丘陵山地區(qū)耕地水約束狀態(tài)研究

唐君桃　田永中　江汶靜

摘要：建立一種土壤水循環(huán)機(jī)理與地形特征結(jié)合的層次評(píng)價(jià)模型，以長(zhǎng)江一級(jí)支流——黎香溪流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以土壤的蓄水量、土壤地形濕度、蒸散發(fā)量和灌溉用水條件作為評(píng)價(jià)因子，采用層次分析法對(duì)流域耕地水約束狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，將水約束狀態(tài)分為輕度、一般、較重、重度、極重5個(gè)等級(jí)。通過對(duì)300個(gè)樣本的抽樣調(diào)查，分析結(jié)果總體正確率為78%。灌溉條件的影響力隨著約束等級(jí)的降低而增加，正確率隨著約束等級(jí)的降低而降低，從極重到輕度正確率分別為85.00%、81.67%、78.33%、75.00%和68.33%。流域內(nèi)耕地受用水較重及以上程度約束占總面積的55%。模型對(duì)流域內(nèi)部耕地用水狀態(tài)的相對(duì)差異模擬精度較高，灌溉水平的差異是誤差的主要來源。

關(guān)鍵詞：耕地；水約束；層次分析法；數(shù)字高程模型；黎香溪流域

中圖分類號(hào)：S273.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）09-2206-05

水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的決定性因素。耕地作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的載體，其用水不足致使中國農(nóng)業(yè)受干旱災(zāi)害影響嚴(yán)重。尤其是在西南地區(qū)，干旱災(zāi)害發(fā)生頻率高，造成的農(nóng)業(yè)損失率高于全國水平，是該地區(qū)主導(dǎo)的自然災(zāi)害。雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主導(dǎo)的格局和全球氣候變化、極端天氣出現(xiàn)頻率增加、降雨總量大但季節(jié)和年際分布不均等因素是導(dǎo)致該區(qū)域耕地用水資源不足的必然趨勢(shì)。探求丘陵山地區(qū)耕地水約束狀態(tài)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，

早期關(guān)于耕地用水條件的研究多應(yīng)用時(shí)間序列分析法。根據(jù)歷史氣象、旱情、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等資料，從區(qū)域大尺度來分析農(nóng)業(yè)受干旱影響情況的空間分布、時(shí)間頻率、發(fā)展趨勢(shì)，但該方法受氣象站點(diǎn)和統(tǒng)計(jì)資料限制較大。隨著遙感影像的時(shí)空分辨率和光譜分辨率的提高，近年來利用光譜信息獲取土壤墑情的研究進(jìn)展較快，與統(tǒng)計(jì)方法形成互補(bǔ)關(guān)系，但仍難從成因上解決耕地水約束問題。中小尺度的研究通過田間試驗(yàn)，反演土壤的結(jié)構(gòu)、特性等不同環(huán)境下土壤水循環(huán)機(jī)理，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)建立了水文分析物理模型，但對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉的分析顯得不足。相較于平原地區(qū)或緩丘區(qū)域，山地丘陵區(qū)依托臨近水源，采用長(zhǎng)藤結(jié)瓜的灌溉方式，因此地形對(duì)灌溉水的調(diào)蓄、人力灌溉成本的影響更為重要。

本研究綜合考慮自然和人文因素建立山地丘陵區(qū)耕地用水約束狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，把地形作為研究核心，分析小流域內(nèi)耕地用水狀態(tài)在復(fù)雜地形影響下其約束條件——土壤蓄水能力、地形濕度指數(shù)、蒸散發(fā)的相對(duì)差異。此外，根據(jù)當(dāng)下該流域主要的灌溉方式，將灌溉成本納入約束條件的分析中，通過層次分析法對(duì)耕地水各約束狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，從而獲取研究區(qū)耕地用水約束條件的空間分布情況，最后，通過對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)能問卷調(diào)查評(píng)價(jià)方法的可行性。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

