撓力河流域水土資源平衡及耕地合理利用規(guī)模特征

周 浩，夏衛(wèi)生※，雷國(guó)平

（1. 湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410081；2. 東北大學(xué)土地管理研究所，沈陽 110169）

0 引言

耕地可持續(xù)利用是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的首要任務(wù)，而有限水資源是限制耕地開發(fā)的核心要素[1-2]。自20世紀(jì)80年代以來，作為國(guó)家商品糧生產(chǎn)基地的三江平原耕地持續(xù)“北移東擴(kuò)”，水田急劇擴(kuò)張，并逐漸暴露出土壤板結(jié)鹽漬化、地面沉降和水資源供應(yīng)不足等問題[3-4]，影響了耕地可持續(xù)利用。因此，定量評(píng)估該地區(qū)水土資源平衡關(guān)系，以確定耕地合理利用規(guī)模，對(duì)于耕地合理開發(fā)與利用乃至國(guó)家糧食安全具有重要現(xiàn)實(shí)意義[5]。

水土資源平衡影響著農(nóng)業(yè)發(fā)展的深度與廣度，并受到學(xué)術(shù)界持續(xù)性關(guān)注[6-9]。當(dāng)前，相關(guān)研究主要涉及降水、氣溫、蒸發(fā)等過程分析[10-11]，并側(cè)重于水分供給與需求的差額問題。水土資源平衡主要包括氣候水分平衡、作物水分平衡和農(nóng)田土壤水分平衡3個(gè)研究層次[12]：氣候水分平衡和作物水分平衡分別從理論上揭示了天然狀態(tài)下氣候濕潤(rùn)狀況以及作物水分盈虧的規(guī)律性特征，可視為水土資源平衡研究的初始層次[13-15]。如張淑杰等[16]、曾麗紅等[17]分別構(gòu)建了氣候水分盈虧模型對(duì)東北地區(qū)過去幾十年氣候水分盈虧特征進(jìn)行了探討；張順謙等[18]基于農(nóng)業(yè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)主要旱作物的生育期水分盈虧量及其與氣候變化關(guān)系進(jìn)行了研究，揭示了四川省作物水分平衡規(guī)律；農(nóng)田土壤水分平衡則將水土置于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，從“土-水-氣-生”連續(xù)體出發(fā)，遵循農(nóng)田土壤水循環(huán)原理，來揭示水資源與土地資源的平衡態(tài)。如林耀明等[19]利用水土資源平衡模型，輔以田間觀測(cè)資料，對(duì)華北平原農(nóng)業(yè)水土資源平衡問題進(jìn)行研究，認(rèn)為應(yīng)提高渠系利用系數(shù)和優(yōu)化水資源灌溉制度來實(shí)現(xiàn)水土資源平衡。農(nóng)田土壤水分平衡是天然狀態(tài)下水土資源平衡研究的實(shí)際層次，更具實(shí)踐價(jià)值[20-21]。從農(nóng)田土壤水分平衡出發(fā)來開展耕地的水土資源平衡研究，明晰耕地合理利用規(guī)模，將具有更強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)意義。

撓力河流域是三江平原最大的流域，自建國(guó)以來該流域經(jīng)歷了多次大規(guī)模農(nóng)業(yè)開發(fā)活動(dòng)，尤其是中國(guó)進(jìn)入經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展時(shí)期后，當(dāng)?shù)卮罅康屯莺档剞D(zhuǎn)變?yōu)樗铮锩娣e及結(jié)構(gòu)比例快速提升[22-24]，造成當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)需水量急劇增加[25]，水資源與土地資源出現(xiàn)錯(cuò)位?；诖?，有必要明晰該流域不同區(qū)域的水田利用規(guī)模閾值，確定科學(xué)的耕地利用結(jié)構(gòu)，以保證耕地資源開發(fā)與水資源利用綜合協(xié)調(diào)。綜上，本文在2000—2018年多源水土信息數(shù)據(jù)支持下，依據(jù)農(nóng)田土壤水分平衡原理揭示撓力河流域水土資源平衡態(tài)勢(shì)，進(jìn)而確定耕地合理利用規(guī)模，為該流域乃至三江平原的耕地合理開發(fā)與利用提供決策支持。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

