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。     

山西省作物生产蓝绿水足迹核算及影响因素分析

基于水足迹理论,对山西省2005—2014年11个市主要粮食作物生产蓝水和绿水足迹进行了量化,并结合农业与气候数据分析了其时空变异及气候影响因素。结果表明:近10年山西省各地区粮食作物生产水足迹呈下降趋势,且蓝水足迹下降趋势较绿水足迹显著;全省综合作物生产蓝水足迹从1.11降到0.64 m³/kg。不同作物间生产水足迹差异显著,大豆生产蓝绿水足迹均最高,分别为2.74,2.11 m³/kg;前者是玉米生产蓝水足迹的6.5倍,后者是小麦生产绿水足迹的5.1倍。从蓝绿水构成来看,山西省绿水比例南多北少;其多年均值为46%,具备提高绿水资源利用效率的空间。不同区域间作物生产蓝绿水足迹均表现出由北向南波动中下降的趋势,大同和吕梁地区水足迹较高。通径分析结果显示气候因子中的日照、气温和降雨是影响作物生产水足迹的主要影响因素。在山西省范围内,气候条件的时空差异是造成作物生产水足迹时空变异的主要原因,农业生产资料投入的影响较小。     

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 2×1012 m3,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。     

基于生态水文理念的流域水资源规划研究 ——以子牙河为例

传统水资源规划一般仅关注水文循环中的"蓝水"资源,忽视了占水文循环60%以上的"绿水"资源。基于生态水文理念来研究流域水资源规划方法,可实现区域可持续发展。本文以子牙河流域为例,从流域降雨着手,剖析大气降水、蓝水和绿水转化过程,构建基于生态水文理念下的流域水资源规划模型。通过调整种植结构、节水灌溉制度、产业结构、居民生活用水、养殖业用水等方案,以及南水北调中线配套工程措施,利用构建的流域水资源规划模型,对各项规划措施进行模拟。结果表明:75%保证率和50%保证率下,自然植被耗水量分别为76.3亿m3和88.2亿m3,农业生产耗水量分别为126.8亿m3和142.1亿m3。城市生活、工业生产、第三产业和农村生活耗水量均分别为7.9亿m3、2.6亿m3、3.1亿m3和3.3亿m3。相对于调整之前,75%保证率下,子牙河流域耗水量减少11.9亿m3,50%保证率下减少13.2亿m3。其中,占总耗水量最大的农业生产部门对耗水削减的贡献量最大,达到了7.6亿m3(75%保证率)和8.8亿m3(50%保证率),占总削减量的60%以上,表明种植结构和节水灌溉制度的调整对减少子牙河流域耗水量起到了重要作用。本文研究成果可为流域水资源高效可持续利用提供必要的技术支撑。     

基于GIS和地统计学的作物需水量等值线图

利用“全国灌溉试验资料数据库”中作物需水量试验数据,在ERSI的ARCGIS和微软电子表格EXCEL支持下,将GIS的空间数据管理功能和地统计学的空间分析功能有机结合,用多种插值方法进行山东省冬小麦需水量等值线图的绘制,结果表明：地统计学方法优于常规的反距离加权方法、多项式方法和径向基函数法;地统计方法中的普通克里金(Ordinary Kriging)球状模型的预测误差的均值、预测误差的均方根、平均预测标准差、平均标准差、标准均方根预测误差等5个指标均优于普通克里金指数模型、简单克里金(Simple Kriging)球状模型和简单克里金指数模型,具有较高的插值精度。     

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...     

基于地统计学的作物需水量空间变异性分析

依据宝鸡峡灌区11个站1981-2008年各月的气象资料,基于ArcGIS 9.2平台,运用地统计学分析了灌区三种主要作物多年平均需水量在空间上的变化规律.通过反距离权插法与克里格插值的比较,显示了地统计插值较确定性插值的优越性.分析结果表明:灌区不同作物需水量差异较大,冬小麦多年平均需水量459.5～559.6mm,玉米454.6～528.3mm,棉花609.2～681.3mm.但是,各种作物多年平均需水量的空间分布呈现出类似规律,均在西南-东北方向上变程最大,眉县附近需水量最小,往东北方向逐渐增大.     

