玛纳斯河流域种植业用水结构时空变化与种植结构关系研究

【摘要】玛纳斯河流域位于天山北坡，是干旱内陆河流域的典型代表。论文以玛纳斯河流域为背景，针对流域作物种植结构不合理，水资源供需矛盾突出的问题，通过收集历史资料和实地考察，研究河道来水与灌溉用水的关系，分析种植业用水结构与种植结构的时空变化特点，根据流域上、中、下游地区的生产条件，以粮食安全、水资源安全和生态保护为约束，建立种植结构评价和优化模型，提出种植方案。主要结论如下：1）利用Mann-Kendall法检验法分析河道径流变化特点，结果表明河道径流量在1996年发生了突变，并从20世纪90年代后呈增长趋势。多年平均灌溉用水量占河道来水量的59.63%，河道引水比例较高。近年来，流域绿洲面积总体呈扩张趋势，年均增加103.57km2，绿洲面积的增加加剧了水资源的矛盾。为保证生态用水，流域适宜耕地面积为32.44×104hm2，建议应退耕10.70×104hm2，约占现有耕地面积的24.80%。2）分析1980-2009年期间种植业用水结构的时间变化特点表明，1980-1989年种植业用水结构比较均衡，1990-1999年用水比例出现差异，2000-2009年主要集中于经济作物，粮食作物和其他作物用水比例较小。种植结构与用水结构变化规律相似。分析1980-2009年期间种植业用水结构与种植结构空间变化特点表明，在1980-1989年粮食作物在流域内均有分布，用水比例较大。此后，流域下游粮食作物种植面积逐渐减少，种植区集中在上游和中游地区，用水比例和种植比例总体较小。对于棉花在1980-1989年集中于中下游地区，总体比例较小，用水较少；到2000-2009年在流域内均有分布，种植比例增大，用水占主导地位。3）运用水足迹（Waterfootprint）理论分析种植用水结构发现，作物绿水平均消耗量占用水量的19.34%，蓝水平均消耗量占80.66%，年均调出水量为5.30×108m3，占灌溉用水总量的46.54%，占斗口来水量的62.37%，对流域水资源安全非常不利。为充分利用绿水应增加冬小麦种植比例。4）分析流域气候变化特点，50年来ET0整体呈现上升趋势。结合生产情况分阶段研究发现，在1959-1979年期间气候变化对棉花种植比例的影响较弱，在1980-2008年期间影响比较明显。根据未来气候变暖情景分析，气温上升提高了作物潜在需水量，对ET0的影响在6月份表现突出。年均气温上升1℃和2℃灌溉用水总量分别增加6.55%和13.54%。5）采用通径分析方法研究生产投入因子和气象因子对作物单产的影响程度表明，生产投入因子对棉花、小麦和玉米单产的直接作用系数分别为0.8070、0.8418和0.8095，气象因子对棉花、小麦和玉米单产的直接作用系数分别为0.1931、0.1396和0.1906，生产投入因子对三种作物的直接作用大于气象因子。6）采用Bossel星图（Orientorstars）法，建立了种植结构评价模型，在均衡粮食安全、水资源安全、生态安全和经济效益的基础上建立了种植结构协调性优化模型，得到在50%和75%来水保证率条件下的作物种植结构，其中粮食比例为21.38%和21.15%，棉花比例为40.79%和40.38%，牧草比例为21.04%和19.90%，防护林比例为8%；在流域中游地区种植7.61%的经济林果，下游地区种植3.70%的梭梭和柽柳。膜下滴灌技术对流域种植业用水和种植结构调整有重要影响。从社会、经济和生态三个方面对膜下滴灌技术进行评价，效果良好。应用该技术有利于提高作物的WUE，为种植结构方案的实施提供了技术支持。综合上述，建议在干旱内陆河流域发展有限农业，提高灌溉设计保证率，调整种植结构，规范使用节水技术，实现种植业节水增产持续发展。
【作者】范文波；
【导师】吴普特；
【作者基本信息】西北农林科技大学，农业水土工程，2014，博士
【关键词】种植结构；用水结构；玛纳斯河流域；时空演变；优化；水足迹；

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