中国农业广义水资源利用系数及时空格局分析

为统一核算区域蓝水、绿水资源有效利用程度,构建了农业广义水资源利用系数（E_g）指标,核算中国31个省区粮食生产中的E_g,并基于空间自相关和通径分析方法对其时空格局及成因进行分析。中国1998-2010年E_g为0.588,大部分省区呈随时间增大趋势;E_g相似的省区在空间上显著地聚集,高值省区聚集于西部,低值省区集中于东南地区,且空间聚集现象呈减弱趋势;农业生产管理水平对E_g的影响大于气候要素,社会经济条件影响最小。结合广义水资源利用状况,西南省区可扩大粮食生产规模以发挥E_g较大优势,东北与华北粮食主产区应通过提高E_g以保障粮食安全和水资源可持续利用。研究可发展农业用水效率评价理论同时为国家粮食生产与水资源管理策略的制定提供参考。     

广西典型岩溶区土壤水分含量空间自相关分析

以广西壮族自治区马山县为研究区,在野外调查、室内实验测试获取182个土壤水分含量数据的基础上,采用半方差函数和Moran’s I统计量对研究区域土壤水分含量的空间自相关关系、空间相关尺度和空间分布规律进行了研究。结果表明:(1)研究区域土壤水含量平均值为16.97%,受结构性因素和随机因素共同作用,土壤水分含量具有中等强度的空间异质性;(2)研究区域土壤水分含量Moran’s I指数为0.423,表明研究区内土壤水分含量存在空间自相关性,在0~21 km和31~34 km范围内土壤水分含量自相关性为正,在21.7~31 km和34~45 km范围内自相关性为负;(3)Lisa聚类图表明,土壤水分含量空间聚集区和空间孤立区相伴存在,其中“高—高”空间聚集主要分布在马山县东北部,“低—低”聚集区主要分布在东南部。“低—低”聚集区和“高—低”孤立区土壤水分含量缺乏风险大。      

气候与土地利用变化下黄河源区蓝绿水量的时空响应研究

基于黄河源区1961—2017年逐月气象数据和两期（1980、2015年）土地利用数据集,通过设定多种变化情景,耦合SWAT(soil and water assessment tool)水文模型,探明流域内气候和土地利用变化与蓝绿水的时空响应关系。结果表明：时间上,气候变化情景下,流域内蓝水量减少了16.74 mm/a,绿水量增加了19.52 mm/a;土地利用变化情景下,流域内蓝水量减少了1.9 mm/a,绿水量增加了3.46 mm/a;在气候变化和土地利用变化共同作用下,流域内蓝水量减少了10.09 mm/a,绿水量增加了13.39 mm/a;同时,气候变化对蓝/绿水的贡献率均超过140%,是流域蓝绿水量变化的主导因素;空间上,流域内多种变化情景下,蓝/绿水量在流域内自西北至东南逐渐增加。研究结果将为黄河源区流域水资源调度计划制定提供科学参考。     

基于水循环模拟的潮白河流域蓝水绿水资源变化趋势分析

潮白河流域是北京市的重要供水来源,分析变化环境下流域内水资源的变化规律,对于维持生态系统稳定、保障经济社会发展具有重要意义。结合SWAT模型模拟了潮白河流域的水文循环过程,分析了流域内1960～2008年的蓝水绿水资源变化情况并对未来的变化趋势进行了预测。结果表明:潮白河流域的蓝水流与绿水流在研究期内都呈显著减少趋势,绿水储量呈增加趋势但不显著,它们的变化倾向率分别为-19.33mm·10a~(-1)、-6.92 mm·10a~(-1)与0.70 mm·10a~(-1)。未来趋势预测的结果表明这一变化趋势还将持续。     

