寒地井灌水稻田区晒水池用地空间布局研究<br/>----以七星农场为例

寒地井灌水稻田区晒水池用地空间布局研究
----以七星农场为例

2017-03-22杜国明张志宇高君峰于凤荣

中国农村水利水电 2017年10期

杜国明，张志宇，高君峰，于凤荣，冯悦，春香

(1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省农垦科学院科技情报研究所，哈尔滨 150038)

0 引言

在气候变暖及土地整治、育种、耕作技术等推动下，我国水田种植边界不断北移[1]，但气温低、水温低、生长期短等一直是寒地水田面积扩张和产量提升的限制性因素。在水稻生长期对灌溉用水进行增温是寒地水稻防治冷害、促进水稻生产必要手段，晒水池作为服务水稻灌溉用水增温的田间附属设施，在当前的土地整治中得到愈来愈多的建设，对于保证高寒地区水稻生产以及农业现代化发挥了不可替代的作用[2-4]。探讨晒水池用地布局，对于提升耕地节约集约利用、推动土地整治科技创新、促进寒地水田农业发展具有重要的意义。

随着我国农业现代化发展，全国各地区土地整治工程持续推进，农业附属设施用地类型日趋增多，占地比例不断提升[5-9]。在土地整治工程规划设计及施工中，如何实现附属设施用地布局优化、促进土地节约集约利用，引发了学术界及管理部门的持续关注[10-13]。国内学者们关注的重点在附属设施用地的空间变化、经济效益及生态效益等方面，而对不同类型的附属设施用地规模标准、布局优化的研究仍有待加强[14-20]。

三江平原作为我国气候变暖显著、土地整治规模较大的区域，水田面积持续扩张，保障国家粮食安全的地位日益突出。与此同时，晒水池用地规模不断增大，如何构建晒水池用地标准、优化晒水池用地布局成为摆在土地整治及农地管理者面前的一道难题。七星农场是黑龙江省农垦建三江分局中水田规模较大、晒水池用地较多的现代化国营农场，其晒水池用地布局规律对整个三江平原甚至东北寒地水田区土地整治具有借鉴意义。本文以七星农场为研究区，总结其晒水池用地平均规模、平均最邻近距离等空间分布特征，旨在为土地整治科技创新添砖加瓦、为寒地井灌水田区的土地整治提供参考依据。

1 研究区概况及晒水池用地需求分析

1.1 研究区概况

七星农场隶属于黑龙江省农垦建三江分局，位于富锦市境内，地处132°32′-133°14′E，47°2′-47°29′N。七星农场位于三江平原的核心区域，地势平坦，海拔大多介于50～60 m，地面起伏很小。年平均气温2.5 ℃左右，极端最高气温37.5 ℃，最低气温-41 ℃，全年无霜期135 d左右，年均降雨量576 mm，地下水位深5～17 m，地下水贮量10 832 万m3，地下水温一般为4～5 ℃左右。土壤类型主要有黑土、白浆土、草甸土、沼泽土等。七星农场分为12个管理区，78个作业站。土地总面积达116 681 hm2，耕地面积75 333 hm2，垦殖率为64.6%。其中水田69 683 hm2，占耕地面积的92.5%，素有“绿色米都”之称。自2000年黑龙江省陆续实施“两江一湖工程”、“粮食产能千亿斤工程”、“三江平原东部土地整理重大工程”等重大土地整治项目以来，七星农场土地整治稳步推进，耕地的水田化水平、设施化水平大幅提升，成为农垦系统乃至全国土地整治水平最高的区域。

1.2 晒水池用地需求分析

晒水池是寒地水田区用于临时存储井抽地下水，经过太阳照射、水温提升后(一般提升10 ℃左右)用于水田灌溉的农业附属设施。在寒地水田区的农业生产中，晒水池需建在所处水田地势较高处，以便于自流灌溉，且晒水池与田块之间有足够长的渠道，使灌溉用水在流经田块期间内继续增温。同时要保证该位置适合建站打井，地下水资源充足。另外，为便于农业生产和节约用地，晒水池选址一般为田块内靠近田间道一侧，保证从田块一侧入水的同时，又能够配合相应的排水渠道接纳排出的水量，达到灌排一体的效果。

