挠力河流域丘陵-平原-湿地区径流变化驱动力分析

为了减少或者防止丘陵-平原-湿地区蒸发变大、径流减少和湿地退化等问题产生,有必要找到丘陵-平原-湿地区径流变化的驱动力。该文针对这种情况选定典型丘陵-平原-湿地区挠力河流域为研究对象,识别研究区水文气象、降雨径流关系、覆盖类型和旱田作物种类等径流影响因素的变化情况,利用情景模式反映影响因素的组合情况,将情景模式输入水文模型,分析径流影响因素及其变化对水文循环过程和径流的影响。结果表明:研究区域降水变化是径流变化的关键驱动力,降雨与径流总体上均呈递减趋势,并且径流深的递减趋势强于降水量的递减趋势;径流减少影响因素除了关键性因素降雨外还有其他因素在起作用,并且影响在逐渐增强;气候变化也是径流变化的重要驱动力之一,1965—2014年期间夏季和秋季的气温、水汽压、日照和风速等都存在显著增加趋势,春季的气温和水汽压显著升高,春季的风速在降低;1965—2014年期间流域蒸发在5—10月间并不是总是随着气温、日照、水汽压和风速等增加而增加,在某些时段某些覆盖类型蒸发量存在减小的现象;集水区域内覆盖类型变化是径流变化的重要驱动力之一,未利用地转变成旱地、旱地转换为水田以及农业产业结构的调整,加速了研究区内流域蒸散发,导致径流深的递减速度加快,同时引起了径流深对降水响应的异常;降水、气候因素和土地覆盖类型等综合影响着蒸发、根系区含水量、非饱和带含水量和径流等水循环过程因素的时空变化。     

三江平原农业需水量及适宜水稻种植面积的研究

三江平原水田面积已达95.3×10⁴ hm²，占总耕地面积的28.6%。集中种植区种植比例超过50%，最大比例为90%，造成地下水位持续下降并形成集中降深。该地区内有大面积湿地分布，地表径流减少和地下水漏斗的形成将对湿地和地区整体生态环境造成极为不利的影响。该文以农业需水量和地下水可开采模数两种计算方法，计算了适宜水稻种植的面积。结论为：在现有水田比例情况下，农业需水量为464 mm；考虑一定的径流量，适宜比例为30%，若不考虑径流，最大种植比例为50%～60%     

城镇-农业-生态协调的高原湖泊流域土地利用优化

为了解高原湖泊流域土地利用布局现状,探究在"城镇-农业-生态"协调下的高原湖泊流域土地利用空间优化配置方案,该文以抚仙湖流域为例,基于3S技术,运用MCR-CLUE-S模型,研究流域城镇建设情景、农业开发情景、生态保护情景和综合优化情景4种模式下2030年国土空间的结构和布局,最终提出抚仙湖流域"城镇-农业-生态空间"协调下的土地利用空间优化分区。结果表明:1)2005、2010和2015年抚仙湖流域城镇空间呈上升趋势,农业空间呈下降趋势,生态空间先升后降,10 a间空间分布格局基本一致;2)以重要水源地、湖滨湿地和大面积自然林地为保护源,选取高程和坡度等8个阻力因子,采用最小累积阻力模型和累积耗费距离模型构建抚仙湖流域生态安全格局,以及有利于生态保护的"源"核心区、生态保护区、生态边缘区、农业开发区、农业边缘区和城镇建设区;3)以生态功能分区面积为约束条件,通过Markov模型结合CLUE-S模型模拟抚仙湖流域2030年城镇建设、农业开发和生态保护情景下"城镇-农业-生态空间"的优化布局。城镇建设情景综合考虑生活需要以及政策指导下以开发城镇空间为主导的"城镇-农业-生态空间"数量及空间结构的发展方向;农业开发情景控制城镇空间规模,开发部分生态空间潜力;生态保护情景下农业空间面积有所减少,城镇空间面积少量增加;4)抚仙湖流域2030年综合优化情景模式下,根据土地功能的不同,划为城镇空间、农业空间、生态空间、城镇-农业空间、城镇-生态空间、农业-生态空间和城镇-农业-生态空间,其中农业-生态空间最小,生态空间最大;5)通过分析4种情景下区域发展的特点,结合抚仙湖流域耕地保护、生态保护和经济社会发展等多种因素,认为综合情景方案更合理并更适合当地的发展,其他3种单要素情景方案可为综合情景方案的实施进行相关的补充和调整。研究结果可为抚仙湖流域国土空间规划和生态保护战略决策提供参考依据。     

