典型黑土區水土保持生態抗旱技術措施體系的構建
——以黑龍江省拜泉縣為例

陳 棣， 景國臣， 李英杰

(黑龍江省水土保持科學研究院， 黑龍江 哈爾濱 150070)

典型黑土區水土保持生態抗旱技術措施體系的構建
——以黑龍江省拜泉縣為例

陳 棣， 景國臣， 李英杰

(黑龍江省水土保持科學研究院， 黑龍江 哈爾濱 150070)

[目的] 對典型黑土區水土保持生態抗旱技術措施體系的構建進行探討，以期為該區生態農業可持續發展提供理論支持。 [方法] 以半干旱半濕潤、水土流失嚴重的拜泉縣為研究區，運用生態學原理，采取水量平衡分析的方法，對該區生態抗旱措施體系進行構建和效果評估。 [結果] (1) 確定了區域內各項水土保持生態抗旱措施的優化配置比例。 (2) 生態抗旱技術措施體系緩解了旱情的發生，2005—2009年區域內基本無春旱發生；與相鄰縣份相比，10a間旱災發生頻率減少了28.5%。 (3) 水量平衡分析表明，區域水資源利用率提高了13.6%。 [結論] 水土保持生態抗旱是半干旱半濕潤水土流失區生態建設的一種有效途徑，拜泉縣生態抗旱技術措施體系的構建取得了顯著的生態、經濟和社會效益。不同地區應根據自然條件和環境特點構建適合本區域的生態抗旱技術措施體系。

水土保持； 生態抗旱； 技術體系； 水量平衡； 農田生態系統； 拜泉縣

干旱缺水是全球6大生態危機之一，中國是受干旱危害嚴重的國家，隨著經濟社會的發展，干旱缺水造成的災害越來越重，損失越來越大。就農業來說，20世紀90年代，中國農作物因干旱年均受災面積、損失糧食及其占糧食產量的比例已由50年代的1.20×107hm2,4.35×106t和2.5%分別上升到2.70×107hm2, 2.45×107t和4.7%。據世界銀行分析，20世紀90年代，中國每年因干旱造成的直接經濟損失以及由于干旱缺水導致生態環境惡化造成的損失超過500億元。黑龍江省水資源匱乏，干旱發生比較頻繁。據資料顯示，在19世紀大約每4 a發生1次干旱；20世紀90年代前平均每3 a發生1次干旱，干旱主要發生在齊齊哈爾、大慶、綏化、哈爾濱等市的中西部和黑河市的南部等27個縣市，但90年代以后，旱情已發展到佳木斯、牡丹江、雞西、雙鴨山、鶴崗、七臺河等東部城市[1]。另據資料統計，黑龍江省1958—1992年干旱面積平均每年只有1.19×106hm2，其中成災面積4.80×105hm2，占40%；1993—2002年干旱面積平均每年達到2.74×106hm2，其中成災面積在1.26×106hm2，占46%[2]。同時干旱已逐步由春旱擴展到夏旱及秋旱。本研究目的就是改變傳統的抗旱模式，通過采取工程、植物、農技等一系列措施的合理配置，實現可持續的、預防為主、防抗結合的抗旱之路，即生態抗旱。即， (1) 發展生態農業建設，提高水資源的利用率，這對該區域農業可持續發展具有十分重要的作用。 (2) 為實現黑龍江省“千億斤糧食產能工程”提供保障[3]。 (3) 對農村產業結構調整，科學利用水土資源，增強農業自身能力，提高產能具有現實意義。

1 研究區概況

選擇黑龍江省拜泉縣作為研究區的主要原因主要包括： (1) 拜泉縣地處典型黑土區核心區域，是黑龍江省主要糧食生產區[4]。 (2) 拜泉縣是黑龍江省水土流失治理重點縣份之一，根據1986年遙感普查和該縣復查，該縣水土流失面積3 505.52 km2，占幅員面積的97.44%[5]。 (3) 拜泉縣屬半干旱半濕潤氣候區，是黑龍江省主要旱作農業區，素有“十年九春旱”之稱[6]，旱災發生頻率較高，危害大，具有典型黑土區代表性。