贵州龙里典型喀斯特地区绿水资源耗用研究

以贵州龙里典型喀斯特地区为例,通过集成RS /GIS技术,利用生态水文评估工具中模块化生态水文综合管理系统( EcoHAT)对研究区绿水资源进行定量模拟,模拟出该区2005年10月- 2006年10月像元尺度上绿水资源量,并分析了其绿水资源消耗效用。结果表明: 研究区林地、草地、灌丛和农用地单位面积土壤蓄变量月均值分别为5. 6mm、6. 3 mm、6. 9 mm、7. 7 mm;林地、草地、灌丛和农用地绿水资源单位面积年有效消耗量分别为: 423. 0mm、344. 2 mm、386. 7 mm、407. 5 m m,其中低消耗量分别为相应植被类型条件下总有效消耗量的47. 0%、48. 3%、52. 7%、61. 3%。在有效消耗量中,农用地低消耗量占较大比重,林地和草地的高效和低效消耗量相近,但草地的低消耗量大于林地。据此,认为贵州龙里典型喀斯特地区绿水资源具有较大的利用潜力。但是在今后的绿水资源利用中,必须加强调控绿水资源消耗效用,增加植被盖度,减少裸地面积,以减少绿水资源的无效消耗量;与此同时,还应调整植被结构,以减少植被棵间土壤的低效消耗量。      

"一带一路"沿线国家农作物虚拟水贸易时空格局及驱动因素分析

"一带一路"沿线地区水资源短缺且空间分布不均衡,虚拟水贸易实现了对水资源的远距离空间调配.以2010-2018年"一带一路"沿线59个国家和37种农作物为研究对象核算各国农作物虚拟水贸易,利用标准差椭圆、Moran's I指数、LISA指数刻画农作物虚拟水贸易的时空格局特征,通过地理探测器和地理加权回归模型分析农作物虚拟水贸易的驱动因素及其空间异质性.研究发现:①沿线各国"低耗水-高出口型"作物占比4.013％,"高耗水-高出口型"作物占比1.926％.②沿线各国农作物虚拟水贸易的进口格局呈收缩趋势,出口格局呈扩张趋势,且其局部存在一定的集聚特征,进口的"高-高集聚"区域主要处于南亚地区,出口的"高-高集聚"区域主要分布在中东欧地区.③各显著驱动因素能较好地解释沿线各国农作物虚拟水净出口量,各因素中国内生产总值呈负相关驱动特征,耕地面积呈正相关驱动特征,而人口规模、森林面积和邻国接边数在各单元间呈正负两极的差异驱动特征.     

流域绿水研究的关键科学问题

阐述了开展流域绿水研究的重要意义,分析了流域绿水研究的关键科学问题：①绿水量的测算方法与尺度转换;②流域绿水流的形成、转化及其生态水文响应机理;③流域绿水资源评价与管理。指出流域水资源评价与管理要以降水为基本水资源,综合考虑蓝水和绿水两部分,协调流域上、中、下游生态、生产和生活用水,充分开发利用非生产性绿水资源,平衡自然生态和人类用水。     

里下河地区极端降水时空变化及未来趋势分析

随着全球变暖,极端天气事件逐渐增加,影响着社会经济发展,揭示区域极端降水时空变化对防洪减灾具有重要意义。基于1960—2019年的逐日降水,通过MK趋势检验、小波分析、重标极差以及克里金插值方法,从强度、频率和持续性三方面分析里下河地区的极端降水指数,并进一步探究其未来趋势变化。结果表明：（1）里下河地区多年平均降水为1017.25 mm,呈不显著增加趋势;空间分布差异明显,总体呈自西北向东南逐渐增加的分布。（2）研究区内各站点极端降水指数变化不同,总体而言,极端降水强度、频率均呈现增加趋势,持续性呈减少趋势。（3）极端降水指数变化过程中存在3类尺度的周期性变化,在整个时间尺度上存在3个偏多中心和2个偏少中心。（4）除R10mm和R20mm未来变化趋势与过去趋势相反且呈弱持续性,其他极端降水指数未来变化趋势与过去相一致,且过去总体趋势对未来趋势的影响时间长度在9~16年左右。研究结果为里下河地区科学合理应对气象灾害、合理配置水资源提供依据。     

中国北方安加拉植物群

中国北方发育的安加拉植物群是我国晚古生代植物区系的重要组成部分,主要分布于边疆省区,自石炭纪至二叠纪均有发育。安加拉植物群与其相关的华夏植物群在早二叠世及以前,在各自分布区平行发展,仅在晚二叠世出现少数植物分子相互迁移至对方地区形成混生现象,这与地质构造发展关系密切。     

