基于GIS的旱改水潛力研究

左松 蔡朕

[摘要]通過對重慶市彭水縣農業氣候資源和水田主要種植作物水稻為研究對象的調查與分析，采用逐步回歸法和50m×50m的小網格插值，建立了以經度、緯度、海拔和坡度等地理因子為影響因素的氣候資源模型，結合水稻生育期的氣候資源特征，選取了有效積溫、降雨量和日照時數作為水稻種植區劃指標，通過土地資源信息與氣候資源區劃進行疊加空間分析，得到滿足氣候資源因素和土壤因素的可種植水稻區。研究結果可為彭水縣合理規劃和布局旱改水工程提供參考。

[關鍵詞]旱改水;氣候資源;小網格模型

[中圖分類號]S572[文獻標識碼]A

隨著對資源環境可持續發展研究機制研究的深入，人們普遍認識到水田資源是集生產、環境、生態于一身的復合資源，保護與恢復水田生態系統功能是實現社會經濟可持續發展的重要條件，然而為保證經濟快速平穩的發展，在未來一定時期內，建設占用水田的面積在不斷擴大，為貫徹落實《中共中央 國務院關于加強耕地占補平衡的意見》的精神，改進耕地占補平衡管理，建立以數量為基礎、產能為核心的占補平衡新機制，通過“算大賬”的方式，落實占一補一、占優補優、占水田補水田，促進耕地數量、質量和生態三位一體保護。在保經濟和保耕地的雙重任務下，通過將旱地改造成水田的方式是實現耕地占補平衡的有效途徑，因此摸清重慶市各區縣旱改水潛力對于布局國土整治項目具有重要意義。目前，分析旱改水潛力的方式有兩種，一是以農用地測算潛力為基礎，將坡度在15°以下的旱地、水田圖斑做近鄰分析，結合實地調研，確定“旱改水”最終潛力。二是按照《重慶市旱改水技術要求》（試行）中規定，將土壤質地為壤土或粘土，有效土層厚度應達到50cm以上（或通過客土可達到）、有充足水源和排水渠，結合實地調查最終確定潛力。兩種方式各有利弊，但同時忽視了水田所承載的種植作物對外界環境的依賴性，本研究從水田的主要種植作物水稻為對象，將影響水稻生育期的農業氣候為限制條件，通過“逐步回歸”小網格推算模型和土壤等限制性因素，分析重慶地區農業氣候的主要特征對旱改水空間分布影響關系，為合理布局國土整治項目旱改水工程提供數據支持和科學依據。

1 數據與處理方法

1.1 數據來源

數據資料包括重慶34個常規氣象站點1977～2010年地面觀測資料，以及氣象站點經緯度和高程數據。重慶市的DEM數據來自于重慶市測繪局1：10000地形圖（柵格尺寸為50m×50m），重慶市2017年耕地質量年度更新數據庫，重慶市2017年度土地變更調查數據庫，重慶市農作物生產數據來自重慶市各區縣農業資料調查與區劃（1983～1996）與重慶市統計年鑒（2015～2017）。

1.2 研究區概況

彭水縣位于重慶市東南部，處烏江下游。地處北緯28°57′～29°51′、東經107°48′～108°36′之間，東西寬78KM，南北長96.40KM。彭水縣屬武陵山系，境內西北高，東南低。多年平均氣溫17.5℃，多年平均降雨量1224.0mm，2015年土地總面積為389533.62hm2，耕地總面積為108490.36hm2，其中旱地面積93791.18hm2，占全縣耕地總面積的86.45%，水田、水澆地14699.14hm2。

1.3 研究方法

1.3.1 外界限制性因素選取。水田是指在降雨和熱量較為豐富、灌溉水源較為充足的地區，利用筑有田埂可經常蓄水的耕地，以種植水生作物為主的農田，一般以水稻種植為主，所以墾造水田區域種植作物以水稻生長特性作為研究對象進行選取限制性因素，水稻是喜溫短日照作物，水稻產量除了與自身品種和農藝措施有關外，氣候對水稻的布局、生長發育和產量也有重要影響。通過大量研究表明，積溫和降雨是水稻生長重要生態氣候條件、日照是影響水稻質量重要氣候條件，按照主導因子原則、因子簡化原則和因子共性原則，將以上三個因子作為水稻的關鍵氣候因子進行相關分析;墾造水田區域土壤應具有較高的保水、保肥的能力，這就要求選擇區域內土壤質地在經濟合理、技術可行的情況下實施防滲工程。

