典型黑土区水土保持生态抗旱技术措施体系的构建
——以黑龙江省拜泉县为例
2016-02-21景国臣李英杰
陈 棣, 景国臣, 李英杰
(黑龙江省水土保持科学研究院, 黑龙江 哈尔滨 150070)
典型黑土区水土保持生态抗旱技术措施体系的构建
——以黑龙江省拜泉县为例
陈 棣, 景国臣, 李英杰
(黑龙江省水土保持科学研究院, 黑龙江 哈尔滨 150070)
[目的] 对典型黑土区水土保持生态抗旱技术措施体系的构建进行探讨,以期为该区生态农业可持续发展提供理论支持。 [方法] 以半干旱半湿润、水土流失严重的拜泉县为研究区,运用生态学原理,采取水量平衡分析的方法,对该区生态抗旱措施体系进行构建和效果评估。 [结果] (1) 确定了区域内各项水土保持生态抗旱措施的优化配置比例。 (2) 生态抗旱技术措施体系缓解了旱情的发生,2005—2009年区域内基本无春旱发生;与相邻县份相比,10a间旱灾发生频率减少了28.5%。 (3) 水量平衡分析表明,区域水资源利用率提高了13.6%。 [结论] 水土保持生态抗旱是半干旱半湿润水土流失区生态建设的一种有效途径,拜泉县生态抗旱技术措施体系的构建取得了显著的生态、经济和社会效益。不同地区应根据自然条件和环境特点构建适合本区域的生态抗旱技术措施体系。
水土保持; 生态抗旱; 技术体系; 水量平衡; 农田生态系统; 拜泉县
干旱缺水是全球6大生态危机之一,中国是受干旱危害严重的国家,随着经济社会的发展,干旱缺水造成的灾害越来越重,损失越来越大。就农业来说,20世纪90年代,中国农作物因干旱年均受灾面积、损失粮食及其占粮食产量的比例已由50年代的1.20×107hm2,4.35×106t和2.5%分别上升到2.70×107hm2, 2.45×107t和4.7%。据世界银行分析,20世纪90年代,中国每年因干旱造成的直接经济损失以及由于干旱缺水导致生态环境恶化造成的损失超过500亿元。黑龙江省水资源匮乏,干旱发生比较频繁。据资料显示,在19世纪大约每4 a发生1次干旱;20世纪90年代前平均每3 a发生1次干旱,干旱主要发生在齐齐哈尔、大庆、绥化、哈尔滨等市的中西部和黑河市的南部等27个县市,但90年代以后,旱情已发展到佳木斯、牡丹江、鸡西、双鸭山、鹤岗、七台河等东部城市[1]。另据资料统计,黑龙江省1958—1992年干旱面积平均每年只有1.19×106hm2,其中成灾面积4.80×105hm2,占40%;1993—2002年干旱面积平均每年达到2.74×106hm2,其中成灾面积在1.26×106hm2,占46%[2]。同时干旱已逐步由春旱扩展到夏旱及秋旱。本研究目的就是改变传统的抗旱模式,通过采取工程、植物、农技等一系列措施的合理配置,实现可持续的、预防为主、防抗结合的抗旱之路,即生态抗旱。即, (1) 发展生态农业建设,提高水资源的利用率,这对该区域农业可持续发展具有十分重要的作用。 (2) 为实现黑龙江省“千亿斤粮食产能工程”提供保障[3]。 (3) 对农村产业结构调整,科学利用水土资源,增强农业自身能力,提高产能具有现实意义。
1 研究区概况
选择黑龙江省拜泉县作为研究区的主要原因主要包括: (1) 拜泉县地处典型黑土区核心区域,是黑龙江省主要粮食生产区[4]。 (2) 拜泉县是黑龙江省水土流失治理重点县份之一,根据1986年遥感普查和该县复查,该县水土流失面积3 505.52 km2,占幅员面积的97.44%[5]。 (3) 拜泉县属半干旱半湿润气候区,是黑龙江省主要旱作农业区,素有“十年九春旱”之称[6],旱灾发生频率较高,危害大,具有典型黑土区代表性。
