Interactions between water-land resources and oasis urban development at the northern slopes of the Tianshan Mountains,Xinjiang,China

Urban development in arid and semi-arid regions is largely constrained by fragile physical environ- ments. The characteristics of an urban settlement are different from those in other regions of China. This paper analyses the coupling characteristics and spatio-temporal variations for oasis urban development and water-land resources at the northern slopes of the Tianshan Mountains by principal component analysis and a coupling degree model. The result shows that the degree and change in regional use of water and land resources are different among the studied cities/counties during their development. The built-up areas of these cities/counties have changed little with increasing populations and urbanization levels, which well reflects that the urban development in arid and semi-arid regions is limited by oasis areas. Per capita amount of water supplied, however, presented a trend of slowed growth with increasing levels of urbanization. Water consumption gradually increased with urban development and the improvement of people＇s living standards, accompanied by enhanced water use efficiency. The level of urbanization can be assessed through the coupling degree between oasis urban development and the use of water and land resources. A high coupling degree represents a high level of comprehensive urban devel- opment and use of water-land resources. Alternatively, a low coupling degree denotes a low level of urban devel- opment and water-land resource use.

我国城市工业用水效率与经济发展水平的秩匹配度原理及特征解析

对现有基于数列的匹配度指标进行改进,提出了秩匹配度概念和计算方法,将匹配度内涵拓展为欠匹配、匹配、过匹配3种状态及高、中、低匹配3个层次,以更加全面地反映特征指标与影响因素的相对发展水平与匹配状况。采用秩匹配度分析了全国336个城市2017年工业用水效率与经济发展水平的匹配特征,结果表明:我国工业用水效率与经济发展水平呈匹配状态的城市占比为28.27%,全国各区域均有分布;高层次匹配的城市主要分布在北方地区,低层次匹配的城市主要分布于鄂、闽、桂等南方地区;呈过匹配状态的城市占比为36.31%,主要分布于华北、西北地区;呈欠匹配状态的城市占比为35.42%,主要分布在华中、东南等经济较发达、水资源较丰富的地区。

塔里木河流域农业水土资源时空匹配关系研究

农业水土资源可持续利用是推进塔里木河流域生态文明建设、协调兵团向南发展战略部署以及促进各产业融合发展的重要基础。本研究基于2005-2020年塔里木河流域5个地区的农业水土资源匹配现状,运用基尼系数法、农业水土资源匹配系数以及农业水土资源当量系数,结合ArcGIS软件对塔里木河流域水土资源时空匹配状况进行分析。结果表明:从地理分布上来看,塔里木河流域耕地资源主要集中在喀什地区、阿克苏地区,耕地资源分布和水资源有密切关系。在研究时间跨度内,水土资源基尼系数在0.05~0.12之间,整体表现为波动变化,但是变化幅度不大,处于绝对均衡水平。农业水土资源匹配系数在研究期内呈现出先下降后升高再下降的特征,5个地区的农业水土资源匹配系数逐渐趋于一致,并稳定在1~2之间。结合当量系数分析,虽然塔里木河流域5个地区的农业水土资源均衡程度较好,但是5个地区仍处于极度缺水状态,且地区差异大。研究表明,塔里木河流域水土资源分布一致,整体处于缺水状态,随着节水力度的增大农用水占比呈下降趋势。

水足迹视角下黄土丘陵区农业水土资源匹配格局——以山西省和顺县为例

从水足迹视角出发,运用CROPWAT及标准差椭圆模型分析2010—2019年山西省和顺县乡镇域主要农作物生产水足迹和耕地面积的时空变化,运用基尼系数及空间失配指数深入研究2010年、2014年、2019年乡镇域农业水土资源时空匹配格局,并明确调控方向。结果表明,研究期间,和顺县作物生产水足迹、蓝水足迹、绿水足迹和耕地面积总体上均呈下降趋势;绿水足迹对各区域作物生产水足迹的构成贡献最大,占比均超过62.0%;和顺县西部地区作物生产水足迹和耕地的空间聚集性不断增强;和顺县作物生产水足迹、蓝水足迹、绿水足迹与耕地之间的空间失配均逐渐加剧,中部和东部地区农业水土资源分别为中度失配和重度失配,是和顺县未来农业水土资源调控的重点地区;可以将县域10个乡镇分别划分为水源涵养调蓄、水土优化调控与引水节水灌溉3个调控区。总的来说,受社会经济、生产要素投入和气候条件的影响,和顺县农业水土资源匹配协调水平处于失衡状态,但在调控区划分的基础上,有针对性地进行人工调控,仍可实现农业水土资源匹配协调水平的较大提升。