1.3.2 小網格推算模型。根據重慶市彭水縣地區的氣候特點與地形特征，根據實測站點的積溫、降雨量等資料，建立對相應的氣候要素多元統計模型，在GIS平臺下對每個DEM單元格計算模型預測值，同時利用ArcGIS中的IDW方法，將氣候資源殘差內插到網格內，得到柵格化的殘差，最后將此圖與小網格推算模型所繪制的氣候資源圖進行疊加獲得整個區域積溫、降雨量的空間分布圖。用函數公式表示為：

Y=f（α、β、h、λ）+ε

式中Y表示氣候要素資源值，α、β、h、λ、ε分別表示緯度、經度、海拔高度、地形（坡度）因子和殘差?；谥貞c34個氣象站氣候資源數據，進行線性回歸模型模擬得到氣候資源要素的回歸模型（見表1）。

2 結果與分析

2.1 基于小網格推算模型旱改水氣候區劃分析

重慶市早稻種植面積為660hm2，中稻種植面積73.15萬hm2，晚稻種植面積860hm2，重慶地區水田作物主要以中稻為主，重慶地區一季中稻所需積溫為3210℃，中稻一般在4月底至5月初播種，9月收獲，整個生長期在120～150天，生育期需水量為668mm，所需日照時數為1000～1300小時，在小網格推算模型區劃圖的基礎上，以水稻生育期所需有效積溫、降雨量和日照時數作物限制條件進行空間分析，得到水田氣候區劃結果，見圖4。

從重慶地區有效積溫、降雨量和日照時數模擬結果結果空間分布和水稻生育期所需有效積溫限制條件來看，彭水縣中部摩圍山至鳳凰山一帶，北部龍射鎮、太原鄉、三義鄉，西南部龍池鄉、大埡鄉，東南部鞍子鄉能滿足氣候限制要素要求的區域較小，主要原因為以上區域地貌類型以喀斯特中山為主，山體形態屬于于溶丘山地地形、海拔較高，氣溫低、日照少而降雨多，因而以上區域氣候限制性較大，不適宜布局旱改水工程。而長灘鎮、保家鎮、郁山鎮、走馬鎮、鹿角鎮和諸佛鄉等區域地貌類型以褶皺抬升中山為主，屬于巖溶洼地地形，因其海拔相對較低、地形相對平坦，旱改水氣候因素潛力較大。

2.2 基于土地利用信息的旱改水區域分析

水稻可廣泛生長于各種土壤之上，并且具有較高的保水、保肥的能力和一定的滲透性。新增水田區域的土壤應選擇具有改造成保水、保肥的能力的土壤質地，根據重慶市2017年耕地質量年度更新數據庫資料，提取數據庫中的土壤質地數據中壤質和粘質土壤的區域作為新增水田選擇備選區。將上述網格化后的3個氣候資源推算模型和土壤質地數據，利用GIS軟件進行空間疊加得到滿足水稻種植的區域，見圖5。

從圖中可以彭水縣北部連湖鎮、普子鎮，西部鹿鳴鄉、高谷鎮，中部的新田鄉、漢葭鎮、保家鎮，東部走馬鎮、諸佛鄉，南部的鹿角鎮旱改水潛力較大。主要原因為以上區域土壤以黃壤土、黃棕壤土為主，具備改造成保水層的條件，所以旱改水潛力較大。彭水縣各鄉鎮旱改水潛力見圖6。

3 結論

針對重慶地區尚無可行規范標準指導布局旱改水工程，此研究以水田主要作物水稻為參考標準，從氣候、土壤等自然條件能滿足水稻生長期需要為標準，利用小網格法將經緯度、海拔、坡度等地理因素引入到氣候資源空間模型中，再通過篩選重慶地區水稻生育期所需的自然要素閾值，得到水稻生育期有效積溫、降雨量、日照時數等農業氣候資源的精細空間分布圖，將其與土地利用信息條件進行疊加分析后，得到以下結論：

（1）模擬結果可靠性較強。經與彭水縣2017年耕地質量年度更新數據庫水田數據空間分析，其模擬結果與目前水田布局的擬合度為80.20%，反向驗證模擬結果的可靠性。

（2）模擬結果細致精確。每個網格大小為50m×50m，能夠有效反映彭水地區地形條件復雜，氣候資源立體多樣特點下旱改水區域的分布特征。

（3）模擬結果可視性強。客觀反映了旱改水區域，對指導旱改水工程布局、選址具有十分重要的意義。

[參考文獻]

[1] 胡言青，嚴小靜，汪大林.氣象條件對水稻生產影響研究——以安徽南陵為例[J].中國農學通報，2016，32（24）：168-173.

