玉米生产的水土资源平衡及其环境效应——以西辽河流域为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 刘莹 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 杨艳昭 |
| 关键词 | 水土资源平衡 玉米生产 环境效应 农业可持续 西辽河流域 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 自然资源学 |
| 英文摘要 | 在气候变化和人类活动的双重作用下，水土资源的高效管理对保障区域农业的可持续发展和生态环境保护至关重要。西辽河流域地处东北黄金玉米带高产地区，是中国玉米主产区之一，同时也是中国农牧交错带东缘的气候变化敏感区，随着人类活动不断增强，优化农业水土资源配置成为提高粮食生产能力、解决水土资源短缺与农业需求矛盾的关键。基于此，论文以西辽河流域玉米生产的水土资源利用为切入点，运用遥感和GIS技术，定量探讨1981~2020年玉米种植的布局演变及其水土资源平衡特征，明确玉米生产的水土资源利用时空变化特征，多时空角度分析不同时期玉米生产对环境的影响。 （1）利用中分辨率成像光谱仪（MODIS）遥感数据产品，根据野外采样点数据和遥感云计算平台（GEE），结合玉米生长的物候特征（EVI、NDVI），通过随机森林算法和决策树分类模型，识别并分析西辽河流域2000~2020年玉米种植区的时空分布格局变化。分类结果表明，随机森林分类模型的总体验证精度均在90%以上，两种模型的识别结果有超过60%的区域是一致的；西辽河流域玉米种植面积持续增长，总面积增加了一倍以上，年平均增长率为22.6%，空间上主要集中于西辽河下游的平原地带。遥感识别的结果具有一定科学性和实用性，为该区域玉米种植面积未来变化趋势的模拟提供了良好的数据基础。 （2）利用1981~2020年逐日气象站点数据和实地调研数据，计算西辽河流域玉米生长的水土资源平衡关键参数，构建气候水分平衡模型，定量分析西辽河流域气候水分平衡时空变化特征，摸清玉米生产的水土资源本底状况。 1981~2020年西辽河流域平均潜在蒸散发量为645.82mm，年际呈波动上升趋势，逐旬显示出单峰对称变化；空间上以区域中部的开鲁县为中心，向四周递减。区域内气候水分平衡整体处于亏缺状态，多年平均水分平衡量为-269.85mm，且空间差异显著；仅在玉米生长的抽雄期和灌浆期会出现短暂的水分盈余现象，其余3个生长周期均以亏缺为主要特征。 （3）利用作物系数法计算玉米作物需水量与灌溉需水量，评估玉米生产对水资源的需求，并对影响玉米水分平衡的主要气象因素进行敏感性分析；构建水土资源平衡模型，综合分析了气候水分与玉米生长需水量之间的相互作用，揭示西辽河流域玉米生长的水土资源利用效率和可持续性。结果表明：玉米的作物需水量和灌溉需水量均呈现波动上升趋势，灌溉需求最高时段为玉米的抽雄和灌浆时期，占全生育期总需求的60%以上；空间分布上，作物需水量和灌溉需水量的高值区均集中在中部的西辽河下游地区，由中心向四周递减，且干旱年要比丰水年的灌溉需水量显著增加200mm以上。不同降水年型下，最高温度对灌溉需水量的影响最为显著，尤其在干旱年，风速等其他气象要素的影响相对较小。1981~2020年玉米生长的水土资源平衡状态整体呈现从超载转向盈余的趋势，尤其是2018年灌溉技术改进为滴灌后，整体灌溉用水相较2015年减少了2倍以上，用水效率显著提升，灌溉方式的改进对维持西辽河流域水土资源平衡状态发挥了显著的积极作用。 （4）综合应用水土资源平衡结果、CMIP6未来气候模式模拟数据，以及PLUS模型和温室气体排放核算公式，对西辽河流域玉米生产的水土资源利用对环境影响，以及未来气候变化对玉米生产所需水土资源的潜在影响进行了系统评估。研究结果表明：在玉米生产过程中，化肥和灌溉用电是当前主要的温室气体排放源，其中在使用化肥过程所产生的温室气体排放当量占到整个生育期温室气体排放的66.9%；尽管灌溉技术的改进有效提升了灌溉水利用效率，但灌溉用电间接带来的温室气体排放当量仍占到整个生育期温室气体排放的28.00%。未来情景预测表明，随着平均降水量的潜在减少和玉米需水量的增加，2035年及2050年玉米的作物需水量将持续上升，预示未来玉米生长对人工灌溉的依赖程度将不断加深。随着玉米种植面积的增长，未来玉米生产的灌溉需求、用电量和温室气体排放量预计将持续增加；其中灌溉用水效率的提高虽然降低了用水量，但灌溉用电引起的温室气体排放将持续增加，尤其在SSP585情景下，2050年的温室气体排放量可能是2020年的约16倍；该结果表明未来西辽河流域温室气体排放量持续增加，当前的生产方式在未来气候变化下可能会带来更大的水资源压力和环境挑战。 |
| 学科主题 | 自然资源学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 147 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209251]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘莹. 玉米生产的水土资源平衡及其环境效应——以西辽河流域为例[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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