东北地区农作物生产水足迹热点的时空变化及驱动因素研究

来源 :东北师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tao1624
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粮食安全与水安全已成为全球关注的热点问题。东北地区是我国粮食主产区和商品粮主要供给区,在国家粮食安全中起到“压舱石”作用,其粮食生产具有重要的战略地位。水安全是粮食安全的基础,农作物在生产过程中需要消耗大量的水资源并由此引发系列水问题,揭示该区域农作物生产中水资源利用的关键问题,既可为区域农业可持续发展、水资源高效利用及水资源安全提供理论依据,又可为其他地区农作物生产的可持续性评价提供借鉴和参考。水足迹热点可以用来识别和评价农作物生产过程中的水问题。本文以农作物生产水足迹热点为研究视角,从资源、环境、经济多个角度出发,选择绿水短缺、蓝水短缺、水污染水平、用水效率比和用水效益比五个指标,构建农作物生产水足迹热点指标体系,反映东北地区水问题的多样性并识别关键水问题。在核算东北地区2001-2017年玉米、水稻、大豆、小麦、谷子、高粱、烟草、向日葵、马铃薯、花生、蔬菜多种农作物水足迹的基础上,分析东北地区农作物蓝、绿、灰水足迹和总水足迹的时空变化特征;明确水足迹热点的类型和等级,分析其时空变化,进而进行综合评价,并探究不同热点指标间的相互关系;利用多元线性回归识别水足迹热点的主要驱动因素,揭示其对水足迹热点影响的时空异质性;构建多目标优化模型,探究种植结构优化对水足迹热点的调控作用。主要结论如下:(1)东北地区农作物生产水足迹时空分异明显。2001-2017年东北地区年均总水足迹为1260.72×10~8m~3,呈先波动上升后缓慢下降的变化趋势,变异系数为0.18,表明总水足迹年际波动较小;总水足迹呈显著正空间自相关,具有明显的空间集聚特征,高值和低值集聚均在增强;在时间序列上,农作物绿水和蓝水足迹不断增加,灰水足迹先增加后下降,绿、蓝和灰水足迹占总水足迹的比例分别为65.01%、17.25%和17.74%,绿水在农作物生产需水量中占主导地位;在空间分布上,中、西部地区蓝、绿、灰水足迹普遍高于东部地区,蓝、绿、灰水足迹比例空间差异明显。(2)东北地区农作物生产水足迹热点时空变化显著。2001-2017年东北地区不同类型水足迹热点的时间变化规律不一致,其中绿水短缺和蓝水短缺历年均为热点;水污染水平50%以上年份为热点;用水效率比历年无热点;用水效益比热点分时段,2008年前均为热点,2008年后无热点。空间上,绿水短缺热点区分布广泛,等级多为I级;蓝水短缺和水污染水平热点区主要位于中、西部地区,等级多为II级和III级;用水效率比热点区主要分布在北部,等级多为I级;用水效益比热点区主要分布在东部,等级多为I级和II级。总体而言,东北地区绿水短缺、蓝水短缺和水污染问题较为严重,蓝水短缺和水污染水平热点分布具有空间叠置性。(3)不同类型农作物生产水足迹热点的主要驱动因素存在差异且随时间而变化。降水量作为首要驱动因素,对绿水短缺具有显著负向影响;有效灌溉面积和化肥施用量作为首要驱动因素,对蓝水短缺具有显著的正向影响;化肥施用量、有效灌溉面积和降水量作为首要驱动因素,对水污染水平具有不同的作用,其中化肥施用量和有效灌溉面积对水污染水平具有显著的正向影响,降水量对水污染水平具有显著的负向影响;平均气温和农民人均可支配收入作为首要驱动因素,对用水效率比具有显著的负向影响;农民人均可支配收入和人均GDP作为首要驱动因素,对用水效益比具有显著的负向影响。(4)不同类型农作物生产水足迹热点的主要驱动因素具有空间差异性。绿水短缺主要为单自然因素驱动型,分布范围广;蓝水短缺主要为自然与人为因素共同驱动型和单自然因素驱动型,分布在三江平原、松嫩平原、辽河平原、南部沿海和长白山区;水污染水平主要为单自然因素驱动型和自然与人为因素共同驱动型,主要分布在辽河平原、松嫩平原、长白山区和辽西山区;用水效率比主要为单人为因素驱动型和单自然因素驱动型,主要分布在南部沿海、松嫩平原、三江平原和长白山区;用水效益比主要为双人为因素驱动型,分布广泛。(5)种植结构优化可对不同类型的农作物生产水足迹热点起到同时调控作用。种植结构优化后东北地区各市域玉米种植面积均减少,水稻种植面积略有下降但基本保持稳定,其他作物的种植面积均有不同程度的增加。优化后大多数地区水足迹热点指标值下降,平均下降程度水污染水平(0.23)>用水效益比(0.06)>蓝水短缺(0.05)>用水效率比(0.02)>绿水短缺(0.01)。东、中、西部的绿水短缺变化值差异较小,中、西部蓝水短缺和水污染水平值下降幅度大于东部,而中、西部用水效率比和用水效益比值下降幅度小于东部。本文以农作物生产水足迹热点为研究对象,建立了一个全面的农作物生产水问题评价框架,探讨了东北地区农作物生产过程中水资源利用存在的问题,并寻求相应的解决方案,为东北地区可持续的农业水资源管理提供科学依据。
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