《European Journal of Agronomy》：Spatial and temporal dynamics of cropping systems in the Texas High Plains under climate variability
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•一项为期55年的分析显示，德克萨斯高平原地区的种植系统发生了重大变化。•棉花种植面积向北扩展，而小麦和高粱的种植面积则在该地区减少。•2000年后，北部和中部次区域的作物轮作情况有所增加。•气温上升和干旱有利于以棉花为主的种植系统。•水资源短缺和气候变异性重塑了德克萨斯高平原地
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一项为期55年的分析显示，德克萨斯高平原地区的种植系统发生了重大变化。
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棉花种植面积向北扩展，而小麦和高粱的种植面积则在该地区减少。
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2000年后，北部和中部次区域的作物轮作情况有所增加。
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气温上升和干旱有利于以棉花为主的种植系统。
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水资源短缺和气候变异性重塑了德克萨斯高平原地区的作物产量和分布。
引言
全球范围内，种植系统因应对气候变异性、水资源短缺和技术进步而发生了显著的空间和时间上的变化。在美国，温度和降水模式的变化导致作物的重新分布，棉花、水稻、高粱和冬小麦向更温暖的地区扩展，而大麦、春小麦和大豆仍然主要集中在较凉爽的区域（Cho和McCarl，2017）。仅气候变化就可能解释了这些观察到的变化中的一半（Cho和McCarl，2017），其他半干旱地区也记录了类似的重新分布和产量变化模式（Kukal和Irmak，2018；Nainggolan等人，2023）。这些变化凸显了农业系统对环境变化的脆弱性，以及理解区域适应趋势的重要性。
历史上，半干旱地区的单一作物种植系统和小麦-休耕轮作模式导致了土壤退化、侵蚀和产量不稳定；在日益加剧的气候压力下，这些问题更加严重。作为回应，生产者加快了先进灌溉技术、耐旱品种的采用，并采用了多样化的作物轮作策略，以提高韧性和资源利用效率（Debaeke等人，2017；Rosenzweig和Schipanski，2019）。因此，作物选择、轮作和保护措施已成为适应变化的中心，特别是在水资源短缺和政策激励措施促使生产者维持生产力和利润的地区（Gowda等人，2008；Steiner等人，2018）。了解这些在大空间和时间尺度上的变化对于制定在不断变化的气候和资源压力下促进可持续性的地区性农业策略至关重要。
德克萨斯高平原（THP）是重要的高地棉花（Gossypium hirsutum L.）、玉米（Zea mays L.）、高粱（Sorghum bicolor L.）和小麦（Triticum aestivum L.）的生产区，它体现了半干旱农业面临的挑战和适应潜力（Colaizzi等人，2009）。自20世纪初以来，THP的作物生产主要依赖于从奥加拉拉含水层抽取的灌溉用水，但由于抽取量持续超过补给量，这一地下水资源正在严重枯竭（Scanlon等人，2012）。含水层的持续减少，加上气温上升、降水不规律和频繁的干旱，威胁到了农业的可持续性，迫使人们不断调整作物选择和管理方式（Baumhardt等人，2009；Xue等人，2019）。这些压力在过去几十年里推动了该地区种植系统的显著变化。集约化和多样化种植方式逐渐取代了小麦-休耕系统，提高了资源利用效率，尽管总耕地面积和农场数量有所下降（Chen等人，2020；Nair等人，2016；Naher等人，2023；Rosenzweig和Schipanski，2019）。空间分析进一步显示，灌溉耕地集中，棉花种植面积向北扩展，而传统冷季作物如小麦和谷物高粱的种植面积则萎缩（Chen等人，2020；Nair等人，2016）。
