华北平原地下水资源承载力模糊综合评价

华北平原地下水资源承载力评价对保障水资源-生态环境-社会经济协调可持续发展具有极其重要的意义。采用模糊综合评价方法对华北平原市级地下水资源承载力进行分析,并结合灰色关联理论进一步探讨地下水资源承载力的影响因素。结果表明,华北平原地区各城市地下水资源承载力平均得分为0.38,其中尚具一定开发潜力的仅占19.0%,已接近开发潜力和地下水资源已严重超采且已出现地质环境问题的分别占38.1%和42.9%,总体承载力很小。经计算,地下水资源开采量与人口、第一产业产值、第三产业产值、GDP、工业产值的灰色关联度依次为:0.71,0.63,0.59,0.58和0.56,故影响华北平原地下水承载力最主要的因素为人口的剧增,农业灌溉用水的增加以及社会经济高速发展等社会因素。     

华北平原灌溉农田的土壤水量平衡和水分利用效率

华北平原农业面临的主要问题是水资源短缺,地下水位持续下降。通过一维土壤水量平衡模型模拟了华北平原不同灌溉方式下农田耗水量和土壤水分深层渗漏的变化,并分析了作物的产量和水分利用效率。结果显示在正常的灌溉条件下,冬小麦季地下水的采补差额超过了200mm,某生育期一定程度的水分亏缺(返青期、拔节期或灌浆期)能明显减少冬小麦的耗水量,但没有明显减少作物的产量。因此,在一定程度上减少灌溉是可行的,但仍不能达到地下水资源的采补平衡。从长远来看,华北平原维持可持续的地下水灌溉开采,应减少冬小麦的种植面积、增加低耗水经济作物的比例。     

华北平原主要种植模式农业地下水足迹研究——以河北省吴桥县为例

本研究采用地下水足迹分析方法,以华北平原传统冬小麦-夏玉米两熟区河北省吴桥县为例,开展冬小麦、夏玉米两熟复种体系农业地下水资源消耗研究,在此基础上分析了不同作物地下水足迹对地下水资源的影响,以期为华北平原地下水超采区种植结构调整提供理论依据。研究结果表明,自1949年以来,吴桥县冬小麦地下水足迹均高于夏玉米,历年冬小麦和夏玉米的地下水足迹均值分别为89.02 km~2和29.84 km~2。从变化趋势来看,吴桥县冬小麦和夏玉米的地下水足迹均呈波动上升的趋势。而作物地下水足迹胁迫指数(GF/Aaq),冬小麦基本处于中等程度胁迫(0.1GF/Aaq1),夏玉米绝大多数年份处于较轻程度胁迫(0.01GF/Aaq0.1),但两种作物胁迫指数近年来不断增加。对该区域其他作物地下水足迹计算结果表明,夏花生和马铃薯的每平方米地下水足迹较低,分别为2.08×10~(-7)km~2和1.94×10-7 km~2,且两者的每平方米地下水足迹胁迫指数在被比较作物中同样最低,分别为3.57×10~(-10)和3.34×10~(-10)。根据作物比较认为传统冬小麦-夏玉米种植模式可以通过在农作制度调整过程中将花生、马铃薯作为替代作物引入到当地的种植结构中,可在一定程度上减少对地下水资源的消耗,从而缓解区域环境中的地下水资源压力。因此,为改善华北平原农业地下水资源的利用状况,可以通过调整作物种植结构,增加低耗水作物与主粮作物复种轮作的面积有效控制地下水资源的开采,实现农业的可持续发展。     

水分利用效率与用水有效性: 基于气孔视角的稳定同位素应用研究

澳大利亚多年降水较少并且分布不均,同华北平原相似,水资源短缺是制约粮食生产和作物产量的限制因子,水资源消耗中,农业用水所占比例最大,提高植物(作物)的水分利用效率和用水有效性对于实现水资源和农业生产的可持续利用和发展具有重要意义。本文针对澳大利亚和华北平原的农业生产和水资源现状,基于植物气孔角度在以下3个方面进行论述:1水分利用效率与用水有效性的概念;2基于气孔视角的水分利用效率和用水有效性的分析;3不同作物品种水分利用状况的同位素判别与应用。除此之外,也对华北平原目前农业水分利用情况提出相应建议。     

