馬婉君,閔雷雷,齊永青,劉美英,3,吳 林,3,沈彥俊,3**

(1.河北師范大學地理科學學院 石家莊 050024; 2.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022; 3.中國科學院大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學學院 北京 100049)

21世紀初,美國國家研究委員會(NRC)首次提出地球關(guān)鍵帶這一概念,即上至植被冠層下至含水層的底部,是大氣圈、水圈、生物圈、巖石圈、土壤圈相互作用并發(fā)生物質(zhì)傳遞和交換的區(qū)域,也是決定人類社會生存和發(fā)展的關(guān)鍵區(qū)域。自這一概念提出以來,學者們開展了大量相關(guān)研究,地球關(guān)鍵帶科學綜合研究成為21世紀地球科學最重要的研究領(lǐng)域之一。自美國建立第一個地球關(guān)鍵帶觀測站以來,國際上先后在多個國家建立60 多個地球關(guān)鍵帶觀測站,初步形成包括氣候、地質(zhì)、生態(tài)與人類環(huán)境的國際地球關(guān)鍵帶觀測網(wǎng)絡,地球關(guān)鍵帶科學研究取得了進一步發(fā)展。

地球關(guān)鍵帶各要素間相互聯(lián)系、相互作用,使得其生態(tài)服務、環(huán)境影響等具有一定的空間異質(zhì)性,因此,對地球關(guān)鍵帶分類,有助于認識其空間異質(zhì)性。了解不同地球關(guān)鍵帶類型的屬性特征,可為地球關(guān)鍵帶觀測站的建立和深入研究提供科學依據(jù)。同時,地球關(guān)鍵帶分類對于促進地球關(guān)鍵帶的發(fā)展、實現(xiàn)區(qū)域自然資源的可持續(xù)利用具有重要意義。前人已開展的地表系統(tǒng)劃分的研究,對地球關(guān)鍵帶劃分具有重要的借鑒意義。在20世紀80年代,席承藩先生在土壤分類、調(diào)查制圖方面進行了開創(chuàng)性研究,并完成了《中國自然區(qū)劃概要》。近年來,國內(nèi)學者在新興地球關(guān)鍵帶概念背景下針對黃土高原乃至全國進行了類型劃分,如Lv 等收集了地質(zhì)多樣性要素、氣候要素、生態(tài)要素與社會經(jīng)濟要素等24 個指標,并對這些指標進行主成分分析和聚類分析; 張甘霖等以中國為例,構(gòu)建了三級分類方案,用疊置法對選取的要素進行疊加。他們均明確提出了不同類型關(guān)鍵帶的概念,并引領(lǐng)了該方向的研究潮流。然而,由于研究范圍的空間尺度較大,現(xiàn)有研究重點僅考慮了氣候因素和地表因素; 對關(guān)鍵帶的地下屬性,比如包氣帶和含水層沉積物的性質(zhì)等方面的關(guān)注不夠。近年來,由于人們對糧食生產(chǎn)的高度關(guān)注,農(nóng)田關(guān)鍵帶的概念應運而出。農(nóng)田關(guān)鍵帶是農(nóng)田區(qū)域的地球關(guān)鍵帶,關(guān)系到區(qū)域糧食產(chǎn)量、溫室氣體排放、水資源消耗、水質(zhì)演化等眾多方面的科學問題。但在糧食主產(chǎn)區(qū),以農(nóng)田關(guān)鍵帶為目標的分類較為缺乏。

