中国北方耕地水土平衡关系时空特征分析OA

耕地水土平衡关系是维持耕地生产力、生态稳定性与可持续利用能力的基础支撑和核心调控机制,研究耕地水土平衡关系对于支撑“以水定地”,促进耕地空间布局优化、作物种植结构优化和水土资源可持续利用具有重要现实意义。该研究以中国北方五大农业区为研究区,基于2001—2022年逐月栅格气象数据、作物种植结构与总初级生产力(gross primary productivity,GPP)数据,采用FAO-56作物系数法估算冬小麦、春玉米和夏玉米全生育期作物需水量,构建旬尺度作物水分盈亏指数(crop water deficit index,CWDI)及其标准化指数(standardized crop water deficit index,SCWDI),并结合游程理论、经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)、相关分析和Copula–Bayesian条件概率模型,系统识别北方耕地水土平衡关系的时空演变、作物需水临界期及干旱胁迫下的生产力损失风险。结果表明:1)研究区冬小麦与玉米全生育期多年均值需水分别为500 mm与594 mm,其中春玉米为627 mm、夏玉米为536 mm;需水量呈显著区域差异,冬小麦:黄淮海区521 mm>黄土高原区514 mm>甘新区467 mm,而春玉米在甘新区最高(662 mm)。2)研究区平均干旱事件频率为0.4~2.0次/a,甘新区表现出特旱占比较高、历时较长、强度较大的累积型干旱特征,黄淮海区则以高频、短历时干旱为主。3)EOF分解显示前5个模态累计解释73.7%的方差,EOF1和EOF2贡献率分别为28.6%和20.0%,表明北方耕地干湿变化在年际尺度上同时具有全区一致性和区域差异性特征。4)SCWDI与SGPP相关分析表明,春玉米和夏玉米识别的关键月份为7月、冬小麦为5月,考虑累积效应后,春玉米、夏玉米和冬小麦的关键需水阶段分别对应5—6月、6月和3—4月。5)春玉米与夏玉米的SCWDI—SGPP以Gaussian Copula拟合效果最佳,冬小麦以Frank Copula最优;特旱条件下春玉米、夏玉米和冬小麦的平均生产力损失概率分别约为63%、80%和44%,黄淮海区北中部及黄土高原区是干旱胁迫向生产力损失转化较为敏感的重点区域。该研究构建了作物需水—水分盈亏—干旱事件—生产力损失风险的耦合分析框架,可为北方地区耕地布局优化、作物结构调整和农业干旱风险防控提供依据。