J. Environ. Manage丨探索农业气候时空异质性下平衡节水、粮食安全和收入的最优作物种植结构

论文内容

研究背景：

联合国第十七个可持续发展目标（SDG）包括实现粮食安全和解决水资源短缺问题。谷物滋养生命，但水对其生长至关重要。随着人口不断增加，粮食需求高与水资源萎缩的矛盾日益凸显。在水资源时空分布不均匀的地区，粮水需求的不平衡现象尤其明显。为了描述、理解和测量农作物种植过程中的耗水量，人们提出了源自虚拟水概念的水足迹（WF），用于评估农作物生产的耗水量和相关的环境影响。近年来，农作物生产中的水足迹在国际上得到应用和推广，诺沃亚等人计算了豌豆和苹果等不同农业作物生产的WF，为农业生产及其多变量的耗水和退化评估提供了定量基础。同样，Muratoglu（2019）采用自下而上的方法，结合底格里斯河上游流域的畜牧业、家畜和工业的WF，计算了农作物生产的WF。

已经在不同时空尺度上检查了作物的耗水量后，人们越来越认识到，如果不考虑资源、社会和经济这三个重要因素，用水量评估就不足以保障粮食安全和创造收入。种植结构优化的重点是平衡粮食生产和节水。楚等人进行了WF和情景分析，比较了作物高产、低耗水的不同作物结构的WF。通过对九种作物结构情景的比较表明，河北南部平原地区约20%的冬小麦-夏玉米轮作耕地、38.99%的春玉米、10%的蔬菜和10%的水果构成了河北南部平原可持续的作物结构。同样，张等人为了优化我国种植业结构，采用蓝色WF来表示农业用水量。他们的研究提出了三种情景下的省际作物结构优化，结果显示，中国农业总用水量比2017年分别减少了53.3%、51.4%和47.3%。刘等人采用蒙特卡罗模拟处理WF评估的不确定性，根据1954年至2008年的气象资料，计算了我国呼伦河灌区水稻、玉米和大豆WF的概率分布随后，他们设定了代表WF不同概率水平的三种情景，以优化种植结构，结果表明，在三种情景中，灌溉面积的净效益分别增加了 7%、15% 和 5%。考虑到社会经济条件，大范围的空间优化可以提供更多措施来平衡水资源和农作物种植。

由于时空范围内气象变化的异质性，利用统计数据进行大规模研究无法区分不同地区不同年份各种作物的耗水量，也无法区分不同作物的耗水量。由于农业气候条件的时空异质性，他们能否优化作物种植？除了时空异质性之外，考虑相似时空条件下种植的作物之间耗水量变化的种植结构研究仍然很少。考虑到气候条件的时空异质性以及大时空尺度上相似气候条件下用水量的变化，农作物种植结构的优化可以提供比统计数据更有针对性的政策建议。

研究内容：

本研究目的旨在:通过水足迹核算、K-Means 聚类分析和模糊优化编程组成的综合研究框架，对1999-2016年辽宁省14个市的四种主要粮食作物（玉米、水稻、高粱、小麦）进行分析，评估其时空尺度的水足迹，作为优化方案的系数,并且根据研究区域的降水量，采用聚类分析的方法量化了4个气候空间组（湿润、半湿润、半干旱、干旱）和3个时间组（雨季、中雨、中雨、干旱）。该研究总共提出了 12 个时空场景来解决时空异质性。在每个场景中，我们在不同的农业气候条件下建立了有针对性的作物优化模型，将水足迹和每公顷粮食产量的差异引入优化模型中，以表示相似时空条件下的变化。

研究结论：

本研究结论: (1)水足迹时空异质性较大，但是城市间水足迹差距正在缩小，并且水足迹在时间序列上稳步下降。 (2)不同农业气候情景下农作物种植结构优化存在较大差异。同时，在所有情景下，玉米都是单位面积单产较低的情况下的首选作物。相反，单产高的情况下，优先选择高粱。 (3)单产下限下的9种农业气候情景下农作物种植结构优化效率较低。因此，先进栽培技术实现单产高产是优化种植结构的前提。 (4)由于农作物特性不同，同时综合耗水量、农作物产量和经济收入，难以实现各农业气候情景下农作物种植结构的优化。但种植业、农业气候、收购价格等数据在时空尺度上仍然是宏观的。因此，月度县级优化将是未来研究的重点。

期刊信息

期刊：Journal of Environmental Management

影响因子（2022）：8.7

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转自：“农科学术圈”微信公众号

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