撓力河流域位于三江平原腹地（圖1），總面積2.36萬 km2，轄4縣（富錦市、友誼縣、集賢縣和寶清縣）和3區(qū)（寶山區(qū)、尖山區(qū)和四方臺(tái)區(qū)），地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，地勢(shì)上呈西南高、東北低的特點(diǎn)，干流自西南流向東北。地貌類型以山地和平原為主，其中山地主要分布于流域西南部和南部，平原主要分布于流域北部和中部的內(nèi)、外七星河及撓力河中游地區(qū)。撓力河流域耕地類型主要為水田（以單季稻種植為主）和旱地（玉米—小麥形式的輪作），水澆地面積極少，是三江平原主要的糧食產(chǎn)區(qū)和國(guó)家重要商品糧生產(chǎn)基地。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 多源水信息數(shù)據(jù)

本文涉及的水信息數(shù)據(jù)包括2000—2018年潛在蒸散量、地表水徑流、壤中徑流、土壤含水量以及地下水徑流等，以上數(shù)據(jù)均經(jīng)遙感驅(qū)動(dòng)的時(shí)變?cè)鲆嫠哪Ｐ停―istributed Time Variant Gain Model based on Remote Sensing，RSDTVGM）模擬得到[26]。該模型在MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品（Albedo、LST、Emis和LAI）、基準(zhǔn)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和土壤數(shù)據(jù)等支持下，輔以作物生長(zhǎng)發(fā)育數(shù)據(jù)，并考慮融雪、植被截留、蒸散發(fā)、地表徑流，下滲、壤中流以及匯流等水文物理過程，采用時(shí)變?cè)鲆嫠哪Ｐ停―istributed Time Variant Gain Model，DTVGM）構(gòu)建的通用物理框架[27]，并在ENVI IDL開發(fā)語言環(huán)境下將水文循環(huán)各過程進(jìn)行整合并模擬得到。

1.2.2 耕地信息數(shù)據(jù)

2000、2010和2018年耕地信息數(shù)據(jù)源來自美國(guó)陸地資源衛(wèi)星Landsat TM/OLI多光譜遙感影像，數(shù)據(jù)獲取自美國(guó)地質(zhì)勘探局USGS（http://earthexplorer.usgs.gov/），過程中涉及選用不同的Landsat衛(wèi)星數(shù)字產(chǎn)品，輔以中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www. resdc.cn）的“中國(guó)土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)”（數(shù)據(jù)比例尺1∶10萬，數(shù)據(jù)精度良好），以Google Earth數(shù)據(jù)為輔助數(shù)據(jù)源，影像數(shù)據(jù)經(jīng)大氣校正、幾何糾正、圖像增強(qiáng)等預(yù)處理，進(jìn)行543波段的標(biāo)準(zhǔn)假彩色融合以便幫助區(qū)分旱地和水田，采用人機(jī)交互式目視解譯方法完成耕地信息識(shí)別，地類編碼和判讀與中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn）的“中國(guó)土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)”相同。耕地信息數(shù)據(jù)的解譯精度驗(yàn)證則通過Google Earth軟件布控?cái)?shù)據(jù)采樣網(wǎng)格點(diǎn)實(shí)現(xiàn)（解譯準(zhǔn)確率均大于85%）。

1.2.3 氣象數(shù)據(jù)

2000—2018年氣象數(shù)據(jù)來自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)中心（http://data.cma.cn）的“中國(guó)地面氣象資料日值數(shù)據(jù)集V3.0”。由于撓力河流域境內(nèi)的氣象站點(diǎn)較少，本文同時(shí)選取流域周邊的富錦氣象站和虎林氣象站數(shù)據(jù)來輔助降雨和溫度數(shù)據(jù)的逐日空間Kriging插值處理。