黎香溪是長(zhǎng)江的一級(jí)支流，位于三峽庫區(qū)涪陵段南岸。毗鄰烏江。橫跨重慶市涪陵和南川二區(qū)（圖1）。該流域地處川東平行嶺谷地帶，地形復(fù)雜，主要由丘陵、山地組成，其中丘陵13.4%，低山山地85.5%。中高山1，1%（圖2）。流域面積850.67km²。地勢(shì)南高北低。相對(duì)高差1179m。河流切割深。河網(wǎng)發(fā)達(dá)，干流全長(zhǎng)79.13km。流域內(nèi)表面積大于10000m²的水體115個(gè)，總面積13.25km²。流域位于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量1027mm。降水季節(jié)分布不均。超過80%的降水集中在6-9月，近10年該期間的暴雨比例約為56%，降雨一徑流轉(zhuǎn)化的系數(shù)高。6-9月多年平均氣溫28℃，極端最高氣溫43℃：多年平均蒸發(fā)量550mm。最大高達(dá)879.03mm。流域內(nèi)土壤以水稻土和紫色土為主，在西部和東南部海拔較高的山地區(qū)域有少量黃土和石灰（巖）土。黎香溪流域降水充沛、河湖眾多，但降水季節(jié)分布不均且徑流轉(zhuǎn)化率高、夏季蒸散發(fā)旺盛、土壤保水能力弱，耕地用水收支不平衡現(xiàn)象嚴(yán)重；近10年遭受重大旱災(zāi)2次，伏早發(fā)生頻率達(dá)70%；耕地保有量為445.64km²，占流域總面積的47.84%，僅2006年川渝大早期間就遭受了1.86億元的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。試驗(yàn)以黎香溪流域作為研究區(qū)，具有典型性和代表性。

1.2 研究方法

受山地丘陵地形的影響，綠水和藍(lán)水的空間分布差異明顯，土壤蓄水是與降雨量和徑流之間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。分布式水文模型在模擬土壤對(duì)降水的滯蓄能力上有很好的精度，其中SCS-CN模型運(yùn)用最為廣泛。模型中。徑流曲線數(shù)（CN）是綜合反映前期土壤濕潤(rùn)程度（Antecedentmoisturecondition，AMC）、坡度、土壤類型和土地覆被等特性的核心參數(shù)。對(duì)CN值進(jìn)行坡度校正后，SCS-CN模型在黃土高原地區(qū)、丘陵山地區(qū)等區(qū)域的模擬均具有較高精度。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部提供的CN值查詢表和國內(nèi)外研究成果得到對(duì)應(yīng)的CN值表，并用Huang等的坡度校正公式對(duì)CN值進(jìn)行校正，然后計(jì)算得出土壤的蓄水能力。式中，S為土壤最大蓄水能力（mm）。

式中，CN_II表示土壤前期濕度中等對(duì)應(yīng)的CN值，CN_IIS表示經(jīng)過坡度校正的CN值，slp表示平均坡度。

因地形地勢(shì)和上游地類的不同導(dǎo)致土壤相對(duì)濕度差異，呈現(xiàn)高處大于低處，上游土壤蓄水能力越強(qiáng)下游土壤獲取的水分越多的特征?；诹饔騼?nèi)土壤滲透能力和飽和導(dǎo)水率相同，壤中流的方向和地下水位均與地表平行的兩個(gè)假設(shè)，地形濕潤(rùn)指數(shù)表示為！

式中，W為地形濕度指數(shù)：a為流經(jīng)該點(diǎn)的上坡匯流累積量：a為該點(diǎn)處的坡度。

蒸散發(fā)量的主要影響因子為太陽輻射、溫差以及風(fēng)速?；谏降厍鹆陞^(qū)地形，以ArcGIS為平臺(tái)，平臺(tái)的太陽輻射工具利用數(shù)字高程模型（Digitalelevation model，DEM）提取太陽輻射值，通過相對(duì)高差和溫差計(jì)算公式得到流域內(nèi)相對(duì)溫差。對(duì)于風(fēng)速的計(jì)算，采用地形粗糙度系數(shù)來代替實(shí)際風(fēng)速的差異。

灌溉水平受灌溉水量、定額和成本3個(gè)因素影響。流域內(nèi)可作為灌溉水源有湖泊水面和河流溝渠兩類。灌溉定額決定了可用于灌溉的總水量不變時(shí)的最大灌溉半徑，灌溉成本為在可灌范圍內(nèi)計(jì)算水平方向和垂直方向的綜合灌溉引水成本。水平成本僅考慮與水源地直線距離：垂直成本考慮的是與水源地的相對(duì)高差，高差為正則成本為0，反之需要計(jì)算提水成本。面狀或點(diǎn)狀水源（湖泊、坑塘、水庫）的灌溉成本僅體現(xiàn)于水源與目標(biāo)的高差，但線狀水源在高程上是連續(xù)的，無法通過高程差的方法計(jì)算自流區(qū)。本研究通過DEM的流向分析結(jié)果，確定灌溉水源的流入與流出關(guān)系，從而獲得引水成本。最后再通過成本累積法在ArcGIS10.3平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)綜合引水成本的計(jì)算。

