撓力河流域水土資源平衡及耕地合理利用規模特征

周 浩，夏衛生※，雷國平

（1. 湖南師范大學資源與環境科學學院，長沙 410081；2. 東北大學土地管理研究所，沈陽 110169）

0 引言

耕地可持續利用是關乎國計民生的首要任務，而有限水資源是限制耕地開發的核心要素[1-2]。自20世紀80年代以來，作為國家商品糧生產基地的三江平原耕地持續“北移東擴”，水田急劇擴張，并逐漸暴露出土壤板結鹽漬化、地面沉降和水資源供應不足等問題[3-4]，影響了耕地可持續利用。因此，定量評估該地區水土資源平衡關系，以確定耕地合理利用規模，對于耕地合理開發與利用乃至國家糧食安全具有重要現實意義[5]。

水土資源平衡影響著農業發展的深度與廣度，并受到學術界持續性關注[6-9]。當前，相關研究主要涉及降水、氣溫、蒸發等過程分析[10-11]，并側重于水分供給與需求的差額問題。水土資源平衡主要包括氣候水分平衡、作物水分平衡和農田土壤水分平衡3個研究層次[12]：氣候水分平衡和作物水分平衡分別從理論上揭示了天然狀態下氣候濕潤狀況以及作物水分盈虧的規律性特征，可視為水土資源平衡研究的初始層次[13-15]。如張淑杰等[16]、曾麗紅等[17]分別構建了氣候水分盈虧模型對東北地區過去幾十年氣候水分盈虧特征進行了探討；張順謙等[18]基于農業氣象站點數據對主要旱作物的生育期水分盈虧量及其與氣候變化關系進行了研究，揭示了四川省作物水分平衡規律；農田土壤水分平衡則將水土置于農田生態系統中，從“土-水-氣-生”連續體出發，遵循農田土壤水循環原理，來揭示水資源與土地資源的平衡態。如林耀明等[19]利用水土資源平衡模型，輔以田間觀測資料，對華北平原農業水土資源平衡問題進行研究，認為應提高渠系利用系數和優化水資源灌溉制度來實現水土資源平衡。農田土壤水分平衡是天然狀態下水土資源平衡研究的實際層次，更具實踐價值[20-21]。從農田土壤水分平衡出發來開展耕地的水土資源平衡研究，明晰耕地合理利用規模，將具有更強的實踐指導意義。

撓力河流域是三江平原最大的流域，自建國以來該流域經歷了多次大規模農業開發活動，尤其是中國進入經濟迅速發展時期后，當地大量低洼旱地轉變為水田，水田面積及結構比例快速提升[22-24]，造成當地農業需水量急劇增加[25]，水資源與土地資源出現錯位。基于此，有必要明晰該流域不同區域的水田利用規模閾值，確定科學的耕地利用結構，以保證耕地資源開發與水資源利用綜合協調。綜上，本文在2000—2018年多源水土信息數據支持下，依據農田土壤水分平衡原理揭示撓力河流域水土資源平衡態勢，進而確定耕地合理利用規模，為該流域乃至三江平原的耕地合理開發與利用提供決策支持。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

撓力河流域位于三江平原腹地（圖1），總面積2.36萬 km2，轄4縣（富錦市、友誼縣、集賢縣和寶清縣）和3區（寶山區、尖山區和四方臺區），地處中溫帶大陸性季風氣候區，地勢上呈西南高、東北低的特點，干流自西南流向東北。地貌類型以山地和平原為主，其中山地主要分布于流域西南部和南部，平原主要分布于流域北部和中部的內、外七星河及撓力河中游地區。撓力河流域耕地類型主要為水田（以單季稻種植為主）和旱地（玉米—小麥形式的輪作），水澆地面積極少，是三江平原主要的糧食產區和國家重要商品糧生產基地。

