（土壤学专业论文）黄淮海平原区域粮食作物水分生产力的估算.pdf

摘要 我国北方地区存在严重的水危机，威胁着中国的粮食安全，即使在未来的2 0 年工程节水达 到极限，也不能完全满足农业用水要求，因此要保证粮食安全，必须提高作物的水分生产力。计 算粮食作物水分生产力对调攘种植结构、制定合理灌溉计划、促进水资源向合理方向流动具有重 要的意义。 本文通过文献查询、数据库和网络资源检索以及实际收集的方法，得到计算所需的基础数据 ( 1 9 9 9 年) ；计算出粮食作物利用的降雨量和粮食作物利用的灌溉水量，将两者相加得到粮食作 物的总用水量，再综合粮食作物的产量，计算出粮食作物的水分生产力。得出1 9 9 9 年黄淮海平 原粮食作物水分生产力为1 5 2 k g m 3 ，河北省粮食作物水分生产力为1 5 0 k g m 3 ，河南省粮食作物 水分生产力为1 5 0 k g m 3 ，山东省粮食作物水分生产力为1 7 9 k g m 3 ，安徽省粮食作物水分生产力 为1 6 7 k g m 3 ，江苏省粮食作物水分生产力为1 1 9 k g m 3 。根据粮食作物水分生产力计算了粮食作 物初级产品的虚拟水量；利用地理信息系统绘制了黄淮海地区的降雨量、灌溉量、粮食作物总用 水量、单位面积粮食产量、粮食作物水分生产力、粮食作物初级产品虚拟水量的空间分布图，论 文讨论了估算方法的合理性，并与其它计算方法所得结果进行了对比分析。 关键词：水分生产力，黄淮海平原，地理信息系统 a b s t r a c t t h es e v e r ew a t e rs c a r c i t yi nn o r t hc h i n at h r e a t e n sc h i n a sf o o ds e c u r i t y e v e nw i t ht h ew a t e rs a v i n g l i m i t sa c h i e v e db ye n g i n e e r i n gm e t h o d sb e i n gr e a c h e di nt h ec o m i n gt w od e c a d e s , t h ec r o p s w a t e r r e q u i r e m e n t sc a n n o tb ef u l l ym a tw i t h t h e r e f o r e , i n c r e a s i n gw a t e rp r o d u c t i v i t y ( w p ) o fg r a i nc r o p si s o fn e c e s s i t yi na s s u r i n gc h i n a sf o o ds e c u r i t y e s t i m a t i n gg r a i nc r o p sw pi so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei n r e s t r u c t u r i n gc r o p p i n gp a t t e r n s ，s c h e d u l i n ga p p r o p r i a t ei r r i g a t i o na n dr e g u l a t i n gam o r er a t i o n a lf l o w o f w a m rr e s o u r c e t h ed a t a s e t se s s e m i a ii n e s t i m a f i n gr e g i o n a l w a t e rp r o d u c t i v i t y ( r w p ) o fg r a i n c r o p s i n h u a n g - h u a i - h a ip l a i n ( h h h p ) w a sa c q u i r e dt h r o u g hs u c hd i v e r s i f i e dm e t h o d sa sl i t e r a t u r er e v i e w i n g , d a t a b a s er e t r i e v i n g , i n t e m e ts e a r c h i n ga n di n - f i e l dd a t ac o l l e c t i n g t h ey e a r1 9 9 9w a ss e l e c t e da st h e y e a ro fe s t i m a t i o ng i v e nt h ec o n d i t i o n so fd a t aa v a i l a b i l i t y t h et o t a la m o u n to fw a t e ru s e di ng r a i n c