寒地井灌水稻田區曬水池用地空間布局研究
----以七星農場為例

杜國明，張志宇，高君峰，于鳳榮，馮 悅，春 香

(1.東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省農墾科學院科技情報研究所，哈爾濱 150038)

0 引 言

在氣候變暖及土地整治、育種、耕作技術等推動下，我國水田種植邊界不斷北移[1]，但氣溫低、水溫低、生長期短等一直是寒地水田面積擴張和產量提升的限制性因素。在水稻生長期對灌溉用水進行增溫是寒地水稻防治冷害、促進水稻生產必要手段，曬水池作為服務水稻灌溉用水增溫的田間附屬設施，在當前的土地整治中得到愈來愈多的建設，對于保證高寒地區水稻生產以及農業現代化發揮了不可替代的作用[2-4]。探討曬水池用地布局，對于提升耕地節約集約利用、推動土地整治科技創新、促進寒地水田農業發展具有重要的意義。

隨著我國農業現代化發展，全國各地區土地整治工程持續推進，農業附屬設施用地類型日趨增多，占地比例不斷提升[5-9]。在土地整治工程規劃設計及施工中，如何實現附屬設施用地布局優化、促進土地節約集約利用，引發了學術界及管理部門的持續關注[10-13]。國內學者們關注的重點在附屬設施用地的空間變化、經濟效益及生態效益等方面，而對不同類型的附屬設施用地規模標準、布局優化的研究仍有待加強[14-20]。

三江平原作為我國氣候變暖顯著、土地整治規模較大的區域，水田面積持續擴張，保障國家糧食安全的地位日益突出。與此同時，曬水池用地規模不斷增大，如何構建曬水池用地標準、優化曬水池用地布局成為擺在土地整治及農地管理者面前的一道難題。七星農場是黑龍江省農墾建三江分局中水田規模較大、曬水池用地較多的現代化國營農場，其曬水池用地布局規律對整個三江平原甚至東北寒地水田區土地整治具有借鑒意義。本文以七星農場為研究區，總結其曬水池用地平均規模、平均最鄰近距離等空間分布特征，旨在為土地整治科技創新添磚加瓦、為寒地井灌水田區的土地整治提供參考依據。

1 研究區概況及曬水池用地需求分析

1.1 研究區概況

七星農場隸屬于黑龍江省農墾建三江分局，位于富錦市境內，地處132°32′-133°14′E，47°2′-47°29′N。七星農場位于三江平原的核心區域，地勢平坦，海拔大多介于50～60 m，地面起伏很小。年平均氣溫2.5 ℃左右，極端最高氣溫37.5 ℃，最低氣溫-41 ℃，全年無霜期135 d左右，年均降雨量576 mm，地下水位深5～17 m，地下水貯量10 832 萬m3，地下水溫一般為4～5 ℃左右。土壤類型主要有黑土、白漿土、草甸土、沼澤土等。七星農場分為12個管理區，78個作業站。土地總面積達116 681 hm2，耕地面積75 333 hm2，墾殖率為64.6%。其中水田69 683 hm2，占耕地面積的92.5%，素有“綠色米都”之稱。自2000年黑龍江省陸續實施“兩江一湖工程”、“糧食產能千億斤工程”、“三江平原東部土地整理重大工程”等重大土地整治項目以來，七星農場土地整治穩步推進，耕地的水田化水平、設施化水平大幅提升，成為農墾系統乃至全國土地整治水平最高的區域。

1.2 曬水池用地需求分析

曬水池是寒地水田區用于臨時存儲井抽地下水，經過太陽照射、水溫提升后(一般提升10 ℃左右)用于水田灌溉的農業附屬設施。在寒地水田區的農業生產中，曬水池需建在所處水田地勢較高處，以便于自流灌溉，且曬水池與田塊之間有足夠長的渠道，使灌溉用水在流經田塊期間內繼續增溫。同時要保證該位置適合建站打井，地下水資源充足。另外，為便于農業生產和節約用地，曬水池選址一般為田塊內靠近田間道一側，保證從田塊一側入水的同時，又能夠配合相應的排水渠道接納排出的水量，達到灌排一體的效果。

在用地規模上，曬水池修建規模主要根據服務地塊的需水量來決定。因曬水池的修建一般采用地上池，所以曬水池深度上一定要保證最大程度的利用太陽光的輻射作用來達到其增溫效果，同時要保證其足夠的蓄水量。根據黑龍江農墾總局建三江分局發布的《寒地優質高產水稻生產技術規程》中對曬水池設計的要求，曬水池修建的深度一般為0.6 m左右。單個曬水池用地面積的確定，則需要考慮到所服務地塊的從水田插秧開始到水稻灌漿結束后平均每日的用水量，以及該地區水田近5年來的雨養程度，從而確定服務地塊需水量中井水灌溉所占的比例和曬水池所要求的最小蓄水量。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與預處理