華北平原是我國重要的糧食高產(chǎn)區(qū),地下水超采嚴重、農(nóng)業(yè)活動造成的環(huán)境污染風險加劇,將作物-土壤-含水層聯(lián)系起來的關(guān)鍵帶視角研究可為地下水保護提供新思路。本文在總結(jié)區(qū)域地球關(guān)鍵帶分類方案的基礎(chǔ)上,針對華北平原的水土資源特點和重大需求,提出了華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶三級分類方案,構(gòu)建了華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶各級關(guān)鍵帶指標體系、命名方法和原則,進而對相關(guān)的農(nóng)田關(guān)鍵帶類型進行區(qū)分,最后對華北平原農(nóng)田地球關(guān)鍵帶進行區(qū)域分類和制圖。本研究對于促進地球關(guān)鍵帶的發(fā)展、保護區(qū)域地下水資源具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為華北平原(112.5°～119.5°E、34.8°～40.4°N),總面積約為140 000 km,是海河和黃河的沖積平原,地貌上可分為濱海平原、中部平原與山前平原。華北平原屬大陸性半干旱氣候,多年平均降雨量約為560 mm,年平均氣溫約為12.0～14.2℃。它是由黃河與海河2 大流域所帶的泥沙沉積形成,其中包括黃河、灤河、海河、魯北諸河與徒駭馬頰河5 大水系,大小河流約60 條。華北平原作為我國重要的糧食生產(chǎn)區(qū),農(nóng)作物類型主要有冬小麥()-夏玉米()、單季玉米、蔬菜和棉花(spp.),糧食總產(chǎn)量為12 000～15 000 kg·hm,占全國總產(chǎn)量的10.6%。隨著農(nóng)田灌溉率的不斷提高,水資源需求量的不斷增大,華北平原的農(nóng)業(yè)用水占總用水的70%以上。過度開采地下水,導致地下水位持續(xù)下降,由此引發(fā)了地面沉降與海水入侵等問題,對該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展帶來諸多不利影響。

2 華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶分類的原則、方法

地球關(guān)鍵帶分類的目的是客觀、全面地認識某個區(qū)域的功能、結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律。因此,地球關(guān)鍵帶分類的原則取決于人們對它的認識程度。一般而言,地球關(guān)鍵帶分類是綜合了自然界發(fā)展與人類活動干擾的結(jié)果,地球關(guān)鍵帶指標的確定和選取都應最大程度反映分類的目的和區(qū)域分異的規(guī)定。因此,在選取關(guān)鍵帶分類的指標時,應在統(tǒng)籌所有要素的基礎(chǔ)上,找出主導因素。地質(zhì)地貌是地球表層系統(tǒng)的重要影響因素,在地球關(guān)鍵帶分類的過程中被確定為最重要的指標。

本文結(jié)合華北平原的區(qū)域特征,采用三級分類方案,在不同級別的分類中選取以下指標。第一級:基于地質(zhì)地貌要素,主要體現(xiàn)關(guān)鍵帶形成的沉積物特征; 第二級: 在第一級的基礎(chǔ)上增加地下水礦化度和淺層地下水埋深條件,體現(xiàn)自然過程和人類開發(fā)利用共同作用下形成的水文地質(zhì)環(huán)境; 第三級: 在第二級的基礎(chǔ)上增加農(nóng)業(yè)土地利用類型要素,以體現(xiàn)農(nóng)業(yè)活動的強度和農(nóng)田生產(chǎn)類型的差異。這一分類原則遵循了先粗略后精細、先主要后次要、先綜合后分解的邏輯順序。

第一級分類: 華北平原氣候類型相對單一,因此在本分類方案中不考慮氣候要素。沉積物成因類型對土壤類型、含水層性質(zhì)和植被(作物種植)具有重要的影響,本文將沉積物成因類型要素作為首要因素,分類主要根據(jù)沉積物形成原因,分成沖洪積平原、沖積平原和海積平原3 類。沖洪積平原是在干旱半干旱條件下的山前地區(qū),暴雨形成的急流攜帶大量的物質(zhì)流出出山口,在出山口或平原區(qū)形成沖洪積平原。沖積平原一般地勢較低平,無沖刷作用,因常年積水低洼的部位形成河漫沼澤。由于地形變緩,水動力條件不足,沉積物粒度變細。海積平原是由泥沙在海濱地區(qū)沉積形成,海拔一般在10 m 以下,多濕地和鹽水沼澤,土壤鹽澤化較嚴重。

