陳 棣， 景國臣， 李英杰

(黑龍江省水土保持科學研究院， 黑龍江 哈爾濱 150070)

典型黑土區(qū)水土保持生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系的構(gòu)建
——以黑龍江省拜泉縣為例

陳 棣， 景國臣， 李英杰

(黑龍江省水土保持科學研究院， 黑龍江 哈爾濱 150070)

[目的] 對典型黑土區(qū)水土保持生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系的構(gòu)建進行探討，以期為該區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論支持。 [方法] 以半干旱半濕潤、水土流失嚴重的拜泉縣為研究區(qū)，運用生態(tài)學原理，采取水量平衡分析的方法，對該區(qū)生態(tài)抗旱措施體系進行構(gòu)建和效果評估。 [結(jié)果] (1) 確定了區(qū)域內(nèi)各項水土保持生態(tài)抗旱措施的優(yōu)化配置比例。 (2) 生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系緩解了旱情的發(fā)生，2005—2009年區(qū)域內(nèi)基本無春旱發(fā)生；與相鄰縣份相比，10a間旱災發(fā)生頻率減少了28.5%。 (3) 水量平衡分析表明，區(qū)域水資源利用率提高了13.6%。 [結(jié)論] 水土保持生態(tài)抗旱是半干旱半濕潤水土流失區(qū)生態(tài)建設的一種有效途徑，拜泉縣生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系的構(gòu)建取得了顯著的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益。不同地區(qū)應根據(jù)自然條件和環(huán)境特點構(gòu)建適合本區(qū)域的生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系。

水土保持； 生態(tài)抗旱； 技術(shù)體系； 水量平衡； 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)； 拜泉縣

干旱缺水是全球6大生態(tài)危機之一，中國是受干旱危害嚴重的國家，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，干旱缺水造成的災害越來越重，損失越來越大。就農(nóng)業(yè)來說，20世紀90年代，中國農(nóng)作物因干旱年均受災面積、損失糧食及其占糧食產(chǎn)量的比例已由50年代的1.20×107hm2,4.35×106t和2.5%分別上升到2.70×107hm2, 2.45×107t和4.7%。據(jù)世界銀行分析，20世紀90年代，中國每年因干旱造成的直接經(jīng)濟損失以及由于干旱缺水導致生態(tài)環(huán)境惡化造成的損失超過500億元。黑龍江省水資源匱乏，干旱發(fā)生比較頻繁。據(jù)資料顯示，在19世紀大約每4 a發(fā)生1次干旱；20世紀90年代前平均每3 a發(fā)生1次干旱，干旱主要發(fā)生在齊齊哈爾、大慶、綏化、哈爾濱等市的中西部和黑河市的南部等27個縣市，但90年代以后，旱情已發(fā)展到佳木斯、牡丹江、雞西、雙鴨山、鶴崗、七臺河等東部城市[1]。另據(jù)資料統(tǒng)計，黑龍江省1958—1992年干旱面積平均每年只有1.19×106hm2，其中成災面積4.80×105hm2，占40%；1993—2002年干旱面積平均每年達到2.74×106hm2，其中成災面積在1.26×106hm2，占46%[2]。同時干旱已逐步由春旱擴展到夏旱及秋旱。本研究目的就是改變傳統(tǒng)的抗旱模式，通過采取工程、植物、農(nóng)技等一系列措施的合理配置，實現(xiàn)可持續(xù)的、預防為主、防抗結(jié)合的抗旱之路，即生態(tài)抗旱。即， (1) 發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)建設，提高水資源的利用率，這對該區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的作用。 (2) 為實現(xiàn)黑龍江省“千億斤糧食產(chǎn)能工程”提供保障[3]。 (3) 對農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，科學利用水土資源，增強農(nóng)業(yè)自身能力，提高產(chǎn)能具有現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)概況

選擇黑龍江省拜泉縣作為研究區(qū)的主要原因主要包括： (1) 拜泉縣地處典型黑土區(qū)核心區(qū)域，是黑龍江省主要糧食生產(chǎn)區(qū)[4]。 (2) 拜泉縣是黑龍江省水土流失治理重點縣份之一，根據(jù)1986年遙感普查和該縣復查，該縣水土流失面積3 505.52 km2，占幅員面積的97.44%[5]。 (3) 拜泉縣屬半干旱半濕潤氣候區(qū)，是黑龍江省主要旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，素有“十年九春旱”之稱[6]，旱災發(fā)生頻率較高，危害大，具有典型黑土區(qū)代表性。