土壤蓄水量、土壤水蒸散發(fā)量、相對(duì)地形濕度和灌溉成本是耕地水的主要影響因子，據(jù)此，采用層次分析法（Analytic hierarchy Drocess，AHP）確定了各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法是一種定性與定量結(jié)合的多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法，本研究先將耕地用水約束狀態(tài)作為目標(biāo)層，前述4個(gè)主要影響因子作為準(zhǔn)則層；再把太陽輻射、相對(duì)溫差、地表粗糙度作為土壤水蒸散發(fā)的子準(zhǔn)則層，垂直灌溉成本和水平灌溉成本作為灌溉成本的子準(zhǔn)則層。通過專家打分構(gòu)建判斷矩陣，計(jì)算得到各層權(quán)重值，具體見表1。一致性檢驗(yàn)結(jié)果顯示CR為0.046，小于0.1，滿足要求。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括重慶市涪陵、南川二區(qū)的第二次土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)變更成果（2012年）、氣象統(tǒng)計(jì)資料、重慶市1：50000地形圖，以及重慶市1：100000土壤專題數(shù)據(jù)。土地覆被數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)分別從土地利用現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)變更成果、土壤專題數(shù)據(jù)中提取。根據(jù)地形圖數(shù)據(jù)生成DEM，然后提取水文數(shù)據(jù)（流向、匯流累積量）、地形特征數(shù)據(jù)（坡度、地表粗糙度、相對(duì)高程）、太陽輻射等。灌溉水源從變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫中篩選地類名稱為河流、水庫水面、坑塘水面和溝渠的地類。

根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部提供的CN值查詢表和國內(nèi)外研究成果得到對(duì)應(yīng)的CN值表，并用Huang等的坡度校正公式對(duì)CN值進(jìn)行校正，計(jì)算得到土壤蓄水能力S。根據(jù)地形相對(duì)濕度計(jì)算公式，帶入?yún)R流累積數(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)，其中匯流累積數(shù)據(jù)以土壤蓄水能力為權(quán)重值，計(jì)算得到研究區(qū)耕地的相對(duì)地形濕度。在蒸散發(fā)量的計(jì)算過程中，太陽輻射量為流域內(nèi)作物主要生長(zhǎng)季（6-9月）的輻射總量，相對(duì)溫差和地表粗糙度通過ArcGIS柵格計(jì)算求出。近10年來，2006年和2011年該區(qū)域出現(xiàn)干旱較為嚴(yán)重，6～9月蒸發(fā)總量分別高達(dá)702.39mm和879.03mm，日均蒸散發(fā)量最大值約為7.3mm。為了滿足耕地最大灌溉保證需水量，在考慮灌溉水分損耗的情況下，假定灌溉定額為10mm/d，通過灌溉水量和定額可求得變距灌溉半徑，通過臨近性分析計(jì)算得到可灌溉范圍。通過前述灌溉成本計(jì)算方法，分別計(jì)算得到水平成本和垂直成本。

由于各指標(biāo)值的取值范圍和量綱不一致，難以直接進(jìn)行比較分析，因此要將各指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以消除量綱的影響。本研究采用正效指標(biāo)和負(fù)效指標(biāo)兩種方法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

根據(jù)各前述耕地用水約束狀態(tài)評(píng)價(jià)模型進(jìn)行綜合加權(quán)分析，以地塊為單位，對(duì)地塊內(nèi)評(píng)價(jià)得分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并排序，得到流域內(nèi)耕地用水約束狀態(tài)的空間分布情況。對(duì)結(jié)果采用自然斷裂法按輕度、一般、較重、重度、極重5個(gè)約束等級(jí)進(jìn)行分級(jí)。得到該流域的耕地用水約束狀態(tài)分布圖（圖3）。流域內(nèi)耕地用水約束狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)果檢驗(yàn)

