丘陵山地区耕地水约束状态研究

唐君桃　田永中　江汶静

摘要：建立一种土壤水循环机理与地形特征结合的层次评价模型，以长江一级支流——黎香溪流域为研究区，以土壤的蓄水量、土壤地形湿度、蒸散发量和灌溉用水条件作为评价因子，采用层次分析法对流域耕地水约束状态进行综合分析，将水约束状态分为轻度、一般、较重、重度、极重5个等级。通过对300个样本的抽样调查，分析结果总体正确率为78%。灌溉条件的影响力随着约束等级的降低而增加，正确率随着约束等级的降低而降低，从极重到轻度正确率分别为85.00%、81.67%、78.33%、75.00%和68.33%。流域内耕地受用水较重及以上程度约束占总面积的55%。模型对流域内部耕地用水状态的相对差异模拟精度较高，灌溉水平的差异是误差的主要来源。

关键词：耕地；水约束；层次分析法；数字高程模型；黎香溪流域

中图分类号：S273.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）09-2206-05

水是农业生产的决定性因素。耕地作为农业生产的载体，其用水不足致使中国农业受干旱灾害影响严重。尤其是在西南地区，干旱灾害发生频率高，造成的农业损失率高于全国水平，是该地区主导的自然灾害。雨养农业为主导的格局和全球气候变化、极端天气出现频率增加、降雨总量大但季节和年际分布不均等因素是导致该区域耕地用水资源不足的必然趋势。探求丘陵山地区耕地水约束状态对农业生产布局具有重要的现实意义，

早期关于耕地用水条件的研究多应用时间序列分析法。根据历史气象、旱情、农业生产等资料，从区域大尺度来分析农业受干旱影响情况的空间分布、时间频率、发展趋势，但该方法受气象站点和统计资料限制较大。随着遥感影像的时空分辨率和光谱分辨率的提高，近年来利用光谱信息获取土壤墒情的研究进展较快，与统计方法形成互补关系，但仍难从成因上解决耕地水约束问题。中小尺度的研究通过田间试验，反演土壤的结构、特性等不同环境下土壤水循环机理，并根据经验参数建立了水文分析物理模型，但对农业灌溉的分析显得不足。相较于平原地区或缓丘区域，山地丘陵区依托临近水源，采用长藤结瓜的灌溉方式，因此地形对灌溉水的调蓄、人力灌溉成本的影响更为重要。

本研究综合考虑自然和人文因素建立山地丘陵区耕地用水约束状态评价方法，把地形作为研究核心，分析小流域内耕地用水状态在复杂地形影响下其约束条件——土壤蓄水能力、地形湿度指数、蒸散发的相对差异。此外，根据当下该流域主要的灌溉方式，将灌溉成本纳入约束条件的分析中，通过层次分析法对耕地水各约束状态进行综合分析，从而获取研究区耕地用水约束条件的空间分布情况，最后，通过对农业产能问卷调查评价方法的可行性。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

黎香溪是长江的一级支流，位于三峡库区涪陵段南岸。毗邻乌江。横跨重庆市涪陵和南川二区（图1）。该流域地处川东平行岭谷地带，地形复杂，主要由丘陵、山地组成，其中丘陵13.4%，低山山地85.5%。中高山1，1%（图2）。流域面积850.67km²。地势南高北低。相对高差1179m。河流切割深。河网发达，干流全长79.13km。流域内表面积大于10000m²的水体115个，总面积13.25km²。流域位于亚热带湿润季风气候区，多年平均降雨量1027mm。降水季节分布不均。超过80%的降水集中在6-9月，近10年该期间的暴雨比例约为56%，降雨一径流转化的系数高。6-9月多年平均气温28℃，极端最高气温43℃：多年平均蒸发量550mm。最大高达879.03mm。流域内土壤以水稻土和紫色土为主，在西部和东南部海拔较高的山地区域有少量黄土和石灰（岩）土。黎香溪流域降水充沛、河湖众多，但降水季节分布不均且径流转化率高、夏季蒸散发旺盛、土壤保水能力弱，耕地用水收支不平衡现象严重；近10年遭受重大旱灾2次，伏早发生频率达70%；耕地保有量为445.64km²，占流域总面积的47.84%，仅2006年川渝大早期间就遭受了1.86亿元的农业经济损失。试验以黎香溪流域作为研究区，具有典型性和代表性。

