区域农业水资源系统恢复力特征及其对农业种植结构影响效应研究

发布时间：2020-09-01 14:58

　　黑龙江省建三江管理局位于我国北部三江平原腹地,区域内部土地集中,水土资源丰富,适宜发展农业生产,是我国重要的商品粮生产和储备基地。随着对经济和人口的不断发展,对粮食的需求日益增强,农民为追求高产而过分开采土地,大量施用化肥、农药等,使其农业水资源系统的健康稳定受到越来越多的干扰,由此引发地下水水位骤降、水资源污染严重、水资源总量锐减、水土流失面积增加等一系列生态环境问题,造成农业水资源系统超负荷运行。针对上述建三江管理局水资源系统存在的问题,本研究以黑龙江省建三江管理局下辖的15个农场为例,通过建立指标优选模型构建合理的区域农业水资源系统评价指标体系,采用四种评价模型计算农业水资源系统恢复力指数,采用特定方法筛选出水资源系统恢复力最优测度方法,并分析农业水资源系统恢复力时空演变格局,基于上述分析结果建立不同恢复力背景约束条件下的农业种植结构优化模型,为保证农业水资源安全、粮食生产安全和生态安全提供科学技术理论指导。研究结果如下:(1)本文辨析农业水资源系统恢复力内涵,遴选了涵盖水资源系统、农业系统、社会经济系统和生态环境系统四个系统50个评价指标初选集,以聚类分析和信息含量最大作为优选指标模型的基本原理,共筛选出17个指标,最终构建区域农业水资源系统评价指标体系,通过34%的评价指标所建立的指标体系可以十分合理的反映指标原始信息,并参照前人研究成果,从指标体系构建、初始指标选择及筛选指标层差异等方面对比分析,得出本文所构建的指标体系更加合理可靠。基于拉格朗日极值组合赋权模型,将主观(层次分析法)和客观(CRITIC)所得权重进行合理的综合,得出各优选指标的权重系数,它可以十分恰当的确定出每个指标占整体比例的量化值。(2)根据已构建的农业水资源系统恢复力指标评价体系,以黑龙江省建三江管理局2015年15个农场的农业水资源系统为例,采用可变模糊评价模型、逼近理想解排序法(TOPSIS)、支持向量机(SVM)、基于粒子群算法优化的支持向量机(PSO-SVM)四种方法对水资源恢复力进行测度分析。依据序号总和理论和Spearman相关系数对各方法排序进行计算,得出测度模型稳定性,采用等级差异性最大原则的ArcGIS自然断点法确定15个农场的恢复力等级,通过区分度理论综合对四种评价方法恢复力等级可靠性进行分析。利用ArcGIS空间数据分析技术,绘制最优测度模型PSO-SVM模型下的2015年建三江管理局农业水资源系统恢复力空间分布图,结果表明:模型稳定性由好到差分别为PSO-SVM模型、SVM模型、可变模糊评价模型和TOPSIS模型,虽然等级之间存在差异,但各农场评价不一致结果等级相差两级仅占总评价结果的10%;水资源恢复力处于I、II等级分别占据了农场总数的53.3%,其中建三江管理局中农场水资源恢复力等级为IV级仅为浓江、洪河农场,其水资源恢复力空间分布整体呈现由西南向东北增强趋势;依据区分度理论和标准化散点图综合得出PSO-SVM模型具有最优的可靠性。(3)基于农业水资源恢复力最优测度模型—PSO-SVM模型分别计算不同年份建三江管理局15个农场的恢复力指数,并对每个农场的恢复力进行等级划分。利用ArcGIS软件分别绘制不同年份恢复力等级空间分布图,对不同年份恢复力等级进行时空分析,并参照各指标等级划分得出各农场恢复力等级和各指标等级间关系,判定该区域各农场恢复力指标等级强弱。借鉴波动度理论、格网单元分析理论分别分析了农业水资源恢复力年际变化和等级变化,通过障碍指标方法诊断出制约农业水资源恢复能力的主要障碍指标,可以看出:随着时间变化,该区域各农场的水资源恢复力等级空间分布显著变化,各年农业水资源恢复力处于I、II等级农场均占农场总数的一半以上。年际变化相对稳定,仅有前锋农场和胜利农场处于强波动程度。根据各指标恢复力等级与农场等级关系得出,各农场存在指标等级低于相应农场等级现象,需格外引起注意。(4)构建多目标布谷鸟优化算法分析建三江管理局农作物种植结构,对该区域主要种植的粮食作物近十余年种植面积进行排序分析,最终选择各农场水稻、大豆和玉米种植面积为变量,选取农作物产量、农作物净产值、生态效益以及水分生产效益最大为目标函数,以农作物种植面积、单位面积农作物净产值、毛灌溉定额及恢复力系数等为约束条件,通过模型优化,可以得出:与2017年现状年份相比,经优化的2020年和2025年的水稻、大豆和玉米种植面积的经济效益、生态效益和水分生产效益均有较大提升。除此以外,与未加入恢复力系数约束条件相比,农业种植结构受到水资源恢复力系数制约显著,该区域发展农业生产需予以适当考虑。
【学位单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：F323.213;F326.1
【部分图文】：

