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2020-07-24 05:08:50夏衛(wèi)生謝炳庚
農業(yè)機械學報 2020年7期
周 浩 金 平 夏衛(wèi)生 謝炳庚
(1.湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院， 長沙 410081； 2.湖北省城市規(guī)劃設計研究院， 武漢 430071)
0 引言
干與濕是氣候區(qū)劃的重要依據，氣候干濕狀況及其變化對糧食生產、耕地結構布局、排灌措施制定以及水資源開發(fā)利用等具有廣泛的應用價值和重要意義[1-2]，而這種干濕狀況對我國北方地區(qū)的耕地利用影響尤為顯著。三江平原由于其特有的糧食生產地位和濕地生態(tài)保育功能，一直是全球氣候變化研究的熱點區(qū)域[3-5]。自20世紀80年代起，三江平原大力推行“以稻治澇”農業(yè)結構調整政策，導致該地區(qū)水田急劇擴張[6]，嚴重影響了地表水循環(huán)過程。在耕地利用背景下，研究三江平原地區(qū)的水分平衡效應具有重要的現(xiàn)實意義[7]。
目前，針對氣候干濕的評估，國內外學者進行了許多研究工作，評估指標也很多。一類是反映水分供應狀況的降水量指標，如降水距平百分率、Z指數(shù)、標準化降水指數(shù)、降水溫度均一化指標等[8-11]；一類是反映水分供需變化的指標，如綜合氣象干旱指數(shù)(CI)、相對濕潤度指數(shù)、水分盈虧指數(shù)等[12-15]。其中，水分盈虧指數(shù)綜合考慮了降雨和蒸發(fā)的共同作用，且能夠反映水量收支，進而了解區(qū)域氣候水分平衡狀況?，F(xiàn)有研究的研究對象多為較大面積的流域或地區(qū)：高歌等[1]對1961年以來我國十大主要流域的年以及季度的水分平衡特征和變化成因進行了探討；張淑杰等[16]、曾麗紅等[17]分別對東北地區(qū)過去幾十年水分盈虧特征及變化趨勢進行了探討，均得出東北地區(qū)水分盈虧量呈逐年下降趨勢的結論；張順謙等[18]利用53個農業(yè)氣象站點數(shù)據對四川省主要旱作物的生育期水分盈虧量及其與氣候變化的關系進行了研究；姚曉軍等[19]對西北地區(qū)和史建國等[20]對黃河流域的水分盈虧進行了探討。對于中等或小尺度的流域或地區(qū)，由于其境內氣象站點數(shù)量較少，水分平衡研究存在數(shù)據獲取上的困難。三江平原地處黑龍江省東北部的邊境地帶，境內氣象站點較少，尤其對于三江平原腹地，氣象資料更為匱乏。遙感及GIS信息技術在獲取偏僻區(qū)域信息及用常規(guī)手段難以測量得到的水分條件數(shù)據上具有獨特的優(yōu)勢，能夠彌補傳統(tǒng)監(jiān)測資料匱乏的不足[21]，將其與傳統(tǒng)模型相結合，僅需提供傳統(tǒng)氣象資料便可計算蒸散量，無需徑流、土壤濕度等資料，參數(shù)較少，且計算簡單[22]。
撓力河流域位于三江平原腹地，是該地區(qū)最大的流域。自21世紀以來，隨著流域境內“兩江一湖”和高標準基本農田土地整治工程的實施，水田化改造仍持續(xù)推行。本文在提取耕地信息的基礎上，利用區(qū)域遙感蒸散模型反演2000、2005、2010、2015年該流域的氣候水分平衡特征，進一步揭示耕地利用下氣候水分平衡效應，明確在天然氣候狀態(tài)下由氣候條件所主導的耕地水分平衡規(guī)律。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
撓力河流域總面積為2.49×104km2(圖1)，地處半干旱地帶，屬中溫帶大陸性季風氣候區(qū)，春季干旱頻繁，秋季多洪澇災害，流域多年平均降雨量518 mm，降雨分布不均勻，主要集中于6—9月。該流域呈現(xiàn)西南高、東北低的態(tài)勢，水系自西南流向東北。地貌類型主要是山地和平原，其中山地占流域面積的38.3%，主要分布于流域西南部和南部，平原占61.7%，主要分布于流域北部和中部的內、外七星河及撓力河中游地區(qū)。自1980年我國進入經濟迅速發(fā)展期后，流域當?shù)爻霈F(xiàn)了大量的濕地開墾為耕地、水利工程修建和農業(yè)結構調整等現(xiàn)象，導致該地區(qū)濕地大面積喪失、結構破壞和功能退化[7]，水稻面積和結構比率持續(xù)上升[23]，對水分供需情勢造成了強烈影響。