拜泉縣位于黑龍江省中西部，地理坐標為125o30′—126o31′E，47o20′—47o55′N，總面積3 597.01 km2。該縣地貌分為丘陵狀臺地、波狀起伏臺地、緩坡傾斜平坦臺地和漫灘地4種類型。氣候?qū)僦袦貛Т箨懶詺夂颍h年均氣溫1.2 ℃；年均降水量490 mm，5—9月降水量435 mm，占全年的87.7%。年均徑流深46 mm，年平均蒸發(fā)量1 132.6 mm，年均風速3.1 m/s，最大風速22 m/s。據(jù)第2次土壤普查，土壤類型分為黑土、黑鈣土、草甸土、沼澤土、鹽土5個土類。黑土是主要耕作土壤。植被類型主要有丘陵植被、草原化草甸植被、草甸植被和沼澤化植被4種。根據(jù)1986年遙感普查和該縣復查，該縣水土流失面積中，輕度侵蝕832.58 km2，占流失面積的23.75%；中度侵蝕2 257.44 km2，占流失面積的64.40%；強度侵蝕415.50 km2，占流失面積的11.85%。年均土壤侵蝕模數(shù)2 594 t/km2。

2 研究方法與數(shù)據(jù)分析

2.1 理論依據(jù)

生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系是應用生態(tài)學原理，采取水保、植物、耕作等技術(shù)措施，改變生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中諸因子時空狀態(tài)，實現(xiàn)生態(tài)抗旱措施體系的保水、蓄水、調(diào)水和節(jié)水4大功能[7-8]，進而達到系統(tǒng)內(nèi)水分平衡，提高系統(tǒng)抗御各種災害能力，以創(chuàng)造適合生物體生長發(fā)育最佳時空環(huán)境，達到可持續(xù)增加生物產(chǎn)量的目的，使改變了的生物系統(tǒng)與環(huán)境系統(tǒng)有機結(jié)合形成生態(tài)抗旱體系。

2.2 研究方法

2.2.1 生態(tài)抗旱措施體系構(gòu)建 生態(tài)抗旱就是通過各種技術(shù)措施促進生態(tài)環(huán)境中水分得失(+,-)的平衡。也就是說通過“保、蓄、調(diào)、節(jié)水”技術(shù)措施，減少蒸散，減少徑流，使天然降水與耗水保持相對平衡。在一定的時空內(nèi)，水分的運動保持著質(zhì)量守恒，或輸入的水量和輸出的水量之間的差額等于系統(tǒng)內(nèi)蓄水的變化量。在閉合流域或集水區(qū)內(nèi)，一般把大氣降水視為生態(tài)系統(tǒng)的水分輸入量，把蒸發(fā)或蒸騰及各種徑流作為水分的輸出量。此時，不同植被類型水量平衡方程[9]為：

P=E+ΔW+R

(1)

式中：P——大氣降水量(mm)；E——蒸發(fā)散量(mm)；R——徑流量(mm)；ΔW——土壤貯水量變化(mm)。

農(nóng)田蒸散的估算采用Penman公式[10]計算：

(2)

式中：E——蒸散量(mm/d)；Ea——空氣干燥力(大氣蒸發(fā)量,mm/d)；α——系數(shù)；γ——干濕表常數(shù)(66.2Pa/℃)；Δ——飽合水汽壓曲線斜率〔mm/℃，從Δ(T)表中查算〕；R——表面凈輻射量(mm/d)，R=R0(1-A)-Ri；R0——天空總輻射(mm/d)；A——反射率；Ri——地面有效長波輻射(mm/d)。