本文數據來源為：資源三號衛星遙感影像(分辨率為2 m)，通過幾何校正以及坐標定位，結合第二次土地利用調查數據，采取目視解譯提取七星農場各管理區曬水池用地信息(解譯標志如圖1所示)。

圖1 資源三號衛星遙感影像曬水池用地解譯標志Fig.1 Sunning water pool's interpreting mark of Resources Satellite Three remote sensing image data

結合Google Earth高分辨影像進行對比，并參照七星農場國土部門提供的《黑龍江省三江平原土地整治重大工程七星農場竣工驗收圖》對各曬水池用地分布和面積進一步修正。于2016年8月進行實地抽樣，開展精度驗證，圖斑解譯準確程度達到95%以上。

2.2 研究方法

2.2.1 最鄰近指數分析法

最鄰近指數及平均最鄰近距離是用于判別某一地理要素的空間布局模式。最鄰近指數測算公式如下：

(1)

式中：R表示曬水池用地的最鄰近指數；ra表示各個曬水池圖斑質心間所觀測到的平均最鄰近距離；re表示曬水池在隨機分布情況下的平均最鄰近距離的期望值；di表示第i個曬水池與其最近的曬水池之間的距離；A表示區域總面積；n表示曬水池的地塊數；λ表示曬水池的分布密度。

最鄰近指數R<1的視為集聚分布，R=1的視為隨機分布，R>1的視為均勻分布。上述分析可以利用ArcGIS10.2軟件Spatial Nearest Neighbor模塊中的Average Nearest Neighbor工具實現。

2.2.2 曬水池用地灌溉用水滿足度分析方法

曬水池灌溉用水的滿足度是指在一定的水溫條件約束下，該地區曬水池蓄水量所能澆灌稻田的高峰期需水量的比例。計算方法為：根據該地區氣象部門統計的近5年來平均每天的降雨量和水稻從插田返青到灌漿結束后需水高峰期每天的需水量，確定井水灌溉占水田需水量的比重。再根據多年來生產經驗所要求的該地區曬水池增溫到合適水溫時的最適深度，推算該地區井水灌溉完全達到全部水田的灌溉需求時，曬水池用地面積占水田面積的比例。再通過實際曬水池用地面積比例與上述比例進行對比，以管理區為統計單元計算曬水池用地灌溉用水的滿足度。計算公式為：

(2)

式中：α表示滿足度；φ表示曬水池所占水田面積的實際比例；h表示曬水池修建深度；S表示該地區水田面積；V表示該地區水田每天的需水體積；h0表示該地區每天平均降雨距地表高度。

3 研究結果分析

3.1 曬水池用地規模與鄰近距離分析

根據解譯數據統計出七星農場各管理區曬水池用地情況，如表1所示。

七星農場共修建曬水池1 886 處，共占地404.92 hm2，平均用地規模為2 146.98 m2。整個農場曬水池用地平均最鄰近距離為331.87 m。統計發現，各管理區的曬水池用地平均規模與平均最鄰近距離具有一定的相關性，二者的散點圖及線性回歸趨勢線如圖2所示。

表1 曬水池用地情況統計表Tab.1 Statistical table of sunning water pool land situation

圖2 曬水池平均用地規模與平均最鄰近距離散點分布圖Fig.2 Scattered plot of average building size and average observed distance of sunning water pool

從該趨勢線可以分析出，以管理區為統計單元，曬水池用地的平均最鄰近距離與平均用地規模間存在著顯著的正相關的線性關系，說明曬水池用地平均規模越大，各曬水池之間的平均最鄰近距離越遠。其線性回歸方程一次函數可表示為：

y= 0.073 4x+191.44

(3)

式中：x表示曬水池用地平均規模，m2；y表示曬水池用地的平均最鄰近距離，m。該方程的相關系數為R2=0.728 9。

3.2 曬水池空間分布特征分析

七星農場曬水池用地分布如圖3所示。

圖3 七星農場曬水池用地分布圖Fig. 3 Distribution of sunning water pool of Qixing Farmland

經計算，整個農場曬水池用地最鄰近指數為0.852 458，即R<1，說明曬水池用地趨于集聚分布。造成最鄰近指數小于1與七星農場的土地并非全部為水田用地有關，一定面積旱地、居民點等其他用地類型的存在割裂了水田連片分布，從而對曬水池用地格局產生了影響。按照上述公式求出每個管理區曬水池空間分布的最鄰近指數，并根據每個管理區曬水池用地狀況分析其空間分布特點，各個管理區曬水池最鄰近指數與曬水池所占水田比例具體關系如圖4.

