1949—2019年中国自然地理学与生存环境应用研究进展

自然地理学是一门以基础研究见长的自然科学,其研究对象是与人类生存和发展密切相关的自然环境。中国的自然环境复杂多样,自然地理学家根据国家需求和区域发展在应用基础和应用研究方面同样取得显著成效,为国家重大经济建设、社会发展的规划,宏观生态系统与资源环境保护及区域可持续发展做出了重要贡献。本文总结了1949—2019年中国自然地理学在自然环境区域差异与自然区划、土地利用与覆被变化、自然灾害致灾因子和风险防控、荒漠化过程与防治、黄淮海中低产田改造、冻土区工程建设、地球化学元素异常和地方病防治、自然地理要素定位观测、地理空间分异性识别和地理探测器等方面的实践与应用,指出了未来自然地理学的应用研究方向。     

中国耕地资源开发强度及其演化阶段

地域资源禀赋差异及经济社会发展阶段性决定了耕地资源开发强度理应存在结构演化的阶段性。基于粮食生产角度提出了涵盖开发广度、开发深度、开发频度的耕地资源开发强度评价方法。据此,通过评价分析全国及区域开发强度演化特征,论证了耕地资源开发强度阶段性结构演化假设。结果表明:耕地资源开发强度评价能准确判断耕地资源开发状态;中国耕地资源开发已基本完成以提高开发广度为主要特点的外延式开发历程,当前正值以提高开发深度为主要特点,同时面临开发频度降低问题的内涵式开发阶段;2004年,中国耕地资源开发强度为25.064%,区域开发强度及其结构演化差异显著。最后,在明确耕地资源管理政策转型基本导向的基础上,探讨了区域差别化的开发强度管控政策。     

1999-2007 年中国粮食安全的关键影响因素

选取耕地保护“新政”时期的1999-2007 年为研究时段,以耕地面积与粮食产量变化的分歧原因—耕地生产力变化为切入点,通过比较分析、空间与计量分析探寻粮食安全的关键影响因素。结果表明:农民种粮积极性变化决定着耕地集约利用是影响粮食安全的关键;2003-2007 年农民种粮积极性的持续提高主要来自市场粮价的上涨;粮食直补仅在开始实施的年份激发了农民对种粮收益的预期。此外,本文从提高农民种粮积极性、优化粮食生产投入及改进耕地保护模式3方面,提出了耕地保护发展的政策建议。     

华北平原7种人工牧草不同气候条件下的耗水规律

本文主要目的是研究华北平原不同气候条件下7种人工牧草的耗水规律。试验于2005-2009年在中国科学院禹城综合试验站进行,牧草品种有一年生牧草黑麦（Secale cereale L.）、小黑麦（× Triticosecale Wittmack）、高丹草（Sorghum biolor × Sorghum Sudanense c.v.）、青饲玉米（Zea mays L.）和籽粒苋（Amaranthus paniculatus L.）,多年生牧草苜蓿（Medicago sativa L.） 和串叶松香草（Silphium perfoliatum L.）。结果显示,苜蓿的Kc值为1.08,其他牧草在0.79-0.94。不同气候条件下的Kc值大小规律为,越年生牧草：湿润〉干旱〉平常;一年生牧草：干旱〉平常〉湿润;多年生牧草：平常〉干旱〉湿润。本文建议青饲玉米和高丹草为夏季播牧草的优选牧草,籽粒苋对气候变化最敏感,干旱和平常季节会减产一半以上。黑麦和小黑麦蒸是冬闲田种植的优选牧草,小黑麦因为耗水量较小,优于黑麦。苜蓿在干旱季节的表现优于串叶松香草,但当降雨达592.9mm以上反而会引起减产。该研究的结果能为牧草在华北平原的种植布局提供科学依据。     

畜禽粪便农用区土壤-小麦系统中重金属污染及迁移

畜禽粪便农用导致农产品中重金属含量超标,通过生物链传递,最终会影响人体健康。以山东禹城典型畜禽粪便农用区为例,研究了不同畜禽粪便农用区土壤—小麦系统中重金属的污染及迁移累积情况。结果显示:某些区域存在着一定的重金属污染,鸡粪农用区、猪粪农用区污染较高,综合污染指数均值分别为0.83、0.78,都达到了警戒级,其中某些点的污染指数超过了1和2,达到了轻污染或中污染级;牛粪农用区污染较轻,综合污染指数为安全级。不同畜禽粪便农用区小麦中的Cr、Ni、Cd、As均存在不同程度超标情况,其中鸡粪农用区Cr的超标率达66.67%,Ni、Pb超标率都为16.67%;牛粪农用区小麦中Cr、Ni超标,Cr超标率达91.67%;猪粪农用区小麦中只有Cr超标,超标率为41.67%。研究区小麦显示出不同的重金属富集能力,小麦对Cd、Zn、Cu几种元素的富集情况较高,而对Pb、As的富集能力则较低。除Zn外,小麦茎叶对同一种重金属的富集能力要大于小麦的种子。     

