【毕业学位论文】（Word原稿）基于水资源安全的节水高效种植制度评价研究——以河南洛阳为例土壤管理硕士论文

密级： 论文编号： 中国农业科学院 学位论文 基于 水资源安全 的节水高效种植制度 评价研究 以 河南洛阳为例 on A on A I 摘 要 本文是 针对我国农业水资源紧缺和发展节水高效 型 农业的迫切需要，利用中国农业科学院洛阳旱农试验基地 1999同种植制度 试验 数据 ， 通过构建适宜种植制度下的农业水资源安全评价体系和综合效益评价体系，进行了基于 水资源安全 的节水高效种植制度红绿灯 评价方法及试验性评价研究。 主要结论如下： （ 1） 对洛阳地区三种主要种植制度下的农田水分平衡状况及效益进行了 全面系统 分析。一年一作（冬小麦）种植制度下，不同年限冬小麦生育期平均水分亏缺量在 田水分满足率为 亩均产值为 ，净产率为 一年二作（冬小麦 植制度下，整个生育期 4年平均水分亏缺量为 210.4 田水分满足率为 亩均产值为 产率为 二年三熟制（冬小麦夏玉米春甘薯）种植制度下，整个生育期平均水分亏缺量为 田水分满足率为 76，亩均产值达到 产率为 （ 2） 首次提出了基于水资源安全的节水高效种植制度红绿灯评价方法的基本思想，并以此思想为指导，分别从水的角度和综合效益的角度分析研究，构建了适宜不同种植制度下的农业 水资源安全评价体系和综合效益评价体系，并在此基础上构建了基于水资源安全的节水高效种植制度红绿灯评价方法。其中，种植制度下的农业水资源评价体系采用 3个准则层，分别是供水层、需水层和供需协调度层； 8项指标及各自权重，分别是自然供水量 壤供水量 溉量 田需水量 物需水强度 田供需盈亏率 农田水分满足率 合效益评价体系采用了 3 个准则层，分别是经济效益、社会效益和生态效益； 8 项指标及各自权重，分别是亩均产量 均产值 食安全贡献率 民收入贡献率 能利用率 能利用效率 （ 3） 对洛阳地区三种主要种植制度 进行了基于 水资源安全 的节水高效种植制度红绿灯试验性评价研究。 一年一作（冬小麦）种植制度 水资源安全评价值为 合效益评价值为 合评判为黄灯； 一年二作（冬小麦 植制度水资源安全评价值为 合效益评价值为 综合 评判为黄灯；二年三熟制（冬小麦 春甘薯）种植制度水资 源安全评价值为 合效益评价值为 综合 评判为 绿 灯。 关键词 ： 水资源安全 ， 节水 农业 ， 种植制度 ， 评价体系 ， 农业水资源 on of of in It of is of on is it of 999as 1. of a ( , mu of , mu of 6 , mu of 2. It is to up of of of on In of we of of of of of of of to of to 3. to of of a 录 第一章 绪论 . 1 究背景 . 1 究目的及意义 . 2 要研究内容 . 3 究方法及技术路线 . 3 究创新之处 . 4 第二章 国内外相关研究进展 . 5 植制度研究进展 . 5 业水资源评价研究进展 . 7 植制度评价研究进展 . 9 第三章 研究区域基本概况及分析 . 14 然环境概况 . 14 壤及地形地貌 . 14 能资源 . 14 量资源 . 15 资源 . 16 植制度概况及分析 . 17 阳地区主要种植作物概况 . 17 阳地区作物熟制概况 . 19 阳地区主要种植方式概况 . 19 阳地区主要种植结构状况及分析 . 19 第四章 基于 水资源安全 的节水高效种植制度评价 . 21 价体系的构建及评价方法 . 21 价指标选择的原则 . 21 价指标权重的确定方法 . 21 资源安全评价指标选择及指标体系的建立 . 23 合效益评价指标选择及指标体系的建立 . 