吳文嘉,夏 天, 2※,胡 瓊, 2
(1.地理過程分析與模擬湖北省重點實驗室/華中師范大學城市與環(huán)境科學學院,武漢 430079;2.農業(yè)部農業(yè)遙感重點實驗室/中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所,北京 100081)
隨著全球糧食問題日益突出,耕地利用研究也成為了土地研究中的熱點。耕地作為農作物的載體,耕地質量直接影響到糧食產(chǎn)量與人民生活的進一步提高?,F(xiàn)階段關于耕地的研究主要包括耕地時空動態(tài)變化分析[1-3]及模擬預測[4-5]、農作物格局[6-7]、耕地產(chǎn)量[8]以及耕地受氣候、水、大氣等相關自然因素的影響分析[9-10],這些研究有助于掌握和理解耕地變化的原因、過程和結果,使人們能更準確地把握耕地的空間分布與變化過程,有利于農業(yè)決策制定,從而促進糧食增長與安全以及耕地的可持續(xù)發(fā)展。
近年來,劉紀遠[11-12]團隊基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)構建了1980—2015年中國長時間序列土地類型覆蓋圖,這套數(shù)據(jù)應用范圍十分廣泛。此外還有一些全球土地利用與覆被變化數(shù)據(jù)產(chǎn)品,如:全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品CG-LTDR[2]、Global land 30m[13]等這些高精度數(shù)據(jù)產(chǎn)品的發(fā)布,推動了耕地利用的有關研究。隨著空間模型的發(fā)展,當下耕地的時空格局與模型緊密相連,土地類型與農作物的空間重構使LUCC具有更強大的還原與預測功能。夏天[14]等通過CROPS模型構建了1980—2010年東北地區(qū)土地類型覆蓋圖,并在耕地內部模擬農作物時空格局。全球在農作物時空格局數(shù)據(jù)方面也有一些大尺度的數(shù)據(jù)產(chǎn)品,如:MIRCA 2000作物數(shù)據(jù)[15]、SPAM數(shù)據(jù)等,為進一步進行農作物與糧食安全方面研究提供了數(shù)據(jù)支持。在土地利用變化影響效益方面,研究者也開展了大量工作。這些研究主要關注土地利用變化后對景觀生態(tài)的研究,其中在耕地利用方面進行綜合效益評價、集約化利用、水土流失等方面相關研究,特別是在水資源方面,主要從土壤和農作物的角度進行研究。然而,現(xiàn)有的耕地數(shù)據(jù)產(chǎn)品為進行土地利用或農作物格局提供了基礎支撐,但是現(xiàn)有的研究大多針對耕地時空格局變化以及變化后的影響,鮮有研究針對耕地內部利用類型(水田與旱地)的時空格局變化及耗水方面研究。
針對當下耕地內部格局研究和格局變化后的影響效益研究較少等問題,文章選取近年來耕地時空格局變化較為顯著的區(qū)域、同時也是我國重要的商品糧基地——黑龍江省為研究區(qū),分析該地區(qū)近35年來耕地內部(水田與旱地)的時空格局變化過程,以耗水量為切入點,探討黑龍江省水田和旱地的時空變化規(guī)律以及各地區(qū)耗水量的時空變化,為進一步優(yōu)化黑龍江省耕地內部結構與布局調整提供一定的理論基礎和依據(jù)。
圖1 黑龍江省地勢