基于排队理论的灌区渠系地表水及地下水优化配置模型

地表水和地下水联合运用于农业灌溉是中国大部分灌区主要采用的灌溉形式,但目前的优化模型对地下水的运用情况过于简化,常采用定值作为优化模型的参数,所以不能真实反映地下水随时间对灌溉面积的影响。该文基于排队理论,研究分析了地下水灌溉的农田面积随等待地表水灌溉的历时的影响,并建立灌区渠系优化配水模型,以灌水历时最短为目标,根据渠首引水、渠系供水、作物用水等方面的用水关系建立约束条件。通过河北石津灌区的实际应用,说明模型方法的可行性,并提出该灌区5条主要干渠的合理优化配水方案。结果显示最优的灌溉历时为25.6 d;干渠B1的灌水周期贯穿了大部分灌水周期,是影响整个系统灌溉效率的关键渠道;子区C5分配的地下水资源较多,该子区的地下水灌溉面积占到了43%。该模型可更加真实地反映用于灌溉的地下水水量随时间变化的不确定性,能够为中国大部分地区建立地表水和地下水联合灌溉优化模型提供方法上的借鉴。     

华北平原地下水压采区冬小麦种植综合效应探讨

华北平原冬小麦-夏玉米一年两熟种植模式为维护国家粮食安全发挥了重要作用。但冬小麦生长期正处于华北平原降水较少的干旱季节,实现高产依赖于灌溉,是华北平原地下水超采的主导因素之一。随着国家地下水限采政策的实施,在地下水超采区如何稳定冬小麦的种植面积和产量是面临的一个重要问题。本文通过综述以往研究并结合典型地点田间试验结果,从冬小麦种植可减少休闲期土壤蒸发损失、具有的深根系系统可充分利用土壤储水、可利用微咸水替代淡水灌溉、通过限水灌溉发展优质麦生产、冬春形成覆盖层美化和防沙尘效应等方面论述了华北平原种植冬小麦的优势,提出华北平原冬小麦生产需要转变传统高耗水高产量理念,充分发挥冬小麦抗旱、耐盐能力强的特点,在不实施大规模压缩冬小麦种植面积条件下,通过冬小麦限水灌溉和微咸水利用满足对地下水压采需求,充分发挥华北平原冬小麦种植冬春防风沙、美化环境的生态功能,同时满足区域口粮安全的保障功能。     

发展旱作节水农业 确保农业可持续发展

农业灌溉用水约占我国总用水量的70%,而农业用水的90%是灌溉用水。而全国灌溉用水有效利用系数仅为0.3～0.4左右,与发达国家的0.7～0.8相比,相差甚远。资料显示,按正常需要和不超采地下水,我国年缺水总量约为300亿～400亿m^3．每年农田受旱面积700万～2000万hm^2,因缺水少生产粮食350亿～400亿kg。     

污水灌溉与污水土地处理系统试验及模拟仿真研究

为解决大面积不加控制的污水灌溉和未经处理的污水自由排放造成的地表水体污染问题,提出了由作物生长季节污水灌溉、低温季节污水储水入渗和地下水管理3个子系统构成的污水灌溉与污水土地处理系统.对污水灌溉子系统污染物去除效果和污水储水入渗子系统冬季工作状况进行了试验研究,利用MODFLOW模型对地下水管理子系统运行效果进行了模拟,探讨了污水灌溉与污水土地处理系统的运行性能及其对地下水的影响.结果表明:在作物生长季节内,污水灌溉子系统可有效提高系统水力负荷、污染物去除效果良好、对地下水水质无显著影响;在无作物生长的冬季,污水储水入渗子系统可保持冰层下污水持续入渗,确保低温下污水土地处理系统的正常运行;通过采用适当的地下水管理调控措施,可避免高定额污水灌溉和储水入渗对地下水产生的潜在不利影响,达到地下水管理子系统控制范围内地下水水量平衡.     