拜泉县位于黑龙江省中西部,地理坐标为125o30′—126o31′E,47o20′—47o55′N,总面积3 597.01 km2。该县地貌分为丘陵状台地、波状起伏台地、缓坡倾斜平坦台地和漫滩地4种类型。气候属中温带大陆性气候,全县年均气温1.2 ℃;年均降水量490 mm,5—9月降水量435 mm,占全年的87.7%。年均径流深46 mm,年平均蒸发量1 132.6 mm,年均风速3.1 m/s,最大风速22 m/s。据第2次土壤普查,土壤类型分为黑土、黑钙土、草甸土、沼泽土、盐土5个土类。黑土是主要耕作土壤。植被类型主要有丘陵植被、草原化草甸植被、草甸植被和沼泽化植被4种。根据1986年遥感普查和该县复查,该县水土流失面积中,轻度侵蚀832.58 km2,占流失面积的23.75%;中度侵蚀2 257.44 km2,占流失面积的64.40%;强度侵蚀415.50 km2,占流失面积的11.85%。年均土壤侵蚀模数2 594 t/km2。
2 研究方法与数据分析
2.1 理论依据
生态抗旱技术措施体系是应用生态学原理,采取水保、植物、耕作等技术措施,改变生态环境系统中诸因子时空状态,实现生态抗旱措施体系的保水、蓄水、调水和节水4大功能[7-8],进而达到系统内水分平衡,提高系统抗御各种灾害能力,以创造适合生物体生长发育最佳时空环境,达到可持续增加生物产量的目的,使改变了的生物系统与环境系统有机结合形成生态抗旱体系。
2.2 研究方法
2.2.1 生态抗旱措施体系构建 生态抗旱就是通过各种技术措施促进生态环境中水分得失(+,-)的平衡。也就是说通过“保、蓄、调、节水”技术措施,减少蒸散,减少径流,使天然降水与耗水保持相对平衡。在一定的时空内,水分的运动保持着质量守恒,或输入的水量和输出的水量之间的差额等于系统内蓄水的变化量。在闭合流域或集水区内,一般把大气降水视为生态系统的水分输入量,把蒸发或蒸腾及各种径流作为水分的输出量。此时,不同植被类型水量平衡方程[9]为:
P=E+ΔW+R
(1)
式中:P——大气降水量(mm);E——蒸发散量(mm);R——径流量(mm);ΔW——土壤贮水量变化(mm)。
农田蒸散的估算采用Penman公式[10]计算:
(2)
式中:E——蒸散量(mm/d);Ea——空气干燥力(大气蒸发量,mm/d);α——系数;γ——干湿表常数(66.2Pa/℃);Δ——饱合水汽压曲线斜率〔mm/℃,从Δ(T)表中查算〕;R——表面净辐射量(mm/d),R=R0(1-A)-Ri;R0——天空总辐射(mm/d);A——反射率;Ri——地面有效长波辐射(mm/d)。
2.2.2 生态抗旱效果评价 研究区历史旱情变化分析采用德国瓦尔特旱情分析图解法,相邻县份旱情分析采用同期对比法。生态抗旱措施体系生态效益采取典型小流域实地观测法。其中气象指标采用PC-3便携式自动气象站观测。农田土壤容重、孔隙度和田间最大持水量采用环刀法测定。土壤稳渗系数采用双环法测定。土壤有机质含量采取稀释热法测定。地表径流量采用标准小区测定。区域水量平衡分析利用水量平衡方程式对不同植被类型进行加权统计分析。
2.3 数据分析
2.3.1 数据来源 不同时期拜泉县土地利用结构数据来源于拜泉县土地局。气象因子数据来源于拜泉县气象站。历年旱涝灾害数据来源于拜泉县、克山县民政局。各项水土保持措施的保水、蓄水、调水、地表径流数据来源于拜泉县1990—1992年水保观测网点和黑龙江省水土保持科学研究所试验观测结果。抗旱节水资料来源于拜泉县2010年小型农田水利重点县实施方案。数据分析采用Excel和SPSS15.0软件进行统计分析。
2.3.2 生态抗旱技术措施体系指标的确定 在生态抗旱措施体系中,能否实现防旱、抗旱,主要取决于保水、蓄水、调水、节水4大功能是否发挥作用,而功能的实现,主要靠技术措施建立及完善过程来实现。这其中有个措施建设量变到质变的过程。当各项技术措施达到最佳状态时,则体系中抗旱性能为最理想状态。因此,确定各项措施指标极为重要。