三江平原地下水埋深灰色自记忆预测模型

地下水资源是支撑区域粮食生产的重要基础资源。针对三江平原水田面积迅速增加、地下水水位持续下降问题,以建三江分局七星农场为例,依据1997-2007年地下水埋深监测资料,运用灰色微分方程与自记忆原理构建地下水埋深灰色自记忆预测模型。结果表明：该模型简洁实用,精度较高,当地未来地下水水位具有持续下降趋势。研究成果揭示了当地地下水埋深的时间变化规律,为七星农场乃至三江平原地下水资源可持续开发利用提供依据。     

南方丘陵灌区水田-塘堰-沟道系统水循环特征及回归水重复利用规律分析

南方丘陵灌区因其地势起伏、塘堰众多,为农田灌溉储水、用水提供了便利,导致灌区水循环路径复杂、不同系统水量交换不清晰、回归水重复利用无法定量计算。为了探明灌区水循环规律,通过2 a（2021—2022年）现场观测试验,对水田、塘堰和沟道分别构建水量平衡模型,提出“首尾比较法”来复核田间灌溉水量,区分了回归水重复利用的发生场所,分生育期评价水循环规律和回归水重复利用程度。结果表明,通过水田水量平衡公式并结合DRAINMOD模型计算的田间灌水量, 2 a的结果与塘堰、沟道和渠道灌溉实测值之和的相对误差分别4.65%和−2.74%,表明“首尾比较法”复核灌溉水量较为可靠。在田间灌溉水不同来源中,渠道直灌、沟道、塘堰分别占9.77%、71.81%和18.42%。由于灌溉需求,整个生育期塘堰消耗了82.73%的初始蓄水量,渠道补给、降雨、沟道来水分别补充了38.15%、29.98%和14.60%。塘堰回归水重复利用率全生育期呈逐渐减小的趋势,沟道是回归水重复利用的主要场所,且回归水重复利用率是塘堰的2倍（80.86%）。渠道灌溉水初次分配仅有29.44%进入田间,但是塘堰和沟道二次分配使得至少72.10%的渠道水进入田间。南方丘陵灌区塘堰和沟道水循环受人类活动影响严重。灌区管理者“补给塘堰为主、直灌田间为辅”的灌溉策略符合农民需求、实际灌溉效率较高。     

黑龙江省通河县旱地改水田许可转换度研究

由于水稻种植的效益较高,促使有条件地区旱改水现象突出。水田面积增长迅速,导致部分地区人地用水矛盾突出,如何确定一地区水田面积极限值,保证人地用水和谐发展是亟待解决的问题。该文以黑龙江省通河县为研究区,基于GIS技术、考虑农业生态承载力各自然约束条件,应用定量化模型计算通河县的许可最大水田面积,并以许可转换度来表征区域旱地改水田的极限比例。结果表明:通河县旱地改水田许可转换度应控制在0.45以下,即水田面积控制在79311.8hm2以内,可以保证通河县人地用水的和谐发展。且以2008年农业种植结构数据为基础,计算出通河县旱地改水田的潜力约为2万hm2,目前旱改水的潜力还较大。研究结果可为黑龙江省通河县农业种植结构调整提供量化依据,保证通河县及类似地区农业可持续发展。     