太行山山前平原地下水变化趋势与农业持续发展

水资源短缺是华北平原农业持续发展和经济腾飞的主要限制因素,近年来随着工农业的发展,用水量急剧增加;同时降水量明显减少,造成了华北平原水资源匮乏,地表干枯,连年超采地下水,使地下水位持续下降。形成很多地下水下降漏斗区。针对太行山山前平原水资源特点,以栾城县为例,研究了山前平原地下水变化规律、补给因素、排泄方式,同时对地下水资源进行了平衡分析,据此提出了太行山山前平原农业用水方略。     

华北典型区域农田耗水与节水灌溉研究

本文总结了中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心围绕华北典型地区冬小麦-夏玉米一年两熟开展的节水灌溉研究。在位于华北中北部的中国科学院栾城农业生态系统试验站的定点试验结果显示,从1980年到2017年,在充分灌溉条件下冬小麦产量增加55.7%、夏玉米产量增加59.7%。冬小麦生育期耗水(ET)从400 mm增加到465 mm;玉米耗水年平均稳定在375 mm左右;年耗水量从777.0 mm增加到834.4 mm;满足冬小麦、夏玉米生育期耗水条件下,年灌溉需水量平均300 mm,必须减少灌溉用水和田间耗水,才能解决区域地下水超采问题。研究发现在限水灌溉条件下,冬小麦拔节期1次灌溉可显著促进作物营养生长和根系生长,利于后期土壤水分高效利用,在维持作物稳产基础上,比充分灌溉年节水165.2 mm。研究发现进一步利用小定额灌溉技术,通过增加灌水频率、缩减次灌水量,可增加有限水对作物的有效性,实现作物根系、土壤水分和养分在空间上的耦合,进一步提升有限灌溉对作物的增产作用。只考虑维持播种时良好土壤水分条件、生育期不进行灌溉的最小灌溉模式,与充分灌溉模式相比,产量减少28%,但可节约灌溉水69%,田间耗水减少43%,水分利用效率提高13%,年耗水量维持在560 mm左右。相对于减熟制节约灌溉水措施,冬小麦-夏玉米一年两季最小灌溉模式总产量高于两年3作5.5%~12.0%,年耗水量低于两年3作10%~13%,可显著消减减熟制带来的休闲期土壤蒸发损失。因此,实施冬小麦、夏玉米生育期节水灌溉,如最小灌溉、关键期灌溉,可大幅度降低灌水量和作物生育期耗水量,同时又能维持一定的生产能力,是华北实施地下水限采措施下应优先考虑的技术选择。     

南水北调与华北平原农业持续发展

本文论述了持续农业的概念及其意义，并以华北平原农业发展所面临的水资源严重短缺为例，分析了供水与该区农业持续发展的关系，认为在节约用水的基础上，实现南水北调对华北的补水是十分必要的。     

微咸水灌溉对土壤盐分和作物产量影响研究

黄淮海平原部分地区分布着相当大面积矿化度在2～5g/L之间的浅层微咸水,有很大开发利用潜力。如何对其进行安全有效地开发利用是目前急需研究的重要课题。通过微区定位试验,研究了鲁西北低平原地区小麦玉米两熟制下微咸水灌溉对土壤盐分与作物产量的影响以及麦秸覆盖对微咸水灌溉土壤盐分的调控作用。结果表明,麦季利用3～5g/L矿化度的微咸水补充灌溉,两年后没有发生积盐现象,微咸水灌溉带入土体的盐分通过咸淡水轮灌和雨季自然淋洗,1m土体总盐量达到周年平衡。麦秸覆盖能够改善盐分在土体中的垂直分布,使土壤根系分布密集层保持较低盐分水平,缓解盐分对作物的危害,并有显著的增产效果。两年试验结果表明,与淡水灌溉比较,微咸水灌溉配合麦秸覆盖对作物年产量无显著差异,而不配以覆盖则导致减产。     