1.2.4 其他數(shù)據(jù)

主要作物（水稻、春小麥和春玉米）生長(zhǎng)周期及面積結(jié)構(gòu)系數(shù)獲取自國(guó)家氣象數(shù)據(jù)中心“中國(guó)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育和農(nóng)田土壤濕度旬值數(shù)據(jù)集”和流域境內(nèi)的分縣農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料；基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)包括DEM（90m）、經(jīng)緯度空間分布數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)。對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的投影變化（Albers等積投影）處理。

2 研究方法

國(guó)家天然濕地保護(hù)政策推行以及耕地后備資源減少，使得撓力河流域境內(nèi)耕地?cái)U(kuò)張趨緩，未來該流域耕地變化更多地體現(xiàn)在耕地內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系改變上[22]。本文采用農(nóng)田土壤水分平衡原理，來揭示該流域水土資源平衡關(guān)系，并依據(jù)耕地水分平衡特點(diǎn)，“以水定地”確定耕地合理利用規(guī)模及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2.1 灌溉需水量WD

依據(jù)灌溉定額法計(jì)算灌溉需水量WD，主要涉及流域的農(nóng)田灌溉用水基準(zhǔn)定額以及灌溉所產(chǎn)生的調(diào)節(jié)系數(shù)[28]，公式如下：

式中W"D為農(nóng)田灌溉用水基準(zhǔn)定額，mm，本文將天然狀態(tài)下的土壤水分虧缺量視為理論農(nóng)田灌溉用水基準(zhǔn)定額；WD為實(shí)際灌溉需水量，mm；I為灌溉水利用系數(shù)，數(shù)據(jù)來源于《黑龍江省用水定額標(biāo)準(zhǔn)》（DB23/T 7262016）。

土壤水分虧缺量涉及農(nóng)田作物需水量和農(nóng)田土壤水分脅迫蒸散量2個(gè)參數(shù)，公式為

式中WB為土壤水分虧缺量，mm。WB＜0則表示土壤處于水分虧缺狀態(tài)，絕對(duì)值越大虧缺量越大；ET為作物需水量，mm。本文采用作物系數(shù)法來計(jì)算ET，依據(jù)流域作物實(shí)際生長(zhǎng)發(fā)育資料，劃分對(duì)應(yīng)作物（水稻、春小麥和春玉米）的生育周期并確定作物系數(shù)（FAO—56查表）（表1），結(jié)合流域潛在蒸散量以確定作物需水量；ETS為農(nóng)田土壤水分脅迫蒸散量，mm，通過土壤水量平衡方程計(jì)算得到：

式中Pt為平衡時(shí)段t的降水量，mm；ETS為土壤水分脅迫條件下的蒸散量，mm；Rt為平衡時(shí)段t的徑流量，mm，主要由地表水資源（分為地表徑流、地下水出流和壤中徑流）和不重復(fù)的地下水資源（分為潛水蒸發(fā)量、地下徑流量以及開發(fā)凈消耗量）構(gòu)成；Sdt為t時(shí)段內(nèi)的降水入滲量，mm，Sut為t時(shí)段內(nèi)的毛管上升水量，mm，二者數(shù)值較小，且相互抵消，均計(jì)入誤差項(xiàng)Δ；St為t時(shí)段內(nèi)的土壤含水量，mm；St-1為t-1時(shí)段內(nèi)的土壤含水量，mm；Δ為t時(shí)段內(nèi)的誤差項(xiàng)，mm。

表1 撓力河流域生育時(shí)段劃分及其作物系數(shù) Table 1 Major crop growth period and its crop coefficient in Naoli River Basin

2.2 灌溉供水量Ws

灌溉供水量Ws主要由地表水資源（地表徑流、地下水出流和壤中徑流）與不重復(fù)的地下水資源（潛水蒸發(fā)量和地下徑流量）構(gòu)成，且均可通過RSDTVGM模型模擬得到[27]，并依據(jù)作物生長(zhǎng)周期匯總得到流域常年平均灌溉供水量Ws。

