水资源约束下的流域粮食生产潜力研究

Food security and water resources security play important roles in human existence and development. The sustainable use of water resources to ensure food security has become the focus of scholars, and also been the urgent requirements of the rational allocation of water resource and sustainable use. Taoer River Basin is a typical semi-arid area, and also the country's major commodity grain production base. Therefore, it is important and meaningful to study the relationship between water and grain yield in this area. The project intends to use methods of field observations, field test, theoretical analysis and numerical simulation. Through analyzing the water - yield relationship at different growth stages of crop and identifying the relationship between agricultural non-point source (NPS) pollution load and cultivated land, Water-Yield model, considering both water quantity and water quality, will be established to estimate rice and corn yield under the constraints of water quality and quantity in 2020, 2025 and 2030. Several suggestions will put forward to promote f regional water security and food production on the basis of regular observation and analysis of NPS pollution. This study will not only enrich and develop the theory of water resource management, but also provide scientific basis for water environmental security.

粮食安全和水安全对人类生存与发展具有极其重要的意义。以水资源的可持续利用来保障粮食安全已经成为国内外学者关注的焦点，同时也是实现水资源合理配置和可持续利用的迫切要求。本项目拟以国家重要的商品粮生产基地洮儿河流域作为研究区，利用野外观测、现场测试、理论分析和数值模拟相结合的方法，在系统分析作物不同生长阶段的水分-单产关系、确定农业非点源污染负荷与耕地面积关系的基础上，建立综合考虑水量、水质因素的水资源-产量模型，探讨2020、2025和2030年在水质和水量双重约束下洮儿河流域水稻、玉米的产量状况，并在进行流域非点源污染规律观测与分析的基础上，提出基于流域水资源安全目标的粮食增产的建议。此研究理论上丰富与发展水资源管理学科的理论与方法体系，实践上为确保粮食增产目标稳定实现，以及保护流域水环境安全提供基础数据和科学依据。

粮食安全和水安全是可持续发展的热点问题，尤其在干旱与半干旱地区，需要以水资源的可持续利用为前提实现粮食安全。本项目选择松嫩平原西部的国家重要商品粮生产基地洮儿河流域为研究区，利用统计资料、气象资料及农作物的产量资料，研究了不同生长阶段作物缺水量的时空分布规律，并分析了不同作物的缺水量对产量影响的敏感期，建立了基于统计数据的流域主要作物的水分—单产方程；通过野外实测和模型模拟相结合的方法，确定了粮食生产与非点源污染的产出关系；在此基础上，构建了水量、水质、产量模型，并对未来不同情景下的粮食产量进行了预测。研究结果显示：（1）运用柯布-道格拉斯生产函数和灰色关联分析法对流域粮食产量及其影响因素进行研究发现，水资源是影响洮儿河流域粮食产量的重要因素，且其重要性逐渐增强；作物分生长阶段缺水量的研究发现在这一区域传统高耗水作物水稻缺水量较小甚至进入不缺水阶段，而玉米、大豆缺水量较高，尤以发育的前三阶段为突出；水稻、玉米、大豆的初期阶段缺水对其产量的影响最为敏感；（2）在（1）的分析基础上拟合了以Blank模型为原型的水分—单产方程，经验证模拟效果良好（Ens＞0.6）；（3）构建了适用于洮儿河流域的SWAT模型，精度基本满足模拟要求。使用贡献率和单位贡献指数（UCI）2个指标的分析皆表明农地对该区域非点源污染的影响程度最大，计算了非点源污染负荷模数，阐明了粮食生产与非点源污染负荷产出的关系；（4）构建了水资源—产量模型，建立水、肥组合情景，进行模型求解，预测得到情景1条件下2020、2025和2030年，洮儿河流域的水稻、玉米产量将分别达到74.21万t/170.39万t、78.68万t/173.54万t和89.42万t/183.36万t；情景4条件下，2020、2025和2030年，洮儿河流域的水稻、玉米产量将分别达到79.35万t/186.36万t、86.16万t/194.35万t和98.25万t/200.92万t。综合情景1和情景4的预测可知，兼顾水量的供给和非点源污染的控制，洮儿河流域水稻、玉米的增产潜力是巨大的。研究结论既丰富了水资源管理的理论，同时也对于研究区实现粮食增产，以及保护流域水环境安全具有十分重要的科学价值和实践意义。