基于生态安全的毛乌素沙地水资源承载力评价

毛乌素沙地地区作为我国生态治理成功有效的典型区域,相较于其他主要沙漠、沙地而言,具有资源丰富、水热配合好等优点,同时也是受到人类活动及气候变化威胁较大的生态脆弱区,如何保障生态安全的同时协调社会经济高质量发展,成为了当地所需解决的首要难题。以内蒙古鄂尔多斯毛乌素沙地地区为研究对象,构建基于生态安全的综合水资源承载力评价体系,运用投影寻踪法计算综合水资源承载力评价值,引入障碍度模型遴选地区承载力优势指标与劣势指标,采用耦合协调度模型测算资源-生态-社会系统耦合发展现状。结果表明:2000年至今毛乌素沙地地区的水资源承载力总体时间上呈现曲折上升趋势,但仍有提升空间,在空间上形成了“南北高,中心低”的空间分布特点,期间地下水供水能力、灌溉水利用系数和三产用水定额等是水资源承载力系统的主要“优势指标”,而人口、灌溉面积以及城镇化率则是阻碍水资源承载力提升的关键“劣势指标”,地区内各旗县耦合协调度从“十五”规划至今一直在中等水平范围内浮动。

耕地保护视角下的水土资源匹配及优化——以济南市为例

耕地是最宝贵的农业资源,是保障国家粮食安全的根本。以济南市为例,探讨耕地保护视角下的水土资源匹配及优化,分析各区县的水土资源的匹配状态及问题。结果表明,济南市水土资源在市域层面的匹配程度较高,但各区县的水土资源匹配程度差异较大,北部区县的水土匹配程度较好。在全面分析水土资源特征的基础上,从外调水分配、挖掘水资源开发利用潜力等方面提出水土资源优化策略,为提升耕地质量、可持续利用水土资源提供依据。

陕西省水资源时空匹配研究

在社会经济发展和生态环境保护的双重需求驱动下,陕西省水资源供需不平衡问题日益突出。利用洛仑兹曲线和基尼系数,分析2004年~2020年间全省、陕南、陕北及关中地区的水资源与工业产值的匹配程度及变化情况;利用泰尔指数对生活用水、生产用水、生态用水和农业用水等四类用水与水资源的匹配程度进行分析。结果表明:陕西省水资源量与工业产值匹配较合理,且近几年匹配程度逐渐提升;生活、生产、生态和农业用水与水资源量之间的匹配性不独立,相互之间存在一定的关联性;关中地区的整体匹配性相对陕南、陕北地区较差,尤其是生产和生态方面,需要进一步推行节水、合理用水等措施,调整用水结构,以提高水资源利用效率。研究成果可为陕西省水资源优化配置、统筹三区协调发展提供参考。