圖1 撓力河流域地理位置示意圖Fig.1 Location of Naoli River Basin
1.2 數(shù)據來源
1.2.1MODIS數(shù)據
主要采用MODIS陸地標準3級Albedo產品(MCD43B3，1 d)、LST和Emis產品(MOD11A2，1 d)、LAI產品(MCD15A2，8 d)，對數(shù)據進行拼接、投影與數(shù)據格式轉換、裁剪等處理，由于MODIS數(shù)據在空間上可能存在缺值現(xiàn)象，且不同數(shù)據的時間分辨率不一致，需進行空間范圍缺值插補和時間序列缺值插補等處理以保證空間分辨率和時間分辨率的一致性，本文采用文獻[22]的方法進行數(shù)據的空間以及時間插補處理，最終得到時間分辨率1 d和空間分辨率1 km的反演信息源數(shù)據(數(shù)據時間點為2000、2005、2010、2015年)。
1.2.2氣象站點數(shù)據
地面基準氣象站點數(shù)據來自中國氣象數(shù)據中心的“中國地面氣象資料日值數(shù)據集V3.0”，該數(shù)據集經過質量控制，要素數(shù)據的質量及完整性相對于以往發(fā)布的地面同類數(shù)據產品明顯提高。由于撓力河流域境內氣象站點較少，同時選擇域外的富錦氣象站和虎林氣象站加以輔助，進行降雨和溫度數(shù)據的插值處理，然后基于Python語言編程批處理實現(xiàn)對2000、2005、2010、2015年降雨和溫度數(shù)據的逐日空間插值。
1.2.3耕地利用數(shù)據
撓力河流域多期土地利用/覆被遙感數(shù)據源來自美國陸地資源衛(wèi)星Landsat TM/OLI多光譜遙感影像，數(shù)據獲取自美國地質勘探局(USGS)(http:∥earthexplorer.usgs.gov/)，過程中涉及選用不同的Landsat衛(wèi)星數(shù)字產品，輔以中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據中心(http:∥www.resdc.cn)的“2010年中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據”(數(shù)據比例尺1∶100 000，數(shù)據精度良好)，以Google Earth數(shù)據為輔助數(shù)據源，影像數(shù)據在經過大氣校正、幾何糾正、圖像增強等預處理的基礎上，進行543波段的標準假彩色融合以便區(qū)分旱地和水田，采取人機交互式目視解譯方法完成耕地信息識別，地類編碼和判讀與中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據中心(http:∥www.resdc.cn)的“中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據”相同。對于歷史期(2000、2005、2010年)耕地利用數(shù)據的解譯精度驗證，通過Google Earth軟件布控數(shù)據的采樣網格驗證點，最終實現(xiàn)耕地數(shù)據的精度驗證(解譯準確率均大于85%)，而對于2015年的耕地利用數(shù)據，通過對流域進行實地GPS信息樣點的比對驗證和記錄(考察時間為2016年9月26—30日)，結合后期的室內數(shù)據糾正，完成2015年耕地解譯數(shù)據的精度驗證(解譯準確率89.20%)。
1.3 研究方法
Priestley-Taylor公式物理概念明確[24]，算法簡單，選用該公式作為瞬時潛在蒸散遙感反演的基礎機制，通過MODIS數(shù)據模擬衛(wèi)星過境時刻瞬時潛在蒸散量，并進行瞬時至逐日潛在蒸散量的尺度處理，以實現(xiàn)氣候水分平衡研究。
1.3.1逐日潛在蒸散量遙感估算
(1)瞬時潛在蒸散量
Priestley-Taylor公式在蒸發(fā)達到平衡(即當下墊面與下墊面上方空氣的相對濕度相等時的蒸發(fā))的基礎上，引入α常數(shù)，推導出無平流條件下潛在蒸散量的計算方法，公式為
(1)
式中ET0——潛在蒸散量，mm
α——Priestley-Taylor系數(shù)