2.3 水土資源平衡

依據(jù)撓力河流域灌溉的供、需量，明確農(nóng)田水分平衡態(tài)勢(shì)，結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉定額量，即可確定耕地規(guī)模平衡態(tài)（圖2），計(jì)算公式如下：

式中W為流域水分平衡量，m3；S為相應(yīng)的耕地平衡量，m2；G為流域灌溉定額，m3。對(duì)于上式有以下3種可能：

1）W＞0（即Ws＞W(wǎng)D），表明流域內(nèi)灌溉供水量大于灌溉需水量，水資源尚有開發(fā)潛力，可以適當(dāng)擴(kuò)大該地區(qū)耕地面積；

2）W=0（即Ws=WD），表明流域內(nèi)水土資源處于平衡狀態(tài)，在現(xiàn)有灌溉供水條件下，可以通過改善灌溉條件，提高灌溉系數(shù)來擴(kuò)大耕地面積；

3）W＜0（即Ws＜WD），表明流域內(nèi)灌溉供水量小于灌溉需水量，水土資源配置不合理，處于水土資源超負(fù)荷利用狀態(tài)。

2.4 水田化系數(shù)

水田化系數(shù)即指水田占耕地的比例系數(shù)，是表征水田開發(fā)程度的重要指標(biāo)[22]?？紤]到水田需水量顯著大于旱作物需水量，撓力河流域水田快速擴(kuò)張導(dǎo)致了該地區(qū)農(nóng)業(yè)需水量急劇增加，使得水土資源失衡。因此，通過調(diào)整該地區(qū)水田開發(fā)結(jié)構(gòu)即水田化系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)水土資源平衡，具體計(jì)算公式為

式中η為水田化系數(shù)；ai為旱地和其他地類轉(zhuǎn)換為水田的面積，km2?？紤]到撓力河流域水田利用格局形成均經(jīng)歷了水田化過程（旱地和非耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樗铮?，因此可將?dāng)?shù)厮锩娣e視作從歷史時(shí)期到當(dāng)前時(shí)點(diǎn)的水田化面積；A為耕地總面積，km2。依據(jù)水田化系數(shù)，定量劃分水田化階段[23]，即：初始階段（0～30%）、中期階段（30%～70%）和末期階段（70%～100%）。

3 結(jié)果與分析

3.1 流域耕地分布特征

21世紀(jì)以來，撓力河流域旱地面積持續(xù)下降，水田面積快速增加，“水田化”現(xiàn)象為該流域最主要的土地利用變化景觀類型（圖2）。2000年，耕地面積143.39萬hm2，占流域面積60.57%，其中富錦市和寶清縣為耕地分布的主要區(qū)域，占流域耕地總面積的68.77%。2010年耕地面積比例升至62.34%，其水田化系數(shù)由2000年的16.91%增至2010年的26.74%。2018年耕地墾植率緩慢升至62.61%，8年間僅增加了0.27個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的水田化系數(shù)為37.32%，同時(shí)富錦市和寶清縣為水田擴(kuò)張的核心區(qū)域。相對(duì)于旱地而言，水田多分布于地勢(shì)平坦、灌溉條件較好的地區(qū)：一是撓力河干流的下游北岸，該地區(qū)以國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)（主要為七星農(nóng)場(chǎng)、創(chuàng)業(yè)農(nóng)場(chǎng)、紅衛(wèi)農(nóng)場(chǎng)和勝利農(nóng)場(chǎng)）為主，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度較高；二是內(nèi)外七星河流域腹地及友誼縣境內(nèi)，該地區(qū)水田斑塊破碎，家庭農(nóng)場(chǎng)和農(nóng)戶個(gè)體為主要的水田利用管理主體；三是撓力河干流的中段東岸，該地區(qū)為八五二和八五三國(guó)營(yíng)農(nóng)場(chǎng)所在地，坡度、灌溉條件較好。