根据拜泉县水保观测网点和黑龙江省水土保持科学研究所在克拜地区试验观测,将径流量、田间最大持水量、灌溉用水量等测定结果增减量转换计算为气象雨量值,得出生态抗旱各项技术措施指标(表1)。
表1 生态抗旱技术措施定额指标 mm
3 结果与分析
3.1 生态抗旱技术措施比例的确定
根据水量平衡原理和作物生育需水要求,以农田生态系统水分输入与输出相平衡和最大田间持水量为目标值,采用水量平衡方程对区域内生态抗旱措施体系进行水量平衡分析,得出拜泉县各项各项生态抗旱措施的配置数量和占比,计算结果详见表2。
水量平衡方程为:P=E+ΔW+R
表2 拜泉县生态抗旱措施配结果
从表1中看出,各项水土保持措施配置体现了保水、蓄水、调水、节水的有机结合,各项措施配置最佳比例为梯田1.75%~2.65%,地埂植物带0.60%~0.91%,改垄24.88%~37.30%,水源涵养林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%,农田喷灌0.56%~0.83%,微灌0.35%~0.52%。
3.2 土地利用结构变化分析
生态抗旱措施的实施,调整了土地利用结构,使土地利用结构和生产方式发生了较大的变化。各项生态抗旱措施实际完成情况详见表3。土地利用结构变化情况详见表4。
从表3可以看出,拜泉县各项生态抗旱技术措施实施面积基本上与所确定的配置比例上限一致,能够实现保水、蓄水、调水、节水的生态抗旱目标。从表4土地利用变化情况看,生态抗旱技术措施体系的构建,调整了区域内农林牧用地结构,农地减少了4.90%,林地增加了8.45%,草地增加了0.31%,农林牧用地比例更加趋于合理,农村产业结构进一步多元化。
表3 拜泉县生态抗旱措施实际完成情况
表4 拜泉县土地利用结构调整情况
3.3 生态抗旱技术措施体系对旱情变化影响分析
3.3.1 历史比较分析 运用德国瓦尔特旱情分析图解法,对拜泉县治理前5a(1975—1979年)与治理后5a(2005—2009年)进行旱情分析。结果表明,前5a平均温度线与1 ∶2降水线交叉重叠在3—5月,均为严重干旱,而后5a平均温度线与1 ∶2降水线及1 ∶3降水线均未交叉重叠,则为无春旱(图1—2)。说明生态抗旱措施体系建设增强了区域抗旱能力。
图1 拜泉县1975—1979年瓦尔特旱情分析
图2 拜泉县2005—2009年瓦尔特旱情分析
3.3.2 与相邻县份比较分析 通过对1997—2006年拜泉县和邻近克山县春旱情况调查(表5),拜泉县10a中平均春季降雨量为69.1mm,有5a发生春旱,受灾面积3.28×105hm2,而克山县10a中平均春季降雨量75.0mm,有7a发生春旱,受灾面积6.20×105hm2,为拜泉县受灾面积的近1倍。虽然两县春季降雨量相差不多,克山县比拜泉县还相对多了5.9mm,但是春旱频次和程度都高于拜泉县,说明拜泉县生态抗旱措施体系发挥了明显的抗旱减灾作用。
表5 拜泉县和克山县1997—2006年旱灾对比
3.4 生态抗旱技术措施体系调节水量分析
根据我们在拜泉县多年试验观测数据分析,按照农田生态系统水量平衡公式,对拜泉县实施生态抗旱技术措施体系前后农田生态系统中水量平衡分析,结果详见表6。从表6可以看出,生态抗旱措施体系实施前,农田系统中消耗水量的蒸散量和径流量占降水量的比例分别为59.8%和55.3%,耗水量明显大于降水量。生态抗旱措施体系生效后,由于环境的改善,区域小气候向好的方面转化,降雨量增加了10.9%,农田蒸散量减少了4.7%,地表径流量减少8.3%,土壤贮水量由原来的-61.9mm调节为13.2mm,水量由亏损转变为水量平衡并稍有赢余,水资源利用率提高了13.6%,保证了农作物生育期对水分的需求。
表6 拜泉县生态抗旱措施实施前后农田生态系统水量平衡分析
3.5 生态抗旱技术措施体系改善生态环境效果分析
