衡水市土壤水含量變化特征及承載力研究

陳浩

（河北省衡水水文水資源勘測局，河北 衡水 053000）

衡水市土壤水含量變化特征及承載力研究

陳浩

（河北省衡水水文水資源勘測局，河北 衡水 053000）

以河北衡水市近20年的土壤水含量監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析衡水市土壤水含量隨深度、季節(jié)、區(qū)域的變化特征，同時(shí)采用目標(biāo)優(yōu)化方法，計(jì)算得到了該地區(qū)不同節(jié)水方案下的土壤水資源利用率和可承載的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值，并針對其土壤水資源利用率偏低、承載力有待提高的問題提出了幾點(diǎn)改進(jìn)措施，以期對該市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有所幫助。

衡水市；土壤含水量；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；利用率；承載力

土壤水資源是指位于包氣帶上部土壤層中具有利用價(jià)值的結(jié)合水和毛細(xì)水，其與地表水及地下含水層的陸地水之間相互聯(lián)系，使之得到不斷地補(bǔ)給和消耗［1］。但由于社會和自然原因，世界土壤資源的數(shù)量和質(zhì)量正在不斷下降，這嚴(yán)重威脅著農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展。因而，研究土壤水資源的變化特征，提出合理的建議和措施，可以有效提高土壤水資源的利用率和生產(chǎn)承載力，對社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

許發(fā)奎、崔元生［2］對土壤水資源的計(jì)算方法進(jìn)行了探討和研究。孟霄等［3］對河北平原區(qū)土壤水資源計(jì)算模型進(jìn)行了分析探討。繩莉麗［4］以海河平原為基礎(chǔ)，對該地區(qū)農(nóng)田土壤水資源評價(jià)與高效利用問題進(jìn)行了研究。趙秀蘭等［5］對35個(gè)臺站土壤濕度實(shí)測資料出發(fā)，探討了1995～2002年華北地區(qū)土壤水的儲量變化趨勢及時(shí)空特征。胡新鎖等［6］對低平原區(qū)土壤水資源補(bǔ)給量及其特征進(jìn)行了探討。宋獻(xiàn)方等［7］以滄州和衡水實(shí)驗(yàn)站為華北平原地下水淺埋區(qū)典型區(qū)，利用3a土壤水負(fù)壓和地下水觀測數(shù)據(jù)，研究了不同年份和土壤質(zhì)地土壤水分動(dòng)態(tài)。趙坤等［8］針對衡水市水資源嚴(yán)重緊缺的現(xiàn)狀，建立了基于可持續(xù)發(fā)展的衡水市水資源優(yōu)化配置多目標(biāo)模型。趙彥紅［9］對河北地區(qū)的水環(huán)境現(xiàn)狀及水環(huán)境承載力進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，認(rèn)為水資源量是影響水環(huán)境承載力大小的一個(gè)重要因素。

本文在上述研究基礎(chǔ)上，對衡水市土壤水含量隨深度、季節(jié)、區(qū)域的變化特征進(jìn)行了分析，同時(shí)采用目標(biāo)優(yōu)化方法，計(jì)算得到了該地區(qū)不同節(jié)水方案下的土壤水資源利用率和可承載的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值，并針對其土壤水資源利用率偏低、承載力有待提高的問題提出了幾點(diǎn)改進(jìn)措施，為該市的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供合理建議。

1 衡水市農(nóng)業(yè)及水資源簡況

衡水市現(xiàn)有糧食播種面積57．6萬hm2，全年糧食總產(chǎn)量350萬t，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)168．9億元，占全市生產(chǎn)總值的13．8%。年平均降水量500～600mm，年平均蒸發(fā)量1000～1500mm，人均水資源量僅為全國平均水平的1/7，隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及環(huán)境的不斷惡化，該市的土壤水資源含量總體呈減少趨勢，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會發(fā)展。