[2] 賀愛輝.探究影響水稻產量與質量的主要因素[J].新農村，2014，24：102.

[3] 宋續娟，周柏明，崔明元.氣候因素演變對水稻產量形成的分析[J].中國稻米，2011，17（5）：42-43.

[4] 李玉林.自然降雨量與水稻產量的關系[J].氣象，1997，23（2）：38-40.

[5] 胡言青，嚴小靜，汪大林.重慶市優質稻產量形成的氣候生態條件分析[J].中國農業氣象，2009，30（1）：92-95.

[6] 張立娟，王志強，鄭大軍.淺析影響水稻生長的主要因素[J].吉林農業，2012，271（9）：133.

[7] 劉玥.吉首市降水與日照對水稻產量的影響分析[J].農業開發與裝備，2017，8：46.

[8] 高洪嬌，李奇.淺談積溫 [J].黑龍江氣象，2017，34（2）：30-33.

[9] 周蕊蕊.中國主要糧食作物需水滿足度時空特征分析[D].武漢：華中師范大學，2014.

[10] 吉莉，馬君，江志輝.北碚生態氣候服務探索與實踐[M].北京：氣象出版社，2015.

[11] 朱淑媛.濕潤地區中稻旱作灌溉試驗研究[D].杭州：揚州大學，2012.

[12] 符娜，劉小剛，張巖.西南地區水稻灌溉需水量變化規律[J].生態學雜志，2014，33（7）：1895-1901.

[13] 唐云輝，陳艷英，梅勇.重慶市中稻氣候適應性分析[J].中國農業氣象，2009，30（3）：383-387.

[14] 劉鈺，汪林，倪廣恒.中國主要作物灌溉需水量空間分布特征[J].農業工程學報，2009，25（12）：6-12.

[15] 張生武，陳新國，任麗.水稻需水規律研究[J].吉林水利，2010，336（5）：5-10.

[16] 丁穎.中國水稻栽培學[M].北京：農業出版社，1961.

[17] 亞熱帶東部丘陵山區農業氣候資源及其合理利用研究課題協作組.中國亞熱帶東部丘陵山區農業氣候資源研究[M].北京：科學出版社，1990：49-58.

[18] 曹海珺;曹海鑫;田奉俊.日照時數與水稻產量性狀的相關分析[J].安徽農學通報，2012，18（19）：48-49.

[19] 韓青.旱地改水田土地適宜性評價—以江西省安遠縣為例[J].貴州農業科學，2017，45（8）：125-129.

[20] Diodato N，Bellocchi G.Modelling solar radiation over complex terrains using monthly climatological data [J].Agricultural and Forest Matrorology.2007，144：111-126.

[21] 樊慶鋅，孟婷婷.江川農場旱田改水田對水環境的影響研究[J].環境科學與管理，2014，39（5）：70-72.

[22] 劉正國，游振波，黃俊.江西省旱地改水田土地整治研究—以永豐縣瑤田鎮湖西村旱改水項目為例[J].安徽農業科學，2015，43（36）：185-187，229.

[23] YAN M H，LIU X T，ZHANG W.Spatio-Temporal Changes of>=10A Degrees C Accumulated Temperature in Northeastern China Since 1961 [J].Chinese Geographical Science.2011，21（1）：17-26.

[24] 楊志才，堠武龍，黎城.粵西丘陵區旱改水潛力評價方法研究—以廣東省新興縣為例[J].安徽農業科學，2016，44（23）：183-186.

[25] 陸魁東，黃晚華，肖漢乾.氣候因子小網格化技術在湖南煙草種植區劃中的應用[J].生態學雜志，2008，27（2）：290-294.

[26] 廖勇;川中丘陵區主要作物需水量及其變化規律研究[D].成都：四川大學，2005.

[27] 梅芳權;吳憲章;姚長溪.中國水稻種植區劃[J].中國水稻學，1988，2（3）：97-110.