r o p sw a st h es u m m a t i o no fr a i n f a l la n di r r i g a t i o nw a t e r si ng r i nc r o p s t h r o u g ht h ey i e l do fg r a i n c r o p sa n dt o t a la m o u n to fw a t e ru s e di ng r a i nc r o p s ，t h ew a t e rp r o d u c t i v i t yo fg r o i nc r o p sc a nh e c a l c u l a t e d t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w ：t h ew a t e rp r o d u c t i v i t yo fh h h pi nt h ey e a r1 9 9 9o na v e m g e w a s1 5 2 k g m 3 ，o fw h i c hh e b e ii s1 5 0 k g m 3 ，h e n a ni s1 5 0 k g m 3 ，s h a n d o n gi s1 7 9 k g m 3 ，a n h u ii s 1 6 7 k g m j i a n g s ui s1 1 9 k g m 3 t h ev i r t u a lw a t e rc o n t a i n e di nu n i tw e i g h to fg r a i nc r o p sw a sa l s o c a l c u l a t e db yi n v e r t i n gt h ev a l u e so fw p t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fr a i n f a l l s ，i r r i g a t i o nv o l u m e s ，t o t a l a c t u a lw a t e ru s eb yg r a i nc r o p s ，w po f g r o i nc r o p sa n dv i r t u a lw a t e rc o n t a i n e dw e r ea l s om a p p e do u tb y u s i n gg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m sf g i s ) n ep a p e rd i s c u s s e dt h er a t i o n a l i t yo ft h ee s t i m a t i o n m e t h o d sa n dc o m p a r e dt h er e s u l t sw i mt l l o s er e l e a s e db yo t h e rs i m i l a rs t u d i e s k e y w o r d s ：w a t e rp r o d u c t i v i t y ( w p ) ，h u a n g - h u a i - h a ip l a i n ( h h h p ) ；g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( o i s ) 独创性声明 y9 3 8 7 7 1 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 家黎 j 时间：j 一年月f f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名： 导师签名： 纷譬 寺，象 时间：山一年月哼日 时间：幽红石月tj 厂日 中国农业大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 粮食作物水分生产力的概念 1 1 1 水分生产力 第一章引言 水分生产力与水分利用效率息息相关。 目前，在国内水利学界和农学界有关水分利用效率的概念和应用十分普遍，同时，对于这一 概念的定义和应用却没有严格的界限，使某些指标计算没有统一的标准，导致在学术争论和政策 制订时缺乏科学依据。下面，将根据国际学术界的主流标准对农业用水效率的概念进行阐释。 根据格里高利( g r e g o r y , 1 9 9 7 ) 的定义，农业水分利用效率( 灌区) 是每一单位的水量( 如 降雨、地表水或地下水) 生产出的生物量。它的数学表达为： w - i f f e 一- - _ e ( 、+ ( l ￥e 寸r + d ) f e l ) l - 1 ) 上为在储存和输送过程中的损失；丘为土壤蒸发量( 或稻田表面蒸发量) ；r 为地表径流量； d 为从作物根区的排水量：日为作物的蒸腾量；“为“水利用效率”或“蒸腾效率”( 比如：单 株植物每一单位蒸腾的水所固定的碳的比率( w e t ) ) 。 