基于GIS的旱改水潛力研究

左松 蔡朕

[摘要]通過對(duì)重慶市彭水縣農(nóng)業(yè)氣候資源和水田主要種植作物水稻為研究對(duì)象的調(diào)查與分析，采用逐步回歸法和50m×50m的小網(wǎng)格插值，建立了以經(jīng)度、緯度、海拔和坡度等地理因子為影響因素的氣候資源模型，結(jié)合水稻生育期的氣候資源特征，選取了有效積溫、降雨量和日照時(shí)數(shù)作為水稻種植區(qū)劃指標(biāo)，通過土地資源信息與氣候資源區(qū)劃進(jìn)行疊加空間分析，得到滿足氣候資源因素和土壤因素的可種植水稻區(qū)。研究結(jié)果可為彭水縣合理規(guī)劃和布局旱改水工程提供參考。

[關(guān)鍵詞]旱改水;氣候資源;小網(wǎng)格模型

[中圖分類號(hào)]S572[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

隨著對(duì)資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展研究機(jī)制研究的深入，人們普遍認(rèn)識(shí)到水田資源是集生產(chǎn)、環(huán)境、生態(tài)于一身的復(fù)合資源，保護(hù)與恢復(fù)水田生態(tài)系統(tǒng)功能是實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要條件，然而為保證經(jīng)濟(jì)快速平穩(wěn)的發(fā)展，在未來一定時(shí)期內(nèi)，建設(shè)占用水田的面積在不斷擴(kuò)大，為貫徹落實(shí)《中共中央 國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)耕地占補(bǔ)平衡的意見》的精神，改進(jìn)耕地占補(bǔ)平衡管理，建立以數(shù)量為基礎(chǔ)、產(chǎn)能為核心的占補(bǔ)平衡新機(jī)制，通過“算大賬”的方式，落實(shí)占一補(bǔ)一、占優(yōu)補(bǔ)優(yōu)、占水田補(bǔ)水田，促進(jìn)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)三位一體保護(hù)。在保經(jīng)濟(jì)和保耕地的雙重任務(wù)下，通過將旱地改造成水田的方式是實(shí)現(xiàn)耕地占補(bǔ)平衡的有效途徑，因此摸清重慶市各區(qū)縣旱改水潛力對(duì)于布局國土整治項(xiàng)目具有重要意義。目前，分析旱改水潛力的方式有兩種，一是以農(nóng)用地測(cè)算潛力為基礎(chǔ)，將坡度在15°以下的旱地、水田圖斑做近鄰分析，結(jié)合實(shí)地調(diào)研，確定“旱改水”最終潛力。二是按照《重慶市旱改水技術(shù)要求》（試行）中規(guī)定，將土壤質(zhì)地為壤土或粘土，有效土層厚度應(yīng)達(dá)到50cm以上（或通過客土可達(dá)到）、有充足水源和排水渠，結(jié)合實(shí)地調(diào)查最終確定潛力。兩種方式各有利弊，但同時(shí)忽視了水田所承載的種植作物對(duì)外界環(huán)境的依賴性，本研究從水田的主要種植作物水稻為對(duì)象，將影響水稻生育期的農(nóng)業(yè)氣候?yàn)橄拗茥l件，通過“逐步回歸”小網(wǎng)格推算模型和土壤等限制性因素，分析重慶地區(qū)農(nóng)業(yè)氣候的主要特征對(duì)旱改水空間分布影響關(guān)系，為合理布局國土整治項(xiàng)目旱改水工程提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)資料包括重慶34個(gè)常規(guī)氣象站點(diǎn)1977～2010年地面觀測(cè)資料，以及氣象站點(diǎn)經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)。重慶市的DEM數(shù)據(jù)來自于重慶市測(cè)繪局1：10000地形圖（柵格尺寸為50m×50m），重慶市2017年耕地質(zhì)量年度更新數(shù)據(jù)庫，重慶市2017年度土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫，重慶市農(nóng)作物生產(chǎn)數(shù)據(jù)來自重慶市各區(qū)縣農(nóng)業(yè)資料調(diào)查與區(qū)劃（1983～1996）與重慶市統(tǒng)計(jì)年鑒（2015～2017）。

