松嫩平原北部黑土區水土資源平衡效應研究

路 中，雷國平，郭晶鵬，王居午，馬鑫鵬，李松澤

（1.東北大學土地管理所，遼寧 沈陽 110004；2.東北農業大學資源與環境學院，黑龍江 哈爾濱 150030）

隨著全球氣候變化及人類活動強度的加劇，自然災害給世界，尤其是發展中國家造成的潛在威脅越來越大[1-2]，而對于生態脆弱區而言因自身生態系統的結構、功能和生態過程相當復雜，其對于氣候變化和人為干擾均表現極為敏感[3]。北方農牧交錯帶因其降雨少、大風日多、沙塵活動強烈，是典型的生態脆弱區[4]。作為干旱半干旱生態脆弱區，水分是影響其穩定性的關鍵性因素[5]，同時水分又是區域社會經濟可持續發展的支撐和保障條件[6]。因此，準確估計北方農牧交錯帶水分盈虧態勢是實現資源的合理開發和利用與社會經濟的長遠發展的前提[7]，意義重大。

水土資源平衡是指綜合考慮地區內水資源的供應能力和土地利用條件下的需求狀況，分析本地區水資源的余缺情況，合理協調水資源的供求關系，以尋求水土資源的平衡。目前部分學者利用不同的研究方法分別從水資源[8]、土資源[9]和水資源與土資源相結合[6，10]的角度進行區域水土平衡研究。根據前人的研究經驗，學者普遍認為水、土資源相結合進行水土資源效應評價才能充分發揮水土資源系統的整體效能[11]。而在以水、土資源相結為基礎的水土資源效應評價中，實際蒸散量是進行水土資源效應評價的關鍵因素。部分學者分別從水量平衡和實際蒸散量與潛在蒸散量之間的互補關系入手進行實際蒸散量的估算，如楊艷昭[10]等依據降雨量、徑流量和土壤含水量數據構建水量平衡方程進行實際蒸散量的估算；馮雪[12]等依據平流—干旱互補模型（AA模型）進行實際蒸散量的估算；張瑞剛[13]等依據傅抱璞模型進行實際蒸散量的估算。但是從前人研究中可以發現，在水土平衡效應研究中估算的實際蒸散量都未能充分考慮土地利用類型、地貌特性和土壤屬性的影響，而實際蒸散量受土地利用狀況、地貌特征和土壤屬性影響比較明顯[14-18]，因此本文在Budyko水熱耦合平衡理論的基礎上，參考孫福寶[19]提出的擬合參數ω方程，通過利用研究區域的數據重新進行參數ω方程的擬合，最終獲得符合本研究區域參數ω的擬合方程，以此進行參數ω的計算以及實際蒸散量的計算，更易體現不同土地利用狀況、地貌特征和土壤屬性條件下的實際蒸散量，從而較為準確的進行水土平衡效應評價，分析水分盈虧態勢。

松嫩平原北部區域處于黑龍江省西部農牧交錯脆弱帶，是典型的生態脆弱區。此外，松嫩平原是黑龍江省和國家的重要商品糧基地，糧食商品率占30%以上，而干旱是影響松嫩平原尤其是松嫩平原北部糧食生產的重要因素。因此，研究該地區水分盈虧態勢對氣候和土地利用變化的響應可為未來氣候變暖情景下的糧食生產政策的制定提供科學依據。本文以松嫩平原北部作為研究區域，以1985年、1995年、2005年和2015年為時間點，通過收集區域及周邊地區氣象站點和水文站點的長時間序列氣象數據和基礎地理空間數據，定量研究水土資源平衡態勢，以期為農牧交錯帶水土資源合理利用、農業生產協調布局，以及實現區域可持續發展提供科學依據和決策支持。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

