南錫康，趙華甫※，吳克寧，曹 琳

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.國(guó)土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035)

0 引言

我國(guó)水土分布極不均衡，統(tǒng)計(jì)表明，淮河流域及以北地區(qū)耕地占全國(guó)的62%，水資源總量卻不足全國(guó)的20%； 長(zhǎng)江以南耕地占全國(guó)38%，但水資源總量卻占全國(guó)的80%以上，水資源時(shí)空分布不均成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展，尤其是耕地質(zhì)量提升的關(guān)鍵要素。北方地區(qū)有諺語“有收無收在于水，收多收少在于肥”?！掇r(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》[1](GB/T 28407-2012)明確規(guī)定灌溉保證率是對(duì)農(nóng)用地質(zhì)量有顯著影響的構(gòu)成因素之一。耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程(NY/T 1634-2008)[2]將灌溉保證率、灌溉水源類型和田間輸水基本方式作為采樣點(diǎn)基本情況納入調(diào)查范圍?！陡邩?biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)通則》(GB/T 30600-2014)[3]將灌溉與排水工程作為重點(diǎn)工程，并作出詳細(xì)的水源工程、輸水工程、微噴灌、渠系建筑物等工程體系說明。由此可見，農(nóng)田灌溉設(shè)施建設(shè)對(duì)于耕地質(zhì)量提升和農(nóng)業(yè)增收具有顯著的提升效益。在農(nóng)用地分等及其成果更新中，通常以鄉(xiāng)鎮(zhèn)或村莊為調(diào)查單位，通過實(shí)地調(diào)查與農(nóng)田水利建設(shè)資料相結(jié)合的方法獲取農(nóng)田灌溉信息，所取數(shù)據(jù)在空間上、時(shí)間上都較為粗略，且耗費(fèi)大量人力物力。遙感數(shù)據(jù)以信息含量大、更新快、精確度高著稱，基于遙感影像進(jìn)行土壤水分與植物生長(zhǎng)形態(tài)的農(nóng)田旱情監(jiān)測(cè)研究較多，如熱慣量法、距平植被指數(shù)法、溫度植被指數(shù)法等，而利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行耕地灌溉情況分析的研究較少。

2011年，全球MODIS陸地蒸散數(shù)據(jù)發(fā)布，包括蒸散、潛在蒸散、潛熱通量、潛在潛熱通量4個(gè)參量。許多學(xué)者用MODIS蒸散數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列農(nóng)田旱情反演研究，劉振華等[4]基于蒸散模型計(jì)算作物缺水指數(shù)，估算了干旱半干旱區(qū)土壤含水率。蔣磊等[5]將作物生長(zhǎng)期灌溉地的蒸散扣除降水量作為灌溉水有效利用量，利用遙感蒸散模型計(jì)算了作物生育期蒸散量，對(duì)干旱區(qū)灌區(qū)灌溉效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)。黃健熙等[6]基于多年遙感蒸散數(shù)據(jù)，結(jié)合作物系數(shù)，用區(qū)域多年有效灌溉量與灌溉需水量比值進(jìn)行耕地灌溉保證能力評(píng)價(jià)。王玲玲等[7]比較和分析了目前旱情監(jiān)測(cè)中運(yùn)用較為廣泛的幾種模型，研究發(fā)現(xiàn)作物缺水指數(shù)(CWSI)適合黃河三花間半干旱區(qū)農(nóng)田旱情監(jiān)測(cè)。何慧娟等[8]利用 MOD16 蒸散產(chǎn)品計(jì)算作物缺水指數(shù)(CWSI)，并發(fā)現(xiàn)CWSI與土壤相對(duì)濕度的變化規(guī)律一致，基于此分析了陜西關(guān)中地區(qū)干旱的時(shí)空分布特征。諸多研究表明，MOD16蒸散產(chǎn)品對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)模擬精度較高，適應(yīng)性廣，是區(qū)域內(nèi)農(nóng)田土壤水分含量及灌溉滿足程度分析的理想數(shù)據(jù)源[9-13]。

為探索遙感蒸散數(shù)據(jù)在基本農(nóng)田灌溉設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用，文章以黑龍江省海倫市為例，結(jié)合研究區(qū)灌溉設(shè)施易遭受低溫凍壞的實(shí)際情況，利用2013年6月、7月、8月和9月的MOD16A2蒸散數(shù)據(jù)，探索旱地和水田年度灌溉水平的快速評(píng)價(jià)方法，并基于評(píng)價(jià)結(jié)果和農(nóng)田水利干線疊加分析結(jié)果，進(jìn)行基本農(nóng)田灌溉設(shè)施建設(shè)分區(qū)研究，以期為高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田灌溉設(shè)施建設(shè)分區(qū)提供參考。