1.2 研究區(qū)概況

彭水縣位于重慶市東南部，處烏江下游。地處北緯28°57′～29°51′、東經(jīng)107°48′～108°36′之間，東西寬78KM，南北長96.40KM。彭水縣屬武陵山系，境內(nèi)西北高，東南低。多年平均氣溫17.5℃，多年平均降雨量1224.0mm，2015年土地總面積為389533.62hm2，耕地總面積為108490.36hm2，其中旱地面積93791.18hm2，占全縣耕地總面積的86.45%，水田、水澆地14699.14hm2。

1.3 研究方法

1.3.1 外界限制性因素選取。水田是指在降雨和熱量較為豐富、灌溉水源較為充足的地區(qū)，利用筑有田埂可經(jīng)常蓄水的耕地，以種植水生作物為主的農(nóng)田，一般以水稻種植為主，所以墾造水田區(qū)域種植作物以水稻生長特性作為研究對(duì)象進(jìn)行選取限制性因素，水稻是喜溫短日照作物，水稻產(chǎn)量除了與自身品種和農(nóng)藝措施有關(guān)外，氣候?qū)λ镜牟季?、生長發(fā)育和產(chǎn)量也有重要影響。通過大量研究表明，積溫和降雨是水稻生長重要生態(tài)氣候條件、日照是影響水稻質(zhì)量重要?dú)夂驐l件，按照主導(dǎo)因子原則、因子簡化原則和因子共性原則，將以上三個(gè)因子作為水稻的關(guān)鍵氣候因子進(jìn)行相關(guān)分析;墾造水田區(qū)域土壤應(yīng)具有較高的保水、保肥的能力，這就要求選擇區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)地在經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的情況下實(shí)施防滲工程。

1.3.2 小網(wǎng)格推算模型。根據(jù)重慶市彭水縣地區(qū)的氣候特點(diǎn)與地形特征，根據(jù)實(shí)測(cè)站點(diǎn)的積溫、降雨量等資料，建立對(duì)相應(yīng)的氣候要素多元統(tǒng)計(jì)模型，在GIS平臺(tái)下對(duì)每個(gè)DEM單元格計(jì)算模型預(yù)測(cè)值，同時(shí)利用ArcGIS中的IDW方法，將氣候資源殘差內(nèi)插到網(wǎng)格內(nèi)，得到柵格化的殘差，最后將此圖與小網(wǎng)格推算模型所繪制的氣候資源圖進(jìn)行疊加獲得整個(gè)區(qū)域積溫、降雨量的空間分布圖。用函數(shù)公式表示為：

Y=f（α、β、h、λ）+ε

式中Y表示氣候要素資源值，α、β、h、λ、ε分別表示緯度、經(jīng)度、海拔高度、地形（坡度）因子和殘差?；谥貞c34個(gè)氣象站氣候資源數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性回歸模型模擬得到氣候資源要素的回歸模型（見表1）。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于小網(wǎng)格推算模型旱改水氣候區(qū)劃分析

重慶市早稻種植面積為660hm2，中稻種植面積73.15萬hm2，晚稻種植面積860hm2，重慶地區(qū)水田作物主要以中稻為主，重慶地區(qū)一季中稻所需積溫為3210℃，中稻一般在4月底至5月初播種，9月收獲，整個(gè)生長期在120～150天，生育期需水量為668mm，所需日照時(shí)數(shù)為1000～1300小時(shí)，在小網(wǎng)格推算模型區(qū)劃圖的基礎(chǔ)上，以水稻生育期所需有效積溫、降雨量和日照時(shí)數(shù)作物限制條件進(jìn)行空間分析，得到水田氣候區(qū)劃結(jié)果，見圖4。

