河西地區(qū)作為以灌溉農(nóng)業(yè)為主的區(qū)域,農(nóng)業(yè)水消費占比達80%以上,農(nóng)業(yè)開發(fā)是對綠洲生態(tài)系統(tǒng)影響最劇烈的人類活動,且存在用水效率較低,水資源浪費嚴重的問題,農(nóng)業(yè)用水供需矛盾十分突出。氣候波動、種植規(guī)模變化、作物結(jié)構(gòu)調(diào)整以及工程節(jié)水措施等因素都能夠從不同層面影響作物需求量。所以,本研究在水足跡的基礎上,引入水資源壓力指數(shù)(WSI)和作物耗水量(water deprivation)的概念,分析了1991-2013年流域尺度(石羊河流域、黑河流域、疏勒河流域)10種主要農(nóng)作物春小麥、玉米、薯類(馬鈴薯)、棉花、胡麻、油菜、蔬菜、瓜類、蘋果、葡萄的蒸散量(ET_C)、作物耗水量和灰水需求量的時間序列變化特征,在此基礎上,重點研究了氣候要素(作物生長期內(nèi)的降水P、風速W、相對濕度R、最低氣溫T_(min)、最高氣溫T_(max)、平均氣溫T_(ave)、日照時數(shù)S)和社會經(jīng)濟要素(農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展、人口數(shù)量、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、用水強度、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整)對農(nóng)作物需水量(耗水量和灰水量)的驅(qū)動機制,最后在水足跡細分和虛擬水貿(mào)易的前提下,建立多目標優(yōu)化模型,通過種植結(jié)構(gòu)調(diào)整對區(qū)域水資源進行合理配置。基于本文的研究主要得出以下結(jié)論:1、作物耗水氣候響應方面。(1)1991-2013年基于HP濾波法分離的各作物單位經(jīng)濟技術(shù)耗水量均基本符合本區(qū)域農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展實際和不同作物現(xiàn)實發(fā)展狀況,是一種科學有效的分離方法;石羊河流域油菜、葡萄、棉花、胡麻、蘋果作物單位氣候耗水量波動性相對較大,且所有農(nóng)作物單位氣候耗水量漸趨穩(wěn)定;黑河流域油菜、葡萄、胡麻、蘋果、棉花作物單位氣候耗水量隨時間的波動性較大,除春小麥和瓜類作物外,其余農(nóng)作物單位氣候耗水量均漸趨穩(wěn)定;疏勒河流域胡麻、葡萄、棉花、蘋果、薯類作物單位氣候耗水量波動性均較大,薯類、棉花、胡麻、油菜、蔬菜、蘋果作物單位耗水量漸趨穩(wěn)定。(2)基于逐步回歸分析法的氣候響應結(jié)果可知:不同作物的氣候驅(qū)動因子差異顯著,且同種作物單位氣候耗水響應機制區(qū)際差異性顯著;石羊河流域多數(shù)作物單位氣候耗水量變化影響因子集中在7月份平均最高氣溫,且表現(xiàn)為正向驅(qū)動作用;黑河流域多數(shù)作物單位氣候耗水量變化的主要抑制要素為5-7月份降水量,促進因子為7-8月份風速;疏勒河流域多數(shù)作物單位氣候耗水量氣候響應因子集中在5-6月份風速和7月份降水量,且風速基本為正向驅(qū)動因素,降水為抑制因素;石羊河流域作物耗水量變化對氣溫變化較為敏感,在全球氣候變暖的背景下,作物氣候耗水量將會存在增加的趨勢,不利于本區(qū)域的節(jié)水灌溉,而黑河和疏勒河流域均為降水敏感區(qū),作物耗水量變化對全球氣候變暖大趨勢的響應機制尚不明朗。2、基于LMDI分解的農(nóng)作物需水(耗水量和灰水量)經(jīng)濟技術(shù)要素驅(qū)動方面。(1)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展效應和耗水強度效應(灰水強度效應)分別是流域作物總耗水量(灰水需求量)變化以及分作物類型耗水量(灰水需求量)變化的主要增量效應和減量效應,且時間序列累積效應均分別為增量和減量效應,但不同作物、不同流域各分解效應的具體時序變化特征和累積變化量差異較大。(2)作物總耗水量和總灰水量變化的各分解效應流域間差異:兩種需水變化的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效應在各流域均呈現(xiàn)上升趨勢;各流域人口效應對兩種需水量變化的影響方向均不穩(wěn)定,均為貢獻率絕對值最小的因素;耗水強度效應和灰水強度效應是貢獻率最大的抑制效應,其中石羊河流域兩種水資源強度效應階段性變化差異顯著;各流域作物結(jié)構(gòu)調(diào)整效應多數(shù)年份對兩種需水量變化均表現(xiàn)為減量效應,是僅次于水資源強度效應的抑制效應,且耗水量變化的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整效應影響方向均較灰水量的穩(wěn)定;各流域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應對兩種需水量的影響方向均不穩(wěn)定,其中疏勒河流域兩種需水量變化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)累積效應均為抑制效應,其他流域累積效應表現(xiàn)為促進效應。