圖1 海倫市DEM圖

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省海倫市(126°14′E～127°45′ E， 46°58′N～47°52′ N)，地處黑龍江中部，處于小興安嶺山地向松嫩平原的過渡地帶，是綏化市所管轄的以農(nóng)業(yè)為主的縣級(jí)市， 20世紀(jì)90年代列入國(guó)家級(jí)科技示范縣(市)，是全國(guó)商品糧生產(chǎn)基地。海倫市下分7鎮(zhèn)16鄉(xiāng)，屬大陸性季風(fēng)氣侯，年平均氣溫1.5℃，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，多西北風(fēng)，氣候干燥；夏季多偏南風(fēng)，濕熱多雨，氣候濕潤(rùn)，土壤肥沃。自然條件優(yōu)越，地勢(shì)平坦，從東北到西南，由低丘陵、高平原、河階地、河漫灘依次呈階梯形逐漸降低。土壤類型以黑土和草甸土為主，黑土為耕地主要土壤。耕作制度為一年一熟，主要種植玉米、水稻和大豆。全市耕地面積33.674 8萬hm2，水田、水澆地和旱地比例分別為7.56%、0.06%和92.38%。境內(nèi)有通肯河、克音河、海倫河、三道烏龍溝和扎音河5條河流，以及東方紅、聯(lián)豐和星火等5座大中型水庫，為境內(nèi)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田灌溉設(shè)施建設(shè)提供了充足的水源。海倫市地處寒地黑土區(qū)，冬季寒冷漫長(zhǎng)，極端低溫可達(dá)到-40℃，灌溉渠道和水工建筑物易受凍害，農(nóng)田水利設(shè)施使用壽命短，不同年份灌溉水平變化大，灌溉設(shè)施需要定期維護(hù)和更新。其境內(nèi)的基本農(nóng)田灌溉工程建設(shè)具有寒地黑土區(qū)基本農(nóng)田建設(shè)的一般特點(diǎn)，具有較高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和示范推廣意義。

圖2 技術(shù)路線

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

該文所用數(shù)據(jù)包括研究區(qū)2013年MOD16蒸散產(chǎn)品、Landsat8-OLI影像3景、2013年海倫市耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)庫、2013年海倫市統(tǒng)計(jì)年鑒、耕地地力調(diào)查和評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫和行政區(qū)矢量界線。蒸散包括地表蒸發(fā)和植物蒸騰。MOD16產(chǎn)品是由美國(guó)蒙大拿大學(xué)(NTSG)制作，采用2011年MU等人在2007年算法的基礎(chǔ)上改進(jìn)的蒸散算法[14-15]，充分考慮地表覆蓋、大氣壓空氣溫度、濕度、反照率、輻射空氣溫度等參數(shù)[16]，與網(wǎng)格降水?dāng)?shù)據(jù)結(jié)合計(jì)算空間區(qū)域補(bǔ)給[17]，空間分辨率1km，數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)站(www.ntsg.umt.edu)。該研究選用2013年MOD16A2的蒸散(ET)、潛在蒸散(PET)月合成參量。由于原始數(shù)據(jù)是基于sin 投影的 HDF 格式，需要借助MRT(Modis Reprojection Tool)軟件對(duì)原始HDF數(shù)據(jù)進(jìn)行重投影處理，裁剪形成研究區(qū)2013年覆蓋主要作物生育期的蒸散和潛在蒸散數(shù)據(jù)集。氣象數(shù)據(jù)來源于2013年海倫市統(tǒng)計(jì)年鑒。2013年Landsat8-OLI影像來自地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn)，選取云量較少的3景影像，成像時(shí)間分別為5月25日、6月26日、7月12日，經(jīng)輻射定標(biāo)、FLAASH大氣校正、矢量裁剪后進(jìn)行支持向量機(jī)分類，將分類結(jié)果與2013年海倫市耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)庫對(duì)照，確定耕地圖斑矢量范圍和地類名稱。選用ArcGIS10.2和ENVI5.2軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，技術(shù)路線如圖2。

