河套灌区粮食水足迹与虚拟水净输出时空演变

为了正确评价灌区内水资源使用对改善现有水资源管理的影响,文中引入水足迹与虚拟水概念,同时考虑降雨和灌溉用水,计算了1960—2008年内蒙古河套灌区粮食水足迹与虚拟水净输出量的时空变化,进一步评价了灌区水资源在区域内和区域间的分配.结果表明：1960—2008年河套灌区粮食水足迹由3.534×109m3减小为1.634×109m3,自2000年灌区粮食虚拟水净输出量呈下降态势,两者构成均以蓝水为主（90%）;空间分布上,河套灌区中部地区（杭后、临河和五原）的粮食水足迹和虚拟水净输出量较大,而其他地区（磴口和前旗）较小;1960—2008年,粮食生产用水在灌区用水总量中所占比例呈显著下降趋势,年均下降1.07%.粮食生产用水的大部分以虚拟形式输送到灌区外部,该比例近年有所降低,但2008年仍高达76.22%.未来河套灌区应注重绿水和蓝水资源利用效率的提高.该研究为灌区水资源管理宏观政策的制定和可持续发展的实现提供理论依据.     

黑龙江省粮食水足迹时空分布规律与影响因素分析

为分析黑龙江省粮食水足迹的变化规律,根据水足迹理论,选取2008—2018年黑龙江省11个地区进行粮食水足迹评价,并对其时空分布规律及影响因素进行研究。结果表明:黑龙江省粮食蓝水足迹、绿水足迹的空间分布差异显著,呈现南北高、东西低的分布趋势。通过斯皮尔曼相关系数分析可知,东、西横向地区人口密度大,可用于粮食生产的灌溉水资源消耗少,粮食蓝水足迹较低;南、北部致力于农业生产,农业灌溉用水消耗较大,粮食蓝水足迹较高。南、北部降水储蓄率高,因而南、北部粮食绿水足迹较高;东、西部横向地区地势较为平坦,植被少,降水不易蓄积,所以东、西部绿水足迹相对较低。利用时间序列模型对黑龙江省粮食水足迹进行预测得出,2021—2025年黑龙江省粮食总水足迹平均值为2 050 m~3/t。本研究可为黑龙江省农业水资源的合理分配和利用提供参考。     

供应链视角小麦与初加工产品生产水足迹分析

针对农产品水足迹量化仅关注农田直接耗水,而忽略间接水足迹的问题,基于国际水足迹标准量化框架,结合生命周期法,构建考虑生产资料及其上游产品完整供应链、国际和国内贸易的农产品生产水足迹量化框架,计算2016年中国大陆省级行政区尺度小麦原粮及其初加工产品（面粉和麦麸）的生产水足迹,分析其耗水特征。结果表明：供应链视角下,全国平均小麦生产水足迹为4869m3/t,生产资料的间接水足迹占比为6%;面粉和麦麸生产水足迹分别为3781m3/t和11037m3/t;省级小麦及其初级加工产品生产水足迹的大小与构成存在显著空间异质性,福建省小麦生产间接蓝水足迹占比高达25%。研究结果可为全面解析区域间农业和工业用水投入内在联系,制定合理的配水方案、落实“以水定产”战略提供一定科学依据。     

中国农作物水足迹时空分布与影响因素分析

为全面评价中国农作物对水资源真实消耗,计算并分析了31个省区1996—2015年农作物水足迹,并借助通径分析方法分别对影响农作物生产水足迹(单位耕地面积水足迹)时间变化和空间分布的影响因素进行了揭示。结果显示:全国年均农作物水足迹为1 421.07 Gm3,蓝水、绿水和灰水足迹分别占10.05%、66.79%及23.16%;粮食和水果类作物水足迹占总量的85%以上,二者很大程度上决定着中国农作物水足迹的变化。中国农作物生产水足迹为1 156.90 mm,时间上呈先下降后缓慢上升态势,空间上为从东南向西北逐渐递减的格局。人口密度、人均纯收入和化肥施用量是农作物生产水足迹时间变化的主要驱动因子,而降雨量、人均GDP及人均纯收入对其空间分布有重要影响。经济发展是降低农作物水足迹的原动力,可以促进化肥施用量降低、灌溉用水效率提高以及增强绿水资源调控能力。     

