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水資源約束下區(qū)域耕地資源開(kāi)發(fā)利用研究

2017-03-21 01:32孟祥玉雷國(guó)平孫曉兵曲曉涵
節(jié)水灌溉 2017年9期
關(guān)鍵詞:需水量水田耕地

孟祥玉,雷國(guó)平,孫曉兵,曲曉涵

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150030;2.東北大學(xué)土地管理研究所,沈陽(yáng) 110004)

0 引 言

耕地資源作為人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),其對(duì)于保障國(guó)家糧食安全具有重要的意義,科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)利用耕地資源對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的健康可持續(xù)發(fā)展具有舉足輕重的地位[1]。水是農(nóng)業(yè)的命脈,農(nóng)業(yè)的發(fā)展、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)及糧食安全生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)水資源的供給能力直接相關(guān),然而,農(nóng)業(yè)水資源的高強(qiáng)度開(kāi)采已出現(xiàn)嚴(yán)重的用水矛盾現(xiàn)象。水資源作為耕地資源有效利用、農(nóng)作物健康生長(zhǎng)的重要限制因素,影響耕地規(guī)模尤其是水田規(guī)模,如何有效的平衡水資源與耕地資源之間關(guān)系以實(shí)現(xiàn)耕地資源的可持續(xù)利用與保障國(guó)家糧食安全已成為耕地資源利用的關(guān)鍵。耕地資源的可持續(xù)利用保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展,而東北地區(qū)作為我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地,對(duì)于保障我國(guó)糧食安全具有重要意義[2]?!秶?guó)家糧食中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要(2008-2020年)》規(guī)劃對(duì)東北地區(qū)糧食生產(chǎn)提出了更高的要求,而優(yōu)化土地資源利用結(jié)構(gòu)與提升利用程度顯得意義非凡[3]。水稻是我國(guó)主要的口糧作物,在我國(guó)糧食生產(chǎn)中占有極其重要的地位,水稻的生產(chǎn)與發(fā)展直接關(guān)系到我國(guó)的糧食安全[4]。然而,在近幾十年的土地資源利用過(guò)程中,東北地區(qū)耕地資源利用呈現(xiàn)明顯的“旱改水”的水田化趨勢(shì),并呈現(xiàn)由南向北、由西向東逐步擴(kuò)張的趨勢(shì)[5]。水資源對(duì)于水田的擴(kuò)張及其高效利用具有限制性作用,因而水田的規(guī)模變化將影響區(qū)域耕地規(guī)模的穩(wěn)定性。

目前,針對(duì)水資源約束下適宜耕地規(guī)模的研究不多。主要是利用水量平衡原理、水熱平衡原理建立水資源與耕地面積的相關(guān)關(guān)系式計(jì)算區(qū)域耕地規(guī)模。如王韶華等以農(nóng)業(yè)需水量和地下水可開(kāi)采模數(shù)兩種方法,計(jì)算了三江平原適宜水稻種植的面積[6]。趙新風(fēng)等依據(jù)水量平衡原理計(jì)算塔里木河流域不同水平年的最大灌溉面積[7]。趙清以建三江分局為研究區(qū)在分析了水資源開(kāi)發(fā)利用情況的基礎(chǔ)上,通過(guò)農(nóng)業(yè)需水量的方法對(duì)當(dāng)?shù)厮镆?guī)模進(jìn)行的估算[8]。向長(zhǎng)玉等基于GIS技術(shù),考慮自然約束條件,應(yīng)用定量化模型計(jì)算黑龍江省通河縣的最大水田面積[9]。郝麗娜等利用水熱平衡原理建立適宜規(guī)模模型確定黑河干流中游地區(qū)耕地規(guī)模[10]。鄧寶山等在水熱平衡理論基礎(chǔ)上分析了吐魯番綠洲適宜規(guī)模及其穩(wěn)定性[11]。關(guān)于水資源約束條件下耕地規(guī)模的研究主要都集中在西北干旱區(qū),東北區(qū)域研究較少,還沒(méi)有意識(shí)水土資源的稀缺性、有限性、地域性決定了農(nóng)業(yè)發(fā)展和糧食安全只能依靠現(xiàn)有水土資源的合理利用,而針對(duì)較小區(qū)域的耕地規(guī)模的研究就更少。

黑龍江省作為我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地,耕地資源利用雖呈現(xiàn)多樣性,水田的面積大幅度增加,旱地快速減少已成為其耕地資源利用的主要特征。本文利用水稻的種植面積計(jì)算水田的面積[12],由于農(nóng)場(chǎng)現(xiàn)有水田面積已占耕地面積的90.27%,水田是農(nóng)場(chǎng)耕地開(kāi)發(fā)利用的主要方向,因此本文將以計(jì)算農(nóng)場(chǎng)水田規(guī)模為耕地規(guī)模。大規(guī)模的水稻種植必須有充足的水源。因此本文以三江平原寒季水稻種植第一場(chǎng)的位于黑龍江農(nóng)墾總局建三江分局青龍山農(nóng)場(chǎng)為研究區(qū),基于遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)其耕地利用時(shí)空變化特征分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)水量平衡的原理,探究水資源約束下耕地的適宜規(guī)模,以期為水土資源的高效利用,發(fā)展適度規(guī)模耕地,農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及其耕地資源的可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

