東北地理所在極端降水年玉米產量空間異質性響應機制解析方面取得進展
東北黑土區作為我國“黃金玉米帶”的核心區域，肩負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略的關鍵支撐。然而，在全球變暖和拉尼娜事件的共同作用下，東北地區極端降水事件頻發，農田遭受嚴重澇漬災害，作物大幅減產，直接威脅國家糧食安全。遙感技術為區域尺度作物產量估算提供了可復制的方法框架，但現有研究主要關注預測因子優化與模型精度提升，缺乏對作物產量空間異質性的驅動因素分析及關鍵閾值的量化。在全球極端氣候事件頻發的背景下，開展黑土區氣候-產量的響應機制解析，是降低未來產量預估不確定性和提升氣候適應策略科學性的關鍵路徑，對構建具備韌性的國家糧食安全保障體系具有深遠意義。
東北地理所地理景觀遙感學科組研究人員以“黑土糧倉”科技會戰梨樹示范基地為例，集成哨兵二號(Sentinel-2)多時相光譜數據與土壤-地形-氣候多源環境因子，通過特定生長階段的變量提取策略，構建了XGBoost-SHAP可解釋機器學習框架，精準量化了極端降水年份薄層黑土區小流域尺度玉米產量的空間異質性，系統揭示了土壤和地形因子對產量的緩沖效應，并明確了導致產量空間差異的關鍵閾值。
研究結果顯示，灌漿期模型的產量估算精度最高(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周實現對玉米產量的精準預測。XGBoost-SHAP模型進一步揭示了土壤砂粒含量和地形特征在極端降水年份對產量空間異質性的關鍵驅動作用。在極端降水條件下，土壤砂粒含量與產量之間存在明顯的非線性閾值關系。當砂粒含量過低時(~12.85%)土壤透水性差，易加劇澇害，導致產量顯著降低；尤其在砂粒含量偏低且地形低洼區域，二者的協同作用會進一步放大減產效應。然而，當砂粒含量處于22-30%時，其對產量的影響由抑制轉為促進，并在干旱條件下仍能維持較高的生產力水平。本研究量化識別出的“土壤-地形”緩沖效應臨界閾值，為優化農田耕作制度與土壤管理策略、提升農業系統氣候韌性提供了重要的科學依據。
圖1薄層黑土區典型區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典型區域的產量空間分布
研究成果發表在農林科學1區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研發計劃項目(2021YFD1500105)、中國科學院戰略性先導科技專項(XDA28080500)等項目共同資助。
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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吉公網安備22017302000214號
