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《中国农业科学院》 2005年
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黄河流域节水农业关键问题的区域特征研究

邵晓梅  
【摘要】: 黄河流域对中国农业乃至整个国民经济发展具有举足轻重的作用。然而,由缺水而引起的河流断流、环境退化、水土流失等已给人们的生存环境和区域经济发展带来了严重影响,干旱缺水已成为制约这一区域农业可持续发展的重要限制因子。因此,高效利用水资源,发展现代节水农业,对黄河流域食物安全、生态安全和资源安全都具有重要的战略意义。 有鉴于此,本博士后工作以黄河流域为研究区域,以地理信息系统(GIS)、小波分析(wavelet analysis)、Surfer技术为手段,揭示黄河流域农业气候资源、土壤墒情的时空演变格局,阐释主要农作物需水与缺水的分布规律,以此为基础构建节水农业区划的指标体系,进行黄河流域节水农业区划及分区发展模式探讨,以期为区域农业水资源高效利用和土壤水分动态监测实施等节水农业关键问题研究提供科学决策依据。取得的主要结论如下: ①通过分析过去40年黄河流域的气候变化特征,得出黄河流域多年平均降水量的地区分布既受气侯系统的制约,又受地形等地理环境的影响,造成明显的地区性差异。总的分布趋势是:东南多,西北少,山区降水多于平原,降水量由东南向西北递减:利用1961~2000年月平均降水和年平均降水资料,采用墨西哥帽小波函数,对黄河流域近40年来降水的季节变化和年际变化时间序列进行了小波分析,揭示了黄河流域降水变化的多时间尺度的复杂结构,分析了不同时间尺度下降水序列变化的周期和突变点,并确定了各序列中存在的主要周期。结果表明:黄河流域年降水和各季节降水均存在8~12年左右时间尺度的多少交替,表现出明显的周期特征,其次4~6年左右时间尺度的周期特征也较明显,夏季降水和年降水变化趋势具有较大相似性,不同时间尺度的周期特征之间有不同程度的吻合,说明夏季降水较大程度地控制着年降水。小波分析的时频局部化特性可展现降水时间序列的精细结构,可为分析气候多时间尺度变化特征及短期气候预测等节水关键问题研究提供了一种新途径。 黄河流域气温总的分布特点是由南向北、由东向西逐渐降低。就年际变化而言,自1960年以来,黄河流域气温呈逐年增长趋势。黄河流域月平均气温,以1月份为最低,以7月份为最高;黄河流域蒸发能力很强,年平均蒸发量为1100mm,且空间分布与降水量相反,由东南向西北递增。 ②通过黄河流域土壤水分时空演变格局分析表明:黄河流域土壤墒情空间分布格局主要受自然气候特点和人为作用(灌溉)两个方面的影响;黄河流域土壤水分的季节变化可大致分为4个阶段:冬季土壤水分相对稳定阶段(从前一年的11月份末到翌年3月上旬)、春季土壤水分大量蒸发阶段(从3月中旬到6月下旬)、雨季土壤水分恢复阶段(7、8月和9月上旬)、秋季土壤水分缓慢蒸发阶段(从9月中旬到11月下旬)。由于各区域之间土壤、气候条件的差异,各地土壤水分循环4个阶段的划分也不尽相同;黄河流域不同旱作类型区土壤水分动态变化比较结果表明:就季节变化而言,由半干旱偏旱区→半干旱区→半湿润偏旱区→半湿润区土壤水分含量呈逐渐增加的变化趋势,而且高值区一般出现在雨季恢复阶段或春季土壤融冻返浆时期;而低值区均出现在春季大量蒸发阶段或秋季缓慢蒸发阶段;就垂直变化而言,黄河流域不同旱作类型区土壤水分垂直变化的趋势均表现为上层变化幅度较下层大。且由干旱区→半干旱偏旱区→半干旱区→半湿润偏旱区→半湿润区,表层0~5cm→下层50~100cm的变化幅度逐渐减小。同时,土壤含水量从上到下的变化趋势可分为增长型、降低型和波动型三种情况;黄河流域土壤水分垂直变化范围是:活跃变化层大致为0~30cm,缓慢变化层为30~100cm,相对稳定层为>100cm土层:就典型站点不同降水年型土壤水分动态变化规律而言,无论是垂直变化,还是水平变化,典型丰水年土壤含水量的变化幅度均较典型枯水年土壤含水量的变化幅度大。 ③黄河流域不同类型旱农区的气候水分盈亏和主要作物的降水盈亏研究结果表明:黄河流域气候水分盈亏量在空间上总的变化规律表现为自南向北、自东向西气候水分亏缺量呈逐渐增大趋势,大部分地区全年气候水分亏缺量介于200~600mm之间;就季节分布而言,水分亏缺的主要时期在春季和初夏,亏缺量一般在180~300mm之间;就作物全生育期的需水规律与降水的匹配程度而言,黄河流域冬小麦全生育期需水量大部分地区介于400~700mm之间,空间变化规律与趋势表现为:从东南向西北逐渐增大。而黄河流域冬小麦全生育期多年平均缺水量大部分地区变化在250~500mm之间,且由南向北缺水量有依次递增的趋势,主要反映了冬小麦全生育期降水量与需水量的双重影响;黄河流域夏玉米全生育期多年平均需水量变化在300~500mm之间,整个流域变化范围较小,与冬小麦需水量变化趋势图有很大不同。这与夏玉米生长期短,热量条件差异不大有关。夏玉米全生育期缺水量较多的地区为陕西省关中地区,约为200mm左右,由此向东缺水量值逐渐减少:黄河流域春小麦全生育期多年平均需水量总的变化趋势是从东向西,从南向北逐渐升高,变化在400~700mm之间。多年平均缺水量基本上是从南向北逐渐升高,缺水量变化在200~500mm之间,显然是受降雨与需水两方面的双重影响;黄河流域春玉米全生育期多年平均需水量变化在400~700mm之间。最大值出现在陕西省的榆林、绥德一带,自此向两侧逐渐减少。而春玉米全生育期多年平均缺水量分布则是从南部向北部递增,亏缺量变化在0~400mm之间。 ④通过遴选指标,采用指数和法、聚类分区法,并参考有关的区划成果,进行黄河流域节水农业分区,结果表明:黄河流域节水农业可分为五个一级区,十八个二级区。其中,五个一级区分别是:干旱极度缺水区、半干旱偏旱重度缺水区、半干旱中度缺水区、半湿润偏旱轻度缺水区和半湿润非缺水区。根据五个一级区,十八个二级区的自然条件与农业生产现状,以提高大气自然降水、地表水、土壤水和地下水等水资源的高效利用为目的,进行了黄河流域节水农业分区发展模式的探讨,从而对实现黄河流域现代节水灌溉农业与现代旱作节水农业的可持续发展具有重要意义。
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