松嫩平原北部黑土區位于黑龍江省西部，地理位置位于45°46′—48°56′N、122°24′—126°41′E之間，土地總面積為1.92×104km2。松嫩平原北部地處小興安嶺南麓與松嫩平原的過渡地帶，研究區域地勢東北高西南低，波狀起伏臺地暨漫川漫崗區域是該區主要地形特征，丘陵漫崗地占60%以上；屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明，多年平均降水量499 mm，降水分布不均勻，6—9月份降水占全年降水量的72%，降雨分布集中易造成水土流失；耕地是當前研究區最主要的土地利用類型，林地只是在坡度較陡，不適合耕作的地區分布；研究區屬于黑土和黑鈣土和草甸土為主的典型黑土區，其他的暗棕壤等有零星分布，是開展黑土區研究的重點地區。

1.2 數據來源

研究所用數據包括：（1）1985年、1995年、2005年的1∶10萬Land Sat TM遙感影像和2015年1∶10萬LandSat 8遙感影像；（2）2000年分辨率為30 m的研究區域DEM；（3）全國725個氣象站點提供的氣象數據主要包括降水、氣溫（包括最高氣溫、平均氣溫和最低氣溫）、相對濕度、降雨天數、風速和日照時數等數據；（4）國家地球系統科學數據共享平臺（http//www.geodata.cn）提供的中國1∶400萬土壤類型圖（1980s）；（5）根據松遼流域水資源公報獲取2010—2014年地表徑流量數據。

2 研究方法

本文首先分析30年來松嫩平原北部的農業氣候資源和土地利用變化，然后根據水量平衡法[21]求得水文站點的實際蒸散量，利用matlab求得各水文站點的參數ω值，在SPSS中運用線性回歸的方法來確定擬合參數ω方程中回歸系數，以此來確定研究區域不同土地利用類型、地貌特征和土壤屬性條件下的參數ω值和實際蒸散量，并在計算植被需水量的基礎上，通過構建水分盈虧模型來定量計算松嫩平原北部30年來農業氣候資源和土地利用變化所引發的水分盈虧態勢的變化，系統評價30年間松嫩平原北部環境下的水土平衡效應。

2.1 土地利用和農業氣候資源分析

土地變化研究的重要內容是土地變化發生的空間位置、土地變化的類型、土地變化劇烈程度。這些研究有助于評估土地變化的后果，預測土地變化的趨勢[20]。本文首先從宏觀角度分析土地利用變化發生的空間位置，然后利用土地利用變化重要性指數和土地利用變化面積比重，闡釋變化類型和變化劇烈程度。

（1）土地利用變化重要性指數。運用土地利用變化重要性指數（Ci），篩選出土地利用變化的主要類型。計算公式如下：

式（1）—式（2）中，Ci為第i種變化類型的土地利用變化重要性指數，Ai為第i類土地變化面積，A為該區域各類土地變化面積之和。Ci值越大，說明第i類土地變化越占主導作用。

（2）土地利用變化面積比重。土地利用變化面積比重（D）是指各類土地變化面積之和占區域總面積的比重，可用其揭示土地利用變化的劇烈程度。計算公式如下：

式（3）中，D為土地利用變化面積的比重，A為區域各類土地變化面積之和，S為區域面積。D值越大，說明該區域土地利用變化越劇烈。

農業氣候資源變化趨勢分析采用一次線性方程表示：

式（4）中，Y為農業氣候資源因素，t為時間（1985—2015年），a1為線性趨勢項。a1的系數為正，則表明是增量，反之則反。

2.2 潛在蒸散量模型

采用1998年世界糧農組織提出的修正方程Penman-Monteith計算潛在蒸散量，此方程對地表植被能量平衡和水汽擴散理論進行了較為全面的考慮，能夠很好地反映各氣候要素的綜合影響，其具體公式如下所示：

式（5）中，Δ為飽和水汽壓曲線的斜率，γ為干濕計常數，Rn為地面凈輻射，G為土壤熱通量，u2為2 m高處風速，es和ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓。

地面凈輻射為太陽凈短波輻射和地面凈長波輻射之差，其中太陽輻射的計算采用經驗公式：

式（6）中，Rs為太陽（短波）輻射，Ra為太陽總輻射，n和N分別為日照時數和最大日照時數，as和bs為代表地域氣候特征的參數，本文根據祝昌漢[21]的中國系數研究成果，取東北地區as= 0.189、bs= 0.133，以便于更符合當地實際狀況。