從重慶地區(qū)有效積溫、降雨量和日照時(shí)數(shù)模擬結(jié)果結(jié)果空間分布和水稻生育期所需有效積溫限制條件來看，彭水縣中部摩圍山至鳳凰山一帶，北部龍射鎮(zhèn)、太原鄉(xiāng)、三義鄉(xiāng)，西南部龍池鄉(xiāng)、大埡鄉(xiāng)，東南部鞍子鄉(xiāng)能滿足氣候限制要素要求的區(qū)域較小，主要原因?yàn)橐陨蠀^(qū)域地貌類型以喀斯特中山為主，山體形態(tài)屬于于溶丘山地地形、海拔較高，氣溫低、日照少而降雨多，因而以上區(qū)域氣候限制性較大，不適宜布局旱改水工程。而長灘鎮(zhèn)、保家鎮(zhèn)、郁山鎮(zhèn)、走馬鎮(zhèn)、鹿角鎮(zhèn)和諸佛鄉(xiāng)等區(qū)域地貌類型以褶皺抬升中山為主，屬于巖溶洼地地形，因其海拔相對(duì)較低、地形相對(duì)平坦，旱改水氣候因素潛力較大。

2.2 基于土地利用信息的旱改水區(qū)域分析

水稻可廣泛生長于各種土壤之上，并且具有較高的保水、保肥的能力和一定的滲透性。新增水田區(qū)域的土壤應(yīng)選擇具有改造成保水、保肥的能力的土壤質(zhì)地，根據(jù)重慶市2017年耕地質(zhì)量年度更新數(shù)據(jù)庫資料，提取數(shù)據(jù)庫中的土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)中壤質(zhì)和粘質(zhì)土壤的區(qū)域作為新增水田選擇備選區(qū)。將上述網(wǎng)格化后的3個(gè)氣候資源推算模型和土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)，利用GIS軟件進(jìn)行空間疊加得到滿足水稻種植的區(qū)域，見圖5。

從圖中可以彭水縣北部連湖鎮(zhèn)、普子鎮(zhèn)，西部鹿鳴鄉(xiāng)、高谷鎮(zhèn)，中部的新田鄉(xiāng)、漢葭鎮(zhèn)、保家鎮(zhèn)，東部走馬鎮(zhèn)、諸佛鄉(xiāng)，南部的鹿角鎮(zhèn)旱改水潛力較大。主要原因?yàn)橐陨蠀^(qū)域土壤以黃壤土、黃棕壤土為主，具備改造成保水層的條件，所以旱改水潛力較大。彭水縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)旱改水潛力見圖6。

3 結(jié)論

針對(duì)重慶地區(qū)尚無可行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)布局旱改水工程，此研究以水田主要作物水稻為參考標(biāo)準(zhǔn)，從氣候、土壤等自然條件能滿足水稻生長期需要為標(biāo)準(zhǔn)，利用小網(wǎng)格法將經(jīng)緯度、海拔、坡度等地理因素引入到氣候資源空間模型中，再通過篩選重慶地區(qū)水稻生育期所需的自然要素閾值，得到水稻生育期有效積溫、降雨量、日照時(shí)數(shù)等農(nóng)業(yè)氣候資源的精細(xì)空間分布圖，將其與土地利用信息條件進(jìn)行疊加分析后，得到以下結(jié)論：

（1）模擬結(jié)果可靠性較強(qiáng)。經(jīng)與彭水縣2017年耕地質(zhì)量年度更新數(shù)據(jù)庫水田數(shù)據(jù)空間分析，其模擬結(jié)果與目前水田布局的擬合度為80.20%，反向驗(yàn)證模擬結(jié)果的可靠性。

（2）模擬結(jié)果細(xì)致精確。每個(gè)網(wǎng)格大小為50m×50m，能夠有效反映彭水地區(qū)地形條件復(fù)雜，氣候資源立體多樣特點(diǎn)下旱改水區(qū)域的分布特征。

（3）模擬結(jié)果可視性強(qiáng)?？陀^反映了旱改水區(qū)域，對(duì)指導(dǎo)旱改水工程布局、選址具有十分重要的意義。

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