2 近年土壤水資源變化特征

通過分布于全市各市區(qū)24個(gè)觀測點(diǎn)1990～2014年近20多年來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用式（1）進(jìn)行土壤水分含量的計(jì)算：

式中 S為某一厚度層的土壤水儲量（mm）；W為某一厚度層的土壤重量含水率（%）；R為土壤容重（g/cm-2）；H為土層厚度（cm）。

依據(jù)式（1）計(jì)算各站點(diǎn)各土壤層次的逐年土壤平均水儲量，從而計(jì)算得到了土壤水含量變化特征如圖1。

圖1 衡水市年平均土壤含水量變化

由圖1可以看到，近些年來，衡水市的土壤水含量呈動(dòng)態(tài)波動(dòng)的形式變化，但整體上是呈減少趨勢的，2014年的土壤水含量相對于1990年減少了4．7mm，年均減少量0．235mm。各市區(qū)的土壤水量的年均值對比如圖2。

圖2 區(qū)域特征

由圖2可以看到，衡水市各區(qū)縣土壤含水量均呈不同程度的下降趨勢，但存在明顯的區(qū)域特征，降水量較大的景縣、阜城、武強(qiáng)淺層土壤含水量變化相對較小，減小趨勢較為平緩，其余8個(gè)區(qū)市縣的線性趨勢系數(shù)均達(dá)-0．065，表明其含水率減小趨勢較快。

為進(jìn)一步得到土壤含水量隨季節(jié)、深度的變化特征，將衡水市各監(jiān)測點(diǎn)土壤水儲量按不同的深度和季節(jié)平均后再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并對序列的趨勢進(jìn)行線性擬合，得到的相應(yīng)斜率值即為線性趨勢系數(shù)，該系數(shù)反映了衡水市地下土壤水資源的增減趨勢，據(jù)此得到的衡水市平均土壤水分儲量變化線性趨勢系數(shù)如圖3。

圖3 季節(jié)及深度特征

由圖3可以看出，衡水市0～100cm以內(nèi)各地下土壤深度層次下的年均值均為負(fù)值，即表明地下土壤水含量均呈減小趨勢；土壤水含量的變化呈明顯的季節(jié)特征。各深度下，春季減小變化的幅度最大，秋季次之，夏季趨勢幅度小于秋季，冬季則最小。土壤含水量隨土壤深度有密切關(guān)系。在0～100cm深度范圍內(nèi)，減小幅度較快的是0～60cm這一深度范圍內(nèi)，最小的是80～100cm，表明表層土壤含水量減少趨勢更為嚴(yán)重。

3 基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的土壤水含量承載力

在計(jì)算資源承載力的諸多模型當(dāng)中，目標(biāo)優(yōu)化模型是最為常見的一種，其考慮了生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、人口、社會等指標(biāo)，通過模擬不同情景來計(jì)算資源承載力?；居?jì)算模型為：

式中 Wrcc為在最優(yōu)條件下的區(qū)域水資源承載力；為區(qū)域水資源對所有用水對象的支持能力。

以豐水年和枯水年為例，并假設(shè)采用低、中、高3種不同節(jié)水方案措施，計(jì)算得到了現(xiàn)如今衡水市土壤水資源可承受的最大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值，如圖4。

圖4 不同節(jié)水方案承載農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值

由圖4可以看出，在現(xiàn)有土壤水資源情況下，若遇枯水年（P=75%），采用低、中、高3種節(jié)水方案條件下的水資源可承載農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值分別為152億，159．3億，168億元；遇平水年（P=50%）時(shí)，則分別為165億，170．2億，177億元。根據(jù)2015年衡水市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)顯示，該市2015年的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值為168．9億元，為進(jìn)一步分析評價(jià)衡水市的水資源承載力，計(jì)算得到了各節(jié)水方案下的承載指數(shù)RCI，如圖5。

