区域农田土壤墒情特征及其对系统恢复力的影响效应研究

发布时间：2020-08-02 12:25

【摘要】：红兴隆管理局位于三江平原中南部,其生态环境条件适宜农业发展,是我国不可或缺的粮食储备基地以及商品粮生产基地。但随着经济发展,红兴隆管理局过度发展水稻种植业,导致地下水超采、水资源短缺、土壤质量退化等一系列的水土环境和生态问题,对当地工农业生产和居民生存环境产生严重威胁。此种背景下,本研究以红兴隆管理局12个农场为例,对区域农田土壤墒情进行了监测、延拓与预报,建立了考虑土壤墒情的区域农业水土资源复合系统恢复力评价指标体系,完成了区域农业水土资源复合系统恢复力评价研究,分析了土壤墒情对区域农业水土资源复合系统恢复力的影响效应,研究了考虑土壤墒情、降水量和地下水埋深背景下的区域农业水土资源复合系统恢复力未来演变格局,为红兴隆管理局水土资源的可持续高效利用提供理论支持和政策指导。主要研究内容及成果如下:(1)根据偏最小二乘法,利用红兴隆管理局2017年土壤墒情监测数据和相关水文气象数据,建立了土壤含水量回归方程。同时,结合往年气象资料数据,利用已建立的偏最小二乘回归模型,对土壤墒情进行延拓,并绘制红兴隆管理局2013-2017年时空变化分布图。研究结果表明,红兴隆管理局整体土壤墒情呈下降趋势,其中东部地区土壤墒情较高,西部地区次之,中部地区土壤墒情较低。(2)根据红兴隆管理局农业水土资源的特征,同时参照前人的研究,采用驱动力-压力-状态-影响-响应(Driving forces-Pressure-State-Impact-Response,DPSIR)模型构建考虑土壤墒情的区域农业水土资源复合系统恢复力评价初选指标体系。运用SPSS工具,根据最小均方差法和极大不相关法对初选指标进行筛选,最终优选出降水量、产水系数、单位耕地面积农药施用量、单位耕地面积化肥施用量、万元GDP能耗、农业总产值占GDP比重、农业投资占总投资比重、人均纯收入、气温、蒸发量、土壤墒情、地下水埋深、水利资金总投入、粮食单产等14项指标作为红兴隆管理局农业水土资源复合系统恢复力评价指标。(3)根据农业水土资源复合系统恢复力评价指标体系,利用基于模拟退火和粒子群混合算法优化的投影寻踪模型、基于粒子群算法优化的投影寻踪模型和基于改进鸡群算法优化的投影寻踪模型对红兴隆管理局12个农场2013-2017年的农业水土资源复合系统恢复力进行评价。根据评价结果的稳定性和可靠性筛选出基于模拟退火和粒子群混合算法优化的投影寻踪模型为区域农业水土资源复合系统恢复力最优测度方法。(4)根据基于模拟退火和粒子群混合算法优化的投影寻踪模型的评价结果,结合ArcGIS空间数据分析技术,绘制红兴隆管理局农业水土资源复合系统恢复力时空变化分布图。研究结果表明,时间尺度上,红兴隆管理局农业水土资源复合系统恢复力呈逐渐下降趋势;空间尺度上,红兴隆管理局农业水土资源复合系统恢复力呈现出东部地区较强、西部地区次之,中部地区较弱的地域性规律。(5)根据主成分分析法,对红兴隆管理局各农场农业水土资源复合系统恢复力驱动机制进行分析。研究结果表明,降水量、人均纯收入、农业投资占总投资比重、土壤墒情、地下水埋深等5项指标对区域农业水土资源复合系统恢复力的影响最大,为关键驱动因子。(6)根据土壤墒情时间序列特征,构建基于经验模态分解、粒子群算法优化极限学习机的组合时间序列预测模型。利用组合时间序列预测模型对红兴隆管理局土壤墒情进行预报,结果表明:该模型取得了较好的预测效果。同时,利用组合时间序列预测模型对管理局降水量和地下水埋深进行预测,也取得了不错的预测效果。最终得到红兴隆管理局2018-2021年土壤墒情、降水量和地下水埋设预测数据。(7)根据土壤墒情、降水量和地下水埋深预测数据,在其它评价指标保持稳定的情况下,利用基于模拟退火和粒子群混合算法优化的投影寻踪模型,获取红兴隆管理局系统恢复力2018-2021年未来演化态势。结合红兴隆管理局水土资源概况、农业水土资源复合系统恢复力评价及驱动机制研究、土壤墒情及系统恢复力的未来演变态势研究,提出红兴隆管理局农业水土资源复合系统恢复力建设路径,为红兴隆管理局可持续发展提供决策支持。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S152.7
【图文】：