2.2.2 生態(tài)抗旱效果評價 研究區(qū)歷史旱情變化分析采用德國瓦爾特旱情分析圖解法，相鄰縣份旱情分析采用同期對比法。生態(tài)抗旱措施體系生態(tài)效益采取典型小流域?qū)嵉赜^測法。其中氣象指標采用PC-3便攜式自動氣象站觀測。農(nóng)田土壤容重、孔隙度和田間最大持水量采用環(huán)刀法測定。土壤穩(wěn)滲系數(shù)采用雙環(huán)法測定。土壤有機質(zhì)含量采取稀釋熱法測定。地表徑流量采用標準小區(qū)測定。區(qū)域水量平衡分析利用水量平衡方程式對不同植被類型進行加權(quán)統(tǒng)計分析。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 數(shù)據(jù)來源 不同時期拜泉縣土地利用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來源于拜泉縣土地局。氣象因子數(shù)據(jù)來源于拜泉縣氣象站。歷年旱澇災害數(shù)據(jù)來源于拜泉縣、克山縣民政局。各項水土保持措施的保水、蓄水、調(diào)水、地表徑流數(shù)據(jù)來源于拜泉縣1990—1992年水保觀測網(wǎng)點和黑龍江省水土保持科學研究所試驗觀測結(jié)果?？购倒?jié)水資料來源于拜泉縣2010年小型農(nóng)田水利重點縣實施方案。數(shù)據(jù)分析采用Excel和SPSS15.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2.3.2 生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系指標的確定 在生態(tài)抗旱措施體系中，能否實現(xiàn)防旱、抗旱，主要取決于保水、蓄水、調(diào)水、節(jié)水4大功能是否發(fā)揮作用，而功能的實現(xiàn)，主要靠技術(shù)措施建立及完善過程來實現(xiàn)。這其中有個措施建設量變到質(zhì)變的過程。當各項技術(shù)措施達到最佳狀態(tài)時，則體系中抗旱性能為最理想狀態(tài)。因此，確定各項措施指標極為重要。

根據(jù)拜泉縣水保觀測網(wǎng)點和黑龍江省水土保持科學研究所在克拜地區(qū)試驗觀測，將徑流量、田間最大持水量、灌溉用水量等測定結(jié)果增減量轉(zhuǎn)換計算為氣象雨量值，得出生態(tài)抗旱各項技術(shù)措施指標(表1)。

表1 生態(tài)抗旱技術(shù)措施定額指標 mm

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)抗旱技術(shù)措施比例的確定

根據(jù)水量平衡原理和作物生育需水要求，以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水分輸入與輸出相平衡和最大田間持水量為目標值，采用水量平衡方程對區(qū)域內(nèi)生態(tài)抗旱措施體系進行水量平衡分析，得出拜泉縣各項各項生態(tài)抗旱措施的配置數(shù)量和占比，計算結(jié)果詳見表2。

水量平衡方程為：P=E+ΔW+R

表2 拜泉縣生態(tài)抗旱措施配結(jié)果

從表1中看出，各項水土保持措施配置體現(xiàn)了保水、蓄水、調(diào)水、節(jié)水的有機結(jié)合，各項措施配置最佳比例為梯田1.75%～2.65%，地埂植物帶0.60%～0.91%，改壟24.88%～37.30%，水源涵養(yǎng)林13.93%～21.15%，封禁治理0.45%～0.68%，中耕深松25.65%～38.36%，耙茬深松2.48%～3.71%，農(nóng)田噴灌0.56%～0.83%，微灌0.35%～0.52%。

3.2 土地利用結(jié)構(gòu)變化分析

生態(tài)抗旱措施的實施，調(diào)整了土地利用結(jié)構(gòu)，使土地利用結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方式發(fā)生了較大的變化。各項生態(tài)抗旱措施實際完成情況詳見表3。土地利用結(jié)構(gòu)變化情況詳見表4。

從表3可以看出，拜泉縣各項生態(tài)抗旱技術(shù)措施實施面積基本上與所確定的配置比例上限一致，能夠?qū)崿F(xiàn)保水、蓄水、調(diào)水、節(jié)水的生態(tài)抗旱目標。從表4土地利用變化情況看，生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系的構(gòu)建，調(diào)整了區(qū)域內(nèi)農(nóng)林牧用地結(jié)構(gòu)，農(nóng)地減少了4.90%，林地增加了8.45%，草地增加了0.31%，農(nóng)林牧用地比例更加趨于合理，農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進一步多元化。