1.2 研究方法

受山地丘陵地形的影响，绿水和蓝水的空间分布差异明显，土壤蓄水是与降雨量和径流之间相互转化的关键环节。分布式水文模型在模拟土壤对降水的滞蓄能力上有很好的精度，其中SCS-CN模型运用最为广泛。模型中。径流曲线数（CN）是综合反映前期土壤湿润程度（Antecedentmoisturecondition，AMC）、坡度、土壤类型和土地覆被等特性的核心参数。对CN值进行坡度校正后，SCS-CN模型在黄土高原地区、丘陵山地区等区域的模拟均具有较高精度。根据美国农业部提供的CN值查询表和国内外研究成果得到对应的CN值表，并用Huang等的坡度校正公式对CN值进行校正，然后计算得出土壤的蓄水能力。式中，S为土壤最大蓄水能力（mm）。

式中，CN_II表示土壤前期湿度中等对应的CN值，CN_IIS表示经过坡度校正的CN值，slp表示平均坡度。

因地形地势和上游地类的不同导致土壤相对湿度差异，呈现高处大于低处，上游土壤蓄水能力越强下游土壤获取的水分越多的特征。基于流域内土壤渗透能力和饱和导水率相同，壤中流的方向和地下水位均与地表平行的两个假设，地形湿润指数表示为！

式中，W为地形湿度指数：a为流经该点的上坡汇流累积量：a为该点处的坡度。

蒸散发量的主要影响因子为太阳辐射、温差以及风速。基于山地丘陵区地形，以ArcGIS为平台，平台的太阳辐射工具利用数字高程模型（Digitalelevation model，DEM）提取太阳辐射值，通过相对高差和温差计算公式得到流域内相对温差。对于风速的计算，采用地形粗糙度系数来代替实际风速的差异。

灌溉水平受灌溉水量、定额和成本3个因素影响。流域内可作为灌溉水源有湖泊水面和河流沟渠两类。灌溉定额决定了可用于灌溉的总水量不变时的最大灌溉半径，灌溉成本为在可灌范围内计算水平方向和垂直方向的综合灌溉引水成本。水平成本仅考虑与水源地直线距离：垂直成本考虑的是与水源地的相对高差，高差为正则成本为0，反之需要计算提水成本。面状或点状水源（湖泊、坑塘、水库）的灌溉成本仅体现于水源与目标的高差，但线状水源在高程上是连续的，无法通过高程差的方法计算自流区。本研究通过DEM的流向分析结果，确定灌溉水源的流入与流出关系，从而获得引水成本。最后再通过成本累积法在ArcGIS10.3平台中实现综合引水成本的计算。

土壤蓄水量、土壤水蒸散发量、相对地形湿度和灌溉成本是耕地水的主要影响因子，据此，采用层次分析法（Analytic hierarchy Drocess，AHP）确定了各评价指标的权重。层次分析法是一种定性与定量结合的多目标综合评价方法，本研究先将耕地用水约束状态作为目标层，前述4个主要影响因子作为准则层；再把太阳辐射、相对温差、地表粗糙度作为土壤水蒸散发的子准则层，垂直灌溉成本和水平灌溉成本作为灌溉成本的子准则层。通过专家打分构建判断矩阵，计算得到各层权重值，具体见表1。一致性检验结果显示CR为0.046，小于0.1，满足要求。

1.3 数据处理与分析

研究基础数据包括重庆市涪陵、南川二区的第二次土地利用现状调查数据变更成果（2012年）、气象统计资料、重庆市1：50000地形图，以及重庆市1：100000土壤专题数据。土地覆被数据和土壤数据分别从土地利用现状调查数据变更成果、土壤专题数据中提取。根据地形图数据生成DEM，然后提取水文数据（流向、汇流累积量）、地形特征数据（坡度、地表粗糙度、相对高程）、太阳辐射等。灌溉水源从变更调查数据库中筛选地类名称为河流、水库水面、坑塘水面和沟渠的地类。

根据美国农业部提供的CN值查询表和国内外研究成果得到对应的CN值表，并用Huang等的坡度校正公式对CN值进行校正，计算得到土壤蓄水能力S。根据地形相对湿度计算公式，带入汇流累积数据和坡度数据，其中汇流累积数据以土壤蓄水能力为权重值，计算得到研究区耕地的相对地形湿度。在蒸散发量的计算过程中，太阳辐射量为流域内作物主要生长季（6-9月）的辐射总量，相对温差和地表粗糙度通过ArcGIS栅格计算求出。近10年来，2006年和2011年该区域出现干旱较为严重，6～9月蒸发总量分别高达702.39mm和879.03mm，日均蒸散发量最大值约为7.3mm。为了满足耕地最大灌溉保证需水量，在考虑灌溉水分损耗的情况下，假定灌溉定额为10mm/d，通过灌溉水量和定额可求得变距灌溉半径，通过临近性分析计算得到可灌溉范围。通过前述灌溉成本计算方法，分别计算得到水平成本和垂直成本。