2.3 實際蒸散量模型

本文基于Budyko假設評估松嫩平原北部實際蒸散量，傅抱璞從流域水文氣象的物理意義出發，根據微分方程理論給出Budyko假設的解析形式[22]。許多學者[23-24]對于該模型的適用性和可靠性進行了討論，結果表明該模型適用于下墊面變化對實際蒸散量的影響方面的研究。方程式如下：

式（7）中，E為年均實際蒸散量，P為年均降水量，E0為年均潛在蒸散量，采用1998年聯合國糧農組織（FAO）修訂的Penman-Monteith（P-M）公式計算。

關于參數ω確定，許多學者[14-18]論證了參數ω與下墊面的土地利用類型、地貌特征和土壤屬性有密切聯系。孫福寶等[19]通過對黃河流域的數據，擬合了參數ω的方程表達式。本文采用孫福寶提出的擬合方程式：

式（8）中，Ks代表飽和導水率，i代表平均降雨天數占全年的比例，代表平均潛在蒸散量，β代表研究區域地表坡度（弧度），Smax為植被—土壤有效蓄水能力，a1、b1、c1、d1為方程系數。

其中，關于Ks的計算是根據Li[25]提出的飽和導水率計算公式，此模型經過李曉鵬[26]驗證，得出Li模型模擬結果與田間實驗的結果更為接近，其公式如下：

式（9）中，c1，c2，c3分別表示土壤的粘粒、粉粒和砂粒的含量，ρ和c4分別為土壤容重和土壤有機質含量。其參數的值均來自《黑龍江土壤》。

本文采用Dunne和Willmott[27]推薦采用的計算植被—土壤有效蓄水能力Smax公式：

式（10）中，θf和θw分別表示田間持水量的水分含量和萎蔫點，droot代表各類型植被根系的最大深度與土壤深度之間的最小值。θf和θw是根據《黑龍江土壤》和Dunne[27]的建議，分別計算不同土壤種類的θf和θw值；土壤深度參考《黑龍江土壤》獲得；植物根系是根據土地利用類型參考相關文獻獲得。

2.4 水分盈虧評價模型

依據農田水分平衡原理，小麥生育階段的水分虧缺率可以描述為小麥生育階段的自然供水量與需水量的差占需水量的百分比的負值[28]。同時參考以前學者的研究經驗[6-7]，植被生育階段的水分虧缺率可描述為植被生育階段的自然供水量與需水量的差占需水量的百分比的負值，而植被生育階段的自然供水量可以用實際蒸散量來表示[18]，故植被某一生育階段的作物水分虧缺率計算式表示為：

式（11）中，WD為l種土地利用類型全生育期的水分虧缺率，ETS和ET分別為實際蒸散量和需水量。具體評價分級為正常缺水（WD≤0.15）、輕度缺水（0.15＜WD≤0.30）、中度缺水（0.30＜WD≤0.45）、重度缺水（0.45＜WD≤0.60）和嚴重缺水（WD＞0.60）5種等級。

植被生育階段的需水量可簡化為植株蒸騰量與棵間蒸散量之和，其計算式為：

式（12）中，ET（l）為植被生育階段的需水量，KC為相應時段的作物系數，ETO為相應時段的作物參考蒸散量。植物作物系數（KC）引用相關文獻[29-30]中的結果，各作物分區的逐月作物系數用代表站數值。

3 計算結果

3.1 土地利用變化和農業氣候資源

3.1.1 土地利用變化 本文應用ArcGIS 10.2軟件，依據Google Earth建立判讀標志，對松嫩平原北部1985年、1995年、2005年和2015年的Landsat TM遙感影像進行目視解譯，生成研究區內4個時期土地利用矢量圖，利用第二次土地調查數據對土地利用矢量圖進行分類精度檢驗，檢驗表明各地類的Kappa系數均超過0.90，滿足本文研究的需要；在此基礎上，獲取各年份地類面積及土地利用變化信息（表1—表2）。在數據解譯過程中，因水域面積受降雨等條件影響明顯，故水域面積變化不加以分析。