拜泉縣位于黑龍江省中西部，地理坐標為125o30′—126o31′E，47o20′—47o55′N，總面積3 597.01 km2。該縣地貌分為丘陵狀臺地、波狀起伏臺地、緩坡傾斜平坦臺地和漫灘地4種類型。氣候屬中溫帶大陸性氣候，全縣年均氣溫1.2 ℃；年均降水量490 mm，5—9月降水量435 mm，占全年的87.7%。年均徑流深46 mm，年平均蒸發量1 132.6 mm，年均風速3.1 m/s，最大風速22 m/s。據第2次土壤普查，土壤類型分為黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土、鹽土5個土類。黑土是主要耕作土壤。植被類型主要有丘陵植被、草原化草甸植被、草甸植被和沼澤化植被4種。根據1986年遙感普查和該縣復查，該縣水土流失面積中，輕度侵蝕832.58 km2，占流失面積的23.75%；中度侵蝕2 257.44 km2，占流失面積的64.40%；強度侵蝕415.50 km2，占流失面積的11.85%。年均土壤侵蝕模數2 594 t/km2。

2 研究方法與數據分析

2.1 理論依據

生態抗旱技術措施體系是應用生態學原理，采取水保、植物、耕作等技術措施，改變生態環境系統中諸因子時空狀態，實現生態抗旱措施體系的保水、蓄水、調水和節水4大功能[7-8]，進而達到系統內水分平衡，提高系統抗御各種災害能力，以創造適合生物體生長發育最佳時空環境，達到可持續增加生物產量的目的，使改變了的生物系統與環境系統有機結合形成生態抗旱體系。

2.2 研究方法

2.2.1 生態抗旱措施體系構建 生態抗旱就是通過各種技術措施促進生態環境中水分得失(+,-)的平衡。也就是說通過“保、蓄、調、節水”技術措施，減少蒸散，減少徑流，使天然降水與耗水保持相對平衡。在一定的時空內，水分的運動保持著質量守恒，或輸入的水量和輸出的水量之間的差額等于系統內蓄水的變化量。在閉合流域或集水區內，一般把大氣降水視為生態系統的水分輸入量，把蒸發或蒸騰及各種徑流作為水分的輸出量。此時，不同植被類型水量平衡方程[9]為：

P=E+ΔW+R

(1)

式中：P——大氣降水量(mm)；E——蒸發散量(mm)；R——徑流量(mm)；ΔW——土壤貯水量變化(mm)。

農田蒸散的估算采用Penman公式[10]計算：

(2)

式中：E——蒸散量(mm/d)；Ea——空氣干燥力(大氣蒸發量,mm/d)；α——系數；γ——干濕表常數(66.2Pa/℃)；Δ——飽合水汽壓曲線斜率〔mm/℃，從Δ(T)表中查算〕；R——表面凈輻射量(mm/d)，R=R0(1-A)-Ri；R0——天空總輻射(mm/d)；A——反射率；Ri——地面有效長波輻射(mm/d)。

2.2.2 生態抗旱效果評價 研究區歷史旱情變化分析采用德國瓦爾特旱情分析圖解法，相鄰縣份旱情分析采用同期對比法。生態抗旱措施體系生態效益采取典型小流域實地觀測法。其中氣象指標采用PC-3便攜式自動氣象站觀測。農田土壤容重、孔隙度和田間最大持水量采用環刀法測定。土壤穩滲系數采用雙環法測定。土壤有機質含量采取稀釋熱法測定。地表徑流量采用標準小區測定。區域水量平衡分析利用水量平衡方程式對不同植被類型進行加權統計分析。

2.3 數據分析

2.3.1 數據來源 不同時期拜泉縣土地利用結構數據來源于拜泉縣土地局。氣象因子數據來源于拜泉縣氣象站。歷年旱澇災害數據來源于拜泉縣、克山縣民政局。各項水土保持措施的保水、蓄水、調水、地表徑流數據來源于拜泉縣1990—1992年水保觀測網點和黑龍江省水土保持科學研究所試驗觀測結果。抗旱節水資料來源于拜泉縣2010年小型農田水利重點縣實施方案。數據分析采用Excel和SPSS15.0軟件進行統計分析。