就作物表现而言，尽管种植面积减少，但灌溉棉花和玉米的产量总体上有所增加，表明单位产量和水分利用效率有所提高（Nair等人，2016；Wen等人，2024）。模型预测表明，如果气温超过最佳范围，未来气候将进一步有利于棉花的生产力，而其他主要作物的产量则会减少（Wen等人，2024）。这些分布和产量趋势同时突显了适应性和脆弱性，因此需要综合评估THP种植系统的空间模式、轮作动态和气候敏感性（Chen等人，2020；Nair等人，2016；Rosenzweig和Schipanski，2019；Naher等人，2023；Wen等人，2024）。这些发现强调了适应性反应和持续存在的脆弱性，突显了对THP种植系统的空间和时间模式进行综合评估的必要性。
尽管取得了实质性进展，但大多数先前的研究要么时间覆盖范围有限，要么只关注单一作物，缺乏能够捕捉棉花、玉米、高粱和小麦之间相互作用的全面、多十年的评估。在THP，最近的研究主要基于汇总的县级统计数据记录了种植系统的变化（Chen等人，2020；Nair等人，2016）。这种汇总掩盖了次区域内的变异性和田间规模的轮作模式。此外，空间分析通常忽略了次区域内的变异，而对作物轮作和模式转变的精细空间和时间分析仍不够充分。自2008年以来，美国农业部提供的作物土地数据层（CDL）为空间和时间分析提供了宝贵的土地利用数据；然而，其应用主要集中在美国中西部的玉米-大豆轮作上（例如，Sahajpal等人，2014；Stern等人，2012）。相比之下，对THP地区空间分布、多作物轮作动态和气候驱动因素之间的长期关系的评估仍然有限。缺乏一种能够在次区域尺度上整合像素级轮作动态和气候-作物关系的综合多十年分析方法。这种方法可以提供关于作物分布和轮作动态的短期波动和长期变化的见解。为了解决这些限制，本研究旨在（1）量化THP三个次区域内高地棉花、玉米、高粱和冬小麦的分布和轮作动态在空间和时间上的变化；（2）评估关键气候变异性如何影响灌溉和非灌溉系统的作物分布和产量。通过使用地理空间和时间序列分析，本研究加深了对THP种植系统适应能力的理解，并为气候适应性半干旱农业生态系统的可持续水资源和土地管理提供了依据。
章节片段
研究区域
THP包括位于德克萨斯狭长地带的41个县，该地区具有半干旱气候，年降水量变化大（360–510毫米），年平均温度在13至18摄氏度之间（Evett等人，2020）。北部县的土壤主要是粘壤土，南部县则逐渐变为沙壤土，这影响了水分储存、渗透和作物适应性（Evett等人，2020）。历史上，THP...
气候趋势
该地区的年降水量变化显著，且呈现升温趋势（图2）。年降水量在长期平均值约500毫米左右波动，没有观察到显著的线性趋势（p = 0.62）。1985年、1992年、2004年和2015年降水量超过600毫米，属于多雨年份；相反，2011年和2022年出现严重干旱，多个地区的降水量低于250–300毫米...
讨论
在过去五十年中，THP的种植系统发生了显著变化。随着气候条件的变化，棉花逐渐取代了小麦、玉米和高粱。最高和最低温度均显著上升，同时降水量年际变化大，干旱事件频繁。这些气候条件通过严重的干旱事件和较高的蒸发需求加剧了水资源限制...
结论
本研究对THP在长期变暖、反复干旱和水资源受限的情况下种植系统的变化进行了五十年多尺度的评估。通过整合县级生产统计数据与像素级作物轮作地图和气候数据集，分析表明，气温上升和多变的水资源状况促进了耐热棉花的扩展和持续存在，同时也导致了...
CRediT作者贡献声明
Tahsin Tanha Chowdhury：撰写——审稿与编辑、原始稿撰写、可视化、软件开发、方法论研究、调查、正式分析、数据管理、概念化。Wenxuan Guo：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、项目协调、方法论研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。S.V. Krishna Jagadish：撰写——审稿与编辑、验证、项目协调...
资金支持
我们感谢美国农业部NIFA（授权号：2025–68012–44235）和美国农业部NIFA Hatch（项目编号：9898）的财政支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
Tahsin Tanha Chowdhury|Wenxuan Guo|S.V. Krishna Jagadish
