三水河流域农业生产空间水资源时空匹配性分析与调控研究

水资源短缺是长期制约农业经济发展的关键因素之一.针对以雨养农业为主的三水河流域农业用水需求大、水资源短缺以及用水效率低的突出问题,该研究采用水平衡理论和Penman-Monteith法,在年度、月度与作物层面上分别得到2020年三水河各子流域单元农业生产空间的供、需水量,分析供需匹配的时空特征,并判断供需矛盾的等级与类型.结果表明,三水河流域农业生产空间水资源供需匹配存在空间和时间错位性,水资源匹配性北高南低;年度农业用水整体处于“水平衡-临界匮缺”的匹配性等级,农业主产小流域水匮缺程度相对严重;月度农业生产空间水资源匹配性时空差异显著,盈余型、匮缺型和盈匮相持型小流域并存;作物用水匹配性整体表现为苹果>玉米>小麦,苹果用水的匹配关系接近于平衡,为流域用水方面的优势作物.据此,研究提出农业生产空间调控建议,为提高三水河流域农业生产水资源利用效率和优化农业空间布局提供参考.

中国农业水土资源时空匹配特征及影响因素研究

分析农业水土资源的时空匹配特征与影响因素,可为农业水土资源优化配置提供科学依据。以中国除港澳台的31个省(自治区、直辖市)为研究对象,运用基尼系数法和农业水土资源匹配系数法对2009~2019年的农业水土资源时空匹配特征进行评价分析,并利用Sen+Mann-Kendall法分析农业水土资源匹配系数的变化趋势,最后运用面板回归模型探究变化的主要影响因素。研究结果表明:①2019年与2009年相比,中国水资源总量增加4860.90亿m^(3),耕地面积总量减少75295 km^(2),农业水土资源匹配系数由0.6018升高到0.6652,整体仍高度不匹配且呈不显著变差的趋势。②中国各省(自治区、直辖市)农业水土资源匹配整体呈现“西南优于东北,边缘优于腹地,林区优于农区,山丘优于平原”的空间格局。③北京农业水土资源匹配系数显著下降,上海、广西、重庆、贵州、云南以及宁夏显著上升。④农业用水量和人均水资源量是影响农业水土资源匹配的主要因子。中国农业水土资源匹配协调度仍处于高度不平衡状态,依据匹配系数划分不同等级的调控区并制定差异化的调控措施是缓解农业水土资源匹配不协调的有效途径。

基于生态足迹法的农业水土资源承载力分析——以三江平原友谊农场为例

本文以三江平原“黑土粮仓”——友谊农场为例,应用生态足迹法对当地的水土资源承载力进行定量评估。结果表明:(1)人均农业水资源生态足迹多年平均值为5.26 hm^(2)/人,生态承载力多年平均值为1.97 hm^(2)/人,水资源生态赤字,生态压力指数平均值为2.82,水资源利用处于不安全状态;人均耕地资源生态足迹小于生态承载力,耕地资源生态盈余,生态压力指数平均值为0.69,耕地资源利用处于安全状态;(2)友谊农场农业水土资源生态足迹和水土资源生态承载力的耦合协调度总体处于一般协调状态;(3)虽然农场土地资源丰富,但水资源稀缺,该地区的水土资源承载力协调水平还有很大的提升空间。研究结果对于黑土地保护,实现农业水土资源可持续发展有重要意义。