黑龍江省農業(yè)區(qū)劃原為:松嫩平原農牧區(qū)、三江平原農牧區(qū)、張廣才嶺老爺嶺林農區(qū)及大小興安嶺林區(qū),該文在原有農業(yè)區(qū)劃基礎上,依據(jù)其地形、氣候條件及《黑龍江省用水定額標準》中所界定的農業(yè)灌溉分區(qū),將黑龍江省劃分為4個區(qū)域:松嫩平原區(qū)(Ⅰ區(qū)),包含兩個次級區(qū)域(Ⅰ1低平原區(qū)和Ⅰ2高平原區(qū)); 三江平原區(qū)(Ⅱ區(qū)); 張廣才嶺、老爺嶺地區(qū)(Ⅲ區(qū)); 大、小興安嶺地區(qū)(Ⅳ區(qū))(圖1)。通過分析水田和旱地分別在面積上(全省、區(qū)域、經(jīng)緯度)和空間上(經(jīng)緯度變化及空間轉化)的變化來闡述黑龍江省近35年以來耕地內部格局變化過程。在此基礎上依據(jù)《黑龍江省用水定額標準》中的作物灌溉定額值來計算黑龍江省各區(qū)的耕地耗水凈量。由于黑龍江省純旱地分布數(shù)量較大(雨養(yǎng)地),為合理度量黑龍江省的實際灌溉面積,該文結合《黑龍江統(tǒng)計年鑒》中黑龍江省各縣市的有效灌溉面積,將耕地劃分為水田和可供灌溉的旱地(水澆地)來進行耗水量的計算。水田和旱地耗水量原始數(shù)據(jù)分別來自水稻本田淺型灌溉定額表和主要旱田作物灌溉定額表,通過計算得到水田和旱地在不同區(qū)域內的單位面積耗水量,將其統(tǒng)計到黑龍江的各個縣市,從而得到了黑龍江省在各區(qū)內的耗水凈量變化。該研究源數(shù)據(jù)采用中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心提供的1980—2015年5期中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品(1km柵格)以及中國縣市行政邊界矢量數(shù)據(jù)。水田和旱地的耗水量數(shù)據(jù)來源于黑龍江省用水定額標準[13]等相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算。
水田和旱地的耗水量來源于《黑龍江省用水定額標準》,灌溉區(qū)分為水田和水澆地(旱地)兩種類型,以《黑龍江省統(tǒng)計年鑒》中各縣有效灌溉面積指標來分別計算水田和水澆地(可供灌溉的旱地)的面積。水田耗水量以《水稻本田淺型灌溉定額》為依據(jù),考慮到當?shù)靥镩g損失量及灌溉區(qū)的規(guī)模,通過計算得出的各區(qū)水田單位面積耗水量分別為松嫩平原(Ⅰ1低平原區(qū))75m3/km2,松嫩平原(Ⅰ2高平原區(qū))61.5m3/km2,三江平原(Ⅱ區(qū))56.5m3/km2,張廣才嶺、老爺嶺地區(qū)(Ⅲ區(qū))56m3/km2,大、小興安嶺(Ⅳ區(qū))59m3/km2。旱地(水澆地)耗水量以《主要旱田作物灌溉定額》為標準,以一般年為依據(jù),統(tǒng)計了春小麥、玉米、大豆3種基本旱地作物的灌溉定額,最終得出的各區(qū)旱地單位面積耗水量分別為松嫩平原(Ⅰ1低平原區(qū))12.7m3/km2,松嫩平原(Ⅰ2高平原區(qū))10.9m3/km2,三江平原(Ⅱ區(qū))9.2m3/km2,張廣才嶺、老爺嶺山地區(qū)(Ⅲ區(qū))9.1m3/km2,大、小興安嶺(Ⅳ區(qū))8.3m3/km2。各區(qū)分別取其水田作物和旱地作物灌溉區(qū)間的平均值作為水田和旱地的單位面積耗水量,并將計算值結合水田和旱地的空間分布分配到各縣市級區(qū)域。
該研究采用經(jīng)緯度法分析水田和旱地的空間區(qū)域變化情況,以1°為基本單位對黑龍江省所轄的43°26′N~53°33′N,121°11′E~135°05′E區(qū)域范圍分別進行經(jīng)緯度劃分,統(tǒng)計水田和旱地在1980—2015年空間上面積的聚散變化。
