近年来，随着全球气候变化、环境恶化、自然灾害和社会经济文化等因素对 世界粮食生产系统的叠加影响，全球范围内粮食可持续性增产正面临严峻的考验。 作为一种可用于改善不同尺度农作物种植管理的数据获取分析技术，数字农业被 认为有助于解决农田生态系统的可持续性增产问题。然而相关研究现阶段多集中 于单一尺度，同时对社会经济等因素的影响重视不够。所以，进行多尺度、综合 社会经济、生态系统服务和环境影响等的多维系统分析方法对于可持续粮食生产 的管理、政策设计和实施等极为必要。

        本研究以生态环境脆弱、人地矛盾突出的干旱半干旱典型地区黄土高原为研 究对象，尝试将能值分析引入到区域农田生态系统优化管理中来。通过构建农田 （植被）生态系统及农作物种植系统能值系统模型，综合运用地理信息数据、各 类气象数据、农作物种植生产资料以及农田管理参数等数据，采用能值分析、作 物生长模拟及各类统计模型等相结合的研究方法，综合分析各生态系统和农作物 种植系统的资源利用结构与环境影响之间的相互关系，从区域农田生态系统潜在 拓展区域及农作物种植结构空间优化两方面探索，为黄土高原乃至其它干旱半干 旱地区的粮食增产与生态环境安全协调发展提供参考。

        （1）以 2000-2015 年黄土高原 4 种主要土地利用类型（森林、草地、裸地 和耕地）和 6 种土地利用转化模式（森林转草地、裸地转草地、草地转森林和耕 地、和耕地转森林和草地）为研究对象，分别分析了它们在 3 种不同环境条件下 对资源利用和保护的影响。主要研究结果及结论如下：（a）在黄土高原年均降水 量相对较高的区域（> 400 mm），森林生态系统具有较高的资源利用通量，并可 通过提高水土保持能力等来进一步加强其在该区域的竞争优势，但其水分利用效 率较低。（b）在水分相对短缺的区域（年均降水< 400 mm），草地生态系统由于 具有较高的水资源利用效率和资源涵养能力，其相比于森林生态系统在该区域更 具优势。研究结果还表明在资源有限的环境条件下，最大限度获取资源并不总是 生态系统发展的最佳策略；而能值最大功率原则对区域生态系统的发展更具一般 性。此外，在黄土高原风蚀水蚀交错区扩大耕地面积可成为该地区粮食可持续增 产的选择之一。

        （2）选取 6 种与农作物种植系统相关的生态环境指标（灰水足迹、土壤侵蚀 和环境可持续指数）和社会经济指标（粮食单产、能值投资率和能值产出率）。 通过分析这些指标间的相互关系及采用作物种植结构优化情景分析，研究结果如 下：（a）可将黄土高原灰水足迹大于 500 m3 /t 以及土壤侵蚀能值大于 1.5E+12 sej/ha 的农田生态系统所在县域定义为相对不可持续县域，可通过调节系统外部 资源的输入方式以及输入数量等对其进行优化。（b）从粮食产量和环境可持续性 角度来看，玉米、谷子和高粱相比于其他粮食作物在黄土高原具有更高的种植推 广潜力。（c）黄土高原作物种植结构空间优化最大可分别减少原种植作物系统 28% 的灰水足迹和 35%的土壤侵蚀，最高可分别增加原种植作物系统 10%的环境可 持续性指数和 20%的作物产量。因此作物种植结构空间优化技术可作为实现区 域粮食可持续增产的重要手段之一。

       以能值系统分析为基础，本研究提出了一种将景观尺度与生态系统尺度相结 合、将能值系统模型与作物生长模型相结合的多维系统分析研究方法。本研究通 过引入能值分析的两个重要理论——能值最大功率原则以及能值匹配理论，以干 旱半干旱典型地区黄土高原为研究对象，分别在区域尺度及县域尺度上探讨了该 区域农田生态系统潜在拓展区域以及农作物种植结构空间优化方案。验证了所发 展的多维系统分析方法在区域粮食增产与生态环境安全协调发展方面的应用潜 力。本研究认为在应对未来全球干旱半干旱地区的粮食安全问题时，该多维系统 分析研究方法具有较高的应用价值及应用前景。