2 研究方法和主要參數(shù)確定

2.1 作物種植結(jié)構(gòu)提取

以第二次全國(guó)土地調(diào)查耕地圖斑為研究單元，查詢當(dāng)?shù)剞r(nóng)事歷，獲知水稻、大豆和玉米生育期分別為4至9月中旬或中下旬、5月初至10月上旬和5月初至9月中旬?；?種作物生育期歸一化植被指數(shù)差異，運(yùn)用支持向量機(jī)分類方法，結(jié)合多時(shí)相Landsat8 OLI遙感數(shù)據(jù)融合結(jié)果，提取海倫市作物種植結(jié)構(gòu)。分類結(jié)果顯示，研究區(qū)玉米種植面積最大，約占耕地總面積的70%，在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有大面積集中分布； 水稻基本種植在河流兩岸，分布規(guī)律，面積比例在20%左右； 而大豆則零星分布在各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，面積比例約為10%，混合在玉米種植區(qū)之間，一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)也存在大豆與玉米間作的情況。由于采用的MODIS蒸散數(shù)據(jù)分辨率較低，種植大豆的地塊一般不足1km，面積小且分布零散，小于蒸散數(shù)據(jù)的像元，且間作地區(qū)的蒸散量主要受玉米影響，因此該文將種植大豆的地塊合并到玉米種植區(qū)，旱地蒸散量統(tǒng)一按玉米地蒸散量計(jì)算，水田蒸散量按稻田蒸散計(jì)算。

2.2 旱地灌溉水平評(píng)價(jià)

該文旱地灌溉水平評(píng)價(jià)參考黃健熙等[6]灌溉保證能力計(jì)算方法(式1)。根據(jù)水量平衡原理，研究區(qū)旱地水分輸入與輸出總量相等。水分輸入包括降雨(P)、灌溉水以及地下水上行補(bǔ)給，水分輸出包括蒸散(ET)、下滲及地表徑流損失。一般情況下，地下水上行補(bǔ)給量非常少，忽略不計(jì)； 研究區(qū)旱地地形坡度基本小于2°，距離河流較遠(yuǎn)，徑流流出面積基本1km以內(nèi)，不影響與蒸散數(shù)據(jù)之間的計(jì)算，因此地表徑流損失忽略不計(jì)； 土壤下滲與蒸散和灌溉有相關(guān)性且關(guān)系復(fù)雜，整體分析后得出有效灌溉量簡(jiǎn)化公式(式2)。

IGCI=EIW/IWD

(1)

EIW=ET-P

(2)

式(1)(2)中，IGCI為灌溉保證能力;EIW指有效灌溉量;IWD為灌溉需水量;ET為蒸散量;P為有效降雨量。其中，有效降雨量是指滲入土壤并儲(chǔ)存在作物主要根系吸水層中的降雨量，其數(shù)量為降雨量扣除地面徑流量和深層滲漏量，與根系吸水層的深度、土壤持水能力、雨前土壤儲(chǔ)水量、降雨強(qiáng)度和降雨量等因素有關(guān)。由于研究區(qū)旱地徑流流出面積基本在1km以內(nèi)，不影響與蒸散數(shù)據(jù)之間的計(jì)算，深層滲漏量又與蒸散量密切相關(guān)，因此，可用研究區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒中降雨量粗略表示有效降雨量。

MODIS蒸散產(chǎn)品采用改進(jìn)的Penman-Monteith方程計(jì)算蒸散量(ET)，用Penman公式計(jì)算潛在蒸散量(PET)。Wang等[18]在研究潛在蒸散與土壤的關(guān)系的過程中，發(fā)現(xiàn)MOD16A2 產(chǎn)品PET參量高估參考作物需水量。黃健熙等[6]利用回歸分析方法得到參考作物需水量與MOD16A2中PET參量的冪函數(shù)經(jīng)驗(yàn)回歸模型Y=0.124X1.271 8，其R2達(dá)0.895 8。借鑒此模型，得到參考作物需水量計(jì)算公式。不同作物在不同生育期灌溉需水量變化較大。目前計(jì)算作物需水量的方法主要有兩種，一種是直接法，通過田間試驗(yàn)的方法直接獲得作物的需水量； 另一種是間接法，也叫彭曼公式法，用作物系數(shù)修正參考作物需水量得到特定作物需水量。對(duì)于玉米種植區(qū)，該文采用第2種方法，用參考作物需水量(ET0)與作物系數(shù)(KC)的乘積作為玉米各月份需水量(ETC)：

ETc=ET0×Kc

(3)