青龍山農(nóng)場(chǎng)位于黑龍江省三江平原東北部,隸屬于黑龍江省農(nóng)墾總局建三江分局,地理坐標(biāo)132°53′~133°55′E, 47°47′~48°13′N,北靠黑龍江,西臨青龍蓮花河。土地面積為601.33 km2,為建三江分局土地面積的4.85%,其地理位置如圖1所示。其氣候?qū)儆诤疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,全年溫差大,年均氣溫為2.0 ℃,年氣溫大于10 ℃以上有效積溫為2 350.3 ℃,年均日照時(shí)數(shù)約為2 600 h,年均無(wú)霜期為127 d,年均蒸發(fā)量1 159.6 mm。年均降水量約為550 mm,且降水時(shí)空分布不均,多集中在6-9月,地表年徑流量為0.48 億m3,但由區(qū)域水資源利用現(xiàn)狀可知,利用率極低,幾乎不利用,在區(qū)域這種降水量時(shí)空分布不均,地表徑流水利用率極低的狀況下,為保證農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),利用地下水灌溉發(fā)展水田是主要手段。區(qū)域內(nèi)地形低平,地勢(shì)南高北低,東高西低,地面坡降為1/7 000~1/1 000。土壤類型主要有白漿土、草甸土、沼澤土及泛濫地土壤,土壤肥力較高,適宜農(nóng)業(yè)種植。

圖1 青龍山農(nóng)場(chǎng)地理位置示意圖

作為寒地水稻的發(fā)源地、三江平原水稻種植第一場(chǎng)的農(nóng)場(chǎng),青龍山農(nóng)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以農(nóng)業(yè)為主,耕地資源的開(kāi)發(fā)利用因農(nóng)業(yè)發(fā)展及種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整而經(jīng)歷了很大的變化。農(nóng)場(chǎng)主要種植水稻、大豆、玉米等作物,由于水稻畝產(chǎn)量及其收益高的優(yōu)勢(shì)及國(guó)家政策支持,已成為農(nóng)場(chǎng)耕地的主導(dǎo)作物。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合機(jī)械化率96.8%。周邊地表水較為豐富,但由于其缺乏水源工程,田間配套工程使得其開(kāi)發(fā)利用率極低。由于農(nóng)民可根據(jù)自己意愿隨意打井開(kāi)采地下水并采用漫灌方式種植作物,機(jī)電井的數(shù)量在2000-2014年間就由679眼增加到1 590眼,增加了134%,地下水嚴(yán)重超采并伴隨著用水浪費(fèi)現(xiàn)象。隨著農(nóng)場(chǎng)水稻種植面積的增加,農(nóng)業(yè)用水也不斷增加,引發(fā)了農(nóng)業(yè)用水與生活用水之間的矛盾。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

(1)遙感影像數(shù)據(jù)。本文主要以全國(guó)第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),基于Landsat TM/OLI遙感影像為數(shù)據(jù)源,獲取青龍山農(nóng)場(chǎng)2000、2014年土地利用數(shù)據(jù)集。通過(guò)選取2000和2014年云量較少且覆蓋全境的Landsat遙感影像,選取其分辨率為30 m的綠色、紅色、近紅外波段合成30 m分辨率的標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像,經(jīng)過(guò)幾何校正、圖像增強(qiáng)等過(guò)程,獲取2000、2014年遙感影像數(shù)據(jù)集。基于Arcgis10.2軟件平臺(tái)以二調(diào)數(shù)據(jù)為參考,根據(jù)不同的地類的色調(diào)、紋理等特征進(jìn)行人工目視解譯,提取2000、2014年土地利用數(shù)據(jù),根據(jù)野外實(shí)地勘測(cè)檢驗(yàn)其精度在90%以上。由遙感解譯獲得水田與旱地的空間分布數(shù)據(jù)。

(2)水利數(shù)據(jù)。水資源作為水田開(kāi)發(fā)利用的重要限制性因素,本文主要利用參數(shù)有降水滲入系數(shù)、滲透系數(shù)、垂直于計(jì)算剖面的水利坡度、含水層厚度、河道或河段長(zhǎng)度、灌水定額、入滲系數(shù)、洪水淹沒(méi)區(qū)地表水深度等數(shù)據(jù)。其中,數(shù)據(jù)主要源自建三江管局水利局《建三江水利志》。