25 同种植制度下农田水分平衡分析 . 28 田水分平衡分析方法 . 28 洛阳地区降水分析 . 29 阳地区土壤水分分析 . 30 阳地区作物需水分析 . 33 同种植制度下农田水分平衡分析 . 35 同种植制度的效益分析 . 36 年一作 (冬小麦 )种植制度效益分析 . 36 年二作 (冬小麦 种植制度效益分析 . 37 年三熟制 (冬小麦 米 种植制度效益分析 . 37 同种植制度下农业水资源安全评价 . 38 年一作 (冬小麦 )种植制度下农业水资源安全评价 . 38 年二作 (冬小麦 种植制度下农业水资源安全评价 . 39 年三熟制 (冬小麦 春甘薯 )种植 制度下农业水资源安全评价 . 40 同种植制度综合效益评价 . 40 年一作 (冬小麦 )种植制度综合效益评价 . 40 年二作 (冬小麦 种植制度综合效益评价 . 41 年三熟制 (冬小麦 春甘薯 )种植制度综合效益评价 . 42 于 水资源安全 的节水高效种植制度综合评价 . 43 于 水资源安全 的节水高效种植制度红绿灯评价方法的基本思想 . 43 于 水资源安全 的节水高效种植制度红绿灯综合评价 . 44 第五章 结论与展望 . 46 要结论 . 46 望 . 47 参考文献 . 48 致谢 . 53 作者简历 . 54 中国农业科学院硕士学位论文 第一 章 绪论 1 第一章 绪论 究背景 （ 1） 农业水资源短缺，严重制约 我国农业的可持续发展 随着世界人口的 增加、经济的发展和社会的进步，人类对水资源的需求越来越大，水资源紧缺的形势也日益严峻，世界和区域水安全问题已经成为人们关注的资源性重大问题之一 。 对于我国而言， 作为 世界上十三个严重贫水的国家之一 ， 水资源的有效利用对于我国农业和整个国民经济的发展更具有特别的意义。从整体来讲，水资源总量不足和分布不平衡是制约我国农业发展的主要因素。我国以不足世界 6%的径流量，供养着世界近 22%的人口，人均径流量仅为世界平均数的 22%；水资源人均占有量仅为 2172敏建、梁瑞驹， 2000） ，不足世界人均水平的 1/4,而单位灌 溉面积水资源量只有世界平均水平 19%。据预测，到 2030 年，我国人口将达到 16 亿，在降水总量不减少，农田灌溉用水量不增加的情况下，我国 人均水资源量将下降到 1760近国际公认的 1700国缺水将高达 1300亿 2600亿 中农业缺水将达到500亿 700亿 迪， 2001），区域性缺水 将 更为严重。 目前，我国农业水资源供需矛盾突出，全国每年受旱农田面积占整个耕地面积的 25 3O，每年灌区缺水约 300亿 年因干旱减收粮食达数百亿公斤 ， 我国农业 将 面临的巨大压力和矛盾 。但是 ，要大幅度增加我国农业供水量是非常困难的，按现状用水需求状况估计，我国 21 世纪的农业发展面临的供水危机，将更加严峻。解决上述危机的根本出路，是大利发展节水高效农业，逐步提高大范围农业用水利用率和田间单方净耗水量的产品产出率，以最少的水量投入获得最大的生产效率（山仑、康绍忠， 1996）。 近年来，我国的农业节水工作得到 了党中央、国务院以及国家领导人的前所未有的高度重视，党的十四届五 中全会和十五届三中全会继续强调指出：“水资源短缺越来越成为我国农业和经济社会发展的制约因素，必须引起全党高度重视。 要大力发展旱作节水农业，走可持续发展之路”；“水资源可持续利用是我国经济社会发展的战略问题，核心是提高用水效率，要把节水防灾放在突出位置。要建立节水型社会，发展节水型农业”； 2001 年，农业部编制全国旱作节水农业发展规划，也指出“发展旱作节水农业确保国家粮食安全，维护生态良性循环，提高农民收入为总目标”。