洛阳市节水型种植制度研究与综合评价

论文摘要

水资源紧缺已成为严重制约我国农业和农村经济可持续发展的瓶颈，同时也引发了严重的生态环境问题，我国农业和粮食生产靠大量消耗水资源、发展灌溉面积的外延型增长方式行不通了。建立以水分利用效率和效益为中心的主要区域节水高效种植制度，最大限度地提高水分利用率和水分利用效率是我国农业可持续发展的途径。本研究针对洛阳市水资源缺乏、种植结构与水资源不匹配、农业产量不稳、水分利用效益低下的生产现状，通过收集大量农业统计资料和气象观测资料，以中国农科院农业资源与农业区划研究所长期定位试验基地为依托，以多年田间试验第一手资料为基础，采取大范围面上系统调查和典型地区田间定位试验相结合的方法，在全面研究该区不同降水年型降水量分布规律、旱地农田土壤含水量时空变化规律、主要作物需水量和耗水量特征、不同作物生育期需水与降水耦合效应，以及不同种植制度下农田水分平衡状况的基础上，研究建立了节水高效种植制度评价指标体系，系统评价了洛阳市不同种植模式下的农业综合效益，并应用灰色多目标规划模型，建立了洛阳市2010年节水高效型种植结构。旨在促进旱区降水资源的高效利用和农业可持续发展，促进社会效益、经济效益与生态效益协同增长。研究所取得的主要结论有以下几点：1、研究揭示了洛阳气候呈干旱化趋势。应用1951～2000年49年资料，统计分析了洛阳市不同年际及年内降雨量变化规律，10年平均降雨量以60年代最高，之后呈下降趋势，90年代（1991～2000年）年均降水量比60年代减少75.5mm。49年（1951～2000年）的年均降雨量为688.78 mm，其间欠水年共有14年，频率为28％；正常年出现23年，频率为46％，丰水年出现13年，频率为26％。2、应用多年田间试验数据，分析阐明了洛阳市农田土壤水分时空变化规律。农田土壤水分含量具有明显的季节性和垂直性变化规律，一般上层土壤含水量变化幅度较下层大。3、以洛阳市农业气候资源为基础，探明了不同作物生育期与降水时序的耦合效应规律。在洛阳旱作农区，不同作物生育期与降水分布的吻合性存在明显差别，总体而言，秋熟作物生长发育与降水分布基本保持同步，因而对旱区气候条件具有较好的适应性。夏熟作物特别是冬小麦，生育期需水与降水吻合度较差。4、采用农田水分平衡数学模型对不同种植制度下农田水分平衡状况进行了全面系统分析。一年一作（冬小麦）种植制度下，不同年限冬小麦水分亏缺量在108.7-261.9mm，4年平均亏缺量为168.5mm，降水满足率为30.39％—57.30％，农田水分满足率为59.5％—73.3％，平均水分利用效率为15 kg／mm.hm2。一年二作（冬小麦-夏玉米）种植制度下，整个生育期水分亏缺额为214.8 mm，降水满足率为65.1％，农田水分满足率为72.4％，平均水分利用效率为18.9kg／m.hm2。二年三熟制（冬小麦—夏玉米—春甘薯）下水分亏缺量为344.2mm，农田水分满足率为76％，平均水分利用效率为15.7kg／mm.hm2。结果表明，不同种植模式下作物都存在缺水，干旱缺水是制约该区旱地农业生产持续发展的主要因素，必须采取农田水分调控技术协调自然供水和作物需水之间的矛盾。5、建立了1套可移植的旱作地区节水高效种植制度评价指标体系和评价方法。以综合考虑区域节水效益、经济、社会和生态效益为目标，以保障区域水安全和口粮安全、促进生态安全为出发点，以提高水资源利用率、利用效率和节水增效为核心，综合运用了Delphi法、专家评价法和层次分析法（AHP法），建立了节水高效种植制度评价指标体系。6、通过对不同种植模式的综合效益评价，提出了洛阳地区应积极推行冬小麦复种低耗水、高产值的经济作物（如冬小麦—夏花生）的节水高效种植模式。采用节水种植制度综合评价模型对洛阳地区4种轮作模式的综合效益进行了评价，结果表明，在洛阳旱作区4种种植模式的综合效益以冬小麦—夏花生＞冬小麦—夏玉米＞冬小麦—夏玉米—春甘薯＞冬小麦。7、洛阳市种植结构历史和现状分析表明，作物播种面积构成比例明显失调。表现为：粮食作物比重过大，经济作物比重偏小，饲料作物严重不足，其结构属于以粮食作物为主的“粮—经”二元结构，也是耗水型结构，高耗水作物（冬小麦）种植面积过大，一些低耗水作物如大豆、谷子等种植比例过小。8、建立了1套可移植的节水型种植结构优化灰色多目标规划模型和方法。该模型共设12个变量、3个目标函数（粮食作物总产量、总产值和水分利用效益）、12个约束条件，模型的特点是多目标的，综合考虑了农田种植结构经济效益、生态社会效益和节水效益，而且是灰色线性规划，其技术系数为可变的灰数，约束值为发展的情况下进行的，是一种动态的线性规划，它弥补了一般线性规划的不足，不仅可以知道既定条件下的最优结构，还可以知道最优结构的发展变化情况，因为灰色线性规划中约束条件的约束值可以是变动的，有的可以用时间序列描述，从而使规划灵活多变，有众多的调整余地，可以适应情况的发展变化。