(3)其他數(shù)據(jù)。灌溉定額數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)地調(diào)查,結(jié)合建三江信息港、建三江管局寒地優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程、黑龍江省用水定額標(biāo)準(zhǔn)(DB23/T 727-2003)獲得。利用灌溉定額計(jì)算區(qū)域耕地規(guī)模。降雨量等氣象數(shù)據(jù)則主要來(lái)自青龍山農(nóng)場(chǎng)氣象局。農(nóng)場(chǎng)信息主要來(lái)自《黑龍江史志》、《建三江農(nóng)墾志》、《黑龍江農(nóng)墾地名錄》、《青龍山農(nóng)場(chǎng)史志》、《黑龍江墾區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》(2001-2015年)、《黑龍江省水文地質(zhì)志》等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

分析區(qū)域耕地內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化,利用水田旱地的種植比例計(jì)算農(nóng)業(yè)需水量,與降水量比較求出基于降水條件下區(qū)域內(nèi)耕地適宜規(guī)模。根據(jù)公式計(jì)算地下水可開(kāi)采量,利用灌溉定額計(jì)算出基于地下水可采量下耕地的適宜規(guī)模,將計(jì)算出的耕地面積與實(shí)際的耕地面積進(jìn)行比較,得出區(qū)域耕地的超載情況。利用區(qū)域內(nèi)徑流量結(jié)合自流提水灌溉定額計(jì)算地表水條件下的耕地規(guī)模。

2.2.1 農(nóng)業(yè)需水量

青龍山農(nóng)場(chǎng)的主要作物是水稻,水稻的生長(zhǎng)要經(jīng)歷5-10月的生育期,11-4月的休閑期。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)資料可知各主要作物需水量[13,14]。其中大豆的需水量為498 mm,玉米的需水量為478 mm,水稻的需水量為660 mm。在氣候溫度及緯度的影響下,東北區(qū)域農(nóng)作物均為一年一熟,11-4月內(nèi)蒸發(fā)量很小,水稻面積比例高于旱地且需水量大,旱作物基本不灌溉,故可將旱作物及非耕地上植物的蒸散量用旱作物需水量的均值替代,計(jì)算作物需水量[15]。農(nóng)場(chǎng)旱地作物是由農(nóng)民意愿隨意種植,可將玉米,大豆按輪作的方式進(jìn)行種植,由此可定旱田的需水量為488 mm。

農(nóng)業(yè)需水主要是指區(qū)域土地1 a所需用水量(包括非耕地與非生育期生態(tài)用水)[16]。利用農(nóng)作物的需水量來(lái)表征耕地的需水狀況,結(jié)合農(nóng)作物的播種面積計(jì)算出農(nóng)業(yè)需水量。即:

W農(nóng)=W旱(1-Z)+W水Z

(1)

式中:W農(nóng)為農(nóng)業(yè)需水量,mm;W旱為旱作物平均需水量,mm;W水為水稻需水量,mm;Z為水稻種植比例。

目前針對(duì)耕地規(guī)模的已有不少學(xué)者開(kāi)始研究,其中根據(jù)向長(zhǎng)玉等[9]可知利用以下公式即可求得區(qū)域內(nèi)耕地規(guī)模,公式如下:

(2)

式中:S水為水田面積,km2;Q總為總耗水量,mm/km2;Q旱為旱地單位面積耗水量,mm/km2;S總為區(qū)域耕地面積,km2。

2.2.2 地下水補(bǔ)給量

在4月中旬開(kāi)始水稻要進(jìn)行棚內(nèi)育秧及泡田整地,為抗低溫及以水泡田化凍的作用。到5月進(jìn)行秧苗移栽,6月初基本完成稻苗移栽進(jìn)地工作。7月齊穗期需要陸續(xù)對(duì)水田供應(yīng)充足的水分,而到9月成熟期、10月末水稻收獲時(shí)卻不需要水資源,與之相反的是越干熱越好,為便于機(jī)械收割。降水主要集中在6-8月,在水稻的整個(gè)生育期內(nèi),由于降水的時(shí)間不適宜及空間不均性,常有春旱秋澇的現(xiàn)象發(fā)生。地表水資源控制性工程的缺乏,青龍山農(nóng)場(chǎng)水田主要依靠地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉。利用地下水的補(bǔ)給量求得地下水的開(kāi)采量[17],當(dāng)?shù)叵滤拈_(kāi)采量超過(guò)地下水補(bǔ)給量,造成地下水水位下降。因此地下水的開(kāi)采量應(yīng)控制在地下水的補(bǔ)給量范圍內(nèi)[18]。地下水補(bǔ)給量計(jì)算公式[19-21]如下:

Q綜補(bǔ)=Q降補(bǔ)+Q河補(bǔ)+Q地側(cè)+Q灌補(bǔ)+Q洪補(bǔ)

(3)

(1)降水入滲補(bǔ)給量是指降水滲入到土壤中并在重力作用下滲透補(bǔ)給地下水的水量。

Q降補(bǔ)=αPF×10-5

(4)

