中国粮食生产用水效率及其时空差异研究

发布时间：2017-03-25 02:02

  本文关键词：中国粮食生产用水效率及其时空差异研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水资源短缺与水土资源空间分布不匹配的现实是影响中国粮食稳定持续生产的主要限制性因子。科学合理核算粮食生产对水资源的占用,并基于此评价粮食生产用水效率是实施以资源合理高效利用为目标的水资源管理基础性工作。针对传统农业用水效率评价的缺陷,本研究结合水足迹理论与工具,在计算全国31个省区1998-2010年粮食生产水足迹的基础上,以粮食生产用水效率指标的构建、核算为切入点,对中国粮食生产用水效率进行评价,在全面分析粮食生产用水效率时空分异特征的基础上,探索水资源利用效率区域间差异评估的合理指标。初步取得以下研究进展:(1)明晰了中国不同区域粮食水足迹(WF)时空分布格局及其构成。WF为区域粮食生产中所利用的水资源数量,分为蓝水(BWF)和绿水(GWF)足迹。中国年均WF约为6900×108 m3,空间差异大。灌溉农田产生的粮食水足迹占总量2/3以上,且有随时间增大趋势;GWF占WF总量的近60.0%,有随时间增长趋势。全国及各省区有效水足迹(WF的田间消耗部分,EWF)占WF的比例随时间呈全面上升态势,区域和灌溉农田分别为76.9%和65.9%。GWF和EWF比例的增大意味着水足迹结构的改善。粮食产出和水足迹的格局逐渐发生改变,有同时向黄淮海地区、东北地区和长江中下游地区集中的趋势,东北地区正逐步成为中国粮食生产和水足迹产生的最主要地区。(2)揭示了区分灌溉、雨养农田的粮食生产水足迹(WFP)及其构成的空间分布格局。中国WFP为1.340 m3/kg。各省区WFP和粮食生产蓝水足迹(BWFP)总体上随时间呈较明显的下降趋势,粮食生产绿水足迹(GWFP)在年际间存在无统一规律的波动;对相比于雨养农田,区域和灌溉农田的粮食生产水足迹随时间减小态势更为明显。各省区各粮食生产水足迹指标的年际变化幅度均不大;除雨养农田的粮食生产水足迹外,各指标在总体上均呈现显著的空间聚集特征,低值的省区主要聚集在长江以北、黄淮海平原并延伸到西南地区,高值省区则连片分布于东南、华南沿海和东北地区;各粮食生产水足迹指标的空间分布格局年际间变化不大。区域自然气候条件、水资源丰缺、农业生产类型、作物品种、灌溉设施水平等是粮食生产水足迹空间分布格局及其时间演变特征的重要影响因素。(3)探讨了不同水分生产率指标与粮食生产水足迹的关系。以灌溉水作为投入,建立区域(IWPg)、渠系(IWPc)及田间(IWPn)尺度水分生产率指标;以广义水资源为投入,建立毛入流量(WPg)、广义水资源利用量(WPu)以及蒸散量(WPET)水分生产率。各指标随时间均呈增长态势,表明粮食水分生产率全面提升;各水分生产率指标在空间上均呈聚集现象,以广义水资源为投入的指标空间聚集特征较显著;水分生产率高值省区以黄淮海平原为核心集中分布,低值省区连片分布在东北、东南和华南沿海及部分西北省区;各水分生产率指标均可用于衡量水资源投入-粮食产出区域间的相对大小关系;广义水资源利用量水分生产率在衡量水分生产率区域间差异时最为适宜;粮食生产水足迹指标与水分生产率指标之间可利用统计线性关系式来相互推求。(4)定量探索了灌溉对粮食生产和水资源利用的影响。以灌溉农田相对于雨养农田的粮食单产增加量为产出,分别以蓝水消耗量(CWUb)和利用量(TWUb)为投入,建立了区域和田间尺度的灌溉水边际效益指标(MRR、MRF)。灌溉对区域水分生产率的形成起主导作用,其增大了水分生产率的空间差异,增强了这种差异的稳定性。MRR、MRF分别为蓝水消耗量(CWUb)和利用量(TWUb)的粮食边际产出效率。全国灌溉水边际效益MRR与MRF分别为1.108和0.542 kg/m3,各省区的灌溉水边际效益总体上均呈增加的趋势;省区间MRF、MRR分别随着CWUb和TWUb的增加而降低;灌溉水边际效益与蓝水利用量可通过拟合出的幂函数关系进行推算。灌溉水边际效益指标是传统意义上水分生产率指标体系的补充,为农业生产用水效率评价增加新的内容。(5)初步提出了粮食生产用水效率评价综合指数(CEI),探讨了CEI时空变化特征和区域间虚拟水流动对全国用水效率的影响。各省区粮食生产用水合理性随时间增强,全国CEI由1998年的0.525增加到2010年的0.604;省区CEI在空间上呈现显著的聚集现象,空间分布特征类似于WFP。由于降低了粮食绿水和有效水足迹比例,省区间粮食虚拟水流动在全国尺度上提升水分生产率却不增强粮食生产用水的相对合理性。基于区域粮食生产和CEI在全国的相对地位,对各省关于粮食生产和水资源管理的措施进行了讨论,东北应作为粮食生产用水效率提升研究和实践的重点地区。本研究将水足迹工具应用于农业用水效率评价,系统量化了中国粮食生产中水资源利用状况,评价粮食生产水足迹与水分生产率在衡量水资源-粮食产出之间关系区域间差异上的作用并分析二者之间的关系,构建边际效益指标和粮食生产用水效率评价综合指标,更加全面评价了中国粮食生产用水效率及其时空差异。丰富与发展了农业用水效率评价理论及指标体系,为区域水资源管理相关政策的制定提供参考。
