【摘要】：紅興隆管理局位于三江平原中南部,其生態(tài)環(huán)境條件適宜農(nóng)業(yè)發(fā)展,是我國不可或缺的糧食儲備基地以及商品糧生產(chǎn)基地。但隨著經(jīng)濟發(fā)展,紅興隆管理局過度發(fā)展水稻種植業(yè),導致地下水超采、水資源短缺、土壤質(zhì)量退化等一系列的水土環(huán)境和生態(tài)問題,對當?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生存環(huán)境產(chǎn)生嚴重威脅。此種背景下,本研究以紅興隆管理局12個農(nóng)場為例,對區(qū)域農(nóng)田土壤墑情進行了監(jiān)測、延拓與預報,建立了考慮土壤墑情的區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力評價指標體系,完成了區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力評價研究,分析了土壤墑情對區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力的影響效應,研究了考慮土壤墑情、降水量和地下水埋深背景下的區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力未來演變格局,為紅興隆管理局水土資源的可持續(xù)高效利用提供理論支持和政策指導。主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)根據(jù)偏最小二乘法,利用紅興隆管理局2017年土壤墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)和相關水文氣象數(shù)據(jù),建立了土壤含水量回歸方程。同時,結合往年氣象資料數(shù)據(jù),利用已建立的偏最小二乘回歸模型,對土壤墑情進行延拓,并繪制紅興隆管理局2013-2017年時空變化分布圖。研究結果表明,紅興隆管理局整體土壤墑情呈下降趨勢,其中東部地區(qū)土壤墑情較高,西部地區(qū)次之,中部地區(qū)土壤墑情較低。(2)根據(jù)紅興隆管理局農(nóng)業(yè)水土資源的特征,同時參照前人的研究,采用驅動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(Driving forces-Pressure-State-Impact-Response,DPSIR)模型構建考慮土壤墑情的區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力評價初選指標體系。運用SPSS工具,根據(jù)最小均方差法和極大不相關法對初選指標進行篩選,最終優(yōu)選出降水量、產(chǎn)水系數(shù)、單位耕地面積農(nóng)藥施用量、單位耕地面積化肥施用量、萬元GDP能耗、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占GDP比重、農(nóng)業(yè)投資占總投資比重、人均純收入、氣溫、蒸發(fā)量、土壤墑情、地下水埋深、水利資金總投入、糧食單產(chǎn)等14項指標作為紅興隆管理局農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力評價指標。(3)根據(jù)農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力評價指標體系,利用基于模擬退火和粒子群混合算法優(yōu)化的投影尋蹤模型、基于粒子群算法優(yōu)化的投影尋蹤模型和基于改進雞群算法優(yōu)化的投影尋蹤模型對紅興隆管理局12個農(nóng)場2013-2017年的農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力進行評價。根據(jù)評價結果的穩(wěn)定性和可靠性篩選出基于模擬退火和粒子群混合算法優(yōu)化的投影尋蹤模型為區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力最優(yōu)測度方法。(4)根據(jù)基于模擬退火和粒子群混合算法優(yōu)化的投影尋蹤模型的評價結果,結合ArcGIS空間數(shù)據(jù)分析技術,繪制紅興隆管理局農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力時空變化分布圖。研究結果表明,時間尺度上,紅興隆管理局農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力呈逐漸下降趨勢;空間尺度上,紅興隆管理局農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力呈現(xiàn)出東部地區(qū)較強、西部地區(qū)次之,中部地區(qū)較弱的地域性規(guī)律。(5)根據(jù)主成分分析法,對紅興隆管理局各農(nóng)場農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力驅動機制進行分析。研究結果表明,降水量、人均純收入、農(nóng)業(yè)投資占總投資比重、土壤墑情、地下水埋深等5項指標對區(qū)域農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力的影響最大,為關鍵驅動因子。(6)根據(jù)土壤墑情時間序列特征,構建基于經(jīng)驗模態(tài)分解、粒子群算法優(yōu)化極限學習機的組合時間序列預測模型。利用組合時間序列預測模型對紅興隆管理局土壤墑情進行預報,結果表明:該模型取得了較好的預測效果。同時,利用組合時間序列預測模型對管理局降水量和地下水埋深進行預測,也取得了不錯的預測效果。最終得到紅興隆管理局2018-2021年土壤墑情、降水量和地下水埋設預測數(shù)據(jù)。(7)根據(jù)土壤墑情、降水量和地下水埋深預測數(shù)據(jù),在其它評價指標保持穩(wěn)定的情況下,利用基于模擬退火和粒子群混合算法優(yōu)化的投影尋蹤模型,獲取紅興隆管理局系統(tǒng)恢復力2018-2021年未來演化態(tài)勢。結合紅興隆管理局水土資源概況、農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力評價及驅動機制研究、土壤墑情及系統(tǒng)恢復力的未來演變態(tài)勢研究,提出紅興隆管理局農(nóng)業(yè)水土資源復合系統(tǒng)恢復力建設路徑,為紅興隆管理局可持續(xù)發(fā)展提供決策支持。
【學位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：S152.7
【圖文】：

