松嫩平原北部黑土区水土资源平衡效应研究

路 中，雷国平，郭晶鹏，王居午，马鑫鹏，李松泽

（1.东北大学土地管理所，辽宁 沈阳 110004；2.东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

随着全球气候变化及人类活动强度的加剧，自然灾害给世界，尤其是发展中国家造成的潜在威胁越来越大[1-2]，而对于生态脆弱区而言因自身生态系统的结构、功能和生态过程相当复杂，其对于气候变化和人为干扰均表现极为敏感[3]。北方农牧交错带因其降雨少、大风日多、沙尘活动强烈，是典型的生态脆弱区[4]。作为干旱半干旱生态脆弱区，水分是影响其稳定性的关键性因素[5]，同时水分又是区域社会经济可持续发展的支撑和保障条件[6]。因此，准确估计北方农牧交错带水分盈亏态势是实现资源的合理开发和利用与社会经济的长远发展的前提[7]，意义重大。

水土资源平衡是指综合考虑地区内水资源的供应能力和土地利用条件下的需求状况，分析本地区水资源的余缺情况，合理协调水资源的供求关系，以寻求水土资源的平衡。目前部分学者利用不同的研究方法分别从水资源[8]、土资源[9]和水资源与土资源相结合[6，10]的角度进行区域水土平衡研究。根据前人的研究经验，学者普遍认为水、土资源相结合进行水土资源效应评价才能充分发挥水土资源系统的整体效能[11]。而在以水、土资源相结为基础的水土资源效应评价中，实际蒸散量是进行水土资源效应评价的关键因素。部分学者分别从水量平衡和实际蒸散量与潜在蒸散量之间的互补关系入手进行实际蒸散量的估算，如杨艳昭[10]等依据降雨量、径流量和土壤含水量数据构建水量平衡方程进行实际蒸散量的估算；冯雪[12]等依据平流—干旱互补模型（AA模型）进行实际蒸散量的估算；张瑞刚[13]等依据傅抱璞模型进行实际蒸散量的估算。但是从前人研究中可以发现，在水土平衡效应研究中估算的实际蒸散量都未能充分考虑土地利用类型、地貌特性和土壤属性的影响，而实际蒸散量受土地利用状况、地貌特征和土壤属性影响比较明显[14-18]，因此本文在Budyko水热耦合平衡理论的基础上，参考孙福宝[19]提出的拟合参数ω方程，通过利用研究区域的数据重新进行参数ω方程的拟合，最终获得符合本研究区域参数ω的拟合方程，以此进行参数ω的计算以及实际蒸散量的计算，更易体现不同土地利用状况、地貌特征和土壤属性条件下的实际蒸散量，从而较为准确的进行水土平衡效应评价，分析水分盈亏态势。

松嫩平原北部区域处于黑龙江省西部农牧交错脆弱带，是典型的生态脆弱区。此外，松嫩平原是黑龙江省和国家的重要商品粮基地，粮食商品率占30%以上，而干旱是影响松嫩平原尤其是松嫩平原北部粮食生产的重要因素。因此，研究该地区水分盈亏态势对气候和土地利用变化的响应可为未来气候变暖情景下的粮食生产政策的制定提供科学依据。本文以松嫩平原北部作为研究区域，以1985年、1995年、2005年和2015年为时间点，通过收集区域及周边地区气象站点和水文站点的长时间序列气象数据和基础地理空间数据，定量研究水土资源平衡态势，以期为农牧交错带水土资源合理利用、农业生产协调布局，以及实现区域可持续发展提供科学依据和决策支持。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

松嫩平原北部黑土区位于黑龙江省西部，地理位置位于45°46′—48°56′N、122°24′—126°41′E之间，土地总面积为1.92×104km2。松嫩平原北部地处小兴安岭南麓与松嫩平原的过渡地带，研究区域地势东北高西南低，波状起伏台地暨漫川漫岗区域是该区主要地形特征，丘陵漫岗地占60%以上；属于温带大陆性季风气候，四季分明，多年平均降水量499 mm，降水分布不均匀，6—9月份降水占全年降水量的72%，降雨分布集中易造成水土流失；耕地是当前研究区最主要的土地利用类型，林地只是在坡度较陡，不适合耕作的地区分布；研究区属于黑土和黑钙土和草甸土为主的典型黑土区，其他的暗棕壤等有零星分布，是开展黑土区研究的重点地区。