式(3)中，作物系數(shù)(KC)是指不同發(fā)育期中需水量與可能蒸散量之比值，與地域氣候、種植方式、作物品種等因素相關(guān)。該文引用黃健熙等[6]相關(guān)研究，將“參考作物需水量”與“參考作物可能蒸散量”看作等量關(guān)系。海倫市玉米生育期為5月初至9月中旬，引用白靜[19]對(duì)玉米各生育期作物系數(shù)的研究，整理分析得出海倫市玉米主要生育期內(nèi)各月份作物系數(shù)(KC)如表1。由于玉米幼苗期降雨量較少，田間較為干旱，灌溉水土壤下滲對(duì)有效灌溉量的計(jì)算影響較大，容易出現(xiàn)誤差，因此該文玉米灌溉需水量從6月開始計(jì)算。

表1 海倫市生育期內(nèi)各月份作物系數(shù)

月份56789生育期苗期苗期、拔節(jié)期喇叭口期、開花抽絲期、灌漿期灌漿期成熟期作物系數(shù)取值0.980.7851.480.660.45

綜上所述，整理灌溉需水量(IWD)計(jì)算公式為：

IWD=0.124PET1.271 8Kc-P

(4)

表2 2013年海倫市旱地灌溉水平級(jí)別劃分

灌溉水平級(jí)別1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)IGCI值≥0.50.4～0.50.3～0.4≤0.3

農(nóng)用地質(zhì)量分等中將灌溉保證率分為“充分滿足、基本滿足、一般滿足、無灌溉條件”4級(jí)，東北區(qū)對(duì)應(yīng)分值為“100分、90分、70分、50分”，海倫市耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果中將灌溉能力分為“100分、70分、50分、20分、0分”5個(gè)等級(jí)。統(tǒng)計(jì)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)IGCI值分布，將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)IGCI平均值與耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)分值匹配，灌溉能力為100分的鄉(xiāng)鎮(zhèn)IGCI平均值基本在0.5以上， 70分的鄉(xiāng)鎮(zhèn)IGCI平均值整體上介于0.4～0.5， 0分和20分的鄉(xiāng)鎮(zhèn)IGCI平均值幾乎都低于0.3，因此，以0.3、0.4、0.5為界，將2013年海倫市灌溉水平分為4級(jí)，如表2。

2.3 水田灌溉水平評(píng)價(jià)

鑒于海倫市水田多分布在河流兩岸，地表徑流對(duì)稻田持水量影響較大，地下水對(duì)土壤水分補(bǔ)給也較多，且河水的蒸發(fā)與稻田的蒸散相互影響，因此MOD16產(chǎn)品中ET、PET數(shù)據(jù)與稻田實(shí)際蒸散量存在一定誤差。如果采用作物系數(shù)計(jì)算，會(huì)造成灌溉需水量較大而有效灌溉量較小的錯(cuò)誤結(jié)果。為提高估算精確度，該文從土壤濕度與農(nóng)田旱情監(jiān)測(cè)角度入手研究水田灌溉水平。

Jackson等[20]以熱量平衡原理為基礎(chǔ)，利用紅外測(cè)溫技術(shù)測(cè)得冠層溫度，估算濕度和空氣干球溫度和凈輻射等參數(shù)，導(dǎo)出計(jì)算作物缺水指數(shù)(CWSI)方程(式5)，間接監(jiān)測(cè)植被覆蓋條件下的土壤水分，提出了作物缺水指數(shù)(CWSI)的概念，利用土壤水分和農(nóng)田蒸散來診斷作物水分脅迫狀況，并在植被覆蓋條件下取得了較高的監(jiān)測(cè)精度。

CWSI=1-ET/PET

(5)

式(5)中，ET為實(shí)際蒸散量，mm；PET潛在蒸散量，mm。CWSI的值越大，表明作物越缺水，值越小表示越濕潤(rùn)。當(dāng)CWSI=0時(shí)，表明作物有充分的水分供應(yīng)； 當(dāng)CWSI=1時(shí)，作物嚴(yán)重缺水[7]。

作物缺水系數(shù)法是基于區(qū)域蒸散量估算土壤干旱狀況的常用方法，以蒸散量(ET)與潛在蒸散量(PET)為參數(shù)，充分考慮了植被覆蓋狀況和地面風(fēng)速、水汽壓等氣象要素。而且實(shí)際蒸散量(ET)與潛在蒸散量(PET)的比值不僅可以直觀地反映出區(qū)域水分的盈虧狀況，而且大大降低了研究區(qū)河流水面蒸散帶來的誤差。