黑龍江省近35年來水田面積變化呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢,旱地面積則經(jīng)歷了由增到減的過程(表1)。從全省來看,水田面積在1980—2015年一直處于增長狀態(tài),在1990—2000年增長幅度最大,達到了7.51×103km2。旱地面積則以2000年為界出現(xiàn)先增后減的趨勢, 1990—2000年面積增長幅度達到最大,此后面積開始減小,且縮減幅度逐漸加大。按區(qū)域劃分之后,各區(qū)域之間面積變化差異顯著。松嫩平原區(qū)水田和旱地面積變化趨勢大致與全省變化一致,但2000—2010年高平原區(qū)水田面積首次出現(xiàn)減少,且旱地面積減少趨勢在時間上有延后,從原本的2000—2010年延后至2010—2015年。三江平原區(qū)是耕地面積變化幅度最大的區(qū)域,水田面積增加趨勢顯著,旱地面積減少幅度達到最大,總體變化趨勢與全省變化一致。張廣才嶺、老爺嶺地區(qū)水田和旱地面積總體變化幅度較小,整體面積變化不大。大、小興安嶺地區(qū)在1980—2015年水田和旱地面積都始終呈現(xiàn)增長趨勢,水田面積總體增長幅度不明顯,旱地面積在1990—2000年有大幅度的增長??傮w來看,以三江平原、松嫩平原為主的平原地帶,由于地形平坦、水源充足,人口分布稠密,耕地分布面積廣,區(qū)域內耕地面積變化幅度相對較大,是重要的農業(yè)生產(chǎn)基地。以張廣才嶺、老爺嶺地區(qū)及大、小興安嶺為主的山區(qū)地帶,受到地形和水源條件的制約,耕地的發(fā)展相對較慢。
表1 1980—2015年黑龍江省分區(qū)水田、旱地面積增減變化 km2
2.2.1 水田和旱地經(jīng)緯度空間變化
為進一步探討水田和旱地的面積在空間上的變化,該文將黑龍江省行政區(qū)域(43°25′N~53°33′N,121°11′E~135°05′E)以1°為基本單位對水田、旱地在經(jīng)緯度空間范圍內的面積凈增減量做統(tǒng)計分析(圖2和圖3)。1980—1990年為水田和旱地的凈增長期,水田凈增區(qū)域主要分布在133°E~134°E, 44°N~48°N范圍內,旱地凈增區(qū)域主要分布在133°E~135°E, 46°N~49°N范圍內。1990—2000年期間,水田凈增主要出現(xiàn)在高緯度地區(qū),特別是在131°E~132°E, 45°N~48°N范圍內凈增較為顯著。旱地除131°E~132°E, 47°N~48°N范圍出現(xiàn)面積凈減之外,其他區(qū)域均出現(xiàn)面積凈增。2000—2010年期間,水田主要在133°E~135°E, 47°N~49°N范圍內凈增,旱地則以132°E, 47°N為分界線持續(xù)呈現(xiàn)凈面積西增東減和南增北減趨勢。2010—2015年期間,水田和旱地凈增減情況呈現(xiàn)兩極分化,水田凈面積在各個經(jīng)緯度上呈現(xiàn)出連續(xù)遞增趨勢,旱地凈面積則開始出現(xiàn)全面遞減趨勢,主要的變化范圍集中在131°E~135°E, 45°N~49°N區(qū)域。
圖2 1980—2015年黑龍江省水田、旱地經(jīng)度凈面積變化
圖3 1980—2015年黑龍江省水田、旱地緯度凈面積變化
2.2.2 黑龍江省水田和旱地空間轉化
圖4 1980—2015年黑龍江省水田轉化
圖5 1980—2015年黑龍江省旱地轉化