行政区划图,红兴隆,管理局,行政区划

在经济社会不断发展的情况下，红兴隆管理局作为黑龙江省较大的垦区之一，对其农业生产工作的标准和要求也在进一步提高。土壤含水量作为农作物生长发育的重要因素，对农田各项活动的顺利进行和能否有良好的耕作质量，农作物的收成好坏具有密切关系。土壤墒情的监测、延拓和预测都是发展现代高效节水农业的重要手段。因此，开展土壤墒情监测、延拓和预测工作对于红兴隆管理局合理开发利用水土资源和耕地资源具有科学的指导意义。2.1 研究区域概况2.1.1 地理位置红兴隆管理局位于中国黑龙江省东北部，三江平原腹地，地理坐标为东经 129°55'-134°12'北纬 45°35'-47°17'[10-11]。管理局东部与乌苏里江相邻，北部与松花江相邻，水资源相对丰富，生态环境适合大型农场的发展。管理局地跨七县（饶河、宝清、集贤、桦川、桦南、勃力、友谊）三市（双鸭山、七台河、富锦），东西长 330km，南北宽 170 km，总面积 9646.6 km2[84-85]。全局下辖 12 个大中型国营农场：友谊、五九七、八五二、八五三、饶河、二九一、双鸭山、江川、曙光、北兴、红旗岭、宝山。具体行政区划如图 2-1 所示。

空间分布,红兴隆,管理局,土壤含水量

含水量从 30.7％（2013 年）降低到 24.7％（2017 年），年平均降低 1.50％；北兴农场土壤含水量从 31.1％（2013 年）降低到 28.1％（2017 年），年平均降低 0.75％；红旗岭农场土壤含水量从 30.2％（2013 年）降低到 26.1％（2017 年），年平均降低 1.03％；宝山农场土壤含水量从 30.8％（2013 年）降低到 27.9％（2017 年），年平均降低 0.73％。时间尺度上，由上述研究可以看出，红兴隆管理局整体及各农场的土壤含水量均呈现下降趋势，造成该结果的原因主要有：红兴隆管理局降水量呈现下降趋势，其中，2013 年管理局降水量达到 600 多 mm，2017 年管理局的降水量却只有 500 多 mm，同时，蒸发量却从 1000多 mm（2013 年）上升到 1200 多 mm（2017 年），降水量减少、蒸发量增加，会导致管理局可利用水资源相应减少；管理局内耕地面积由 476877hm2（2013 年）增加到 491334hm2（2017年），因为管理局主要利用地下水进行灌溉（2017 年管理局共有机电井 14311 眼），耕地面积增加，灌溉用水量相应增长，进而导致管理局地下水资源减少；综上所述，由于气象因素（降水量减少和蒸发量增加）及人类活动（耕地面积增加）的综合影响，导致红兴隆管理局土壤含水量逐年降低。2.5.6 土壤墒情空间分布特征分析为了更加直观的了解土壤墒情的空间差异，根据表 2-4，利用 ArcGIS 的可视化功能，绘制红兴隆管理局逐年土壤墒情空间分布图，如图 2-9 至图 2-13 所示。

空间分布,红兴隆,土壤含水量,管理局

图 2-10 红兴隆管理局 2014 年土壤含水量空间分布Fig.2-10 Spatial distribution of the soil moisture of the Hongxinglong Administration in 2014

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