1.2 數據來源

1.2.1 多源水信息數據

本文涉及的水信息數據包括2000—2018年潛在蒸散量、地表水徑流、壤中徑流、土壤含水量以及地下水徑流等，以上數據均經遙感驅動的時變增益水文模型（Distributed Time Variant Gain Model based on Remote Sensing，RSDTVGM）模擬得到[26]。該模型在MODIS數據產品（Albedo、LST、Emis和LAI）、基準氣象站點數據、數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和土壤數據等支持下，輔以作物生長發育數據，并考慮融雪、植被截留、蒸散發、地表徑流，下滲、壤中流以及匯流等水文物理過程，采用時變增益水文模型（Distributed Time Variant Gain Model，DTVGM）構建的通用物理框架[27]，并在ENVI IDL開發語言環境下將水文循環各過程進行整合并模擬得到。

1.2.2 耕地信息數據

2000、2010和2018年耕地信息數據源來自美國陸地資源衛星Landsat TM/OLI多光譜遙感影像，數據獲取自美國地質勘探局USGS（http://earthexplorer.usgs.gov/），過程中涉及選用不同的Landsat衛星數字產品，輔以中國科學院資源環境科學數據中心（http://www. resdc.cn）的“中國土地利用現狀遙感監測數據”（數據比例尺1∶10萬，數據精度良好），以Google Earth數據為輔助數據源，影像數據經大氣校正、幾何糾正、圖像增強等預處理，進行543波段的標準假彩色融合以便幫助區分旱地和水田，采用人機交互式目視解譯方法完成耕地信息識別，地類編碼和判讀與中國科學院資源環境科學數據中心（http://www.resdc.cn）的“中國土地利用現狀遙感監測數據”相同。耕地信息數據的解譯精度驗證則通過Google Earth軟件布控數據采樣網格點實現（解譯準確率均大于85%）。

1.2.3 氣象數據

2000—2018年氣象數據來自于中國氣象數據中心（http://data.cma.cn）的“中國地面氣象資料日值數據集V3.0”。由于撓力河流域境內的氣象站點較少，本文同時選取流域周邊的富錦氣象站和虎林氣象站數據來輔助降雨和溫度數據的逐日空間Kriging插值處理。

1.2.4 其他數據

主要作物（水稻、春小麥和春玉米）生長周期及面積結構系數獲取自國家氣象數據中心“中國農作物生長發育和農田土壤濕度旬值數據集”和流域境內的分縣農業統計資料；基礎地理信息數據包括DEM（90m）、經緯度空間分布數據和行政區劃數據。對各數據進行必要的投影變化（Albers等積投影）處理。

2 研究方法

國家天然濕地保護政策推行以及耕地后備資源減少，使得撓力河流域境內耕地擴張趨緩，未來該流域耕地變化更多地體現在耕地內部結構關系改變上[22]。本文采用農田土壤水分平衡原理，來揭示該流域水土資源平衡關系，并依據耕地水分平衡特點，“以水定地”確定耕地合理利用規模及其內部結構。

2.1 灌溉需水量WD

依據灌溉定額法計算灌溉需水量WD，主要涉及流域的農田灌溉用水基準定額以及灌溉所產生的調節系數[28]，公式如下：

式中W"D為農田灌溉用水基準定額，mm，本文將天然狀態下的土壤水分虧缺量視為理論農田灌溉用水基準定額；WD為實際灌溉需水量，mm；I為灌溉水利用系數，數據來源于《黑龍江省用水定額標準》（DB23/T 7262016）。

土壤水分虧缺量涉及農田作物需水量和農田土壤水分脅迫蒸散量2個參數，公式為

式中WB為土壤水分虧缺量，mm。WB＜0則表示土壤處于水分虧缺狀態，絕對值越大虧缺量越大；ET為作物需水量，mm。本文采用作物系數法來計算ET，依據流域作物實際生長發育資料，劃分對應作物（水稻、春小麥和春玉米）的生育周期并確定作物系數（FAO—56查表）（表1），結合流域潛在蒸散量以確定作物需水量；ETS為農田土壤水分脅迫蒸散量，mm，通過土壤水量平衡方程計算得到：

