耕地资源变化对区域水土资源平衡效应研究

摘要

水资源作为区域农业土地利用的瓶颈因素，其数量的多寡影响着土地利用结构的合理程度，由于水资源不合理利用而导致的挤占、短缺和区域性结构破坏等土地资源非持续利用问题已严重制约着地区的经济发展和粮食的生产安全。挠力河流域作为三江平原土地开发历史最早的流域，是新中国成立以来最重要的垦区之一，90年代初期以来当地农业结构的调整促使大量易涝旱地转变为水田，由此带来的农业灌溉用水的急剧增加造成地下水位持续下降并引起一系列次生生态环境问题，如何在合理利用当地水资源条件下协调布局农业生产、保护流域生态环境成为亟待解决的问题，针对水、土资源二者的利用方式、强度和耦合关系的研究将有助于当地土地资源的可持续利用和生态环境的有效保护。
　　本研究是关于区域耕地可持续利用的一项基础性工作，基于水、土二者资源之间内在平衡理论依据，以90年代初当地农业结构调整作为时间切入点，利用遥感数据、长时间序列气象数据和DEM数据等基本数据源，基于遥感和地理信息系统技术，分析23a间挠力河流域土地利用时空变化，依据水分平衡原理估算和分析田间需水量和陆面实际蒸散量，以此为基础构建水分盈亏程度指数模型，从早改水角度出发探讨1990-2013年间流域耕地变化下的水土资源平衡效应问题，并运用CA-Markov模型模拟未来土地利用变化情况，对流域耕地未来水分盈亏态势进行预测和分析，以期为流域农业经济的可持续发展提供科学依据和决策支持。主要结论如下:
　　(1)人类大规模的农业开发活动导致流域土地利用变化剧烈。1990年，旱地、水田和林地面积比例之和超过88％;至2013年，水田面积比例上升至24.38％，旱地变为43.12％，林地下降至27.99％，未利用地下降7.22个百分点，为1.30％，建设用地由1990年的1.83％上升至2.13％，水域用地基本保持不变，草地面积变为0.09×102km2。
　　(2)挠力河流域土地利用变化以耕地的内部和外部转换为主。早地→水田、未利用地→旱地、林地→早地和水田→旱地面积之和占土地转换总面积的86.48％;流域综合土地利用变化度0.70％，单一土地利用变化度介于-0.04～7.52％之间，水田化现象是最主要的景观变化类型;20多年间流域土地利用综合指数整体呈现明显的上涨趋势，其变化率为7.56％，变化指数由1990年的251.46上升至2013年270.48，土地开发利用程度不断加大。
　　(3)流域水田旱地分布时空变化极为剧烈，其中水田面积增加34.00×102km2，旱地面积轻微下降至2013年的94.90×102km2;共有34.66×102km2的旱地转化为水田，转化贡献率84.60％，其次为未利用地，达13.76％;耕地的变化以内部转化为主，共有6.95×102km2的水田转为旱地，旱地的转出中有95.51％转为水田;旱地→水田主要发生在挠力河下游北岸地区、内外七星河流域和干流中游的东岸部分地区，变化极其剧烈，水田→旱地主要零星分布于流域的南部地区。
　　(4)流域旱改水前后农田需水量呈现上升态势，由1990年的541mm上升至2013年的581.82mm，变化主要集中于流域西北部和中部地区;参考作物蒸散量空间格局表现为从流域的东北部向西南部不规则状递增;年实际蒸散量区间为438～587 mm，整体表现出“中间低，两头高”的分布特征。
　　(5)1990-2013年间耕地水分盈亏程度变化明显，盈亏指数评价等级空间分布差异较大，除严重缺水耕地面积少量增加外，其余四种评价等级耕地变化强烈，其中正常缺水耕地的面积比例下降22.06％，其余三种评价等级耕地都出现较大面积的增加，可见整体而言挠力河流域旱地大量转变为水田的农业结构调整加剧了流域水分亏缺态势。
　　(6) CA-Markov模型模拟显示流域Kappa系数为0.82，预测结果可信;2013-2025年流域土地利用类型变化趋势和速率较1990-2013年存在差异，林地变化幅度最大，水田面积仍然保持增长，但增长速度有所下降，单一动态度降为2％，早地面积基本保持不变;未来12a土地利用程度指数持续上升，流域受人类社会因素扰动作用的强度将会进一步加大;
　　(7)2025年流域耕地水分亏缺程度将进一步加剧。正常缺水和轻度缺水仍然是该区域主要耕地类型，但重度缺水地区明显大量增加，高MPLD指数地区分布更加集中，局部高水分亏缺地区面积会进一步扩大。倘若不采取有效的耕地保护与布局控制措施，未来十几年内挠力河流域耕地水资源利用问题会更加严峻。
　　本研究为流域农业经济的可持续发展提供科学依据和决策支持，为当地农业部门农田灌溉方案的制定、耕地空间优化布局提供借鉴和参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

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 研究目的及意义

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 研究内容、重点难点和创新点

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究重点和难点

1．4．3 研究创新点

1．5 技术路线和拟解决关键问题

2 研究理论基础

2．1 概念界定

2．1．1 蒸腾、蒸散和蒸发

2．1．2 参考作物蒸散量

2．1．3 陆面实际蒸散

2．2 相关理论

2．2．1 可持续发展理论

2．2．2 水土资源系统作用机制

2．2．3 水土资源耦合

3 研究区概况及数据准备

3．1 研究区概况

3．1．1 地理位置及行政隶属

3．1．2 自然环境概况

3．1．3 经济社会概况

3．2 研究对象及时间尺度确定

3．3 挠力河流域背景数据库建立

3．3．1 遥感影像资料数据来源及解译

3．3．2 基础地理空间数据

3．3．3 气象数据

3．3．4 水文数据

3．3．5 其他资料数据

4 挠力河流域土地利用格局变化过程

4．1 流域土地利用／覆盖变化分析

4．1．1 研究方法

4．1．2 1990a以来挠力河流土地利用概况

4．1．3 挠力河流域土地利用转移变化分析

4．1．4 挠力河流域土地利用综合程度分析

4．2 流域旱地水田化时空动态分析

4．2．1 研究方法

4．2．2 耕地分布特征分析

4．2．3 旱地水田转换分析

5 挠力河流域耕地变化下水土资源平衡效应

5．1 农田需水量估算

5．1．1 农田需水量估算

5．1．2 农田需水量分析

5．2 实际蒸散量估算

5．2．1 ET估算理论

5．2．2 参考作物蒸散量

5．2．3 陆面实际蒸散量

5．2．4 蒸散量分析

5．3 耕地变化下水土资源平衡效应分析

5．3．1 水分亏缺指数模型的构建

5．3．2 水土资源水分盈亏时空分析

6 挠力河流域耕地变化及未来水分盈亏程度模拟

6．1 基于CA-Markov模型的流域土地利用动态模拟

6．1．1 研究方法

6．1．2 预测精度检验

6．1．3 模拟结果分析

6．2 流域未来水分盈亏程度预测及分析

7 讨论、结论与展望

7．1 讨论

7．2 结论

7．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文