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。

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。

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。

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。

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。

基于熵权TOPSIS的新疆农业水土资源承载力时空动态分析

农业水土资源是农业生产活动不可或缺的基础,为客观分析区域农业水土资源承载能力,本文构建了包含农业水土资源、社会、经济、生态系统的农业水土资源承载力评价指标体系,运用熵权TOPSIS模型,对新疆14个地(州、市)2010-2021年农业水土资源承载力进行时空分析。结果显示,新疆农业水土资源承载力与经济发展水平、水土资源利用效率和自然禀赋存在关联;新疆农业水土资源承载力总体上呈上升趋势,变化速率为0.0287,其中,乌鲁木齐市的承载力呈现出显著的上升趋势,而克孜勒苏柯尔克孜自治州(以下简称“克州”)的承载力则表现出明显的降低趋势,变化速率分别为0.0333和-0.0095;从空间分布上看,新疆的农业水土资源承载力呈现出北疆高、南疆低的特点,在研究期间,南疆的农业水土资源承载力逐渐降低,而北疆则逐渐上升。研究结果可为新疆农业水土资源可持续利用提供参考。

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。

中国东北地区农业水土资源匹配格局

水土资源匹配系数(Ri),是指表征特定区域农业生产可供水资源与耕地资源在时空上适宜匹配的量比关系。依据东北地区1997-2002年土地利用、水资源和人口数据,从水土资源总量及其匹配的动态分析入手,构建了农业水土资源匹配分析模型。模拟分析表明:东北地区农业水土资源匹配欠佳且区内差异较大,占全国16．68％的耕地面积仅拥有占全国4．01％的水资源量,水土匹配系数为1．153,低于全同平均水平(1．441)。根据市域尺度Ri值的差异性,将东北农业水土资源的匹配程度划分为匹配较优、良好、一般、较差和极差等5个等级。区域水利工程建设,是增强水土资源匹配程度的根本途径,东北农田水利重在“北水南调”等大型骨干工程与中小水利工程的配套建设,重视发展井渠结合、节水高效的现代灌溉农业。

河南省水土资源匹配特征及均衡性分析

河南省作为传统的农业大省,是我国粮食主产区之一,其水资源情势复杂,开展水土资源匹配研究对保障河南省农业粮食生产具有积极的作用。基于区域水资源与耕地资源的匹配组合,计算了2000—2014年全省及地市尺度的水土匹配系数,绘制了水土资源的洛伦茨曲线,并据此计算其基尼系数,以综合反映河南省水土资源匹配的不均衡程度。然后,使用农业用水比例、水土匹配系数和基尼系数对比分析了河南省水土资源及其匹配状况在时间与空间分布的变化规律,研究发现河南省水资源在数量上相对短缺,部分地市水土匹配均衡状况不够理想,但总体比较均衡。最后,对河南省水土资源匹配格局的进一步优化提出建议。

基于均衡系数的广东省水资源空间均衡研究

根据2006~2018年广东省经济社会指标和水资源及其利用数据,通过构建水资源负载指数、水土资源匹配系数、水资源效益指数测算模型,采用基尼系数和协调发展度的均衡系数法对水资源空间均衡进行研究。研究表明,2018年广东省水资源负载指数为4.0,等级为Ⅲ级,属于开发利用程度中等,各市水资源负载差距悬殊,其基尼系数达到0.79;表现为经济总量大、人口密集、水资源条件相对不足的地区,开发利用程度高,潜力小。全省水资源负载指数呈现逐年增加趋势,其基尼系数处于0.7~0.8之间。2018年,全省水土资源匹配系数为8.3,基尼系数为0.69,说明各市水土资源匹配程度空间分布较为悬殊;全省单方水产生GDP产值为240元,基尼系数为0.47,用水效益最大的地市是最小的22倍。2006~2018年全省水资源空间均衡系数均值为0.79,表明广东省水资源空间均衡等级为Ⅳ级,属于中度失衡。

四川农业水资源开发利用研究

采用广义的水资源概念 ,分析了四川省农业水资源的数量、质量和区域分布特征。四川农业水资源量为4113.9× 10 8m3,占全省水资源总量的 72 .0 9%。土壤水资源是本省农业水资源的重要来源 ,为后者的 38.0 7%。其中 ,耕地、林地和牧草地的土壤水资源量分别为 5 0 6 .8× 10 8m3、6 36 .1× 10 8m3和 42 3.4× 10 8m3。四川农业水资源利用中存在的问题是生态环境恶化、水利设施不足和利用效益偏低。针对这些存在问题 ,提出优化配置农业水资源、兴修水利工程。

荒漠绿洲边缘土地合理利用与沙产业发展技术体系研究——以民勤绿洲为例

通过水土资源现状的分析评价,发现2005年民勤绿洲粮经草比例为36.94∶45.16∶17.90,与1991年相比,土地利用格局正向粮经草比例优化和农林牧协调方向发展;民勤绿洲土地资源的限制性因素主要为水分、土质、盐碱和肥力;对水资源现状分析发现民勤绿洲年缺水量达3.921 8亿m3。根据民勤绿洲自然条件和沙产业发展的理论要求,引进并筛选出适宜民勤绿洲边缘栽培的"中苜1号"、"兰热莱恩德"、"苜蓿54"、"德宝"4个紫花苜蓿品种和乌拉尔甘草、中麻黄、沙葱等优良、节水、抗旱的植物种和品种;提出了民勤绿洲边缘土地合理利用和沙产业的发展方向——节水农业和生态产业,主要包括通过合理的林草、林药间作和草田轮作制度,提高水土资源利用率和光能利用率;培育并发展苜蓿、麻黄、甘草、葡萄、马铃薯、棉花、舍饲肉羊等多种形式的荒漠生态产业。通过这些措施的实施,在民勤绿洲及其边缘地区建立"土壤-环境系统,植物-品种系统,节水栽培及产业化发展的技术措施系统"相互耦合的沙产业技术体系,逐步形成粮经草1∶1∶1的土地利用格局,促进民勤绿洲生态经济型沙产业的可持续发展。