式中Pt為平衡時段t的降水量，mm；ETS為土壤水分脅迫條件下的蒸散量，mm；Rt為平衡時段t的徑流量，mm，主要由地表水資源（分為地表徑流、地下水出流和壤中徑流）和不重復的地下水資源（分為潛水蒸發量、地下徑流量以及開發凈消耗量）構成；Sdt為t時段內的降水入滲量，mm，Sut為t時段內的毛管上升水量，mm，二者數值較小，且相互抵消，均計入誤差項Δ；St為t時段內的土壤含水量，mm；St-1為t-1時段內的土壤含水量，mm；Δ為t時段內的誤差項，mm。

表1 撓力河流域生育時段劃分及其作物系數 Table 1 Major crop growth period and its crop coefficient in Naoli River Basin

2.2 灌溉供水量Ws

灌溉供水量Ws主要由地表水資源（地表徑流、地下水出流和壤中徑流）與不重復的地下水資源（潛水蒸發量和地下徑流量）構成，且均可通過RSDTVGM模型模擬得到[27]，并依據作物生長周期匯總得到流域常年平均灌溉供水量Ws。

2.3 水土資源平衡

依據撓力河流域灌溉的供、需量，明確農田水分平衡態勢，結合農業灌溉定額量，即可確定耕地規模平衡態（圖2），計算公式如下：

式中W為流域水分平衡量，m3；S為相應的耕地平衡量，m2；G為流域灌溉定額，m3。對于上式有以下3種可能：

1）W＞0（即Ws＞WD），表明流域內灌溉供水量大于灌溉需水量，水資源尚有開發潛力，可以適當擴大該地區耕地面積；

2）W=0（即Ws=WD），表明流域內水土資源處于平衡狀態，在現有灌溉供水條件下，可以通過改善灌溉條件，提高灌溉系數來擴大耕地面積；

3）W＜0（即Ws＜WD），表明流域內灌溉供水量小于灌溉需水量，水土資源配置不合理，處于水土資源超負荷利用狀態。

2.4 水田化系數

水田化系數即指水田占耕地的比例系數，是表征水田開發程度的重要指標[22]。考慮到水田需水量顯著大于旱作物需水量，撓力河流域水田快速擴張導致了該地區農業需水量急劇增加，使得水土資源失衡。因此，通過調整該地區水田開發結構即水田化系數，以實現水土資源平衡，具體計算公式為

式中η為水田化系數；ai為旱地和其他地類轉換為水田的面積，km2。考慮到撓力河流域水田利用格局形成均經歷了水田化過程（旱地和非耕地轉變為水田），因此可將當地水田面積視作從歷史時期到當前時點的水田化面積；A為耕地總面積，km2。依據水田化系數，定量劃分水田化階段[23]，即：初始階段（0～30%）、中期階段（30%～70%）和末期階段（70%～100%）。

3 結果與分析

3.1 流域耕地分布特征

21世紀以來，撓力河流域旱地面積持續下降，水田面積快速增加，“水田化”現象為該流域最主要的土地利用變化景觀類型（圖2）。2000年，耕地面積143.39萬hm2，占流域面積60.57%，其中富錦市和寶清縣為耕地分布的主要區域，占流域耕地總面積的68.77%。2010年耕地面積比例升至62.34%，其水田化系數由2000年的16.91%增至2010年的26.74%。2018年耕地墾植率緩慢升至62.61%，8年間僅增加了0.27個百分點，對應的水田化系數為37.32%，同時富錦市和寶清縣為水田擴張的核心區域。相對于旱地而言，水田多分布于地勢平坦、灌溉條件較好的地區：一是撓力河干流的下游北岸，該地區以國營農場（主要為七星農場、創業農場、紅衛農場和勝利農場）為主，農業現代化程度較高；二是內外七星河流域腹地及友誼縣境內，該地區水田斑塊破碎，家庭農場和農戶個體為主要的水田利用管理主體；三是撓力河干流的中段東岸，該地區為八五二和八五三國營農場所在地，坡度、灌溉條件較好。