华北平原种植结构变化对农业需水的影响

不同种植结构下的农田需水研究是调整农业种植结构、制定切实可行的区域灌溉方案的重要依据。为了定量估算华北平原种植结构变化对农业需水的影响,本文基于MODIS NDVI数据和TM/ETM遥感影像提取了2002年和2012年华北平原主要作物类型及其种植面积,同时基于作物系数法计算了华北平原7种主要作物需水量,分析了华北平原种植结构变化对作物需水的影响。结果表明:2002—2012年,主要作物种植面积减少60.7万hm~2。其中,种植面积明显减少的作物分别为冬小麦-夏玉米(-43.18万hm~2)、棉花(-32.43万hm~2)、水稻(-9.3万hm~2)和春玉米(-4.9万hm~2),种植面积增加的作物主要是林果(+16.61万hm~2)和蔬菜(+12.6万hm~2)。2002—2012年,华北平原主要作物的总需水量从742.7亿m~3下降至695.5亿m~3,共下降6.37%。其中,需水量减少的作物类型为冬小麦-夏玉米(-35.41亿m~3)、棉花(-24.31亿m~3)、水稻(-7.48亿m~3)和春玉米(-2.1亿m~3),需水量增加的为林果(+11.24亿m~3)和蔬菜(+10.71亿m~3)。从空间分布来看,华北平原作物需水量整体呈减少趋势,仅在河北平原、鲁西北以及滨海平原靠近城市周边的区域呈增加趋势,其中滨海平原需水增加量最大。华北平原由于作物种植面积减小引起的作物需水减少量达44.7亿m~3;由作物种植结构调整引起的作物需水减少量为2.5亿m~3。种植规模的减小是华北平原作物需水量减少的主要原因。     

黄土高原丘陵沟壑区不同水体间转化特征——以韭园沟流域为例

为研究黄土高原丘陵沟壑区降水、地表水和地下水间的转化特征,以绥德县韭园沟流域作为研究对象,通过测定雨水、沟道水和井水的氢氧同位素组成,分析各水体的δD-δ18O特征、氢氧同位素的时间变化和沿程变化,明确各不同水体间的补给关系,估算流域上游沟道水补给井水的过程中因蒸发损失的水量.结果表明:韭园沟流域沟道水和井水的δD和δ18O之间具有良好的线性关系;井水氢氧同位素相对于沟道水较富集且稳定,降水、气温、风速等气象因子对沟道水氢氧同位素影响强烈,对井水影响较弱;流域沟道水与井水均来源于大气降水,能够有效补给地下水的大气降水氢氧同位素加权平均值为:δ18O=-11‰,δD=-79.80‰;沟道水向井水的转化以单向排泄补给为主,两者转化过程中由于蒸发作用引起的水量损失占补给源水量的7％.     

牧区水-土-草-畜平衡调控模型建立与应用

针对牧区水资源短缺、水土资源不匹配、草畜平衡矛盾突出及生态环境脆弱的问题,该文在分析现有研究对牧区水-土-草-畜平衡调控研究不适应的基础上,构建经济效益与生态效益统一度量的牧区水-土-草-畜平衡调控模型,并在内蒙古自治区鄂托克前旗进行实例应用,以牲畜饲养过程中灌溉人工草地和天然草地耦合比例建立调控方案集,分析水土草资源开发与经济生态综合效益响应关系,结果表明随牲畜补舍饲时间增加灌溉人工草地种植面积增加,区域发展限制因素逐渐由天然草地限制过渡为水资源限制,研究区土地资源丰富,水资源是控制区域水-土-草-畜平衡发展的关键因子。到2030年鄂托克前旗水-土-草-畜平衡调控阈值主要指标为水资源开发利用量控制在2.66亿m~3,灌溉面积控制在4.24～4.31万hm~2之间,灌溉人工草地开发规模控制在3.04～3.42万hm2之间,牲畜饲养量控制在113.54～118.85万羊单位之间。模型为定量化研究牧区水-土-草-畜平衡调控阈值提供一种新的思路与手段。     