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。

9种介电类水分传感器对风沙土含水率的测定精度及校准模型比较

【目的】比较不同水分传感器对风沙土含水率的测定精度,并建立校准模型,为旱区农业水土资源的高效利用提供理论依据。【方法】以METER、Acclima和Truebners三大制造商生产的9种介电类水分传感器为对象,以典型风沙土为供试土壤,通过室内校准试验比较各种传感器对土壤含水率的测定精度,评估其在风沙土上的适用范围、准确度、精密度及其影响因素,并构建不同传感器测定风沙土含水率的校准模型,比较不同校准模型的精度。【结果】(1)默认模型下,与其他传感器相比,MAS-1和EC-5的测定精度较高,其均方根误差(RMSE)分别为0.020和0.027,平均偏差误差(MBE)分别为0.016和0.024,斜率(k值)分别为0.9433和0.9403,决定系数(R^(2))分别为0.926和0.938。(2)土壤含水率范围影响传感器的测定精度。各传感器在低含水率下的RMSE平均值比中、高含水率分别减小了40.9%和42.6%,MBE平均值减小了61.8%和59.9%,而R2平均值提高了0.7%和11.3%。其中,低含水率时EC-5和TDR-315H的精度较高,而中、高含水率下MAS-1的精度均较高。对于含水率相同的土壤,各传感器的测定结果差异较大,且含水率越高差异越大。(3)与默认模型相比,校准模型的RMSE和MBE平均减小了48.8%和72.6%,纳什系数(NSE)和R2提高了70.7%和4.5%。经模型校准后,5TE和TEROS-12测定精度的增幅最大,而TDR-315H的测定精度相对最高。此外,传感器测定的风沙土含水率默认值与校准值具有较高的拟合精度,通过模型转换可实现对默认值的二次校准。【结论】综合评估测定精度、使用寿命和售价,MAS-1、EC-5和TDR-315H可作为风沙土含水率监测的优先传感器备选,且利用风沙土的校准模型对传感器进行标定十分重要。

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。

陕西省水土资源潜力评价

为客观评价陕西省水土资源的潜力,利用2000-2019年陕西省耕地土地资源、水资源可利用量、农业用水量等数据,解算陕西省水土资源空间散布格局,构建基尼系数(洛伦兹曲线)以及农业水土资源匹配计算模型进行分析,结果表明:陕西省平均水土资源匹配的区域基尼系数为G=0.72988,与全国和世界的基尼系数相比较,资源匹配相对较差,但基尼系数有较大幅度高于警戒线0.4,表明水土资源潜力有比较大的提升空间。陕西省不同地方的水土资源匹配情况差异明显,南部地区优于中北部。

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。

典型大型灌区水土资源生产力现状及匹配格局研究

客观评价灌区农业水土资源匹配现状是灌区可持续发展的前提。以江苏典型大型灌区为研究对象,通过计算水土资源匹配系数分析典型灌区水土资源匹配现状,计算耕地生产力和农田灌溉水生产力分析典型大型灌区水土资源生产力水平,并通过计算水土资源匹配系数和生产力的基尼系数,分析灌区水土资源空间匹配格局。结果表明,灌区水土资源匹配系数差异显著,其中高邮、沿运、涟西以及周桥灌区的水土资源匹配程度很好,显著高于江苏省水土资源平均配置系数。各典型大型灌区水土资源生产力水平虽差异显著,但总体高于江苏省水土资源平均生产力。灌区水土资源匹配的基尼系数为0.22,作为一个整体水土资源是均衡的,优于同期全国和全球范围内的水土资源匹配格局,耕地生产力和农田灌溉水生产力的基尼系数都为0.46,各大型灌区水土资源生产力空间分布有一定差异。

江苏沿海地区农业水土资源匹配及其效益差异分析

[目的]探究江苏沿海地区农业水土资源与效益的时空匹配差异。[方法]采用基尼系数与泰尔指数相结合的方法,分析了2009—2020年江苏沿海地区农业水土资源匹配及其效益的差异构成,采用耦合协调度评价各指标之间的协调发展水平。[结果]江苏沿海地区垦殖率高于全省平均水平,农业水土资源匹配系数低于全省平均水平,且在空间分布上存在错位现象。农业水土资源匹配系数及其效益基尼系数特征为“耕地效益基尼系数<农业水土资源匹配系数基尼系数<农田灌溉水效益基尼系数”,与泰尔指数结果一致。耦合协调度在0.35~0.40之间波动变化。[结论]江苏沿海地区农业水土资源呈“耕地资源丰富,农田灌溉水资源短缺”的特点,耕地对农业产值的匹配程度显著优于农田灌溉水资源,有限的水资源制约了江苏沿海地区的农业经济发展。各项指标差异主要来源于沿海3市的内部差异,且耦合协调发展水平由比较均衡状态向一般失衡状态转变。