由于各指标值的取值范围和量纲不一致，难以直接进行比较分析，因此要将各指标值进行标准化，以消除量纲的影响。本研究采用正效指标和负效指标两种方法对指标进行标准化。

根据各前述耕地用水约束状态评价模型进行综合加权分析，以地块为单位，对地块内评价得分进行统计并排序，得到流域内耕地用水约束状态的空间分布情况。对结果采用自然断裂法按轻度、一般、较重、重度、极重5个约束等级进行分级。得到该流域的耕地用水约束状态分布图（图3）。流域内耕地用水约束状态的统计结果见表2。

2 结果与分析

2.1 结果检验

为了对分析结果进行验证，采用分层抽样和问卷调查相结合的验证方式，先根据上述约束等级划分将待抽样数据分为5个同质层，然后分别在各层内随机抽样或机械抽样60个。问卷调查的对象为对耕地用水状态最熟悉的农户，以行政社为问卷调查的最小单元集中调查。本次调查共涉及231个社。由于耕地用水条件难以定量描述，而通过粮食产量来进行度量容易实现。粮食产量的影响因素众多。如土壤肥力、作物种类、病虫灾害等因素都会引起产量变化。因此，只对抽样地块进行分年份的纵向的开放式调查。调查内容为近20年抽样地块的一般产量、因水分充足而增产的年份和产量以及因缺水而减产的年份和产量。耕地粮食产量变化情况分析结果见表3。

本次调查保留的作物生长期在6-9月对应的地块共计286个。将增、减产幅度和年数求和后按等间距法划分为5级，然后通过属性连接，将抽样值和模拟值一一对比，经分析得到抽样调查的结果与模拟值的误差情况，结果见表4。

2.2 结果分析

通过抽样调查分析的结果得出，对研究区耕地约束状态的模拟精度总体平均值为78%。分析结果对于受用水条件严重约束的耕地模拟效果较好，随着约束等级的下降，模拟精度存在较大幅度的下降（表4）。其原因在于灌溉条件的加入，存在较多的人为因素——具有灌溉条件的实际上未进行灌溉。最大误差范围和误差标准差都呈扩大趋势，也体现了人为灌溉对耕地用水约束有着很大影响，增加了约束状态的不稳定性。

通过对黎香溪流域耕地用水条件约束状态空间分布的综合分析，从总体上看，研究区耕地用水状态受约束的情况较为严重，55%的耕地用水条件面临着较重及以上等级的约束，受严重约束的耕地比例较为突出，达到22.72%，在干旱发生时这部分耕地生产能力难以保证。从空间分布来看，约束条件较弱的都分布于临近水源区域，但它的逆命题并不成立。研究区降水条件和蓄水条件较好，耕地可用水资源的总量较大，在不考虑垂直灌溉成本的前提下，可获得灌溉资源的耕地占总量的90.73%，而在加入垂直成本后，该值下降到72.41%，流域内123.95km²的耕地无法得到有效灌溉，其中81.62km²耕地是由于垂直成本限制而造成的。

3 结论与讨论

根据土壤水循环的机理研究了其在复杂地形区的空间差异，以此建立的层次评价模型能够反映小流域耕地用水约束状态的相对差异。提出的加入人为灌溉成本计算方法对耕地用水约束状态的模拟精度为78%，评价方法对耕地用水状态的模拟精度较高，同时。分析结果受人为因素干扰较大。

研究区内灌溉水源总量大但利用率不高，18.31%的耕地在距离灌溉水源水平距离1km的范围内。但受地形影响。灌溉成本高，出现邻水而无法用水的情况。在土地整理、规划决策时，一方面需通过蓄水设施和引水设施的增加来改善区域内的耕地用水状态：另一方面应考虑引水成本。合理布局水利设施。

本研究成果可以应用于土地利用决策分析。例如，该区域在土地利用总体规划的制定过程中，可以把约束条件为轻度、一般的耕地优先纳入基本农田的保护范围。在土地整治规划中，对于约束条件为较重等级及以上的耕地，可以根据约束程度确定农田灌溉工程分布并合理制定相应的整治时序，以增强耕地的用水保障能力。