式中:Q降補(bǔ)為降水滲入補(bǔ)給量,億m3/a;α為降水滲入系數(shù);P為多年平均降水,mm;F為降水滲入補(bǔ)給面積,km2。

(2)河道地表水滲入補(bǔ)給量。河道滲漏補(bǔ)給量,是指當(dāng)河道水位高于河道岸邊地下水水位時(shí),河水滲漏補(bǔ)給地下水的水量。

Q河渠=KIHLt×10-8

(5)

式中:Q河渠為河渠地表水滲入補(bǔ)給量,億m3/a;K為滲透系數(shù),m/d;I為垂直于計(jì)算剖面的水利坡度;H為含水層厚度;L為河道或河段長(zhǎng)度;t為河道滲入補(bǔ)給時(shí)間,d/a,取365 d。

(3)地下水側(cè)向滲入量補(bǔ)給指山前地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給本區(qū)淺層地下水的水量。

Q地側(cè)=KIHLt×10-8

(6)

式中:Q地側(cè)為地下水側(cè)向滲入量補(bǔ)給量,億m3/a。

(4)井灌回歸補(bǔ)給量是指井灌水(系淺層地下水) 進(jìn)入田間后,入滲補(bǔ)給地下水的水量。計(jì)算公式如下:

Q井灌=Q田間β井

(7)

Q田間=qF×10-8

(8)

式中:Q井灌為井灌回歸補(bǔ)給量,億m3/a;Q田間為井灌田間灌水量,億m3/a;β井為井灌回歸系數(shù),取β井=0.1;q為灌水定額,m3/a;F為水田面積,hm2。

(5)洪水淹沒(méi)補(bǔ)給量是指水淹沒(méi)期,水體滲入補(bǔ)給地下水的水量。

Q洪補(bǔ)=αFΔH×10-2

(9)

式中:Q洪補(bǔ)為洪水淹沒(méi)下補(bǔ)給量,億m3/a;α為入滲系數(shù),取α=0.25;ΔH為洪水淹沒(méi)區(qū)地表水深度,m;F為計(jì)算面積,km2。

2.2.3 地下水可開(kāi)采量

地下水可開(kāi)采量是指在技術(shù)上可能,經(jīng)濟(jì)上合理和不造成水質(zhì)惡化,水位持續(xù)下降及其他不良后果的條件下,能夠從取水地段中取得的水量[18]。其計(jì)算公式如下:

Q開(kāi)=Q補(bǔ)給P

(10)

式中:Q開(kāi)為地下水可采量,億m3/a;Q補(bǔ)給為地下水總補(bǔ)給量,億m3/a;P為開(kāi)采系數(shù),取開(kāi)采系數(shù)P為0.80。

2.2.4 耕地規(guī)模計(jì)算

根據(jù)區(qū)域內(nèi)的水資源量,利用區(qū)域灌溉定額計(jì)算得到耕地規(guī)模。其公式為:

A=W/I

(11)

式中:A為最大可承載面積,km2;W為農(nóng)業(yè)用水量,億m3;I為灌溉定額,m3/km2。

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域耕地變化特征分析

耕地是黑龍江墾區(qū)的重要景觀基礎(chǔ)。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)步與不斷深入,種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整致使青龍山農(nóng)場(chǎng)耕地資源利用變化顯著。2000-2014年青龍山農(nóng)場(chǎng)耕地利用類型發(fā)生較大的變化,且呈現(xiàn)出明顯的時(shí)間變異性。2000年青龍上農(nóng)場(chǎng)耕地面積為447.94 km2,土地墾殖率為81.58%,其中,水田面積為103.55 km2,所占比重為23.12%,旱地面積為344.39 km2,所占比重為76.88%。2014年青龍上農(nóng)場(chǎng)耕地面積為468.84 km2,土地墾殖率為85.38%,耕地面積增長(zhǎng)率為4.67%,然而,水田面積為423.21 km2,所占比重為90.27%,增長(zhǎng)率為308.70%,年均增長(zhǎng)率為22.05%,旱地面積為45.64 km2,所占比重為9.73%,減少比率為86.75%,年均減少比率為6.20%(見(jiàn)圖2)。青龍山耕地利用變化體現(xiàn)出區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展以農(nóng)業(yè)為主,且水稻已成為區(qū)域農(nóng)業(yè)的主要種植作物。然而,隨著耗水作物水稻種植規(guī)模的增加,農(nóng)場(chǎng)的農(nóng)業(yè)水資源量不斷增大,農(nóng)場(chǎng)早就出現(xiàn)用水矛盾問(wèn)題。農(nóng)業(yè)用水期間生活用水停水即農(nóng)業(yè)用水占用生活用水及地下水水位下降現(xiàn)象。由此可見(jiàn),水田規(guī)模不能任意擴(kuò)張,種植面積過(guò)大,耗水多,會(huì)發(fā)生各個(gè)行業(yè)用水矛盾問(wèn)題,然而,種植面積過(guò)小,會(huì)發(fā)生限制經(jīng)濟(jì)發(fā)展,不能充分利用區(qū)域資源問(wèn)題。