表3 海倫市水田灌溉水平級(jí)別劃分

灌溉水平級(jí)別1級(jí)2級(jí)3級(jí)4級(jí)CWSI值≤0.40.4～0.60.6～0.7≥0.7

由于東北大米品質(zhì)好、價(jià)格高，因此研究區(qū)政府和農(nóng)戶對(duì)水稻的種植和管理十分重視，稻田灌溉設(shè)施完善，灌溉保證能力普遍較高，絕大多數(shù)地塊灌溉保證率都在“充分滿足”一級(jí)。為反映年度間灌溉水平變化，該文參考王純枝等[21]對(duì)作物缺水情況的劃分方法，制定研究區(qū)作物缺水程度對(duì)應(yīng)灌溉水平級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)如表3。

2.4 灌溉設(shè)施建設(shè)分區(qū)研究

基于2013年基本農(nóng)田灌溉水平級(jí)別判定結(jié)果，結(jié)合研究區(qū)農(nóng)田水利主干工程空間分布情況，運(yùn)用ArcGIS平臺(tái)的Buffer Analysis分析工具，對(duì)研究區(qū)農(nóng)田水利線狀地物進(jìn)行200m緩沖區(qū)分析，分析研究區(qū)灌溉設(shè)施影響作用分值。有灌溉設(shè)施或與水利干線距離較近的地塊，作用分值標(biāo)識(shí)為“1”，無灌溉設(shè)施或距離水利干線較遠(yuǎn)的地塊，作用分值標(biāo)識(shí)為“0”。其次，對(duì)農(nóng)田灌溉水平級(jí)別與灌溉設(shè)施作用分值分布圖進(jìn)行疊加分析，得出8種組合類型，即“01、02、03、04、11、12、13、14”。如“12”表示“有灌溉設(shè)施或灌溉設(shè)施發(fā)揮作用，灌溉水平級(jí)別為2級(jí)”，“03”表示“無灌溉設(shè)施或灌溉設(shè)施作用缺失，灌溉水平級(jí)別為3級(jí)”。最后，統(tǒng)計(jì)8種組合耕地圖斑面積，分析灌溉設(shè)施覆蓋情況與工作效率，確定建設(shè)方向，完成研究區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田灌溉設(shè)施建設(shè)分區(qū)。

3 結(jié)果與分析

3.1 土地整治項(xiàng)目區(qū)灌溉水平評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證研究區(qū)旱地和水田灌溉水平級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)的可行性，該文以海倫市倫河鎮(zhèn)土地整治項(xiàng)目區(qū)167塊水田、110塊旱地為樣點(diǎn)，分析2012～2013年CWSI值和IGCI值變化(表4)與土地整治項(xiàng)目區(qū)灌溉水平提升情況。研究表明，土地整治項(xiàng)目區(qū)2012年與2013年間水田CWSI值變化幅度較大， 148塊水田CWSI差值大于0.2， 167塊樣地灌溉水平級(jí)別全部提升1級(jí)； 99塊旱地IGCI值增長(zhǎng)值大于0.1， 32塊旱地灌溉水平級(jí)別提升1級(jí)， 58塊樣地灌溉水平級(jí)別提升2級(jí)， 110塊旱地IGCI平均值提高0.17，與土地整治灌溉保證能力提升效果相符。

表4 2012年和2013年土地整治項(xiàng)目區(qū)CWSI和IGCI值

年份水田CWSI值旱地IGCI值最大值最小值平均值最大值最小值平均值20120.550.430.470.870.220.2520130.380.210.240.590.380.42

圖3 2012年(a)和2013年(b)土地整治項(xiàng)目區(qū)灌溉水平

圖4 2013年海倫市灌溉水平評(píng)價(jià)