河北省小麦减肥潜力分析

利用统计数据,分析了2000～2016年河北省氮磷钾养分用量动态变化。利用河北省小麦测土配方施肥项目"氮磷钾3414"试验结果(n=3358),深入分析了小麦氮磷钾养分适宜用量及节肥潜力。结果表明,河北省氮磷钾养分用量以2014年最高,为335.6万t,之后呈现下降趋势。调查数据表明,河北省小麦养分用量现状为N 223.9 kg·hm~(-2)、P_2O_5 151.2 kg·hm~(-2)、K_2O 59.8 kg·hm~(-2)。线性加平台模型拟合分析,河北省小麦单位面积养分推荐用量为N 155.9 kg·hm~(-2)、P_2O_5 117.2 kg·hm~(-2)、K_2O 92.5 kg·hm~(-2),与农户用肥现状相比可节肥12.58万t。其中可节氮14.55万t,占小麦氮投入量的28.4%;节磷4.94万t,占小麦磷投入量的28.4%;钾需增加投入6.91万t。小麦单位面积节氮、节磷潜力以石家庄市最大,邢台市最小。     

基于多时相Landsat数据融合的洞庭湖区水稻面积提取

洞庭湖区作为中国重要的商品粮基地,水稻种植面积的变化对国家粮食安全有重要的影响,准确获取水稻面积及其变化显得十分重要。为解决数据缺失问题,该文利用STARFM(spatial and temporal adaptive reflectance fusion model)模型融合高时间分辨率的MODIS数据与中等空间分辨率的Landsat数据,得到时序Landsat NDVI数据,并利用时序Landsat NDVI数据对水稻种植面积进行提取。结果显示,该方法能够有效地提取水稻种植面积,总体分类精度94.52%,Kappa系数为0.9128。水稻分布几乎覆盖整个研究区,水稻种植总面积达7.88×105hm2。双季稻种植面积为7.75×105hm2,主要集中于湖区北部及西北部,且分布较连续。一季稻种植面积为1.3×104hm2,分布相对零散,有小范围集中于湖区中部及西北部。     

秦淮河流域土地利用/覆被变化对蒸散量变化的贡献

为评估城市化造成的土地利用/覆被类型变化（Land use/cover change,LUCC）对流域尺度蒸散量变化的影响,选取长三角地区秦淮河流域为研究区,基于Landsat系列卫星数据和站点气象数据,构建决策树模型,提取2000年和2013年土地利用/覆被类型数据,同时借助SEBAL模型估算研究区四季典型日（春季：2014-05-26、夏季：2013-08-11、秋季：2013-10-14、冬季：2014-01-02）栅格尺度蒸散,探讨2000?2013年秦淮河流域主要土地利用/覆被类型间转化过程对流域尺度日蒸散量变化的贡献。结果表明：（1）相较于2000年,2013年秦淮河流域不透水面增加183.8%,而水稻田、旱地、林地和水域分别减少19.1%、10.7%、12.8%和9.5%。2000-2013年主要土地利用/覆被类型转化方向包括水稻田→不透水面、旱地→不透水面、水稻田→旱地和旱地→水稻田,转化面积分别为208、168、282和232km2;（2）仅考虑LUCC的影响,对比2000年,2013年研究区流域尺度日蒸散总量在四季典型日分别减少134万、109万、60万和5万m3。在春、夏、秋三季典型日,水稻田和旱地向不透水面转化过程造成的贡献率分别为-58.5%、-59.5%、-54.4%和-35.1%、-36.3%、-39.8%,负贡献会抵消旱地向水稻田转化过程造成的正贡献（分别为16.8%、16.3%、5.7%）,导致春、夏、秋三季典型日流域尺度日蒸散量下降;而在冬季典型日,水稻田向不透水面、旱地向不透水面和水稻田向旱地转化过程造成的负贡献（分别为-48.8%、-20.5%和-31.8%）会抵消旱地向水稻田转化过程造成的正贡献（26.1%）,导致冬季典型日流域尺度日蒸散量下降。总体而言,2000?2013年秦淮河流域城市化带来土地利用/覆被的显著变化,使蒸散较高的水稻田和旱地向蒸散较低的不透水面大面积转化,导致流域尺度日蒸散量在四季均呈下降趋势。     