表3 拜泉縣生態(tài)抗旱措施實際完成情況

表4 拜泉縣土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整情況

3.3 生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系對旱情變化影響分析

3.3.1 歷史比較分析 運用德國瓦爾特旱情分析圖解法，對拜泉縣治理前5a(1975—1979年)與治理后5a(2005—2009年)進行旱情分析。結(jié)果表明，前5a平均溫度線與1 ∶2降水線交叉重疊在3—5月，均為嚴重干旱，而后5a平均溫度線與1 ∶2降水線及1 ∶3降水線均未交叉重疊，則為無春旱(圖1—2)。說明生態(tài)抗旱措施體系建設增強了區(qū)域抗旱能力。

圖1 拜泉縣1975—1979年瓦爾特旱情分析

圖2 拜泉縣2005—2009年瓦爾特旱情分析

3.3.2 與相鄰縣份比較分析 通過對1997—2006年拜泉縣和鄰近克山縣春旱情況調(diào)查(表5)，拜泉縣10a中平均春季降雨量為69.1mm，有5a發(fā)生春旱，受災面積3.28×105hm2，而克山縣10a中平均春季降雨量75.0mm，有7a發(fā)生春旱，受災面積6.20×105hm2，為拜泉縣受災面積的近1倍。雖然兩縣春季降雨量相差不多，克山縣比拜泉縣還相對多了5.9mm，但是春旱頻次和程度都高于拜泉縣，說明拜泉縣生態(tài)抗旱措施體系發(fā)揮了明顯的抗旱減災作用。

表5 拜泉縣和克山縣1997—2006年旱災對比

3.4 生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系調(diào)節(jié)水量分析

根據(jù)我們在拜泉縣多年試驗觀測數(shù)據(jù)分析，按照農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水量平衡公式，對拜泉縣實施生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系前后農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中水量平衡分析，結(jié)果詳見表6。從表6可以看出，生態(tài)抗旱措施體系實施前，農(nóng)田系統(tǒng)中消耗水量的蒸散量和徑流量占降水量的比例分別為59.8%和55.3%，耗水量明顯大于降水量。生態(tài)抗旱措施體系生效后，由于環(huán)境的改善，區(qū)域小氣候向好的方面轉(zhuǎn)化，降雨量增加了10.9%，農(nóng)田蒸散量減少了4.7%，地表徑流量減少8.3%，土壤貯水量由原來的-61.9mm調(diào)節(jié)為13.2mm，水量由虧損轉(zhuǎn)變?yōu)樗科胶獠⑸杂汹A余，水資源利用率提高了13.6%，保證了農(nóng)作物生育期對水分的需求。

表6 拜泉縣生態(tài)抗旱措施實施前后農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水量平衡分析

3.5 生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系改善生態(tài)環(huán)境效果分析

生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系的建立，形成了工程措施、植物措施、農(nóng)業(yè)耕作相結(jié)合，良性循環(huán)的生態(tài)體系。該縣植被覆蓋率達到24.25%，其中森林覆蓋率達到21.15%。區(qū)域生態(tài)環(huán)境有了較大的改善，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)向穩(wěn)定、協(xié)調(diào)、健康方向發(fā)展。由于植被覆蓋度大幅度增加，改善了生態(tài)環(huán)境，提高“體系”內(nèi)溫、濕度，降低大氣壓強，增強了抗干旱能力。2013年在拜泉縣通雙小流域?qū)崪y結(jié)果表明，坡耕地徑流量減少76.1%，泥沙流失量減少97.8%，土壤平均容重減小了0.05～0.12g/cm3，總孔隙度增加1.9%～4.1%，透水速度增加0.58～1.39mm/min，田間持水量增加5.18%～11.56%；農(nóng)田林網(wǎng)內(nèi)風速降低58%，空氣相對濕度提高10%～14%，蒸發(fā)量減少14.6%～17.8%；土壤有機質(zhì)含量增加0.51%，保肥能力提高51%。由于小氣候得到改善，近年來該流域沒有發(fā)生過大的旱、澇、冰雹、低溫、早霜等自然災害。

3.6 生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系經(jīng)濟效益分析

拜泉縣生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系建設取得了明顯的生態(tài)、經(jīng)濟、社會效益。根據(jù)拜泉縣統(tǒng)計年鑒，截止2012年該縣糧食總產(chǎn)量增加8.48×106kg，平均增產(chǎn)糧食185kg/hm2，年均經(jīng)濟收入增加8 196.32萬元，人均收入增加4 150元。該體系建設提高了區(qū)域抵御干旱等自然災害能力，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了保證。