2.3.2 生態抗旱技術措施體系指標的確定 在生態抗旱措施體系中，能否實現防旱、抗旱，主要取決于保水、蓄水、調水、節水4大功能是否發揮作用，而功能的實現，主要靠技術措施建立及完善過程來實現。這其中有個措施建設量變到質變的過程。當各項技術措施達到最佳狀態時，則體系中抗旱性能為最理想狀態。因此，確定各項措施指標極為重要。

根據拜泉縣水保觀測網點和黑龍江省水土保持科學研究所在克拜地區試驗觀測，將徑流量、田間最大持水量、灌溉用水量等測定結果增減量轉換計算為氣象雨量值，得出生態抗旱各項技術措施指標(表1)。

表1 生態抗旱技術措施定額指標 mm

3 結果與分析

3.1 生態抗旱技術措施比例的確定

根據水量平衡原理和作物生育需水要求，以農田生態系統水分輸入與輸出相平衡和最大田間持水量為目標值，采用水量平衡方程對區域內生態抗旱措施體系進行水量平衡分析，得出拜泉縣各項各項生態抗旱措施的配置數量和占比，計算結果詳見表2。

水量平衡方程為：P=E+ΔW+R

表2 拜泉縣生態抗旱措施配結果

從表1中看出，各項水土保持措施配置體現了保水、蓄水、調水、節水的有機結合，各項措施配置最佳比例為梯田1.75%～2.65%，地埂植物帶0.60%～0.91%，改壟24.88%～37.30%，水源涵養林13.93%～21.15%，封禁治理0.45%～0.68%，中耕深松25.65%～38.36%，耙茬深松2.48%～3.71%，農田噴灌0.56%～0.83%，微灌0.35%～0.52%。

3.2 土地利用結構變化分析

生態抗旱措施的實施，調整了土地利用結構，使土地利用結構和生產方式發生了較大的變化。各項生態抗旱措施實際完成情況詳見表3。土地利用結構變化情況詳見表4。

從表3可以看出，拜泉縣各項生態抗旱技術措施實施面積基本上與所確定的配置比例上限一致，能夠實現保水、蓄水、調水、節水的生態抗旱目標。從表4土地利用變化情況看，生態抗旱技術措施體系的構建，調整了區域內農林牧用地結構，農地減少了4.90%，林地增加了8.45%，草地增加了0.31%，農林牧用地比例更加趨于合理，農村產業結構進一步多元化。

表3 拜泉縣生態抗旱措施實際完成情況

表4 拜泉縣土地利用結構調整情況

3.3 生態抗旱技術措施體系對旱情變化影響分析

3.3.1 歷史比較分析 運用德國瓦爾特旱情分析圖解法，對拜泉縣治理前5a(1975—1979年)與治理后5a(2005—2009年)進行旱情分析。結果表明，前5a平均溫度線與1 ∶2降水線交叉重疊在3—5月，均為嚴重干旱，而后5a平均溫度線與1 ∶2降水線及1 ∶3降水線均未交叉重疊，則為無春旱(圖1—2)。說明生態抗旱措施體系建設增強了區域抗旱能力。

圖1 拜泉縣1975—1979年瓦爾特旱情分析

圖2 拜泉縣2005—2009年瓦爾特旱情分析

3.3.2 與相鄰縣份比較分析 通過對1997—2006年拜泉縣和鄰近克山縣春旱情況調查(表5)，拜泉縣10a中平均春季降雨量為69.1mm，有5a發生春旱，受災面積3.28×105hm2，而克山縣10a中平均春季降雨量75.0mm，有7a發生春旱，受災面積6.20×105hm2，為拜泉縣受災面積的近1倍。雖然兩縣春季降雨量相差不多，克山縣比拜泉縣還相對多了5.9mm，但是春旱頻次和程度都高于拜泉縣，說明拜泉縣生態抗旱措施體系發揮了明顯的抗旱減災作用。

