基于生態(tài)需水約束下遼河平原水稻布局調(diào)整*

李偉麗，張偉東，王 璐（遼寧師范大學生命科學學院，大連 116081）

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·資源區(qū)劃·

基于生態(tài)需水約束下遼河平原水稻布局調(diào)整*

李偉麗，張偉東※，王 璐
（遼寧師范大學生命科學學院，大連 116081）

摘 要文章根據(jù)下遼河平原多年的水文、氣象及工、農(nóng)業(yè)等資料，采用旱澇指數(shù)與正負距平、彭曼—蒙斯特公式、最小月平均徑流量、恢復地下水位年需水量等方法計算，著重對下遼河平原用水結構的變化特征、水田用水時空的變化特征及生態(tài)需水的時空變化特征進行研究，同時提出對下遼河平原水稻布局進行合理的調(diào)整。結果表明:下遼河平原用水結構以水田用水為主，在平水年與干旱年水田用水擠占生態(tài)環(huán)境用水最為明顯，特別是在干旱年，生態(tài)環(huán)境用水僅為0.66億m3，遼陽市、錦州市等生態(tài)環(huán)境用水為0，無法滿足生態(tài)需水；下遼河平原生態(tài)需水的變化特征為干旱年的生態(tài)需水量大于平水年，在不同水文年型中下遼河平原生態(tài)需水的恢復量變化特征為干旱年中生態(tài)需水的恢復量大于平水年；對該區(qū)水稻生產(chǎn)布局做出合理的調(diào)整，在平水年水田需削減9.15萬hm2/a，干旱年水田需削減10.623萬hm2/a，錦州市水田削減量占本市水稻種植面積的比例最大。該研究結果對防止生態(tài)環(huán)境問題惡化、優(yōu)化下遼河平原農(nóng)業(yè)種植結構、水資源的可持續(xù)發(fā)展提供了參考。

關鍵詞下遼河平原 水稻布局 生態(tài)環(huán)境用水 生態(tài)需水

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展與人口的不斷增長，水資源短缺問題已成為當今人類社會面臨的重大問題之一。水資源危機會導致生態(tài)環(huán)境的惡化、威脅糧食安全及給國民經(jīng)濟帶來重大損失［1］。水稻是我國的第一大糧食作物，也是城鄉(xiāng)居民的主要生活用糧品種之一［2］，因此，水稻生產(chǎn)在國家糧食安全中占重要地位，其中北方水稻在全國水稻生產(chǎn)中的地位正在逐年上升［3］。在國內(nèi)許多學者對水稻生產(chǎn)布局進行研究與分析，如鐘甫寧等人認為改革以來中國水稻生產(chǎn)布局發(fā)生的顯著變化，都是資源優(yōu)化配置的體現(xiàn)［4］；劉順飛對1978～2004年中國水稻生產(chǎn)布局變化的研究中提出現(xiàn)階段北方缺水區(qū)水稻播種面積增加，使本來就匱乏的水資源更加的緊張，并將惡化當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境［5］。提出過中國糧食問題的布朗在1998年又談論到中國水資源危機，指出我國北方地區(qū)未來會面臨嚴重的種植業(yè)生產(chǎn)缺水問題。吳昊與李育冬認為合理適當?shù)恼{(diào)整農(nóng)業(yè)布局與農(nóng)業(yè)結構，可以避免對糧食生產(chǎn)的不利影響，發(fā)揮其有利的一面［6］。這些研究結果表明，我國北方地區(qū)水資源短缺，如果繼續(xù)增加需水量大的水稻種植，就會進一步使該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題更加嚴重，因此需要對水稻的生產(chǎn)布局進行合理的調(diào)整。

下遼河平原是遼寧省主要的水稻生產(chǎn)地，水稻種植面積約占全省的78%，這里也是工業(yè)與人口最集中的地區(qū)，所以該區(qū)已成為水資源供需矛盾突出與嚴重缺水地區(qū)。由此，該文旨在考慮生態(tài)需水的情況下，對下遼河平原地區(qū)水稻生產(chǎn)進行合理的布局，為防止本區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題進一步惡化以及對水資源進行優(yōu)化配置提供參考。

