基于水足迹的河西地区农作物需水变化影响因素及水资源优化配置研究

发布时间：2020-10-22 08:29

　　 河西地区作为以灌溉农业为主的区域,农业水消费占比达80%以上,农业开发是对绿洲生态系统影响最剧烈的人类活动,且存在用水效率较低,水资源浪费严重的问题,农业用水供需矛盾十分突出。气候波动、种植规模变化、作物结构调整以及工程节水措施等因素都能够从不同层面影响作物需求量。所以,本研究在水足迹的基础上,引入水资源压力指数(WSI)和作物耗水量(water deprivation)的概念,分析了1991-2013年流域尺度(石羊河流域、黑河流域、疏勒河流域)10种主要农作物春小麦、玉米、薯类(马铃薯)、棉花、胡麻、油菜、蔬菜、瓜类、苹果、葡萄的蒸散量(ET_C)、作物耗水量和灰水需求量的时间序列变化特征,在此基础上,重点研究了气候要素(作物生长期内的降水P、风速W、相对湿度R、最低气温T_(min)、最高气温T_(max)、平均气温T_(ave)、日照时数S)和社会经济要素(农业经济发展、人口数量、种植结构调整、用水强度、产业结构调整)对农作物需水量(耗水量和灰水量)的驱动机制,最后在水足迹细分和虚拟水贸易的前提下,建立多目标优化模型,通过种植结构调整对区域水资源进行合理配置。基于本文的研究主要得出以下结论:1、作物耗水气候响应方面。(1)1991-2013年基于HP滤波法分离的各作物单位经济技术耗水量均基本符合本区域农业技术发展实际和不同作物现实发展状况,是一种科学有效的分离方法;石羊河流域油菜、葡萄、棉花、胡麻、苹果作物单位气候耗水量波动性相对较大,且所有农作物单位气候耗水量渐趋稳定;黑河流域油菜、葡萄、胡麻、苹果、棉花作物单位气候耗水量随时间的波动性较大,除春小麦和瓜类作物外,其余农作物单位气候耗水量均渐趋稳定;疏勒河流域胡麻、葡萄、棉花、苹果、薯类作物单位气候耗水量波动性均较大,薯类、棉花、胡麻、油菜、蔬菜、苹果作物单位耗水量渐趋稳定。(2)基于逐步回归分析法的气候响应结果可知:不同作物的气候驱动因子差异显著,且同种作物单位气候耗水响应机制区际差异性显著;石羊河流域多数作物单位气候耗水量变化影响因子集中在7月份平均最高气温,且表现为正向驱动作用;黑河流域多数作物单位气候耗水量变化的主要抑制要素为5-7月份降水量,促进因子为7-8月份风速;疏勒河流域多数作物单位气候耗水量气候响应因子集中在5-6月份风速和7月份降水量,且风速基本为正向驱动因素,降水为抑制因素;石羊河流域作物耗水量变化对气温变化较为敏感,在全球气候变暖的背景下,作物气候耗水量将会存在增加的趋势,不利于本区域的节水灌溉,而黑河和疏勒河流域均为降水敏感区,作物耗水量变化对全球气候变暖大趋势的响应机制尚不明朗。2、基于LMDI分解的农作物需水(耗水量和灰水量)经济技术要素驱动方面。(1)农业经济发展效应和耗水强度效应(灰水强度效应)分别是流域作物总耗水量(灰水需求量)变化以及分作物类型耗水量(灰水需求量)变化的主要增量效应和减量效应,且时间序列累积效应均分别为增量和减量效应,但不同作物、不同流域各分解效应的具体时序变化特征和累积变化量差异较大。(2)作物总耗水量和总灰水量变化的各分解效应流域间差异:两种需水变化的农业经济效应在各流域均呈现上升趋势;各流域人口效应对两种需水量变化的影响方向均不稳定,均为贡献率绝对值最小的因素;耗水强度效应和灰水强度效应是贡献率最大的抑制效应,其中石羊河流域两种水资源强度效应阶段性变化差异显著;各流域作物结构调整效应多数年份对两种需水量变化均表现为减量效应,是仅次于水资源强度效应的抑制效应,且耗水量变化的种植结构调整效应影响方向均较灰水量的稳定;各流域产业结构效应对两种需水量的影响方向均不稳定,其中疏勒河流域两种需水量变化的产业结构累积效应均为抑制效应,其他流域累积效应表现为促进效应。