東北地理所在極端降水年玉米產(chǎn)量空間異質(zhì)性響應(yīng)機(jī)制解析方面取得進(jìn)展
東北黑土區(qū)作為我國“黃金玉米帶”的核心區(qū)域，肩負(fù)著全國四分之一商品糧供給的重任，是保障國家糧食安全戰(zhàn)略的關(guān)鍵支撐。然而，在全球變暖和拉尼娜事件的共同作用下，東北地區(qū)極端降水事件頻發(fā)，農(nóng)田遭受嚴(yán)重澇漬災(zāi)害，作物大幅減產(chǎn)，直接威脅國家糧食安全。遙感技術(shù)為區(qū)域尺度作物產(chǎn)量估算提供了可復(fù)制的方法框架，但現(xiàn)有研究主要關(guān)注預(yù)測因子優(yōu)化與模型精度提升，缺乏對(duì)作物產(chǎn)量空間異質(zhì)性的驅(qū)動(dòng)因素分析及關(guān)鍵閾值的量化。在全球極端氣候事件頻發(fā)的背景下，開展黑土區(qū)氣候-產(chǎn)量的響應(yīng)機(jī)制解析，是降低未來產(chǎn)量預(yù)估不確定性和提升氣候適應(yīng)策略科學(xué)性的關(guān)鍵路徑，對(duì)構(gòu)建具備韌性的國家糧食安全保障體系具有深遠(yuǎn)意義。
東北地理所地理景觀遙感學(xué)科組研究人員以“黑土糧倉”科技會(huì)戰(zhàn)梨樹示范基地為例，集成哨兵二號(hào)(Sentinel-2)多時(shí)相光譜數(shù)據(jù)與土壤-地形-氣候多源環(huán)境因子，通過特定生長階段的變量提取策略，構(gòu)建了XGBoost-SHAP可解釋機(jī)器學(xué)習(xí)框架，精準(zhǔn)量化了極端降水年份薄層黑土區(qū)小流域尺度玉米產(chǎn)量的空間異質(zhì)性，系統(tǒng)揭示了土壤和地形因子對(duì)產(chǎn)量的緩沖效應(yīng)，并明確了導(dǎo)致產(chǎn)量空間差異的關(guān)鍵閾值。
研究結(jié)果顯示，灌漿期模型的產(chǎn)量估算精度最高(R2=0.88，nRMSE=10.78%)，相較于全生育期模型，其誤差降低了37%，能夠在收獲前6-8周實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米產(chǎn)量的精準(zhǔn)預(yù)測。XGBoost-SHAP模型進(jìn)一步揭示了土壤砂粒含量和地形特征在極端降水年份對(duì)產(chǎn)量空間異質(zhì)性的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)作用。在極端降水條件下，土壤砂粒含量與產(chǎn)量之間存在明顯的非線性閾值關(guān)系。當(dāng)砂粒含量過低時(shí)(~12.85%)土壤透水性差，易加劇澇害，導(dǎo)致產(chǎn)量顯著降低；尤其在砂粒含量偏低且地形低洼區(qū)域，二者的協(xié)同作用會(huì)進(jìn)一步放大減產(chǎn)效應(yīng)。然而，當(dāng)砂粒含量處于22-30%時(shí)，其對(duì)產(chǎn)量的影響由抑制轉(zhuǎn)為促進(jìn)，并在干旱條件下仍能維持較高的生產(chǎn)力水平。本研究量化識(shí)別出的“土壤-地形”緩沖效應(yīng)臨界閾值，為優(yōu)化農(nóng)田耕作制度與土壤管理策略、提升農(nóng)業(yè)系統(tǒng)氣候韌性提供了重要的科學(xué)依據(jù)。
圖1薄層黑土區(qū)典型區(qū)地形及降水的年際變化和日變化
圖2極端降水年薄層黑土區(qū)典型區(qū)域的產(chǎn)量空間分布
研究成果發(fā)表在農(nóng)林科學(xué)1區(qū)TOP期刊《Field Crops Research》上，由東北地理所夏晨真博士生（第一作者）、任春穎研究員（通訊作者）等人共同完成。研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2021YFD1500105)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA28080500)等項(xiàng)目共同資助。
論文信息如下：Xia,C.,Ren,C.,Wang,Y.,Wang,Z.,Jia,M.,Xi,Y.,Liu,P.,Ren,H.,Hou,Q.,Ruan,X.,2026. Decoding soil-topography buffering of maize yield spatial heterogeneity in extreme precipitation year using sentinel-2 data and SHAP interpretability. Field Crops Research. 337,110263. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2025.110263.
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