3.2 流域農田土壤水分盈虧特征

3.2.1 土壤水分脅迫蒸散特征

2000—2018年，逐日土壤水分脅迫蒸散量累加值呈S形曲線變化特征（圖3a）。基于該曲線變化特點，分別以第76日序（3月16日）和第251日序（9月7日）為突變點劃分為3個階段：1）受流域氣溫緩慢回升影響，1月1日至3月16日，土壤水分脅迫蒸散量以0.17 mm/10d的速率波動上升；2）隨著氣溫的持續上升，地表積雪開始融化，土壤含水量增加，土壤水分脅迫蒸散量表現出穩步增長的特點。至201日序（7月19日）蒸散量達到全年峰值（4.58 mm），并開始進入衰減期，第252日序（9月8日）已降至1.36 mm；3）隨后，蒸散量繼續以0.10 mm/10d的速率波動式下降（圖4a）。空間分布上，流域全年土壤水分脅迫蒸散量處于442.21～529.28 mm范圍，其中耕地分布區的均值為451.01 mm，且旱地和水田的蒸散能力處于同一水平。寶清縣南部為撓力河源頭，地形以山地丘陵為主，土壤類型多為山地暗棕壤，土壤水分脅迫蒸散量偏高（473.47 mm）。饒河縣東部也以山地丘陵為主，土壤蒸散能力較強（圖3b）。

3.2.2 農田作物需水特征

不同作物需水量表現出明顯的時空差異性特征（圖 4）。對于水稻而言，2000年、2010年和2018年的全生育期需水量依次為609.63、673.23和673.65 mm。2000年，流域北端的富錦市與饒河縣交界處需水量偏低，而撓力河干流沿岸的富錦寶清段水稻需水量明顯偏高，平均值達到620 mm；2010年，需水空間分布情勢呈現由西向東不斷遞減特征，高值區多分布于寶清縣境內；至2018年，需水高值區零散分布，但寶清縣于該年份氣溫較低，區域潛在蒸散能力偏弱，導致對應的水稻需水量也處于較低水平。

對于旱作物而言，春小麥和春玉米需水量低于水稻。春小麥的3個研究時點需水均值依次為460.31、468.17和461.34 mm，2000年的相對高值區多分布于內、外七星河腹地，撓力河干流沿岸的饒河寶清段和流域南端部分地區需水量偏低，2010年，春小麥需水量在空間上整體表現出西高東低的特點，而至2018年，流域南部的需水量高于東部，北部富錦市與友誼縣交界區的需水量則處于較低水平；春玉米全生育期時間較長，其需水值顯著高于春小麥，3個研究時點均值依次為510.63、522.73和518.68 mm。2000年，需水高低值區交錯分布，規律性特征差，2010年和2018年則整體呈現東高西低的需水特征。

3.2.3 土壤水分盈虧特征

水田持續擴張使得撓力河流域土壤水分盈虧態勢趨于惡化，南部和東部環狀山地丘陵區、中部沼澤濕地區以及下游河灘區多處于土壤水分盈余狀態，土壤水分盈虧量表現出顯著的空間分異特點（圖5）。2000年，土壤水分盈虧量處于-1194.63～277.44 mm范圍，缺水高值區多位于撓力河干流沿岸和內外七星河腹地，為水田擴張核心區；2010年，土壤水分盈虧范圍為-553.50～437.99 mm，北端的富錦市境內分布著大量水田，為水分虧缺高值區的集中區，南部的寶清地區土壤水分盈虧態勢良好；相對于2010年而言，2018年高水分虧缺地區更為聚集，且分布范圍更廣，對應的水分盈虧范圍是-532.37～433.15 mm。

3.3 流域耕地水土資源平衡

摸清當前土地資源狀況，并依據農田土壤水分盈虧特點，以實現不同條件下水土資源平衡研究。本文將2018年視作研究現狀年，基于該年份的水土資源平衡特征要素，以縣域為分析單元，開展撓力河流域耕地水土資源平衡研究。

3.3.1 灌溉供需特征

2018年，撓力河流域耕作期的耕地灌溉供水量處于21.23～211.91 mm范圍（圖6a），高值區多分布于內外七星河腹地和撓力河干流周邊地帶，該地區毗鄰主要河流，水資源豐富，為流域主要農作區。流域西部和西南部水田分布較廣，但灌溉供水量普遍偏低，影響著當地水田開發與利用。