2000-2014年青龍山農(nóng)場(chǎng)水田面積大幅度增加,且耕地利用狀況呈現(xiàn)出明顯的空間差異性(見(jiàn)表1)。2000年青龍山農(nóng)場(chǎng)各管理區(qū)水田平均面積為14.79 km2,所占比例主要集中于18%~30%之間,其中,第五管理區(qū)水田面積較大,所占比例為54.37%,而第四管理區(qū)水田面積最小,所占比例僅為12.51%,而2014年各管理區(qū)水田平均面積為60.46 km2,除第四管理區(qū)以外其余管理區(qū)水田所占比例均在92%以上。2000-2014年青龍山農(nóng)場(chǎng)旱地所占比例快速降低,2014年第四管理區(qū)旱地所占比例為37.94%,其余的管理區(qū)旱地所占比例均在10%以下。由此可知,2000-2014年青龍山農(nóng)場(chǎng)耕地利用狀況發(fā)生巨大的變化,旱地與水田之間的轉(zhuǎn)化較為劇烈,水田明顯增加,水資源的合理高效利用對(duì)于水田發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

圖2 青龍山農(nóng)場(chǎng)耕地利用分布圖

表1 2000-2014年青龍山農(nóng)場(chǎng)耕地利用變化特征

注:表中一、二、三、四、五、六、七分別為青龍山農(nóng)場(chǎng)內(nèi)第一管理區(qū)、第二管理區(qū)、第三管理區(qū)、第四管理區(qū)、第五管理區(qū)、第六管理區(qū)、第七管理區(qū)。

3.2 區(qū)域水資源

2000-2014年間,青龍山農(nóng)場(chǎng)耕地規(guī)??傮w變化不大,總體上水田規(guī)模變化突出。目前,青龍山農(nóng)場(chǎng)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)主要以水田為主,截止到2014年,水田面積達(dá)到423.21 km2,占現(xiàn)有耕地面積468.84 km2的90.27%。水稻是農(nóng)場(chǎng)作物種植結(jié)構(gòu)中耗水最大的作物,因此要有充足的水源保障才能支持水田的發(fā)展。農(nóng)場(chǎng)水資源量由降水、地表水及地下水組成。地表水主要來(lái)源于降水及河流形成的地表徑流。由于降水的時(shí)空分布不均性及水利工程的缺乏,青龍山農(nóng)場(chǎng)用于農(nóng)業(yè)灌溉用水量來(lái)源于地下水。

根據(jù)公式(3)~(9),可計(jì)算得出區(qū)域相關(guān)補(bǔ)給量如表2所示。由表2可知,青龍山農(nóng)場(chǎng)的綜合補(bǔ)給量為1.427 億m3。繼續(xù)利用公式(10)可計(jì)算出區(qū)域內(nèi)可開(kāi)采地下水量為1.414 億m3。利用地下水開(kāi)采模數(shù)法并結(jié)合區(qū)域給水度可算出地下水水位變幅情況[6],計(jì)算區(qū)域內(nèi)地下水水位變幅約為11 m與青龍山農(nóng)場(chǎng)多年平均地下水位的降深實(shí)際情況相吻合,故計(jì)算結(jié)果較為合理。近些年來(lái),由學(xué)者[22,23]對(duì)建三江分局地下會(huì)可開(kāi)采量的研究可知農(nóng)場(chǎng)2000及2006年的地下水補(bǔ)給量及推算可開(kāi)采量,如表3所示。由表3可知,近14a來(lái),農(nóng)場(chǎng)地下水總補(bǔ)給量增加,可開(kāi)采的地下水量也相應(yīng)地增加。地下水補(bǔ)給量由2000年0.57 億m3到2014年增加到1.427 億m3。可開(kāi)采量也有2000年0.555 億m3增加到2014年的1.141 億m3。從2006-2014年的年均用水量高于2000-2006年的年均用水量。和青龍山農(nóng)場(chǎng)實(shí)際的地下水開(kāi)采量相比較,地下水均已超采,因此應(yīng)嚴(yán)格控制對(duì)地下水的開(kāi)采。地下水量應(yīng)先滿足生活、牲畜用水及工業(yè)用水后再用于農(nóng)業(yè)灌溉,由于農(nóng)場(chǎng)工業(yè)發(fā)展緩慢,用水極低,故本文不考慮工業(yè)用水。根據(jù)黑龍江省用水定額標(biāo)準(zhǔn)(DB23/T727-2003)可知,生活用灌溉定額人均70L/(人·d),牲畜用水按豬的用水定額計(jì)算為40L/(頭·d)。因此農(nóng)業(yè)地下水量見(jiàn)表6。相比2000年農(nóng)業(yè)地下水量到2014年農(nóng)業(yè)地下水量增長(zhǎng)迅猛。

