基于3S技術(shù)的祖厲河流域集水農(nóng)業(yè)潛力研究.pdf

1、祖厲河流域位于黃土高原中西部，地處大陸腹地，干旱少雨，人口密集、旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力低下，水土流失是主要生態(tài)問題。而水資源不足是限制土地生產(chǎn)力提高和引起一系列生態(tài)問題的根本原因。在地表水和地下水缺乏的情況下，充分利用有限的降水資源是現(xiàn)階段解決水資源短缺最為有效的途徑。通過對降水人工干預(yù)下的時空調(diào)配和疊加，實(shí)現(xiàn)作物有限補(bǔ)溉，變被動抗旱為主動抗旱，改善作物水分狀況、提高水分利用率，進(jìn)而提高土地生產(chǎn)力，通過對種植業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)

2、的良性循環(huán)，并改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，這就是集水生態(tài)農(nóng)業(yè)的目的。本研究在這一思想指導(dǎo)下，運(yùn)用GIS(地理信息系統(tǒng))、RS(遙感)和GPS(全球定位系統(tǒng))技術(shù)，開展中尺度流域的集水農(nóng)業(yè)潛力估算和增產(chǎn)效果預(yù)測分析，有助于我們從宏觀尺度上把握集水農(nóng)業(yè)發(fā)展的空間插值模型對流域多年平均降水量、月平均降水量進(jìn)行空間模擬，并對流域降水量和作物水分虧缺的空間、時間變異特征進(jìn)行分析；利用SCS降水—產(chǎn)流模型模擬流域產(chǎn)流量空間分布，估算了流域集水總量、可利用集水

3、量和集水農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模，并對集水農(nóng)業(yè)背景下區(qū)域糧食承載力時空敏感性變化分析，為集水農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)；利用GIS的空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析功能，借助SPSS統(tǒng)計(jì)分析工具，對流域社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)因素之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，為流域生態(tài)環(huán)境演變的社會經(jīng)濟(jì)驅(qū)動力提供了量化的解釋。 社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)因素的空間相關(guān)性分析表明，流域墾殖率與溝壑密度、坡度、人口密度呈顯著正相關(guān)，與糧食單產(chǎn)呈顯著負(fù)相關(guān)，揭示了流域以增加土地墾殖率來滿足人口增長對糧食

4、需求的粗放經(jīng)濟(jì)形式，高墾殖率是這一小流域水土流失的主要根源。通過空間分析，直接為糧食生產(chǎn)與墾荒之間的惡性循環(huán)提供了數(shù)量化的解釋。這種現(xiàn)象在旱作農(nóng)業(yè)區(qū)更加明顯，表現(xiàn)在墾殖率與旱地糧食單產(chǎn)呈顯著的負(fù)相關(guān)(Pearson相關(guān)性為-0.446，P=0.001)，且旱地的比例越大，墾殖率越大，而墾殖率與全流域平均糧食產(chǎn)量(包括水澆地)相關(guān)性不顯著(Pearson相關(guān)性為0.074，P=0.600)。提高糧食單產(chǎn)，是降低墾殖率、減輕土地壓力、改善生

5、態(tài)環(huán)境的切入點(diǎn)，其關(guān)鍵就是提高降水利用效率，這也正是集水農(nóng)業(yè)之目的。 祖厲河流域多年(1960～2000年)平均降水量在301～499mm之間，在空間分布上，由南向北逐漸減少。小麥生育期降水量空間變化在110～250mm之間，與理論需水量相比，水分虧缺在135.9～266.1mm之間，降水的滿足率只有19.2～51.61％；玉米和馬鈴薯生育期降水量為173.4～406.9mm，玉米水分虧缺在47.7～197.7mm之間，生育期降