1.2 数据来源

研究所用数据包括：（1）1985年、1995年、2005年的1∶10万Land Sat TM遥感影像和2015年1∶10万LandSat 8遥感影像；（2）2000年分辨率为30 m的研究区域DEM；（3）全国725个气象站点提供的气象数据主要包括降水、气温（包括最高气温、平均气温和最低气温）、相对湿度、降雨天数、风速和日照时数等数据；（4）国家地球系统科学数据共享平台（http//www.geodata.cn）提供的中国1∶400万土壤类型图（1980s）；（5）根据松辽流域水资源公报获取2010—2014年地表径流量数据。

2 研究方法

本文首先分析30年来松嫩平原北部的农业气候资源和土地利用变化，然后根据水量平衡法[21]求得水文站点的实际蒸散量，利用matlab求得各水文站点的参数ω值，在SPSS中运用线性回归的方法来确定拟合参数ω方程中回归系数，以此来确定研究区域不同土地利用类型、地貌特征和土壤属性条件下的参数ω值和实际蒸散量，并在计算植被需水量的基础上，通过构建水分盈亏模型来定量计算松嫩平原北部30年来农业气候资源和土地利用变化所引发的水分盈亏态势的变化，系统评价30年间松嫩平原北部环境下的水土平衡效应。

2.1 土地利用和农业气候资源分析

土地变化研究的重要内容是土地变化发生的空间位置、土地变化的类型、土地变化剧烈程度。这些研究有助于评估土地变化的后果，预测土地变化的趋势[20]。本文首先从宏观角度分析土地利用变化发生的空间位置，然后利用土地利用变化重要性指数和土地利用变化面积比重，阐释变化类型和变化剧烈程度。

（1）土地利用变化重要性指数。运用土地利用变化重要性指数（Ci），筛选出土地利用变化的主要类型。计算公式如下：

式（1）—式（2）中，Ci为第i种变化类型的土地利用变化重要性指数，Ai为第i类土地变化面积，A为该区域各类土地变化面积之和。Ci值越大，说明第i类土地变化越占主导作用。

（2）土地利用变化面积比重。土地利用变化面积比重（D）是指各类土地变化面积之和占区域总面积的比重，可用其揭示土地利用变化的剧烈程度。计算公式如下：

式（3）中，D为土地利用变化面积的比重，A为区域各类土地变化面积之和，S为区域面积。D值越大，说明该区域土地利用变化越剧烈。

农业气候资源变化趋势分析采用一次线性方程表示：

式（4）中，Y为农业气候资源因素，t为时间（1985—2015年），a1为线性趋势项。a1的系数为正，则表明是增量，反之则反。

2.2 潜在蒸散量模型

采用1998年世界粮农组织提出的修正方程Penman-Monteith计算潜在蒸散量，此方程对地表植被能量平衡和水汽扩散理论进行了较为全面的考虑，能够很好地反映各气候要素的综合影响，其具体公式如下所示：

式（5）中，Δ为饱和水汽压曲线的斜率，γ为干湿计常数，Rn为地面净辐射，G为土壤热通量，u2为2 m高处风速，es和ea分别为饱和水汽压和实际水汽压。

地面净辐射为太阳净短波辐射和地面净长波辐射之差，其中太阳辐射的计算采用经验公式：

式（6）中，Rs为太阳（短波）辐射，Ra为太阳总辐射，n和N分别为日照时数和最大日照时数，as和bs为代表地域气候特征的参数，本文根据祝昌汉[21]的中国系数研究成果，取东北地区as= 0.189、bs= 0.133，以便于更符合当地实际状况。