黑龍江省1980—2015年水田和旱地空間變化都經(jīng)歷了由分散到集中的過程。從全省來看,水田和旱地的空間變化主要集中于三江平原和松嫩平原, 1980—2000年水田和旱地的空間變化較為零散, 2000—2015年水田和旱地的空間分布變化更為集中(圖4和圖5)。分區(qū)來看,松嫩平原(Ⅰ區(qū))主要以旱地面積變化為主, 1980—2000年低平原區(qū)(Ⅰ1區(qū))和高平原區(qū)(Ⅰ2區(qū))北部旱地分布增加趨勢顯著,低平原西部及高平原南部旱地減少趨勢明顯。松嫩平原水田分布主要集中在高平原南部地區(qū), 1980—2000年該區(qū)水田分布由高平原南部逐漸向高平原中部及低平原西部轉移。2000—2015年水田空間變化幅度減小,水田持續(xù)向北部和西部移動。三江平原區(qū)(Ⅱ區(qū))是水田和旱地轉換最為劇烈的區(qū)域,水田面積在1980—2000年向西北部和東南部推移, 2000—2010年在西部及西南部有面積少量減少,水田開始轉向東北方向推移, 2010—2015年水田面積進一步向東北方向擴張。旱地空間變化則呈現(xiàn)相反的趨勢, 1980—1990年為旱地擴張期,旱地向三江平原東部及東北部擴張,西北部有少量旱地減少; 1990—2000年旱地向東部擴張趨勢減弱,西北部有大量旱地開始減少; 2000—2010年東北部的旱地也開始大量減少,西北部有少量旱地增加, 2010—2015年旱地大面積減少開始集中向西部移動。張廣才嶺、老爺嶺山地區(qū)(Ⅲ區(qū))水田和旱地空間分布整體變化不大,面積變化階段主要集中在1980—2000年,主要伴隨著零散的旱地增加為主,旱地增加集中在1990—2000年。大、小興安嶺(Ⅳ區(qū))主要以旱地空間變化為主, 1990—2000年南部和東部為主要旱地增長區(qū)域。
綜合來看,黑龍江全省早年主要以旱作為主,水田面積僅占旱地面積的1/10,但在1990年以后,水田開始以三江平原地區(qū)為主要擴張區(qū)進行擴張,截止2015年底,水田面積已經(jīng)達到旱地面積的1/4。原因主要有兩點:一是水田新增面積增長幅度較快,主要集中在1980—2000年。二是大量旱地轉化為水田,主要集中在2000—2015年。松嫩平原歷來以旱地為傳統(tǒng)耕地類型, 1980—2015年間旱地面積總體變化幅度不大,旱地分布有向北移動的趨勢,水田則集中向西部延伸,近幾年西部地區(qū)有種植規(guī)模逐漸擴大的趨勢。
利用耗水凈量數(shù)據(jù),經(jīng)計算獲得1980—2015年黑龍江省各縣級市耗水凈量增減情況(圖6)。從全省來看,耗水凈量在這35年間的增長速度經(jīng)歷了由快速增長到趨于平穩(wěn)的趨勢,耕地耗水量的消耗主要以水田為主,旱地(水澆地)的耗水凈量變化幅度僅占水田的2%,耕地在1980—2015年間共產(chǎn)生了1.15×1010m3的耗水變化量(表2)。全省在1990—2000年期間變化幅度最大,耗水凈量變化較大的地區(qū)集中在松嫩平原地區(qū)(Ⅰ區(qū))和三江平原地區(qū)(Ⅱ區(qū))。分區(qū)來看,松嫩平原地區(qū)(Ⅰ區(qū))耗水凈量經(jīng)歷了3個階段: 1980—2000年為顯著增長期, 2000—2010年為平穩(wěn)期, 2010—2015年又重新回到高速增長期。前期(1980—2000年)Ⅰ1低平原區(qū)和Ⅰ2高平原區(qū)的耗水變化量基本持平,在1990—2000年期間變化量僅相差5×107m3; 中期(2000-2010)Ⅰ2高平原區(qū)耗水凈量略有減少,減少量約5.8×106m3; 后期(2010—2015年)Ⅰ1低平原區(qū)和Ⅰ2高平原區(qū)耗水凈量重新穩(wěn)步增長, Ⅰ1低平原區(qū)耗水凈量漲幅達到7.3×108m3。說明齊齊哈爾、大慶等地自2010年以來已經(jīng)成為水田開發(fā)重點區(qū)域。張廣才嶺、老爺嶺一帶(Ⅲ區(qū))耗水凈量呈現(xiàn)兩個階段, 1980—2000年期間為高速增長期, 2000—2015年為穩(wěn)定期,耗水凈量整體呈增加趨勢,耗水凈量顯著增加區(qū)域為尚志市和寧安縣。大、小興安嶺地區(qū)(Ⅳ區(qū))的耗水凈量一直呈緩慢增加趨勢,整體增加幅度不大,增長差值僅為4.07×107m3,相較而言其增長趨勢趨于平穩(wěn)。作為省內耗水最大的地區(qū),三江平原地區(qū)耗水凈量一直呈現(xiàn)顯著增加趨勢,前期1980—2000年顯著增加縣市主要為虎林、寶清、同江等東部邊界地區(qū), 2000年以后集中向東北邊界地區(qū)撫遠、富錦縣發(fā)展,前期的耗水凈量增加幅度比后期大,總變化量達到3.3×109m3。