3.2 農(nóng)田灌溉水平評(píng)價(jià)結(jié)果

由于研究區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)不斷變化，統(tǒng)計(jì)年鑒顯示近幾年大豆種植范圍逐年縮減，玉米種植面積不斷增加，而2013年以前的遙感影像獲取難度較大，作物種植結(jié)構(gòu)難以確定，利用作物系數(shù)進(jìn)行灌溉水平的評(píng)價(jià)也就無法進(jìn)行。作物缺水指數(shù)(CWSI)可不區(qū)分作物類型進(jìn)行田間旱情監(jiān)測(cè)，但精度較低。在計(jì)算2010～2014年CWSI值后發(fā)現(xiàn)研究區(qū)多年CWSI得分均呈現(xiàn)“中部>北部>南部>東部”的特點(diǎn)。用作物系數(shù)和作物缺水指數(shù)分別對(duì)研究區(qū)2013年水田和旱地灌溉水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與多年CWSI值空間分布一致。耕地地力調(diào)查評(píng)價(jià)鄉(xiāng)鎮(zhèn)灌溉能力呈現(xiàn)“中北部>南部>東部”的分布特點(diǎn)， 2013年灌溉水平評(píng)價(jià)結(jié)果空間分布與之一致，且鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)部灌溉水平差異更清晰明了，因此該文用2013年灌溉水平評(píng)價(jià)結(jié)果作進(jìn)一步分析。

2013年灌溉水平評(píng)價(jià)結(jié)果表明，2013年海倫市整體上灌溉水平較高， 1級(jí)和2級(jí)灌溉水平的地塊面積比例可達(dá)78.06%。北部、西部、中部灌溉較好，東南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)整體灌溉水平較低。水田灌溉水平較高，旱地參差不一，各等級(jí)呈連片分布(圖3b)。灌溉水平為1級(jí)的地塊主要分布在向榮鄉(xiāng)、長(zhǎng)發(fā)鄉(xiāng)北部沿河地區(qū)及中南部、海北鎮(zhèn)西部、扎音河鄉(xiāng)中部、前進(jìn)鄉(xiāng)北部及西部、百祥鄉(xiāng)西部、豐山鄉(xiāng)北部及中部、永和鄉(xiāng)和愛民鄉(xiāng)大部分地區(qū)，占全市耕地面積的36.63%； 百祥鄉(xiāng)東北部、豐山鄉(xiāng)中部及南部、倫河鎮(zhèn)北部及東部、永富鄉(xiāng)大部分地區(qū)、永和鄉(xiāng)南部、共和鎮(zhèn)大部分地區(qū)、聯(lián)發(fā)鄉(xiāng)東部、海北鎮(zhèn)大部分地區(qū)、扎音河鄉(xiāng)西部及東北部、雙錄鄉(xiāng)和東林鄉(xiāng)大部分地區(qū)、東風(fēng)鎮(zhèn)西北部、前進(jìn)鄉(xiāng)東部灌溉水平稍低，占全部耕地的41.43%； 海南鄉(xiāng)、共榮鄉(xiāng)和東風(fēng)鎮(zhèn)大部分地區(qū)、祥富鎮(zhèn)南部、海興鎮(zhèn)東部、福民鄉(xiāng)東部、倫河鎮(zhèn)南部、永富鄉(xiāng)北部、雙錄鄉(xiāng)東部2013年灌溉水平為3級(jí)，占全市耕地21.23%； 灌溉水平為4級(jí)的地塊零星分布在共榮鄉(xiāng)、海南鄉(xiāng)、永富鄉(xiāng)，僅占全市耕地的0.71%。大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)灌溉水平評(píng)價(jià)結(jié)果與耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評(píng)價(jià)灌溉能力分值空間分布一致。

圖5 2013年6～9月份海倫市灌溉水平

從各月份灌溉水平評(píng)價(jià)結(jié)果來看，6月份灌溉水平區(qū)域差異較大，水田灌溉水平明顯高于旱地，東部靠近小興安嶺西麓的幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)灌溉水平較低，尤其是東林鎮(zhèn)白漿土分布的地區(qū)，耕地自然質(zhì)量差，灌溉設(shè)施建設(shè)也不完備。7月份是夏玉米的關(guān)鍵生育期，喇叭口期、開花抽絲期和灌漿前期都在7月份，作物需水量最大。8月份是玉米灌漿期，其生長(zhǎng)狀況直接對(duì)最終產(chǎn)量影響較大。從灌溉水平評(píng)價(jià)結(jié)果來看，海倫市2013年7月和8月灌溉水平相差不大，整體體現(xiàn)西部高、東部低的特點(diǎn)，這也與7月和8月降雨集中有關(guān)。9月份是玉米成熟期，評(píng)價(jià)結(jié)果整體較好，尤其是中北部和南部幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的玉米種植區(qū)，這與成熟期作物需水量減少有關(guān)。