基于生态系统服务和PSO-SOFM神经网络的中亚水土热资源匹配分区

水土热资源匹配度分区研究对于区域农业规划具有重要意义。中亚地区长期以来缺乏合理的水土热资源管理,已引发了一系列资源环境问题,严重威胁该地区农业生产。目前的研究也较少关注中亚水土热资源匹配分区模式。本研究利用遥感数据,通过量化4种主要生态系统服务(植被固碳、土壤保持、水源供给与涵养及生物多样性保护)的时空分布特征,结合PSO-SOFM(particle swarm optimization,PSO;self-organizing feature map,SOFM)神经网络模型实现中亚水土热资源匹配度分区,并利用Spearman秩相关分析探索不同匹配度分区与生态环境因子的关系,应用偏相关分析确定气温和降水量对中亚地区生态系统服务的影响。结果表明,中亚生态系统服务总体呈东南高、西北低的空间格局,沿山地—绿洲—荒漠方向递减。在2000—2015年间,各类生态系统服务均有不同程度变化,其中植被固碳和土壤保持呈显著下降的面积占整个中亚的84.81%和84.82%;水源供给与涵养以及生物多样性保护服务呈显著下降的面积较少,占比分别为69.48%和19.8%,且这两种生态系统服务在个别地区有增加趋势。PSO-SOFM神经网络模型在中亚水土热资源匹配度分区中表现良好,根据生态系统服务值空间模式,中亚水土热资源匹配度可被划为5大类21个子类分区。在空间尺度,各类匹配度分区之间生态系统服务值有显著差异,降水是影响生态系统服务和匹配度高低的重要限制因子,而气温和土壤因素影响较弱;在时间尺度,降水和各生态系统服务值间呈显著正相关关系的范围更广,而气温对生态系统服务值有显著影响的区域主要集中在哈萨克斯坦北部草地—半荒漠生态敏感区、中亚荒漠生态脆弱区、中亚中部半荒漠生态敏感区以及巴特赫兹—卡拉比尔半荒漠生态敏感区等地。而在其他区域,气温和降水量并非决定生态系统服务值高低的主要因素,生态系统服务值的变化可能与土地开发利用模式有关。结合不同匹配度分区的生态地理条件,本研究可为中亚地区水土资源开发利用、农牧业发展以及生态环境保护提供有用信息。

天山北坡前山带区域中国沙棘造林技术

【目的】研究影响中国沙棘生长的关键光合指标、生理指标及土壤含水量,并对中国沙棘苗木生长状况进行综合评价,筛选出最优的整地方式和保水措施。【方法】以天山北坡前山带不同整地方式和保水措施下种植的中国沙棘为研究对象,设置水平沟整地、穴状整地与覆膜、膨润土的不同组合处理,分析不同造林技术对中国沙棘生长指标、光合特性、生理指标的影响。【结果】(1)水平沟整地的土壤含水量、造林成活率、新梢生长量显著高于穴状整地(P<0.05),覆膜、膨润土的土壤含水量、造林成活率、新梢生长量显著高于对照(P<0.05);(2)影响中国沙棘生长的关键生理指标为可溶性蛋白、超氧化物歧化酶,光合指标为蒸腾速率、气孔导度,土壤含水量指标5月土壤含水量、8月土壤含水量;(3)水平沟整地-覆膜-膨润土处理的评分最高,水平沟-覆膜处理次之;其造林成活率分别为80.63%、72.26%。【结论】中国沙棘在天山北坡前山带造林的综合配套技术为水平沟整地-覆膜-膨润土综合技术、水平沟整地-覆膜综合技术。

水足迹视角下黄河流域经济作物水土资源匹配格局

水土资源的合理匹配有利于将资源优势转变为经济优势,促进区域农业持续发展。基于水足迹视角,运用水土匹配度、重心迁移模型,结合ArcGIS10.2软件,分析了黄河流域8个省(区)(不包括四川省)不同类型经济作物播种面积及其水足迹,探讨了其水土资源时空匹配格局及重心演化情况。结果表明:谷物等5类经济作物播种面积逐渐上升,豆类等6类经济作物播种面积不断下降,油料播种面积保持相对稳定,且上、中、下游地区存在差异,播种面积呈现东高西低的分布格局;谷物等6类经济作物水足迹波动上升,豆类等6类经济作物水足迹波动下降,且上、中、下游存在差异,水足迹总体呈现增大趋势,呈现东部和中部高、西部低的分布格局;经济作物水土匹配度呈增大趋势,呈现中南部高、北部和西部低的匹配格局;水土匹配度重心轨迹呈现由东北向西南移动的趋势。黄河流域8个省(区)应适当调整经济作物种植结构,减少高耗水经济作物种植;推广节水灌溉技术,改善农业生产条件;发展高效节水农业,实施水系连通工程等,以实现水土资源优化配置和高效利用。