第二級分類: 在垂直方向,關(guān)鍵帶各組分之間通過水分傳輸相互聯(lián)結(jié),灌溉水和降水再分配主要是通過植被和包氣帶進行調(diào)節(jié)。近幾十年,由于農(nóng)田灌溉率大幅度提高,華北平原農(nóng)業(yè)用水急劇增加,農(nóng)業(yè)用水量已經(jīng)達到區(qū)域總用水量的70%以上,導致地下水水位持續(xù)下降,并引起地面塌陷、海水入侵等一系列地質(zhì)環(huán)境問題。因此,本研究地球關(guān)鍵帶第二級分類選擇淺層地下水埋深和地下水礦化度兩個要素。將淺層地下水埋深要素分3 類: 淺埋區(qū),0～4 m; 中深埋區(qū),4～20 m; 深埋區(qū),＞20 m。將地下水礦化度要素按照地下水含鹽量分3 類: 淡水,＜1 g·L;微咸水,1～3 g·L; 咸水,＞3 g·L。

第三級分類: 華北平原農(nóng)業(yè)土地利用類型多樣,不同類型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)受自身生產(chǎn)特征和人類活動影響,其環(huán)境影響在空間上存在較大差異,因此,研究地球關(guān)鍵帶第三級分類選擇農(nóng)業(yè)土地利用類型要素,分為小麥/玉米、 蔬菜、林果、棉花和水稻5 種類型。

地球關(guān)鍵帶各要素間的分布呈現(xiàn)連續(xù)性特征,但在劃分的過程中很難確定界線。如何準確地反映地球關(guān)鍵帶各要素的過渡特征是至今存在的一個技術(shù)難題。因此,對于華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶的分類,參考和總結(jié)倪紹祥教授的中國綜合自然地理區(qū)劃,本文盡量采用較成熟的區(qū)劃方法。針對華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶地理單元的生成,每等級的地理單元都采用空間疊加的方法,疊加過程產(chǎn)生破碎較小的圖斑,通過與鄰近圖斑的大小比較和鄰近邊長度按照比例進行合并。

編碼機制: 第一級沉積物類型為沖洪積平原、沖積平原與海積平原3 類,分別使用羅馬數(shù)字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ進行標識。第二級地下水礦化度與淺層地下水埋深的種類數(shù)為8,使用數(shù)字1～8 進行標識。第三級農(nóng)業(yè)土地利用類型的種類數(shù)為5,使用數(shù)字1～5 進行標識。

命名原則: 本文對華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶分類時主要考慮了3 個層次的要素差異,根據(jù)不同類型要素在關(guān)鍵帶形成過程中的重要性程度進行命名,并遵循一定的命名規(guī)則。本文在分類時首先考慮沉積物成因類型,然后考慮地下水埋深條件及其礦化度特征,最后考慮土地利用類型的差異,因此,命名時按照上述3 類要素依次進行命名,第一字段可以體現(xiàn)關(guān)鍵帶沉積物的粗細程度,第二字段體現(xiàn)地下水礦化度及其埋深條件,第三字段則體現(xiàn)人類農(nóng)業(yè)活動的水氮投入強度和生產(chǎn)力的差異等(表1)。

表1 華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶分類層次及類型Table 1 Classification levels and type characteristics of agricultural critical zones in the North China Plain