表3青龍山農(nóng)場(chǎng)地下水可開(kāi)采量與用水量對(duì)比表億m3/a

徑流量主要受降水量的影響。青龍山農(nóng)場(chǎng)內(nèi)多年平均徑流量為0.479 億m3。由表4 可知,在不同降水保證率條件下,其徑流量不同。扣除河道內(nèi)生態(tài)用水后即可算出可利用量。根據(jù)相關(guān)學(xué)者對(duì)河道內(nèi)生態(tài)需水研究[24,27]可知,河道內(nèi)生態(tài)需水多取多年平均徑流量的20%或40%,20%為最小河道內(nèi)生態(tài)徑流,40%為最適宜河道內(nèi)生態(tài)徑流。根據(jù)不同保證率下的徑流總量可估算出地表水可利用量。降水保證率為50%時(shí),其地表徑流量最大0.303 億m3,可利用水量為0.182~0.242 億m3,降水保證率為75%時(shí),地表徑流量最小為0.014 億m3,可利用水量為0.065~0.087 億m3,如表4所示。

表4 地表徑流條件下耕地適宜規(guī)模

3.3 區(qū)域耕地規(guī)模計(jì)算

青龍山農(nóng)場(chǎng)用于耕地灌溉的只有水田,旱地僅用于天然降水即可滿足需求。近些年來(lái),由于水稻單產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)利益高,國(guó)家政策的鼓勵(lì)等因素的影響,水田規(guī)模急速擴(kuò)增,農(nóng)業(yè)耗用水量也隨著增加。因此,本文地下水的開(kāi)采量及灌溉定額所求耕地規(guī)模為水田規(guī)模。

3.3.1 降水條件下耕地規(guī)模計(jì)算

青龍山農(nóng)場(chǎng)多年平均降水量約為550mm,降水量能夠滿足旱作物全年的需水量要求,能夠滿足一定規(guī)模的水田作物的生長(zhǎng),本文主要通過(guò)計(jì)算區(qū)域農(nóng)業(yè)需水量與多年平均降水量比較,分析降水資源條件下區(qū)域內(nèi)耕地規(guī)模尤其是水田規(guī)模。

根據(jù)公式(1)結(jié)合耕地內(nèi)部不同比例的種植結(jié)構(gòu)計(jì)算得到農(nóng)業(yè)需水量如表5所示。由表5可知,隨水稻種植面積的增加農(nóng)業(yè)需水量增大。當(dāng)水稻種植比例在30%~40%時(shí),農(nóng)業(yè)需水量為539.60~556.80mm,種植比例為90%時(shí),農(nóng)業(yè)需水量為642.80mm。由此可知,到2014年青龍山農(nóng)場(chǎng)水稻種植比例為92.29%,農(nóng)業(yè)需水量要高于642.80mm,超出多年平均降水量至少98.80mm??紤]地表徑流量即生態(tài)環(huán)境用水,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[28,29],地表徑流量取降雨量的20%較為合理??鄢乇韽搅髁考s110mm可利用降水量約為440m,此時(shí)已少于農(nóng)業(yè)需水量約202.80mm。由此可知,降水量不能滿足農(nóng)業(yè)需水量。由此可判斷,在當(dāng)前的降水條件下,青龍山農(nóng)場(chǎng)耕地規(guī)模是超載的,緊靠降水量已無(wú)法承載更大規(guī)模的耕地開(kāi)發(fā)利用。當(dāng)水稻種植比例為30%~40%時(shí),農(nóng)業(yè)需水量接近多年平均降水量550mm,此時(shí)水稻種植面積介于140.65~187.54km2之間,但此時(shí)已充分利用了降水量,對(duì)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展勢(shì)必會(huì)有所影響。若水稻種植超過(guò)這個(gè)區(qū)間,便只能利用地表水或開(kāi)采利用地下水。根據(jù)公式(2)可知,區(qū)域內(nèi)適宜耕地規(guī)模約為221.15~276.43km2。與現(xiàn)有耕地面積468.84km2相比可知青龍山農(nóng)場(chǎng)耕地已嚴(yán)重超限。超限面積約為192.41~247.69km2。

表5 農(nóng)業(yè)需水量估算

3.3.2 地下水條件下耕地規(guī)模計(jì)算

地下水開(kāi)采量過(guò)大,就會(huì)造成地下水超采,引發(fā)供水矛盾。而地下水開(kāi)采量過(guò)小,就難以充分利用地下水資源,制約農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。利用機(jī)電井開(kāi)采地下水因其開(kāi)采工程簡(jiǎn)單、利用方便、費(fèi)用較低的優(yōu)勢(shì)已成為該地區(qū)農(nóng)業(yè)主要灌溉水源。在水田種植面積不斷增大的背景下,地下水資源超采現(xiàn)象日益凸顯。根據(jù)收集資料顯示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水占地下水的總用水量比例高達(dá)99.5%,而用于生活、工業(yè)的總用水量不足地下水總用水量的1%。可知青龍山農(nóng)場(chǎng)水田主要依靠地下水進(jìn)行灌溉,因此了解區(qū)域內(nèi)利用地下水灌溉水田規(guī)模尤為重要。