(3)耗水量變化各分解效應作物間差異:石羊河流域玉米、薯類、棉花、蔬菜、葡萄作物耗水變化的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效應均呈上升趨勢,其余農(nóng)作物均不存在趨勢性;主要作物耗水量變化的人口效應均呈下降趨勢,除春小麥外,其他作物人口效應累積均為抑制效應;主要作物耗水變化的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應累積均為增量效應,其中胡麻作物存在下降趨勢,其余作物不存在趨勢性;種植結(jié)構(gòu)調(diào)整效應不同作物間差異較大,其中春小麥、胡麻、油菜作物累積為抑制效應,其余作物累計為促進效應,且胡麻、葡萄作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整效應存在上升趨勢,油菜作物呈下降趨勢;小麥、胡麻、葡萄作物的耗水強度效應呈上升趨勢,玉米作物呈下降趨勢。黑河流域薯類、蔬菜及葡萄作物耗水變化的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效應均存在上升趨勢,其余作物不存在趨勢性;棉花、胡麻、油菜、蔬菜作物耗水強度效應的影響方向不穩(wěn)定,其余作物基本穩(wěn)定為抑制效應,其中春小麥、油菜作物表現(xiàn)出上升趨勢,葡萄、蔬菜作物呈下降趨勢;薯類、蔬菜、蘋果、葡萄作物耗水變化的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整效應累積為促進效應,剩余作物累計為抑制效應,且春小麥和棉花作物結(jié)構(gòu)調(diào)整效應存在下降趨勢,葡萄作物則存在上升趨勢;主要農(nóng)作物耗水變化的人口效應累積均為抑制效應,且均不存在趨勢性;除棉花作物外,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應累積均為促進效應,且均不存在趨勢性。疏勒河流域葡萄作物耗水變化的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效應呈上升趨勢,其余作物不存在趨勢性;春小麥、玉米作物耗水強度效應存在上升趨勢,瓜類作物則呈下降趨勢;除蔬菜、瓜類、葡萄作物外,其他作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整效應累積均為抑制效應,且薯類、棉花作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整效應存在下降趨勢,瓜類、葡萄作物表現(xiàn)為上升趨勢;不同作物耗水變化的人口效應及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應累積均顯示為促進效應,且均不存在趨勢性。(4)灰水需求變化各分解效應作物間差異:石羊河流域春小麥、薯類、油料、瓜類、蘋果作物灰水變化的人口效應在研究期內(nèi)均呈下降趨勢,其余作物不存在趨勢性,其中薯類、棉花、葡萄作物人口效應累積為減量效應;玉米、薯類、棉花、胡麻、蔬菜、葡萄作物農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效應均存在上升趨勢,其余作物不存在趨勢性;胡麻、葡萄作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整效應呈上升趨勢,油料作物呈下降趨勢,其中春小麥、油菜作物累積為增量效應;作物產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應趨勢性均不明顯,但累積均表現(xiàn)為增量效應;棉花作物灰水強度效應均呈下降趨勢,胡麻、蔬菜、蘋果、葡萄作物呈上升趨勢;春小麥、油菜作物累積總效應均為為抑制效應,且春小麥、油菜、蘋果作物灰水總效應呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,玉米、胡麻、葡萄作物均呈上升趨勢。黑河流域作物灰水需求變化的人口效應均不存在趨勢性,且累積均為減量效應;玉米、薯類、棉花、蔬菜、葡萄作物農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效應呈上升趨勢,其余作物不存在趨勢性;除葡萄作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整效應存在上升趨勢外,其余作物均不存在趨勢性,其中,春小麥、玉米、胡麻、油菜、瓜類作物累計為抑制效應;春小麥作物灰水強度效應呈上升趨勢,蔬菜、葡萄作物表現(xiàn)為下降趨勢;除棉花作物外,其余作物產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)效應累積均為增量效應,且作物均不存在趨勢性;主要農(nóng)作物灰水總效應變化特征差異較大,其中棉花和蘋果作物灰水變化的總效應呈下降趨勢,小麥、玉米、薯類作物呈上升趨勢。