1992-2017年中亚五国农作物水足迹变化特征

本研究以中亚五国为研究区域,以农作物水足迹为评估手段,分析了1992—2017年间中亚五国农作物水足迹的时空变化特征,以揭示中亚五国农作物水足迹结构,厘清引起中亚五国水足迹变化的主要农作物的贡献。结果表明:1)中亚五国农作物水足迹时间变化特征明显,1992—2017年中亚五国农作物绿水足迹(-9.7×10~9 m~3)和蓝水足迹(-5.6×10~9 m~3)均趋于减少。中亚五国农作物水足迹空间分布差异显著,哈萨克斯坦农作物绿色水足迹最高(平均4.96×10~(10) m~3),且远高于其他4国(平均3.6×10~9 m~3),而蓝水足迹以乌兹别克斯坦最高(平均1.53×10~(10) m~3)。农作物绿水足迹和蓝水足迹增长率最大的国家分别是土库曼斯坦(87.6%)和吉尔吉斯斯坦(32.3%);绿、蓝水足迹减少率最大的国家分别是哈萨克斯坦(-20.7%)和乌兹别克斯坦(-24.2%)。2)中亚地区农作物绿水足迹主要以粮食作物为主,蓝水足迹以粮食作物和油料纤维作物为主;而粮食作物水足迹结构中,主要以小麦、水稻和玉米为主,油料纤维作物水足迹结构中,主要以棉花为主。3)哈萨克斯坦作为绿水足迹减少最多的国家,大麦(51.6%)和小麦(28.2%)的贡献最大;乌兹别克斯坦作为蓝水足迹减少最多的国家,棉花(61.9%)贡献最大。通过开展中亚地区的农作物水足迹研究,发现中亚农作物水足迹整体呈下降趋势,厘清了中亚地区引起水足迹下降的主要农作物种类,相关成果可以为中亚地区的农作物优化种植和水资源节约提供支撑。     

灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时空分布量化分析

作物生产水足迹度量作物生产过程对不同类型水资源的消耗,为实现农业水资源管理与评价提供了更全面的新视角。该研究通过耦合土壤水分动态平衡模块,考虑输配水损失,构建灌区蓝、绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度分布式量化模型;以宝鸡峡灌区为例,定量评价不同典型年灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度演变规律。结果表明:宝鸡峡灌区蓝绿水资源总量在2008-2017年呈上升趋势。各作物对绿水资源利用效率均持续上升,而小麦蓝水资源利用效率呈下降趋势;玉米、小麦生产总水足迹整体呈上升趋势,多年平均值分别为573和779 m3/t;作物生产绿水足迹在拔节-灌浆期占比较高,成熟期占比较低;作物生产水足迹在日尺度波动幅度最大;平水年、丰水年灌区用水存在不合理现象,枯水年作物生产单产水平最高,总水足迹最低,水资源利用效率最高。该研究所构建模型可移植适用于无排水渠系灌区水文模拟,准确量化灌区农业生产耗水,解析日-月尺度作物生产水足迹演变特征,有助于明确灌区作物耗水规律,进而高效利用绿水资源,合理配置蓝水资源,提高作物产量,实现高效生产。     

乌江流域蓝绿水对气候和土地利用变化的响应

为了更深入地研究气候变化和土地利用变化对乌江流域蓝绿水时空分布的影响,该研究采用SWAT（soil and water assessment tool）模型,利用1985—2019年逐日气象数据以及1990年、2000年和2010年土地利用数据,设定多种变化情景,定量分析了蓝水绿水对乌江流域气候和土地利用变化的响应。同时,还利用5个CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6）模式集合平均（multi-modal ensemble,MME）以及FLUS（future land-use simulation）模型,预估了乌江流域在2015—2100年间蓝绿水的时空变化。结果表明：1）SWAT模型在乌江流域的校准期和验证期的决定系数（coefficient of determination,R²）分别为0.94、0.87,纳什系数（nash-sutcliffe coefficient,NSE）分别为0.94、0.77,FLUS模型的Kappa系数为0.764,证明其在流域水文模拟和未来土地利用预估方面的可靠性。2）在1985—2014年间,乌江流域的蓝水、绿水都呈现出先增加后减少的趋势。蓝水、绿水均先分别增加了137.3、7.9 mm/a,然后分别减少了127.5、12.7 mm/a。气候变化对蓝水变化的影响贡献占比为99%,对绿水变化的影响贡献占比平均为88%,表明气候变化在蓝水和绿水变化中的主导地位。3）到2040年,城镇用地面积几乎比2010年扩张了近1.5倍。在2015—2100年,无论是在SSP2-4.5还是SSP5-8.5情景下,蓝水、绿水都呈增加趋势。因此未来需要合理规划乌江流域的土地利用,控制城镇化速度。研究结果可为乌江流域合理规划土地利用、实现水资源综合管理提供支持和参考。     