3.2 流域農(nóng)田土壤水分盈虧特征

3.2.1 土壤水分脅迫蒸散特征

2000—2018年，逐日土壤水分脅迫蒸散量累加值呈S形曲線變化特征（圖3a）?；谠撉€變化特點(diǎn)，分別以第76日序（3月16日）和第251日序（9月7日）為突變點(diǎn)劃分為3個(gè)階段：1）受流域氣溫緩慢回升影響，1月1日至3月16日，土壤水分脅迫蒸散量以0.17 mm/10d的速率波動(dòng)上升；2）隨著氣溫的持續(xù)上升，地表積雪開始融化，土壤含水量增加，土壤水分脅迫蒸散量表現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)的特點(diǎn)。至201日序（7月19日）蒸散量達(dá)到全年峰值（4.58 mm），并開始進(jìn)入衰減期，第252日序（9月8日）已降至1.36 mm；3）隨后，蒸散量繼續(xù)以0.10 mm/10d的速率波動(dòng)式下降（圖4a）。空間分布上，流域全年土壤水分脅迫蒸散量處于442.21～529.28 mm范圍，其中耕地分布區(qū)的均值為451.01 mm，且旱地和水田的蒸散能力處于同一水平。寶清縣南部為撓力河源頭，地形以山地丘陵為主，土壤類型多為山地暗棕壤，土壤水分脅迫蒸散量偏高（473.47 mm）。饒河縣東部也以山地丘陵為主，土壤蒸散能力較強(qiáng)（圖3b）。

3.2.2 農(nóng)田作物需水特征

不同作物需水量表現(xiàn)出明顯的時(shí)空差異性特征（圖 4）。對(duì)于水稻而言，2000年、2010年和2018年的全生育期需水量依次為609.63、673.23和673.65 mm。2000年，流域北端的富錦市與饒河縣交界處需水量偏低，而撓力河干流沿岸的富錦寶清段水稻需水量明顯偏高，平均值達(dá)到620 mm；2010年，需水空間分布情勢(shì)呈現(xiàn)由西向東不斷遞減特征，高值區(qū)多分布于寶清縣境內(nèi)；至2018年，需水高值區(qū)零散分布，但寶清縣于該年份氣溫較低，區(qū)域潛在蒸散能力偏弱，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的水稻需水量也處于較低水平。

對(duì)于旱作物而言，春小麥和春玉米需水量低于水稻。春小麥的3個(gè)研究時(shí)點(diǎn)需水均值依次為460.31、468.17和461.34 mm，2000年的相對(duì)高值區(qū)多分布于內(nèi)、外七星河腹地，撓力河干流沿岸的饒河寶清段和流域南端部分地區(qū)需水量偏低，2010年，春小麥需水量在空間上整體表現(xiàn)出西高東低的特點(diǎn)，而至2018年，流域南部的需水量高于東部，北部富錦市與友誼縣交界區(qū)的需水量則處于較低水平；春玉米全生育期時(shí)間較長(zhǎng)，其需水值顯著高于春小麥，3個(gè)研究時(shí)點(diǎn)均值依次為510.63、522.73和518.68 mm。2000年，需水高低值區(qū)交錯(cuò)分布，規(guī)律性特征差，2010年和2018年則整體呈現(xiàn)東高西低的需水特征。

3.2.3 土壤水分盈虧特征

水田持續(xù)擴(kuò)張使得撓力河流域土壤水分盈虧態(tài)勢(shì)趨于惡化，南部和東部環(huán)狀山地丘陵區(qū)、中部沼澤濕地區(qū)以及下游河灘區(qū)多處于土壤水分盈余狀態(tài)，土壤水分盈虧量表現(xiàn)出顯著的空間分異特點(diǎn)（圖5）。2000年，土壤水分盈虧量處于-1194.63～277.44 mm范圍，缺水高值區(qū)多位于撓力河干流沿岸和內(nèi)外七星河腹地，為水田擴(kuò)張核心區(qū)；2010年，土壤水分盈虧范圍為-553.50～437.99 mm，北端的富錦市境內(nèi)分布著大量水田，為水分虧缺高值區(qū)的集中區(qū)，南部的寶清地區(qū)土壤水分盈虧態(tài)勢(shì)良好；相對(duì)于2010年而言，2018年高水分虧缺地區(qū)更為聚集，且分布范圍更廣，對(duì)應(yīng)的水分盈虧范圍是-532.37～433.15 mm。