2.3 实际蒸散量模型

本文基于Budyko假设评估松嫩平原北部实际蒸散量，傅抱璞从流域水文气象的物理意义出发，根据微分方程理论给出Budyko假设的解析形式[22]。许多学者[23-24]对于该模型的适用性和可靠性进行了讨论，结果表明该模型适用于下垫面变化对实际蒸散量的影响方面的研究。方程式如下：

式（7）中，E为年均实际蒸散量，P为年均降水量，E0为年均潜在蒸散量，采用1998年联合国粮农组织（FAO）修订的Penman-Monteith（P-M）公式计算。

关于参数ω确定，许多学者[14-18]论证了参数ω与下垫面的土地利用类型、地貌特征和土壤属性有密切联系。孙福宝等[19]通过对黄河流域的数据，拟合了参数ω的方程表达式。本文采用孙福宝提出的拟合方程式：

式（8）中，Ks代表饱和导水率，i代表平均降雨天数占全年的比例，代表平均潜在蒸散量，β代表研究区域地表坡度（弧度），Smax为植被—土壤有效蓄水能力，a1、b1、c1、d1为方程系数。

其中，关于Ks的计算是根据Li[25]提出的饱和导水率计算公式，此模型经过李晓鹏[26]验证，得出Li模型模拟结果与田间实验的结果更为接近，其公式如下：

式（9）中，c1，c2，c3分别表示土壤的粘粒、粉粒和砂粒的含量，ρ和c4分别为土壤容重和土壤有机质含量。其参数的值均来自《黑龙江土壤》。

本文采用Dunne和Willmott[27]推荐采用的计算植被—土壤有效蓄水能力Smax公式：

式（10）中，θf和θw分别表示田间持水量的水分含量和萎蔫点，droot代表各类型植被根系的最大深度与土壤深度之间的最小值。θf和θw是根据《黑龙江土壤》和Dunne[27]的建议，分别计算不同土壤种类的θf和θw值；土壤深度参考《黑龙江土壤》获得；植物根系是根据土地利用类型参考相关文献获得。

2.4 水分盈亏评价模型

依据农田水分平衡原理，小麦生育阶段的水分亏缺率可以描述为小麦生育阶段的自然供水量与需水量的差占需水量的百分比的负值[28]。同时参考以前学者的研究经验[6-7]，植被生育阶段的水分亏缺率可描述为植被生育阶段的自然供水量与需水量的差占需水量的百分比的负值，而植被生育阶段的自然供水量可以用实际蒸散量来表示[18]，故植被某一生育阶段的作物水分亏缺率计算式表示为：

式（11）中，WD为l种土地利用类型全生育期的水分亏缺率，ETS和ET分别为实际蒸散量和需水量。具体评价分级为正常缺水（WD≤0.15）、轻度缺水（0.15＜WD≤0.30）、中度缺水（0.30＜WD≤0.45）、重度缺水（0.45＜WD≤0.60）和严重缺水（WD＞0.60）5种等级。

植被生育阶段的需水量可简化为植株蒸腾量与棵间蒸散量之和，其计算式为：

式（12）中，ET（l）为植被生育阶段的需水量，KC为相应时段的作物系数，ETO为相应时段的作物参考蒸散量。植物作物系数（KC）引用相关文献[29-30]中的结果，各作物分区的逐月作物系数用代表站数值。

3 计算结果

3.1 土地利用变化和农业气候资源

3.1.1 土地利用变化 本文应用ArcGIS 10.2软件，依据Google Earth建立判读标志，对松嫩平原北部1985年、1995年、2005年和2015年的Landsat TM遥感影像进行目视解译，生成研究区内4个时期土地利用矢量图，利用第二次土地调查数据对土地利用矢量图进行分类精度检验，检验表明各地类的Kappa系数均超过0.90，满足本文研究的需要；在此基础上，获取各年份地类面积及土地利用变化信息（表1—表2）。在数据解译过程中，因水域面积受降雨等条件影响明显，故水域面积变化不加以分析。