疏勒河流域主要農(nóng)作物灰水變化的人口效應均呈上升趨勢,累計效應均為增量效應;薯類、棉花、蔬菜、瓜類和葡萄作物農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效應均表現(xiàn)為上升趨勢,剩余農(nóng)作物不存在趨勢性;不同作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整效應累積均為減量效應,其中薯類、棉花作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整效應呈下降趨勢,瓜類、葡萄作物呈上升趨勢;瓜類、葡萄作物灰水強度效應呈下降趨勢,小麥、玉米作物表現(xiàn)出上升趨勢;薯類、蔬菜、瓜類、葡萄作物產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整效應均呈上升趨勢,其余作物不存在趨勢性;主要作物總效應的影響方向波動均較大,其中春小麥、玉米、胡麻、蘋果作物總效應多數(shù)年份顯示為抑制效應,所有農(nóng)作物灰水變化且春小麥、玉米、蔬菜、瓜類、葡萄作物呈上升趨勢,其余作物不存在趨勢性。3、基于水足跡細分的水資源優(yōu)化配置方面。通過壓縮糧食作物種植面積,以虛擬水貿(mào)易的方式來滿足糧食需求,在兩種情景下河西地區(qū)分別節(jié)約了2.38×10~8m~3、4.8×10~8m~3水資源,虛擬水貿(mào)易是科學解決區(qū)域水資源短缺、提高水資源使用效率的有效途徑;通過進口糧食作物,增加經(jīng)濟作物種植面積的方式可以提高水資源的綜合效益,但因為經(jīng)濟作物,尤其是瓜果類作物的灰水需求量相對較大,所以過度增加此類作物種植面積的生態(tài)效益并不理想,有待進一步提高經(jīng)濟作物的化肥利用率;在保持現(xiàn)有總種植面積的前提下,進行作物結(jié)構(gòu)調(diào)整,河西地區(qū)應該在壓縮糧食種植面積的同時,提高蔬菜、油料、棉花、薯類作物的種植面積,尤其是大幅度增加蔬菜作物的種植面積;優(yōu)化后各流域間作物類型差異增大,區(qū)際貿(mào)易將更加頻繁。
【學位單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：S27
【文章目錄】：
中文摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 選題背景與意義
        1.1.1 區(qū)域脆弱的生態(tài)與水環(huán)境
        1.1.2 問題提出
        1.1.3 研究目的及意義
    1.2 研究內(nèi)容
    1.3 研究方法和技術(shù)路線
        1.3.1 研究方法
        1.3.2 技術(shù)路線
第二章 綜述
    2.1 水足跡研究綜述
        2.1.1 水足跡概述
        2.1.2 水足跡內(nèi)容研究
        2.1.3 區(qū)域水足跡國內(nèi)外研究進展
    2.2 水資源利用影響評價研究進展
    2.3 農(nóng)業(yè)需水研究進展
        2.3.1 農(nóng)業(yè)需水氣候響應研究
        2.3.2 種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究
第三章 基于水足跡的分流域分作物各類需水量時間序列變化與分析
    3.1 研究區(qū)概況
        3.1.1 河西地區(qū)
        3.1.2 石羊河流域
        3.1.3 黑河流域
        3.1.4 疏勒河流域
    3.2 水足跡核算方法
        3.2.1 作物綠水與藍水計算
        3.2.2 作物灰水計算
    3.3 水資源壓力指數(shù)與可比耗水量計算
    3.4 數(shù)據(jù)來源
    3.5 各流域作物潛在蒸散量（ETC）時間序列分析
        3.5.1 石羊河流域作物潛在蒸散量（ETC）時間序列分析
        3.5.2 黑河流域作物潛在蒸散量（ETC）時間序列分析
        3.5.3 疏勒河流域作物潛在蒸散量（ETC）時間序列分析
    3.6 分流域作物總耗水量時間序列變化
        3.6.1 石羊河流域分作物總耗水量時序分析
        3.6.2 黑河流域分作物總耗水量時序分析
        3.6.3 疏勒河流域分作物總耗水量時序分析
    3.7 分流域作物總灰水需求量時間序列分析
        3.7.1 石羊河流域作物總灰水需求量時間序列分析
        3.7.2 黑河流域作物總灰水需求量時間序列分析
        3.7.3 疏勒河流域作物總灰水需求量時間序列分析
    3.8 分流域分作物單位耗水量與單位灰水量時間序列對比分析