3.3 流域耕地水土資源平衡

摸清當(dāng)前土地資源狀況，并依據(jù)農(nóng)田土壤水分盈虧特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)不同條件下水土資源平衡研究。本文將2018年視作研究現(xiàn)狀年，基于該年份的水土資源平衡特征要素，以縣域?yàn)榉治鰡卧?，開展撓力河流域耕地水土資源平衡研究。

3.3.1 灌溉供需特征

2018年，撓力河流域耕作期的耕地灌溉供水量處于21.23～211.91 mm范圍（圖6a），高值區(qū)多分布于內(nèi)外七星河腹地和撓力河干流周邊地帶，該地區(qū)毗鄰主要河流，水資源豐富，為流域主要農(nóng)作區(qū)。流域西部和西南部水田分布較廣，但灌溉供水量普遍偏低，影響著當(dāng)?shù)厮镩_發(fā)與利用。

將天然狀態(tài)的土壤水分虧缺量視為理論上的農(nóng)田灌溉用水基準(zhǔn)定額，結(jié)合灌溉水利用系數(shù)計(jì)算流域灌溉需水量，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)流域境內(nèi)各縣域灌溉需水量。結(jié)果顯示，撓力河流域灌溉需水量的相對(duì)高低分布狀況與旱地和水田的空間分布特點(diǎn)基本一致，水田的灌溉需水量顯著高于旱地。各縣域均表現(xiàn)出“負(fù)”的灌溉需水量特點(diǎn)，天然降水難以滿足耕地用水需求，需通過抽取地下水或渠道引水以保證農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)發(fā)育。流域境內(nèi)的富錦市和寶清縣耕地面積較大，二者灌溉需水量分別為12.21和12.14 億m3，雙鴨山市轄區(qū)境內(nèi)耕地面積極少，灌溉需水量?jī)H為0.79 億m3（圖6b）。

3.3.2 水量平衡特征

結(jié)合流域各縣域灌溉供需特征，研究對(duì)應(yīng)的水量平衡量（圖6c）。由圖6c可知，流域境內(nèi)的富錦市、友誼縣和集賢縣均處于水資源超載狀態(tài)，水分供應(yīng)不足，現(xiàn)有水資源條件難以滿足作物用水需求，其中富錦市水量缺口達(dá)到2.71億m3，倘若不采取境外引水或抽取深層地下水等措施，將會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的生長(zhǎng)及發(fā)育造成影響。友誼縣和集賢縣的水量缺口也分別達(dá)到1.03和0.27億m3，但由于二者面積偏小，使得當(dāng)?shù)馗厝彼閯?shì)較為嚴(yán)峻。寶清縣和饒河縣水資源供應(yīng)條件良好，其水資源盈余量分別達(dá)2.85和1.99億m3，可適度增加耕地面積以提高糧食產(chǎn)出。

3.3.3 耕地平衡特征

流域境內(nèi)水田主要采取井灌的灌溉措施?！逗邶埥∮盟~標(biāo)準(zhǔn)》資料顯示，三江平原地區(qū)井灌定額量為4500～5330 m3/hm2，考慮到流域?qū)嶋H農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)施水平，取其范圍平均值作為水稻的灌溉定額，并結(jié)合水量平衡測(cè)算結(jié)果，計(jì)算各縣域的水田平衡量。2018年撓力河流域的春小麥相對(duì)面積比例僅為3.56%，旱地以春玉米種植為主，因此可將春玉米的灌溉定額量視作旱地平均灌溉定額量，且考慮到旱地需水量顯著小于水田需水量的特點(diǎn)，本文分別測(cè)算了一般降水年（P=50%）和干旱年（P=75%）的旱地水量平衡項(xiàng)，以研究不同干旱程度的旱地平衡量（圖7）。

