松嫩平原北部黑土区水土资源平衡效应研究

摘要

东北黑土区是我国重要的粮食生产基地，但由于人们不合理的利用土地资源，造成湿地和林地的面积大幅度减少，旱地和水田的面积不断增加，致使区域内需水量不断地增加，区域内作物水分亏缺情况不断加剧。松嫩平原北部地处干旱半干旱区域，水资源是限制区域农业发展的关键因素，不合理的利用土地资源，造成区域内水资源与土地资源严重不匹配，制约着区域内经济的可持续发展和粮食的生产安全。此外，松嫩平原北部黑土区位于小兴安岭和松嫩平原的过渡地带，由于受到小兴安岭余脉背风坡的影响，使这里成为黑龙江省降雨量最少的区域之一，且松嫩平原的降雨量主要分布于7～8月份，约占全年降雨量的70％左右，导致区域内季节性的旱涝灾害频发，素有“十年九春旱”之称。因此理清松嫩平原北部黑土区不同生长时间段内的水分盈亏情况，对于保障区域内的粮食生产安全、保护区域内的生态环境和黑土区土地的可持续利用具有重要的意义。 基于此，本研究以松嫩平原北部黑土区为研究区域，以1985年、1995年、2005年和2015年为时间点，通过收集研究区域范围内的长时间序列气象资料、水文资料、土地利用资料和土壤属性资料等数据，在Budyko水热耦合平衡理论的基础上，通过利用研究区域的数据重新进行参数ω方程的拟合，最终获得符合本研究区域参数ω的拟合方程，以此进行参数ω的计算以及实际蒸散量的计算，这样更易体现不同土地利用状况、地貌特征和土壤属性条件下的实际蒸散量，从而较为准确的进行水土平衡效应评价，分析土地利用变化和气候因子变化条件下的水分盈亏态势，以期为松嫩平原北部黑土区水土资源合理利用、农业资源高效利用、以及为区域经济可持续发展提供借鉴和参考。 (1)松嫩平原北部黑土区近30年来土地利用主要以旱地为主，湿地和林地面积在逐年减少，旱地、水田和建设用地的面积逐渐增加。就变化幅度来看，湿地变化幅度最大，其减少面积为1737.9 km2;早地面积增加幅度次之，其增加面积为1412.5 km2;水田和林地面积变化的幅度相当，其中水田增加了351.8 km2，林地减少了305.9 km2;对于建设用地而言30年来变化幅度并不是非常的明显，其增加面积为94.4 km2。 (2)近30年来松嫩平原北部多年生长日期内的平均潜在蒸散量在432.8～605.8 mm之间，其分布呈现自区域西南向东北潜在蒸散量逐渐减少;研究区域潜在蒸散量的变化趋势表现为由中部向南北逐渐的增强，全区域范围内的变化趋势为-0.51 mm a-1，生长周期内各个月份的变化趋势分别为-0.27 mm a-1、-0.16 mm a-1、-0.09 mm a-1、-0.03 mm a-1和0.02 mm a-1;温度以0.3℃/10a逐年增加;降雨量未表现明显的变化趋势，但是降雨量上下波动越来越明显。 (3)根据研究区域的实际情况，依据拟合参数ω值求得的实际蒸散量可以有效的反映可以有效的反映土地利用状况、地貌特征和土壤属性，这样可以很大的提高计算实际蒸散量的精确度。从实际蒸散量的整体变化情况来看，空间上松嫩平原北部实际蒸散量的分布大致为从西北向南逐渐增加;时间上实际蒸散量表现为先下降后升高，总体呈上升的趋势。 (4)从水土资源平衡效应来看，1985～2015年30年间水分亏缺态势受气候变化的影响巨大，1980～2009年水分亏缺率逐渐增加，水分亏缺地区也明显的增加，2010～2015年水分亏缺率降低;同时由于水田和早地面积的增加，湿地和林地面积的大量减少，加剧了松嫩平原北部的水分亏缺态势。总体来看，1985-2015年间总体的水分亏缺率均值分别是0.25、0.2、0.31和0.13，由此可以看出松嫩平原北部水分亏缺态势总体处于上下波动的状态，对于2011-2015年间水分亏缺态势的值小，可能是由于近几年研究区域的降雨量等气候条件比较充沛而引起的。 (5)从月尺度上来看，松嫩平原北部水分亏缺程度严重的月份主要是5月份和6月份，较为严重的月份为8、9月份，且由于水田和旱地的面积不断的增加，尤其是对于水田来说，其5、6月份水田需水量明显大于湿地、林地需水量，这样加剧了5、6月份的水分亏缺程度。 (6)从年变化趋势来看，由于受气候因子的影响，5月份、6月份和7月份的水分盈亏情况处于上下波动的形式且呈现下降趋势，但水分亏缺情况波动幅度增大，表明当5～7月份发生缺水时，水分亏缺程度的发生强度并未降低;而对于8月份和9月份其水分亏缺情况呈现上下波动且上升的趋势，其水分亏缺情况波动幅度减弱，表明8、9月份出现水分亏缺的概率变大，且表现比较稳定;由于受土地利用变化的影响，生长日期内各个月份水分亏缺程度均呈增长的趋势，表现比较明显的为5、6月份。 本研究意在分析土地利用和气候因子变化下，作物生长日期内作物的水分盈亏情况，为区域土地利用的提供借鉴和参考，促进区域农业经济的可持续发展。

