水資源約束下區(qū)域耕地資源開發(fā)利用研究

孟祥玉，雷國平，孫曉兵，曲曉涵

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

0 引 言

耕地資源作為人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，其對于保障國家糧食安全具有重要的意義，科學合理的開發(fā)利用耕地資源對社會經(jīng)濟與生態(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)水資源的高強度開采已出現(xiàn)嚴重的用水矛盾現(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)系以實現(xiàn)耕地資源的可持續(xù)利用與保障國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)利用保障社會經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，而東北地區(qū)作為我國重要的糧食生產(chǎn)基地，對于保障我國糧食安全具有重要意義[2]?！秶壹Z食中長期規(guī)劃綱要(2008-2020年)》規(guī)劃對東北地區(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]。水稻是我國主要的口糧作物，在我國糧食生產(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)系到我國的糧食安全[4]。然而，在近幾十年的土地資源利用過程中，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，并呈現(xiàn)由南向北、由西向東逐步擴張的趨勢[5]。水資源對于水田的擴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采模數(shù)兩種方法，計算了三江平原適宜水稻種植的面積[6]。趙新風等依據(jù)水量平衡原理計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)在分析了水資源開發(fā)利用情況的基礎(chǔ)上，通過農(nóng)業(yè)需水量的方法對當?shù)厮镆?guī)模進行的估算[8]。向長玉等基于GIS技術(shù)，考慮自然約束條件，應用定量化模型計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，還沒有意識水土資源的稀缺性、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算水田的面積[12]，由于農(nóng)場現(xiàn)有水田面積已占耕地面積的90.27%，水田是農(nóng)場耕地開發(fā)利用的主要方向，因此本文將以計算農(nóng)場水田規(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的位于黑龍江農(nóng)墾總局建三江分局青龍山農(nóng)場為研究區(qū)，基于遙感影像數(shù)據(jù)對其耕地利用時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 ℃，年均日照時數(shù)約為2 600 h，年均無霜期為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的農(nóng)場，青龍山農(nóng)場經(jīng)濟發(fā)展以農(nóng)業(yè)為主，耕地資源的開發(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)勢及國家政策支持，已成為農(nóng)場耕地的主導作物。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合機械化率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采地下水并采用漫灌方式種植作物，機電井的數(shù)量在2000-2014年間就由679眼增加到1 590眼，增加了134%，地下水嚴重超采并伴隨著用水浪費現(xiàn)象。隨著農(nóng)場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)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

(1)遙感影像數(shù)據(jù)。本文主要以全國第二次土地調(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2000、2014年土地利用數(shù)據(jù)集。通過選取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分辨率的標準假彩色影像，經(jīng)過幾何校正、圖像增強等過程，獲取2000、2014年遙感影像數(shù)據(jù)集?；贏rcgis10.2軟件平臺以二調(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)野外實地勘測檢驗其精度在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)、垂直于計算剖面的水利坡度、含水層厚度、河道或河段長度、灌水定額、入滲系數(shù)、洪水淹沒區(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)通過實地調(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準(DB23/T 727-2003)獲得。利用灌溉定額計算區(qū)域耕地規(guī)模。降雨量等氣象數(shù)據(jù)則主要來自青龍山農(nóng)場氣象局。農(nóng)場信息主要來自《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)場史志》、《黑龍江墾區(qū)統(tǒng)計年鑒》(2001-2015年)、《黑龍江省水文地質(zhì)志》等統(tǒng)計數(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)公式計算地下水可開采量，利用灌溉定額計算出基于地下水可采量下耕地的適宜規(guī)模，將計算出的耕地面積與實際的耕地面積進行比較，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)場的主要作物是水稻，水稻的生長要經(jīng)歷5-10月的生育期，11-4月的休閑期。根據(jù)相關(guān)實驗數(shù)據(jù)及文獻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，計算作物需水量[15]。農(nóng)場旱地作物是由農(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)作物的需水量來表征耕地的需水狀況，結(jié)合農(nóng)作物的播種面積計算出農(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。

目前針對耕地規(guī)模的已有不少學者開始研究，其中根據(jù)向長玉等[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 地下水補給量

在4月中旬開始水稻要進行棚內(nèi)育秧及泡田整地，為抗低溫及以水泡田化凍的作用。到5月進行秧苗移栽，6月初基本完成稻苗移栽進地工作。7月齊穗期需要陸續(xù)對水田供應充足的水分，而到9月成熟期、10月末水稻收獲時卻不需要水資源，與之相反的是越干熱越好，為便于機械收割。降水主要集中在6-8月，在水稻的整個生育期內(nèi)，由于降水的時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)場水田主要依靠地下水進行農(nóng)業(yè)灌溉。利用地下水的補給量求得地下水的開采量[17]，當?shù)叵滤拈_采量超過地下水補給量，造成地下水水位下降。因此地下水的開采量應控制在地下水的補給量范圍內(nèi)[18]。地下水補給量計算公式[19-21]如下：