在經(jīng)濟社會不斷發(fā)展的情況下，紅興隆管理局作為黑龍江省較大的墾區(qū)之一，對其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的標準和要求也在進一步提高。土壤含水量作為農(nóng)作物生長發(fā)育的重要因素，對農(nóng)田各項活動的順利進行和能否有良好的耕作質(zhì)量，農(nóng)作物的收成好壞具有密切關系。土壤墑情的監(jiān)測、延拓和預測都是發(fā)展現(xiàn)代高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要手段。因此，開展土壤墑情監(jiān)測、延拓和預測工作對于紅興隆管理局合理開發(fā)利用水土資源和耕地資源具有科學的指導意義。2.1 研究區(qū)域概況2.1.1 地理位置紅興隆管理局位于中國黑龍江省東北部，三江平原腹地，地理坐標為東經(jīng) 129°55'-134°12'北緯 45°35'-47°17'[10-11]。管理局東部與烏蘇里江相鄰，北部與松花江相鄰，水資源相對豐富，生態(tài)環(huán)境適合大型農(nóng)場的發(fā)展。管理局地跨七縣（饒河、寶清、集賢、樺川、樺南、勃力、友誼）三市（雙鴨山、七臺河、富錦），東西長 330km，南北寬 170 km，總面積 9646.6 km2[84-85]。全局下轄 12 個大中型國營農(nóng)場：友誼、五九七、八五二、八五三、饒河、二九一、雙鴨山、江川、曙光、北興、紅旗嶺、寶山。具體行政區(qū)劃如圖 2-1 所示。

含水量從 30.7％（2013 年）降低到 24.7％（2017 年），年平均降低 1.50％；北興農(nóng)場土壤含水量從 31.1％（2013 年）降低到 28.1％（2017 年），年平均降低 0.75％；紅旗嶺農(nóng)場土壤含水量從 30.2％（2013 年）降低到 26.1％（2017 年），年平均降低 1.03％；寶山農(nóng)場土壤含水量從 30.8％（2013 年）降低到 27.9％（2017 年），年平均降低 0.73％。時間尺度上，由上述研究可以看出，紅興隆管理局整體及各農(nóng)場的土壤含水量均呈現(xiàn)下降趨勢，造成該結果的原因主要有：紅興隆管理局降水量呈現(xiàn)下降趨勢，其中，2013 年管理局降水量達到 600 多 mm，2017 年管理局的降水量卻只有 500 多 mm，同時，蒸發(fā)量卻從 1000多 mm（2013 年）上升到 1200 多 mm（2017 年），降水量減少、蒸發(fā)量增加，會導致管理局可利用水資源相應減少；管理局內(nèi)耕地面積由 476877hm2（2013 年）增加到 491334hm2（2017年），因為管理局主要利用地下水進行灌溉（2017 年管理局共有機電井 14311 眼），耕地面積增加，灌溉用水量相應增長，進而導致管理局地下水資源減少；綜上所述，由于氣象因素（降水量減少和蒸發(fā)量增加）及人類活動（耕地面積增加）的綜合影響，導致紅興隆管理局土壤含水量逐年降低。2.5.6 土壤墑情空間分布特征分析為了更加直觀的了解土壤墑情的空間差異，根據(jù)表 2-4，利用 ArcGIS 的可視化功能，繪制紅興隆管理局逐年土壤墑情空間分布圖，如圖 2-9 至圖 2-13 所示。

圖 2-10 紅興隆管理局 2014 年土壤含水量空間分布Fig.2-10 Spatial distribution of the soil moisture of the Hongxinglong Administration in 2014

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本文編號：2778507