由圖1可知，松嫩平原北部近30年來土地利用整體特征并未發生變化，土地利用主要是以旱地為主。隨著人類活動的加劇，濕地和林地面積在逐年減少，水田的面積在逐年增加。由表1可知，1985—2015年濕地變化幅度最大，分別減少了447.49 km2、889.37 km2和401.04 km2；旱地面積變化幅度次之，分別增加了404.07 km2、644.35 km2和364.05 km2；水田和林地變化幅度相當，水田面積變化分別增加了188.12 km2、52.39 km2和111.33 km2；林地面積分別減少了125.62 km2、16.72 km2和163.53 km2；建設用地30年來變化幅度并不明顯。

為進一步了解土地利用的變化情況，將1985年、2015年土地利用數據進行分析（表2），土地利用變化面積4402.44 km2，占總面積的22.9%。變化最大的是濕地，其減少量是1985年濕地面積的55.35%，占總變化面積的39%，占總面積的9.04%；其次是旱地，其增加面積占1985年旱地面積的9.94%，占總變化面積的38%，占總面積的7.87%；水田面積增加比較明顯，是1985年水田面積的3.6倍，由于水田基數面積比較少，其變化面積僅占總變化面積的8%，占總面積的1.83%；林地變化面積與1985年相比減少了35.69%，其占總變化面積的7%，占總面積的1.59%；建設用地變化面積最小，其增加面積占1985年面積的13.62%，占總變化面積的2%，占總面積的0.49%。研究表明，研究區域是以農業為基礎的糧食生產基地，隨著經濟的快速增長，為了滿足日益增長的物質文化的需要，濕地和林地面積大量轉化為旱地和水田。

圖1 松嫩平原北部1985—2015年土地利用空間格局Fig.1 The spatial pattern of land use in the northern part of Songnen Plain from 1985 to 2015

表1 1985年以來松嫩平原北部土地利用變化情況表 單位：km2Tab.1 The land use change in the northern Songnen Plain since 1985 unit: km2

3.1.2 農業氣候資源 由圖2可知，近30年來，松嫩平原北部農業氣候資源變化比較明顯，其平均溫度呈上升趨勢，變化速率為0.27℃/10年；生長日期的平均潛在蒸散量呈明顯下降趨勢，變化速率為-5.15 mm/年；降雨量處于上下波動的狀態，并未呈現較為明顯的變化趨勢，由圖可知隨著時間的不斷推移，降雨量上下波動的幅度不斷的加劇，這樣研究區域的脆弱性表現更加明顯。這里統計每10年的平均降雨量變化情況，可以看出1985—1989年平均降雨量為502.41 mm，1990—1999年平均降雨量是549.33 mm，2000—2009年平均降雨量是482.54 mm，2010—2015年平均降雨量558.22 mm。

表2 1985—2015年研究區土地利用變化的主要類型Tab.2 The main types of land use change of study area in 1985-2015

圖2 1985—2015年松嫩平原北部氣候要素年際變化Fig.2 The inter-annual variation of climatic elements in the northern Songnen Plain in 1985-2015

3.2 參數ω估計及模擬實際蒸散量

3.2.1 參數ω估計 由上面論述得知，參數ω與相對入滲能力KS、相對蓄水能力Smax/E0和區域平均坡tanβ關系式可以表達為：

式（13）中，a1、b1、c1、d1為方程系數。

這里將式（13）進行變形如下：

式（14）中，a、b、c、d為回歸系數，a1= ea，b1=b，c1=c，d1=d。其中，參數ω值可以根據式（6）利用matlab反求得各氣象站點的ω值，對于式（6）中實際蒸散量的計算，依據邱新法等[21]提出的水量平衡法求解。水量平衡法是目前計算區域實際蒸散較為可靠的方法，常被用來評價其他模型的計算精度。本文用水量平衡法計算的年實際蒸散以此來擬合傅抱璞模型中參數ω值，公式如下：

式（15）中，P為區域年降水量，由雨量站提供的數據采用反距離權重插值得到研究區降雨量平均值，E為年實際蒸散，R為水文站實測年徑流量，ΔW為區域蓄水量的年變化量。

對于年尺度，區域蓄水量的變化可近似忽略。因此，區域年實際蒸散可由下式計算：

根據上述公式分別計算式（14）中的其他參數，在SPSS中進行多元回歸分析，結果可知，R2= 0.73，參數a= 2.014，b= -0.294，c= 0.362，d= -3.919。即函數方程表示為：