污水灌溉对农业环境影响的研究——以石家庄市污水灌溉区为例

通过对石家庄市污水灌溉区污水,农作物,土壤及地下水的现状调查及评价,研究了污水灌溉对农作物、土壤及地下水的影响。结果表明,石家庄市排放的污水水质为有机污染类型,硫化物污染较重,有机物污染中度、重金属类污染较轻;污水泽排污水渠两侧地下水有影响,影响范围为１００￣２００ｍ;该市已用污水灌溉农田４０年,作物（小麦、玉米）籽粒中重金属含量均应低于国家食品重金属限量卫生标准;表层土壤中重金属含量均低于国家土     

基于生态足迹的传统农业地区可持续发展评价—— 以贵州省从江县为例

由于自然条件的限制和历史等原因,贵州省从江县至今还保持着比较完好的稻田养鱼传统农业生产方式,并形成了独具特色的农业文化遗产.为全面认识这一农业文化遗产的价值,并为其合理保护提供理论依据和科学基础,本文分析了从江县2007年的生态足迹及其构成,总结了传统农业地区的资源消耗特点以及传统农业在区域生态平衡、资源消耗、可持续发展等方面所起的重要作用.研究表明,从江县居民对食物和住房的需求很高,分别占总需求的45.9%和33.3%,导致从江县耕地和林地生态足迹构成生态足迹的主体部分;相比之下,从江县的化石能源地生态足迹仅占总生态足迹的3.0%,而由林地提供的主要燃料柴薪才是能源生态足迹的主体部分,这与资源消耗较高的工业化地区明显不同.资源的低消耗使得从江县可以维持在生态平衡状态,人均生态盈余为0.058 1 hm2.可见,传统农业通过影响人们的农业生产方式和生活消费模式,不仅对区域的生态平衡维持和文化传承起着重要作用,且对区域社会经济可持续发展有重要意义.     

基于L-M优化算法的BP神经网络的作物需水量预测模型

应用L-M优化算法BP神经网络，通过多维气象数据(太阳辐射、空气温度、湿度)与作物需水量的相关分析，来确定网络的拓扑结构，建立作物需水量的人工神经网络模型。用美国田纳西州大学高原实验室所测的100 d气象数据为输入、作物需水量为输出来训练建立好的BP神经网络，仿真表明该神经网络能很好地解决需水量多影响因素之间的不确定性和非线性，模型的预测精度较高，同时通过一组非样本天气环境参数和作物需水量来验证该神经网络，也得到了较好的预测结果，能够满足灌溉的精度要求。     

基于能值分析的黄河流域粮食生产系统蓝绿水资源利用评价

明晰水资源紧缺地区粮食生产系统中水资源的贡献和利用效率,是落实最严格水资源管理制度的基础.该研究结合水足迹计算和能值分析方法,构建粮食生产系统水资源能值评价指标体系,应用于2001-2016年黄河流域沿线小麦和玉米生产系统,解析沿线各省粮食生产系统中水资源能值投入、能值贡献与能值利用效率.结果表明:水资源能值投入增加,...     

基于污染足迹的太湖流域稻作农业污染评估——以常州市和宜兴市为例

稻作农业在保障粮食安全方面贡献巨大,但因经济利益驱动,化肥农药被过量施用,造成了氮、磷等营养物质流失,对水环境产生严重影响。本文基于全国第一次污染普查数据,结合各类污染物的产排污系数计算了稻作农业COD、TN和TP入河量,通过污染足迹模型计算了稻作农业COD、TN和TP的污染足迹,通过污染压力模型计算了稻作农业COD、TN和TP的污染压力指数,并对其进行评估。结果表明:(1)常州市、宜兴市稻作农业生产过程中向水环境排放的污染物中以COD和TN为主,其入河量分别为792.96 t·a-1和605.28 t·a-1,TP入河量为27.16 t·a-1;(2)常州市、宜兴市稻作农业TN污染足迹最大(3 944.50 hm2),其次为TP污染足迹(2 578.95 hm2),最小的是COD污染足迹(523.52 hm2);(3)常州市、宜兴市稻作农业对水环境的污染压力指数为2.10,处于中度污染压力状况,表明常州市、宜兴市稻作农业生产活动超出了当地水域的承载能力,对当地水环境产生了压力。     