將天然狀態的土壤水分虧缺量視為理論上的農田灌溉用水基準定額，結合灌溉水利用系數計算流域灌溉需水量，進而統計流域境內各縣域灌溉需水量。結果顯示，撓力河流域灌溉需水量的相對高低分布狀況與旱地和水田的空間分布特點基本一致，水田的灌溉需水量顯著高于旱地。各縣域均表現出“負”的灌溉需水量特點，天然降水難以滿足耕地用水需求，需通過抽取地下水或渠道引水以保證農作物的正常生長發育。流域境內的富錦市和寶清縣耕地面積較大，二者灌溉需水量分別為12.21和12.14 億m3，雙鴨山市轄區境內耕地面積極少，灌溉需水量僅為0.79 億m3（圖6b）。

3.3.2 水量平衡特征

結合流域各縣域灌溉供需特征，研究對應的水量平衡量（圖6c）。由圖6c可知，流域境內的富錦市、友誼縣和集賢縣均處于水資源超載狀態，水分供應不足，現有水資源條件難以滿足作物用水需求，其中富錦市水量缺口達到2.71億m3，倘若不采取境外引水或抽取深層地下水等措施，將會對當地農作物的生長及發育造成影響。友誼縣和集賢縣的水量缺口也分別達到1.03和0.27億m3，但由于二者面積偏小，使得當地耕地缺水情勢較為嚴峻。寶清縣和饒河縣水資源供應條件良好，其水資源盈余量分別達2.85和1.99億m3，可適度增加耕地面積以提高糧食產出。

3.3.3 耕地平衡特征

流域境內水田主要采取井灌的灌溉措施。《黑龍江省用水定額標準》資料顯示，三江平原地區井灌定額量為4500～5330 m3/hm2，考慮到流域實際農業灌溉設施水平，取其范圍平均值作為水稻的灌溉定額，并結合水量平衡測算結果，計算各縣域的水田平衡量。2018年撓力河流域的春小麥相對面積比例僅為3.56%，旱地以春玉米種植為主，因此可將春玉米的灌溉定額量視作旱地平均灌溉定額量，且考慮到旱地需水量顯著小于水田需水量的特點，本文分別測算了一般降水年（P=50%）和干旱年（P=75%）的旱地水量平衡項，以研究不同干旱程度的旱地平衡量（圖7）。

一般降水年條件下，富錦市、友誼縣和集賢縣均處于“負”的水田平衡狀態，水資源處于超載狀態，現有灌溉供水條件難以滿足當前水田灌溉需求，其中富錦市達到-5.57萬hm2，集賢縣和友誼縣分別為-2.12和-0.56萬hm2，均處于“土多水少”狀態。饒河縣、寶清縣、七臺河市以及雙鴨山市轄區則“土少水多”，水田平衡量依次為5.85、4.10、1.01和0.80萬hm2，現有灌溉供水條件可滿足額外水田的灌溉需求。寶清縣位于撓力河上游干流區，境內水資源豐富，但水田面積比例偏低，可適當擴大其水田面積以增加農業經濟效益。饒河縣位于撓力河下游，水田主要分布于其北端，境內水資源豐富，盡管水田平衡量僅為4.10萬hm2，但由于縣域面積偏小，使得水田擴張潛力較大。

干旱年條件下，富錦市和友誼縣應大量縮減旱地面積，以減少農業灌溉需水壓力，對應的旱地平衡量分別為-16.30和-6.21萬hm2。寶清縣境內的旱地平衡量達到了17.12萬hm2，可在原有作物種植結構基礎上，增加旱作物面積。對于一般年而言，耕地灌溉供水保障度更高，旱地平衡量更大，其中富錦市為-22.34萬hm2，寶清縣是23.46萬hm2。但由于水田和旱地存在經濟效益“剪刀差”，倘若具備較好的灌溉供水條件，農戶將更傾向于將旱地開發為水田以增加經濟收入。