基于作物需水量的城市农业水资源评估——以贵州省贵阳市为例

[目的]对贵阳市城市农业绿水和蓝水的水足迹与灌溉效率进行定量研究,为科学定量评估城市农业用水和管理监测提供依据。[方法]利用实地调查数据、贵阳市气象数据与农业统计数据,基于作物需水量、水足迹的方法进行农业水资源评估。[结果]①作物水足迹极值取决于调查样地作物单位面积产量的极值。②贵阳市城市农业不同作物生长的消耗绿水量均高于蓝水量,绿水量和蓝水量的比例范围从最低53.81%(豇豆)到最高63.60%(番茄)。③贵阳市城市农业3种灌溉效率(沟灌、喷灌和滴灌)分别为27.23%,69.45%与80.32%。④2017年贵阳市城市农业蓝色水量灌溉需求量在4.81×10~5 m~3(完全滴灌)与6.93×10~5 m~3(完全沟灌)之间。[结论] 2017年贵阳市城市农业总用水需求为1.29×10~6 m~3,其中8.84×10~5 m~3为绿水,4.02×10~5 m~3为蓝水。灌溉方式对贵阳市城市农业用水有较大的提升空间,滴灌方式对贵阳市城市农业水资源管理贡献率达53.09%。     

水足迹视角下四川省主要粮食作物种植结构优化及用水效率分析

作为粮食主产区,四川省农业用水占比高但农业用水效率低,季节性和区域性缺水严重,导致农业用水压力巨大。为了探究作物用水规律,提高作物用水效率,该研究基于水足迹理论量化四川省3种主要粮食作物用水量,并以此为基础构建蓝水和灰水足迹最小化,经济收益最大化的多目标优化模型,得到不同节水情景（5%、10%和15%）下的最优作物种植结构,最后通过用水效率指数分析优化前后各地农业用水效率。结果表明：1）2001—2021年间,四川作物生产用水呈现下降趋势,空间上由东北向西南逐渐减少,空间差异大。2）在节水5%、10%和15%情景下,种植结构优化结果均显示水稻和小麦面积调减,玉米面积调增;作物蓝水足迹在3种情景下均减少。3）研究时段内,作物用水效率在逐渐提升,并且呈现出“东南高-中间低”态势;经种植结构优化后,发现增加玉米种植面积,适当减少水稻、小麦种植面积,对提高作物用水效率有利。研究结果对农业水资源管理,提升作物用水效率,保障粮食安全具有参考价值。     

小麦生产水足迹区域差异及归因分析

用水效率评价是节水农业研究的重点领域之一。作物生产水足迹作为评价作物生产过程中水资源消耗类型、数量以及用水效率的综合指标,为农业水资源管理评价提供了全新的思路。该文基于水足迹理论和量化方法,分析了中国大陆小麦生产水足迹空间分布情况和特征,并对造成水足迹区域差异的因素进行归因分析。结果表明:小麦水足迹的空间分布差异显著,其中西北、西南局部以及华南等地的小麦水足迹较高,而黄淮海、东北东部等地的水足迹较低。新疆绿水足迹比例为11.87%,部分南方省份大于80%,绿水足迹所占比例呈现出从东南沿海向西北内陆递减的空间分布格局。归因分析结果显示除小麦品种差异外,区域农业生产水平和气候条件的差异也是造成小麦水足迹空间差异的主要原因,其中化肥、农业机械投入是影响小麦水足迹的主要农业生产因子,而太阳辐射和降水量是影响小麦水足迹的主要气候因子,该研究结果可为国家制定农业水资源管理策略提供参考。     