这说明，加大农业节水体系的研究开发和推广力度，尽快建立适合我国国情的农业节水技术体系，已经成为保障我国水安全，生态安全不可替代的和刻不容缓的重大战略举措。 （ 2）优化种植制度， 提高 节水潜力 农业是我国用 水最多的产业，也是节水潜力最大的产业。近年来，随着国家对节水农业的工作的高度重视，我国在工程或设施节水方面已经拥有不少国际先进水平的技术，并取得了很好的效果，但在农业节水技术的集成配套及综合管理方面仍然比较落后，尤其在节水农作制度的建设方面发展缓慢，难以发挥整体节水效益。从我国种植制度发展的历史来看，我国 针对 人多地少，土地及水资源匮乏 的状况 ，根据不同地区的光热资源及其它生态条件，研究出 了 丰富的高产高效作物种植模式， 在作物种植模式理论与技术研究上取得了举世瞩目的成就。 这 对增加农民收入，保证食品供给安全以及农村 产业结构调整均 起到了 重要作用。 其中， 多熟制及间、套、复种、立中国农业科学院硕士学位论文 第一 章 绪论 2 体种植等为人多地少、资源匮乏地区解决 粮食 安全问题树立了典范。 但是 ，随着我国 农业用水 的日渐匮乏，这 些 围绕粮食生产发展起来的 高产种植制度开始面临新的问题 。 我国现行的农作制度基本上还是一种耗水 低效 型种植制度，具体表现在种植业结构主要存在粮食作物比重高、结构单一的格局；水分转化效率高的作物、生育期水分满足程度高的作物、耐旱的作物种植比重偏低，而高耗水作物比重较大 ； 农田平均水分的利用率仅为 与发达国家的平均水平 有相当大的差距；水分生产效 率也只有 种植结构处于生产性低耗水而结构性高耗水的状态，部分灌溉作物的生产成本已与产出基本相抵，农业水资源的经济型短缺问题更加突出，现有的缺水条件下的增产增收迫切呼唤进行种植结构与模式调整，必须加快发展以节水增收为核心的节水型种植制度，大力提高有限水资源的综合利用效率。 这就意味着种植制度的优化调整蕴藏着巨大的可开发的制度节水潜力 ， 农业种植制度优化调整实施的成功与否将是实现我国水资源的优化配置、确保水资源利用的可持续发展的前提和保障。 （ 3） 农业水资源 安全 评价为 种植制度 优化调整提供 科学依据 面对我国水资源的日益紧缺，农业用水比例下降，而对粮食需求越来越高的现状与未来，传统的水资源高耗低效型种植制度将难以持续。因此，根据不同地区的光、热、水资源及其它生态条件，研究出丰富的高产高效作物种植模式，对增加农民收入，保证粮食安全以及农业结构调整均具有重要作用。对于某 个地区来说，怎么的种植制度才是既能保障农业水资源安全，又能达到良 好综合效益？这就需要建立一套合理科学的评价体系，对 区域性种植制度 进行评价 ， 这将有利于种植制度的优化调整， 为政府的政策制定以及农民的种植调整提供有力的科学依据。 究 目的及 意义 农业水资源是农业生产中最基本的生产要素，同时也是人类赖以生 存的物质基础和生产资料。随着我国农业水资源短缺形势的日益严峻， 耗水 低效 型种植制度必将向节水高效型种植制度转变 。 由于气象、水文等自然条件不同，不同区域的农业水资源数量不同，不同的种植制度对农业水资源的需求量的要求及具体组成也不同，所以结合不同区域的实际情况，深入研究农业水资源并进而明确它与种植制度之间的关系，可为保证粮食安全、水资源的可持续利用和农业结构的调整提供决策支持。 目前，建立节水高效型种植制度的研究日趋增多，如何合理评价不同种 植制度，这对选择适宜当地发展的种植制度意义十分重大。基于此，研究 建立 一套合理的可移植的 种植制度 评价 方法 ，为 实现农 业水资源安全、农业生产的社会、经济及生态效益的综合多目标发展 提供科学依据 。 此研究的开展 具有重要的理论意义和实践应用价值。 (1） 有利于 保障我国农业水资源安全。长期以来，人们习惯以资源消耗为特点的掠夺式农业生产方式，其结果是导致资源危机、环境退化、农业生产不稳定。