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基于3S技术的祖厉河流域集水农业潜力研究

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1.序论

2基于GIS的祖历河流域地貌特征与水文地表分析

3.祖厉河流域降水资源空间分布及其时空变化规律的GIS模拟分析

4.祖厉河流域地表径流模拟和集水量估算

5.祖厉河流域农业生产力空间分布及粮食承载力变化敏感性分析

6.祖厉河流域农业生态系统空间异质性和影响因子空间相关性分析

7.祖厉河流域集水农业发展潜力和粮食增产效果研究

8.结论、问题和展望

致谢

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摘要

祖厉河流域位于黄土高原中西部，地处大陆腹地，干旱少雨，人口密集、旱作农业生产力低下，水土流失是主要生态问题。而水资源不足是限制土地生产力提高和引起一系列生态问题的根本原因。在地表水和地下水缺乏的情况下，充分利用有限的降水资源是现阶段解决水资源短缺最为有效的途径。通过对降水人工干预下的时空调配和叠加，实现作物有限补溉，变被动抗旱为主动抗旱，改善作物水分状况、提高水分利用率，进而提高土地生产力，通过对种植业结构和产业结构的调整，实现生态系统的良性循环，并改善区域生态环境，这就是集水生态农业的目的。本研究在这一思想指导下，运用GIS(地理信息系统)、RS(遥感)和GPS(全球定位系统)技术，开展中尺度流域的集水农业潜力估算和增产效果预测分析，有助于我们从宏观尺度上把握集水农业发展的空间插值模型对流域多年平均降水量、月平均降水量进行空间模拟，并对流域降水量和作物水分亏缺的空间、时间变异特征进行分析；利用SCS降水—产流模型模拟流域产流量空间分布，估算了流域集水总量、可利用集水量和集水农业发展规模，并对集水农业背景下区域粮食承载力时空敏感性变化分析，为集水农业的进一步发展提供科学依据；利用GIS的空间数据统计和分析功能，借助SPSS统计分析工具，对流域社会经济和生态因素之间的相关性进行分析，为流域生态环境演变的社会经济驱动力提供了量化的解释。 社会经济和生态因素的空间相关性分析表明，流域垦殖率与沟壑密度、坡度、人口密度呈显著正相关，与粮食单产呈显著负相关，揭示了流域以增加土地垦殖率来满足人口增长对粮食需求的粗放经济形式，高垦殖率是这一小流域水土流失的主要根源。通过空间分析，直接为粮食生产与垦荒之间的恶性循环提供了数量化的解释。这种现象在旱作农业区更加明显，表现在垦殖率与旱地粮食单产呈显著的负相关(Pearson相关性为-0.446，P=0.001)，且旱地的比例越大，垦殖率越大，而垦殖率与全流域平均粮食产量(包括水浇地)相关性不显著(Pearson相关性为0.074，P=0.600)。提高粮食单产，是降低垦殖率、减轻土地压力、改善生态环境的切入点，其关键就是提高降水利用效率，这也正是集水农业之目的。 祖厉河流域多年(1960～2000年)平均降水量在301～499mm之间，在空间分布上，由南向北逐渐减少。小麦生育期降水量空间变化在110～250mm之间，与理论需水量相比，水分亏缺在135.9～266.1mm之间，降水的满足率只有19.2～51.61％；玉米和马铃薯生育期降水量为173.4～406.9mm，玉米水分亏缺在47.7～197.7mm之间，生育期降水满足率为40.1～94.2％，马铃薯水分亏缺在41.7～183.4mm之间，生育期降水满足率为41.5～97.4％。相比之下小麦的水分亏缺量最大，玉米次之，马铃薯最小。空间分布上以流域北部水分亏缺最严重，向南逐渐减轻，但对三种作物，全流域均呈现亏缺状态。 利用GIS空间插值获得了流域粮食单产的空间分布数据。分析表明，流域内旱作农业多年平均粮食单产低而不稳，在流域空间上的变动范围为630.1～1231.5kg/hm2；水浇地产量较高且比较稳定，空间变动范围在4305～5625kg/hm2之间。地理统计结果表明，全流域粮食产量合计为4.17亿kg，人均443.02kg/人。流域人均粮食产量空间分布极不均衡，南部和中部旱作农业区人均粮食产量普遍较低，大部分乡镇人均粮食产量在136.7～419.4kg/人之间，而北部和南部的灌溉农业区人均产量普遍较高，大部分乡镇人均产量在419.5～1169.5kg/人之间。 流域粮食产量的人口承载力空间敏感性分析表明，南部的旱作农业区粮食产量低、人口密度较大，对粮食的供需变化较敏感，许多乡镇随着未来人口逐年增长或粮食需求量提高，容易出现粮食亏缺现象，且亏缺的乡镇数量和绝对缺粮人口数量，随着人口逐年增长或粮食需求水平的提高而不断增加。北部由于灌区占比例大，粮食产量较高且人口密度较小，在2000年到2030年的30年间，随着人口的增长或粮食需求量的提高，大部分乡镇始终未出现粮食亏缺现象，少部分出现亏缺的乡镇也主要是旱作农业占比例较大的乡镇。以现有的粮食生产力水平，到2020年，目前的粮食生产力水平已难以满足年人均400kg的粮食需求量，到2030年甚至不能满足年人均357kg的粮食需求量。也就是说，以目前的粮食生产力水平，不能同时满足流域人口数量和粮食需求水平同时增长的需要。 利用SCS降水—径流模型对降水产流进行了模拟。流域多年平均径流深的空间变化范围为9.6～49.6mm，径流系数在0.029～0.102之间。全流域年平均径流总量为2.1亿m3，占总降水量的5.45％，假设以农田承接的径流量为可利用集水量，则全流域可利用集水量合计为0.82亿m3，占流域径流总量的38.2％。我们通过将流域旱地总面积和计算获得的可利用集水总量作为约束条件，对流域最佳补灌量进行估算，获得流域最佳补灌量为300m3/hm2，这时对整个流域而言粮食增加量将达到最大值。在最佳补灌量下，流域可发展集水型农业的耕地面积为28.65万hm2(429.69万亩)，占流域总旱地面积的76.9％，可使流域粮食总产量达到5.16亿kg，与现有粮食产量相比，可增加23.58％，至2030年流域粮食产量仍能满足460kg的人均粮食需求量水平，粮食不成为约束条件。如果以2020年为标准，根据400kg/人的人均年粮食需求量水平估算，届时流域粮食人口承载力为128.94人，而实际人口将为106.2万人，粮食产量完全可以满足人口增长的需要，且仍有22.74万人的人口增长空间。这时盈余粮食总量为9，096万kg，如果将生产这部分粮食的旱地用于发展林、牧业和生态建设，全流域可余出的旱地面积为8.94万hm2。

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