總的來說,水田快速增加的三江平原區(qū)和灌溉措施分布廣泛的松嫩平原區(qū)是主要的耗水區(qū)。在僅考慮耕地人為水資源消耗的基礎上,黑龍江省現(xiàn)有灌溉水澆地發(fā)展條件仍然較為局限,水田對耗水量的貢獻率極大,超過了90%。大、小興安嶺及張廣才嶺、老爺嶺一帶由于耕地基礎薄弱,近35年間耗水量基數(shù)小且變化量不大,三江平原地區(qū)由于水田面積的持續(xù)增加,其耗水凈量一直處于高水平增加階段,但2000年后耗水凈量有所減小并保持相對平穩(wěn)狀態(tài)。松嫩平原地區(qū)自2000年后耗水凈量增加趨勢漸緩,但在全省范圍內仍然是耗水量較大的地區(qū)。
圖6 1980—2015年黑龍江省各縣級市耗水凈量變化
表2 1980—2015年黑龍江省分區(qū)耗水變化量 105m3
黑龍江省耕地在我國耕地分布格局中占據(jù)十分重要的地位,在我國南方耕地不斷縮減的情況下,該地區(qū)的耕地一直保持著穩(wěn)步增加的趨勢,成為北糧南運的重要支柱。該文在研究1980—2015年間黑龍江省耕地格局的基礎上,從“時間—數(shù)量—空間”這一體系來討論該地區(qū)耕地內部格局的變化過程,并引入耗水量這一量化指數(shù)衡量該地區(qū)各縣級市耗水量的增減趨勢,以期為未來耕地內部格局的可持續(xù)化研究提供一定的理論依據(jù)。
縱觀黑龍江省水田和旱地的面積和空間分布狀況,黑龍江省的耕地內部的水田和旱地格局變化經(jīng)歷了以旱地水田共同增加到水田增加為主的發(fā)展趨勢,基本以2000年前后為其分界線,前后期水田和旱地在面積和空間變化上存在顯著差異。同時,耗水凈量的幅度變化也進一步說明黑龍江整體耕地發(fā)展格局在2000年前后開始發(fā)生轉化。
水田面積在1980—2015年間實現(xiàn)持續(xù)增長,主要分布在以三江平原為主的平原地區(qū)。其面積增速自1980年開始起步, 1990年以后實現(xiàn)穩(wěn)步高速增長。1980—1990年為水田擴張的起步階段,此時,家庭聯(lián)產(chǎn)承包責任制開始廣泛推行,農民在以旱地為主的耕作區(qū)開始嘗試水田種植; 1990—2000年為其高速增長階段,溫度升高是水田大幅度增加的主因,全球氣候變暖加速了水田種植線的北移; 黑龍江平原地區(qū)廣布、水資源充足也成為了水田大幅擴充的有利主導因子; 2000—2015年間,國家宏觀控制了耕地增長幅度,同時農田棄耕現(xiàn)象加劇、水稻品種改良、畝產(chǎn)增多等因素成為限制水田繼續(xù)大幅增長的主因。
旱地的發(fā)展則經(jīng)歷了由興盛到衰敗的時期。1980—2000年期間,依靠黑龍江省旱地耕作的本土優(yōu)勢,在土地政策開放及人口增加的大條件下,農民勤于開墾,旱地面積達到歷史峰值。自2000年以后,在水田和旱地的交錯時期,黑龍江省大力發(fā)展旱改水工程,同時大量旱地被改造成農民住宅及其他用地,旱地作物市場受到國外進口及農民外出務工的影響,棄耕及退耕趨勢越來越嚴重,致使大面積的旱地退化,耕地面積銳減。