1 研究區(qū)概況

下遼河平原區(qū)地處遼寧省的中部，地理坐標為40°64＇～42°30＇N，121°10＇～123°86＇E，東、西、北部環(huán)山，南面臨海，總面積約2.8萬km2，地表水資源貧乏，地下水資源較為豐富。在行政區(qū)劃上分別隸屬于沈陽市、撫順市、阜新市、鐵嶺市、遼陽市、鞍山市、營口市、錦州市及盤錦市。

氣候類型屬于溫帶半濕潤、半干旱季風氣候，四季分明，雨熱同期，光、水、熱等環(huán)境因素相互配合較好，是農(nóng)作物水稻生長的理想環(huán)境。土壤類型主要為草甸土與壤土，全省65%的水稻土分布于該區(qū)，土層深厚，土壤肥沃。因此下遼河平原為遼寧省農(nóng)業(yè)高產(chǎn)區(qū)，其中沈陽水稻種植面積約11.5萬hm2，是下遼河平原區(qū)水稻種植面積最大的地區(qū)。與其他農(nóng)作物單產(chǎn)相比，水稻單產(chǎn)高達1.35萬kg/hm2［7］以上。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

該文數(shù)據(jù)主要來源于《遼寧省水資源公報》［8］、《遼寧省統(tǒng)計年鑒》［9］、《遼寧省水資源》［10］、中國氣象科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，水文資料中部分缺失數(shù)據(jù)借助SPSS軟件的相關分析模塊進行插補延長［11］，得到完整的1956～2012年水文資料系列。

2.2 研究方法

該文根據(jù)下遼河平原1991～2012年降雨量數(shù)據(jù)，采用旱澇指數(shù)法與正負距平法［12］對其進行水文年型劃分，通過2種方法綜合確定豐水年為1994年、2010年、2012年，干旱年為1992年、1997年、1999年、2000年，其余年份為平水年。經(jīng)過生育期降雨量驗證，表明豐平干旱水文年型的劃分是合理的。

水田用水量。下遼河平原的水田用水量1995～2000年來自遼寧省水資源公報，其它年份采用定額法計算:

式中，C為水田用水量 （m3）；t為灌溉定額 （m3/hm2）；F為水稻面積 （hm2）。灌溉定額依據(jù)《遼寧省行業(yè)用水定額》（DB21/T1237-2008）與《遼寧省行業(yè)用水定額》（DB21/T1237-2003）進行計算。

彭曼—蒙斯特 （Penman-Monteith）公式法。該公式考慮了除氣象因素外的很多對作物需水量造成影響的因素，比以往直接算法更精確。其公式為［12-14］:

式中，ET0為參考作物需水量 （mm）；Δ為飽和水汽壓與空溫度關系曲線在T處的切線斜率（kPa/℃）；Rn為作物冠層的凈輻射量 （MJ/m2/d）；G為土壤熱通量 （MJ/m2/d）；r為濕度計常數(shù)（kPa/℃）；T為平均氣溫 （℃）；ea為飽和水汽壓 （kPa）；ed為實際水汽壓 （kPa）；U2為2（m）高處風速。其中，參照作物需水量是一種假想的參照作物冠層的蒸發(fā)速率。如參考作物被假設為高度12（cm），固定的表面阻力為70（s/m），反射率為0.23，非常類似于表面開闊，高度一致，生長旺盛，完全遮蓋地面而不缺水的綠色草地。然后采取水稻作物系數(shù)Kc對其進行修正，得到水稻需水量，即

最小月平均徑流量法。該方法在年內(nèi)各時間段河道內(nèi)的流量都能夠保證河流生態(tài)環(huán)境功能的正常發(fā)揮。其公式為［15，16］:

式中，Wb為河道基本生態(tài)需水量 （108m3）；Qmin，i為第i年最小月平均流量 （m3/s1）；τ為換算系數(shù)，值為31.536×106（s）；n為統(tǒng)計年數(shù)。