一般降水年條件下，富錦市、友誼縣和集賢縣均處于“負(fù)”的水田平衡狀態(tài)，水資源處于超載狀態(tài)，現(xiàn)有灌溉供水條件難以滿足當(dāng)前水田灌溉需求，其中富錦市達(dá)到-5.57萬hm2，集賢縣和友誼縣分別為-2.12和-0.56萬hm2，均處于“土多水少”狀態(tài)。饒河縣、寶清縣、七臺(tái)河市以及雙鴨山市轄區(qū)則“土少水多”，水田平衡量依次為5.85、4.10、1.01和0.80萬hm2，現(xiàn)有灌溉供水條件可滿足額外水田的灌溉需求。寶清縣位于撓力河上游干流區(qū)，境內(nèi)水資源豐富，但水田面積比例偏低，可適當(dāng)擴(kuò)大其水田面積以增加農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。饒河縣位于撓力河下游，水田主要分布于其北端，境內(nèi)水資源豐富，盡管水田平衡量?jī)H為4.10萬hm2，但由于縣域面積偏小，使得水田擴(kuò)張潛力較大。

干旱年條件下，富錦市和友誼縣應(yīng)大量縮減旱地面積，以減少農(nóng)業(yè)灌溉需水壓力，對(duì)應(yīng)的旱地平衡量分別為-16.30和-6.21萬hm2。寶清縣境內(nèi)的旱地平衡量達(dá)到了17.12萬hm2，可在原有作物種植結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加旱作物面積。對(duì)于一般年而言，耕地灌溉供水保障度更高，旱地平衡量更大，其中富錦市為-22.34萬hm2，寶清縣是23.46萬hm2。但由于水田和旱地存在經(jīng)濟(jì)效益“剪刀差”，倘若具備較好的灌溉供水條件，農(nóng)戶將更傾向于將旱地開發(fā)為水田以增加經(jīng)濟(jì)收入。

3.3.4 流域耕地合理利用規(guī)模特征

在耕地總面積不變情景下，撓力河流域的水田合理利用規(guī)模應(yīng)控制在66.36萬hm2以下，面積最多可增加11.02萬hm2，對(duì)應(yīng)的水田化系數(shù)由37.33%增加至44.76%。富錦市的耕地合理利用規(guī)模所對(duì)應(yīng)的水田化系數(shù)僅為15.41%，遠(yuǎn)小于當(dāng)前的51.26%；友誼縣最大水田化系數(shù)也僅為9.42%，遠(yuǎn)低于當(dāng)前的50.22%，而依據(jù)灌溉供水條件，集賢縣甚至不適宜進(jìn)行水田利用開發(fā)（圖 8）。但以上3縣均為撓力河流域主要的水田分布區(qū)，倘若不采取科學(xué)的域內(nèi)水分調(diào)配措施，水田利用開發(fā)將會(huì)對(duì)其深層地下水造成強(qiáng)烈的脅迫作用，繼而造成地表沉降、干旱等生態(tài)環(huán)境問題，而富錦市、友誼縣和集賢縣恰為撓力河流域地表沉降最為嚴(yán)重的地區(qū)；寶清縣水資源豐富，能夠承載其水田的開發(fā)利用，在現(xiàn)有水田利用規(guī)?；A(chǔ)上，可增加18.36萬hm2的水田，對(duì)應(yīng)的水田化系數(shù)達(dá)到61.55%，遠(yuǎn)高于當(dāng)前的27.63%，該縣應(yīng)成為撓力河流域旱改水的重點(diǎn)備選區(qū)。