影響耕地分布面積的驅動因子有很多,按自然因素劃分有:水分、地形、溫度、濕度、太陽光照、土壤質地、土壤有機質等; 按社會因素劃分有:人口壓力、貿易需求、城市化加劇、耕作方式等一系列因素。這些因素也間接影響了耕地耗水量的分布。由于黑龍江省耕地面積分布廣泛,耕地耗水量與當?shù)氐乃Y源狀況有著緊密聯(lián)系。除此之外,耕地的灌溉方式與主要作物種類也直接影響耕地的耗水量。單位面積的水田作物耗水量大約是旱地作物耗水量的5倍,而節(jié)約高效的灌溉模式也能最大程度地減少耗水量。三江平原地區(qū)水資源豐富,但不合理的灌溉模式和水田作物大幅增加趨勢致使當?shù)氐乃Y源日趨緊張。
從分布面積來看,旱地仍然占據(jù)絕對優(yōu)勢,但水田面積日趨增加已經(jīng)成為不可忽視的發(fā)展方向。水田面積的劇增所產(chǎn)生的耗水量變化極為顯著。三江平原作為主要的水田種植區(qū),耗水量極大。20世紀80年代以后引入地下水灌溉之后,近20年來水田的急劇擴張致使地下水位急劇下降,大大影響周邊的濕地環(huán)境。近30年間水田的大幅度擴張給三江地區(qū)的水資源帶來了不小的壓力,前人的有關研究指出, 2000年來,三江平原水土資源整體呈現(xiàn)出“土地資源豐富,水資源欠缺”的趨勢[16-17]。黑龍江省水資源與耕地資源的空間匹配效果較差,大興安嶺地區(qū)水資源總量占全省總量19.05%,而其耕地面積僅為全省的0.96%; 齊齊哈爾地區(qū)耕地面積占全省總耕地面積18.54%,而水資源總量只占全省水資源總量的5.77%[18]。結合該文耗水量相關運算結果,都得出了三江—松嫩平原一帶水資源壓力較大的結論。黑龍江省的水資源時空分布不均,水資源調節(jié)能力差,水田種植只能依附于水資源充足的平原地帶。目前三江—松嫩平原地帶的耗水量巨大,長此以往必會對造成當?shù)厮Y源短缺,地下水位持續(xù)下降,將會導致嚴重的水資源安全問題。今后為了維持水土資源的可持續(xù)發(fā)展,應控制三江平原水田面積增長趨勢,在現(xiàn)有水田分布的基礎上,進一步規(guī)范灌溉機制,提高水資源利用率。同時可以依靠科技進步研制出節(jié)水型及高產(chǎn)型水田作物,做到效益最大化。鑒于大興安嶺地區(qū)水資源的相對富余,在允許條件下可開展大江河湖庫聯(lián)通工程和重點水源工程的建設,解決黑龍江省水資源時空分布不均的問題。
該文通過分析黑龍江省水田和旱地時空格局及其耗水量的變化過程,獲得如下結論:(1)黑龍江省近35年來水田面積總體呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢,旱地面積則經(jīng)歷了由增到減的過程。水田增加區(qū)域主要集中在三江平原區(qū),旱地變化主要集中在三江平原和松嫩平原地區(qū)。水田凈面積在各個經(jīng)緯度上基本全部增加,增加區(qū)域主要集中在東北三江平原地區(qū)(132°E~135°E, 47°N~49°N); 旱地則以2000年為界,前期在經(jīng)緯度上凈面積基本呈現(xiàn)增加趨勢,后期旱地凈面積開始呈現(xiàn)西南增東北減趨勢,到2010年以后基本上凈面積開始全面減少,減少區(qū)域主要集中在東北地區(qū)(132°E~135°E, 46°N~49°N)。(2)黑龍江省1980—2015年水田和旱地空間變化都經(jīng)歷了由分散到集中的過程。水田和旱地的空間變化主要集中于三江平原和松嫩平原。松嫩平原旱地由南部向北部擴張,水田在2000—2015年集中在西部地區(qū)。三江平原1980—2000年主要以新增水田為主,集中在西北部, 2000—2015年主要以旱地轉化為水田為主,集中在三江平原東北部。(3)黑龍江省水資源與耕地資源的空間匹配效果較差,三江—松嫩平原地區(qū)耗水量一直處于較高水平,面臨較大的水資源壓力。