9、提出了洛阳旱作区“稳定口粮作物、扩大经济作物、适当增加饲草作物”为特色的节水型种植结构。通过建立节水型种植结构优化灰色多目标规划模型，应用Lingo软件运算求解，并优化筛选，得出了2010年洛阳市节水高效种植结构方案，在优化方案中，粮经饲结构由73.8：24.5：1.7大致调整为66.9：28.1：5.0，即适当压缩粮食作物，扩大经济作物和适当增加饲草作物面积，而在粮食作物内部稳定口粮作物（冬小麦）的种植面积，压缩非口粮作物的面积。本研究建立的节水高效种植制度评价指标体系和评价方法、节水种植结构优化灰色多目标规划模型是可移植的，研究成果对研究我国北方广大旱作地区发展节水高效农业具有重要的理论指导意义和实践参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1. 研究背景和研究意义
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 2. 主要研究内容
• 3. 研究方法及总体思路
• 4. 研究技术路线
• 5. 研究创新之处
• 第一章 节水种植制度研究进展
• 1.1 种植制度的含义与功能
• 1.2 种植制度研究进展
• 1.2.1 国外种植制度的研究与发展
• 1.2.2 国内种植制度的研究与发展
• 1.3 节水种植制度研究进展
• 1.4 建立节水高效种植制度是实现农业可持续发展的重要途径
• 1.4.1 我国农业缺水形势严重
• 1.4.2 种植制度节水潜力甚大
• 1.4.3 建立节水高效种植制度是实现农业可持续发展的重要途径
• 第二章 洛阳市农业资源概况及种植制度演变分析
• 2.1 农业资源现状分析
• 2.1.1 基本情况
• 2.1.2 地形地貌
• 2.1.3 气候资源
• 2.1.4 水资源
• 2.1.5 土壤资源
• 2.1.6 生物及矿物资源
• 2.2 农业水资源利用现状及存在问题
• 2.2.1 农业水资源缺乏，供需矛盾突出
• 2.2.2 农业水资源利用率和利用效率低
• 2.3 种植制度特征分析
• 第三章 不同种植制度下农田水分平衡分析
• 3.1 不同年际及年内降雨量变化分析
• 3.1.1 不同降雨年型降雨量变化规律
• 3.1.2 降雨量随时间变化趋势
• 3.1.3 降雨量年内变化规律
• 3.2 土壤水分时空变化规律分析
• 3.2.1 土壤水分年际变化规律
• 3.2.2 冬小麦农田土壤水分时空变化规律
• 3.2.3 夏玉米农田土壤水分时空变化规律
• 3.3 不同作物生育期与降水时序的耦合效应
• 3.4 不同种植制度下农田水分供需平衡分析
• 3.4.1 旱地作物水分平衡分析方法
• 3.4.2 一年一作（冬小麦）种植制度下农田水分平衡分析
• 3.4.3 一年二作（冬小麦-夏玉米）种植制度下农田水分平衡分析
• 3.4.4 二年三熟制（冬小麦—夏玉米—春甘薯）下农田水分平衡分析
• 第四章 节水种植制度的综合评价
• 4.1 种植制度综合效益评价方法研究
• 4.2 评价指标体系的建立
• 4.2.1 建立评价指标体系的目的和意义
• 4.2.2 建立评价指标体系的原则
• 4.2.3 评价指标的选择及各指标的含义
• 4.2.4 指标权重的确定
• 4.3 洛阳市种植制度综合效益的评价
• 4.3.1 洛阳市主要种植方式
• 4.3.2 指标值的确定
• 4.3.3 综合评价模型与结果分析
• 第五章 洛阳市节水种植结构最优化方案研究
• 5.1 种植结构现状及存在问题
• 5.1.1 种植结构历年变化分析
• 5.1.2 种植结构存在问题
• 5.2 节水种植结构优化调控的原则
• 5.3 节水种植结构优化调整的方向
• 5.4 节水种植结构优化灰色多目标规划模型的建立
• 5.4.1 建模思路
• 5.4.2 灰色多目标规划模型的建立
• 5.4.3 系统边界及决策变量的选择
• 5.4.4 目标函数的确定
• 5.4.5 约束条件的确定
• 5.4.6 各决策变量的非负约束
• 5.4.7 主要辅助模型的建立
• 5.5 模型的运算与优化结果
• 5.5.1 加权求和算法
• 5.5.2 各方案主要参数确定
• 5.5.3 预测结果
• 5.6 节水优化种植结构综合效益评价
• 第六章 结论与讨论
• 6.1 研究结论
• 6.2 讨论
• 参考文献
• 致谢
• 博士生期间发表学术论文、专著和科研情况
• 博士后期间发表学术论文、专著和科研情况