区域农业水资源系统恢复力特征及其对农业种植结构影响效应研究

论文摘要

黑龙江省建三江管理局位于我国北部三江平原腹地,区域内部土地集中,水土资源丰富,适宜发展农业生产,是我国重要的商品粮生产和储备基地。随着对经济和人口的不断发展,对粮食的需求日益增强,农民为追求高产而过分开采土地,大量施用化肥、农药等,使其农业水资源系统的健康稳定受到越来越多的干扰,由此引发地下水水位骤降、水资源污染严重、水资源总量锐减、水土流失面积增加等一系列生态环境问题,造成农业水资源系统超负荷运行。针对上述建三江管理局水资源系统存在的问题,本研究以黑龙江省建三江管理局下辖的15个农场为例,通过建立指标优选模型构建合理的区域农业水资源系统评价指标体系,采用四种评价模型计算农业水资源系统恢复力指数,采用特定方法筛选出水资源系统恢复力最优测度方法,并分析农业水资源系统恢复力时空演变格局,基于上述分析结果建立不同恢复力背景约束条件下的农业种植结构优化模型,为保证农业水资源安全、粮食生产安全和生态安全提供科学技术理论指导。研究结果如下:（1）本文辨析农业水资源系统恢复力内涵,遴选了涵盖水资源系统、农业系统、社会经济系统和生态环境系统四个系统50个评价指标初选集,以聚类分析和信息含量最大作为优选指标模型的基本原理,共筛选出17个指标,最终构建区域农业水资源系统评价指标体系,通过34%的评价指标所建立的指标体系可以十分合理的反映指标原始信息,并参照前人研究成果,从指标体系构建、初始指标选择及筛选指标层差异等方面对比分析,得出本文所构建的指标体系更加合理可靠。基于拉格朗日极值组合赋权模型,将主观（层次分析法）和客观（CRITIC）所得权重进行合理的综合,得出各优选指标的权重系数,它可以十分恰当的确定出每个指标占整体比例的量化值。（2）根据已构建的农业水资源系统恢复力指标评价体系,以黑龙江省建三江管理局2015年15个农场的农业水资源系统为例,采用可变模糊评价模型、逼近理想解排序法（TOPSIS）、支持向量机（SVM）、基于粒子群算法优化的支持向量机（PSO-SVM）四种方法对水资源恢复力进行测度分析。依据序号总和理论和Spearman相关系数对各方法排序进行计算,得出测度模型稳定性,采用等级差异性最大原则的ArcGIS自然断点法确定15个农场的恢复力等级,通过区分度理论综合对四种评价方法恢复力等级可靠性进行分析。利用ArcGIS空间数据分析技术,绘制最优测度模型PSO-SVM模型下的2015年建三江管理局农业水资源系统恢复力空间分布图,结果表明:模型稳定性由好到差分别为PSO-SVM模型、SVM模型、可变模糊评价模型和TOPSIS模型,虽然等级之间存在差异,但各农场评价不一致结果等级相差两级仅占总评价结果的10%;水资源恢复力处于I、II等级分别占据了农场总数的53.3%,其中建三江管理局中农场水资源恢复力等级为IV级仅为浓江、洪河农场,其水资源恢复力空间分布整体呈现由西南向东北增强趋势;依据区分度理论和标准化散点图综合得出PSO-SVM模型具有最优的可靠性。（3）基于农业水资源恢复力最优测度模型—PSO-SVM模型分别计算不同年份建三江管理局15个农场的恢复力指数,并对每个农场的恢复力进行等级划分。利用ArcGIS软件分别绘制不同年份恢复力等级空间分布图,对不同年份恢复力等级进行时空分析,并参照各指标等级划分得出各农场恢复力等级和各指标等级间关系,判定该区域各农场恢复力指标等级强弱。借鉴波动度理论、格网单元分析理论分别分析了农业水资源恢复力年际变化和等级变化,通过障碍指标方法诊断出制约农业水资源恢复能力的主要障碍指标,可以看出:随着时间变化,该区域各农场的水资源恢复力等级空间分布显著变化,各年农业水资源恢复力处于I、II等级农场均占农场总数的一半以上。年际变化相对稳定,仅有前锋农场和胜利农场处于强波动程度。根据各指标恢复力等级与农场等级关系得出,各农场存在指标等级低于相应农场等级现象,需格外引起注意。（4）构建多目标布谷鸟优化算法分析建三江管理局农作物种植结构,对该区域主要种植的粮食作物近十余年种植面积进行排序分析,最终选择各农场水稻、大豆和玉米种植面积为变量,选取农作物产量、农作物净产值、生态效益以及水分生产效益最大为目标函数,以农作物种植面积、单位面积农作物净产值、毛灌溉定额及恢复力系数等为约束条件,通过模型优化,可以得出:与2017年现状年份相比,经优化的2020年和2025年的水稻、大豆和玉米种植面积的经济效益、生态效益和水分生产效益均有较大提升。除此以外,与未加入恢复力系数约束条件相比,农业种植结构受到水资源恢复力系数制约显著,该区域发展农业生产需予以适当考虑。

