我国北方地区水土资源空间优化及其生态效应系统评价

论文摘要

作为世界上人口最多的国家,自主解决食物供给问题是我国经济发展、社会稳定、国家安全面临的首要挑战。面对全球气候变化加剧、资源供需矛盾突出和人口的不断增长,将我国食物安全全部寄希望于国际市场既不安全,也不现实;而根据现有研究成果,科技进步对食物产量的贡献也在逼近其极限。在此背景下,适当开发后备耕地资源是我国应对人口峰值期间食物问题的一种可行、稳妥的方式。改革开放以来,我国农业生产条件和饮食消费水平出现大幅变化。从农业生产条件看,城镇化和工业化客观上造成了我国优质耕地面积的大幅减少。从需求侧来看,我国已经度过了粮食匮乏的贫困期和满足温饱为目的的温饱期,正在由植物性食物消费向动物性食物消费调整,并逐步向营养健康阶段过渡。然而,动物性食物比植物性食物更加“耗水”和“费地”,这无疑加大了我国未来食物供给的压力和后备耕地开发的需求。保障我国食物安全的根本是拥有足够的耕地面积,而农业用水的供给则是耕地发挥功能的前提。尽管有许多研究分析了我国后备耕地资源的数量、质量和开发时序,并对后备耕地开发的生态影响进行了相关讨论。但现有的后备耕地资源研究普遍在一个较小的范围内开展,而过小的研究范围显然忽略了食物机械化和规模化的生产要求;此外,目前后备耕地开发的生态影响评价普遍停留在定性的阶段,无法对相关政策制定形成定量的数据支撑;且现有研究很少分析饮食结构变化背景下我国的水土资源需求,也没有从理论层面研究水土资源的空间优化问题。本文通过研究水土资源的关系特征、优化理论内涵和优化技术途径,对水资源和土地资源之间复杂的关系进行论述;定量分析我国水土资源的时空演变特征和水土资源对未来食物安全的承载能力;通过建立后备耕地资源评价模型分析我国北方后备耕地资源的数量和质量;并对后备耕地开发可能的生态影响进行定量计算。本文的主要内容有以下几个方面:（1）基于水土资源关系特征分析两者之间复杂的相关关系水、土资源是自然界和人类社会最重要的基础资源,对维持全世界的经济发展、社会稳定和生态安全起着无法替代的作用。尽管水资源和土地资源紧密耦合,但两者仍存在着本质区别,这种区别主要体现在两个方面:第一是水资源系统具有流动性,而土地资源相对固定。第二是水资源系统具有更新能力,土地资源系统则没有。因此,当某区域水资源无法承载土地资源时,往往需要通过其他手段增加区域水资源量,否则就需要控制区域土地开发的规模。本文从水土资源的关系特征、水土资源空间优化理论内涵和技术途径3个方面讨论了水资源与土地资源复杂的相关关系,认为水土资源空间优化的目的就是要实现经济社会与自然资源的协调发展,而这种发展需要兼顾于四个方面的平衡:经济社会与水土资源禀赋的平衡、水土资源开发与生态环境保护的平衡、资源空间与产业布局的平衡、水土资源的自然修复与重大工程措施的平衡。而要实现这四方面平衡,不仅要“降荷”、“加载”,也要因地制宜地调整区域产业结构。（2）基于水土资源利用现状分析我国的食物保障能力通过对比我国2005年、2010年和2015年各地级市的水土开发利用情况,可以看出近年来我国“北方缺水”的情形越发加剧,其中华北地区、河西走廊和塔里木盆地西侧地区是我国水资源开发利用的三大集中区。2015年,华北地区、河西走廊和塔里木盆地西侧地区的水资源开发利用率分别为185%、313%和128%。东北平原、黄淮海平原、关中平原、四川盆地以及广东沿海地区是我国土地资源开发利用程度最高的地区。前4个区域是我国主要的粮食产区,土地类型主要是农业用地;而广东沿海地区经济发达、城镇化水平高,主要的土地类型是建设用地。从水土资源的匹配情况看,我国水土资源非常匹配且集中连片的地区分别是东北平原、江汉平原、四川盆地中部和云贵高原南部（昆明-大理地区）;而水土匹配程度最差的地区分布在内蒙古、河西走廊、新疆东部、长江口、珠江口和西藏林芝市,前三者水土不匹配的原因是严重短缺的水资源无法承载大量的土地,后三者则是较少的土地资源无法支撑庞大的水资源。基于本文对未来饮食结构和人口规模的预测,在现状气候条件和生产能力前提下,2020年和2032年满足我国食物安全所需耕地面积分别是13900～14900万公顷和14600～15700万公顷,这个数字已经超过了我国2017年实际拥有的耕地面积（13492万公顷）;而满足食物安全所需净灌溉水量分别为1870～2004亿m3和1970～2108亿m3。（3）基于水土资源评价模型分析我国北方后备耕地的数量和质量本文基于地形地貌要素、光热要素、降水要素和土壤要素构建了北方水土资源评价模型,并运用熵权法和模糊数学理论评价了我国北方后备耕地资源的开发潜力。评价结果表明,我国北方总的后备耕地面积为195.1万km2,其中高质量的后备耕地面积为27.4万km2,仅占整个研究区后备耕地面积的14%。新疆、内蒙古和甘肃是北方地区后备耕地面积最多的省份,分别占研究区面积的62.82%、21.42%和10.19%。。我国北方后备耕地的数量和质量空间上并不匹配,东部区域的后备耕地质量普遍较高,但面积较小;西部区域的后备耕地质量普遍较低,但面积较大。总的来看,甘肃西部地区、内蒙西部地区,以及内蒙陕西交界地区是我国北方地区优质后备耕地资源的集中分布区,尽管这些区域地形、地貌和光热要素相对优良,但这些区域也都面临着水资源短缺、土壤条件差、风沙较大等问题,必须在对立地条件进行大规模的水、土改良后才可以耕种。（4）水土资源演变的生态效应典型研究由于北方水土资源的开发规模和开发方式并不确定,基于此建立的生态模型无法进行可靠性检验。考虑到1999年底黄土高原从就开始实施大规模的生态修复工程,该工程对黄土高原生态环境的影响很可能成为北方地区后备耕地开发对生态环境影响的预演,因此本文以黄土高原为对象分析植树造林对区域陆面过程的改变。研究结果表明,大规模植被恢复会造成植被生长季的地表反照率逐渐降低,其中退耕还林过程会降低该区域的地表反照率,平均降幅约为-0.013/年;相反地,退耕还草过程会增加该区域的地表反照率。植被恢复也会带来地表温度的改变。基于本研究在泾河流域植被恢复区的研究成果,2000～2013年研究区夏季白天的地表温度降低了4.3℃,而夜间的地表温度上升了 1.4℃,其中植被恢复的贡献分别为58%和60%。本研究通过对Choudhury-Yang公式进行偏导计算了黄土高原植被恢复对实际蒸散发变化的贡献,研究结果表明无论是植树造林工程实施之前,还是实施过程中,降水都是该区域实际蒸散发变化的主导因子,其平均贡献率为85.6%,而植被恢复的贡献仅为12.1%。基于现有研究成果,北方干旱区大规模灌溉会改变区域水循环过程,从而带来增雨效果,进而可能导致区域潜在植被发生改变。根据本研究建立的北方植被地带Budyko气象因子分类指标及相关文献关于农田灌溉对降水的影响,本研究认为甘肃西部、内蒙古西部、内蒙古陕西交界地区（优质后备耕地资源集中分布区）的潜在植被将可能朝着更加高级的方向演化。