基于脱钩理论与LMDI模型的农村居民点演化特征及驱动因素分解

为研究中国农村人口与农村居民点用地变化协同关系和驱动因素,以促进农村居民点用地集约利用,该文基于农村人地变化脱钩和城乡人口转型视角,以全国和31个省级行政区域为研究区,将Tapio脱钩模型和对数平均迪式指数分解法(logarithmic mean Divisia index,LMDI)应用于农村人地协调演化研究及驱动效应分解。结果表明,近20 a来,中国城乡发展经历了快速转型,农村常住人口持续减少,降幅约为30.7%,而同期农村居民点规模不减反增,农村人地演化关系失衡,建设用地趋于粗放利用;中国及各地区农村人口和居民点变化的脱钩关系主要表现为强负脱钩,其中东部和西部地区负脱钩程度较为严重,且负脱钩程度总体上呈加剧趋势;1996—2008和2009—2016年期间,中国农村居民点规模分别增加了2.020×105 hm2、7.275×105 hm2,其中农村居民点利用集约度效应、城乡人口结构效应、城镇化效应、区域总人口效应的贡献量分别为33.497×105、-116.833×105、71.813×105、13.544×105 hm2和36.689×105、-68.271×105、32.164×105、6.692×105 hm2;不同时段各效应贡献度不同,1996—2008年城镇化效应大于农村居民点利用集约度效应,而在2009年之后,农村居民点利用集约度效应逐渐超过城镇化效应,成为农村居民点增加的主导因素。     

基于多时相GF-6遥感影像的水稻种植面积提取

为获取高精度水稻种植面积提取方法和分析红边信息在作物识别能力上的优越性,该研究选取辽宁省盘锦市为研究区域,利用2020年水稻关键物候期的多时相高分6号宽幅相机（GF-6 WFV）遥感影像,构建归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）、归一化水体指数（Normalized Difference Water Index,NDWI）、比值植被指数（Ratio Vegetation Index,RVI）和归一化差异红边1指数（Normalized Difference Red-Edge 1 Index,NDRE1）,根据各地物类型进行时序分析,在获得水稻面积粗提取结果的基础上对其他地类进行掩膜,准确提取水稻种植面积。对2020年盘锦市水稻提取结果进行精度分析,结果表明,基于实测数据进行精度验证的总体精度为94.44%,基于目视解译数据进行精度验证的总体精度和Kappa系数分别为95.60%和0.91。根据目视解译数据对有无红边波段参与的水稻提取结果进行对比分析可知,红边波段的引入使总体分类精度、水稻制图精度和Kappa系数分别提高了3.20个百分点、6.00个百分点和0.06。该研究证明红边波段可以有效降低作物的错分、漏分情况,对水稻精准估产和丰富农作物遥感监测方法具有重要作用,显示出国产红边卫星数据在作物分类、面积提取方面具有巨大应用潜力。     

排水循环灌溉驱动的稻区水循环模型与评价

排水循环灌溉可补充灌溉和减少涝水排放,具有缓解南方稻区旱涝急转和农业面源污染危害的潜力,但仍无有效的模型来模拟排水循环灌溉驱动下的水文过程。为此采用penman-monteith公式和作物系数法并考虑稻田渗漏与降雨有效性条件下应用水量平衡估算水稻灌溉需水量,改进SCS(soil conservation service)模型估算排水量,再以塘堰为对象建立调蓄排水和灌溉需水的水平衡演算模型。在漳河水库灌区应用该模型发现,水稻种植区存在大量的排水可供灌溉利用,而排水循环灌溉利用量受灌排面积比、塘堰容积率和塘堰初始蓄水率的影响;提高灌排面积比和塘堰容积率能明显提高补充灌溉率和排水再利用率,当两者达到一定值时补充灌溉率和排水再利用率便稳定在最高值,补充灌溉率高达20%;补充灌溉率随塘堰初始蓄水率的增加而缓慢增至20%,排水再利用率先随初始蓄水率的增加而稳定不变,随后逐渐降低。排水循环灌溉驱动的水循环模型为合理匹配排水循环灌溉的塘堰或排灌规模提供有效方法。     