由圖5可以看出，不管是平水年還是枯水年，衡水市的土壤水資源對于農(nóng)業(yè)的承載力均十分脆弱，在枯水年時(shí)，均出現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)值降低現(xiàn)象（RCI＞1），在平水年時(shí)，采取中、高等節(jié)水方案時(shí)，才不會發(fā)生出現(xiàn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的回落，這說明，在現(xiàn)有土壤水資源情況下，如果遇到干旱年份，不管采用何種節(jié)水方案，是較難達(dá)到2015年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的，而當(dāng)平水年時(shí)，只有采用中等及以上節(jié)水方案才能達(dá)到2015年生產(chǎn)水平。

圖5 不同節(jié)水方案承載力指數(shù)

4 討論及建議

衡水市目前土壤水資源短缺，呈逐年降低趨勢，利用率也較低，可以采用人為措施調(diào)控土壤水資源的輸入輸出，增加有效補(bǔ)充，減少無效損失；其次合理布局作物，使其時(shí)空分布盡可能與土壤水時(shí)空規(guī)律一致，可顯著提高土壤水的利用效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水現(xiàn)代化；最后則是可以選用優(yōu)質(zhì)耐旱高產(chǎn)品種，控制植物蒸騰等生物措施。

5 結(jié)語

衡水市土壤水資源含量呈逐年降低的趨勢，并呈明顯的季節(jié)、深度和區(qū)域變化特征；土壤水資源利用率低，基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值的可承載力降低，在枯水年和平水年低節(jié)水狀態(tài)時(shí)，均會出現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)值回落，需采取相應(yīng)的措施來改變這一狀況，方可實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展。

［1］由懋正，袁小良．土壤水資源及其利用［J］．地理與地理信息科學(xué)，1986（4）：31-37．

［2］許發(fā)奎，崔元生．土壤水資源分析計(jì)算［J］．南水北調(diào)與水利科技，1994（3）：10-13．

［3］孟霄，吳現(xiàn)兵，程伍群，等．河北平原區(qū)土壤水資源計(jì)算模型的探討［J］．節(jié)水灌溉，2008（3）．

［4］繩莉麗．農(nóng)田土壤水資源評價(jià)與高效利用研究［D］．保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014．

［5］趙秀蘭，延曉冬.近20年華北地區(qū)土壤水儲量變化趨勢及水分管理與調(diào)配對策 ［J］.氣候與環(huán)境研究，2006，11（3）：371-379.

［6］胡新鎖，趙連科，高文海，等.低平原區(qū)土壤水資源補(bǔ)給量及其特征的研究［J］.地下水，1993（2）：64-67.

［7］宋獻(xiàn)方，王仕琴，肖國強(qiáng)，等.華北平原地下水淺埋區(qū)土壤水分動(dòng)態(tài)的時(shí)間序列分析［J］.2011，26（1）：145-155.

［8］趙坤，劉年磊，趙林.基于可持續(xù)發(fā)展的衡水市水資源優(yōu)化配置研究［J］．水資源與水工程學(xué)報(bào)，2011，22（5）：137-140.

［9］趙彥紅.河北省水環(huán)境現(xiàn)狀及水環(huán)境承載力研究［D］.石家莊：河北師范大學(xué)，2005.

（責(zé)任編輯：尹健婷）

Study on the variation characteristics of soil water content and its carrying capacity in Hengshui City

CHEN Hao
（Hengshui Provincial Bureau of hydrology and water resources，Hengshui 053000，China）

Based on the monitoring of soil water content for two decades in Hengshui city，the variation characteristics of soil water content is analyzed with the changes of soil depth，season and region．The using rate of soil water resources and carrying agricultural GDP in the different water-saving schemes is calculated by the target optimization method．The measures are put forward to improve the low using rate of soil water resources and carrying capacity，and help the city's agricultural production．

Hengshui city；soil water content；agricultural production；using rate；carrying capacity

S152．7

：B

：1672-9900（2017）02-0038-04

2017-01-10

陳 浩（1988-），男（漢族），河北衡水人，助理工程師，主要從事水文測報(bào)與勘測工作，（Tel）15882485585。