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第一章引言

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 研究现状

1.4 研究目标、内容与技术路线

1.5 小结

第二章水土资源空间优化理论解析

2.1. 水土资源空间概念解析

2.2. 水土资源空间关系特征

2.3 水土资源空间优化理论内涵

2.4 水土资源空间优化技术途径

2.5 小结

第三章我国水土资源开发利用演变与适配性评价

3.1 降水时空演变

3.2 水资源开发利用演变

3.3 土地资源开发利用演变

3.4 水土资源适配性评价

3.5 水土资源与食物安全适配性评价

3.6 小结

第四章我国北方地区水土资源优化调控潜力

4.1 评价模型构建

4.2 基础数据准备

4.3 适宜性评价结果

4.4 水土资源开发措施

4.5 小结

第五章水土资源演变生态效应典型研究

5.1 黄土高原水土资源演变概述

5.2 植被恢复对地表反照率的影响

5.3 植被恢复对夏季地表温度的影响

5.4 植被恢复对实际蒸散发的影响

5.5 小结

第六章潜在植被分布模型与演替预测

6.1 北方潜在植被分布模型

6.2 黄土高原潜在植被模拟验证

6.3 水土资源开发的潜在植被演替预测

6.4 小结

第七章结论与展望

7.1 主要结论

7.2 展望

7.3 创新点

参考文献

攻读博士期间取得的学术成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 何国华

导师: 王浩,赵勇

关键词: 水资源,土地资源,后备耕地,食物安全,生态影响

来源: 中国水利水电科学研究院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑,经济与管理科学

专业: 资源科学,资源科学,环境科学与资源利用,水利水电工程,宏观经济管理与可持续发展

单位: 中国水利水电科学研究院

分类号: TV213.4;X826;F205

总页数: 162

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