3.3 灌溉水平與灌溉設(shè)施空間匹配度分析

對(duì)灌溉設(shè)施作用分值圖和灌溉水平評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行疊加組合，將研究區(qū)劃分為“01、02、03、04、11、12、13、14”8種類型，依據(jù)匹配度高低來確定重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域?！?1”和“12”兩種類型表示地塊距離農(nóng)田水利干線較近，灌溉設(shè)施建設(shè)較好，灌溉水平較高，廣泛分布在海倫市北部、中部、西部，占總面積48.32%； “01”和“02”兩種類型表示地塊距離農(nóng)田水利干線稍遠(yuǎn)，但灌溉設(shè)施建設(shè)較好，灌溉水平較高，除東南部幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)外其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，占總面積29.75%； “13”和“14”兩種類型表示有灌溉設(shè)施分布或距離農(nóng)田水利干線較近，由于灌溉設(shè)施工作效率不高或斗農(nóng)渠建設(shè)不發(fā)達(dá)導(dǎo)致灌溉水平較低，主要分布在東南部的共榮鄉(xiāng)、海南鄉(xiāng)、東風(fēng)鎮(zhèn)、祥富鎮(zhèn)，占總面積14.51%； “03”和“04”兩種類型表示地塊由于距離水利干線較遠(yuǎn)而灌溉不足，主要分布在海南鄉(xiāng)、共榮鄉(xiāng)和東風(fēng)鎮(zhèn)東部、祥富鎮(zhèn)南部、海興鎮(zhèn)東部、福民鄉(xiāng)東部、雙錄鄉(xiāng)東部地區(qū)，占總面積7.42%。

圖6 海倫市灌溉設(shè)施作用分布 圖7 海倫市灌溉水平與灌溉設(shè)施作用分值圖疊加結(jié)果

圖8 海倫市灌溉設(shè)施建設(shè)分區(qū)

3.4 灌溉設(shè)施建設(shè)分區(qū)劃定

根據(jù)灌溉水平與灌溉設(shè)施空間分布組合分析結(jié)果，考慮研究區(qū)灌溉設(shè)施易遭受低溫凍害的實(shí)際情況，將“02”、“03”和“04”歸為設(shè)施修建型，“01”和“11”歸為設(shè)施維護(hù)型，“12”、“13”和“14”歸為設(shè)施提升型。由于研究區(qū)地勢(shì)平坦，通肯河、克音河、海倫河等五條河流橫貫東西，大中小型水庫星羅棋布，區(qū)域水資源豐富，地下水位較高，在水質(zhì)符合要求的前提下，水源利用應(yīng)以地表水為主，地下水為輔，限制對(duì)深層地下水的開采。因此，設(shè)施修建區(qū)應(yīng)盡量修建斗渠、農(nóng)渠或者通過輸水軟管引水到田間進(jìn)行灌溉，對(duì)于距離農(nóng)田水利干渠太遠(yuǎn)的地塊，可在現(xiàn)有井位的基礎(chǔ)上補(bǔ)打少量機(jī)井進(jìn)行灌溉； 設(shè)施提升建設(shè)區(qū)可發(fā)展小流量灌溉水輸送，以管道取代明渠進(jìn)行灌溉輸水，提高區(qū)域水資源利用程度，也可發(fā)展節(jié)水的噴灌、滴灌、微噴灌、涌泉灌和滲灌等技術(shù)，提高灌溉水利用率； 設(shè)施維護(hù)建設(shè)區(qū)可對(duì)渠道和水工建筑物進(jìn)行防凍改良，采用耐低溫的鋼筋混凝土渠槽改良混凝土斗渠和農(nóng)渠，采用碎石、紗代替凍脹性強(qiáng)的渠床土壤，減少和避免渠道襯砌工程的凍害，提高灌溉設(shè)施使用壽命。

4 結(jié)論與討論

基于MOD16蒸散產(chǎn)品，分別對(duì)研究區(qū)2013年旱地和水田灌溉水平進(jìn)行了評(píng)價(jià)，將灌溉水平評(píng)價(jià)結(jié)果與灌溉設(shè)施作用分值圖進(jìn)行組合分析，得出8種灌溉水平和設(shè)施匹配度類型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行灌溉設(shè)施建設(shè)類型分區(qū)。根據(jù)研究，可以得出結(jié)論。

(1)在確定作物種植結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以農(nóng)田實(shí)際蒸散量和潛在蒸散量為參數(shù)，旱地按作物各生育期作物系數(shù)計(jì)算各月份作物需水量，水田按作物缺水指數(shù)計(jì)算水稻生育期內(nèi)水分滿足程度，分析得出了研究區(qū)2013年農(nóng)田灌溉水平，并將灌溉水平劃分為4級(jí)。通過典型整治區(qū)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，方法精度可行。研究以區(qū)分作物類別，區(qū)分不同生育期蓄水規(guī)律為基礎(chǔ)，細(xì)化了農(nóng)田灌溉水平的評(píng)價(jià)方法。