(3)耗水量变化各分解效应作物间差异:石羊河流域玉米、薯类、棉花、蔬菜、葡萄作物耗水变化的农业经济效应均呈上升趋势,其余农作物均不存在趋势性;主要作物耗水量变化的人口效应均呈下降趋势,除春小麦外,其他作物人口效应累积均为抑制效应;主要作物耗水变化的产业结构效应累积均为增量效应,其中胡麻作物存在下降趋势,其余作物不存在趋势性;种植结构调整效应不同作物间差异较大,其中春小麦、胡麻、油菜作物累积为抑制效应,其余作物累计为促进效应,且胡麻、葡萄作物种植结构调整效应存在上升趋势,油菜作物呈下降趋势;小麦、胡麻、葡萄作物的耗水强度效应呈上升趋势,玉米作物呈下降趋势。黑河流域薯类、蔬菜及葡萄作物耗水变化的农业经济效应均存在上升趋势,其余作物不存在趋势性;棉花、胡麻、油菜、蔬菜作物耗水强度效应的影响方向不稳定,其余作物基本稳定为抑制效应,其中春小麦、油菜作物表现出上升趋势,葡萄、蔬菜作物呈下降趋势;薯类、蔬菜、苹果、葡萄作物耗水变化的种植结构调整效应累积为促进效应,剩余作物累计为抑制效应,且春小麦和棉花作物结构调整效应存在下降趋势,葡萄作物则存在上升趋势;主要农作物耗水变化的人口效应累积均为抑制效应,且均不存在趋势性;除棉花作物外,产业结构效应累积均为促进效应,且均不存在趋势性。疏勒河流域葡萄作物耗水变化的农业经济效应呈上升趋势,其余作物不存在趋势性;春小麦、玉米作物耗水强度效应存在上升趋势,瓜类作物则呈下降趋势;除蔬菜、瓜类、葡萄作物外,其他作物种植结构调整效应累积均为抑制效应,且薯类、棉花作物种植结构调整效应存在下降趋势,瓜类、葡萄作物表现为上升趋势;不同作物耗水变化的人口效应及产业结构效应累积均显示为促进效应,且均不存在趋势性。(4)灰水需求变化各分解效应作物间差异:石羊河流域春小麦、薯类、油料、瓜类、苹果作物灰水变化的人口效应在研究期内均呈下降趋势,其余作物不存在趋势性,其中薯类、棉花、葡萄作物人口效应累积为减量效应;玉米、薯类、棉花、胡麻、蔬菜、葡萄作物农业经济效应均存在上升趋势,其余作物不存在趋势性;胡麻、葡萄作物种植结构调整效应呈上升趋势,油料作物呈下降趋势,其中春小麦、油菜作物累积为增量效应;作物产业结构效应趋势性均不明显,但累积均表现为增量效应;棉花作物灰水强度效应均呈下降趋势,胡麻、蔬菜、苹果、葡萄作物呈上升趋势;春小麦、油菜作物累积总效应均为为抑制效应,且春小麦、油菜、苹果作物灰水总效应呈现明显的下降趋势,玉米、胡麻、葡萄作物均呈上升趋势。黑河流域作物灰水需求变化的人口效应均不存在趋势性,且累积均为减量效应;玉米、薯类、棉花、蔬菜、葡萄作物农业经济效应呈上升趋势,其余作物不存在趋势性;除葡萄作物种植结构调整效应存在上升趋势外,其余作物均不存在趋势性,其中,春小麦、玉米、胡麻、油菜、瓜类作物累计为抑制效应;春小麦作物灰水强度效应呈上升趋势,蔬菜、葡萄作物表现为下降趋势;除棉花作物外,其余作物产业结构效应累积均为增量效应,且作物均不存在趋势性;主要农作物灰水总效应变化特征差异较大,其中棉花和苹果作物灰水变化的总效应呈下降趋势,小麦、玉米、薯类作物呈上升趋势。疏勒河流域主要农作物灰水变化的人口效应均呈上升趋势,累计效应均为增量效应;薯类、棉花、蔬菜、瓜类和葡萄作物农业经济效应均表现为上升趋势,剩余农作物不存在趋势性;不同作物种植结构调整效应累积均为减量效应,其中薯类、棉花作物种植结构调整效应呈下降趋势,瓜类、葡萄作物呈上升趋势;瓜类、葡萄作物灰水强度效应呈下降趋势,小麦、玉米作物表现出上升趋势;薯类、蔬菜、瓜类、葡萄作物产业结构调整效应均呈上升趋势,其余作物不存在趋势性;主要作物总效应的影响方向波动均较大,其中春小麦、玉米、胡麻、苹果作物总效应多数年份显示为抑制效应,所有农作物灰水变化且春小麦、玉米、蔬菜、瓜类、葡萄作物呈上升趋势,其余作物不存在趋势性。