广西降水非均匀性多尺度特征与综合评价

针对广西降水时空分配不均、旱涝灾害频发的现象,开展降水非均匀性多尺度特征和综合评价,可为区域应对旱涝灾害及水资源智慧管理提供科学支撑。基于1961—2017年广西87个格点的逐日降水资料,采用降水集中度(PCD)、降水集中期(PCP)指数构建日、候、旬、月、季多时间尺度的降水非均匀性等级评价体系,借助R/S分析和地理空间分析方法讨论了广西时空演变和气候分区特征。研究表明:日、候、旬尺度的PCD和PCP时空变化特征相对一致,较月、季尺度更能表达广西降水的非均匀性特征;广西降水的PCD历时变化在东北地区主要呈现递增趋势,而在西南地区主要呈递减趋势,其未来一段时期的变化趋势与历时演变相同;广西降水的PCD空间分布存在显著的空间自相关性和分层异质性,主要表现在PCD的均值、变异系数和发生频率上;广西降水的综合非均匀性总体呈现东北部地区高度分散、南部地区高度集中、西北和中部地区则为轻度集中或分散的分布格局。月以内的时间尺度是表达广西降水非均匀性的最佳尺度,若要考虑侯、旬尺度更加稳定和日尺度更加精细的优势,则采用候尺度进行逐日滑动计算分析将是最佳方式。     

基于水文模型的乌裕尔河流域水资源评价

基于水文模型的流域水资源评价可以为解决流域水资源短缺问题和改善水资源管理利用模式提供科学依据。针对传统水资源评价存在的问题,以乌裕尔河流域为例,利用研究区已建立的SWAT模型进行流域水资源评价,并分析了流域蓝水绿水资源量的时空分布规律。研究结果表明,绿水资源量在乌裕尔河流域水资源量中占得较大比重,对维持区域水安全、粮食安全和生态系统稳定具有重要作用。把绿水资源量评估纳入到传统水资源评估体系中,并对传统的水资源管理进行革新是一项势在必行的举措。     

1988—2015年新疆农业用水时空变化与政策驱动研究

农业用水是人类开发利用水资源以及影响生态系统的主要扰动因素,科学定量农业用水是合理配置与调控区域水资源的基础工作。传统的农业用水统计只是记录了可测量的用水量,而水足迹则完整刻画了人类活动对水资源系统的压力表现。从水足迹理论出发,采用Cropwat软件计算了新疆1988—2015年近20种农作物生产水足迹总量,并利用Mann-Kendall趋势和突变检验的方法,分析了28年间新疆农作物水足迹的时空变化,探讨了农作物水足迹驱动因素及机制。结果表明：新疆农作物水足迹在28年间总量增加了256%;水足迹序列在2005年前后增长出现了突变,后一阶段增长率是前一阶段的3倍以上;从农作物水足迹中蓝水足迹与绿水足迹的构成看,农作物绿水足迹呈持续增加趋势,但其在农作物水足迹总量中的比例略有下降。进一步分析表明,农业种植规模的快速扩张是新疆农作物水足迹大幅度增加的根本原因,而脱贫致富、扶贫攻坚等经济发展需求下的政策（战略）支持是农业种植规模（灌溉面积）持续快速增长的核心驱动力。通过探究农作物水足迹的变化及原因,揭示了新疆农业用水的时空变化,以及农作物水足迹与国家、地方政策和社会活动之间的关系,可为深入解析新疆农业增长与水资源开发利用及生态环境之间的时空演化关系和相关决策与政策制定提供参考。     

1998～2007年中国农业用水分析

中国农业用水在未来将面临巨大的挑战。根据国际农业用水研究和政策领域近10年出现的范式变迁的核心内容,建立了基于"绿水"、"蓝水"的中国农业用水的新综合分析框架。并利用广义农业水资源量和广义农业水土资源匹配的概念和评估方法,分析了全国1998～2007年10年间4种主要粮食作物(水稻、小麦、玉米和大豆)的农业用水、耗水以及水分生产力变化趋势和现状。结果表明:中国广义农业水资源量中57%来源于耕地有效降水的"绿水",43%来源于耕地灌溉"蓝水"。主要粮食作物水分生产力水平已经接近或达到世界较高水平。未来继续提升水分生产力的任务将会更加艰巨。因此,为保证中国粮食安全,建议国家设立"粮食安全水资源红线"。同时,根据广义农业水资源量的分析计算,主要粮食作物用水安全红线应该划定在大约7800亿m3左右。     

Study of water resources for crop utilization in China from the perspective of Virtual Water

Based on the Virtual Water Theory, the research analyzed the spatial and temporal distribution characteristics of major crops in China. Analysis results indicate that the unit virtual water content varies with the type of crop obviously as well as the distribution region. We also found irrational water utilization in some regions, which means that the renewable water sources could not meet the water demand for crop growth. With a view solving these problems found in the research, discussions on agricultural water-saving technology, comprehensive allocation of crops, selection of rational cropping pattern, full use of green water and trade of virtual water were carried out, which may result in some theoretical basis for the sustainable utilization of agricultural water resources in China.     