3 華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶分類結(jié)果及特征

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用的數(shù)據(jù)主要包括沉積物成因類型、地下水礦化度、淺層地下水埋深和農(nóng)業(yè)土地利用類型4 類,數(shù)據(jù)時間為2012年。華北平原地質(zhì)地貌類型主要包含了東部濱海沖積、海積平原,中部沖積平原和西部的山前沖洪積平原。華北平原地下水礦化度數(shù)據(jù)和淺層地下水埋深數(shù)據(jù)各包含3 個子類,包括淡水、微咸水、咸水與淺埋、中深埋、深埋。數(shù)據(jù)來自《華北平原地下水可持續(xù)利用圖集》。農(nóng)業(yè)土地利用類型圖主要包含了小麥/玉米、棉花、菜地、林果和水稻5 個類別。華北平原沉積物成因類型、地下水礦化度、淺層地下水埋深和農(nóng)業(yè)土地利用類型分布如圖1 所示。

3.2 華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶分類結(jié)果

第一級分區(qū)是基于沉積物成因類型,由圖1a 可以看出,沖積平原區(qū)占據(jù)了最大的面積(55.75%),此類農(nóng)田關(guān)鍵帶主要分布在中部平原區(qū); 其次是沖洪積平原區(qū)(31.1%),主要分布在山前平原區(qū); 海積平原區(qū)也占據(jù)了較大的面積(13.1%)。

圖1 華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶劃分指標的空間分布特征Fig.1 Spatial distribution of division indexes of agricultural critical zone in the North China Plain

第二級在第一級劃分的基礎(chǔ)上加入地下水礦化度和淺層地下水埋深這兩個要素,破碎的圖斑經(jīng)過合并得到華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶的第二級分區(qū)(圖2)。其中,中深埋微咸水沖積平原區(qū)占據(jù)面積最大(21.8%),主要分布在華北平原的中部,該關(guān)鍵帶為典型的半水成土,地勢相對平坦,土層相對深厚。由于潮土在華北平原覆蓋面積較大,農(nóng)田關(guān)鍵帶第二級分區(qū)覆蓋范圍較大的類型還包括中深埋淡水沖積平原區(qū)(12.5%)、淺埋微咸水沖積平原區(qū)(6.8%)和深埋微咸水沖積平原區(qū)(5.0%)。

圖2 華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶第二級分區(qū)空間分布Fig.2 Spatial distribution of the second level of agricultural critical zone in the North China Plain

第三級分類在第二級的基礎(chǔ)上增加農(nóng)業(yè)土地利用類型要素,共疊加生成38 類農(nóng)田關(guān)鍵帶,并且疊加的圖斑破碎程度明顯提升(圖3)。地球關(guān)鍵帶分類所用的指標空間特征中,這些類別在區(qū)域尺度上的空間分布存在明顯差異。沖積型中深埋微咸水谷物農(nóng)田關(guān)鍵帶(Ⅱ-51)覆蓋面積最大,為華北平原總面積的17.7%,主要分布在河北平原南部和魯西北地區(qū)。其次是分布在山前平原的沖/洪積型深埋淡水谷物農(nóng)田關(guān)鍵帶(Ⅰ-31)(13.0%)與分布在豫北地區(qū)的沖積型中深埋淡水谷物農(nóng)田關(guān)鍵帶(Ⅱ-21)(13.0%)。表2列舉了按照面積占比前10 的農(nóng)田關(guān)鍵帶類型。

圖3 華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶第三級分區(qū)空間分布Fig.3 Spatial distribution of the third level of agricultural critical zone(CZ) in the North China Plain

華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶的分類遵循了綜合性原則,綜合考慮了多個指標,這些指標包括地表條件和地下水條件方面。農(nóng)田關(guān)鍵帶分類是較新穎的研究主題,它與許多基于生態(tài)或自然地理的區(qū)劃研究有相似相通之處,但有其特定的目的導向。農(nóng)田關(guān)鍵帶分類的指標并不是統(tǒng)一不變的,可以根據(jù)其區(qū)域特征適當調(diào)整。