圖4 各管理區曬水池用地面積占水田面積比例與最鄰近指數散點圖Fig.4 Distribution of proportion of paddy fields occupied by sunning water pool in each management area and scatter plot of the nearest neighbor ratio

從圖4中可以看出，所有管理區曬水池用地最鄰近指數R均小于1，結合遙感影像進行比對驗證，表明農場多數管理區曬水池空間分布均趨近于隨機分布，少數管理區則因該管理區的水田與旱田的種植范圍區分明顯，曬水池用地空間分布呈現集聚分布的趨勢，通過和曬水池占本管理區水田面積的比率相比較，可看出兩者之間存在著一定的相關性。

通過散點圖可以反映出，管理區曬水池用地占水田面積的比例越高，本管理區曬水池最鄰近指數卻越低。這證明兩者之間在指定區間內存在著負相關的非線性相關關系，相關系數為0.638 5，表明曬水池用地占水田面積比例越高，則在空間分布上集聚程度越高，反之則曬水池用地在空間分布上隨機程度越高。回歸方程可以表示為：

R=-25 814φ2+299.324φ-0.002 2

(4)

式中各變量與式(1)、(2)相同。

3.3 曬水池灌溉用水滿足度分析

通過統計部門提供的5年內的統計年鑒中的相關數據計算七星農場近5年來水田四月中旬插田返青開始到水到灌漿結束后的定額每畝水田的需水量，地下水的水溫在4～5 ℃的情況下，根據建三江分局《寒地優質高產水稻生產技術規程》中三江平原曬水池深度為0.6 m的統一標準，利用公式(2)得出，每個曬水池占地面積為曬水池田塊的0.8%時，能夠滿足該田塊最高的灌溉要求。再利用以上得到的各管理區曬水池所占田塊面積比例和0.8%作比，得出各管理區的滿足度。如圖5所示。

圖5 七星農場各管理區曬水池灌溉用水滿足度統計圖Fig.5 Statistical chart of irrigation water satisfaction of sunning water pool in management areas of Qixing Farmland

七星農場曬水池用地總的灌溉用水滿足度為77.5%，各管理區的滿足度都在60%以上。滿足度超過80%的管理區共6個，其中第二管理區的滿足度最高，達到了105.00%，表明該管理區曬水池存在用地過度的現象；滿足度在60%～80%之間的管理區共5個，其中第三管理區的滿足度最小，剛剛達到60%。結合《黑龍江省三江平原土地整治重大工程七星農場竣工驗收圖》，第三管理區等滿足度沒有達到80%的管理區在灌溉排水設施與曬水池協同增溫的運用普遍較多，一定程度上彌補了該管理區曬水池灌溉用水滿足度較低的問題。由此可見，在布局曬水池用地過程中，并不只是按照水田需水高峰期來確定用地規模，曬水池的增溫滿足度達到80%左右即可，剩余的20%左右則利用灌溉渠道的長度繼續進行增溫作用，從而既滿足水田灌溉用水量和水溫要求，又要節約用地，減少曬水池用地規模和面積比例。

4 曬水池用地布局標準分析

綜上分析，曬水池用地空間布局的合理性體現于曬水池用地選址和用地規模兩個方面，用地標準也應從這兩個方面進行約束。

4.1 曬水池用地選址影響因素標準分析

曬水池是水田區地下水灌溉特有的增溫附屬設施，曬水池用地必須緊鄰抽水井，并能夠對一定半徑內的水田進行自流灌溉。因此，曬水池用地選址在緊鄰抽水井的前提下，主要受到兩個因素影響：一是地面高度。曬水池用地必須處于水田獨立灌溉小區的最高處。二是曬水池的控制灌溉面積，曬水池用地在選址上要保證曬水池灌溉半徑不能過大。

根據《GB50625T-2010機井技術規范》，抽水井位置的選擇應根據水文地質條件，地下水資源狀況并與地形，機械提水和水田布局等多方面結合起來考慮，保證在任何時間灌溉工作都能夠正常運行，多年運用中取水量不減少，取水條件不惡化。

每一處曬水池的控制灌溉面積的應根據抽水井的實際情況進行確定，計算公式為：

(5)

式中：F0表示每一處曬水池控制灌溉面積，hm2；Q表示曬水池所處抽水井出水量，m3/h；t為灌溉期間抽水井的使用時間，h；T0表示每次輪灌期的天數，d；η表示灌溉水利用系數；η1表示干擾抽水的水量消減系數；m表示每公頃每次綜合平均灌水定額，m3。

曬水池間鄰近距離的計算公式為：

(6)