盐渍化改造区土地利用变化对地下水资源的影响 --以河北省曲周县为例

运用GIS空间分析功能、柯布—道格拉斯生产函数以及曲周县统计资料和地下水资料,分析了近20年来土地利用变化及其对地下水资源的影响,研究结果表明,作为盐渍化改造区以农业为主的曲周县,土地利用变化速度不快且土地用途转移主要是耕地转变为农村居民点和城镇用地;耕地灌溉率、复种指数、耕地灌溉面积、粮食产量不断提高;粮食和蔬菜产量对地下水资源的高度依赖性,是引起地下水埋深变化的主要原因;依据河北省地下水超采区划分标准,曲周县浅层地下水开采区是基本平衡区,深层开采区属于中度超采区。为实现盐渍化改造区水土资源的可持续利用,必须调整种植业结构,适当降低土地利用集约度,大力发展节水农业。     

华北平原冬小麦面积遥感提取及时空变化研究

多年作物种植面积的时空变化可以反映种植结构的调整结果,并可用于进行驱动力分析。为解决连续遥感监测作物种植面积变化过程中,不同的训练样本或分类规则不能较好地反映作物种植面积时空格局变化的问题,本文首先根据研究区(华北平原)农业气象观测站提供的主要农作物物候观测资料获得主要农作物典型物候期特征,结合HANTS滤波后的NDVI时间序列数据提取不同地物类型的NDVI时序曲线,引入复种指数,探讨了CART算法在提取华北平原冬小麦种植面积的可行性,最后提取了2000—2013年华北平原冬小麦种植面积,并参考市级的农业统计数据进行精度评价。经检验,近13年的遥感监测种植面积与农业统计面积相关系数达到0.94(置信水平为95%),且各市13年面积一致性小于40%的概率仅为15%。利用遥感监测多年冬小麦空间分布信息获得其空间种植概率,能较好地反映研究区冬小麦的主要种植区,该方法可为大范围、连续年份冬小麦种植面积时空格局的遥感监测提供参考。     

基于DRAINMOD模型估算灌区浅层地下水利用量及盐分累积

在灌溉季节,尤其是下游灌区,农田地下水位较高,作物可就地利用部分浅层地下水,从而减少灌溉需水量,达到节水减排的双重目的。大田作物对浅层地下水利用量的估算是合理制定灌溉淋洗制度及控制土壤盐碱化的前提,但其估算存在一定困难。该文假设当农田灌溉、排水等水文气象条件一致时,某一作物对浅层地下水的利用量等于该田块有、无作物(即裸地)2种情况下造成地下水位差异的水量。据此,首先建立了浅层地下水利用量的计算模型,并以某一半干旱灌区为例,利用田间水文模型-DRAINMOD模拟出有、无作物2种条件下农田地下水位变化过程,然后,计算了棉花、小麦轮作期内对浅层地下水的利用量;在此基础上,进一步分析了浅层地下水利用条件下土壤剖面的盐分平衡。结果显示,该文提出的计算模型能够较好的反映大田实际情况;研究时段内,田间地下水埋深平均值为2.1 m,单位面积上作物利用浅层地下水量为305.8 mm,主要发生在作物生长阶段,其中棉花生长季内地下水利用量约为160 mm。盐分平衡计算结果显示,浅层地下水的利用使得水位以上土壤剖面盐分含量增加,但1 m以内根区土壤盐分在降雨和灌溉作用下得到一定的淋洗,未超出作物耐盐极限,不会对产量造成显著影响。研究成果可为相关灌区制定合理的灌溉制度及提高水资源利用效率提供科学依据。     

雄安新区上游农业种植结构及需水时空演变

本文利用作物模型模拟小麦、玉米灌溉需水量,结合蒸发皿法估算蔬菜、果树等其他作物需水量,回溯雄安新区上游1986-2015年农业种植结构及农业需水的时空演变趋势,摸清不同作物的需水量比例及时间变化,并推算了消除降水年际波动的1970-2015年农作物灌溉需水量,探讨单纯人类活动下的农业需水量变化趋势。结果表明,1986-2015年,研究区作物播种总面积总体呈上升趋势,耕地面积多年平均84.9万hm²,有效灌溉面积平均71.3万hm²,占总耕地面积的84%。其中小麦播种面积稍有下降,玉米、蔬菜播种面积显著增加,果树种植比例在山区增加、平原区减少。研究区多年平均灌溉需水量22.52×10⁸ m³,小麦、玉米、蔬菜、果树和其他作物分别占灌溉需水总量的58.6%、12.6%、5.8%、16.3%和6.7%,受播种面积增加影响,1970-2015年,蔬菜和果树需水显著上升。从空间上来看,灌溉需水总量在上游山区上升显著,而在平原区表现为下降;排除降水的年际波动后,研究区作物需水自1970年以来一直呈上升趋势,进入20世纪80年代中期,虽然整体上升减缓,但随农业播种总面积增加和蔬菜、水果需水增加影响,需水量整体呈缓慢上升趋势。因此,控制上游农业用水,种植低耗水作物、减少耗水作物的种植面积,是恢复雄安新区清水产流的关键。     