3.3 華北平原不同農(nóng)田關(guān)鍵帶類型特征

華北平原是典型的沖積平原,土壤類型以潮土為主,光熱條件充足,多年平均降水量約500 mm,多年平均蒸散量約700 mm,農(nóng)作物年均水分虧缺量約200 mm。華北平原作為我國重要的糧食產(chǎn)區(qū),僅依靠降水難以滿足農(nóng)作物正常生長需求,該地區(qū)長期開采地下水用于農(nóng)業(yè)灌溉,長期地下水超采導致地下水水位不斷下降。與此同時,傳統(tǒng)的漫灌與過量施肥也導致水肥投入遠遠超出農(nóng)作物的生長需求,嚴重影響地下水水質(zhì)。

在分析華北平原自然條件和農(nóng)作物基本情況后,本文以華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶面積的前5 大類型為例(表2),收集各類型農(nóng)田關(guān)鍵帶的沉積類型、土壤類型、施肥量等信息,對典型的農(nóng)田關(guān)鍵帶類型進行如下描述。

表2 占總面積百分比前10 的華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶第三級分區(qū)分布Table 2 Distribution of the third level zones with top 10 area proportion of the total arae of agricultural critical zone in the North China Plain

Ⅱ-51(沖積型中深埋微咸水谷物農(nóng)田關(guān)鍵帶):占區(qū)域總面積的17.74%,沉積類型為沖積平原,主要分布在華北平原中部。該區(qū)域光照充足,地形平緩,土層較深厚且土壤質(zhì)地較細。小麥/玉米輪作是該地區(qū)最常見的種植模式,農(nóng)田生產(chǎn)力較高,產(chǎn)量高于全國平均水平,據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，多年平均糧食產(chǎn)量約為5925 kg·hm·a。施氮強度與灌溉強度中等,分別為273.80～359.18 kg·hm·a和2285.4～2497.4 m·hm;地下水以微咸水為主。該類地區(qū)降水量少,蒸發(fā)量大,粗放式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式容易導致土壤受到污染。因此,科學利用水資源,合理施用農(nóng)業(yè)肥,可防止地下水的農(nóng)業(yè)面源污染。

Ⅰ-31(沖洪積型深埋淡水谷物農(nóng)田關(guān)鍵帶): 沉積類型為沖洪積物,主要是太行山帶來的泥沙經(jīng)過漫長沉積堆積形成,土壤以砂、砂性土為主,堿性土壤(7.0＜pH＜8.5),根區(qū)土壤水分的電導率約170～190 ms·cm,土壤主體較深厚,質(zhì)地較粗。作物類型以小麥/玉米為主,而小麥的生育期降水為135 mm左右,生育期的耗水量為435 mm 左右,并且降水季節(jié)分配不均,約有300 mm 的水分虧缺,由于該類型關(guān)鍵帶城市人口密集,又是農(nóng)業(yè)高產(chǎn)區(qū)(約1.3 萬kg·hm·a),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要大量抽取地下水用于農(nóng)田灌溉,以及高強度的施肥滿足作物高產(chǎn)需求。灌溉強度與施氮強度分別為3002.3～3404.7 m·hm與499.89～839.36 kg·hm·a,需要特別重視地面下沉現(xiàn)象與硝酸鹽對地下水的污染風險問題。在農(nóng)業(yè)用水方面,抽取地下水進行農(nóng)田灌溉需要我們制定合理方案,在滿足作物需求的同時,最大限度地降低地下水污染風險。在施肥方面,合理、高效施用化肥是保持土壤肥力與農(nóng)作物高產(chǎn)的條件。

Ⅱ-21(沖積型中深埋淡水谷物農(nóng)田關(guān)鍵帶): 主要分布在豫北和魯西北地區(qū),該區(qū)土壤類型多為潮土,弱堿性土質(zhì),質(zhì)地細膩,土層深厚,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平高(作物單產(chǎn)約6819.45 kg·hm·a),生產(chǎn)成本較高,技術(shù)含量不夠,有機質(zhì)含量不高,農(nóng)田鹽堿化程度較低。