在用地规模上，晒水池修建规模主要根据服务地块的需水量来决定。因晒水池的修建一般采用地上池，所以晒水池深度上一定要保证最大程度的利用太阳光的辐射作用来达到其增温效果，同时要保证其足够的蓄水量。根据黑龙江农垦总局建三江分局发布的《寒地优质高产水稻生产技术规程》中对晒水池设计的要求，晒水池修建的深度一般为0.6 m左右。单个晒水池用地面积的确定，则需要考虑到所服务地块的从水田插秧开始到水稻灌浆结束后平均每日的用水量，以及该地区水田近5年来的雨养程度，从而确定服务地块需水量中井水灌溉所占的比例和晒水池所要求的最小蓄水量。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与预处理

本文数据来源为：资源三号卫星遥感影像(分辨率为2 m)，通过几何校正以及坐标定位，结合第二次土地利用调查数据，采取目视解译提取七星农场各管理区晒水池用地信息(解译标志如图1所示)。

图1 资源三号卫星遥感影像晒水池用地解译标志Fig.1 Sunning water pool's interpreting mark of Resources Satellite Three remote sensing image data

结合Google Earth高分辨影像进行对比，并参照七星农场国土部门提供的《黑龙江省三江平原土地整治重大工程七星农场竣工验收图》对各晒水池用地分布和面积进一步修正。于2016年8月进行实地抽样，开展精度验证，图斑解译准确程度达到95%以上。

2.2 研究方法

2.2.1 最邻近指数分析法

最邻近指数及平均最邻近距离是用于判别某一地理要素的空间布局模式。最邻近指数测算公式如下：

(1)

式中：R表示晒水池用地的最邻近指数；ra表示各个晒水池图斑质心间所观测到的平均最邻近距离；re表示晒水池在随机分布情况下的平均最邻近距离的期望值；di表示第i个晒水池与其最近的晒水池之间的距离；A表示区域总面积；n表示晒水池的地块数；λ表示晒水池的分布密度。

最邻近指数R<1的视为集聚分布，R=1的视为随机分布，R>1的视为均匀分布。上述分析可以利用ArcGIS10.2软件Spatial Nearest Neighbor模块中的Average Nearest Neighbor工具实现。

2.2.2 晒水池用地灌溉用水满足度分析方法

晒水池灌溉用水的满足度是指在一定的水温条件约束下，该地区晒水池蓄水量所能浇灌稻田的高峰期需水量的比例。计算方法为：根据该地区气象部门统计的近5年来平均每天的降雨量和水稻从插田返青到灌浆结束后需水高峰期每天的需水量，确定井水灌溉占水田需水量的比重。再根据多年来生产经验所要求的该地区晒水池增温到合适水温时的最适深度，推算该地区井水灌溉完全达到全部水田的灌溉需求时，晒水池用地面积占水田面积的比例。再通过实际晒水池用地面积比例与上述比例进行对比，以管理区为统计单元计算晒水池用地灌溉用水的满足度。计算公式为：

(2)

式中：α表示满足度；φ表示晒水池所占水田面积的实际比例；h表示晒水池修建深度；S表示该地区水田面积；V表示该地区水田每天的需水体积；h0表示该地区每天平均降雨距地表高度。

3 研究结果分析

3.1 晒水池用地规模与邻近距离分析

根据解译数据统计出七星农场各管理区晒水池用地情况，如表1所示。

七星农场共修建晒水池1 886 处，共占地404.92 hm2，平均用地规模为2 146.98 m2。整个农场晒水池用地平均最邻近距离为331.87 m。统计发现，各管理区的晒水池用地平均规模与平均最邻近距离具有一定的相关性，二者的散点图及线性回归趋势线如图2所示。

表1 晒水池用地情况统计表Tab.1 Statistical table of sunning water pool land situation

图2 晒水池平均用地规模与平均最邻近距离散点分布图Fig.2 Scattered plot of average building size and average observed distance of sunning water pool