6、水滿足率為40.1～94.2％，馬鈴薯水分虧缺在41.7～183.4mm之間，生育期降水滿足率為41.5～97.4％。相比之下小麥的水分虧缺量最大，玉米次之，馬鈴薯最小?？臻g分布上以流域北部水分虧缺最嚴(yán)重，向南逐漸減輕，但對三種作物，全流域均呈現(xiàn)虧缺狀態(tài)。 利用GIS空間插值獲得了流域糧食單產(chǎn)的空間分布數(shù)據(jù)。分析表明，流域內(nèi)旱作農(nóng)業(yè)多年平均糧食單產(chǎn)低而不穩(wěn)，在流域空間上的變動范圍為630.1～1231.5kg/hm2；水澆地產(chǎn)量

7、較高且比較穩(wěn)定，空間變動范圍在4305～5625kg/hm2之間。地理統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，全流域糧食產(chǎn)量合計(jì)為4.17億kg，人均443.02kg/人。流域人均糧食產(chǎn)量空間分布極不均衡，南部和中部旱作農(nóng)業(yè)區(qū)人均糧食產(chǎn)量普遍較低，大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)人均糧食產(chǎn)量在136.7～419.4kg/人之間，而北部和南部的灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)人均產(chǎn)量普遍較高，大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)人均產(chǎn)量在419.5～1169.5kg/人之間。 流域糧食產(chǎn)量的人口承載力空間敏感性分析表明，南部

8、的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)糧食產(chǎn)量低、人口密度較大，對糧食的供需變化較敏感，許多鄉(xiāng)鎮(zhèn)隨著未來人口逐年增長或糧食需求量提高，容易出現(xiàn)糧食虧缺現(xiàn)象，且虧缺的鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量和絕對缺糧人口數(shù)量，隨著人口逐年增長或糧食需求水平的提高而不斷增加。北部由于灌區(qū)占比例大，糧食產(chǎn)量較高且人口密度較小，在2000年到2030年的30年間，隨著人口的增長或糧食需求量的提高，大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)始終未出現(xiàn)糧食虧缺現(xiàn)象，少部分出現(xiàn)虧缺的鄉(xiāng)鎮(zhèn)也主要是旱作農(nóng)業(yè)占比例較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。以現(xiàn)有的糧食生產(chǎn)力

9、水平，到2020年，目前的糧食生產(chǎn)力水平已難以滿足年人均400kg的糧食需求量，到2030年甚至不能滿足年人均357kg的糧食需求量。也就是說，以目前的糧食生產(chǎn)力水平，不能同時滿足流域人口數(shù)量和糧食需求水平同時增長的需要。 利用SCS降水—徑流模型對降水產(chǎn)流進(jìn)行了模擬。流域多年平均徑流深的空間變化范圍為9.6～49.6mm，徑流系數(shù)在0.029～0.102之間。全流域年平均徑流總量為2.1億m3，占總降水量的5.45％，假設(shè)以農(nóng)

10、田承接的徑流量為可利用集水量，則全流域可利用集水量合計(jì)為0.82億m3，占流域徑流總量的38.2％。我們通過將流域旱地總面積和計(jì)算獲得的可利用集水總量作為約束條件，對流域最佳補(bǔ)灌量進(jìn)行估算，獲得流域最佳補(bǔ)灌量為300m3/hm2，這時對整個流域而言糧食增加量將達(dá)到最大值。在最佳補(bǔ)灌量下，流域可發(fā)展集水型農(nóng)業(yè)的耕地面積為28.65萬hm2(429.69萬畝)，占流域總旱地面積的76.9％，可使流域糧食總產(chǎn)量達(dá)到5.16億kg，與現(xiàn)有糧食產(chǎn)

11、量相比，可增加23.58％，至2030年流域糧食產(chǎn)量仍能滿足460kg的人均糧食需求量水平，糧食不成為約束條件。如果以2020年為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)400kg/人的人均年糧食需求量水平估算，屆時流域糧食人口承載力為128.94人，而實(shí)際人口將為106.2萬人，糧食產(chǎn)量完全可以滿足人口增長的需要，且仍有22.74萬人的人口增長空間。這時盈余糧食總量為9，096萬kg，如果將生產(chǎn)這部分糧食的旱地用于發(fā)展林、牧業(yè)和生態(tài)建設(shè)，全流域可余出的旱地面積為8