恢復地下水位年需水量估算法。該方法是為了在特定的時間與空間條件下維持地下水生態(tài)環(huán)境不再持續(xù)惡化，保持地下水位現(xiàn)狀并逐步恢復到合理的地下水生態(tài)水位所需的水量。其公式為［17］:

式中，W為恢復地下水位年需水量 （m3/a），u為給水度，A為計算區(qū)面積 （m2），Δh為地下水實際埋深水位與地下水生態(tài)水位變差 （m）。

3 結果與分析

3.1 用水結構的變化

下遼河平原1991～2012年的用水結構變化趨勢為水田用水總體大于工業(yè)用水、生活用水以及生態(tài)環(huán)境用水 （圖1），其中，2009年、2010年及2012年生態(tài)環(huán)境用水要大于其他用水。在不同的水文年型中，用水量發(fā)生著不同的變化 （圖2）。豐水年:生態(tài)環(huán)境用水＞水田用水＞工業(yè)用水＞生活用水，平水年:水田用水＞工業(yè)用水＞生活用水＞生態(tài)環(huán)境用水，干旱年:水田用水＞工業(yè)用水＞生活用水＞生態(tài)環(huán)境用水。由此可見，下遼河平原的用水結構以水田用水為主，在平水年與干旱年中水田用水會大量擠占生態(tài)環(huán)境用水，特別是在干旱年，水田用水快速增長，生態(tài)環(huán)境用水會迅速減少。

圖1 1991年—2012年用水量變化

圖2 不同水文年型用水量變化

3.2 水田用水時空變化

3.2.1 水田面積變化

近20多年來，下遼河平原水田面積呈增長趨勢，由20世紀90年代水稻面積平均每年近40萬hm2增長到21世紀水稻面積平均每年46.7萬hm2，自2003年后水稻面積穩(wěn)步增長，近幾年水稻面積增長趨于平緩 （表1）。其中沈陽市是下遼河平原水稻種植面積最大的地區(qū)，約占下遼河平原水稻面積的近1/3，而阜新市是下遼河平原水稻種植面積最少的地區(qū)。

圖3 下遼河平原不同水文年型多年平均水稻需水量的空間變化

3.2.2 水田需水的變化分析

采用彭曼—蒙斯特 （Penman-Monteith）公式法確定了1991～2012年下遼河平原各地區(qū)的水稻需水量，依據(jù)1991～2012年降雨量數(shù)據(jù)，劃分出不同水文年型，得出下遼河平原各地區(qū)多年平均水稻需水量 （圖3）。結果表明，下遼河平原水稻需水量總的變化趨勢為干旱年水稻需水量最高，豐水年水稻需水量最小，平水年水稻需水量則在干旱年與豐水年之間。其中，無論是在豐水年、平水年還是干旱年，沈陽市的水稻需水量都要多于其它各市的水稻需水量。

表1 1991～2012年下遼河平原水稻種植面積 萬hm2

表2 不同水文年下遼河平原生態(tài)需水量億m3/a

3.3 生態(tài)需水時空變化

采用最小月平均徑流量法確定出下遼河平原地表水生態(tài)需水量根據(jù)統(tǒng)計1991～2012年下遼河平原地下水補給量與開采量并得出其差值，然后用計算出的下遼河平原恢復地下水位年需水量，最終確定地下水資源恢復量，由于地下水位的恢復不可能開始就能從現(xiàn)狀水位恢復到合理的生態(tài)水位，而是需要逐漸恢復到適宜的生態(tài)水位，該文對地下水資源恢復量選取以10年的時間來完成，所以下遼河平原的生態(tài)需水量為地表水生態(tài)需水量與地下水資源恢復量之和 （表2）。

下遼河平原在平水年與干旱年中生態(tài)環(huán)境用水量很少，主要原因是水田用水擠占了大量的生態(tài)環(huán)境用水，因此生態(tài)需水與生態(tài)環(huán)境用水之間存在的缺口則為水田用水所擠占的水資源量，該文通過分別計算地表水資源恢復量 （地表生態(tài)需水量與生態(tài)環(huán)境用水中地表水量的差值）與地下水資源恢復量，最后確定該缺口，即生態(tài)需水的恢復量 （表3）。