Q綜補=Q降補+Q河補+Q地側(cè)+Q灌補+Q洪補

(3)

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

Q降補=αPF×10-5

(4)

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

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

Q河渠=KIHLt×10-8

(5)

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

(3)地下水側(cè)向滲入量補給指山前地下水側(cè)向徑流補給本區(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)向滲入量補給量，億m3/a。

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

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)洪水淹沒補給量是指水淹沒期，水體滲入補給地下水的水量。

Q洪補=αFΔH×10-2

(9)

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

2.2.3 地下水可開采量

地下水可開采量是指在技術(shù)上可能，經(jīng)濟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]。其計算公式如下：

Q開=Q補給P

(10)

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

2.2.4 耕地規(guī)模計算

根據(jù)區(qū)域內(nèi)的水資源量，利用區(qū)域灌溉定額計算得到耕地規(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)場耕地資源利用變化顯著。2000-2014年青龍山農(nóng)場耕地利用類型發(fā)生較大的變化，且呈現(xiàn)出明顯的時間變異性。2000年青龍上農(nóng)場耕地面積為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)場耕地面積為468.84 km2，土地墾殖率為85.38%，耕地面積增長率為4.67%，然而，水田面積為423.21 km2，所占比重為90.27%，增長率為308.70%，年均增長率為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%(見圖2)。青龍山耕地利用變化體現(xiàn)出區(qū)域經(jīng)濟發(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)場的農(nóng)業(yè)水資源量不斷增大，農(nóng)場早就出現(xiàn)用水矛盾問題。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，水田規(guī)模不能任意擴張，種植面積過大，耗水多，會發(fā)生各個行業(yè)用水矛盾問題，然而，種植面積過小，會發(fā)生限制經(jīng)濟發(fā)展，不能充分利用區(qū)域資源問題。

2000-2014年青龍山農(nóng)場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(見表1)。2000年青龍山農(nóng)場各管理區(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于水田發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

圖2 青龍山農(nóng)場耕地利用分布圖

表1 2000-2014年青龍山農(nóng)場耕地利用變化特征

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)場耕地規(guī)模總體變化不大，總體上水田規(guī)模變化突出。目前，青龍山農(nóng)場農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)主要以水田為主，截止到2014年，水田面積達到423.21 km2，占現(xiàn)有耕地面積468.84 km2的90.27%。水稻是農(nóng)場作物種植結(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)場水資源量由降水、地表水及地下水組成。地表水主要來源于降水及河流形成的地表徑流。由于降水的時空分布不均性及水利工程的缺乏，青龍山農(nóng)場用于農(nóng)業(yè)灌溉用水量來源于地下水。

根據(jù)公式(3)～(9)，可計算得出區(qū)域相關(guān)補給量如表2所示。由表2可知，青龍山農(nóng)場的綜合補給量為1.427 億m3。繼續(xù)利用公式(10)可計算出區(qū)域內(nèi)可開采地下水量為1.414 億m3。利用地下水開采模數(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]，計算區(qū)域內(nèi)地下水水位變幅約為11 m與青龍山農(nóng)場多年平均地下水位的降深實際情況相吻合，故計算結(jié)果較為合理。近些年來，由學者[22,23]對建三江分局地下會可開采量的研究可知農(nóng)場2000及2006年的地下水補給量及推算可開采量，如表3所示。由表3可知，近14a來，農(nóng)場地下水總補給量增加，可開采的地下水量也相應地增加。地下水補給量由2000年0.57 億m3到2014年增加到1.427 億m3?？砷_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)場實際的地下水開采量相比較，地下水均已超采，因此應嚴格控制對地下水的開采。地下水量應先滿足生活、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準(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算為40L/(頭·d)。因此農(nóng)業(yè)地下水量見表6。相比2000年農(nóng)業(yè)地下水量到2014年農(nóng)業(yè)地下水量增長迅猛。

表3青龍山農(nóng)場地下水可開采量與用水量對比表億m3/a

徑流量主要受降水量的影響。青龍山農(nóng)場內(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?？鄢拥纼?nèi)生態(tài)用水后即可算出可利用量。根據(jù)相關(guān)學者對河道內(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，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，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)模計算

青龍山農(nóng)場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，由于水稻單產(chǎn)量、經(jīng)濟利益高，國家政策的鼓勵等因素的影響，水田規(guī)模急速擴增，農(nóng)業(yè)耗用水量也隨著增加。因此，本文地下水的開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)模計算