【关键词】：农业用水效率 评价指标 空间差异 水足迹 灌溉 粮食安全 中国
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：F326.11
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 研究背景、目的和意义13-14
• 1.2 国内外研究进展14-22
• 1.2.1 农业用水效率评价指标14-16
• 1.2.2 农业水足迹核算与用水效率评价16-19
• 1.2.3 中国粮食生产用水效率评价19-21
• 1.2.4 存在问题与不足21-22
• 1.3 研究目标和内容22-24
• 1.3.1 研究目标22-23
• 1.3.2 研究内容23-24
• 1.4 研究方法与技术路线24-29
• 1.4.1 基于农业生产过程的粮食-水资源利用关系核算24-26
• 1.4.2 数据资料收集与处理26-27
• 1.4.3 空间自相关与相关分析27-28
• 1.4.4 技术路线28-29
• 第二章 中国粮食水足迹及其组成的时空分布29-44
• 2.1 各省区粮食水足迹29-32
• 2.2 蓝绿水足迹及其组成的时空分布32-36
• 2.3 有效与无效粮食水足迹及其时空分布特征36-41
• 2.4 中国粮食生产与水足迹的空间格局演化41-43
• 2.5 本章小结43-44
• 第三章 粮食生产水足迹及其时空变化44-64
• 3.1 中国粮食生产水足迹（WFP）44-45
• 3.2 粮食生产水足迹时空分布45-57
• 3.2.1 粮食生产水足迹46-51
• 3.2.2 粮食生产绿水足迹与蓝水足迹51-57
• 3.3 粮食生产水足迹指标的空间自相关分析57-63
• 3.3.1 粮食生产水足迹57-60
• 3.3.2 粮食生产绿水足迹与蓝水足迹60-63
• 3.4 本章小结63-64
• 第四章粮食生产水足迹与传统水分生产率指标对比分析64-92
• 4.1 水分生产率指标的含义与计算方法64-66
• 4.2 粮食生产蓝水足迹与灌溉水分生产率的关系66-74
• 4.2.1 各指标灌溉水分生产率的时间变化66-68
• 4.2.2 各指标的时空分布格局68-72
• 4.2.3 灌溉水分生产率指标间的关系72-74
• 4.3 水分生产率指标的时空差异及相关关系74-83
• 4.3.1 水分生产率指标历年值75-76
• 4.3.2 各指标的时空分布格局76-79
• 4.3.3 相关关系79-83
• 4.4 基于水分生产率的用水效率指标83-91
• 4.4.1 指标构建及意义83-85
• 4.4.2 广义水资源利用系数85-86
• 4.4.3 灌溉水（蓝水）利用潜力指数86-88
• 4.4.4 蓝水足迹降低优先指数88-89
• 4.4.5 讨论89-91
• 4.5 本章小结91-92
• 第五章 灌溉在粮食生产与用水效率中的作用92-108
• 5.1 区域水分生产率的比较92-97
• 5.1.1 指标选择及计算92-93
• 5.1.2 区域水分生产率大小93-94
• 5.1.3 区域水分生产率的时空差异94-97
• 5.2 灌溉的边际效益评价97-105
• 5.2.1 指标的构建及意义97-99
• 5.2.2 田间尺度灌溉水边际效益99-102
• 5.2.3 区域尺度灌溉水边际效益102-105
• 5.3 讨论105-107
• 5.4 本章小结107-108
• 第六章 基于水足迹的农业用水效率综合评价108-121
• 6.1 指标构建108-111
• 6.1.1 理论基础及分析框架108-109
• 6.1.2 指标选择与综合指标构建109-111
• 6.2 分指标的时空分布特征111-112
• 6.3 粮食生产用水评价综合评价112-116
• 6.3.1 各省区粮食生产用水评价综合指数CEI112-114
• 6.3.2 CEI的时空分布特征114-116
• 6.4 基于虚拟水流动的农业用水效率的分析116-120
• 6.4.1 虚拟水流动对粮食生产用水效率的影响116-118
• 6.4.2 讨论118-120
• 6.5 本章小结120-121
• 第七章 主要结论、进展及需进一步研究的问题121-125
• 7.1 主要结论121-123
• 7.2 主要进展123-124
• 7.3 需进一步研究的问题124-125
• 参考文献125-134
• 致谢134-136
• 作者简介136-137

【参考文献】

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本文编号：266475