由于上，r ，d 大部分还可回收利用，从真实节水概念( 沈振荣等，2 0 0 0 ) 出发，农田水分 利用效率可定义为： w u e = e 4 ( 、+ e s 硅t ) t 1 - 2 1 ( 1 - 2 ) 式中如把“，日用产量代替。则是常用的群体层次上水分利用效率的概念。 水分生产力是指流域或区域内消耗的每一方水的作物产量( w a t e rp r o d u c t i v i t y ) ，这一概念 相当于把w u e 的应用扩展到整个流域和较大的区域内，“消耗的水”不仅包括在雨养农田上的 “绿水”( 有效降雨) ，还包括在灌溉农田上的“绿水”( 指田间蒸发和作物蒸腾用水) 和“蓝 水”( 指河流径流中的水) ( f a l k e n m a r k ，2 0 0 0 ) 。具体公式如下： 阡p ( k g m 3 ) = 尸( k g ) w c ( m 3 )( 1 3 ) w p 为单位水分生产力，k g m 3 ；p 为作物产量，k g ；w c 为总的水损耗，m 3 。 1 1 2 粮食作物的水分生产力 粮食作物水分生产力的概念是在上述水分生产力的概念基础上定义的采用了区域水平上水 分生产力的定义，即区域内消耗每一方水的粮食作物初级产品的产量。具体计算公式如下： w p = y 隔r( 1 - 4 ) w p 为粮食作物水分生产力，k 咖3 ；j ，为粮食产量，k g ；册rf 为粮食作物实际利用的总水 量，m 3 。 1 2 研究粮食作物水分生产力的意义 自从1 9 9 5 年美国的经济学家莱斯特- 布朗( b r o w n ，1 9 9 5 ) 提出了著名的命题“谁来养活中 国”后，中国的粮食安全问题成为国内外普遍关心的问题。决定粮食安全的因素众多，包括自然 l 中国农业太学硕士学位论文 第一章引言 物质条件( 气候、土地资源、水资源) 、社会经济条件( 经济、人1 3 、收入、消费模式) 、政策和 制度条件( 农业政策和科技) ( h e i l i g 。2 0 0 0 ) 。在自然物质因素中，水资源是决定粮食生产的重 要因素。目前，我国水资源供需矛盾十分突出( 石玉林，2 0 0 1 ) ，一方面，水资源的短缺威胁到 灌溉和早作农业的有效灌溉量，从而影响粮食产量和粮食安全，另一方面粮食生产消耗大量的 水，由于水分利用效率的低下，在耗水同时造成水资源的浪费，导致我国农业用水供需矛盾尤为 突出。因此。节水农业成为现代农业发展的方向。 现代农业节水技术是传统的农业节水技术与生物、计算机模拟、电子信息、高分子材料等高 新技术结合的产物，具有多学科相互交叉、各种单项技术互相渗透这样的明显特征，主要包括水 资源优化配置、工程节水、农艺节水、生物( 生理) 节水、水管理节水等方面( 王玉环，2 0 0 6 ) 。 但最近的调查研究表明( 李保国等，2 0 0 2 ) ，尽管目前我国渠系利用系数虽然各不相同，但在华 北缺水严重的地区，己达到或接近节水灌溉的国家标准，就是说农田水利工程措施上提高水分利 用效率的潜力已经达到或接近极限，且据有关预测，在充分考虑科技进步、节约用水和高效用水 的条件下，我国2 0 3 0 年和2 0 5 0 年的总需水量将分别达至1 j 7 2 1 0 亿方和8 1 3 0 亿方，其中农业用水将分 别占5 5 和4 9 ，而目前所能考虑的供水工程，包括现有供水工程、规划的引水工程( 如南水北 调工程) 和蓄水工程，供水能力充其量在7 0 0 0 亿方左右，也就是说，从2 0 3 0 年到2 0 5 0 年，全国还 缺水约1 0 0 0 亿方。因此，要进一步节约农业用水、实现农业的可持续发展、解决粮食安全问题， 只能从农艺摧施和生理节水措施上提高作物的水分生产力，即通过选育优良品种、合理调整种植 结构、根据作物生长需水规律制定合理的灌溉计划等措施来提高作物的水分生产力。 在水资源日益紧张的情况下，近年来国际上出现了对水资源流动进行量化的新概念虚拟 水。虚拟水是指生产商品和服务所需要的水资源数量，如生产l k g 的粮食、奶酪、牛肉分别需要 l 2 t 、5 5 5 t 、1 6 t 的水资源( 徐中民等，2 0 0 3 ) 。如果具体到粮食作物的虚拟水量其数值为水 分生产力的倒数。虚拟水的概念在农业节水上的重要意义在于：如果粮食产品从水分生产力高的 地区流向水分生产力低的地区，则在更高的尺度上节省了水资源。 综上计算区域水平上的粮食作物水分生产力，对调整种植结构、制定合理灌溉计划、促进 水资源向合理方向流动等方面具有重要的意义。 1 3 国内外研究现状 作物水分利用效率有生理水平、田问水平、区域水平等不同的尺度。纵观作物水分利用效率 的研究，无论国外国内，都历经了从田间水平到生理水平的过程( 王会肖和刘昌明，2 0 0 0 ) 。