青龍山農(nóng)場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，本文主要通過計算區(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。當水稻種植比例在30%～40%時，農(nóng)業(yè)需水量為539.60～556.80mm，種植比例為90%時，農(nóng)業(yè)需水量為642.80mm。由此可知，到2014年青龍山農(nóng)場水稻種植比例為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，在當前的降水條件下，青龍山農(nóng)場耕地規(guī)模是超載的，緊靠降水量已無法承載更大規(guī)模的耕地開發(fā)利用。當水稻種植比例為30%～40%時，農(nóng)業(yè)需水量接近多年平均降水量550mm，此時水稻種植面積介于140.65～187.54km2之間，但此時已充分利用了降水量，對生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展勢必會有所影響。若水稻種植超過這個區(qū)間，便只能利用地表水或開采利用地下水。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)場耕地已嚴重超限。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)模計算

地下水開采量過大，就會造成地下水超采，引發(fā)供水矛盾。而地下水開采量過小，就難以充分利用地下水資源，制約農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展。利用機電井開采地下水因其開采工程簡單、利用方便、費用較低的優(yōu)勢已成為該地區(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%?？芍帻埳睫r(nóng)場水田主要依靠地下水進行灌溉，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準(DB23/T727-2003)等相關(guān)研究[30]獲得青龍山農(nóng)場灌溉定額(取灌溉定額為59.997 萬m3/km2)，利用公式(10)計算出耕地規(guī)模，見表6。

表6 地下水條件下耕地規(guī)模

由計算結(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)情況可知此時利用地下水進行計算耕地規(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)模擴張到177.58km2，耕地年增加速率為7.62km/a。2006-2014的耕地增長速率明顯高于2000-2006年間的耕地增長速率，說明在近些年間，水田開發(fā)規(guī)模增長迅速。與青龍山農(nóng)場實際水田規(guī)模相比較可知，2000年區(qū)域耕地適宜規(guī)模與實際規(guī)模較為均衡。2006年，農(nóng)場水田規(guī)模超載約為36.69km2。到2014年耕地規(guī)模已嚴重超載，超載面積約245.63km2。由此，可知區(qū)域內(nèi)超載耕地面積均來源于水田面積的超載。因此，應嚴格控制農(nóng)場內(nèi)水田規(guī)模的擴增，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相應增加。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大耕地的規(guī)模。因此，針對地表徑流數(shù)據(jù)估算可利用水量，利用公式(10)進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m3/km2，地表徑流條件下的耕地規(guī)模(見表4)。當充分利用地表徑流時，在保證率為50%時，耕地規(guī)模在最小地表徑流和最適宜地表徑流條件下，利用地表水時耕地規(guī)模約為24～32km2，在保證率為75%時，耕地規(guī)模在最小徑流和適宜地表徑流條件下，利用地表水時耕地規(guī)模約為8.67～11.60km2。此時僅為利用青龍山農(nóng)場區(qū)域內(nèi)的地表徑流，因數(shù)據(jù)不全，未計算利用周邊區(qū)域的河流引用水量計算區(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，水田面積大幅度擴張，旱地急劇減少，且耕地利用變化呈現(xiàn)出明顯的時空差異性。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、地下水已遠遠不能滿足農(nóng)業(yè)需水的需求。降水量由于其時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)場地下水總補給量增加，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。地下水實際開采量均已超采，因此，應嚴格控制地下水的超采。青龍山農(nóng)場區(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，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，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。當水稻種植比例在30%～40%時，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。與實際規(guī)模相比可知實際耕地規(guī)模已超限，且超限規(guī)模約為192.41～247.69km2。利用地下水計算的耕地規(guī)模主要是水田規(guī)模，利用地下水的開采量及灌溉定額計算區(qū)域耕地規(guī)模，并與實際耕地規(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)模擴張到177.58km2，耕地年增加速率為7.62km/a。2006-2014的耕地增長速率明顯高于2000-2006年間的耕地增長速率，2000及2006年均算較為平衡，且到2014年耕地規(guī)模已嚴重超載。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)模均來自水田規(guī)模的超限，因此應嚴格控制利用開采地下水擴大水田規(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，耕地規(guī)模約為32km2。在降水保證率為75%時，耕地規(guī)模約為11.60km2，此時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，由于無法獲知區(qū)域周圍河流水引用量數(shù)據(jù)，就沒有計算這部分水資源量下的耕地規(guī)模。但這確實是區(qū)域耕地規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵，應大力發(fā)展這部分水資源的利用。

近十多年來，青龍山農(nóng)場作為三江平原水田擴張的典型區(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[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，對保障國家糧食安全及維持社會穩(wěn)定具有積極的作用，從微觀層面，種植水稻的經(jīng)濟驅(qū)動促進農(nóng)戶開發(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，阻礙區(qū)域水資源的合理可持續(xù)利用。因此，科學合理的開發(fā)利用水資源應優(yōu)先開發(fā)利用地表水，控制開采地下水，充分利用區(qū)域內(nèi)地表徑流，大力開發(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，應大力發(fā)展水利引用江水灌溉，可以進一步開發(fā)利用耕地?？茖W的在水田面積快速擴張的過程中有效的利用水資源并實現(xiàn)水土資源優(yōu)化配置，進而推進區(qū)域水土資源及社會經(jīng)濟的可持續(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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