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东北地区耕地生产力时空分异及驱动力研究
中文摘要
耕地生产力稳定提升是保障粮食安全和农业可持续发展的重要手段。近年来,
东北地区耕地土壤“变薄、变瘦、变硬”问题日益突出。为进一步巩固东北作为
我国粮食生产“压舱石”的地位,深入了解东北地区耕地生产力状况和时空分布
差异及其影响因素显得尤为重要。粮食产量调查能反映耕地生产力水平,但在较
大的时空尺度进行研究时存在诸多劣势。遥感手段能方便快捷地对长时间大范围
的耕地生产力进行实时监控。本文基于2000-2021年东北地区耕地归一化植被指
数(normalizeddifferencevegetationindex,NDVI)时间序列数据和2000-2020
年粮食单位面积产量调查统计数据,用NDVI表征耕地生产力,采用Sen+MK
趋势分析法和Hurst指数法研究耕地生产力的时空变异规律,并采用地理探测器
模型、随机森林模型探究了气候、地形、土壤要素共14个驱动力因子的相对重
要性。主要研究结果如下:
(1)2000-2021年东北地区耕地面积变化表现为减少—增加—减少趋势,与
32
2000年相比,2021年耕地面积减少了6.556³10km,主要向林地、草地、不
透水面发生了转移。耕地生产力空间变化表现为:粮食单产呈现中部和南部高、
北部低的空间分布特征。近21年来,黑龙江省、吉林省、辽宁省粮食作物单位
面积产量均呈上升趋势。此外,相关性分析结果表明,东北地区70%以上的耕地
NDVI与粮食单产呈显著正相关关系(r0.4,p0.05)。
(2)2000-2021年东北地区耕地年际NDVI呈现上升趋势,增长幅度为
0.039/10a。各季节耕地NDVI年际间变化从大到小排序为:夏季生长季秋季
春季,增长幅度分别为0.051/10a、0.034/10a、0.03/10a、0.01/10a。年内耕地NDVI
最大值出现在7月,且4-7月和7-10月变化幅度最大。2000-2021年东北地区
NDVI呈中部低,北部、东北部和东南部高的空间分布特征,其中耕地年际NDVI
的低值区位于东北地区的中部和西南部。夏季东北地区耕地NDVI空间差异最小,
吉林西部平原的西部和松嫩平原北部耕地NDVI低于其他耕作区。趋势分析结果
表明,近22年来,东北地区92.98%的区域耕地年际生产力状况得到改善,但从
各个季节来看,春季三江平原作物生长出现退化现象,夏季和生长季均表现为吉
林西部平原的东部和辽宁中部平原耕地作物生长退化较为明显。东北地区84.66%
的耕地生产力Hurst指数大于0.5,变化趋势具有持续性。10.54%的农业区耕地
生产力未来变化趋势不确定,需要进一步关注这部分区域。
(3)东北地区2000-2021年平均气温呈波动上升趋势,上升幅度为
0.273℃/10a,空间上呈现自南向北逐渐递减的趋势。年均降水同样呈现波动上升
趋势,上升幅度为33.542mm/10a,空间上呈现自东向西递减趋势。东北地区耕
作区的主要位于中部和东部平原地带。土壤质地以壤土、粉壤土、粉粘土和粘土
为主;按照全国第二次土壤普查养分分级标准,大部分区域土壤CEC、有机碳、
全氮、全磷、全钾含量水平属于三级水平以上。地理探测器模型结果表明,不同
影响因素对耕地生产力驱动程度从大到小排序为:全氮容重pH有机碳年降
水量CEC全磷年均温质地土壤类型高程全钾坡度坡向;随机森林模型
计算结果为:全氮年降水容重pH有机碳CEC坡向全磷高程全钾土壤
类型质地年均温坡度,模型的方差解释率为70.24%。对比得出,全氮、容重、
pH、有机碳、CEC、年降水是影响耕地生产力的主控因素,与耕地生产力的相
关系数分别为:0.657、-0.619、-0.515、0.642、0.541、0.493(p0.01)。交互作
用探测结果表明,各驱动力因子间协同作用表现为双因子增强和非线性增强关系。
综上所述,2000-2021年东北地区粮食单产大多区域呈现上升趋势,但存在
较大的时空差异,主要受土壤全氮、容重、pH、有机碳和年降水调控。本研究
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