据 文献报道在田间水分利用效率研究到一定水平的基础上，国外在6 0 年代开始叶片水平上的水分 利用效率的研究( b i e r h u i z e n 等，1 9 6 5 ) ，8 0 年代以后这方面的研究变得相当广泛( f r a n ke t a l ，1 9 8 7 ： k u m a re ta l ，1 9 9 4 ) ：随后开始作物节水生理基础的研究，g u s t c h i c k 等( 1 9 9 0 ) 认为胞间c 0 2 浓度 c i 和比叶重的新组合的选育可提高水分利用效率；s t n g h 等( 1 9 9 2 ) 认为气孔行为决定着作物的耐 旱机制。气孔适应机制可以实现对水分利用的最佳调控；2 0 0 1 年美国启动了一个“植物水分利用 效率基因组”研究项目；2 0 0 3 年出版了作物抗旱节水的生理遗传育种基础( 张正斌，2 0 0 3 ) ； 2 0 0 4 年3 月英国出版了 w a t e r u s e e f f i c i e n c y i n p l a n t b i o l o g y ) ( m a r k a b a c o n ，2 0 0 4 ) ；目前澳大 利亚等国已经将提高作物水分利用效率作为育种目标( r i c h a r d se t a l ，2 0 0 2 ，2 0 0 2 ) 。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章引言 国内有关水分利用效率的研究从8 0 年代才开始系统研究，起初多注重田间水平上水分利用 效率的研究；随着节水农业研究的兴起和深化，水分利用效率研究的发展非常迅速，己成为半干 旱、半湿润地区农业持续发展研究中的热点，特别是在1 9 8 8 年“中国生态系统研究网络”( c h i n e s e e c o s y s t e mr e s e a r c h n e t w o r k ，c e r n ) 筹建以后，“七五”期间科学院重中之重项目已进行了作物 需水量、耗水量与水分利用效率的研究，并取得重要成果( 谢贤群等，1 9 9 2 ) ；“八五”期间继续 开展这方面的研究工作，在全国范围内，针对不同生态类型分区，分别进行研究( 谢贤群，1 9 9 6 ) 。 与此同时，进行了群体和叶片水平上的试验研究工作，例如提出群体水分利用效率可表征田间或 区域的水分利用( 李俊等，1 9 9 7 ) ；开始了光合水分利用效率的计算机模拟研究( 施建忠等，1 9 9 6 ) ， 大大丰富了水分利用效率的研究内涵。 迄今为止，国内外在水分利用效率的研究上取得了较大的进展，但主要集中在田间水平和生 理水平上，对区域水平的水分利用效率的研究还不够充分，对其的估算主要是将点上的数据推广 到面上。随着地理信息技术和遥感技术的迅速发展和不断完善，为在区域水平上进行水分生产率 的研究提供了强大的技术支持。正在不断开展区域水分利用效率的研究，例如应用n o a a a v h r r 和地面同步观测及其定标，按照元逐点运算，反演了华北地区农田作物水分利用效率的区域分布 ( 张仁华等，2 0 0 1 ) ；结合作物参数的遥感信息反演和气象要素的空间尺度扩展方法，建立以g i s 背景数据库为支撑的冬小麦生长模型研究河北平原冬小麦的水分利用效率( 莫兴国。2 0 0 4 ) i 建立并验证土壤水、热、氮和作物生长的联合模型并与g i s 相结合，在1 9 9 9 2 0 0 0 年黄淮海平 原的农村社会经济和土壤、气候等条件背景下，对冬小麦生长期土壤水分利用效率区域的分布规 律进行分析( 高如泰等。2 0 0 6 ) 。 1 4 研究的内容 研究的主要目的是探究黄淮海平原区粮食作物水分生产力的估算方法；和在统计数据缺失的 情况下如何用其它方法补齐数据。来估算粮食作物水分生产力的方法。 本文以市为最小计算单元，采用式( 1 4 ) 估算了黄淮海平原粮食作物水分生产力。从式( 1 - 4 ) 中可以得知计算粮食作物水分生产力需要两个量，一个是粮食作物的产量，另一个是粮食作物的 实际用水量，粮食作物产量的数据可以通过统计数据直接获得，计算的关键在于如何确定粮食作 物的实际用水量。由于分析的角度不同，粮食作物的用水量有多种定义和计算方法，本文是用粮 食作物实际利用的降雨量( 除去入渗、径流后被粮食作物利用的降雨量) 与粮食作物实际利用的 灌溉量( 除去输水、配水和灌水过程中损失掉的水量，被粮食作物利用的灌溉量) 相加确定了粮 食作物的实际用水量。 最后，利用地理信息系统绘制了各数据单元的区域分布图，并进行了综合分析。 中国农业大学硕士学位论文 第一章数据获取2 j 计算方法研究 2 1 研究区域的选定 第二章数据获取与计算方法研究 黄淮海平原是我国最人的平原，地跨冀、鲁、豫、苏、皖和京津二市，面积达3 0 万平方公取， 占全国平原总面积的三分之一左右( 贾大林、甘晓松等，1 9 8 9 ) 。