3、基于水足迹细分的水资源优化配置方面。通过压缩粮食作物种植面积,以虚拟水贸易的方式来满足粮食需求,在两种情景下河西地区分别节约了2.38×10~8m~3、4.8×10~8m~3水资源,虚拟水贸易是科学解决区域水资源短缺、提高水资源使用效率的有效途径;通过进口粮食作物,增加经济作物种植面积的方式可以提高水资源的综合效益,但因为经济作物,尤其是瓜果类作物的灰水需求量相对较大,所以过度增加此类作物种植面积的生态效益并不理想,有待进一步提高经济作物的化肥利用率;在保持现有总种植面积的前提下,进行作物结构调整,河西地区应该在压缩粮食种植面积的同时,提高蔬菜、油料、棉花、薯类作物的种植面积,尤其是大幅度增加蔬菜作物的种植面积;优化后各流域间作物类型差异增大,区际贸易将更加频繁。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：S27
【文章目录】：
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 选题背景与意义
        1.1.1 区域脆弱的生态与水环境
        1.1.2 问题提出
        1.1.3 研究目的及意义
    1.2 研究内容
    1.3 研究方法和技术路线
        1.3.1 研究方法
        1.3.2 技术路线
第二章 综述
    2.1 水足迹研究综述
        2.1.1 水足迹概述
        2.1.2 水足迹内容研究
        2.1.3 区域水足迹国内外研究进展
    2.2 水资源利用影响评价研究进展
    2.3 农业需水研究进展
        2.3.1 农业需水气候响应研究
        2.3.2 种植结构优化研究
第三章 基于水足迹的分流域分作物各类需水量时间序列变化与分析
    3.1 研究区概况
        3.1.1 河西地区
        3.1.2 石羊河流域
        3.1.3 黑河流域
        3.1.4 疏勒河流域
    3.2 水足迹核算方法
        3.2.1 作物绿水与蓝水计算
        3.2.2 作物灰水计算
    3.3 水资源压力指数与可比耗水量计算
    3.4 数据来源
    3.5 各流域作物潜在蒸散量（ETC）时间序列分析
        3.5.1 石羊河流域作物潜在蒸散量（ETC）时间序列分析
        3.5.2 黑河流域作物潜在蒸散量（ETC）时间序列分析
        3.5.3 疏勒河流域作物潜在蒸散量（ETC）时间序列分析
    3.6 分流域作物总耗水量时间序列变化
        3.6.1 石羊河流域分作物总耗水量时序分析
        3.6.2 黑河流域分作物总耗水量时序分析
        3.6.3 疏勒河流域分作物总耗水量时序分析
    3.7 分流域作物总灰水需求量时间序列分析
        3.7.1 石羊河流域作物总灰水需求量时间序列分析
        3.7.2 黑河流域作物总灰水需求量时间序列分析
        3.7.3 疏勒河流域作物总灰水需求量时间序列分析
    3.8 分流域分作物单位耗水量与单位灰水量时间序列对比分析
    3.9 本章小结
第四章 河西地区主要农作物耗水量分离与气候响应
    4.1 气候耗水量分离方法
        4.1.1 线性调合滑动平均数法
        4.1.2 滑动直线平均数法
        4.1.3 HP滤波法
    4.2 基于HP滤波的单位作物气候耗水量与经济技术耗水量时间序列变化
        4.2.1 石羊河流域单位作物气候耗水量与经济技术耗水量时序分析