中国广义农业水土资源匹配及利用状况动态评价

作为农业发展的核心要素,水土资源匹配态势与利用程度决定着中国农业可持续发展及食物安全。为优化中国农业水土资源配置,该研究基于2000—2020年31个省市的统计数据,采用基尼系数评价农业水土匹配状况,提出广义农业水土匹配系数揭示各省农业水土资源匹配状况及配比程度,联合匹配特征与水土利用状况确定各省农业水土资源利用类型区。结果表明:1)研究期内,中国灌溉水与耕地分布差距较大(基尼系数均值0.424),匹配情况变差;广义农业水资源与耕地资源分布相对合理(基尼系数均值为0.360),无显著变化趋势。地理区及省际间农业水土匹配程度存在较大差异。华北、西北和东北地区匹配状况为“土多水少”,华东、华中和西南地区匹配状况为“水多土少”,广东(广义农业水土匹配系数均值为2.06)和云南(广义农业水土匹配系数均值为1.02)匹配程度分别为各省市最低和最高,匹配状况均为“水多土少”;2)农业水土资源利用程度空间异质性明显,垦殖率东南高西北低,农业水资源利用程度北高南低;3)吉林、新疆、江苏水土资源配置情况变差(转为低匹配高开发区),北京水土资源配置情况有所好转(转为高匹配低开发区)。研究结果能够为国家农业水土资源优化配置相关决策提供支撑,对实现国家食物安全及农业可持续发展具有重要意义。

疏勒河流域农业水土资源时空匹配特征分析

水土资源是农业生产最重要的基础性资源,其空间的合理有效配置有利于资源的充分利用和区域可持续发展。以疏勒河流域为研究对象,基于水足迹理论核算流域农业生产水足迹变化规律,采用基尼系数和空间错配模型定量评估研究区2000—2020年农业水土资源的时空匹配动态趋势及其敏感性。结果表明:(1)2000—2020年疏勒河流域农业作物生产水足迹和作物种植面积总体呈波动下降趋势,作物生产水足迹峰值出现在2007、2018年,作物种植面积峰值出现在2009、2018年;流域年均蓝水足迹贡献率达90.9%,且与绿水足迹呈互补关系,表明蓝水是疏勒河流域农业用水的主要来源。(2)农业水土资源的空间匹配程度逐渐提高,总体处于较匹配的状态;蓝、绿水足迹与作物种植面积的空间不匹配程度逐渐得到改善,空间分布中均呈现出中部高、四周低的特点。(3)作物种植面积对作物生产水足迹变化呈中、高度敏感性的地区数量不断增加趋势。

基于水足迹的山东省农业水土资源匹配特征及短缺压力分析

高强度农业开发引起的农业水土资源生态问题日益增多,探究粮食及蔬菜(粮蔬)生产中水土资源空间配置及短缺压力对农业资源的可持续利用具有重要意义。从水足迹视角出发,分析了山东省3种主要粮食作物(冬小麦、玉米及大豆)和两种不同种植模式蔬菜(设施蔬菜和露地蔬菜)的生产水足迹空间特征;同时将资源数量及资源质量的概念纳入研究框架,分析了农业水土资源数量及质量匹配格局差异,并进一步探究了农业水土资源短缺压力及其影响因素。研究结果表明:(1)2019年,山东省粮食和蔬菜的生产总水足迹为811亿m^(3),其中粮食生产总水足迹占比78.50%,蔬菜生产总水足迹占比21.50%;粮蔬生产水足迹受地势影响明显,鲁西北及鲁西南平原地区的粮蔬生产水足迹占比较大。(2)考虑资源数量的水土资源匹配系数均值为0.622×10^(4) m^(3)/hm^(2),考虑资源质量的匹配系数均值为0.416×10^(4) m^(3)/hm^(2);水土资源数量及质量匹配系数在空间上呈现出一致性,表明山东省农业生产水土资源空间配置水平高的地区同时面临着较大的农业面源污染压力。(3)整体上,土地资源短缺压力略高于水资源短缺压力;基于生产视角的水土资源短缺压力受生产环境因素制约显著,受经济发展因素的影响具有差异性,社会因素对水土资源短缺压力无显著影响。研究可为农业资源可持续管理提供数据基础,为全面理解粮蔬生产所产生的水土资源短缺提供案例参考。