運用所求的參數ω值得擬合方程，分別求得2000—2014年實際蒸散量與研究區域水文站數據進行比較，最終其絕對偏差MAE、方差均方根RMSE和納西效率系數NSE分別是38.7 mm、10.4%和0.57。

3.3 實際蒸散量時空分布特征

圖3 1985—2015年研究區的實際蒸散量分布圖Fig.3 The actual evapotranspiration distribution of study area in 1985-2015

由圖3可知，經過上述過程求得的實際蒸散量可以很好地反映不同土地利用狀況、地貌類型和土壤屬性的實際蒸散量。整體來看，松嫩平原北部30年實際蒸散量的范圍是328.5—462.4 mm（圖3），均值為391.56 mm。從空間上來看，實際蒸散量的分布大致是從北向南逐漸增加。實際蒸散量高值區域出現在克山縣中部、依安縣下部和拜泉縣左下部分；低值區域出現在訥河市北部和西部。由于受到土地利用類型、地貌特征和土壤屬性的影響，同一時期相鄰區域不同下墊面條件下實際蒸散量表現出來差異。從時間上來看，1985—2015年平均實際蒸散量分別是394.25 mm、391.36 mm、343.54 mm和371.75 mm。其中，1985年值域區間為390—410 mm、410—430 mm和430—450 mm的參考作物蒸散量分別占區域土地總面積的25.43%、43.22%和17.08%；1995年值域區間為390—410 mm、410—430 mm和430—450 mm的參考作物蒸散量分別占區域土地總面積的21.62%、42.96%和103.75%；2005年值域區間為330—350 mm、350—370 mm和370—390 mm的參考作物蒸散量分別占區域土地總面積的15.08%、31.53%和36.21%；2015年值域區間為370—390 mm、390—410 mm和410—430 mm的參考作物蒸散量分別占區域土地總面積的22.82%、42.50%和21.07%。表明松嫩平原北部30年來實際蒸散量先降低后升高，其下降的趨勢大于升高的趨勢。實際蒸散量表示植被可以有效利用的降雨量，由此可以看出研究區域植被可利用的有效降雨量在逐漸的降低，這樣加劇了松嫩平原北部的旱情。

3.4 土地利用變化的水土資源平衡效應

作物需水量與實際蒸散量之間的差值可以有效反映水分的虧缺狀況，這里的實際蒸散量其實就是在沒有人為干預情況下的有效降雨量，即植被可以有效利用的水分。掌握不同時期的土地利用變化下的水土平衡效應，可以為制定灌溉制度提供依據。根據潛在蒸散量和作物系數，在ArcGIS中求得植被生長日期的需水量，并根據實際蒸散量運用柵格計算器求得松嫩平原北部不同日期的水分虧缺率（圖4）。

從圖4可以看出，隨著農業氣候資源變化和人類活動的干擾，松嫩平原北部水分盈虧程度變化明顯，1985—2009年水分虧缺率逐漸增加，水分虧缺地區也明顯的增加，2010—2015年水分虧缺率降低，這可能是與近幾年降雨量有關，近幾年降雨量比較充沛所以水分虧缺量比較低。整體來看水分虧缺率總體趨勢為：西北大東南小，由西北向東南逐漸遞減。其中，水分虧缺率最大值處在訥河市西北部，其最小值處于拜泉縣和依安縣南部。此外，圖中可以明顯看出，由于人類活動的干預，水田的增加，在忽略氣候條件的影響下，嚴重缺水區域也在不斷地增加。