黄淮海流域人口、g d p 、耕 地面积和粮食产量分别占全国的3 4 8 、3 2 1 、3 9 1 、4 0 左也，而水资源量仅1 1 j 全国的7 7 ， 人均水资源仅为5 0 0 m 3 ，其中海河流域为3 4 3 矗，不到全国平均数的1 6 ，是我国乃至世界上水资 源最为缺乏的地区之一。同时黄淮海流域也是我国重要的粮食生产基地，在过去2 0 年间，我国 粮食产量从3 5 0 0 亿k 增d h ：9 5 0 0 0 亿埏，基本上维持了供需的平衡，其中，约3 0 3 5 的新增粮 食产量来源于黄淮海平原( 刘丽艳等，2 0 0 4 ) 。因此，正确估算黄淮海平原在目前生产水平条件 下的粮食作物水分生产力，对搞好水资源合理开发、利用、配置与节约具有重要意义。具体区域 图见图2 1 。 图2 - 1 黄淮海平原省界、市界及河流分布图 图2 1 中标注了省、市的名称，具体每个省的所辖市即最小计算单元的名称也可见表2 - 1 。 幽2 - i 中经过河北省的河流为海河，经过山尔省和河南省的河流为黄河，经过河南省、安徽省、 4 江苏省的河流为淮河。 查：! ! 塞曼整璺垡塞! 盐苎苎垂墨整垦垦苎焦塑璺壁： 研究区域最小计算单元为市，为了便于分析，将北京、天津与河北省放在一起讨论，不单独 以直辖市出现。表2 - 1 还列出了各省的主要作物品种，作物品种对水分生产力值的影响，将在粮 食作物水分生产力的分析中具体说明。 2 2 数据单元的获取 2 2 1 基础资料的准备 计算粮食作物水分生产力所需的数据一部分来源于文献，包括河北省农村统计年鉴( 2 0 0 0 ) 、 安徽省统计年鉴( 2 0 0 0 ) 、江苏省统计年鉴( 2 0 0 0 ) 、山东省统计年鉴( 2 0 0 0 ) 、河南省统计年鉴 ( 2 0 0 0 ) 、北京市统计年鉴( 2 0 0 0 ) 、天津市统计年鉴( 2 0 0 0 ) 、中国农业全书( 河北卷) 、华北 暨胶东地区水资源研究、1 9 9 9 年水资源公报( 河北省、北京市、天津市、河南省、山东省、安 徽省、江苏省) ；一部分来源于中国分县农业生产经济系统数据集；一部分来源于河北省水文局； 部分来源于网站，包括河南省水利网、山东省水文网、安徽水利信息网、水信息网、河北与台湾 网、河北水文水信息网、河南报业网、农业持续发展中的养分管理网站、山东省农业信息网、搜 狐网、中国招商引资网。 2 2 2 基础资料的整理 通过文献查询、数据库和网络资源检索以及实际收集，将1 9 9 9 年黄淮海平原各计算单元的 总面积、耕地面积、总播种面积、粮食作物播种面积、粮食产量( 前述5 种数据分别来源于各省、 市的统计年鉴、中国分县农业生产经济系统数据集) 、降雨量、灌溉量、总水资源量( 前述三种 数据来源于中国水资源公报各省公报、河北省水文局；山东省1 9 9 9 年的灌溉量缺失但山东省 1 9 9 9 年和2 0 0 0 年的降雨量水平相当，因此用2 0 0 0 年灌溉量数据代替1 9 9 9 年灌溉量。) 、灌溉水 利用系数( 来源于网站，在灌溉水量计算的章节有详细记载) 的数值录入e x c e l 工作簿； 通过综合查找所得到的研究区相关基础数据见表2 - 2 。 塞兰= ! 竺塞里塑茎墨翌墼茎 唐山 1 3 3 8 5 0 05 8 0 0 5 48 5 6 6 7 2 6 2 3 7 3 84 2 5 35 6 4 11 6 2 l3 3 5 5 2 廊坊6 4 2 9 0 03 6 9 7 3 15 4 5 1 7 34 3 0 5 8 93 2 1 82 6 0 12 ，5 71 7 1 3 4 沧州 1 4 0 5 6 0 07 7 9 8 3 21 1 0 1 1 4 69 3 5 8 9 2 3 2 1 51 8 1 72 7 52 9 6 0 8 衡水8 8 1 5 0 05 8 1 8 1 97 9 9 6 5 96 4 0 8 6 03 1 7 63 3 0 81 5 23 1 8 9 0 河 保定 2 2 1 2 2 0 07 9 6 8 4 01 2 3 8 8 9 71 0 1 7 4 5 4 4 1 4 33 8 7 71 4 0 35 6 8 5 0 北石家庄1 4 0 7 7 0 05 9 1 2 印9 8 9 6 3 l7 8 6 0 1 24 3 026 1 6 71 7 5 35 1 2 2 5 邢台 1 2 4 5 6 0 06 7 5 7 1 0 1 0 0 9 4 1 98 2 0 9 2 23 3 8 32 8 3 45 7 93 6 9 2 5 邯郸1 2 0 4 7 0 06 7 0 0 2 81 0 5 5 9 1 28 3 6 0 7 83 8 7 62 7 8 98 3 44 2 0 6 6 北京 1 6 8 0 7 8 03 3 8 3 8 4 5 2 0 9 6 84 0 9 7 0 83 7 3 06 5 8 71 4 2 22 0 0 9 8 天津1 1 9 1 9 7 04 8 4 4 5 85 5 1 7 7 14 3 0 9 6 83 4 7 33 3 5 22 6 01 7 4 8 5 6 矬，m 誓品 苫楸p 然鑫 嚣嚣l | 刍 一 壅! 