从该趋势线可以分析出，以管理区为统计单元，晒水池用地的平均最邻近距离与平均用地规模间存在着显著的正相关的线性关系，说明晒水池用地平均规模越大，各晒水池之间的平均最邻近距离越远。其线性回归方程一次函数可表示为：

y= 0.073 4x+191.44

(3)

式中：x表示晒水池用地平均规模，m2；y表示晒水池用地的平均最邻近距离，m。该方程的相关系数为R2=0.728 9。

3.2 晒水池空间分布特征分析

七星农场晒水池用地分布如图3所示。

图3 七星农场晒水池用地分布图Fig. 3 Distribution of sunning water pool of Qixing Farmland

经计算，整个农场晒水池用地最邻近指数为0.852 458，即R<1，说明晒水池用地趋于集聚分布。造成最邻近指数小于1与七星农场的土地并非全部为水田用地有关，一定面积旱地、居民点等其他用地类型的存在割裂了水田连片分布，从而对晒水池用地格局产生了影响。按照上述公式求出每个管理区晒水池空间分布的最邻近指数，并根据每个管理区晒水池用地状况分析其空间分布特点，各个管理区晒水池最邻近指数与晒水池所占水田比例具体关系如图4.

图4 各管理区晒水池用地面积占水田面积比例与最邻近指数散点图Fig.4 Distribution of proportion of paddy fields occupied by sunning water pool in each management area and scatter plot of the nearest neighbor ratio

从图4中可以看出，所有管理区晒水池用地最邻近指数R均小于1，结合遥感影像进行比对验证，表明农场多数管理区晒水池空间分布均趋近于随机分布，少数管理区则因该管理区的水田与旱田的种植范围区分明显，晒水池用地空间分布呈现集聚分布的趋势，通过和晒水池占本管理区水田面积的比率相比较，可看出两者之间存在着一定的相关性。

通过散点图可以反映出，管理区晒水池用地占水田面积的比例越高，本管理区晒水池最邻近指数却越低。这证明两者之间在指定区间内存在着负相关的非线性相关关系，相关系数为0.638 5，表明晒水池用地占水田面积比例越高，则在空间分布上集聚程度越高，反之则晒水池用地在空间分布上随机程度越高。回归方程可以表示为：

R=-25 814φ2+299.324φ-0.002 2

(4)

式中各变量与式(1)、(2)相同。

3.3 晒水池灌溉用水满足度分析

通过统计部门提供的5年内的统计年鉴中的相关数据计算七星农场近5年来水田四月中旬插田返青开始到水到灌浆结束后的定额每亩水田的需水量，地下水的水温在4～5 ℃的情况下，根据建三江分局《寒地优质高产水稻生产技术规程》中三江平原晒水池深度为0.6 m的统一标准，利用公式(2)得出，每个晒水池占地面积为晒水池田块的0.8%时，能够满足该田块最高的灌溉要求。再利用以上得到的各管理区晒水池所占田块面积比例和0.8%作比，得出各管理区的满足度。如图5所示。

图5 七星农场各管理区晒水池灌溉用水满足度统计图Fig.5 Statistical chart of irrigation water satisfaction of sunning water pool in management areas of Qixing Farmland

七星农场晒水池用地总的灌溉用水满足度为77.5%，各管理区的满足度都在60%以上。满足度超过80%的管理区共6个，其中第二管理区的满足度最高，达到了105.00%，表明该管理区晒水池存在用地过度的现象；满足度在60%～80%之间的管理区共5个，其中第三管理区的满足度最小，刚刚达到60%。结合《黑龙江省三江平原土地整治重大工程七星农场竣工验收图》，第三管理区等满足度没有达到80%的管理区在灌溉排水设施与晒水池协同增温的运用普遍较多，一定程度上弥补了该管理区晒水池灌溉用水满足度较低的问题。由此可见，在布局晒水池用地过程中，并不只是按照水田需水高峰期来确定用地规模，晒水池的增温满足度达到80%左右即可，剩余的20%左右则利用灌溉渠道的长度继续进行增温作用，从而既满足水田灌溉用水量和水温要求，又要节约用地，减少晒水池用地规模和面积比例。