為了更加詳細地分析松嫩北部平原水分虧缺態勢，本文對不同時段水分虧缺率分布比例進行統計分析，表3結果表明，1985年松嫩平原北部中度缺水占的比例最高，共占60.92%，其次是輕度缺水，占21.75%，嚴重缺水的地區僅占0.82%；1995年輕度缺水占的比例最高，中度缺水其次，兩者共占87.39%，嚴重缺水區域有所增加，變為1.88%，由此可以看出20世紀70—80年代，總體缺水態勢小幅度減少，但由于土地利用變化即水田面積的增加使嚴重缺水區域增加；2005年左右，中度缺水區域所占比例最高，占50.42%，其次是輕度缺水區域，占18.55%；由表3可以明顯看出重度缺水區域和嚴重缺水區域明顯增加，分別占18.25%和7.7%，這可能是因為農業氣候資源和人為影響共同作用的結果，即降雨量的減少和水田面積增加，濕地和林地面積減少；2015年前后，正常區域占所有區域面積的58.43%，其次是輕度缺水區域，占35.14%，中度缺水、重度缺水和嚴重缺水區域分別占3.65%、0.17%和2.61%，表明2010—2015年降雨量比較充沛，松嫩平原北部缺水態勢比較低，但是由于人為的干擾即水田面積的增加，使得嚴重缺水面積高達2.61%，比1985年多1.59%。

圖4 1985—2015年水分虧缺率分布圖Fig.4 The water def i cit rate distribution in 1985-2015

表3 不同時間段水分虧缺率分布比例Tab.3 The distribution ratio of water def i cit rate indifferent time periods

總體分析1985—2015年松嫩平原水分虧缺態勢可知，松嫩平原北部水分虧缺態勢波動性比較大，受到氣候的影響比較明顯，這是因為松嫩平原北部處于北方農牧交錯帶的邊緣，是典型的生態脆弱區域，降雨量較少，且分布不均；濕地和林地面積逐年減少，旱地和水田面積逐年增加，使得研究區域水分虧缺態勢增加，嚴重缺水面積逐年增加。

4 結論與討論

4.1 主要結論

（1）松嫩平原北部30年來土地利用主要是以旱地為主，濕地和林地面積在逐年減少，水田的面積在逐年增加。其中濕地變化幅度最大；旱地面積增加幅度次之；水田和林地增加或減少的幅度相當；對于建設用地而言30年來變化幅度并不是非常的明顯。另外，30年來研究區域農業氣候資源明顯，經過趨勢分析得溫度以0.27℃/10年逐年增加，潛在蒸散量以5.15 mm/年，逐年減少；降雨量未表現明顯的變化趨勢，但是降雨量上下波動越來越明顯。

（2）根據孫福寶等[19]提出的參數ω值擬合方程，可以有效反映不同土地利用條件、地貌特征和土壤屬性條件下的參數ω值，這樣可以很大提高計算實際蒸散量的精確率。

（3）從水土資源平衡效應來看，1985—2015年水分虧缺態勢受農業氣候資源和土地利用變化的影響巨大，1985—2009年水分虧缺率逐漸增加，水分虧缺地區也明顯的增加，2010—2015年水分虧缺率降低；同時水田和旱地面積的增加，濕地和林地面積的大量減少，加劇了松嫩平原北部的水分虧缺態勢。總體來看，1985—2015年總體的水分虧缺率均值分別是0.25、0.20、0.31和0.13，由此可以看出松嫩平原北部水分虧缺態勢總體處于上下波動的狀態，對于2011—2015年水分虧缺態勢的值小，可能是由于近幾年研究區域的降雨量等氣候條件比較充沛而引起的。

4.2 存在的不足

本文所用土地利用數據是對Landsat TM遙感影像的判讀來獲取4個時期的地利用現狀數據，識別了旱地、林地、草地6種土地數據類型，關于參數ω值擬合過程，未能對不同植被的根系深度進行更加細致的劃分，其次由于人為干擾的原因農田的最深植被根系可能受到影響；（2）由于研究的時間跨度比較大，氣象數據的獲取來自于中國地面國際交換站氣候資料月值數據集，但是研究區域氣象站比較少，在計算潛在蒸散量的過程中，經過反距離空間插值可能與實際有一定的偏差。

A.恭喜你，你是一個絕佳的反派人選。雖然未必有人相信你的辦事能力，但你非常有潛力，會有一鳴驚人的一天。你是一個可怕的敵人，有能力做反派主角。

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