黄河流域小麦生产水足迹量化与评价

为准确评价区域不同时空尺度作物生产耗水量及耗水效率的动态变化及其分布规律,以黄河流域典型年为例,基于作物水分生产力模型Aqua Crop,考虑不同供水和灌溉方式,在5'空间尺度对流域内小麦生产水足迹进行了量化与评价。结果表明:流域小麦水足迹总量和单位生产水足迹年均值分别为2.19×10~(10)m~3和1.22 m~3/kg,蓝水足迹占65%,单位生产水足迹呈现上游向下游递减的趋势。传统地面灌农田小麦生产蓝、绿水足迹量分别为流域总量的92%和50%。流域灌溉条件下小麦生产水足迹(1.40 m~3/kg)高于雨养条件(1.12 m~3/kg);灌溉方式对小麦生产水足迹影响显著,其中微灌仅为1.67 m~3/kg,喷灌条件下高达2.07 m~3/kg。供水与灌溉方式对区域农作物生产水足迹的影响不可忽略,考虑不同供水与灌溉方式的作物生产水足迹量化与评价将成为农业水资源高效利用的重要基础。研究结果可为不同时空尺度农作物水足迹核算和区域农业节水策略制定提供参考。     

基于水足迹理论的山西省水资源利用与经济发展脱钩状况分析

为充分了解山西省水资源利用现状及变化趋势。基于水足迹理论分析了山西省及其各行政区2007-2016年的水资源利用状况,探讨了水资源配置和利用的时空变化特征,并结合协调发展脱钩评价模型对山西省水资源利用与经济增长协调发展进行评价。结果表明:①近十年来山西省水足迹总体呈现上升趋势,各行政区之间差异显著,其中运城市水足迹值最高,阳泉市最低。全省多年人均水足迹平均值为731.22 m~3/人。②水足迹结构在研究时限内基本稳定,农业水足迹占比一直保持在90%左右,工业用水小幅下降,生活、生态用水小幅上升。③山西省水资源自给率水平非常高,平均值为98.97%。除太原市外,其他地区水资源自给率均保持在97%以上。④山西省水足迹经济效益由2007年的28.13元/m~3上升到2016年的43.23元/m~3,各行政区10年间水足迹经济效益均有不同程度的提高。⑤10年间山西省各行政区的水资源压力指数均大于1,整体水资源压力指数由2007年的1.96上升到2016年的2.24,说明山西省水资源利用长期处于不安全状态,且地区差异明显。⑥山西省经济增长与水资源利用之间除2013年、2014年外均表现为协调关系。     

基于水足迹的河套灌区多目标种植结构优化调整与评价

针对黄河水量逐年减少和农业面源污染日趋严重等因素导致内蒙古河套灌区农业用水短缺、生态环境不断恶化的问题,本文将水足迹概念（蓝水足迹、绿水足迹、灰水足迹）引入多目标优化模型和多目标决策评价模型,对灌区有限的水资源进行合理配置。以河套灌区为例,本文选取小麦、玉米、葵花、瓜类、番茄5种典型作物,从经济、社会、资源以及生态4个角度对作物的种植结构进行优化,并耦合模糊层次分析和TOPSIS法对多种优化方案（多目标优化方案、单目标优化方案、现状情景方案）进行评估优选。结果表明,在保障粮食作物产量的基本需求下,减少粮食作物小麦、玉米的种植面积,增加经济作物葵花、番茄和瓜类的种植面积,可以达到增加经济收入、保证社会公平性、提高水资源利用效率及减少粮食生产过程中给环境带来负面效应的目的。并且,评价结果表明多目标优化方案兼顾经济、社会、资源和生态多方面,优化结果优于单目标优化结果和现状情景。研究可为河套灌区及类似地区作物种植结构调整提供相应的理论依据和决策支持,助力灌区可持续发展。     