兰堡塞望塑茎苎墅墼堂! 堡查： 耋总要积嚣篙? 糕黧栅p 苫管产y 量 纛张区4 秘c 籼”志。叫t w 呐r ( h m 2 ) ( h m 2 ) c h i n 2 ) ( r u n ) ( 1 0 4 t ) 称 ：二、( m )“ 连云港 7 4 4 4 0 03 7 8 2 9 08 2 1 4 4 06 3 6 4 6 07 5 5 66 7 3 5 2 0 2 92 8 0 9 8 盐城1 4 9 8 3 0 07 8 4 7 7 03 3 5 7 0 0 2 3 3 9 7 08 8 7 84 3 4 03 2 5 95 3 7 3 8 淮安 1 0 0 7 2 0 04 9 1 0 8 02 0 6 8 1 01 6 6 6 5 07 6 0 05 1 8 1 2 1 3 23 6 3 2 8 苏 宿迁8 5 5 5 0 04 5 0 9 0 09 6 6 6 9 0 7 6 4 6 0 07 4 5 45 5 5 52 0 6 l3 4 1 2 9 徐州 11 2 5 8 0 06 1 5 5 2 01 4 8 2 2 2 0i1 5 2 6 8 06 0 9 05 9 7 91 7 7 04 1 8 9 6 2 3 计算方法 2 3 1 数据处理流程 计算粮食作物水分生产力所需的各个数据单元，是基于2 2 2 中得到的基础数据，利用e x c e l 的计算功能获得的，具体流程见图2 - 2 。 7 田2 - 2 数据单元获取流程围 下面将给出流程图中的数据单元及相关特征量的计算方法。 2 3 2 粮食作物耕地面积占总区域面积比例 基础数据中的降雨量为总区域面积上的降雨量，计算中所需的是粮食作物耕地上的降雨量 需要粮食作物耕地面积占总区域面积比例。计算公式如下： s = a z j a r ( 2 1 ) ，为计算单元粮食作物耕地面积占总区域面积比例；a l e 为计算单元粮食作物的耕地面积， h m 2 ；a ，为计算单元总区域面积，h m 2 。 a i 。= a 一纠。4 一 ( 2 2 ) a 。为计算单元耕地面积，h m 2 ；一。为计算单元粮食作物播种面积。h m 2 ；a 。为计算单元总播 种面积，h m 2 ： 计算结果见表2 7 。 8 中国农业大学硕士学位论文 第二章数据获取与计算方法研究 2 3 _ 3 粮食作物利用的降雨量 降雨是农业用水的重要来源，但并不是所有降雨都能被粮食作物利用，其中一部分通过径流 和渗漏形成水资源，其余为粮食作物利用的降雨量。下面给出三种计算方法并对比分析。 1 计算方法一 用总降雨量减去形成的总水资源量，再乘以粮食耕地面积占区域总面积的比例得到粮食作物 利用的降雨量。计算公式如下； p m d = 伊- - t w r ) f 1 0 朋k ( 2 - 3 ) r 为计算单元粮食作物利用的降雨量，m m ；p 为计算单元总降雨量，1 0 8 m 3 ；t w r 为计 算单元总水资源量，即当地降水形成的地表和地下产水量，不包括入境水量，1 0 8 m 3 。 以河南省为例，各计算单元粮食作物利用的降雨量的计算结果见表2 - 3 。 衰2 - 3 利用总的降雨量臧去彩成的总水资源量计算河南省 量吏堡! 生塑型旦竺堕要! 降雨量总水资源量 粮食作物利用的降水量 粮食作物耕地面积占总面积的比例ptwr耐 行政区口 ( 1 0 8 m 3 )(108m3)(mm) 濮阳市0441 9 7 6 5 3 8 3 3 7 0 安阳市 n 3 6 3 4 5 7 9 9 3 3 3 2 5 鹤壁市0,3911 3 5 3 2 6 3 7 1 0 新乡市0373 9 0 6 1 1 6 4 3 3 5 ，8 焦作市0223 1 8 9 6 6 2 4 2 0 7 济源市 o 1 8 11 4 2 2 3 5 4 6 9 6 开封市 n 3 3 3 8 3 1 9 0 2 4 5 4 6 郑州市0,313 9 3 5 8 , 8 4 4 0 9 8 三门峡市 旺1 2 5 5 5 0 8 1 7 4 5 1 0 商丘市0387 0 7 7 1 0 4 7 5 6 3 4 周口市0458 0 8 9 1 5 4 7 5 4 7 0 许昌市0562 6 6 2 7 0 9 4 7 9 3 漯河市0441 6 1 7 4 4 0 4 4 9 8 平顶山市0 2 55 9 们 1 0 0 7 5 5 6 0 洛阳市0219 0 9 3 1 5 3 8 4 9 6 8 驻马店市0,379 0 0 2 1 62 3 4 8 9 2 信阳市 o - 1 9 1 3 1 8 9 3 5 4 0 5 1 0 2 立幽_ _ 一一 ! ：! 竺! 坐!翌： 2 计算方法二 黄淮海平原地区地势平坦，水量交换主要在垂直方向上，水平方向上很少，降雨过程中形成 9 中国农业大学硕士学位论文第二章数据获取与计算方法研究 的径流量较小，此计算方法忽略了径流量直接用降雨量减去渗漏量近似得到粮食作物利用的降雨 量，其中渗漏量根据降雨入渗补给系数计算。