黄河流域农业水资源高效利用与优化配置研究

水资源是基本的自然资源、战略性的经济资源,对于黄河流域而言更是攸关上、中、下游农业高质量发展与生态保护的核心要素;在实施“黄河流域生态保护和高质量发展”国家战略的背景下,提高水资源利用效率并优化分配具有重要意义。本文围绕黄河流域农田水分高效利用和可持续发展,遵循流域系统水文学研究方法和大食物观理念,立足农业高质量发展过程中水资源优化配置的理论与技术,探讨了农田水文过程的机理及用水效率提升、农业与生态的水资源优化配置、水–粮食–生态协同优化、农业信息化体系建设等方面的发展挑战与应对策略。从水循环的视角全面审视了黄河全流域农业节水和水资源配置能力,可为黄河流域农业水土资源优化配置、农业高质量发展与生态保护协同等提供基础支撑。

关于新时期我国农业科技创新任务布局的几点思考

推进新时期农业科技创新任务研究,对于优化我国农业科技创新布局,提升农业创新体系整体效能具有重要意义。文章梳理了我国农业的国家战略需求,对资源禀赋不足、生产水平不高等制约我国农业发展的主要因素进行了分析,从水土资源高效利用、重大新品种培育利用、绿色种养技术研发、食品营养健康研究、前沿基础问题攻关等方面提出了优化我国农业科技创新布局的建议。

西北旱区现代农业提质增效发展模式探究

西北旱区是我国重要的土地资源储备基地,受水资源短缺、土地质量偏低等问题制约,实现农业高质量发展的难度较大,亟需探索集约高效的现代农业发展路径。本文系统分析了西北旱区农业发展的现状及面临的问题,构建了西北旱区现代农业提质增效理论框架。针对草原牧业区、农牧交错区、雨养农业区、灌溉农业区等区域的农业发展特征与功能定位,在优化配置农业自然资源、科技资源、经济资源、社会资源等基础上,本文重点分析了水土资源高效利用、农业种植结构调整与种植模式优化、农业生产精准管控技术创新、产业化与可持续发展等核心技术或方法,形成了具有区域鲜明特色的4类模式,即饲草–绿肥作物生产为主的牧区现代生态农业发展模式、饲草–粮食–经济作物生产并重的农牧交错区生态农业发展模式、粮食–林果生产为主的雨养区生态农业发展模式和粮食–经济作物–林果生产为主的灌溉区现代生态农业发展模式,以此实现农业生产功能、生态功能、教研功能、休闲功能的拓展延伸。为推动西北旱区现代农业高质量发展,需优化农业功能分区,科学规划农业发展格局;健全生态农业补偿机制,创建绿色核算制度;促进产业融合,树立现代生态农业发展理念;构建现代生态农业发展的绿色科技创新与推广服务体系;培育农业农村人才,完善人才政策体系。

基于集对分析的江淮丘陵区农业水土资源匹配分析

将水土资源自然本底量与农业用水用地量相结合,采用集对分析重建农业水土资源匹配指标,并构建七元半偏减法集对势,对江淮丘陵区2005—2019年农业水土资源匹配进行分析。结果表明:2005—2019年江淮丘陵区广义农业水土资源配比度基本呈现下降态势,但高于水土资源自然配比度;单位耕地用水量有减少趋势,但超出区域本底自然供水量,处于相对缺水状态;狭义农业水土资源配比度与水土资源自然配比度呈现交叉波动,并存在一定程度反相关,降水量的增加会相对减少农业灌溉用水量;2005—2010年和2011—2019年两时段江淮丘陵区广义农业水土资源均处于高度不匹配状态,合肥、滁州不匹配程度最高,安庆最低;两时段农业水土资源匹配集对势均为反势,匹配状态较差,但后期均有所提升,有向好发展趋势,安庆和六安变化程度最为明显;江淮丘陵区降水量年际变化较大,水资源总量变幅明显高于农业用水用地量波动,导致农业用水用地量与水资源总量变化不同步,这是水土资源匹配波动的主要原因。

