Agricultural Systems | 实现可持续作物管理:自然-社会双重影响的作物适应性评估和结构优化

文摘   科学   2024-05-14 09:00   江苏  

期刊:Agricultural Systems  1区TOP/IF=6.6

本文亮点

人类活动和社会环境对农业格局的影响尚未得到足够的重视
提出了一种整合自然与社会系统的作物适宜性评价与结构优化新方法
CPC情景下的优化模式减少了用水量,提高了水分生产力和净水效益
研究结果强调了在农业规划中考虑人类活动和社会环境驱动因素的重要性
基于双重环境评估的作物管理为促进可持续农业提供了一个切实可行的解决方案

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

研究区域

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。

模型构建及方法见原文

主要结果

不同指标对评价模型的权重贡献

图3 不同评估情景下各指标对不同作物权重的贡献。

多种环境因素对作物适宜性的影响

图4 三种评估情景下单作适宜性和竞争力的空间分布及各等级所占比例。注: 栅格图中的值越高,表示适用性或竞争力越高。“N, L1, L2, L3”分别代表适合性(竞争力)的四个等级:不适合性(无竞争力),边际,中等和高。“Gi (i=0,1,2,3), Si (i=0,1,2,3), Ci (i=0,1,2,3)”分别表示三种情况下不同等级对应的作物面积。
多作物空间格局优化

图5 不同情景下多作物最优格局:作物生长适宜性格局(a)、种植适宜性格局(b)、种植竞争力格局(c),以及不同格局下稳定和潜在适宜耕地面积的分布和比例。注: “1″代表潜在的合适区域。“0”表示稳定的适宜区域。在基于种植竞争力的多作物最优格局图(图5 (c))中,M/G表示玉米和绿饲料可以在地图上的同一区域种植。
农业节水与经济效益评价

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

本研究通过构建多层次评价模型,探讨自然环境因素和社会环境因素对作物适宜性和竞争力空间分布的影响。分析了多作物优化布局在减少农业用水和提高效率方面的潜在效益。结果表明,作物生境类指标在评价作物竞争力中权重最高(47.5%),尤其是ETA、土壤质地、DEM和SD等因子。区位因素、社会经济因素、生产力因素和环境保护因素的权重分别为26.9%、7.5%、13.7%和4.5%。社会环境影响指标在各项指标中所占比重达到43.5%左右,其影响不容忽视。CPS和CPC情景下的作物适宜性分布显示,与CGS情景相比,L2级以上的作物面积比例更高。值得注意的是,目前2020年的种植结构缺乏稳定的适宜面积,包括<20%,在CPC情景下只有12.87%。CPC情景下的优化模式表现最好,与2020年相比,总作物等减少了9186 - 17577万立方米。不同作物的WP和每立方米水的净产量优于其他两个情景和2020年。该研究提出了一种基于高种植竞争力的间作方案,为确定高适宜间作区提供了有效方法。研究区约80.83%的耕地适宜玉米-小麦套作,其中玉米-马铃薯、玉米-蔬菜、小麦-蔬菜的适宜套作比例分别为21.11%、32.94%和45.77%。研究结果对优化多作物农业系统空间结构、促进农业可持续发展具有重要意义。
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