基于水足迹理论的水资源评价——以河北省张家口市宣化区为例

[目的]河北省张家口市是2022年北京冬季奥运会雪上项目的举办地,其中宣化区是当地重要工业区,对当地用水和水质有举足轻重的影响。对宣化区水资源情况进行分析,旨在保障冬奥会顺利进行。[方法]采用水足迹理论对张家口市宣化区2007—2014年的农业、工业和生活用水情况进行分析,并结合水量、水质评价其水资源短缺状状况。[结果](1)宣化区2007—2014年平均蓝水足迹5.77×10~7 m~3,且工业占比最大;绿水足迹年平均值为9.90×10~6 m~3,全部来源于农业。(2)以COD为主要污染物排放指标核算该地区灰水足迹,年平均灰水足迹为4.22×10~7 m~3。(3)根据年平均水量型缺水指标(Iblue为3.55)和年平均水质型缺水指标(Igrey为0.51)可知,宣化区属于严重水量型缺水地区,且水质型缺水情况日益明显。[结论]从宣化区用水现状来看,当地亟需优化产业结构,提高非常规水源利用率,改善区域水资源治理模式。     

基于生态服务功能的城市湖泊生态系统需水量分析

城市湖泊生态系统具有提供产品、调节生态、文化娱乐和生命支持等四大服务功能，城市湖泊生态系统需水量的确定应以维护其生态服务功能，实现湖泊生态系统可持续发展为目标。阐述了城市湖泊生态系统需水量的内涵，提出了需水量计算应遵循功能性原则、生态优先原则、兼容性原则和动态性原则，建立了基于生态服务功能的城市湖泊生态系统需水量动态模拟模型，最后进行了实证检验。     

基于水足迹的贵州省平塘县农业用水与经济脱钩分析

[目的]从水足迹视角剖析平塘县农业经济增长与农业水资源利用耦合作用机理,为喀斯特峰丛洼地生态治理提供参考资料。[方法]利用联合国粮农组织推荐CROPWAT 8.0软件,测算平塘县2002—2015年农业水足迹,运用脱钩理论,分析平塘县2001—2015年农业发展与农业水资源利用脱钩态势。[结果](1)2002—2015年平塘县水足迹与生产总值整体上呈波动上升趋势,但其增长率波动性较大;(2)从Tapio脱钩弹性指数来看,现阶段农业经济增长与农业水资源消耗关系尚不稳定,农业水资源不可持续性利用状态仍存在;(3)2007年为脱钩关系较为理想年份,其次是2008年,协调状况最差是2006,2002—2015年脱钩态势系整体上,呈倒U形变化趋势;(4)从面积来看,研究时段弱脱钩面积比重范围为0%~97.9%(2010年最大,2013年其次,2007和2011年最小),强脱钩面积比重范围为0%~100%(2007年最大,2008年其次,2010年最小),衰退脱钩面积比重范围为0%~49.7%(2011年为49.7%,其他年份为0)。[结论]总体上,平塘县农业经济增长与农业水资源利用协调状况不佳。     

基于气候变化的黄河三角洲非主粮作物需水规律研究

  目的  为保障黄河三角洲地区的生态安全和高质量发展,需“适水种植”调整作物结构,缩减农业用水占比,留足生态用水。  方法  基于气象站2006 ~ 2019年的实测气象资料,分析研究区降水和气温的变化趋势,利用Hargreaves-Samani法和FAO作物系数法估算当地7种非主粮作物各生育阶段及全生育期内的作物蒸散量,并结合有效降水量和淋洗需水量的计算得到典型干旱年和湿润年以及多年平均的灌溉需水量。  结果  黄河三角洲年降水量变化趋势不显著,春、秋和冬季的降水量呈现下降趋势,而夏季降水量呈上升趋势;年均气温呈现逐年上升趋势,夏季平均气温上升趋势最为显著。研究区非主粮作物灌溉需水由高到低分别为甜高粱、枸杞、黑麦草、苜蓿、菊芋、田菁和谷子,典型干旱年中7种作物均需补充灌溉,典型湿润年中谷子、田菁、菊芋和苜蓿降水量有盈余,平均年份中谷子和田菁降水量有盈余。  结论  作物各生育阶段的有效降水量分配不均,生育期内总降水量有盈余的情况下某些生育阶段依然会处于水分亏缺状态。研究结果可为该地区作物种植结构调整和灌溉制度优化提供参考依据。     