基于农业面源污染控制的三峡库区种植业结构优化

基于农业经济效益最优和农业面源污染物减排的双重目标,运用线性规划模型,对三峡库区重庆段种植业结构和清洁农业生产进行了优化设计。通过对三峡库区重庆段种植业面源污染控制与种植业发展优化设计,得到三峡库区重庆段农作物净收益最大化的优化路径为:三峡库区重庆段粮食生产用地应保持约119.16×104 hm2,蔬菜用地保持约33.25×104 hm2,烟草、水果、茶用地应维持在17.05×104 hm2;在保证粮食生产稳定的前提下,应逐渐缩减玉米和大豆的种植面积,适当增加烟草、蔬菜、水果和茶的种植面积;在农作物生产过程中应大力推广清洁生产技术,扩大水稻、小麦、油料作物、玉米和大豆等种植的测土配方施肥面积,加强设施蔬菜生产基地建设,提倡蔬菜有机种植。通过这些措施,才能达到农业面源径流氮磷损失量减少30%的预期目标,才能实现农业面源污控制、农业经济转型和可持续发展。     

基于无人机遥感影像的水稻种植信息提取

水稻是中国南方最主要的粮食作物,种植面积波动对国家粮食稳定有很大影响。通过无人机遥感试验获取多幅有重叠区域的图像,使用Agisoft photoscan软件拼接重构试验区的完整图像,利用多尺度分割方法将试验区域分割成若干对象,并基于统计方法提取对象的光谱特征、几何特征和纹理特征;然后,建立识别水稻地块的二分类Logistic回归模型,特征指标为形状指数、红色均值、红色标准偏差、最大化差异度量、灰度共生矩阵同质性和灰度共生矩阵非相似性。结果表明:模型辨识训练样本集的正确率为100%,辨识检验样本的正确率为97%,模型应用于辨识验证区域水稻田块,总体正确率为98%。最后基于累计像素方法测算水稻田块的面积,并与目视解译测算的结果对比,面积误差小于3.5%,研究方法识别水稻田块效果好,面积测算准确率高。因此,该研究对利用无人机遥感影像普查水稻种植信息具有一定的适用性。     

基于遥感的2000－2009年三江平原北部耕地变化特征分析

该文以三江平原北部为研究区,基于遥感数据分析2000-2009年该区域耕地变化特征,旨在为土地整治、农田水利工程建设等耕地资源开发利用提供依据。结果显示:耕地面积由214.31增加至285.10万hm2,垦殖率升至67.3%,新增耕地主要为旱地;共有73.64万hm2土地被垦殖为耕地,主要来源为沼泽地、林地和草地,而同期退耕面积仅为2.84万hm2;58.67万hm2旱地转换为水田,9.06万hm2水田转换为旱地;水田呈现出集中分布的格局,占耕地总面积的比重升至30.10%;位于研究区东部北部的县市耕地增加较多,而位于西部南部的县市耕地增加的较少;今后该区域在农业发展特别是农田水利建设过程中,应加强水土资源优化配置研究,并主要通过土地整治来增加有效耕地面积。     

高潜水位采煤沉陷区土地损毁程度评价

土地损毁程度评价是采煤沉陷区土地复垦方案编制和受损农民补偿标准制定的重要依据。该文以东滩煤矿为例,在系统梳理已有研究的基础上,构建评价指标体系,划分评价单元,采用基于模糊意见集中决策的序关系分析法(G1法)确定指标权重,针对高潜水位矿区的特点,将极限条件法和可拓评价方法相结合,对其2014—2018年开采造成的采煤沉陷区的土地损毁程度进行评价,结果表明:拟损毁的土地面积总共为1 675 hm~2,其中轻度损毁面积为968.2 hm~2,中度损毁面积为379.53 hm~2,重度损毁面积为327.27 hm~2。与简单的以积水状况确定损毁程度的经验方法比较表明,经验做法往往低估了高潜水位采煤沉陷区土地的损毁水平。该研究为东滩煤矿科学合理编制土地复垦方案、确定受损农民补偿标准提供了支持,为同类型的其他高潜水位采煤沉陷区土地损毁程度的评价提供了借鉴。