3.3.4 流域耕地合理利用規模特征

在耕地總面積不變情景下，撓力河流域的水田合理利用規模應控制在66.36萬hm2以下，面積最多可增加11.02萬hm2，對應的水田化系數由37.33%增加至44.76%。富錦市的耕地合理利用規模所對應的水田化系數僅為15.41%，遠小于當前的51.26%；友誼縣最大水田化系數也僅為9.42%，遠低于當前的50.22%，而依據灌溉供水條件，集賢縣甚至不適宜進行水田利用開發（圖 8）。但以上3縣均為撓力河流域主要的水田分布區，倘若不采取科學的域內水分調配措施，水田利用開發將會對其深層地下水造成強烈的脅迫作用，繼而造成地表沉降、干旱等生態環境問題，而富錦市、友誼縣和集賢縣恰為撓力河流域地表沉降最為嚴重的地區；寶清縣水資源豐富，能夠承載其水田的開發利用，在現有水田利用規模基礎上，可增加18.36萬hm2的水田，對應的水田化系數達到61.55%，遠高于當前的27.63%，該縣應成為撓力河流域旱改水的重點備選區。

4 討論

撓力河流域水田開發利用中大量發展機電井抽取地下水，使得農業水循環從水平排水為主向垂直排水為主的方向轉變，而水田需水量高于旱地，導致農業需水量持續增加，并引起一系列生態環境問題。另一方面，由于種植水稻的經濟效益顯著高于旱作物，農戶更傾向于將更多旱地改造成水田以提高農業種植效益，但受制于水資源供給條件影響，部分水資源匱乏的地區已出現“逆水田化”現象。水稻種植戶和政府管理部門尤其關注以下幾點問題：1）在一定水資源承載范圍內，當地水田還能開發多少；2）是否存在水田過度開發情形；3）水田化系數應控制在什么范圍。本文在水循環徑流分項模擬數據、氣象遙感數據、作物生長周期等多源水土信息數據支持下，基于農田土壤水循環原理，開展耕地水土資源平衡研究，試圖揭示該流域水土資源平衡規律，明晰耕地合理利用規模特征，并對以上問題進行了回答。

前期研究已對撓力河流域的氣候水分平衡和作物水分平衡問題進行了探討，側重于水土資源平衡的初始層次，更具理論意義[29]，本研究基于農田土壤水分平衡原理來開展水土資源平衡研究，為水土資源平衡研究的實際層次，更具實踐價值，但受作物數據精度影響，僅從縣域尺度來開展水量平衡與耕地合理利用規模研究，后續研究應從柵格尺度出發，對流域作物結構進行遙感信息提取，并基于農田土壤水分平衡原理，從空間上來細化水土資源平衡研究。同時考慮到遙感目視解譯而來的耕地數據與國土管理部門數據（如土地利用變更調查數據）的不一致性，后續可重點對比二者的實施效果差異，以增強決策科學性。

5 結論

1）2000—2018年，撓力河流域水田持續擴張，旱地輕度萎縮，至2018年該流域墾殖率為62.61%，水田化系數為37.33%。旱地和水田的土壤水分脅迫蒸散量約為450 mm，且均表現出水分虧缺的特點，但由于水田的灌溉需水量高于旱地，使得水田的水分虧缺量也高于旱地。

2）流域灌溉供水量處于21.23～211.91 mm范圍，友誼縣和集賢縣供水量偏小。水田的灌溉需水量整體高于旱地，各縣域的天然降水難以滿足耕地灌溉需求。水量平衡上，富錦市、友誼縣和集賢縣均處于水資源超載狀態，其中富錦市的水量缺口達到2.71億m3。

3）富錦市、友誼縣和集賢縣均處于“土多水少”的水田平衡狀態，平衡量依次為-5.57萬hm2、-2.12萬hm2和-0.56萬hm2，饒河縣、寶清縣、七臺河市以及雙鴨山市處于“土少水多”狀態，其中饒河縣水田擴張潛力大。未來流域的水田可擴張面積應不高于11.02萬hm2，對應的水田化系數應控制在44.76%以下，境內富錦市、友誼縣和集賢縣應適當控制或減少水田利用規模，同時采取域內水分調配措施，寶清縣應成為未來旱轉水的重點區域。