基于作物生产水足迹的陕西省水资源压力评价

作物生产水足迹可以反映农业生产过程中的水资源利用效率及其真实占用量,对作物生产水足迹的量化可为各地区明确农业生产过程的用水情况,根据当地水资源禀赋合理调整农业种植结构,提高用水效率提供理论支撑。以陕西省为研究区域,在构建了考虑渠系水面蒸发损失的水足迹量化方法的基础上,对陕西省主要作物生产水足迹(WFP)进行量化,并构建了反映水足迹与区域水资源关系的水资源压力指数(βt)和蓝水资源压力指数(βb),分析了陕西省2000—2012年作物生产水足迹与水资源压力指数的时空分异特征。结果显示:作物生产水足迹在作物间、区域间均有较大差异,且在研究时段内均呈现下降趋势,全省综合作物生产水足迹由1.382 m3·kg-1减小到0.931 m3·kg-1;全省年均作物水足迹总量为127.39×108 m3,绿水比例为50.22%;陕西省βt、βb多年均值分别为0.255、0.187,渭南市、咸阳市两地βt、βb分别为0.610和1.200左右,是水资源压力最为严重的地区;除陕南地区外,陕西省其他区域均面临着水资源不可持续的挑战。     

晋江西溪流域绿水蓝水资源量估算及分析

运用SWAT模型计算了东南沿海晋江西溪流域的绿水蓝水资源量。对西溪流域绿水蓝水的组成和时间分布规律进行了研究,并分析了西溪流域与中国北方两流域在绿水占水资源比例上的差异。研究结果表明:(1)西溪流域1973—1979年绿水蓝水资源总量是传统水资源量的1.6倍;(2)绿水蓝水的年内分布特点为汛期最高,冬季最低,且绿水流是绿水的主要组成部分;(3)由于气候湿润、干燥度指数较小等原因,晋江西溪流域水资源以蓝水为主,约为绿水资源量的1.8倍;但也表明即使在南方地区,绿水资源仍是水资源的重要组成部分,应予以重视。     

气候变化背景下武川主要作物生产水足迹变化分析

生产水足迹(WFP)是指生产单位产品所消耗的水资源,一般用单位质量农产品所需要的水的体积来表示作物生产水足迹。气候变化对生产水足迹的影响是农业生产者关心的重要科学问题。本文以内蒙古自治区武川县主要作物马铃薯、春小麦为例,基于1983-2010年气象数据及生育期资料,修正作物系数,应用CROPWAT模型,计算作物生产水足迹,分析气候变化对作物生产水足迹的影响。结果表明：（1）近28a来,武川县气候呈干暖化变化趋势,马铃薯和春小麦生产水足迹呈显著下降趋势（P<0.05）;（2）气候变化对作物生产水足迹影响显著,生育期平均相对湿度、平均气温和平均日较差对马铃薯生产水足迹影响较大,生育期平均风速和平均日较差对春小麦生产水足迹影响较大;（3）1983-2010年马铃薯平均生产水足迹为1.37m3·kg-1,春小麦平均生产水足迹为2.51m3·kg-1,说明在当地生产单位质量的干物质,春小麦比马铃薯消耗更多水分。在该地区适当增加马铃薯播种面积,对提高水资源利用效率,促进地区农业发展具有重要作用。     

