本文亮点
摘要
改善农业系统空间格局已成为提高农业生产力和可持续性的重要途径。然而，以往的研究往往侧重于自然因素对作物分布的影响，而忽略了人类活动、社会经济水平和生态环境等因素的影响。本研究提出了综合自然和社会环境系统因素的多标准评价方法，构建了作物生长适宜性(CGS)、种植适宜性(CPS)和种植竞争力(CPC) 3种评价情景。以石羊河流域为例，应用该方法对其单一作物的适宜性和竞争力进行了评价。以农业竞争力最大化为目标，对多作物系统结构进行优化，提出了一种利用作物竞争力冲突识别高适宜间作区的方法。计算了区域作物耗水量、水分生产力和经济效益，分析了不同优化模式下农业集约化潜力。本研究的目的是解决:1)将作物的生境、区位、社会经济条件、生产力和环境保护等因素纳入种植系统的自然-社会-环境因子库，构建作物生长适宜性、种植适宜性和种植竞争力情景评价体系;2)基于多准则决策方法，构建多层次评价模型，阐明区位、社会经济条件、生产力和环境保护驱动因素对作物适宜性的影响和贡献。(3)优化多作物种植模式，评估不同作物转换模式对提高农业生产和资源利用效率的潜力。本研究可为基于高竞争力作物模式的间作制度设计和种植制度的可持续管理提供有价值的建议。
试验设计
石羊河流域位于中国西北部甘肃省，位于东经100°57′- 104°12′和北纬37°02′- 39°17′之间，如图1所示。流域总面积约40852 km2。耕地面积5445.2 km2。该地区为大陆性温带干旱气候。年平均降水量约164.4毫米，平均气温约7.8℃。这一地区的主要土壤类型是沙质和壤土。土壤养分含量低，土壤有机质(SOM)平均含量在2%左右。民勤地区地下水深度在距地表30 m以内，金昌、武威地区地下水深度在50 m以内，局部地区地下水深度在50 ~ 100 m以内。该地区光照资源丰富，年日照时数高达3028 h。由于降水稀少，农业用水主要来自河流或地下水。2020年全区用水量总量为24.23亿立方米，其中农业灌溉用水量占比77.9%。特殊的气候条件加上水资源的不合理利用，使得流域目前缺水问题非常严重，2020年累计缺水5.2亿立方米。石羊河流域生态环境的恶化严重制约了流域农业和生态的可持续发展。
图1 研究区域的地理位置、农业、气候和基本土壤条件。
主要结果
图3 不同评估情景下各指标对不同作物权重的贡献。
图6 三种多作物优化模式下2020年作物需水量和水分生产力、农业经济产出和每立方米水净产出的比较。注: 横轴标题中，2020表示2020年区域作物结构下，“CPC_M”表示作物种植竞争情景下所有玉米-绿饲料冲突地区种植玉米的格局，“CPC_F”表示作物种植竞争情景下所有玉米-绿饲料冲突地区种植绿饲料的格局。“CPS”表示作物种植适宜性情景，“CGS”表示作物生长适宜性情景。
间作适宜面积与农业可持续经营
图7 基于种植竞争力格局的作物间作高适宜区分布。注:(a)、(b)、(c)、(d)分别表示间作适合玉米-小麦、玉米-马铃薯、玉米-蔬菜、小麦-蔬菜的分布。
主要结论