由图1可知，松嫩平原北部近30年来土地利用整体特征并未发生变化，土地利用主要是以旱地为主。随着人类活动的加剧，湿地和林地面积在逐年减少，水田的面积在逐年增加。由表1可知，1985—2015年湿地变化幅度最大，分别减少了447.49 km2、889.37 km2和401.04 km2；旱地面积变化幅度次之，分别增加了404.07 km2、644.35 km2和364.05 km2；水田和林地变化幅度相当，水田面积变化分别增加了188.12 km2、52.39 km2和111.33 km2；林地面积分别减少了125.62 km2、16.72 km2和163.53 km2；建设用地30年来变化幅度并不明显。

为进一步了解土地利用的变化情况，将1985年、2015年土地利用数据进行分析（表2），土地利用变化面积4402.44 km2，占总面积的22.9%。变化最大的是湿地，其减少量是1985年湿地面积的55.35%，占总变化面积的39%，占总面积的9.04%；其次是旱地，其增加面积占1985年旱地面积的9.94%，占总变化面积的38%，占总面积的7.87%；水田面积增加比较明显，是1985年水田面积的3.6倍，由于水田基数面积比较少，其变化面积仅占总变化面积的8%，占总面积的1.83%；林地变化面积与1985年相比减少了35.69%，其占总变化面积的7%，占总面积的1.59%；建设用地变化面积最小，其增加面积占1985年面积的13.62%，占总变化面积的2%，占总面积的0.49%。研究表明，研究区域是以农业为基础的粮食生产基地，随着经济的快速增长，为了满足日益增长的物质文化的需要，湿地和林地面积大量转化为旱地和水田。

图1 松嫩平原北部1985—2015年土地利用空间格局Fig.1 The spatial pattern of land use in the northern part of Songnen Plain from 1985 to 2015

表1 1985年以来松嫩平原北部土地利用变化情况表 单位：km2Tab.1 The land use change in the northern Songnen Plain since 1985 unit: km2

3.1.2 农业气候资源 由图2可知，近30年来，松嫩平原北部农业气候资源变化比较明显，其平均温度呈上升趋势，变化速率为0.27℃/10年；生长日期的平均潜在蒸散量呈明显下降趋势，变化速率为-5.15 mm/年；降雨量处于上下波动的状态，并未呈现较为明显的变化趋势，由图可知随着时间的不断推移，降雨量上下波动的幅度不断的加剧，这样研究区域的脆弱性表现更加明显。这里统计每10年的平均降雨量变化情况，可以看出1985—1989年平均降雨量为502.41 mm，1990—1999年平均降雨量是549.33 mm，2000—2009年平均降雨量是482.54 mm，2010—2015年平均降雨量558.22 mm。

表2 1985—2015年研究区土地利用变化的主要类型Tab.2 The main types of land use change of study area in 1985-2015

图2 1985—2015年松嫩平原北部气候要素年际变化Fig.2 The inter-annual variation of climatic elements in the northern Songnen Plain in 1985-2015

3.2 参数ω估计及模拟实际蒸散量

3.2.1 参数ω估计 由上面论述得知，参数ω与相对入渗能力KS、相对蓄水能力Smax/E0和区域平均坡tanβ关系式可以表达为：

式（13）中，a1、b1、c1、d1为方程系数。

这里将式（13）进行变形如下：

式（14）中，a、b、c、d为回归系数，a1= ea，b1=b，c1=c，d1=d。其中，参数ω值可以根据式（6）利用matlab反求得各气象站点的ω值，对于式（6）中实际蒸散量的计算，依据邱新法等[21]提出的水量平衡法求解。水量平衡法是目前计算区域实际蒸散较为可靠的方法，常被用来评价其他模型的计算精度。本文用水量平衡法计算的年实际蒸散以此来拟合傅抱璞模型中参数ω值，公式如下：