作物主动汲水技术内涵与研究进展

持续创新农田灌溉技术,有利于应对农业水资源短缺、耕地资源不足,也是确保中国粮食安全的重要技术基础。该研究提出了“作物主动汲水”(Crop Initiate Drawing Water,CIDW)概念,并分析其得以实现的基本条件是土壤水非饱和性、外界水水势始终小于大气压、外界水和作物根系的距离有效性、高效的水势能差转化界面。综合文献划分出了压力势差(Pressure Potential Difference,P-CIDW)、渗透势差(Osmotic Potential Difference,O-CIDW)和重力势差作物主动汲水(Gravitational Potential Difference,G-CIDW)等3种形式的CIDW,并分析了其势能特征和基本实现途径。进一步,从硬件设备技术、作物表现、水盐运移与分布、土壤生境等几个方面,重点综述了P-CIDW的研究进展。近十多年来的研究表明,相比漫灌、沟灌、滴灌等传统灌溉技术,适宜参数的P-CIDW能够显著地提高作物产量与水分利用效率、养分吸收和肥料利用率、根际土壤酶活性和微生物多样性、水肥耦合效应,明显地影响了作物生理生化指标、土壤养分有效性和养分空间分布;土壤质地及其剖面构型显著地影响了P-CIDW下的水盐运移与分布;利用初始土壤含水率和基质势、渗水器导水率、供水压力以及时间等参数,可以半机理半经验地估测P-CIDW的累积入渗量。最后展望了CIDW研究的未来,认为,土壤水分-作物关系的基础理论急需要突破、研发高效的势能转化界面材料仍然是发展CIDW技术的关键任务、尽快制定P-CIDW技术标准、P-CIDW控压方法还需要革命性的创新。

黄河三角洲水土资源空间匹配格局探析

水土资源二者在空间上的匹配程度直接影响着区域农业的可持续发展、资源的可持续利用。本文以黄河三角洲中心城市东营市及所辖区县为研究区域,分析了该区域水土资源空间分布的差异、构建了水土资源匹配测算模型、测算了水土资源匹配系数、划分了水土资源空间匹配程度。结果表明:该区域水土资源总体呈现出"土地资源丰富,水资源缺乏"的态势;东营市水土资源匹配系数为0.19万m3/hm2,低于山东省平均水平0.30万m3/hm2,更远远低于全国平均水平1.72万m3/hm2,东营市各区县水土资源匹配系数利津县最低0.07万m3/hm2,广饶县最高0.42万m3/hm2,相差达到0.35万m3/hm2。研究区水土资源空间匹配程度总体呈现出"南高、北次之、中间低"的格局;地表水资源短缺、地下淡水资源非常有限,是导致黄河三角洲水土资源空间匹配程度差的主要限制因子。

基于DEA的四川省水土资源匹配研究

针对目前常用的水土资源匹配模型不能较好地反映四川省水土资源、农业产值分布不一致的情况,本文依据《2011年四川省水资源公报》及《四川省统计年鉴2012》中2011年四川省21个市、州水资源量、耕地面积与农业产值数据,建立了基于DEA的水土资源匹配模型,对四川省水土资源匹配状况进行分析。结果表明,基于DEA的水土资源匹配模型能较好地反映区域水土资源匹配程度与农业产值的关系,2011年四川省东部区域水土资源匹配优于西部区域,成都、自贡、遂宁、内江为四川省内水土资源匹配程度最优的4市,其他17市、州应分别从技术、规模两方面进行优化。

水土匹配、空间效应及区域农业经济增长——基于中国2003-2013的经验分析

水资源和土地资源是非常重要的自然资源,是农业经济发展不可或缺的物质要素。水资源与土地资源的合理匹配能够促进区域的资源优势转化为经济增长,从而促进区域农业经济发展。我国是一个人口众多的农业大国,同时也存在水资源与土地资源短缺的问题。本文结合我国农业水土资源自然禀赋与实际利用情况,首先利用中国2003-2013年的分省数据,选取单位耕地面积的广义农业水资源量测度方法和当量系数描述了我国农业水土资源匹配的现实,发现我国农业水资源与土地资源在空间上匹配程度不高,农业生产受到水土资源约束较强,农业水土资源的形成区域与消耗区域在空间上不相匹配;然后,在邻接权重矩阵下采用Moran’s I指数验证我国区域农业经济增长的空间关联性,结果显示我国各省农业经济增长存在显著的空间关系,呈现出高度的集聚性和非均质性。为避免估计结果有偏,本文在此基础上采用空间计量建模及估计方法,加入农业生产人、财、物等控制变量,测度水土匹配度对区域农业经济增长的空间溢出效应。结果显示,水土匹配度对区域农业经济发展的区域内和区域间的溢出效应都显著为正,总体上水土匹配度对区域农业经济发展具有正向的溢出效应,即水土匹配度对本地区农业经济增长具有促进作用;同时,由于相邻区域的水土资源自然禀赋条件类似,而且农业生产中存在"示范效应"和"模仿效应",水土匹配度对相邻地区农业经济增长也具有一定的促进作用。因此,采取相关措施优化农业水土资源匹配关系,对促进我国区域农业经济增长,保障我国粮食安全非常重要。