尤其是我国北方旱作区，水资源已经成为农业可持续发展拿的最大限制因素。基于 水资源安全 节水高效种植制度评价体系，正是以农业水资源为核心指标的评 价体系，突出水资源的重要性，进行合理科学的评价 ； (2） 有利于合理评价种植制度的综合效益以及稳定性，对于旱区种植制度来说，水资源安全是可 持续发 展 的关键所在， 该评价体系 不仅 考虑了 水资源的安全 问题 ， 而 且 也 综合考虑 其 社会、中国农业科学院硕士学位论文 第一 章 绪论 3 经济及生态 的综合 效益 ； (3） 有利于 促进节水高效型种植制度的 的 优化 调整和推广，为我国未 来旱区农业生产提供多种可以借鉴的模式，及时有效提供不同种植制度 规划的合理性评价体系 ，将 为政府的宏观调控 以及农民的种植调整 提供可靠、科学、客观、有利的依据。 要研究内容 本文 从 种植制度 的角度出发， 以洛阳 为研究区域， 分析 了 不同种植制度 下 农业水资源 安全 、种植制度 综合效益两个方面 的内容 。分别构建 了 种植制度下农业水资源安全评价体系和种植制度综合效益评价体系， 并 对洛阳地区主要种植制度 进行评价 分析 ， 主要 研究内容包括： (1） 洛阳 地区 不同种植制度特点分析 ； (2） 洛阳地区 不同种植制度下农田水分平衡分析 ； (3） 洛阳地区 不同种植制度下的水资源安全评价 ； (4） 洛阳地区 不同种植制度综合效益 分析 (5） 洛阳地区 不同种植制度综合效益 评价 ； (6） 洛阳地区 基于水资源安全的节水高效种植制度综合评价 。 究方法及技术路线 本 论文是 针对区域农业水资源数量有限、种植 制度 与水资源不匹配、农业生产不稳定、 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，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，在全面研究区域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， 科学评价不同种植制度 下 的 农业水资源安全性以及评价其 社会、经济和生态综合效益，建立合理的 评价 体系。从而为实现农业和农村经济可持续发展这 一总体目标奠定基础，揭示农业水资源可持续性利用的特征和途径 。 根据上述研究思路， 本文 采用 的主要 研究方法 有：理论分析方法，结合 农田水分平衡，种植制度及其评价方法 进行思考，构建一套可移植的种植制度评价模式 ； 数据调查方法 ，主要包括 气象数据收集 、 田间试验数据 、 洛阳地区统计年鉴、农业统计资料和农村统计年鉴 的查阅 ； 数据处理分析方法， 主要 包括 农田水分平衡模型、 型 、 层次分析法、 的应用 。 中国农业科学院硕士学位论文 第一 章 绪论 4 研究 技术路线 ： 图 1文技术路线与框架 图 of 究 创新之处 首次提出了基于水资源安全的节水高效种植制度红绿灯评价方法的基本思想，并以此思想为指导，将不同种植制度下的农业水资源安全评价和综合效益评价相结合，形成了基于水资源安全的节水高效种植制度红绿灯评价方法。 中国农业科学院硕士学位论文 第二章 国内外相关研究进展 5 第二章 国内外相关研究进展 植制度研究进展 (1)国外种植制度研究与发展 在国外 ， 种植制度早期的研究主要是根据世界各地的自然资源和社会条件进行 农作制度的分类和比较研究。在其发展过程中 ， 不同国家和地区因各自不同的资源优势和经济状况 ， 研究方向上各有侧重 :人少地多农业发达的欧美国家 ， 侧重于经济效益及其资源和环境保护 ； 而人多地少属于生存型农业的亚非国家 ， 则侧重于增产潜力 ， 其研究的内容主要集中在两个方面 ， 一是如何充分利用有效的农业资源 ， 二是如何生产足够的粮食（武兰芳， 2002）。 