    3.9 本章小結(jié)
第四章 河西地區(qū)主要農(nóng)作物耗水量分離與氣候響應
    4.1 氣候耗水量分離方法
        4.1.1 線性調(diào)合滑動平均數(shù)法
        4.1.2 滑動直線平均數(shù)法
        4.1.3 HP濾波法
    4.2 基于HP濾波的單位作物氣候耗水量與經(jīng)濟技術(shù)耗水量時間序列變化
        4.2.1 石羊河流域單位作物氣候耗水量與經(jīng)濟技術(shù)耗水量時序分析
        4.2.2 黑河流域單位作物氣候耗水量與經(jīng)濟技術(shù)耗水量時序分析
        4.2.3 疏勒河流域單位作物氣候耗水量與經(jīng)濟技術(shù)耗水量時序分析
    4.3 氣候響應分析方法
        4.3.1 斯皮爾曼等級相關(guān)分析法
        4.3.2 逐步回歸法
    4.4 單位作物耗水量氣候響應結(jié)果分析
        4.4.1 石羊河流域單位作物耗水量氣候響應結(jié)果分析
        4.4.2 黑河流域單位作物耗水量氣候響應結(jié)果分析
        4.4.3 疏勒河流域單位作物耗水量氣候響應結(jié)果分析
    4.5 本章小結(jié)
第五章 基于LMDI分解的作物耗水量及灰水需求量變化經(jīng)濟技術(shù)響應研究
    5.1 數(shù)據(jù)來源
    5.2 LMDI分解方法
        5.2.1 Kaya恒等式擴展模型
        5.2.2 農(nóng)業(yè)發(fā)展需水量（耗水量和灰水需求量）LMDI分解方法
    5.3 河西地區(qū)作物耗水量和灰水量變化分解因素時序概況
        5.3.1 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展概況
        5.3.2 作物種植結(jié)構(gòu)演變
        5.3.3 作物耗水量強度演變
        5.3.4 作物灰水強度演變
    5.4 河西地區(qū)總耗水量和總灰水量變化分解效應時序差異
        5.4.1 河西地區(qū)作物總耗水量和總灰水量變化分解效應貢獻率時序差異
        5.4.2 河西地區(qū)作物耗水量和灰水需求量變化分解效應累積變化時序差異
    5.5 總耗水量和總灰水量變化分解效應貢獻率流域差異
        5.5.1 石羊河流域結(jié)果分析
        5.5.2 黑河流域結(jié)果分析
        5.5.3 疏勒河流域結(jié)果分析
    5.6 作物耗水量和灰水量分解效應累積變化區(qū)域差異
        5.6.1 石羊河流域作物總耗水量和總灰水量分解效應累計分析
        5.6.2 黑河流域作物總耗水量和總灰水量分解效應累計分析
        5.6.3 疏勒河流域作物總耗水量和總灰水量分解效應累計分析
    5.7 耗水量變化分解效應作物間差異
        5.7.1 石羊河流域分作物耗水量變化分解結(jié)果研究
        5.7.2 黑河流域分作物耗水量變化分解結(jié)果研究
        5.7.3 疏勒河流域分作物耗水量變化分解結(jié)果研究
    5.8 灰水需求量變化分解效應作物間差異
        5.8.1 石羊河流域分作物灰水需求量變化分解結(jié)果研究
        5.8.2 黑河流域分作物灰水需求量變化分解結(jié)果研究
        5.8.3 疏勒河流域分作物灰水需求量變化分解結(jié)果研究
    5.9 本章小結(jié)
第六章 基于水足跡的多目標種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化
    6.1 作物水足跡細分計算與分析
    6.2 河西地區(qū)水資源優(yōu)化模型
        6.2.1 目標函數(shù)
        6.2.2 約束條件
        6.2.3 模型求解
        6.2.4 模型求解方法
    6.3 河西地區(qū)多目標水資源優(yōu)化配置模型實證分析
        6.3.1 目標函數(shù)求解條件
        6.3.2 虛擬水流與虛擬水貿(mào)易
        6.3.3 糧食作物虛擬水貿(mào)易情景模擬
        6.3.4 優(yōu)化后目標值對比分析
        6.3.5 作物結(jié)構(gòu)優(yōu)化及水資源合理配置結(jié)果分析
        6.3.6 兩種情景優(yōu)化結(jié)果下的糧食貿(mào)易和虛擬水流分析
    6.4 本章小結(jié)
第七章 結(jié)論和展望
    7.1 結(jié)論
    7.2 創(chuàng)新嘗試
    7.3 展望
參考文獻
在學期間的研究成果
附錄


本文編號：2851356