江苏典型灌区农业水土资源匹配现状及其承载力特征

[目的]客观分析灌区农业水土资源匹配状况和承载力水平,进而促进灌区农业高质量发展和保障国家粮食安全。[方法]以江苏典型灌区为研究对象,通过计算基尼系数与农业水土资源匹配系数进行水土资源匹配现状分析,通过构建涵盖水土资源、经济、生态和社会子系统的灌区农业水土资源承载力评价体系,运用熵权法TOPSIS(technique for order preference by similarity to ideal solution)、障碍度和耦合协调度模型,对典型灌区农业水土资源承载力系统健康度、影响因子和耦合协调度开展了研究。[结果](1)典型灌区基尼系数G=0.26,优于同期全国水土资源匹配水平,各灌区水土资源匹配系数为2800~11500 m^(3)/hm^(2),水土资源匹配水平差异显著;(2)各灌区水土资源承载力系统处在中低等水平,现状条件下开发潜力有限,社会子系统为影响承载力系统健康度的关键因素;(3)各灌区水土资源承载力系统处在基本协调发展状态,耦合协调度与承载力系统健康度呈正相关关系,系统耦合协调性很大程度地限制了农业水土资源承载力的发展。[结论]江苏典型灌区整体水土资源均衡,各灌区之间水土资源匹配水平和承载力健康度差异显著,灌区各子系统之间存在不均衡发展,社会子系统成为限制承载力系统健康度发展的关键因素。

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CRITIC-TOPSIS的许昌市农业水土资源评价

基于农业水土资源的可持续利用,采用层次分析法建立许昌市农业水土资源综合评价指标体系,通过计算水土资源匹配系数来分析水土资源匹配特征,并运用TOPSIS方法计算农业水土资源综合评价指数。结果显示:许昌市多年平均水土资源匹配系数为853 m3/hm2,水土资源匹配状况较好的是鄢陵县和襄城县,较差的则为许昌县;许昌市农业水土资源综合评价指数的整体理想贴进度为0.409~0.560,其中综合评价指数最高的地区是鄢陵县,其理想贴进度为0.560,而综合评价指数最低的为许昌县,其理想贴进度仅为0.409。

延安市农业水土资源匹配及承载力

为客观分析延安市农业水土资源空间匹配状况,根据耕地、水资源量等数据,在分析延安市水土资源空间分布格局的基础上,通过构建洛伦兹曲线以及农业水土资源匹配计算模型,对延安市及其13个区县农业水土资源的匹配程度进行评价。结果表明:延安市农业水土资源匹配系数0.26×104 m3/hm2,匹配程度较差,低于全国同期平均水平0.54×104 m3/hm2,并且空间匹配程度存在明显的差异,总体上呈现出南优北差的匹配格局。在全面分析影响农业水土资源承载力多种因素的基础上,建立延安市农业水土资源承载力评价体系,将粒子群优化算法与投影寻踪模型结合在一起,对延安市各区县农业水土资源承载力进行了评价。结果表明,子长县和延长县农业水土资源承载力最低,承载力IV级;黄龙县农业水土资源承载力最高(II级),其他大部分区县农业水土资源承载力处于中等偏低水平(III级),研究可为提高粮食生产效益及区域农业水土资源可持续利用提供依据。

黑龙江省农业水土资源时空匹配格局研究

基于黑龙江省2000~2014年13个地市水资源总量、耕地面积、土地面积等数据,采用农业水土资源匹配系数和基尼系数研究黑龙江省农业水土资源时空匹配格局。结果表明,黑龙江省农业水资源和土地资源空间分布不均匀,水资源量大致呈现东西两侧贫乏,中部和西北部丰富特点,而耕地面积大致呈现东西两侧较多,中部和西北部较少特点;农业水土资源匹配系数时空差异较大,全省仅大兴安岭地区、伊春市、鹤岗市和牡丹江市多年平均农业水土资源匹配系数超过全省平均值1.79×104m3·hm^(-2);不同年份黑龙江省农业水土资源匹配基尼系数呈现一定波动性,但波动性不大,最大值和最小值相差仅0.1903,多年平均农业水土资源匹配基尼系数为0.4687,属于匹配较差。随时间推移,黑龙江省农业水土资源匹配基尼系数具有明显先增后降趋势,2008年达到最大值0.5307,随后减小。研究结果对保障区域粮食生产和提高农业水土资源利用效率具有重要理论意义和实践价值。