選取下遼河平原區(qū)具有代表性的3個地區(qū)，分析各地區(qū)及全區(qū)在不同水文年型下生態(tài)需水的變化特征，由于在豐水年中，下遼河平原的生態(tài)需水可以滿足，所以只考慮平水年與干旱年的變化。在表2中可以看出，下遼河平原的生態(tài)需水量在不同水文年型中的變化特征為干旱年的生態(tài)需水量大于平水年的生態(tài)需水量，其中沈陽市在不同水文年型下生態(tài)需水量的變化幅度最為明顯，其他2市在平水年與干旱年間的變化幅度較小。

表3 下遼河平原不同水文年型生態(tài)需水的恢復量 億m3/a

從表3可以看出，下遼河平原生態(tài)需水的恢復量在不同水文年型下變化特征為:干旱年中生態(tài)需水的恢復量要大于平水年中生態(tài)需水的恢復量，其中無論是在干旱年還是平水年沈陽市生態(tài)需水的恢復量都要大于遼陽市與錦州市。同時，干旱年的地下水資源恢復量要大于平水年的地下水資源恢復量，這說明在干旱年中，地下水資源恢復量被以地下水為主的水田用水大量的擠占。

表4 下遼河平原不同水文年型水稻面積削減量空間分布萬hm2/a

4 下遼河平原水田布局調(diào)整分析

在下遼河平原水資源短缺的情況下，平水年與干旱年水田需水大量擠占生態(tài)環(huán)境用水，而不能滿足生態(tài)需水，因此對本區(qū)水田進行合理調(diào)整。從表4中可以看出，干旱年全區(qū)水稻面積削減量大于平水年水稻面積削減量，干旱年水稻面積削減量占下遼河平原水稻面積的25.6%。其中，無論是平水年與干旱年錦州市水稻面積削減量占本市水稻面積的比例在其他2個具有代表性地區(qū)削減比例中最大，沈陽市水稻面積削減量從平水年到干旱年變化最為明顯。

5 下遼河平原水稻調(diào)整后合理性分析

在考慮生態(tài)需水的條件下對下遼河平原水田進行調(diào)整，將平水年與干旱年削減的水田面積改為旱稻。水稻旱作是節(jié)水稻作最為行之有效的方法，不僅可以發(fā)展水稻生產(chǎn)，而且能夠確保水稻的穩(wěn)定生產(chǎn)，有利于保障糧食安全；同時，可以緩解水資源短缺，提高經(jīng)濟效益，保護資源環(huán)境。

下遼河平原經(jīng)過調(diào)整將一部分水田改為旱田后，在糧食安全方面，仍然可以確保水稻的穩(wěn)定生產(chǎn)。章秀福、王丹英等人測算出到2010年水稻單產(chǎn)水平要達到7 690kg/hm2才能滿足人們對稻米的需求［18］。而在下遼河中部平原，旱稻在能正常發(fā)育的情況下可獲得為6 000～6 750kg/hm2的產(chǎn)量［19］。該文對下遼河平原水稻調(diào)整后在平水年水稻單產(chǎn)約為7 870～8 000kg/hm2，在干旱年水稻單產(chǎn)約為7 660～7 860kg/ hm2，如果加強旱稻育種及提高栽培技術不但能穩(wěn)定水稻生產(chǎn)，還會有利于提高糧食產(chǎn)量。在水資源方面，水稻旱作相對比常規(guī)水稻而言每公頃可節(jié)水8 250～11 250m3［20］。因此，該區(qū)削減的水田改為旱田后在平水年可節(jié)水7.55億m3～10.29億m3，在干旱年可節(jié)水8.8億m3～12億m3。隨著當今社會經(jīng)濟水平的快速發(fā)展，旱田的節(jié)水能力也將會有所提高，節(jié)約出更多的農(nóng)業(yè)用水不僅可以確保本區(qū)的生態(tài)環(huán)境不繼續(xù)惡化，還能夠應用于其他效益較強的行業(yè)。同時，改為旱稻后還可以節(jié)省大量的勞動力、節(jié)約成本以及有利于增加經(jīng)濟效益［21］。