季节性冻融期不同水氮量组合下土壤水分的时空变化特征

以季节性冻融期系列田间试验资料为基础,探求不同水肥耦合下非饱和冻融土壤介质中含水率的时空变化特征。结果表明:封冻前N_0W_0含水率较灌水地块低。快速冻结阶段水分运移主要受冻结作用形成的附加基质势驱动,土壤聚墒区为20~50 cm,N_(500)W_(750)和N_(300)W_(375)处理峰值聚墒量高于其他处理。稳定冻结期土壤聚墒区范围延伸至60 cm处,含水率峰值下移至50 cm,由大到小为:N_(300)W_(750)、N_(300)W_(375)、N_(500)W_(750)、N_0W_0、N_(500)W_(375)、N_(100)W_(750)、N_(100)W_(375)。解冻后N_(300)和N_(500)地块0~60 cm土层略高于自然储水量;封冻前后表土层(0~20 cm)灌溉效应衰减随深度增加而延迟。N_(500)W_(750)和N_(300)W_(375)地块10~20 cm冻结含水峰值呈现时间比N_0W_0提前7 d。灌水后30~40 cm含水率峰值高于N_0W_0,冻结聚墒峰值出现时间随肥量的增加而缩短,消融期N_(500)W_(750)和N_(300)W_(375)处理对水分的吸持作用更强。N_(300)W_(750)和N_(300)W_(375)处理50~60 cm的含水率峰值较高,消融期增幅最为明显,分别为2.00%和0.9%。冻融期各处理土壤含水率与N_0W_0绝对关联度整体随深度增加而减小,说明水氮量组合对冻融期0~60 cm含水率时程动态的影响随深度增加而递减。     

灌区种植结构时空变化及其与地下水相关性分析

利用数据融合算法(ESTAFM)对Landsat7 ETM+和MODIS影像进行融合,构建了高时空NDVI数据集;结合地面实体作物NDVI变化特征和光谱耦合技术(SMT),提取了解放闸灌域2000—2015年间种植结构空间信息;在此基础上分析了其时空特征变化以及地下水对种植结构调整的制约性。利用2015年实地调查数据对遥感监测结果进行评价,灌域主要作物类型玉米、向日葵、小麦以及套种的纯像元分类精度分别达到了95%、88%、91%和90%,总体精度达到了91%;多年遥感监测结果与历史统计数据相吻合。研究结果表明:玉米和小麦种植面积不断增加,玉米种植面积增加尤为明显,由2000年的0.83万hm2(占灌溉面积的5.80%)增加到2015年的4.02万hm2(占灌溉面积的28.31%);向日葵种植面积由下降变为上升趋势,其种植规模受市场因素主导;因土地流转、农村劳动力的外流以及套种种植模式劳动力成本高,使得农户转向单一作物种植模式,套种模式种植面积逐年下降,由2000年的4.30万hm2(占灌溉面积的30.32%)减少到2015年的0.41万hm2(占灌溉面积的2.91%)。种植结构空间格局与地下水埋深分布相似,其空间的相对差异并未随时间发生明显变化。向日葵在地下水埋深较浅、盐碱化偏高的区域分布集中,玉米、小麦及套种在地下水埋深大、盐碱化偏弱的区域分布集中,反映出向日葵耐盐性更高,更能适应盐碱化程度高的土壤;作物这一空间分布格局不仅受水土环境影响,而且与作物生理特征密切相关。灌区节水改造以来,在净引水量减小的情况下,农田蒸散发量并未减小,而是表现为稳中有升的趋势,这与高耗水作物玉米种植面积逐年增加有直接关系;地下水位整体下降,由1.76 m下降到2.33 m,土壤盐碱化得到改善,表明大型灌区节水续建配套项目实施以来,节水改造对水循环和水土环境起到了积极的影响。     

不同灌溉水分生产率指标的时空变异与相关关系

选择灌溉系统中的不同灌水量作为投入,建立毛灌溉水分生产率(Pg)、渠系灌溉水分生产率(Pc)及净灌溉水分生产率(Pn)指标;收集全国443个主要灌区1998年、2005年及2010年的数据资料,分析了中国灌溉水分生产的时空变化规律及指标间的相关关系。结果显示:3个指标的全国均值分别为1.361、2.532及2.989 kg/m3;各省区的3个指标均随时间呈增加态势,直辖市的增幅较大而长江流域粮食主产区较小;代表年各灌溉水分生产率指标在空间上均表现为明显的聚集现象,高值省区以黄淮海平原为核心集中分布,华南、西北及东北则密集了低值省区;Pg、Pc及Pn两两之间均呈现显著的线性相关关系,决定系数均大于0.90。3个指标中的任一指标均可代表省区灌溉水分生产率在全国的排序位置。     