地下水總量應(yīng)在先滿足人類生活及工業(yè)用水的基礎(chǔ)上,再用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),根據(jù)表3數(shù)據(jù)可知,農(nóng)用地下水量占地下水總量比例很大,且2000-2014年間,農(nóng)用水用總量逐年增大。根據(jù)建三江管局寒地優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程、黑龍江省用水定額標(biāo)準(zhǔn)(DB23/T727-2003)等相關(guān)研究[30]獲得青龍山農(nóng)場(chǎng)灌溉定額(取灌溉定額為59.997 萬(wàn)m3/km2),利用公式(10)計(jì)算出耕地規(guī)模,見(jiàn)表6。

表6 地下水條件下耕地規(guī)模

由計(jì)算結(jié)果可知,2000-2014年適宜耕地規(guī)模明顯增加,耕地年增長(zhǎng)速率為6.12km/a,根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H地下水用于農(nóng)業(yè)情況可知此時(shí)利用地下水進(jìn)行計(jì)算耕地規(guī)模均為水田規(guī)模。2000-2006年間耕地規(guī)模由91.54km2擴(kuò)大到116.64km2,耕地年增加速率為4.18km/a。2006-2014年,適宜耕地規(guī)模擴(kuò)張到177.58km2,耕地年增加速率為7.62km/a。2006-2014的耕地增長(zhǎng)速率明顯高于2000-2006年間的耕地增長(zhǎng)速率,說(shuō)明在近些年間,水田開(kāi)發(fā)規(guī)模增長(zhǎng)迅速。與青龍山農(nóng)場(chǎng)實(shí)際水田規(guī)模相比較可知,2000年區(qū)域耕地適宜規(guī)模與實(shí)際規(guī)模較為均衡。2006年,農(nóng)場(chǎng)水田規(guī)模超載約為36.69km2。到2014年耕地規(guī)模已嚴(yán)重超載,超載面積約245.63km2。由此,可知區(qū)域內(nèi)超載耕地面積均來(lái)源于水田面積的超載。因此,應(yīng)嚴(yán)格控制農(nóng)場(chǎng)內(nèi)水田規(guī)模的擴(kuò)增,避免地下水超采利用引起生態(tài)環(huán)境惡化,資源枯竭的狀況發(fā)生。

3.3.3 地表徑流條件下耕地規(guī)模估算

青龍山農(nóng)場(chǎng)地表徑流量與降水量存在著正相關(guān)關(guān)系。降雨量增加地表徑流量也會(huì)相應(yīng)增加。由于其引水工程的缺乏,地表徑流水利用率很低幾乎不利用,如若能充分利用地表徑流,還能在一定程度上擴(kuò)大耕地的規(guī)模。因此,針對(duì)地表徑流數(shù)據(jù)估算可利用水量,利用公式(10)進(jìn)而估算出地表徑流條件下耕地規(guī)模。取灌溉定額取74.996 3 萬(wàn)m3/km2,地表徑流條件下的耕地規(guī)模(見(jiàn)表4)。當(dāng)充分利用地表徑流時(shí),在保證率為50%時(shí),耕地規(guī)模在最小地表徑流和最適宜地表徑流條件下,利用地表水時(shí)耕地規(guī)模約為24~32km2,在保證率為75%時(shí),耕地規(guī)模在最小徑流和適宜地表徑流條件下,利用地表水時(shí)耕地規(guī)模約為8.67~11.60km2。此時(shí)僅為利用青龍山農(nóng)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)的地表徑流,因數(shù)據(jù)不全,未計(jì)算利用周邊區(qū)域的河流引用水量計(jì)算區(qū)域內(nèi)耕地規(guī)模。

4 結(jié) 論

(1)2000-2014年青龍山農(nóng)場(chǎng)耕地總體面積變化不大,耕地內(nèi)種植結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化,水田面積大幅度擴(kuò)張,旱地急劇減少,且耕地利用變化呈現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異性。耕地面積由2000年447.94km2發(fā)展到2014年468.84km2。水田面積占耕地比重從2000年的23.12%發(fā)展到2014年的90.27%。而旱地從占耕地的76.88%降低為9.73%。2000年水田零星分布,旱地集中分布。2014年水田旱地轉(zhuǎn)變劇烈,水田分布廣泛,且集中連片分布于區(qū)域各個(gè)管理區(qū),其中,第五管理區(qū)水田面積最大,而第四管理區(qū)水田面積最小。2000-2014年青龍山農(nóng)場(chǎng)旱地所占比例快速降低,2014年第四管理區(qū)中旱地所占比例最大為37.94%,其余管理區(qū)中旱地所占比例均在10%以下。