管理局,地理位置

图 2-1 建三江管理局地理位置及行政分区Fig. 2-1 Location and administrative division of Jiansanjiang Administration2.1.2 气候及地形地貌黑龙江省农垦建三江管理局坐落在中纬度，属于寒温带，四季气候差异显著，冬季漫长而夏季短促，春季多风而夏季多雨。年平均气温处于 1℃-2℃度之间，其中最高气温出现在每年的 7 月份，为 38℃；最低气温出现在每年的一月份，为-41.6℃。管理局全年日照时长处于 2260-2415h 之间，全年平均降雨量处于 550-600mm 之间，无霜期短，约为 130 天[71]。这里的气温、日照时长、降雨量等为经济作物提供有利的生长环境。建三江垦区是由三条江流（黑龙江、乌苏里江、松花江）冲积而成的，地势西南方向高于东北方向，坡将平缓，通常在 1/5000-1/12000 之间。垦区内部平原面积在 95%以上，外围局部区域分布山丘、山地。由于平原中部处于间歇性下沉的沉降变化，因此形成了二级以上的迭阶地现状，呈现在地貌景观上为两级阶地。平原区域的海拔高程一般处于 40-60m 之间，山丘分布在区域北部勤得利农场以及南部胜利农场等地，海拔高程处于 400-500m 之间。分布在垦区内部的松花江、乌苏里江、鸭绿江等河流的岸边均有河漫滩，形状多呈现狭长地带状，海拔高程处于 40-50m 之间[4]。

水资源恢复,模糊评价模型,农场,管理局

38图 3-1 基于可变模糊评价模型 2015 年建三江管理局各农场水资源恢复力空间分布特征Fig.3-1 Spatial distribution characteristics of water resources resilience of farms in SanjiangAdministration Bureau based on variable fuzzy evaluation model in 2015从图 3-1 评价结果可以看出，2015 年建三江管理局水资源恢复力整体处于 II 级。区域河农场水资源恢复力处于 IV 等，是水资源恢复力最强的农场，说明区域内水资源系统稳定，受到影响后能快速恢复平衡；八九五、胜利、勤得利、前哨、前锋、二道河及浓场水资源恢复力等级处于Ⅲ级，区域水资源系统稳定，受到外界影响后恢复平衡速度快区域七星、青龙山、红卫和鸭绿河农场的农业水资源恢复力等级处于 II 等，区域水资源稳定性较差，受到外界影响后能恢复平衡，但是恢复所需时间较长，恢复速度慢；恢复级为 I 级的包括大兴、前进及创业农场，水资源系统十分脆弱，一旦受到破坏将难以恢衡，需花费大量时间、人力和物力等帮助其恢复平衡，损失极大，综上可知区域农业水系统当前状态急需改善和保护。.3.2 基于 TOPSIS 模型的农业水资源系统恢复力测度采用 TOPSIS 模型对建三江管理局 2015 年 15 个农场水资源系统恢复力进行测度，为

水资源恢复,农场,管理局,空间分布特征

41图 3-3 基于 TOPSIS 模型 2015 年建三江管理局各农场水资源恢复力空间分布特征Fig. 3-3 Spatial distribution characteristics of water resources resilience of farms in SanjiangAdministration Bureau based on TOPSIS model in 2015从图 3-3评价结果可以看出，区域内水资源恢复力处于 IV等的农场为洪河和八九五农场域内水资源系统非常稳定，受到影响后能快速恢复平衡；胜利、勤得利、前哨、前锋及农场水资源恢复力等级为Ⅲ级，区域水资源系统相对稳定，受到外界影响后恢复平衡速；大兴、前进、红卫及鸭绿河农场农业水资源恢复力处于Ⅱ级，区域水资源系统稳定性，受到外界影响后能恢复平衡，但是速度慢；恢复力等级为 I 等包括七星、青龙山、创二道河农场，水资源系统十分脆弱，一旦受到破坏将难以恢复平衡。.3.3 基于 SVM 模型的农业水资源系统恢复力测度与上述划分等级一致，采用自然断点法对农业水资源恢复力评价指标进行划分，指标标准如表 3-5 所示。

【参考文献】