Ⅱ-41(沖積型淺埋微咸水谷物農(nóng)田關(guān)鍵帶): 主要分布在華北平原東部地區(qū),該地區(qū)土壤類型多為潮土,土壤質(zhì)地以黏性為主,顆粒較細,保水保肥性良好。作物類型以小麥/玉米為主,地下水埋深較淺,地表污染物易進入含水層且旱澇災害時有發(fā)生,土地存在鹽堿化風險。因此,需要加強灌溉管理,布置良好的排水系統(tǒng),合理利用水資源。

Ⅰ-22(沖洪積型中深埋淡水林果農(nóng)田關(guān)鍵帶):由北部的潮白河沖積扇平原與南部的沖積平原構(gòu)成,屬海河平原地下水系統(tǒng),成土母質(zhì)為沖積物和洪積沖積物,土壤質(zhì)地以砂性土為主,類型為潮土,耕性良好,水分充足,土壤有機質(zhì)含量高,林果種植廣泛,灌溉量與施肥量變化較大(施氮強度約359.18～499.89 kg·hm·a)。光照充足,晝夜溫差較大,農(nóng)田生產(chǎn)力水平較高。但面臨水資源匱乏、沙塵暴等生態(tài)環(huán)境問題。修建水庫、南水北調(diào)等工程以及植樹造林、退耕還林等措施是解決生態(tài)環(huán)境問題的有效途徑。

4 結(jié)論

華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶的分類思想在一定程度上參考了自然區(qū)劃方案,但傳統(tǒng)的區(qū)劃從幾種地理要素著重挑出主要要素。地球關(guān)鍵帶與不同圈層中的化學、物理和生物緊密聯(lián)系,僅考慮某一要素的主導作用很難體現(xiàn)各單元的異同。因此,本文充分考慮華北平原的生態(tài)地域與人類的生產(chǎn)活動對生態(tài)環(huán)境的影響,在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了三級分類體系,將華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶分為3 個一級分區(qū)、13 個二級分區(qū)、38 個三級分區(qū),其中一級分區(qū)為地質(zhì)地貌,二級在一級的基礎(chǔ)上增加淺層地下水礦化度和淺層地下水埋深,三級在二級的基礎(chǔ)上增加農(nóng)業(yè)土地利用類型,將華北平原分成38 類農(nóng)田關(guān)鍵帶,其中,占據(jù)面積最大的5 類農(nóng)田關(guān)鍵帶依次為: 沖積型中深埋微咸水谷物農(nóng)田關(guān)鍵帶(17.74%)、沖洪積型深埋淡水谷物農(nóng)田關(guān)鍵帶(13.02%)、沖積型中深埋淡水谷物農(nóng)田關(guān)鍵帶(12.99%)、沖積型淺埋微咸水谷物農(nóng)田關(guān)鍵帶(5.84%)和沖洪積型中深埋淡水林果農(nóng)田關(guān)鍵帶(4.63%)。

華北平原的糧食產(chǎn)量占我國總產(chǎn)量的10.6%,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中過量的投入氮肥,造成這些污染物運移至深層包氣帶甚至進入地下水系統(tǒng)中,進而對地下水環(huán)境造成了潛在威脅,制約了地下水資源的可持續(xù)利用。因此,控制污染源,加強地表氮源的輸入控制,合理施用農(nóng)業(yè)化肥,采用先進的灌溉模式是解決華北平原農(nóng)田關(guān)鍵帶地下水污染的有效途徑。

本研究明確農(nóng)田關(guān)鍵帶分類的原則和方法,凸顯了不同區(qū)域地球關(guān)鍵帶的共性和特性,為更深層次的關(guān)鍵帶劃分提供了方法指導和理論借鑒。在不同關(guān)鍵帶特征的基礎(chǔ)上,可為更合理的農(nóng)業(yè)政策制定、區(qū)域地下水量質(zhì)演化研究提供重要參考,同時也可為全球其他高強度農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)關(guān)鍵帶過程研究提供借鑒。