為了對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，采用分層抽樣和問卷調(diào)查相結(jié)合的驗(yàn)證方式，先根據(jù)上述約束等級(jí)劃分將待抽樣數(shù)據(jù)分為5個(gè)同質(zhì)層，然后分別在各層內(nèi)隨機(jī)抽樣或機(jī)械抽樣60個(gè)。問卷調(diào)查的對(duì)象為對(duì)耕地用水狀態(tài)最熟悉的農(nóng)戶，以行政社為問卷調(diào)查的最小單元集中調(diào)查。本次調(diào)查共涉及231個(gè)社。由于耕地用水條件難以定量描述，而通過糧食產(chǎn)量來進(jìn)行度量容易實(shí)現(xiàn)。糧食產(chǎn)量的影響因素眾多。如土壤肥力、作物種類、病蟲災(zāi)害等因素都會(huì)引起產(chǎn)量變化。因此，只對(duì)抽樣地塊進(jìn)行分年份的縱向的開放式調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容為近20年抽樣地塊的一般產(chǎn)量、因水分充足而增產(chǎn)的年份和產(chǎn)量以及因缺水而減產(chǎn)的年份和產(chǎn)量。耕地糧食產(chǎn)量變化情況分析結(jié)果見表3。

本次調(diào)查保留的作物生長(zhǎng)期在6-9月對(duì)應(yīng)的地塊共計(jì)286個(gè)。將增、減產(chǎn)幅度和年數(shù)求和后按等間距法劃分為5級(jí)，然后通過屬性連接，將抽樣值和模擬值一一對(duì)比，經(jīng)分析得到抽樣調(diào)查的結(jié)果與模擬值的誤差情況，結(jié)果見表4。

2.2 結(jié)果分析

通過抽樣調(diào)查分析的結(jié)果得出，對(duì)研究區(qū)耕地約束狀態(tài)的模擬精度總體平均值為78%。分析結(jié)果對(duì)于受用水條件嚴(yán)重約束的耕地模擬效果較好，隨著約束等級(jí)的下降，模擬精度存在較大幅度的下降（表4）。其原因在于灌溉條件的加入，存在較多的人為因素——具有灌溉條件的實(shí)際上未進(jìn)行灌溉。最大誤差范圍和誤差標(biāo)準(zhǔn)差都呈擴(kuò)大趨勢(shì)，也體現(xiàn)了人為灌溉對(duì)耕地用水約束有著很大影響，增加了約束狀態(tài)的不穩(wěn)定性。

通過對(duì)黎香溪流域耕地用水條件約束狀態(tài)空間分布的綜合分析，從總體上看，研究區(qū)耕地用水狀態(tài)受約束的情況較為嚴(yán)重，55%的耕地用水條件面臨著較重及以上等級(jí)的約束，受嚴(yán)重約束的耕地比例較為突出，達(dá)到22.72%，在干旱發(fā)生時(shí)這部分耕地生產(chǎn)能力難以保證。從空間分布來看，約束條件較弱的都分布于臨近水源區(qū)域，但它的逆命題并不成立。研究區(qū)降水條件和蓄水條件較好，耕地可用水資源的總量較大，在不考慮垂直灌溉成本的前提下，可獲得灌溉資源的耕地占總量的90.73%，而在加入垂直成本后，該值下降到72.41%，流域內(nèi)123.95km²的耕地?zé)o法得到有效灌溉，其中81.62km²耕地是由于垂直成本限制而造成的。

3 結(jié)論與討論

根據(jù)土壤水循環(huán)的機(jī)理研究了其在復(fù)雜地形區(qū)的空間差異，以此建立的層次評(píng)價(jià)模型能夠反映小流域耕地用水約束狀態(tài)的相對(duì)差異。提出的加入人為灌溉成本計(jì)算方法對(duì)耕地用水約束狀態(tài)的模擬精度為78%，評(píng)價(jià)方法對(duì)耕地用水狀態(tài)的模擬精度較高，同時(shí)。分析結(jié)果受人為因素干擾較大。

研究區(qū)內(nèi)灌溉水源總量大但利用率不高，18.31%的耕地在距離灌溉水源水平距離1km的范圍內(nèi)。但受地形影響。灌溉成本高，出現(xiàn)鄰水而無法用水的情況。在土地整理、規(guī)劃決策時(shí)，一方面需通過蓄水設(shè)施和引水設(shè)施的增加來改善區(qū)域內(nèi)的耕地用水狀態(tài)：另一方面應(yīng)考慮引水成本。合理布局水利設(shè)施。

本研究成果可以應(yīng)用于土地利用決策分析。例如，該區(qū)域在土地利用總體規(guī)劃的制定過程中，可以把約束條件為輕度、一般的耕地優(yōu)先納入基本農(nóng)田的保護(hù)范圍。在土地整治規(guī)劃中，對(duì)于約束條件為較重等級(jí)及以上的耕地，可以根據(jù)約束程度確定農(nóng)田灌溉工程分布并合理制定相應(yīng)的整治時(shí)序，以增強(qiáng)耕地的用水保障能力。