4 討論

撓力河流域水田開發(fā)利用中大量發(fā)展機(jī)電井抽取地下水，使得農(nóng)業(yè)水循環(huán)從水平排水為主向垂直排水為主的方向轉(zhuǎn)變，而水田需水量高于旱地，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)需水量持續(xù)增加，并引起一系列生態(tài)環(huán)境問題。另一方面，由于種植水稻的經(jīng)濟(jì)效益顯著高于旱作物，農(nóng)戶更傾向于將更多旱地改造成水田以提高農(nóng)業(yè)種植效益，但受制于水資源供給條件影響，部分水資源匱乏的地區(qū)已出現(xiàn)“逆水田化”現(xiàn)象。水稻種植戶和政府管理部門尤其關(guān)注以下幾點(diǎn)問題：1）在一定水資源承載范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)厮镞€能開發(fā)多少；2）是否存在水田過度開發(fā)情形；3）水田化系數(shù)應(yīng)控制在什么范圍。本文在水循環(huán)徑流分項(xiàng)模擬數(shù)據(jù)、氣象遙感數(shù)據(jù)、作物生長(zhǎng)周期等多源水土信息數(shù)據(jù)支持下，基于農(nóng)田土壤水循環(huán)原理，開展耕地水土資源平衡研究，試圖揭示該流域水土資源平衡規(guī)律，明晰耕地合理利用規(guī)模特征，并對(duì)以上問題進(jìn)行了回答。

前期研究已對(duì)撓力河流域的氣候水分平衡和作物水分平衡問題進(jìn)行了探討，側(cè)重于水土資源平衡的初始層次，更具理論意義[29]，本研究基于農(nóng)田土壤水分平衡原理來開展水土資源平衡研究，為水土資源平衡研究的實(shí)際層次，更具實(shí)踐價(jià)值，但受作物數(shù)據(jù)精度影響，僅從縣域尺度來開展水量平衡與耕地合理利用規(guī)模研究，后續(xù)研究應(yīng)從柵格尺度出發(fā)，對(duì)流域作物結(jié)構(gòu)進(jìn)行遙感信息提取，并基于農(nóng)田土壤水分平衡原理，從空間上來細(xì)化水土資源平衡研究。同時(shí)考慮到遙感目視解譯而來的耕地?cái)?shù)據(jù)與國(guó)土管理部門數(shù)據(jù)（如土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)）的不一致性，后續(xù)可重點(diǎn)對(duì)比二者的實(shí)施效果差異，以增強(qiáng)決策科學(xué)性。

5 結(jié)論

1）2000—2018年，撓力河流域水田持續(xù)擴(kuò)張，旱地輕度萎縮，至2018年該流域墾殖率為62.61%，水田化系數(shù)為37.33%。旱地和水田的土壤水分脅迫蒸散量約為450 mm，且均表現(xiàn)出水分虧缺的特點(diǎn)，但由于水田的灌溉需水量高于旱地，使得水田的水分虧缺量也高于旱地。

2）流域灌溉供水量處于21.23～211.91 mm范圍，友誼縣和集賢縣供水量偏小。水田的灌溉需水量整體高于旱地，各縣域的天然降水難以滿足耕地灌溉需求。水量平衡上，富錦市、友誼縣和集賢縣均處于水資源超載狀態(tài)，其中富錦市的水量缺口達(dá)到2.71億m3。

3）富錦市、友誼縣和集賢縣均處于“土多水少”的水田平衡狀態(tài)，平衡量依次為-5.57萬hm2、-2.12萬hm2和-0.56萬hm2，饒河縣、寶清縣、七臺(tái)河市以及雙鴨山市處于“土少水多”狀態(tài)，其中饒河縣水田擴(kuò)張潛力大。未來流域的水田可擴(kuò)張面積應(yīng)不高于11.02萬hm2，對(duì)應(yīng)的水田化系數(shù)應(yīng)控制在44.76%以下，境內(nèi)富錦市、友誼縣和集賢縣應(yīng)適當(dāng)控制或減少水田利用規(guī)模，同時(shí)采取域內(nèi)水分調(diào)配措施，寶清縣應(yīng)成為未來旱轉(zhuǎn)水的重點(diǎn)區(qū)域。