表5 拜泉縣和克山縣1997—2006年旱災對比

3.4 生態抗旱技術措施體系調節水量分析

根據我們在拜泉縣多年試驗觀測數據分析，按照農田生態系統水量平衡公式，對拜泉縣實施生態抗旱技術措施體系前后農田生態系統中水量平衡分析，結果詳見表6。從表6可以看出，生態抗旱措施體系實施前，農田系統中消耗水量的蒸散量和徑流量占降水量的比例分別為59.8%和55.3%，耗水量明顯大于降水量。生態抗旱措施體系生效后，由于環境的改善，區域小氣候向好的方面轉化，降雨量增加了10.9%，農田蒸散量減少了4.7%，地表徑流量減少8.3%，土壤貯水量由原來的-61.9mm調節為13.2mm，水量由虧損轉變為水量平衡并稍有贏余，水資源利用率提高了13.6%，保證了農作物生育期對水分的需求。

表6 拜泉縣生態抗旱措施實施前后農田生態系統水量平衡分析

3.5 生態抗旱技術措施體系改善生態環境效果分析

生態抗旱技術措施體系的建立，形成了工程措施、植物措施、農業耕作相結合，良性循環的生態體系。該縣植被覆蓋率達到24.25%，其中森林覆蓋率達到21.15%。區域生態環境有了較大的改善，農業基礎向穩定、協調、健康方向發展。由于植被覆蓋度大幅度增加，改善了生態環境，提高“體系”內溫、濕度，降低大氣壓強，增強了抗干旱能力。2013年在拜泉縣通雙小流域實測結果表明，坡耕地徑流量減少76.1%，泥沙流失量減少97.8%，土壤平均容重減小了0.05～0.12g/cm3，總孔隙度增加1.9%～4.1%，透水速度增加0.58～1.39mm/min，田間持水量增加5.18%～11.56%；農田林網內風速降低58%，空氣相對濕度提高10%～14%，蒸發量減少14.6%～17.8%；土壤有機質含量增加0.51%，保肥能力提高51%。由于小氣候得到改善，近年來該流域沒有發生過大的旱、澇、冰雹、低溫、早霜等自然災害。

3.6 生態抗旱技術措施體系經濟效益分析

拜泉縣生態抗旱技術措施體系建設取得了明顯的生態、經濟、社會效益。根據拜泉縣統計年鑒，截止2012年該縣糧食總產量增加8.48×106kg，平均增產糧食185kg/hm2，年均經濟收入增加8 196.32萬元，人均收入增加4 150元。該體系建設提高了區域抵御干旱等自然災害能力，為農業可持續發展提供了保證。

4 結 論

(1) 拜泉縣水土保持生態抗旱技術措施體系的實施，調整了土地利用結構，大幅度提高了植被覆蓋率，各項措施的保水、蓄水、調水、節水“四大”功能得到了有效的發揮，增強了抵抗自然災害的能力。運用德國瓦爾特旱情分析圖解法分析表明，生態抗旱技術措施體系建立后的2005—2009年基本無春旱發生，與相鄰縣份相比，1997—2006年旱災發生頻率減少了28.5%。

(2) 通過對保水、蓄水、調水、節水技術的合理優化配置，減少了地表徑流量，改善了土壤保蓄水能力，提高了自然降水的利用率，使農田生態系統水量趨于平衡。拜泉縣的生態抗旱技術措施體系建設實踐表明，農田生態系統水量由過去的虧損轉為稍有盈余，水資源利用率提高了13.6%。

(3) 拜泉縣的水土保持生態抗旱實踐證明，區域生態環境向良性循環轉化，農村經濟結構得到調整，糧食產量明顯增加，經濟收入逐步提高，說明水土保持生態抗旱技術措施具有明顯的經濟效益、生態效益和社會效益。

(4) 水土保持生態抗旱是半干旱半濕潤水土流失區生態建設的一種有效途徑。生態抗旱措施體系的4大功能，即保水功能、蓄水功能、調水功能和節水功能，不僅能夠起到補水作用，更主要的功能是充分合理的配置水資源。不同地區自然條件和環境特征不同，建立的生態抗旱技術措施體系也不一致，應根據具體條件選擇適合區域特點的生態抗旱技術。

[1] 金鈴,王忠波,王玉.黑龍江省干旱災害問題研究[J].黑

龍江水利科技，2008,36(5):16-18.