目录

声明

摘要

1 前言

1．1 背景

1．1．1 国情背景

1．1．2 区域背景

1．1．3 研究背景

1．2 研究目的和意义

1．2．1 研究目的

1．2．2 研究意义

1．3 国内外研究动态

1．3．1 作物需水量

1．3．2 蒸散发

1．3．3 水土资源平衡

1．4 研究的主要内容、重点难点及创新点

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究的重点、难点及创新点

1．4．3 技术路线

2 概念界定与理论基础

2．1 相关概念界定

2．1．1 蒸发、蒸腾和蒸散概念的辨析

2．1．2 参考作物蒸散量

2．1．3 陆面实际蒸散

2．1．4 水土资源耦合

2．2 研究理论基础

2．2．1 可持续发展理论

2．2．2 水土资源系统作用机制

3 研究区概况与数据来源

3．1 研究区概况

3．1．1 地理环境

3．1．2 自然资源概况

3．1．3 社会经济概况

3．2 松嫩平原北部黑土区数据库建立

3．2．1 土地利用类型数据库的建立

3．2．2 长时间序列气象数据库的建立

3．2．3 土壤属性数据库的建立

3．2．4 水文资料数据库

4 松嫩平原北部土地利用和气候因子变化过程

4．1 土地利用／覆盖变化分析

4．1．1 研究方法

4．1．2 1985年至2015年土地利用变化情况

4．1．3 1985年至2015年土地利用变化程度分析

4．2 气候因子变化

4．2．1 研究方法

4．2．2 潜在蒸散量估算

4．2．3 气候因子变化规律研究

5 松嫩平原北部黑土区水土资源平衡效应

5．1 作物需水量估算

5．1．1 作物需水量估算

5．1．2 作物需水量分析

5．2 实际蒸散量模型

5．2．1 实际蒸散量估算方法

5．2．2 参数ω估计

5．2．3 实际蒸散量时空分布特征

5．3 松嫩平原北部黑土区水土资源平衡效应分析

5．3．1 水分盈亏评价模型

5．3．2 土地利用变化的水土资源平衡效应

6 土地利用变化下月水土平衡效应分析

6．1 作物实际蒸散量估算

6．2 松嫩平原北部黑土区月水土平衡时空分布特征

6．2．1 各个月份水土平衡效应空间分布特点

6．2．2 土地利用变化条件下月水土平衡效应分析

6．2．3 生长日期内各月水分亏缺指数变化趋势特征

7 结论与讨论

7．1 主要结论

7．2 讨论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文