(2)隨著青龍山農(nóng)場(chǎng)耕地規(guī)模的增加,農(nóng)業(yè)需水量不斷增加,依靠降水、地下水已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足農(nóng)業(yè)需水的需求。降水量由于其時(shí)空分布不均性僅能滿足旱地的需求,受降水資源影響,2000-2014年,青龍山農(nóng)場(chǎng)地下水總補(bǔ)給量增加,區(qū)域地下水用量增加,農(nóng)業(yè)用地下水量也不斷在增加,且農(nóng)業(yè)用地下水量占用地下水總量比例最大。地下水實(shí)際開(kāi)采量均已超采,因此,應(yīng)嚴(yán)格控制地下水的超采。青龍山農(nóng)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)有青龍蓮花河,含有較為豐富的地表徑流,但是由于水利引水工程等的缺乏,利用率極低。白白浪費(fèi)了地表水。地表徑流量隨著降水保證率增加而減少。在降水保證率為50%時(shí),扣除河道內(nèi)最小及最適宜生態(tài)凈流量后可利用水量為0.182~0.242 億m3,降水保證率為75%時(shí),扣除生態(tài)徑流量后可利用水量為0.065~0.087 億m3。

(3)青龍山農(nóng)場(chǎng)水資源主要由降水,地下水和地表徑流組成,因此,本文主要研究這三種用水條件下的耕地規(guī)模。當(dāng)水稻種植比例在30%~40%時(shí),農(nóng)業(yè)需水量為539.60~556.80mm,與多年平均降水量550mm相近。降水條件下適宜耕地規(guī)模約為221.15~276.43km2。與實(shí)際規(guī)模相比可知實(shí)際耕地規(guī)模已超限,且超限規(guī)模約為192.41~247.69km2。利用地下水計(jì)算的耕地規(guī)模主要是水田規(guī)模,利用地下水的開(kāi)采量及灌溉定額計(jì)算區(qū)域耕地規(guī)模,并與實(shí)際耕地規(guī)模比較,得到耕地超載情況。2000-2014年適宜耕地規(guī)模明顯增加,2000-2006年間耕地規(guī)模由91.54km2擴(kuò)大到116.64km2,耕地年增加速率為4.18km/a。2006-2014年,適宜耕地規(guī)模擴(kuò)張到177.58km2,耕地年增加速率為7.62km/a。2006-2014的耕地增長(zhǎng)速率明顯高于2000-2006年間的耕地增長(zhǎng)速率,2000及2006年均算較為平衡,且到2014年耕地規(guī)模已嚴(yán)重超載。且超采規(guī)模由2006年36.69km2增加到2014年的245.63km2。區(qū)域內(nèi)耕地超限規(guī)模均來(lái)自水田規(guī)模的超限,因此應(yīng)嚴(yán)格控制利用開(kāi)采地下水?dāng)U大水田規(guī)模。在去除最小河道內(nèi)生態(tài)徑流量、最適宜河道內(nèi)生態(tài)徑流量后得到的河流可利用量利用灌溉定額計(jì)算得到耕地規(guī)模。在降水保證率為50%,取最小河道內(nèi)生態(tài)徑流量后的地表水可利用水時(shí),耕地規(guī)模約為32km2。在降水保證率為75%時(shí),耕地規(guī)模約為11.60km2,此時(shí)利用地表徑流估算得到的耕地規(guī)模均為區(qū)域內(nèi)地表河流,由于無(wú)法獲知區(qū)域周圍河流水引用量數(shù)據(jù),就沒(méi)有計(jì)算這部分水資源量下的耕地規(guī)模。但這確實(shí)是區(qū)域耕地規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵,應(yīng)大力發(fā)展這部分水資源的利用。

近十多年來(lái),青龍山農(nóng)場(chǎng)作為三江平原水田擴(kuò)張的典型區(qū)域,其土地利用結(jié)構(gòu)發(fā)生了劇烈的變化,水田化已成為三江平原農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢(shì)[31]。從宏觀層面,種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整致使水稻種植面積大幅度增加,對(duì)保障國(guó)家糧食安全及維持社會(huì)穩(wěn)定具有積極的作用,從微觀層面,種植水稻的經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)促進(jìn)農(nóng)戶開(kāi)發(fā)利用水田,有效地提升了耕地利用效率。然而,高耗水作物水稻的種植面積的擴(kuò)大使得農(nóng)業(yè)用水大量增加,致使水資源利用成為限制其水田可持續(xù)發(fā)展利用的關(guān)鍵。但已有水田開(kāi)發(fā)利用大多是以區(qū)域水資源的消耗和地下水位下降為代價(jià),阻礙區(qū)域水資源的合理可持續(xù)利用。因此,科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)利用水資源應(yīng)優(yōu)先開(kāi)發(fā)利用地表水,控制開(kāi)采地下水,充分利用區(qū)域內(nèi)地表徑流,大力開(kāi)發(fā)利用地表水及降水資源,提高水資源利用率。區(qū)域北靠黑龍江,應(yīng)大力發(fā)展水利引用江水灌溉,可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用耕地??茖W(xué)的在水田面積快速擴(kuò)張的過(guò)程中有效的利用水資源并實(shí)現(xiàn)水土資源優(yōu)化配置,進(jìn)而推進(jìn)區(qū)域水土資源及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展已成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的關(guān)鍵。

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