昆明市松华坝水源地水源涵养能力时空变化研究

水源涵养能力是水源地脆弱性诊断的重要指标之一。在对比直线分割、直线斜割和滤波3种基流分割方法的基础上,选取松华坝水源地径流区内4个水文站实测流量资料,用滤波法分割基流,并计算基流量和基流指数。结果显示,左支流冷水河上、下游平均基流指数分别为0.589、0.485,右支流牧羊河上、下游平均基流指数分别为0.528、0.484。此外,1954-1992年冷水河下游地区基流量呈显著减小的趋势,其余区域基流量减小的趋势不显著。水源涵养能力空间上表现为,冷水河流域的水源涵养能力较牧羊河流域强,两流域上游的水源涵养能力均较下游强。     

农田春小麦叶面积指数和覆盖度时空变异性研究

准确获取春小麦叶面积指数和覆盖度的时空变异特征,对春小麦生长参数时空分析至关重要,也是利用遥感准确反演春小麦叶面积指数和覆盖度必须解决的问题,对于尺度转换研究具有十分重要的意义。综合运用传统统计分析方法、地质统计分析方法及时间稳定分析方法,研究了春小麦叶面积指数和覆盖度在不同生育阶段的时空变异特征,并探讨了二者的关系,建立了综合考虑时空特征的春小麦叶面积指数增长模型。研究结果表明:在研究条件下,春小麦覆盖度和叶面积指数随时间的变化趋势相似,但二者变异系数(CV)的变化趋势明显不同,随着春小麦的不断生长,覆盖度CV不断减小,而叶面积指数CV则是先增加后减小;春小麦叶面积指数和覆盖度都具有空间结构,其中在播种-分蘖阶段(头水灌溉前)的空间相关距离最大(50~60 m),头水灌溉后,春小麦叶面积指数和覆盖度的空间相关距都减小,其中叶面积指数相对比较稳定(约20 m);春小麦叶面积指数和覆盖度均具有时间稳定特征,播种-分蘖阶段处于头水灌溉前,这个阶段的春小麦覆盖度对其在整个生育期的稳定性有显著影响,相比之下,这个阶段的叶面积指数对其在整个生育期的稳定性影响不明显;春小麦叶面积指数除了与生育期有密切的时间相关关系外,还在一定范围内与覆盖度有显著的空间相关关系,为此从时空变异角度,建立了一个以生育期和覆盖度为预报因子的叶面积指数增长模型,经检验,拟合模型方程在置信度0.01水平上表现显著。叶面积指数增长模型将不同时间的叶面积结合了空间上的变异特征,较之前的仅基于生育期的Logistic模型适应性更广。     

石羊河流域春小麦灌溉需水量时空分布研究

根据石羊河流域1960-2004年的气象资料,利用FAO的CROPWAT模型计算石羊河流域春小麦生育期多年平均蒸发蒸腾量、有效降水量和灌溉需水量;利用GIS建立流域空间和属性数据库,分析春小麦灌溉需水量空间分布规律。结果显示,春小麦蒸发蒸腾量、灌溉需水量空间分布趋势为从北往南逐渐降低,生育期降水量由北到南逐渐增大,其中春小麦多年平均蒸发蒸腾量为353.55~452.60 mm,生育期有效降水量为45.13~168.16 mm,雨养条件下石羊河流域春小麦产量减幅为27.90%~65.30%。因此,为保证春小麦产量需进行补充灌溉。利用CROPWAT模型计算,石羊河流域春小麦多年平均灌溉需水量为202.79~407.47 mm。     

广东稻田灌溉效益的时空变化分析

为合理进行稻田灌溉效益取值,对广东省不同地区32个样点46年的早稻、晚稻和双季稻的灌溉效益进行时空变化分析。结果发现:稻田灌溉效益在省内不同地区间大小差异悬殊,其变化与降雨量呈负相关关系,其中晚稻灌溉效益大于早稻,双季稻则介于两者之间;灌溉效益在多年时程中变化很大,其变异系数明显大于多年降雨量的变异系数,从多年灌溉效益的离散程度看,晚稻比早稻大,双季稻则比早稻和晚稻小;另外,灌溉效益在多年时程中的离散程度与平均相对减产量呈高度正相关关系,即平均相对减产量愈大,灌溉效益数值的离散度愈大。