计算公式如下： = p x ( 1 - - a ) ( 2 - 4 ) a 为降雨入渗补给系数。 降雨入渗补给系数是根据黄淮海地区的地势、土壤质地、地下水埋深及各计算单元的降雨量， 通过华北暨胶东地区水资源研究( 鲁学仁等，1 9 9 2 ) 中的降水入渗补给系数表得到的。以河 南省为例。各计算单元的降雨入渗补给系数和渗漏量的计算结果见表2 - 4 。 裹2 - 4 利用渗渭系数计算河南省备市粮食作物利用的降雨量 3 计算方法三 此方法也是用降雨量减去渗漏量求得粮食作物利用的降雨量，其中渗漏量的计算采用了经验 公式。 根据1 9 5 1 1 9 8 9 年土壤水渗漏量的模拟结果，得出了北京、邢台、沧州渗漏量与降雨量之 间的经验关系式( 龚元石和李保国，1 9 9 5 ) 。 北京的经验公式为： s i = o 6 9 p 一2 1 2 ( 2 5 ) 1 0 中国农业大学硕士学位论文第二章数据获取与计算方法研究 田为计算单元渗漏量，m i l l 。 邢台的经验公式为： s l = o 7 2 p 一2 0 4( 2 6 ) 沧州的经验公式为： s i = o 5 7 8 p 一1 7 7( 2 7 ) 河南省的地貌特征与邢台较为接近，此方法采用了邢台的经验公式估算了渗漏量。 = 尸一s i ( 2 - 8 ) 各计算单元渗漏量和粮食作物利用的降雨量的计算结果见表2 5 。 表2 - 5 利用经验公式计算河南省各市粮食作物利用的降雨量 方法2 是忽略了径流量，降雨入渗补给系数是将黄淮海地区攘体地貌定位为中东部平原，土 壤质地统一认为是亚砂到亚粘，地下水埋深估计为3 米左右查到的近似值，计算结果与方法l 相 比偏差较大；方法3 忽略了径流量，且将邢台一地的经验公式用作整个黄淮海地区计算渗漏量， 忽略了地区间的差异，与方法1 相比偏差较大；方法l 应用的各计算单元的降雨量和总水资源量 的数值考虑到了地区间的差异，将径流量和渗漏量扣除，其计算结果相对于后两种方法更为准确。 从表2 - 3 、表2 - 4 、表2 - 5 可以看出，三种计算方法得到的粮食作物利用的降雨量的数值尽管 中国农业大学硕士学位论文 第二章数据获取与计算方法研究 存在一定的差异，但较为接近，在总水资源数据缺失时，可以用后两种方法估算粮食作物利用的 降雨量。 采用方法1 得到的各计算单元粮食作物利用的降雨量见表2 - 7 。 2 3 4 粮食作物利用的灌溉量 灌溉水是农业用水的另一重要来源。随着农业的发展，农业灌溉面积逐渐增大，灌溉对农业 生产起着非常重要的作用。 对粮食作物进行灌溉时，灌溉水一部分被灌溉的粮食作物耗用，一部分在输水、配水和灌水 过程中损失掉。这些损失主要有：渗水损失，包括各级输水渠道通过渠底，边坡土壤空隙渗漏 掉的水量和田间深层渗漏掉的水量：漏水损失，包括由于地质条件，生物作用或施工不良而形 成漏缝或裂隙损失的水量，或因管理不善工程失修，建筑物漏水等原因造成的水量损失；蒸 发损失，沿渠道水面蒸发掉的水量。在这三种输水损失中，渗水损失晟大，漏水损失次之，水面 蒸发损失最小可以忽略。在计算粮食作物的用水时，要扣除损失量。得到粮食作物实际利用的灌 溉水量。 本文利用灌溉水系数计算了粮食作物利用的灌溉水量。灌溉水利用系数指在一次灌水期间被 粮食作物利用的净水量与渠首处总引进水量的比值，可分解为渠系水利用系数和田间水利用系数 二部分，计算公式为： q = g s xn|(2-9) 口为灌溉水利用系数：目。为渠系水利用系数；目，为田间水利用系数 渠系水利用系数反映了从渠首到农渠的各级输送、配水渠道的输水损失，表示了整个渠系的 水的利用率；田间水利用系数为灌溉水贮存到作物计划湿润层中的净灌溉水量与从渠系末端进入 田间水量的比值。应用灌溉水利用系数可以大致扣除灌溉水输水过程中的渗漏损失和进入农田之 后的渗漏损失，估计粮食作物利用的灌溉水量。具体公式如下： 掣“= i q i s ( 2 1 0 ) g 殴“为计算单元粮食作物实际利用的灌溉水量，m m ；q s s 为计算单元灌溉量。m m 。 黄淮海范围内各市的灌溉水利用系数资料较少，考虑到各省地区间灌溉水利用的情况差异不 大各市的灌溉水系数均采用了其所属省份的灌溉水利用系数，各省灌溉水利用系数的数值和查 找来源。见表2 - 6 。 表2 - 6 各省的灌溉水利用系数的数值和童找来源表 1 2 中国农业大学硕士学位论文第二章数据获取与计算方法研究 计算结果见表2 - 7 。 2 3 5 粮食作物实际用水量 粮食作物实际用水量包括两部分。即粮食作物利用的降雨量和粮食作物利用的灌溉水量。计 算公式如下： n 豫_ p 。+ q 矾f z 形r i “为计算单元粮食作物实际利用水量，m m 。 计算结果见表2 - 7 。 2 3 6 粮食作物实际用水量中降雨量、灌溉量所占比例 粮食作物实际用水量中降雨量的比例计算公式如下： n = p m i 删r 。