基于水足迹的中国农业用水效果评价

为兼顾灌溉用水效率和总量控制评估区域农业用水效率,结合水足迹与灌溉发展状况构建了农业用水效果评价指标(agricultural water use effect,AWE),AWE越小农业用水效果越好。在核算2000—2014年间31个省区农作物水足迹的基础上,分析了中国AWE的时空格局及其与灌溉用水效率指标之间的关系。结果显示:中国年均农作物水足迹为1.097 2×10~(12) m~3,蓝水、绿水足迹分别占13.1%和86.7%,且均随时间增加;单位耕地面积农作物水足迹及绿水比例均呈现由东南向西北递减,研究时段内灌溉效率稳步提升,而由于灌溉用水规模的扩大和蓝水足迹比例的增长,AWE由2003年的0.113增长到2014年的0.137,中国农业用水效果呈恶化趋势;AWE空间差异大,且在不同年份均表现为黄淮海平原和西部省区较大而东南沿海较小;经济发达地区农业用水效果有明显改善趋势,而粮食增产任务加大的黑龙江省AWE的增速最大;AWE与传统灌溉用水效率评价指标无空间一致性,灌溉效率和水分生产率高的北方农业主产区应注重农业生产用水效果的评估与提升。农业用水效果评价可为区域灌溉用水效率提升与总量控制的科学研究与决策实践依据。     

吉林省农作物虚拟水时间演化与空间重构研究

虚拟水从植物累计蒸发蒸腾量的角度对农作物耗水量进行测算,更贴近农业的实际耗水量。运用虚拟水理论、ArcGIS标准差椭圆分析方法和空间重构模型,对2000年、2005年、2010年、2017年吉林省县域地区6种主要农作物虚拟水空间布局及其特征进行了分析。从农业水-土资源空间匹配视角,提出了农业虚拟水空间重构的3种主要模式。结果表明:(1)2000年以来吉林省农作物虚拟水总量呈明显上升趋势,由147.46亿m³,上升到2017年的247.95亿m³;(2)吉林省单位面积农作物虚拟水由东到西呈逐渐增加趋势;(3)吉林省农业虚拟水和播种面积空间重心均位于长春市区,但虚拟水空间重心位于播种面积的西部;(4)吉林省农作物单位面积虚拟水由高到低,依次为水稻、葵花籽、玉米、烟叶、蔬菜、大豆。若要实现农业水、土资源的空间匹配,需结合区域自然气候条件,农作物耗水量区域差异等多方面因素,对吉林县域农作物种植结构与布局进行优化和调整。     

Nitrate leaching from organic arable crop rotations: effects of location, manure and catch crop

Abstract. Nitrate leaching from crop rotations supporting organic grain production was investigated from 1997 to 2000 in a field experiment at three locations in Denmark on different soil types. Three experimental factors were included in the experiment in a factorial design: (1) proportion of N₂-fixing crops in the rotation (crop rotation), (2) catch crop (with and without), and (3) manure (with and without). Three, four-course rotations were compared, two at each location. The nitrate leaching was measured using ceramic suction cells. Leaching losses from the crop rotation with grass–clover green manure and without catch crops were 104, 54 and 35 kg N ha⁻¹ yr⁻¹ on the coarse sand, the loamy sand, and the sandy loam, respectively. There was no effect of manure application or time of ploughing-in the grass–clover green manure crop on the accumulated nitrate leaching from the entire rotation. Catch crops reduced nitrate leaching significantly, by 30–38%, on the sandy soils. At all locations catch crops reduced the annual averaged nitrate concentration to meet drinking water quality standards in the crop rotation with green manure. On the coarse sand there was a time lag between the onset of drainage and the start of N-uptake by the catch crop.     

Phosphorus and nitrogen turnover and risk of waterborne phosphorus emissions in crop rotations on a clay soil in southwest Sweden

Abstract. Nutrient losses from arable land are important contributors to eutrophication of surface waters, and phosphorus (P) and nitrogen (N) usually act together to regulate production of Cyanobacteria. Concentrations and losses of both nutrients in drainage water from pipe drains were studied and compared in 15 crop rotations on a clay soil in southwest Sweden. Special emphasis was placed on P and it was possible to evaluate critical components of the crop rotations by flow-proportional water sampling. Total P concentrations in drainage water were generally small (0.04–0.18 mg L⁻¹), but during two wetter years out of six, high P concentrations were measured following certain management practices, including ploughing-in lucerne ( Medicago sativa L.) and fertilizing in advance without incorporation into the soil to meet the needs of several subsequent crops. This resulted in average flow-weighted concentrations of total P between 0.3 and 0.7 mg L⁻¹. In crop rotations containing green manures, green fallow or leguminous leys, there was also a risk for increased P losses after these crops were ploughed in. The losses increased in the order: cash crops < dairy with grass < dairy with lucerne < monoculture with barley < organic farming with cattle slurry < stockless organic farming with green manure. P balances varied between −9 and +8 kg P ha⁻¹ and N balances between +4 and +35 kg N ha⁻¹. The balances were not related to actual leaching losses. Phosphorus losses in drainage from set-aside were 67–82% of those from cash crops grown in ploughed and P-fertilized soil at the same site, indicating a high background P loss from this clay soil.     