(2)基于灌溉水平和設(shè)施分布情況整合分析，構(gòu)建了8種組合類型，根據(jù)地塊灌溉水平的高低和灌溉設(shè)施作用分值差異進(jìn)行初步分區(qū)。結(jié)果表明，海倫市大部分地區(qū)耕地灌溉設(shè)施建設(shè)較好，灌溉水平較高， 1級(jí)和2級(jí)灌溉水平的地塊約占全市耕地的78%； 少數(shù)耕地斗農(nóng)渠建設(shè)不發(fā)達(dá)或灌溉設(shè)施工作效率不高，多為旱地，面積比例約為14%； 極少數(shù)地塊由于距離水利干線較遠(yuǎn)而灌溉不足，面積比例約為8%。

(3)根據(jù)8種組合類型空間分布，結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和氣候狀況，提出了農(nóng)田設(shè)施修建型、設(shè)施提升型和設(shè)施維護(hù)型3種農(nóng)田灌溉設(shè)施建設(shè)類型分區(qū)，分別占全市耕地總面積的24.21%、38.60%和37.19%，并提出了相應(yīng)的建設(shè)安排和整治建議。研究將灌溉水平與灌溉設(shè)施作用特征相聯(lián)系開展整合研究，可以識(shí)別出灌溉設(shè)施建設(shè)的必要性及提升的可能性，對(duì)研究區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田灌溉設(shè)施建設(shè)具有較強(qiáng)的借鑒價(jià)值。

目前來說，國(guó)內(nèi)年度農(nóng)田灌溉水平定量化評(píng)價(jià)并不成熟，研究成果較少，該文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行探索，存在一些不足之處，有幾點(diǎn)有待進(jìn)一步深入研究。

(1)研究采用美國(guó)NASA研究團(tuán)隊(duì)反演的全球MOD16蒸散產(chǎn)品進(jìn)行年度農(nóng)田灌溉水平評(píng)價(jià)，雖經(jīng)空間插值處理，但數(shù)據(jù)空間分辨率仍然相對(duì)較低，對(duì)灌溉水平評(píng)價(jià)結(jié)果造成一定影響。由于實(shí)際蒸散量與潛在蒸散量的計(jì)算涉及凈輻射、土壤熱通量、空氣定壓比熱、作物冠層溫度、飽和水汽壓等復(fù)雜參數(shù)，需要詳細(xì)的田間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)支持，因數(shù)據(jù)獲取難度較大，高精度的研究仍需進(jìn)一步設(shè)置專門的觀測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

(2)該文引用黃健熙等[6]冪函數(shù)經(jīng)驗(yàn)回歸模型Y=0.124X1.271 8，此模型用饒陽、泊頭、南宮3 個(gè)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)構(gòu)建MOD16A2中PET參數(shù)與地面ET0之間的關(guān)系方程，用德州的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，其R2達(dá)0.895 8，相關(guān)性較高，具有很強(qiáng)的借鑒意義。但該文研究區(qū)與模型中的氣象站點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，直接引用該模型存在一定誤差。精確回歸模型需要研究區(qū)及其周圍地市的氣象數(shù)據(jù)和田間觀測(cè)數(shù)據(jù)支持，若有可靠數(shù)據(jù)來源則可進(jìn)行深入研究。

(3)由于缺少研究區(qū)大范圍田間觀測(cè)數(shù)據(jù)，該文在分析灌溉水平評(píng)價(jià)結(jié)果時(shí)，只用土地整治項(xiàng)目區(qū)2012～2013年的數(shù)據(jù)分析CWSI和IGCI值的年際變化，存在一定不充分性。若有大范圍高精度的田間灌溉水平觀測(cè)數(shù)據(jù)，則可進(jìn)一步分析灌溉水平評(píng)價(jià)結(jié)果。

隨著近地遙感技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝備的快速發(fā)展，基于蒸散模型進(jìn)行高精度的基本農(nóng)田灌溉水平評(píng)價(jià)、灌溉保證率評(píng)價(jià)將可能進(jìn)一步推開，為耕地質(zhì)量等別變化監(jiān)測(cè)和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)績(jī)效評(píng)價(jià)提供強(qiáng)有力的機(jī)理研究保障。