6 結論

通過上述分析可以得出以下結論:（1）下遼河平原無論是用水結構還是用水量中水田用水所占比例都處于優(yōu)勢地位，在平水年與干旱年，隨著水田用水量的增加生態(tài)環(huán)境用水量而減少，水田用水嚴重的擠占生態(tài)環(huán)境用水，特別是在干旱年，生態(tài)環(huán)境用水節(jié)約為0.66億m3，遼陽市、錦州市等生態(tài)環(huán)境用水為0。（2）下遼河平原生態(tài)需水的變化特征為:干旱年的生態(tài)需水量大于平水年；不同水文年型中下遼河平原生態(tài)需水的恢復量變化特征主要為:干旱年中生態(tài)需水的恢復量大于平水年，其中全區(qū)地下水資源恢復量由平水年到干旱年的變化幅度較大，說明干旱年地下水資源恢復量被以地下水為主的水田用水大量擠占。（3）該文通過對下遼河平原水田布局的分析，做出了合理的調(diào)整，將削減的水田改為旱田。在平水年水田需削減9.15萬hm2/a，干旱年水田需削減10.623萬hm2/a，以保證生態(tài)環(huán)境在平水年與干旱年不會嚴重惡化。同時，為下遼河平原的水資源優(yōu)化配置提供參考價值。

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RICE LAYOUT ADJUSTMENT BASED ON ECOLOGICAL WATER RESTRICTION IN THE LOWER REACH OF THE LIAOHE RIVER PLAIN

Li Weili，Zhang Weidong※，Wang Lu
（School of Life Science，Liaoning Normal University，Dalian 116081，China）

AbstractThe lower reach of the Liaohe River Plain is an important industrial and agricultural production base and the center of economic development in Liaoning province.Rice planting area accounts for about 78 percent of total area of the province.However，65%of the water supply comes from groundwater resources，of which 36 percent of water was used for rice cultivation.Meanwhile，along with the development of industry，agricultural production and living water consumption，the lower reach of the Liaohe River Plain has become serious water shortage area due to the prominent contradiction between water supply and demand.So it needs to correctly evaluate the social，economic and environment demands on water resources.Based on the statistical data of hydrology，meteorology，industry，and agriculture，this paper analyzed the spatial and temporal features of the water utilization structure，calculatedthe paddy water and the ecological water demand in the lower reach of the Liaohe River Plain of Liaoning province，using the methods of the flood and drought index，the positive and negative anomaly，equation of Penman-Monteith，minimum monthly mean runoff，etc.，and made reasonable adjustments in rice layout.The main results were as follows:1）water use for paddy was dominant，especially in the drought year，the water use for ecological environment was only 0.66×108m3，which was 0 in Liaoyang and Jinzhou.Water resources cannot meet the ecological water requirement.2）The ecological water demand in dry year was more than that in median water year.In different hydrological model years，the water amount of ecological water restoration in the drought year was greater than that in the normal year.3）rice production layout in this area should be adjusted，the paddy field area need to cut 91.5×103hm2/a in the normal years，and 106.23×103hm2/a in the drought years.The reduction of paddy field in Liaoyang city accounted for the largest proportion of rice planting area.4）The results of this study provided a reference to prevent deterioration of the ecological environment，optimize agricultural planting structure，and sustainably develop water resources in the lower reach of the Liaohe River Plain.

Keywordsthe lower reach of the Liaohe River Plain；rice layout；eco-environmental water use；ecological water demand

中圖分類號：F304.5；X143

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9121［2016］02-0161-07

doi:10.7621/cjarrp.1005-9121.20160227

收稿日期：2015-05-25

作者簡介：李偉麗 （1990—），女，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士。研究方向:恢復生態(tài)學。※通訊作者:張偉東 （1964—），男，遼寧大連人，教授、碩士生導師。研究方向:生態(tài)學方向為生態(tài)系統(tǒng)過程與管理；環(huán)境科學方向為環(huán)境生物學、環(huán)境生態(tài)學、環(huán)境管理。Email:zhangeidong64@aliyun.com

*基金項目：國家自然科學基金資助項目 （41201245）