式（15）中，P为区域年降水量，由雨量站提供的数据采用反距离权重插值得到研究区降雨量平均值，E为年实际蒸散，R为水文站实测年径流量，ΔW为区域蓄水量的年变化量。

对于年尺度，区域蓄水量的变化可近似忽略。因此，区域年实际蒸散可由下式计算：

根据上述公式分别计算式（14）中的其他参数，在SPSS中进行多元回归分析，结果可知，R2= 0.73，参数a= 2.014，b= -0.294，c= 0.362，d= -3.919。即函数方程表示为：

运用所求的参数ω值得拟合方程，分别求得2000—2014年实际蒸散量与研究区域水文站数据进行比较，最终其绝对偏差MAE、方差均方根RMSE和纳西效率系数NSE分别是38.7 mm、10.4%和0.57。

3.3 实际蒸散量时空分布特征

图3 1985—2015年研究区的实际蒸散量分布图Fig.3 The actual evapotranspiration distribution of study area in 1985-2015

由图3可知，经过上述过程求得的实际蒸散量可以很好地反映不同土地利用状况、地貌类型和土壤属性的实际蒸散量。整体来看，松嫩平原北部30年实际蒸散量的范围是328.5—462.4 mm（图3），均值为391.56 mm。从空间上来看，实际蒸散量的分布大致是从北向南逐渐增加。实际蒸散量高值区域出现在克山县中部、依安县下部和拜泉县左下部分；低值区域出现在讷河市北部和西部。由于受到土地利用类型、地貌特征和土壤属性的影响，同一时期相邻区域不同下垫面条件下实际蒸散量表现出来差异。从时间上来看，1985—2015年平均实际蒸散量分别是394.25 mm、391.36 mm、343.54 mm和371.75 mm。其中，1985年值域区间为390—410 mm、410—430 mm和430—450 mm的参考作物蒸散量分别占区域土地总面积的25.43%、43.22%和17.08%；1995年值域区间为390—410 mm、410—430 mm和430—450 mm的参考作物蒸散量分别占区域土地总面积的21.62%、42.96%和103.75%；2005年值域区间为330—350 mm、350—370 mm和370—390 mm的参考作物蒸散量分别占区域土地总面积的15.08%、31.53%和36.21%；2015年值域区间为370—390 mm、390—410 mm和410—430 mm的参考作物蒸散量分别占区域土地总面积的22.82%、42.50%和21.07%。表明松嫩平原北部30年来实际蒸散量先降低后升高，其下降的趋势大于升高的趋势。实际蒸散量表示植被可以有效利用的降雨量，由此可以看出研究区域植被可利用的有效降雨量在逐渐的降低，这样加剧了松嫩平原北部的旱情。

3.4 土地利用变化的水土资源平衡效应

作物需水量与实际蒸散量之间的差值可以有效反映水分的亏缺状况，这里的实际蒸散量其实就是在没有人为干预情况下的有效降雨量，即植被可以有效利用的水分。掌握不同时期的土地利用变化下的水土平衡效应，可以为制定灌溉制度提供依据。根据潜在蒸散量和作物系数，在ArcGIS中求得植被生长日期的需水量，并根据实际蒸散量运用栅格计算器求得松嫩平原北部不同日期的水分亏缺率（图4）。

从图4可以看出，随着农业气候资源变化和人类活动的干扰，松嫩平原北部水分盈亏程度变化明显，1985—2009年水分亏缺率逐渐增加，水分亏缺地区也明显的增加，2010—2015年水分亏缺率降低，这可能是与近几年降雨量有关，近几年降雨量比较充沛所以水分亏缺量比较低。整体来看水分亏缺率总体趋势为：西北大东南小，由西北向东南逐渐递减。其中，水分亏缺率最大值处在讷河市西北部，其最小值处于拜泉县和依安县南部。此外，图中可以明显看出，由于人类活动的干预，水田的增加，在忽略气候条件的影响下，严重缺水区域也在不断地增加。