Pore water geochemistry near the sediment-water interface of a zoned, freshwater wetland in the southeastern United States

 Sediment and its associated pore water were collected from a zoned, freshwater, riparian wetland, located in the Talladega National Forest, northeastern Hale County, Alabama, to study the porewater chemistry and its spatial changes within and between the wetland ecological zones. Obvious changes in pH, Eh and element concentrations were observed between the different wetland ecological zones. Major cations (Ca, Mg, and Na) and trace elements (B, Ba, Sr, and Mn) have very good spatial correlation with Fe and Mn distributions, both in the pore water and the sediment, suggesting that adsorption on, and desorption from, iron and manganese oxyhydroxides are important processes controlling the distributions of these elements in the wetland sediment. However, an equilibrium adsorption model is not able to explain the distribution of trace elements between the pore water and sediment. A redox kinetic model gives similar vertical profiles for iron and the correlated elements as those measured in the field and thus suggests that the relative rates of ferrous iron oxidation and the reductive dissolution of ferric iron in the sediment are important variables determining the distributions of these elements in the wetland pore waters. Received: 31 October 1996 · Accepted: 27 May 1997     

水分生产率指标的时空差异及相关关系

为从不同视角揭示农业水资源利用与粮食生产的关系,分析了中国灌区毛入流量水分生产率（P_wg）、毛灌水量水分生产率（P_wI）、蒸散量水分生产率（P_wET）及广义水资源利用量水分生产率（P_wu）的时空差异及指标间的相关性。结果显示:全国4个指标分别为0.694 kg/m3、1.361 kg/m3、1.314 kg/m3及0.860 kg/m3,各省灌区水分生产率总体上均呈增大趋势;不同年份各指标空间分布格局基本相似,均表现为黄淮海平原及其周边省区较大,东北、长江以南和西北部分省区较小;省际水分生产率差距有扩大迹象,各指标空间差异程度大小关系为P_wI>P_wET>P_wu>P_wg;两两指标间显著线性相关,P_wu与其他指标的相关系数大于0.950。4个指标在科学内涵和数值表现上存在较大差异,但均可用于表征省级尺度粮食水分生产率的空间差异。     

中国中、东部典型样区土壤和水体多样性关联分析

分别选取中国中、东部不同尺度典型样区为研究区域,将多样性理论与方法应用于水体空间分布多样性和土壤构成组分多样性评价中。计算了各研究区及其分区域内,以土属为基本单元的土壤构成组分多样性和2km×2km网格尺度下的水体空间分布多样性,并探索了两者之间的内在联系。研究结果表明:将多样性理论与研究方法应用于区域水资源的空间分布离散性评价具有可操作性;区域水体总面积变化与区域水体空间分布多样性变化之间具有一定的正相关关系,70%以上数据支持这一推断;区域水体比例与水体空间分布多样性之间并无绝对联系;水体和土壤研究数据均体现出分形特征及结构;区域土壤构成组分多样性与水体空间分布多样性之间存在负相关关系,大尺度区域下的相关系数R²约0.8。     

1979-2010年中国流域水汽含量变化

为进一步丰富对中国上空水汽含量与可降水量气候平均状态及其变化的认识,利用日本气象中心的再分析资料,计算得到中国平均水汽含量分布图和各个季节水汽含量分布图。以再分析资料为基础计算得到的分布图与以探空资料为基础得到的分布图进行比较,可验证二者的合理性和不足之处。以流域为单元,分析了1979-2010年中国大陆区流域含量变化,结果表明:中国各流域年平均可降水量的年际变化都不大,变差系数都小于0.1;年际变化最大的处于中国西北地区的流域,变差系数都大于0.06;年平均可降水量呈显著增加的流域有北疆、塔里木内流区、河西走廊及阿拉善地区、柴达木内流区和羌塘内流区,呈显著减少的流域有东南诸河和内蒙古内流区,其他流域变化不显著。