d a 为计算单元粮食作物实际用水量中降雨量的比例。 粮食作物实际用水量中灌溉量的比例计算公式如下： 6 = q f 墨一s 刀矿rf b 为计算单元粮食作物实际用水量中灌溉量的比例。 计算结果见表2 7 。 2 3 7 粮食作物目前用水量 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) 粮食作物目前用水量是指农业目前总的用水量，包括粮食作物利用的降雨量和应用在农业上 的灌溉水量( 包括损失量) 。计算公式如下： 刀阳= + q 职 ( 2 - 1 4 ) 弼，k 为计算单元目前粮食作物用水量，m m 。 计算结果见表2 7 。 2 3 8 粮食作物目前用水量中降雨量、灌溉量所占比例 粮食作物目前用水量中降雨量的比例计算式如下： c = p 。l t w r m c 为计算单元粮食作物目前用水量中降雨量的比例。 粮食作物目前用水量中灌溉量的比例计算式如下： d = q i r t w p d 为计算单元粮食作物目前用水量中灌溉量的比例。 计算结果见表2 7 。 1 3 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 2 3 9 单位面积粮食产量 单位面积粮食产量的计算公式如下： y d = y i a k ( 2 1 7 ) 乃为计算单元单位面积粮食产量，k 跏1 1 2 | y 为粮食产量。k g 。 计算结果见表2 7 。 2 3 1 0 粮食作物水分生产力 粮食作物水分生产力指区域内消耗每一方水的粮食作物初级产品的产量。计算公式如下： w p = y ( f rf x a k 1 0 ) ( 2 - 1 8 ) w p 为计算单元粮食作物水分生产力，k g m 3 。 计算结果见表2 - 7 。 2 3 1 1 粮食作物灌溉水水分生产力 粮食作物灌溉水水分生产力是指区域内消耗的每一方灌溉水的粮食作物初级产品的产量。计 算公式如下； 峨= y ( q i r a k x1 0 ) ( 2 - 1 9 ) 矾已为计算单元粮食作物灌溉水水分生产力，k g m 3 。 计算结果见表2 - 8 2 3 1 2 粮食作物初级产品虚拟水量 粮食作物初级产品的虚拟水量是指生产一千克粮食所需要的水量 数。计算公式如下： 疋= 1 胛 足为计算单元粮食作物初级产品虚拟水量，m 3 ，k g 。 计算结果见表2 - 7 。 1 4 数值为水分生产力的倒 ( 2 2 0 ) 中国农业大学硕士学位论文第二章数据虢取与计算方法研究 藿襄妻 嶷越已蔓 裂咤提* 嚣 譬零慕墓嚣荨警裹豁 6dd6c ；sggds蠹骥冀鏊寮彗孳毯66g6sdd6 = 嚣器鲁定拳8 器 嚣宝蕊警譬磊葛矗茹| 暑夏嚣誉 一p 4 m 一一lf q 一一一 蠹蜀寮翟磊冀冀= 号嚣 i ；ii i i i i | 耋| =凸。、=心 盎拣导露譬i 甘 - 霉鬻嚣窝 oooooooooo g 8 蔫高窖哥葛晶磊嚣 篇：宝棼等嚣留矗毒害璺 、。1 甘呐矶啦! no呐 i | ! ! 量! ili 暑霉霉焉寻裔2 孳誉荨 毛乏鬻避嘏强瓷蒜小赘 鹾露嚣莲耩镰砖墨囊磐 _ | 描 葛遗瓮警菩8g lilii | 耋i q艘心蝗一、。q_ ill | ili 夺寸n夺=昏 至蕊蠢善兰聂善高t q n n 一。n 妄三剖吣晕疑柱乏 婺强舔薅墨臻敷覆 羞拄 器o执节oo n o一寸oc o一呻薛n 寸oo 冀。 卜”寸卜o i 嚣昏卜。眷n 孰 口c _ ! o 一 心一1 | 昏尊q 诉【6 n 卜卜n 蠢o1 ) n o瓣o喀c o ) t o峪n + o嚣o卜叶o n n 寸寸呐o 口寸o6 - c ”峪奇一呐口n 昏卜嚣器。肿帆寸寸呐口寸心t 卜器 h m 0 6 9n 心1 | n 寸冀n 寸卜峙o a 甘卜寸。一幸ii 一n 卜寸竹 = 卜n 趣始n 婚心- 心小咕“口卜 n 叶of ；叶。鑫o o c h oi c o乏。啦c o舟雌龆窜o昏c _ o 麓，霉嚣 。轧舞 最k 嘏文* * 避鞑 雾馨缸群 麓强嚣 乱晕i 址剥 *撼姆罄鞯 屯尊 。 扎醇罄群 。嚣丑*匠柱越屹瞄戡 嬖 雏矮品铲翳靴爨瓣 、若基 、# 翡0扭委凄 薄 一基纂等瓣羔藿，一 鞋簌琳#找馨凶梃蹇o“摧 5 中国农业大学硕士学位论文第二嚣数据获取与计算方法研究 餮益酲暑飞 裂吨犍* 摹 警蓥量誊墓莹誊誉量 两冀霹“ - 2 葛葺蔫墨暑 i 遗薯与葛冀冀葛冀鬻 ni n 寸叶n 劓nnfnn“nnn 一- _ 鎏蓉善圣薹童蚤墨善薯器；宝嚣寒嚣嚣霉 量燕爱曼燕墨善蓬累 导麓= 嗣= 交罱囊 叠萋蠢器 美谴 6 t l , 4 甘a 寸。一on 甍蠢s 熏量嚣荟置蕊基 穹叶一寸州婶q吨一鼍 寸一ao一、。on劓 n型卦卜一onn 一凸 no 卜州寸崞n岫一门 掣n 、。寸。、oo 田 型叠嚏也”寸一岈r 、 寸h 、。寸口甘仉”同n 蓥荔薹篓萋摹4 - 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