流域生态系统服务和水土资源匹配研究进展

生态系统服务精确评估和水土资源匹配状态,对统筹流域山水林田湖草一体化保护和修复,以及构建流域国土空间开发保护新格局具有深远影响。以生态系统服务与水土资源的响应关系为出发点,系统梳理了流域生态系统服务评估及水土资源匹配研究现状。主要贡献包括:①筛选大尺度生态系统服务评估精确性方法及其优势阐述;②提出将信息熵理论与多目标优化相结合的水土资源匹配模型算法;③指出基于系统耦合协调理论进行流域生态系统服务与水土资源响应机理研究的必要性。研究以期阐明流域生态系统服务与水土资源的关联性及其响应机制,为最终实现流域“土地利用经济-生态效益最大、缺水总量最小”的过程目标导向和“生态系统服务效益最大”的结果目标导向,提供理论支撑和技术指导。

基于AquaCrop模型的玉米需水和降水匹配度变化特征研究

雨热同期为我国大部分地区农业生产提供了充足的水热资源,但从需水机理的角度评估作物生长和降水过程匹配度的变化特征还有待深入。基于AquaCrop模型模拟了关中地区1978-2017年夏玉米生育期内需水量、灌溉需水量、有效降水量和产量的变化特征,并在充分考虑玉米不同生育阶段对水分需求程度差异的基础上,分析了作物需水与降水匹配度的变化特征。结果表明:关中地区玉米生育期内累积降雨量变化幅度相对较小,但降水过程明显后移,且更多的以暴雨的形式发生;玉米生育期内需水量和灌溉需水量均呈现明显的增加趋势,增加幅度分别为4.10 mm/10a和13.38 mm/10a,而有效降水量则以-10.28 mm/10a的速率减小;玉米生育期内需水与降水的平均匹配度为58%,且整体以-2.7%/10a的速率下降。上述结果表明关中地区降水模式越来越难以满足夏玉米的水分需求,延迟播种可作为提高作物需水与降水匹配度的应对措施之一。

湖南省人-地-水系统耦合协调度时空演进与影响因素

通过构建人-地-水系统的评价指标体系,运用综合评价模型、耦合协调模型、系统GMM模型分析湖南省人-地-水系统的综合发展指数、耦合协调度及其影响因素。结果表明:(1)2010—2019年湖南省人-地-水系统综合发展指数呈上升趋势,但子系统增速各异,人系统增速最快,地系统增速最慢。(2)人-水、人-地、水-地的二元系统中,人-水系统耦合协调度增速最快,发展为高度协调,人-地、水-地二元系统为中级协调;人-地-水三元系统从勉强协调发展为中级协调,各地耦合协调度均有提高,系统间的依托关系逐渐增强。(3)在影响因素中,产业结构升级、政府调控能力、科技投入和农村治理投入具有显著正向促进作用。

空间均衡视角下水-经济-人口要素匹配度评价方法

为响应水资源空间均衡发展战略,提出以行业用水量为轴,社会经济、人口、水资源为抓手的“一轴三维”区域空间均衡研究思路。构建总体空间均衡性评价与要素空间匹配度评价相结合的量化分析模型,研究各要素的时间演变规律和空间分布特征,并对匹配度算法进行改进,提出基于数列的累计排序占比算法。将该模型应用于1980~2019年长江流域农业、工业、生活用水与行业产值、区域人口和水资源量的空间均衡性分析。结果表明:近40 a间,长江流域各要素空间均衡性呈现总体波动向好态势,但各维度的差异明显,其中“水资源量-行业用水”呈现高度不均衡的状态。各要素空间匹配性方面,2019年长江流域行业用水与行业产值的匹配性较好,与区域人口的匹配性居中,与水资源量的匹配性不佳。通过对比不同匹配度算法,研究提出的累计排序占比法可以有效解决原有算法的不足,同时在不同的场景下均具有较高的稳定性和较好的可辨识度。通过构建总体空间均衡性指标评价与微观各要素空间匹配度分析相结合的“一轴三维”空间均衡评价体系,可为长江流域水资源调配、管理和区域均衡发展提供理论参考和技术支撑。