4 晒水池用地布局标准分析

综上分析，晒水池用地空间布局的合理性体现于晒水池用地选址和用地规模两个方面，用地标准也应从这两个方面进行约束。

4.1 晒水池用地选址影响因素标准分析

晒水池是水田区地下水灌溉特有的增温附属设施，晒水池用地必须紧邻抽水井，并能够对一定半径内的水田进行自流灌溉。因此，晒水池用地选址在紧邻抽水井的前提下，主要受到两个因素影响：一是地面高度。晒水池用地必须处于水田独立灌溉小区的最高处。二是晒水池的控制灌溉面积，晒水池用地在选址上要保证晒水池灌溉半径不能过大。

根据《GB50625T-2010机井技术规范》，抽水井位置的选择应根据水文地质条件，地下水资源状况并与地形，机械提水和水田布局等多方面结合起来考虑，保证在任何时间灌溉工作都能够正常运行，多年运用中取水量不减少，取水条件不恶化。

每一处晒水池的控制灌溉面积的应根据抽水井的实际情况进行确定，计算公式为：

(5)

式中：F0表示每一处晒水池控制灌溉面积，hm2；Q表示晒水池所处抽水井出水量，m3/h；t为灌溉期间抽水井的使用时间，h；T0表示每次轮灌期的天数，d；η表示灌溉水利用系数；η1表示干扰抽水的水量消减系数；m表示每公顷每次综合平均灌水定额，m3。

晒水池间邻近距离的计算公式为：

(6)

式中：L0表示晒水池间距离，m；F0表示每一处晒水池控制灌溉面积，hm2。

根据上述研究结果，一般而言，晒水池灌溉半径控制在300 m以内为宜。

4.2 晒水池用地规模因素标准分析

在晒水池的用地规模上，每一处晒水池用地规模的大小应充分考虑修建位置地下水的存储量。如果单处晒水池用地规模过大，而地下水资源却不能保证晒水池内存储水的需求，则不仅造成耕地资源浪费，同时影响晒水池中灌溉用水的持续供应。所以每一处晒水池用地规模的确定要充分考虑该区域地下水资源的存储量。地下水资源足够的情况下，基于上述对七星农场各管理区的晒水池用地状况、晒水池的灌溉半径、以及服务区水田面积所占比例进行分析，单处晒水池用地规模应控制在1 500～4 000 m2之间。

在晒水池用地的总体规模上，地下水的水温是其影响因素之一。自北向南纬度不断降低的同时，地下水温也在不断提高。三江平原大部分地区地下水的水温一般为4～5 ℃，北部黑龙江地区最低可达到3 ℃左右，南部兴凯湖地区温度可达到5.5 ℃左右，而水稻分蘖时期灌溉水温的最适温度要求为18 ℃。根据建三江分局《寒地优质高产水稻生产技术规程》以及七星农场多年来的生产经验，取其地下水平均水温为4.5 ℃，晒水池用地规模占服务水田面积的0.8%时，即能够满足该区域水田的灌溉需求的同时，又能够利用不断优化的池内增温措施使其水温达到水田灌溉的需求。当地下水温提高，即可通过减少晒水池用地的占地比例，缩短地下水通过晒水池的流经时间，使晒水池出水口的水温达到18℃左右，即满足水田灌溉水温要求即可。如果局部地区地下水温能够达到10 ℃以上，则不需建晒水池，利用渠道增温就可以满足水田灌溉的水温需求。基于该区域的研究，建立函数模型如下：

(7)

式中：T代表该区域地下水的水温；φ表示晒水池所占服务水田面积的实际比例。

由此公式可得，三江平原晒水池用地规模占服务水田面积的比例范围应为0.74%～0.89%左右。

综上所述，建立晒水池用地空间布局影响因素关系结构如图6所示。

图6 晒水池空间布局影响因素关系结构图Fig.6 Relationship diagram of Influencing factors of sunning water pool Spatial Distribution

5 结论与讨论

(1)七星农场晒水池用地共占地404.92 hm2，平均用地规模为2 146.98 m2，平均最邻近距离为331.87 m。各管理区晒水池用地的平均规模与平均最邻近距离呈正相关的线性关系，回归方程为y= 0.073 4x+191.44，即晒水池用地平均规模越大平均最邻近距离越远。