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摘要

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1 引言

1.1 立题依据

1.2 研究的目的和意义

1.3 国内外研究动态

1.3.1 评价指标体系研究

1.3.2 农业水资源系统恢复力研究

1.3.3 水资源系统恢复力时空特征研究

1.3.4 农业种植结构优化研究

1.3.5 国内外现状评析

1.4 研究内容与技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

2 区域农业水资源系统恢复力评价指标体系研究

2.1 研究区域概况

2.1.1 地理位置及行政区

2.1.2 气候及地形地貌

2.1.3 水资源状况

2.1.4 社会经济状况

2.2 数据来源

2.3 研究方法

2.3.1 评价指标构建原则

2.3.2 评价指标筛选原理

2.3.3 地下水环境质量指数

2.3.4 评价指标优选模型

2.3.5 优选指标组合赋权

2.4 结果与分析

2.4.1 初始指标体系构建

2.4.2 评价指标体系优选

2.4.3 确定各指标最优组合权重

2.5 讨论

2.5.1 指标体系对比分析

2.5.2 三种赋权结果对比分析

2.6 本章小结

3 区域农业水资源系统恢复力测度研究

3.1 数据来源

3.2 研究方法

3.2.1 可变模糊评价模型

3.2.2 逼近理想解排序（TOPSIS）

3.2.3 SVM评价模型

3.2.4 PSO-SVM评价模型

3.2.5 恢复力测度模型性能评估方法优选

3.3 结果与分析

3.3.1 基于可变模糊评价模型的农业水资源系统恢复力测度

3.3.2 基于TOPSIS模型的农业水资源系统恢复力测度

3.3.3 基于SVM模型的农业水资源系统恢复力测度

3.3.4 基于PSO-SVM模型的农业水资源系统恢复力测度

3.4 讨论

3.4.1 各评价模型恢复力比较

3.4.2 恢复力测度模型稳定性分析

3.4.3 恢复力测度模型可靠性分析

3.5 本章小结

4 区域农业水资源系统恢复力时空演变特征研究

4.1 数据来源

4.2 研究方法

4.2.1 障碍指标诊断方法

4.2.2 波动度分析

4.2.3 格网化转移矩阵分析

4.3 结果与分析

4.4 讨论

4.4.1 农场恢复力等级与相应指标等级对比分析

4.4.2 障碍指标诊断分析

4.4.3 农业水资源恢复力年际波动度分析

4.4.4 水资源恢复力等级变化分析

4.5 本章小结

5 恢复力约束下区域农业种植结构优化模型研究

5.1 数据来源

5.2 研究方法

5.2.1 多目标农业种植优化模型

5.2.2 预测辅助模型的建立

5.2.3 多目标函数求解算法

5.3 结果与分析

5.3.1 决策变量确定

5.3.2 模型相关参数预测

5.3.3 种植结构优化模型结果分析

5.4 讨论

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 徐磊

导师: 刘东

关键词: 指标优选模型,水资源恢复力,时空演变,种植结构,建三江管理局

来源: 东北农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技,经济与管理科学

专业: 资源科学,农业基础科学,农业经济,农业经济

单位: 东北农业大学

基金: 国家自然科学基金面上项目《区域农业水土资源复合系统恢复力时空特征分析及其约束效应研究》(No.51579044)

分类号: F323.213;F326.1

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