基于无人机遥感的滨海盐碱地土壤空间异质性分析与作物光谱指数响应胁迫诊断

在已集中连片改造为农田的盐碱地上,开展无人机遥感作物土壤空间异质性分析与光谱指数响应胁迫诊断对于提升盐碱地利用效率、创造更多经济效益与生态价值具有重要意义。本研究以山东省东营市黄河三角洲典型滨海盐碱地集中连片旱作农田的主要作物——高粱和玉米为研究对象,利用固定翼无人机获取400 hm²滨海盐碱地多光谱遥感数据,并结合地面195个采样点的3个土层（0~10 cm、10~20 cm、20~40 cm）的土壤属性数据,对该研究区域内作物生长的土壤环境因子进行空间异质性分析与光谱指数响应胁迫诊断。基于土壤属性数据,利用反距离加权插值法,绘制该研究区域内土壤盐分、pH、有机质、全氮和速效氮共5个指标含量的水平与垂直空间分布图。插值结果显示,5种土壤属性指标存在显著水平和垂直空间异质性。基于随机森林模型,采用递归特征消除法,结合土壤指标对光谱指数的重要性值,探讨影响作物生长的主要土壤环境胁迫因子。结果表明,5种土壤属性因子均会对玉米和高粱生长造成影响,但主要胁迫因子分别为土壤速效氮含量（10~20 cm）和3个土层的盐分含量。本研究为大面积农情胁迫监测提供了一项有效的地面与航空协同监测方案,为盐碱地旱作农田管理与决策提供了理论依据和技术支持。     

鲁西北平原冬小麦耗水过程与节水灌溉管理模式讨论

本文利用禹城综合试验站土壤-植物-大气综合观测场冬小麦田间的小气候梯度仪和大型蒸渗仪的观测资料,结合作者建立的模拟SPAC系统中水、热、CO2通量和光合作用的综合模型,研究了冬小麦全生育期的耗水过程;根据模拟计算的土壤水分动态,对山东省鲁西北平原现行的灌水管理模式进行了讨论。(1)冬小麦全生育期耗水438mm;返青以前耗水占20%,拔节-灌浆期是耗水的旺盛时期,占67%;(2)灌水后地表以下1m处的渗漏量与土层前期储水量和灌水量有关,前期含水量越大,灌水量越大,损失越大,灌水利用率越低;(3)鲁西北平原现行的越冬水-返青水-灌浆水-黄熟水的灌水模式在各次的灌水量控制上应谨慎处理,否则会造成大量的水资源浪费,从而影响灌水利用率。     

高地下水位条件下重盐碱洼地治理效果的初步观察*

禹城北丘洼属“半封闭重盐化咸水区”,潜水埋深浅,地下水矿化度高为其主要自然特征。对洼地采用区外引水、明渠灌、排、蓄等技术措施,进行综合治理,潜水埋深没有降低,却取得了显著治理效果。对这一客观现象的初步分析表明,明渠引水、蓄水,保证了干旱季节农田灌溉和对盐分的淋洗,有效地促使作物根系层的水盐下行;农田作物覆盖层不仅改善了近地层蒸发和土壤返盐的环境条件,而且作物蒸腾可有效地控制根系层盐分积累。     

施用不同畜禽粪便土壤剖面中重金属分布特征

针对不同粪便集中施用情况, 选取禹城市3 个畜禽养殖区, 通过采集不同旱地农田土壤剖面样品, 研究典型重金属元素随粪便施用程度的变化、土壤剖面中重金属垂直分布特征以及施用不同畜禽粪便土壤剖面中重金属分布的差异。结果发现,长期施用畜禽粪便土壤剖面中重金属Cu、Zn、Pb、Cr、As的含量要高于未施用畜禽粪便的对照土壤剖面, 其中Cu、Zn 超过对照组较大;偶尔施用畜禽粪便土壤剖面Cu、Zn、Pb、Cr、As 的含量低于长期施用畜禽粪便土壤剖面, 且与未施用畜禽粪便的对照土壤剖面相差不大。牛粪集中施用区土壤剖面中Cu、Pb、Cr、Cd、Ni 等重金属存在较为明显的淋溶下移性, Hg、As两元素存在较为明显的表层或亚表层聚集现象;猪粪集中施用区土壤剖面各重金属除Cr、Ni 外, 都显示出较为明显的表层或亚表层聚集现象;鸡粪集中施用区的土壤剖面Cu、Pb、Cd、Cr、Ni 存在一定的淋溶下移性, 而Zn、Hg、As等3 种元素存在显著表层亚表层聚集现象。长期施用不同畜禽粪便的不同土壤剖面Cr、Ni、Cd、Pb 等含量变化差异明显, 而As、Hg差异性不显著;施牛粪与施鸡粪剖面中的Zn, 施猪粪与施鸡粪剖面中的Cu差异也不显著。     

耕地转型的研究路径探讨

当前,土地利用转型研究总体上处于“描述-解释”阶段,高度集中在森林转型研究领域及空间形态研究路径。学术界亟须推动土地利用转型研究向科学调控阶段发展。对此,本文尝试提出耕地转型的研究路径,以期带动土地利用转型研究领域向半人工半自然复合土地系统乃至人工土地系统拓展、研究路径向非空间形态延伸。耕地转型诊断可以从空间形态转型与功能形态转型两条路径开展。其中,前一路径关注耕地的空间分布及其收缩与扩张,可以从耕地数量变化或格局变化视角开展研究;后一路径关注耕地功能的变化过程,可以从外部性或政策演进视角开展研究。由社会-生态负反馈驱动的耕地功能形态转型,主导着由社会-经济动态驱动的耕地空间形态转型进程。据此,作者构建了耕地转型调控框架及其层次分析体系。