在人多地少的发展中国家 ， 解决温饱是首要问题 ， 亚洲一些湿润热带地区较早形成了多熟种植 ， 特别是在二次世界大战后 ， 东南亚地区在作物集约化多熟种植上取得了惊人的进步 ， 通过间作和套种一年同 一块土地上收获次数多达 5 次 ， 从而带动了多熟种植的研究和发展 ， 从 60 年代开始 ， 种植制度研究在亚洲越来越受到重视 (984)。 国际水稻研究所 ( 1964 年起开始对东南亚湿润灌区的集约化种植制度进行研究 (973),这个研究所的科学家们认识到必须改变以水稻为基础的传统种植方式 ， 进行多熟种植提高以水稻为主体的种植制度的生产力。 70 年代初期 ,大部分南亚和东南亚的国家将种植制度研究摆到更重要位置 ， 1975 年 织召开了首届国际种植制度年会 ， 逐步确定了种植制度研究的目标 (978)和方法学(981)。因为大部分南亚和东南亚国家的农业基本上属于生存型农业 ， 所以他们研究的内容主要集中在两个方面 ， 一是如何充分利用有效的农业资源 ， 二是如何生产足够的粮食 ， 所以评价种植制度优劣的标准就主要是农学产量 ， 然后才是经济利润或甚至从来也不考虑利润(984)。 在湿润的热带雨林地区 ， 迫于随着人口增加对食物产生需求压力加大 ， 逐步产生了农林复合种植制度 (988;994)。进入 20世纪 90年代 ,由于受可持续农业思潮和 全球经济一体化的影响 ， 原有种植制度的观念开始发生了改变 ， 由追求产量增长向持续性和高效化方向转变 (995; 995)。 与发展中国家不同的是 ， 发达国家一般具有相对丰富的资源和较高的生产力 ， 其农业建立在完善的市场经济体制下 ， 是以农业企业的形式进行生产 ， 所以对整个农作系统的评价都是从严格的经济学角度出发。美国的农业是世界上最典型的现代化农业 ， 自 19 世纪开始农业商品化以来 ，根据国内自然条件和其它资源条件 ， 及比较优势的原则 ， 在作物布局上逐步形成了一年一熟的专业化的作物种植带 ， 而且一直 以高效率闻名于世。进入 20 世纪 80年代后 ,由于资源和环境问题 ,提 出 可 持 续 农 业 发 展 计 划 , 随 之 在 美 国 展 开 了 长 期 低 投 入 种 植 制 度 的 研 究(998;001)。试验和研究的共同主题 ,就是为各个地区探讨一个长期的低投入的可持续种植制度 ,包括不同投入类型和不同投入水平条件下的免耕种植制度和不同作物组成的轮作制 ,来替代常规种植制度。这些替代种植制度多偏重于环境保护 ,而忽视了经济效益 ,因而推广起来具有困难。 1990)提出 ,在低投入种植制度的发展与采用过程中 ,经济分析具有重要作用 :农民采用低投入种植方式并不是完全排斥化学杀虫剂和化肥的使用 ,特别是在过度期 ,而是力图用危害更小和可持续的方法来减少化学物品的投入 ,而且要在技术和经济上可中国农业科学院硕士学位论文 第二章 国内外相关研究进展 6 行 ;经济上获利的程度是农民生产动力的主要方面 ,其它方面如农民经济受损风险 ,环境污染和人类健康有时比获利更重要。进入 20 世纪 90年代 ,许多研究者从经济效益出发 ,对低投入的种植制度和常规种植制度进行比较 (989;1991;993;995)。 1999),当农民对替代种 植制度进行评价时 ,他们关心的一个问题是收益性的好坏 ;可持续的种植制度必须为农民提供合适的利润。 (2)国内种植制度的研究与发展 建国以来，我国在种植制度方面的研究，出于人多地少的国情，主要是以增加粮食产量和提高土地利用率为目标，围绕以间套复种为主要内容的多熟种植制度和作物布局为研究重点（彭汉艮， 2003；武兰芳， 2002）。