为了更加详细地分析松嫩北部平原水分亏缺态势，本文对不同时段水分亏缺率分布比例进行统计分析，表3结果表明，1985年松嫩平原北部中度缺水占的比例最高，共占60.92%，其次是轻度缺水，占21.75%，严重缺水的地区仅占0.82%；1995年轻度缺水占的比例最高，中度缺水其次，两者共占87.39%，严重缺水区域有所增加，变为1.88%，由此可以看出20世纪70—80年代，总体缺水态势小幅度减少，但由于土地利用变化即水田面积的增加使严重缺水区域增加；2005年左右，中度缺水区域所占比例最高，占50.42%，其次是轻度缺水区域，占18.55%；由表3可以明显看出重度缺水区域和严重缺水区域明显增加，分别占18.25%和7.7%，这可能是因为农业气候资源和人为影响共同作用的结果，即降雨量的减少和水田面积增加，湿地和林地面积减少；2015年前后，正常区域占所有区域面积的58.43%，其次是轻度缺水区域，占35.14%，中度缺水、重度缺水和严重缺水区域分别占3.65%、0.17%和2.61%，表明2010—2015年降雨量比较充沛，松嫩平原北部缺水态势比较低，但是由于人为的干扰即水田面积的增加，使得严重缺水面积高达2.61%，比1985年多1.59%。

图4 1985—2015年水分亏缺率分布图Fig.4 The water def i cit rate distribution in 1985-2015

表3 不同时间段水分亏缺率分布比例Tab.3 The distribution ratio of water def i cit rate indifferent time periods

总体分析1985—2015年松嫩平原水分亏缺态势可知，松嫩平原北部水分亏缺态势波动性比较大，受到气候的影响比较明显，这是因为松嫩平原北部处于北方农牧交错带的边缘，是典型的生态脆弱区域，降雨量较少，且分布不均；湿地和林地面积逐年减少，旱地和水田面积逐年增加，使得研究区域水分亏缺态势增加，严重缺水面积逐年增加。

4 结论与讨论

4.1 主要结论

（1）松嫩平原北部30年来土地利用主要是以旱地为主，湿地和林地面积在逐年减少，水田的面积在逐年增加。其中湿地变化幅度最大；旱地面积增加幅度次之；水田和林地增加或减少的幅度相当；对于建设用地而言30年来变化幅度并不是非常的明显。另外，30年来研究区域农业气候资源明显，经过趋势分析得温度以0.27℃/10年逐年增加，潜在蒸散量以5.15 mm/年，逐年减少；降雨量未表现明显的变化趋势，但是降雨量上下波动越来越明显。

（2）根据孙福宝等[19]提出的参数ω值拟合方程，可以有效反映不同土地利用条件、地貌特征和土壤属性条件下的参数ω值，这样可以很大提高计算实际蒸散量的精确率。

（3）从水土资源平衡效应来看，1985—2015年水分亏缺态势受农业气候资源和土地利用变化的影响巨大，1985—2009年水分亏缺率逐渐增加，水分亏缺地区也明显的增加，2010—2015年水分亏缺率降低；同时水田和旱地面积的增加，湿地和林地面积的大量减少，加剧了松嫩平原北部的水分亏缺态势。总体来看，1985—2015年总体的水分亏缺率均值分别是0.25、0.20、0.31和0.13，由此可以看出松嫩平原北部水分亏缺态势总体处于上下波动的状态，对于2011—2015年水分亏缺态势的值小，可能是由于近几年研究区域的降雨量等气候条件比较充沛而引起的。

4.2 存在的不足

本文所用土地利用数据是对Landsat TM遥感影像的判读来获取4个时期的地利用现状数据，识别了旱地、林地、草地6种土地数据类型，关于参数ω值拟合过程，未能对不同植被的根系深度进行更加细致的划分，其次由于人为干扰的原因农田的最深植被根系可能受到影响；（2）由于研究的时间跨度比较大，气象数据的获取来自于中国地面国际交换站气候资料月值数据集，但是研究区域气象站比较少，在计算潜在蒸散量的过程中，经过反距离空间插值可能与实际有一定的偏差。

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