生态抗旱技术措施体系的建立,形成了工程措施、植物措施、农业耕作相结合,良性循环的生态体系。该县植被覆盖率达到24.25%,其中森林覆盖率达到21.15%。区域生态环境有了较大的改善,农业基础向稳定、协调、健康方向发展。由于植被覆盖度大幅度增加,改善了生态环境,提高“体系”内温、湿度,降低大气压强,增强了抗干旱能力。2013年在拜泉县通双小流域实测结果表明,坡耕地径流量减少76.1%,泥沙流失量减少97.8%,土壤平均容重减小了0.05~0.12g/cm3,总孔隙度增加1.9%~4.1%,透水速度增加0.58~1.39mm/min,田间持水量增加5.18%~11.56%;农田林网内风速降低58%,空气相对湿度提高10%~14%,蒸发量减少14.6%~17.8%;土壤有机质含量增加0.51%,保肥能力提高51%。由于小气候得到改善,近年来该流域没有发生过大的旱、涝、冰雹、低温、早霜等自然灾害。
3.6 生态抗旱技术措施体系经济效益分析
拜泉县生态抗旱技术措施体系建设取得了明显的生态、经济、社会效益。根据拜泉县统计年鉴,截止2012年该县粮食总产量增加8.48×106kg,平均增产粮食185kg/hm2,年均经济收入增加8 196.32万元,人均收入增加4 150元。该体系建设提高了区域抵御干旱等自然灾害能力,为农业可持续发展提供了保证。
4 结 论
(1) 拜泉县水土保持生态抗旱技术措施体系的实施,调整了土地利用结构,大幅度提高了植被覆盖率,各项措施的保水、蓄水、调水、节水“四大”功能得到了有效的发挥,增强了抵抗自然灾害的能力。运用德国瓦尔特旱情分析图解法分析表明,生态抗旱技术措施体系建立后的2005—2009年基本无春旱发生,与相邻县份相比,1997—2006年旱灾发生频率减少了28.5%。
(2) 通过对保水、蓄水、调水、节水技术的合理优化配置,减少了地表径流量,改善了土壤保蓄水能力,提高了自然降水的利用率,使农田生态系统水量趋于平衡。拜泉县的生态抗旱技术措施体系建设实践表明,农田生态系统水量由过去的亏损转为稍有盈余,水资源利用率提高了13.6%。
(3) 拜泉县的水土保持生态抗旱实践证明,区域生态环境向良性循环转化,农村经济结构得到调整,粮食产量明显增加,经济收入逐步提高,说明水土保持生态抗旱技术措施具有明显的经济效益、生态效益和社会效益。
(4) 水土保持生态抗旱是半干旱半湿润水土流失区生态建设的一种有效途径。生态抗旱措施体系的4大功能,即保水功能、蓄水功能、调水功能和节水功能,不仅能够起到补水作用,更主要的功能是充分合理的配置水资源。不同地区自然条件和环境特征不同,建立的生态抗旱技术措施体系也不一致,应根据具体条件选择适合区域特点的生态抗旱技术。
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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
黑龙江省科技攻关项目“黑龙江省生态抗旱技术措施体系构建的研究”(GB04B702)
陈棣(1963—),男(汉族),黑龙江省五常市人,教授级高级工程师,主要从事土壤侵蚀与荒漠化防治方面的研究。E-mail:chend_1226@163.com。
景国臣(1964—),男(汉族),黑龙江省望奎县人,教授级高级工程师, 主要从事土壤侵蚀与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
文献参数: 陈棣, 景国臣, 李英杰.典型黑土区水土保持生态抗旱技术措施体系的构建[J].水土保持通报,2016,36(6):195-199.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.033