考虑水土匹配的黄河流域农业碳排放时空分异研究

为了给黄河流域农业绿色低碳发展和高质量发展提供参考,在考虑水土匹配因素的基础上,采用碳排放系数法对2010—2020年黄河流域九省(区)农业碳排放量进行测算,采用Kaya恒等式和LMDI分解模型对黄河流域农业碳排放变化量各影响因素的贡献进行分解,结果表明:1)2010—2020年黄河流域农业水土匹配度呈波动上升趋势,其时空差异较大;2)黄河流域农业碳排放量在2010—2017年呈增大趋势,2018—2020年大幅度下降,各省(区)农业碳排放量差异较大;3)从流域整体来看,农业碳排放的主要驱动因素是农业水资源经济产出、主要抑制因素是农业碳排放强度,各省(区)农业碳排放的主要驱动因素和主要抑制因素有所不同;4)水土资源利用与农业碳排放密切相关,农业水土匹配度和农业水资源经济产出在不同年份、不同省份对农业碳排放的影响具有正负不定的波动性,其原因有待进一步研究。

基于水资源可利用量的我国水土资源匹配状况分析

【目的】评价我国可利用水资源与灌溉耕地资源的匹配状况。【方法】基于流域水资源可利用量和灌溉耕地分布状况,利用单位灌溉耕地面积拥有的水资源可利用量、基尼系数和水土资源匹配相对系数等,定量分析我国主要省区水土资源匹配总体状况、空间分布及变化趋势。【结果】①2009-2019年我国主要省区灌溉耕地面积略有减少,但北方部分省区面积增加显著,灌溉耕地分布有向东北和西北转移的趋势;②我国主要省区水土资源匹配基尼系数在0.40~0.49之间,总体状况为较不匹配,2016年以后有向严重不匹配状况演变的趋势;③水土资源空间分布差异显著,2009-2019年处于不匹配和极不匹配状态的省区从10个增加至11个,主要分布在华北和西北地区,且正在向北扩展。【结论】应遵循“以水定地”原则,通过合理发展后备耕地资源、节水、农业产业结构调整、科学调水等措施提高水土资源匹配状况。

京津冀地区城镇化与水资源可持续利用的演变及匹配特征

提高水资源利用效率是实现京津冀地区城镇化高质量发展的关键环节。通过构建京津冀城市群新型城镇化水平评价指标体系,评估其时空演变特征;利用水资源生态足迹模型揭示城市群水资源利用格局。在此基础上,结合耦合协调度模型及空间匹配模型探究两者的匹配特征。结果表明:在新型城镇化水平方面,北京市(0.82)>天津市(0.47)>河北省各市(0.1~0.4),且障碍因子存在空间差异,北京市表现为生态和城乡一体化,而天津市和河北省的约束力主要来源于人口和社会城镇化。京津冀地区水资源可持续性有所增强,具体表现为人均水资源生态足迹和足迹深度下降,人均水资源生态承载力和足迹广度有所上升;而与成渝城市群相比,京津冀城市群水资源生态赤字形势严峻,高强度农业用水是造成水资源生态足迹较高的主要原因。新型城镇化质量与水资源供需在时间尺度上处于勉强协调阶段,其中北京市(良好协调)和天津市(中级协调)耦合协调度呈现上升趋势,河北省各市耦合协调性较差;水资源生态赤字与城镇化质量的空间匹配度有所下降,河北省空间匹配性(匹配)高于北京市(不匹配)和天津市(较为匹配)。