黄淮海平原不同梯度小麦产量差与水肥利用的时空耦合及分区优化研究

Food production faces much long-term pressure from resources and environment. A regional optimization plan at spatial scale is urgently needed to close yield gaps and improve water and fertilizer use efficiency. Previous studies have provided profound descriptions on these two aspects individually, especially at point scale, but few of them focused the spatial heterogeneity of spatio-temporal coupling relationship between them at spatial scale, which leads to the lack of space-specific research results. In this project, wheat in the Huang-Huai-Hai Plain will be chosen as the research object. The Global Agro-Ecological Zones (GAEZ) model, CERES-Wheat model, remote sensing monitoring and statistical analysis models will be applied based on data from agro-meteorological stations, agricultural ecological stations, statistical data at county scale, and remote sensing data in the past 30 years. We will explore the spatio-temporal patterns of wheat yield gaps under different gradients in the Huang-Huai-Hai Plain at point and regional scales. In addition, constrain factors of wheat yield gap and the spatial heterogeneity of water and fertilizer effects will be analyzed. Furthermore, the spatial coupling relationships between wheat yield gaps and water & fertilizer use efficiency will be studied. Finally, we will provide a regional optimization plan at spatial scale to close yield gaps, improve water & fertilizer use efficiency and promote the coordinated development of food security, resource efficient use and ecological environment protection. This research will provide scientific basis on land rehabilitation and adjustment of planting structures.

粮食生产长期面临诸多资源和环境压力，亟需提出具有空间针对性的产量差缩减和水肥高效利用的分区优化方案。前人研究分别对这两方面尤其是在点尺度上已有了较为清晰的认识，但较少关注不同梯度小麦产量差与水肥利用时空耦合的区域差异规律，导致研究成果缺乏空间针对性。本项目选取黄淮海平原小麦为研究对象，基于研究区近30多年来的农业气象站点、农业生态试验站、遥感监测和县域统计等多源数据，采用作物机理模型、全球农业生态区划模型、遥感反演和统计模型等方法，从点和面两个尺度研究黄淮海平原小麦不同梯度产量差时空分异格局，解析其限制因素及限制程度，阐明产量差与水肥利用时空耦合关系的区域差异规律，提出具有空间针对性的缩减产量差与水肥高效利用相协调的分区优化方案，以期同时达到丰产、增效的目的，实现保障粮食安全、资源有效利用与生态环境保护的协调发展。项目可为耕地休养生息、调整种植结构等宏观决策提供科学依据。

日益增长的粮食产量、资源节约和生态环境友好的需求，要求农业在生产过程中同时达到增产、节水和节肥的多重目标，因此探究作物产量与水肥利用之间的耦合关系以及优化布局是当今生态环境与粮食安全领域的热点问题。本项目融合多源数据，结合作物机理模型、全球农业生态区划模型等，探究黄淮海平原小麦不同梯度产量差时空分异格局，阐明产量差与水肥利用时空耦合关系的区域差异，提出具有空间针对性的缩减产量差与水肥高效利用相协调的分区优化方案。研究结果表明，黄淮海平原北部冬（播）麦区、黄淮冬（秋播）麦区的小麦分布多且产量高，长江中下游冬（秋播）麦区小麦种植少而产量普遍较高；不同时段内有60.10-86.3%的小麦种植区内单产提升。各时期小麦平均产量差为767.62-2854.02kg/ha，且呈现缩减趋势；不同耕地产能条件下，高中低产田的产量差均有明显缩减；不同气候条件下，更暖湿的气候条件有利于产量差的缩减。小麦生育期内平均耗水483.67-507.46mm，产量较高的中部地区降水满足度低于0.3；随着小麦单产增加，水分利用效率由6.09kg/ha·mm提升至13.14kg/ha·mm；灌溉地区水分利用效率呈现出随灌溉量增加而降低的趋势。黄淮海平原小麦化肥施用量逐渐增加，但利用效率也有所提升；小麦种植区施肥量过高会限制肥料利用效率的提升，低投入、低产出和中投入、高产出的地区肥料利用效率较高，而高投入、中高产出地区肥料利用效率较低。小麦耗水量的增长在一定程度上可促进小麦肥料利用效率的提升，但耗水量过高将会限制肥料利用效率增长。在限制总产降幅10%、20%和30%的条件下对小麦布局进行优化，研究区可节约1.03-2.18×1010立方米的灌溉用水，同时氮肥、磷肥和钾肥可分别减少87.89-162.32、56.73-103.76和59.23-111.11万吨。本研究可以为黄淮海平原小麦缩减产量差、提高水肥资源利用效率和农业供给侧结构性改革中小麦作物布局优化提供科学依据。