[2] 王安軍.生態抗旱原理在大慶地區節水造林中的應用[J].中國西部科技,2011,10(11):58-58.

[3] 周廣云,郭微微.黑龍江省“千億斤糧食產能工程”建設水資源支撐探討[J].安徽農學通報,2014,20(16):1-2.

[4] 石長金,孫雪文,呂志學,等.生態建設對黑土區拜泉縣糧食生產的影響[J].黑龍江水專學報,2007,34(1)：86-87.

[5] 周寧,張春山.拜泉縣水土保持生態文明建設的成效與經驗[J].中國水土保持,2014(1):55-57.

[6] 陜西現代農業科技網.拜泉縣城市生態農業構建[EB/OL]. (2015-11-23)[2016-02-03].http://www.xdny86.com/zixun/79818.htm,2015-11-23.

[7] 陳棣.論生態抗旱的內涵與特征[J].防護林科技,2005(3):56-57.

[8] 劉微,劉鐵鋼,王更銀,等.構建生態抗旱技術措施體系對策淺析[J].中國西部科技：學術,2007(9):65-66.

[9] 張永勤,繆啟龍,何毓意,等.區域水資源量的估算及預測分析:以南京地區為例[J].地理科學，2001,21(5)：457-462.

[10] 呂厚荃,于貴瑞.幾種實際蒸散計算方法在土壤水分模擬中的應用[J].資源科學,2001,23(6)：85-90.

Systematic Configuration of Ecological Measures of Soil and Water Conservation for Drought Resistance in Typical Black Soil Region —A Case Study of Baiquan County, Heilongjiang Province

CHEN Di， JING Guochen， LI Yingjie

(SoilandWaterConservationResearchInstituteofHeilongjiangProvince,Harbin,Heilongjiang150070,China)

[Objective] The configuration of ecological systematic measures of soil and water conservation for drought resistance in typical black soil region was discussed to provide theoretical support for the sustainable development of ecological agriculture in the region. [Methods] Under the principle of ecology, and method of water balance analysis was adopted, the drought relief system constructed by ecological measures of Baiquan County was built and evaluated. The county lied in an transition from semi-arid area to sub-humid area, where soil was seriously eroded. [Results] (1) The proportion of ecological drought relief measures that focus on soil and water conservation in the region was optimized. (2) Ecological measures for drought relief system eased off drought disaster. E.g., spring drought almost never happened from 2005 to 2009 in the region. In average, drought frequency decreased by 28.5% in comparison with that of adjacent counties in 10 years. (3) Water balance analysis showed that the regional water utilization ratio increased by 13.6%. [Conclusion] Ecological drought relief measures for soil and water conservation is an effective way of ecological construction for semi-arid sub-humid and soil loss region. It had obtained significant ecological, economic and social benefits in the case of systematic configuration of ecological measures for drought resistant in Baiquan county. The drought resistant measures should be configured according to local natural conditions and environmental characteristics.

soil and water conservation; ecological drought resistance; technological system; water balance; farmland ecosystem; Baiquan County

2016-03-06

2016-05-04

黑龍江省科技攻關項目“黑龍江省生態抗旱技術措施體系構建的研究”(GB04B702)

陳棣(1963—)，男(漢族)，黑龍江省五常市人，教授級高級工程師,主要從事土壤侵蝕與荒漠化防治方面的研究。E-mail：chend_1226@163.com。

景國臣(1964—)，男(漢族)，黑龍江省望奎縣人，教授級高級工程師, 主要從事土壤侵蝕與荒漠化防治方面的研究。E-mail：jgc031@163.com。

B

1000-288X(2016)06-0195-05

S157.2,S423

文獻參數： 陳棣， 景國臣， 李英杰.典型黑土區水土保持生態抗旱技術措施體系的構建[J].水土保持通報，2016,36(6)：195-199.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.033