农户稀缺感知、超采认知对地下水灌溉用水效率的影响——基于河北地下水超采区457个农户调研数据

华北地区由地下水超采造成的环境问题日益严重,农业作为主要用水部门,亟须提高灌溉用水效率,减少水资源浪费。本文基于2019年对河北地区457户使用地下水进行灌溉的农户调查数据,采用随机前沿模型对灌溉用水效率进行测算,进一步在参照相关研究基础上重新构建农户水资源稀缺性感知和地下水超采认知测度的指标体系,在控制个人和家庭特征、生产特征基础上,实证分析农户稀缺感知和超采认知对灌溉用水效率的影响。研究结果显示:农户平均灌溉用水效率值为0.59,主要分布区间为0.40～0.80,具有较大提升空间;稀缺感知中水量感知、水位感知和稀缺预期对农户用水效率具有显著正向影响,超采认知中地下水超采危害认知和压采环保认知对用水效率提升具有促进作用;务农年限和受教育程度同用水效率正相关,相较于自有土地,流转土地具有更高的用水效率,耕地细碎化和灌溉设施距离过远则显著降低用水效率。因此,大力提升农户相关认知水平、推进土地流转和完善设施建设等措施将有助于提高河北地区灌溉用水效率。     

基于复杂适应系统理论的农业水资源优化配置——以三江平原为例

以对现有可利用的农业水资源进行优化配置为目的,从复杂适应系统理论的视角,研究其在农业水资源优化配置中的适用性,构建多层次的农业水资源配置复杂适应系统模型,并通过对模型的求解预测三江平原灌区2020年的供需水情况,给予分析,结果表明,三江平原地区应该加强对地表水尤其是地表径流的合理开发利用,从而缓解地下水开采过度问题。研究表明,复杂适应系统理论应用在农业水资源优化配置中是可行的。     

北京平原区粮菜林三地类时空转变特征

该文利用遥感与地理信息系统技术研究北京平原区农用地内部粮田、菜地和林地三大类农地利用类型的变化。结果表明:2004年至2014年这10 a间,粮田转变为林地与菜地是北京平原区农地利用变化主流。粮田转变为林地面积是969.97 km~2,其土地利用变化重要性指数高达72.11%,在各类农地利用变化类型中居首。而粮田转为菜地则主要是粮田转变为设施菜地,10 a间粮田转变为设施菜地面积是163.53 km~2,其土地利用变化重要性指数为12.16%,在各类农地利用变化类型中居次;同时,10 a间北京平原区农地利用变化存在空间分异特征。主城近郊区与远郊平原区农地利用变化主要是粮田转为林地,两大分区中该变化类型土地利用变化重要性指数分别为84.18%、76.21%,明显高于其他农地利用变化类型土地利用变化重要性指数。在城市新区,粮田则分别转为林地与设施菜地;10 a间北京平原区农地利用空间分布均具有圈层特征,由近郊向远郊,农地内部结构都呈现林地为主类型,到粮田、菜地与林地混合利用类型,再到粮田与林地组合利用类型的空间格局。而10 a间随着主城区的外扩,上述农地利用圈层特征出现了由近郊向远郊外移、且林地与蔬菜面积占比增加的现象。研究认为:农地内部粮、菜、林3地类的转变和农地利用圈层外移是农户追求经济效益最大化与政府为改善生态环境所致;而改善生态不应以牺牲粮田为代价,应充分利用粮田的生态系统服务功能以实现生态绿化目的。