        4.2.2 黑河流域单位作物气候耗水量与经济技术耗水量时序分析
        4.2.3 疏勒河流域单位作物气候耗水量与经济技术耗水量时序分析
    4.3 气候响应分析方法
        4.3.1 斯皮尔曼等级相关分析法
        4.3.2 逐步回归法
    4.4 单位作物耗水量气候响应结果分析
        4.4.1 石羊河流域单位作物耗水量气候响应结果分析
        4.4.2 黑河流域单位作物耗水量气候响应结果分析
        4.4.3 疏勒河流域单位作物耗水量气候响应结果分析
    4.5 本章小结
第五章 基于LMDI分解的作物耗水量及灰水需求量变化经济技术响应研究
    5.1 数据来源
    5.2 LMDI分解方法
        5.2.1 Kaya恒等式扩展模型
        5.2.2 农业发展需水量（耗水量和灰水需求量）LMDI分解方法
    5.3 河西地区作物耗水量和灰水量变化分解因素时序概况
        5.3.1 农业经济发展概况
        5.3.2 作物种植结构演变
        5.3.3 作物耗水量强度演变
        5.3.4 作物灰水强度演变
    5.4 河西地区总耗水量和总灰水量变化分解效应时序差异
        5.4.1 河西地区作物总耗水量和总灰水量变化分解效应贡献率时序差异
        5.4.2 河西地区作物耗水量和灰水需求量变化分解效应累积变化时序差异
    5.5 总耗水量和总灰水量变化分解效应贡献率流域差异
        5.5.1 石羊河流域结果分析
        5.5.2 黑河流域结果分析
        5.5.3 疏勒河流域结果分析
    5.6 作物耗水量和灰水量分解效应累积变化区域差异
        5.6.1 石羊河流域作物总耗水量和总灰水量分解效应累计分析
        5.6.2 黑河流域作物总耗水量和总灰水量分解效应累计分析
        5.6.3 疏勒河流域作物总耗水量和总灰水量分解效应累计分析
    5.7 耗水量变化分解效应作物间差异
        5.7.1 石羊河流域分作物耗水量变化分解结果研究
        5.7.2 黑河流域分作物耗水量变化分解结果研究
        5.7.3 疏勒河流域分作物耗水量变化分解结果研究
    5.8 灰水需求量变化分解效应作物间差异
        5.8.1 石羊河流域分作物灰水需求量变化分解结果研究
        5.8.2 黑河流域分作物灰水需求量变化分解结果研究
        5.8.3 疏勒河流域分作物灰水需求量变化分解结果研究
    5.9 本章小结
第六章 基于水足迹的多目标种植结构优化
    6.1 作物水足迹细分计算与分析
    6.2 河西地区水资源优化模型
        6.2.1 目标函数
        6.2.2 约束条件
        6.2.3 模型求解
        6.2.4 模型求解方法
    6.3 河西地区多目标水资源优化配置模型实证分析
        6.3.1 目标函数求解条件
        6.3.2 虚拟水流与虚拟水贸易
        6.3.3 粮食作物虚拟水贸易情景模拟
        6.3.4 优化后目标值对比分析
        6.3.5 作物结构优化及水资源合理配置结果分析
        6.3.6 两种情景优化结果下的粮食贸易和虚拟水流分析
    6.4 本章小结
第七章 结论和展望
    7.1 结论
    7.2 创新尝试
    7.3 展望
参考文献
在学期间的研究成果
附录


本文编号：2851356