式中：L0表示曬水池間距離，m；F0表示每一處曬水池控制灌溉面積，hm2。

根據上述研究結果，一般而言，曬水池灌溉半徑控制在300 m以內為宜。

4.2 曬水池用地規模因素標準分析

在曬水池的用地規模上，每一處曬水池用地規模的大小應充分考慮修建位置地下水的存儲量。如果單處曬水池用地規模過大，而地下水資源卻不能保證曬水池內存儲水的需求，則不僅造成耕地資源浪費，同時影響曬水池中灌溉用水的持續供應。所以每一處曬水池用地規模的確定要充分考慮該區域地下水資源的存儲量。地下水資源足夠的情況下，基于上述對七星農場各管理區的曬水池用地狀況、曬水池的灌溉半徑、以及服務區水田面積所占比例進行分析，單處曬水池用地規模應控制在1 500～4 000 m2之間。

在曬水池用地的總體規模上，地下水的水溫是其影響因素之一。自北向南緯度不斷降低的同時，地下水溫也在不斷提高。三江平原大部分地區地下水的水溫一般為4～5 ℃，北部黑龍江地區最低可達到3 ℃左右，南部興凱湖地區溫度可達到5.5 ℃左右，而水稻分蘗時期灌溉水溫的最適溫度要求為18 ℃。根據建三江分局《寒地優質高產水稻生產技術規程》以及七星農場多年來的生產經驗，取其地下水平均水溫為4.5 ℃，曬水池用地規模占服務水田面積的0.8%時，即能夠滿足該區域水田的灌溉需求的同時，又能夠利用不斷優化的池內增溫措施使其水溫達到水田灌溉的需求。當地下水溫提高，即可通過減少曬水池用地的占地比例，縮短地下水通過曬水池的流經時間，使曬水池出水口的水溫達到18℃左右，即滿足水田灌溉水溫要求即可。如果局部地區地下水溫能夠達到10 ℃以上，則不需建曬水池，利用渠道增溫就可以滿足水田灌溉的水溫需求。基于該區域的研究，建立函數模型如下：

(7)

式中：T代表該區域地下水的水溫；φ表示曬水池所占服務水田面積的實際比例。

由此公式可得，三江平原曬水池用地規模占服務水田面積的比例范圍應為0.74%～0.89%左右。

綜上所述，建立曬水池用地空間布局影響因素關系結構如圖6所示。

圖6 曬水池空間布局影響因素關系結構圖Fig.6 Relationship diagram of Influencing factors of sunning water pool Spatial Distribution

5 結論與討論

(1)七星農場曬水池用地共占地404.92 hm2，平均用地規模為2 146.98 m2，平均最鄰近距離為331.87 m。各管理區曬水池用地的平均規模與平均最鄰近距離呈正相關的線性關系，回歸方程為y= 0.073 4x+191.44，即曬水池用地平均規模越大平均最鄰近距離越遠。

(2)七星農場各曬水池用地的最鄰近指數R為0.852 458，曬水池用地趨近于集聚分布。且各管理區曬水池用地占水田面積比例越高，集聚分布特征越明顯；所占比例越小，隨機分布特征越明顯。二者間的回歸方程為R=-258 14φ2+299.32φ-0.002 2。

(3)曬水池用地面積占所服務水田面積的0.8%時，曬水池灌溉用水量和水溫能夠達到水田需水高峰期的要求。但布局曬水池用地過程中，并不只是按照水田需水高峰期來確定用地規模，同時還會利用灌溉渠道的長度及其增溫作用，從而既滿足水田灌溉用水量和水溫要求，又節約用地，減少曬水池用地規模和面積比例。七星農場曬水池用地灌溉用水滿足度為77.5%，即曬水池用地面積占水田面積比例為0.62%。

(4)曬水池用地空間布局的合理性主要受曬水池用地選址和曬水池用地規模兩個方面的影響。選址方面，曬水池用地必須處于水田獨立灌溉小區的最高處，曬水池灌溉半徑應控制在300 m以內；建筑規模上，根據該地區地下水水溫北部黑龍江區域最低溫3 ℃，南部興凱湖地區最高溫5.5 ℃，曬水池用地規模占服務水田面積的比例范圍應控制在0.74%～0.89%左右。

寒地水田區的農業附屬設施用地既包含曬水池用地，還包含育秧棚、晾曬場、存儲、農機站等用地。各類附屬設施用地在選址和規模上都有各自的需求，同時也應統籌各類附屬設施用地布局，提升用地效率和農業生產的便捷度與經濟性。黑龍江省農墾總局各農場是全國農業現代化水平最高的區域，其附屬用地布局具有顯著的示范作用。但黑龍江省農墾總局的全部土地為國有土地，與實施土地集體所有制的普通農村在農業生產組織、生產關系、土地利用布局上均有著 顯著不同[7]。隨著全國各地農業現代化、規模化水平的提升，各類附屬設施用地布局問題將日益緊迫，因此必須加強各類附屬設施用地布局的區域標準研究，為土地資源管理提供更多依據。

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