污水灌溉对农业环境影响的研究--以石家庄市污水灌溉区为例

通过对石家庄市污永灌溉区污水、农作物、土壤及地下水的现状调查及评介,研究了污水灌灌对农作物、土壤及地下水的彭响。结果表明,石家庄市排放的污水水质为有机污染类型,硫化物污染较重,有机物污染中度,重金属类污染较轻;污水对排污水渠两侧地下水有影响,影响范围为100～200m;该市己用污水灌灌农田40年,作物(小麦、玉米)籽粒中重金属含量均相应低于国家食品重金属限量卫生标准;表层土壤中重金属含量均低于国家土壤环境质量标准中规定的二级标准。合理灌溉污水可增加土壤有机质和全N含量。     

基于贝叶斯最大熵和多源数据的作物需水量空间预测

作物需水量是灌溉工程规划、设计和管理的重要基础数据,充分利用多源数据和先验知识,快速经济地获取精度较高的区域作物需水量对于区域水资源的优化配置具有重要意义。为精确预测作物需水量,该文以长系列实际监测和校核作物系数后计算得到的作物需水量为硬数据,利用硬数据确定获得最大熵的约束条件,根据软数据获取渠道的不同(部分年份缺失的站点数据、文献中获得的数据、利用灌溉试验数据库中的作物需水量资料,采用协同克立格方法获得的数据、考虑主要地形因子和主要气象要素的影响,采用主成分分析和地理加权回归(geographically weighted regression,GWR)方法获得作物需水量数据以及遥感数据),提出不同来源软数据的概率密度函数表达方法,采用贝叶斯最大熵(Bayesian maximum entropy,BME)方法对不同来源的作物需水量信息进行有机整合。结果表明:除硬数据+文献软数据外,其他数据整合呈现一致结果。华北地区冬小麦作物需水量在豫南地区较小,中部地区黄河北岸有连片的相对高值区,山东需水量相对较高,冀东北的乐亭、唐山附近有相对低值区。除硬数据+文献软数据比不整合的精度低9.41%外,其他软数据源均可不同程度地提高整合效果,硬数据+克立格软数据、硬数据+GWR软数据和硬数据+除文献数据外的其他软数据分别比不整合的精度提高85.33%、85.75%和91.69%。对考虑地形、气象等要素的多源数据进行整合可更好地反映冬小麦作物需水量空间分布的细节,显著提高估算精度,为稀疏监测站点地区水土资源的精准管理和优化配置提供数据支撑。     

基于STELLA和气候变化情景的灌区农业供需水量模拟

为了评估气候变化对灌区农业供需水量的影响,基于系统动力学软件STELLA(structure thinking experimental learning laboratory with animation)建立了宝鸡峡灌区供需水量计算模型,结合灌区气象水文数据,利用非一致性水文频率计算原理,预估了未来可供水量和气候变化情景,模拟了气候变化情景下不同规划水平年灌区农业供需水状况。结果表明:灌区主要水源渭河径流在1989年发生跳跃变化,跃幅为-14.25亿m3,各典型年预估径流量(1989-2030年)比原序列(1954-2010年)对应值减少40%~55%,导致农业可供水量锐减;在α=0.05的显著水平上,1981-2010年灌区降水下降不显著,平均气温、最高气温显著上升而相对湿度和风速显著下降,其他因子无明显趋势;灌区未来各典型年农业需水量2030年比2010年增加1.08~2.19亿m3,水资源供需平衡指数上升9.06%~14.46%,说明灌区农业供需水平衡状况受气候变化影响显著,必须在规划、设计和管理中予以考虑并采取积极的应对措施。研究结果为气候变化条件下灌区农业水资源合理配置提供了参考。     

现阶段作物生产的生态与经济效益评估 ——以江苏省为例

通过成本、效益比较和土壤养分投入产出分析,对江苏省现阶段的作物生产状况进行了生态与经济效益评估。结果表明:在农业劳动力多而耕地少的地区,棉花与玉米、小麦、油菜接作均可获得较高经济效益;在劳动力紧缺、规模化生产的地区,种植水稻 玉米、水稻 小麦、水稻 油菜为宜,不仅省工,且可获得较高的经济效益和产品能,水稻 玉米种植模式还能获得较高的秸秆能。在当前条件下,5种作物的N肥投入均大于产出,P肥产投接近平衡,而K肥投入远远小于产出。为兼顾经济效益和生态效益,维持土壤肥力平衡,水稻施N量应减少165～225 kg/hm2,小麦应减少75～105 kg/hm2,玉米应减少90～165 kg/hm2,棉花应减少120 kg/hm2,油菜应减少60～90 kg/hm2。棉花施K量应增加120 kg/hm2,而其余作物可通过秸秆还田来补充土壤K,维持K的产投平衡。