河北省2005-2014年植被NPP时空演变及其与气候因子的关系

在GIS软件的支持下,利用2005—2014年MOD17A3H与MCD12Q1数据集,结合河北省2005—2012年的142个气象站点资料,利用一元线性回归法分析了河北省10年间NPP的时空演变特征,利用相关系数法分析了NPP与气候因子的相关关系。结果表明:河北省年NPP主要集中在200～400 g/（m²·a）,其中NPP高值区分布在燕山北部区域和太行山东侧一带。2005—2014年河北省年NPP均值与最大值均在波动中微弱上升,年NPP均值在2012年最大为337.63 g/（m²·a）。2005—2014年NPP增长率大于10%的地区分布在冀西北区域和东南边界,其面积占比为43.03%。河北省5种植被覆盖类型按NPP年均值从大到小排列依次为:阔叶林、灌丛、草地、针叶林、农用地。河北省NPP与气温主要呈负相关,与降水主要呈正相关。     

山西省农牧生产体系磷流动空间变异特征

为揭示山西省农牧生产体系磷流动空间分布特征,进一步为养分资源综合管理提供科学建议,本研究使用食物链养分流动模型(NUFER)与Arc GIS相结合,以2011年山西省11个地市农牧生产体系为研究对象,计算了农牧生产体系中的磷流动、损失及账户平衡,并对各个生产体系的磷利用效率(PUE)、有机废弃物中磷的循环利用效率、磷的损失途径等重要指标进行了综合评价,描述了2011年山西省各地市农牧生产体系与区域尺度的磷流动变化特征。研究结果表明,山西省各地市农牧体系磷的投入和损失差异较大,农田生产体系投入范围在22.5~83.0 kg·hm~(-2),而整个农牧生产体系损失区间在2.7~8.8 kg·hm~(-2);磷的投入和损失均总体呈现东南部高、西北部低的空间分布格局;各地市农田磷素均有盈余但程度不均,为9.4~48.4 kg·hm~(-2)。农田生产系统的磷素利用效率(PUEc)高于全国平均水平;农牧生产体系的磷利用效率(PUEc+a)较低,全省平均水平仅为30.3%,主要是由于农牧分离较为严重;有机废弃物的循环利用效率较低(60%)。省域东南部存在潜在环境风险,晋城、晋中等地市有大量的粪尿磷未得到回收利用,可作为周边农业主产区的农田养分资源。因此通过提高农牧生产体系的养分管理水平和区域间养分资源协同管理,能够大幅提高磷的利用效率,同时有效降低环境风险,实现山西农业可持续发展。     

Soil-water and soil physical properties under contour hedgerow systems on sloping oxisols

Hedgerows planted along the contour on steep lands in the humid tropics reduce soil erosion and build terraces over time. The objectives of this study in two Hapludoxes in the Philippines were to evaluate changes after 4 years in soil properties and soil water relations on transects perpendicular to the cropped alleys between four grass and tree hedgerow systems and a control. Hedgerow plants included Gliricidia sepium, Paspalum conjugatum, and Penisetum purpureum. Soil properties evaluated as a function of position in the alley (upper, middle, or lower elevation in an alley) included bulk density, mechanical impedance, soil water transmissivity, water retention, soil water pressure, and soil water content. In general, soil properties were not affected by hedgerow system, but were affected by position in the alley. Nearness to the hedgerow, but not hedgerow species, affected soil water distribution (P = 0.05). Plant available water at the 10–15 cm depth was 0.16 m³ m⁻³, 0.13 m³ m⁻³, and 0.08 m³ m⁻³ for the lower, middle, and upper alley position, respectively. Water transmissivity decreased from 0.49 mm s⁻¹ in the lower alley to 0.12 mm s⁻¹ in the upper alley. The lower soil water contents and soil water pressures in and near the hedgerows confirmed competition for water between the hedgerow species and the food crop in the alley, a condition that is expected to suppress food crop production.     