4 結(jié) 論

(1) 拜泉縣水土保持生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系的實施，調(diào)整了土地利用結(jié)構(gòu)，大幅度提高了植被覆蓋率，各項措施的保水、蓄水、調(diào)水、節(jié)水“四大”功能得到了有效的發(fā)揮，增強了抵抗自然災害的能力。運用德國瓦爾特旱情分析圖解法分析表明，生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系建立后的2005—2009年基本無春旱發(fā)生，與相鄰縣份相比，1997—2006年旱災發(fā)生頻率減少了28.5%。

(2) 通過對保水、蓄水、調(diào)水、節(jié)水技術(shù)的合理優(yōu)化配置，減少了地表徑流量，改善了土壤保蓄水能力，提高了自然降水的利用率，使農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水量趨于平衡。拜泉縣的生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系建設實踐表明，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)水量由過去的虧損轉(zhuǎn)為稍有盈余，水資源利用率提高了13.6%。

(3) 拜泉縣的水土保持生態(tài)抗旱實踐證明，區(qū)域生態(tài)環(huán)境向良性循環(huán)轉(zhuǎn)化，農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，糧食產(chǎn)量明顯增加，經(jīng)濟收入逐步提高，說明水土保持生態(tài)抗旱技術(shù)措施具有明顯的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益。

(4) 水土保持生態(tài)抗旱是半干旱半濕潤水土流失區(qū)生態(tài)建設的一種有效途徑。生態(tài)抗旱措施體系的4大功能，即保水功能、蓄水功能、調(diào)水功能和節(jié)水功能，不僅能夠起到補水作用，更主要的功能是充分合理的配置水資源。不同地區(qū)自然條件和環(huán)境特征不同，建立的生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系也不一致，應根據(jù)具體條件選擇適合區(qū)域特點的生態(tài)抗旱技術(shù)。

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Systematic Configuration of Ecological Measures of Soil and Water Conservation for Drought Resistance in Typical Black Soil Region —A Case Study of Baiquan County, Heilongjiang Province

CHEN Di， JING Guochen， LI Yingjie

(SoilandWaterConservationResearchInstituteofHeilongjiangProvince,Harbin,Heilongjiang150070,China)

[Objective] The configuration of ecological systematic measures of soil and water conservation for drought resistance in typical black soil region was discussed to provide theoretical support for the sustainable development of ecological agriculture in the region. [Methods] Under the principle of ecology, and method of water balance analysis was adopted, the drought relief system constructed by ecological measures of Baiquan County was built and evaluated. The county lied in an transition from semi-arid area to sub-humid area, where soil was seriously eroded. [Results] (1) The proportion of ecological drought relief measures that focus on soil and water conservation in the region was optimized. (2) Ecological measures for drought relief system eased off drought disaster. E.g., spring drought almost never happened from 2005 to 2009 in the region. In average, drought frequency decreased by 28.5% in comparison with that of adjacent counties in 10 years. (3) Water balance analysis showed that the regional water utilization ratio increased by 13.6%. [Conclusion] Ecological drought relief measures for soil and water conservation is an effective way of ecological construction for semi-arid sub-humid and soil loss region. It had obtained significant ecological, economic and social benefits in the case of systematic configuration of ecological measures for drought resistant in Baiquan county. The drought resistant measures should be configured according to local natural conditions and environmental characteristics.

soil and water conservation; ecological drought resistance; technological system; water balance; farmland ecosystem; Baiquan County

2016-03-06

2016-05-04

黑龍江省科技攻關(guān)項目“黑龍江省生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系構(gòu)建的研究”(GB04B702)

陳棣(1963—)，男(漢族)，黑龍江省五常市人，教授級高級工程師,主要從事土壤侵蝕與荒漠化防治方面的研究。E-mail：chend_1226@163.com。

景國臣(1964—)，男(漢族)，黑龍江省望奎縣人，教授級高級工程師, 主要從事土壤侵蝕與荒漠化防治方面的研究。E-mail：jgc031@163.com。

B

1000-288X(2016)06-0195-05

S157.2,S423

文獻參數(shù)： 陳棣， 景國臣， 李英杰.典型黑土區(qū)水土保持生態(tài)抗旱技術(shù)措施體系的構(gòu)建[J].水土保持通報，2016,36(6)：195-199.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.033