(2)七星农场各晒水池用地的最邻近指数R为0.852 458，晒水池用地趋近于集聚分布。且各管理区晒水池用地占水田面积比例越高，集聚分布特征越明显；所占比例越小，随机分布特征越明显。二者间的回归方程为R=-258 14φ2+299.32φ-0.002 2。

(3)晒水池用地面积占所服务水田面积的0.8%时，晒水池灌溉用水量和水温能够达到水田需水高峰期的要求。但布局晒水池用地过程中，并不只是按照水田需水高峰期来确定用地规模，同时还会利用灌溉渠道的长度及其增温作用，从而既满足水田灌溉用水量和水温要求，又节约用地，减少晒水池用地规模和面积比例。七星农场晒水池用地灌溉用水满足度为77.5%，即晒水池用地面积占水田面积比例为0.62%。

(4)晒水池用地空间布局的合理性主要受晒水池用地选址和晒水池用地规模两个方面的影响。选址方面，晒水池用地必须处于水田独立灌溉小区的最高处，晒水池灌溉半径应控制在300 m以内；建筑规模上，根据该地区地下水水温北部黑龙江区域最低温3 ℃，南部兴凯湖地区最高温5.5 ℃，晒水池用地规模占服务水田面积的比例范围应控制在0.74%～0.89%左右。

寒地水田区的农业附属设施用地既包含晒水池用地，还包含育秧棚、晾晒场、存储、农机站等用地。各类附属设施用地在选址和规模上都有各自的需求，同时也应统筹各类附属设施用地布局，提升用地效率和农业生产的便捷度与经济性。黑龙江省农垦总局各农场是全国农业现代化水平最高的区域，其附属用地布局具有显著的示范作用。但黑龙江省农垦总局的全部土地为国有土地，与实施土地集体所有制的普通农村在农业生产组织、生产关系、土地利用布局上均有着显著不同[7]。随着全国各地农业现代化、规模化水平的提升，各类附属设施用地布局问题将日益紧迫，因此必须加强各类附属设施用地布局的区域标准研究，为土地资源管理提供更多依据。

□

[1] 赵黎明,李明,郑殿峰,等.灌溉方式与种植密度对寒地水稻产量及光合物质生产特性的影响[J].农业工程学报,2015,31(6):159-169.

[2] 王晓煜,杨晓光,吕硕.全球气候变暖对中国种植制度可能影响Ⅻ.气候变暖对黑龙江寒地水稻安全种植区域和冷害风险的影响[J].中国农业科学,2016,49(10):1 859-1 871.

[3] 夏楠,赵宏伟,吕艳超,等.灌浆结实期冷水胁迫对寒地粳稻籽粒淀粉积累及相关酶活性的影响[J],中国水稻科学,2016,30(1):62-74.

[4] 席桂清,衣淑娟,谭峰,等.寒地水稻灌溉晒水池水温监测系统设计与应用[J],农机化研究,2014,(12):50-57.

[5] 张凤荣,张小京,周建.都市区设施农业用地空间变化及其政策启示[J].资源科学,2015,37(4):0 637-0 644.

[6] 曾璐,李巧云,赵晶.设施农业建筑规模对设施农业项目生态效益的影响[J].农村经济与科技,2016,27(11):15-16.

[7] 薛剑,郧文聚,杜国明,等.基于遥感的现代与传统农业区域土地利用格局差异分析[J].农业工程学报,2012,28(24):245-251.

[8] 王曼曼,吴秀芹,吴斌,等.盐池北部风沙区乡村聚落空间格局演变分析[J].农业工程学报,2016,32(8):260-271.

[9] 孙杰,付梅臣,刘素芬,等.寿光设施农业用地生产格局与结构研究[J].北方园艺,2015,(2):185-189.

[10] 吴克宁,史原轲,冯新伟,等.基于农用地分等的城区扩展用地空间布局优化研究[J].中国土地科学,2007,21(6):17-22.

[11] 杜国明,张继心,于凤荣,等.黑龙江省土地整治项目及新增耕地时空格局分析[J].农业现代化研究,2016,37(4):794-801.