水氮配置对地下渗灌枣树光合特性及产量的影响

探寻旱区适宜的水氮配置对地下渗灌枣树光合特性及产量的影响.以8年成龄枣树作为研究对象,设置不同灌溉定额(W1:2250 m3/hm2、W2:3000 m3/hm2、W3:3750 m3/hm2)+施氮量(N1:240 kg/hm2、N2:300 kg/hm2、N3:360 kg/hm2)的2因素3水平试验.分析不同配置...     

2013年延河流域特大暴雨下的滑坡特征

2013年延河流域遭遇了有气象记录以来的强降雨,引发了大范围的滑坡。依据中国地质调查局《滑坡崩塌泥石流灾害详细调查规范》（DD2008—02）,对延河流域从南到北6个典型小流域内发生的滑坡进行调查。结果表明:（1）2013年延河流域大雨、暴雨主要集中在7月,其中宝塔区7月侵蚀性降雨量最大（766.8 mm）,是延河流域2013年暴雨的暴雨中心区;（2）距离暴雨中心最近的南部2个小流域的滑坡侵蚀模数最大,达7 000 t/km²,中部2个小流域为3 700 t/km²,北部的为1 400 t/km²左右,滑坡量与滑坡频率也呈现南部 > 中部 > 北部的规律;2013年暴雨引发的滑坡为浅表层滑坡,属于黄土内滑坡,分布在20°～60°的斜坡上;滑坡均为小型滑坡,其中规模≤1 000 m³的滑坡最多,占总调查滑坡数量的78%, > 5 000 m³的滑坡很少。     

节点式渗灌的节水机理及其水分生产力

为了展示节点式渗灌管的优良性能和较高的水分生产力,对其做了出水性能检验和不同灌溉方法水分生产力的比较试验,结果表明:节点式渗灌管的灌水均匀度达到90%以上,比普通渗灌管灌水均匀度提高了15%,其节水原理是将土壤通体湿润转化为作物根区灌溉;铺设防渗层有效地阻止了灌溉水的下渗,计划湿润层的变浅和单次灌水量的减少是节点式渗灌能够大量节水的根本所在,节点式渗灌的水分生产力最高,达到70.37 kg/m³,其次是普通渗灌54.55 kg/m³,再次为膜下滴灌53.96 kg/m³,最低为沟灌,仅为42.00 kg/m³。     

南京都市圈生态系统服务时空变化及权衡协同关系

[目的]全面理解生态系统服务的时空格局特征及其相互关系,可以丰富生态系统服务及可持续发展等相关理论,并对区域生态环境管理政策的制定具有重要指导意义。[方法]以南京都市圈为研究区,在评估2000—2020年的产水、粮食供给、土壤保持和碳固持等4种生态系统服务的基础上,分析各类型生态系统服务能力在地类和区域上的差异;通过识别生态系统服务热点区及其热点服务类型,评估不同区域服务供给能力;进而采用相关系数和差异比较等方法探究南京都市圈生态系统服务静态与动态的权衡/协同关系。[结果]2000年、2010年、2020年,南京都市圈的产水量、粮食产量、土壤保持量及碳固持量的三年平均值分别为522.12 mm, 4.20 t/hm²,42.61 t/hm²,44.57 t/hm²,除碳固持服务逐年下降,其他服务均呈逐年递增趋势。受土地利用类型和区域自然环境的作用,产水、土壤保持和碳固持服务呈南高北低的空间分布,粮食供给服务则呈南低北高的空间格局。由北向南依次形成了以粮食供给服务为主的1重服务热点区、以产水和粮食供给服务为主的2重服务热点...