根据其发展的社会制度背景和具体内容的不同，大致可分为三个阶段： 第一个阶段是从 20 世纪 50 年代初至 80 年代末，在计划经济体制下以提高粮食总产为主要目标的种植模式研究。其中 50 年代，以扩大 复种提高土地利用率为主提高粮食总产，主要研究改单季稻为双季稻、改间作稻为连作稻、改籼稻为粳稻及改旱作为水稻，南方 1 熟改 2 熟、 2 熟改 3熟，北方华北平原的 1年 1熟或 2年 3熟通过间套复种改变为 1年 2熟为主。 60 70年代，发展了强调用地与养地相结合及调整作物布局的理论，主要研究南方利用冬闲田发展绿肥双季稻、稻麦和稻油双熟制，北方以小麦玉米两熟、麦棉套作两熟等为主要内容的两熟制，结合适当地调整作物布局，有效地促进了粮食和经济作物生产的发展。 80 年代是以提高单产，提高土地生产力为主提高粮食总产，并逐步向高功能 (高产量 )高效益种植模式发展。华北稳定 1年 2熟，并结合多熟种植高产作物，发展经济作物。南方发展多种形式的 3熟制和 2熟制，并形成粮经饲初步结合。在这一阶段，主要是发展充分利用农业自然条件的多熟复种种植方式的技术研究，多熟复种理论与技术也走向完善（刘巽浩， 1987；彭汉艮， 2003；武兰芳， 2002）。 第二个阶段是 20 世纪 80 年代末到 90 年代的保障食物供给和提高种植业经济效益为目标的市场经济体制下的种植制度研究。在这一阶段，从高产高效种植实践和理论探讨，逐步走向种植业结构调整和优化，从单纯追求产量转向开始重视质量与效 益。 80 年代后期 ,由单纯注重产量 ,开始结合经济效益 ,许多研究进行了高功能高效益种植模式理论研究和实践探讨。 90 年代初，以作物新品种为基础，间套复种为主体，辅以地膜覆盖和精耕细作，吨粮田开发的理论与实践掀起高潮。刘巽浩 (1990)对华北单产 50067 2农田的再高产作了理论分析 ,认为“千斤田”的潜力仍不小 ,并提出了再高产的途径 ,而且指出在经济效益上也是合算的。北方地区主要以小麦、玉米为主间套复种经济作物高产高效种植模式 (李风超 ,1990;陈能樵 ,1990),南方地区主要是以稻田为主立体种养的高功能高效 益发展模式 (章熙谷 ,1989)。 90 年代中期，高投入高产出的集约化与可持续发展的关系成为学术界研究的热点。张明亮 (1994)比较了黄淮海棉田各类种植模式的效益 ,提出棉田高产高效立体种植模式及配套技术。陈阜 (2000)提出集约多熟种植是适合我国国情、高产高效的一种农作制度 ,田间试验结果表明 ,黄淮海平原在冬小麦 夏玉米两熟模式基础上开发“冬小麦 /春玉米 /夏玉米”多熟间套模式 ,年单产可突破 20t/索的“冬小麦 /春玉米 /夏玉米 /秋玉米”多熟模式 ,年单产达到 些模式资源利用效率高 ,显示了 巨大的高产潜力 ,是农田在吨粮基础上实现高产再高产的一种新尝试。刘巽浩 (1997)提出现代型多熟高产农作制是中国农业的主攻方向 ,并建议研究推广 10项多熟高产技术模式。 90 年代后期，由于我国农产品供求格局发生变化，解决农民增收成为突出问题，一些学者从宏观上提出了种植制度调整的方中国农业科学院硕士学位论文 第二章 国内外相关研究进展 7 向，总体趋势是省工省力、粮经饲多元结合、高收益型和高产型，即走多元化、高效化道路。 第三阶段： 20 世纪末到 21 世纪初，我国农业生产进入一个新的发展阶段 ,其主要特征就是 :农产品供给由长期短缺转向总量基本平衡和结构性、地区性相对过剩 ;农业发展 由追求产量最大化转向追求效益最大化 ;农业的增长方式由传统投入为主向资本、技术密集型方向转化 ;农业的经营形式由单纯的原料型生产逐步转向生产、加工、销售一体化的产业化经营等。但是 ,从长远看 ,目前这种农产品的过剩只是地区性和结