功能进行空间定量化分析并划分五类功能区,识别各分区及整个区域的空间关联。结果表明:(1)耕地各功能空间分布差异显著,东部各功能状况较好,北部较差。(2)生产功能主导区主要分布在东北部,生态功能的主导区分布在东南部,景观功能主导区分布在西南部和北部,各功能的低值区集中在西北部,无显著功能区集中在淀山湖周围。(3)在整个区域内,生产-生态功能,生产-景观功能呈协同关系,生态-景观功能呈权衡关系,相关关系与各功能主导区具有差别。结论:耕地各功能之间存在显著的权衡与协同关系,并在不同功能主导区有一定差异。通过分析耕地多功能的空间分布差异和相关性能够有针对性的进行分区保护,从而实现耕地的可持续利用。     

典型经济快速发展区耕地变化区域分异研究

耕地变化的区域分异研究可为确保国家粮食安全和生态安全提供重要依据。基于RS和GIS技术,分析太湖流域1985~2015年耕地数量、质量和动态结构的时空演化格局。结果表明:近30a流域耕地呈现以城镇为中心面的边缘扩散和以乡镇为中心点的散布流失特征,导致耕地净减少了38.87%,其中环湖、沿江城市密集区及县域空间拓展区是耕地流失的热点区域。耕地集中连片分布区与经济发展快速区的空间复合导致耕地缩减与建设用地扩张呈现空间对应关系,建设占用始终是驱动耕地减少的主要因素。不同阶段受经济发展水平和农业政策影响,不同地类对耕地转移的贡献率和空间分布差异明显,且转移比例在数量和质量上均不对等。总体上,耕地变化呈现由缓慢零散占用到快速集聚流失的过程,耕地数量和质量变化高值和低值区亦表现由分散到集中的格局,最终驱动了耕地优势区由环湖平原区向西南丘陵区的空间转移。