Rn——地表凈輻射量，W/m2
G——土壤熱通量，W/m2
λ——汽化潛熱，MJ/kg
Δ——飽和水汽壓-溫度曲線斜率，kPa/K
γ——干濕表常數(shù)，kPa/K
斜率Δ可通過飽和水汽壓與大氣溫度Ta(K)關系的經驗公式計算得到，干濕表常數(shù)γ可由空氣定壓比熱容、大氣壓(海拔H推算)等計算得到；凈輻射通量Rn同樣采用能量平衡法，基于MODIS估算衛(wèi)星過境時刻估算得到[25]，估算過程將涉及到大氣溫度Ta和Emis地表發(fā)射率的遙感信息數(shù)據(波段31和波段32的數(shù)據)，具體參數(shù)計算過程見文獻[22]，最終得到衛(wèi)星過境時的瞬時潛在蒸散量。
(2)瞬時潛在蒸散量的逐日尺度轉換
由Priestley-Taylor公式計算得到的衛(wèi)星過境時刻的瞬時潛在蒸散量，需要通過尺度轉換才能得到逐日潛在蒸散量。由于凈輻射Rn在一天中呈正弦曲線變化，決定了潛在蒸散量變化也具有正弦變化特征。因此可以采用正弦曲線擬合的方法來實現(xiàn)瞬時潛在蒸散量向逐日潛在蒸散量的轉換。一般而言，日出后1 h和日出前1 h左右的蒸發(fā)速率可以認定為0，而在日變化過程中潛在蒸散量將呈現(xiàn)出正弦曲線的變化趨勢，最大潛在蒸散量一半出現(xiàn)在當?shù)氐恼鐣r間，通過該最大值可計算出正弦曲線上任何時點的潛在蒸散量(圖2)，公式為
圖2 潛在蒸散量日變化曲線示意圖Fig.2 Schematic of diurnal variation of ET0
(2)
(3)
式中ET0_max——日最大潛在蒸散量，一般在正午時刻達到
t——模擬時刻
tset、trise——日落時間和日出時間，對應當?shù)貎糨椛渲底優(yōu)樨摵妥優(yōu)檎臅r間，可通過緯度和日期計算得到
ET0_IN——衛(wèi)星過境時刻的瞬時潛在蒸散量，mm
tpase——衛(wèi)星過境時刻的當?shù)貢r間
日潛在蒸散量總量為
(4)
1.3.2氣候水分平衡
通過氣候水分盈虧量(即降雨量與潛在蒸散量的差值)來表征氣候水分平衡的一般狀態(tài)，其目的在于明確沒有人為影響的天然狀態(tài)下由氣候條件所主導的水分盈虧情況，可以從整體上反映區(qū)域的干、濕狀況。當水分盈虧量大于0時，水分有盈余，表示氣候濕潤；當其小于0時，水分處于虧缺狀態(tài)，表示氣候干燥；當其等于0時，表示水分收支平衡。量值大小反映水分盈虧程度及氣候的干濕程度[26]。
2 結果與分析
2.1 耕地變化特征分析
2000年，撓力河流域耕地總面積14 338.61 km2，占流域面積的60.57%，其中富錦市和寶清縣是該流域耕地分布的主要市縣，占流域耕地總面積的68.77%。2015年流域的耕地面積比例緩慢升至62.70%，15年間僅增加2.13個百分點，同時富錦市和寶清縣的耕地面積比例升至69.28%，二者為流域耕地擴張的主要核心地區(qū)(圖3)。但隨著“兩江一湖”改造和“高標準基本農田建設”等農田工程措施的陸續(xù)實施，農業(yè)結構改造仍大力推行，同時水田和旱地存在明顯的利益剪刀差，受糧食的經濟效益驅動作用，流域內大量農戶實施“旱改水”農業(yè)結構調整。盡管2000年以來撓力河流域耕地整體擴張較為緩慢，但該流域旱地和水田之間存在明顯的“此消彼長”關系，“水田化”(旱地和非耕地轉變?yōu)樗?現(xiàn)象是最重要的土地利用變化景觀類型，具體表現(xiàn)為：研究期內該流域旱地面積持續(xù)下降，由2000年的11 916.13 km2降至2015年的9 311.47 km2，面積比例由50.34%減為39.28%，旱地縮減幅度非常明顯。與之對應的是水田面積的快速增加，2000年，撓力河流域水田僅占流域面積的10.23%，2015年面積比例上升至23.39%，變?yōu)? 534.35 km2。水田占耕地的比例由2000年的16.89%變?yōu)?7.28%，開始進入水田化中期階段(30%～70%)[6]。2000—2005年和2005—2010年的水田占耕地的比例分別增長4.32、5.50個百分點，而在2010—2015年間增加了10.57個百分點。撓力河流域水田化進程的迅速推進，勢必導致流域對水資源的需求壓力越來越大。
在空間重心上，撓力河流域的水田重心均位于富錦市境內，且呈現(xiàn)向西南方向緩慢移動的特點，由2000年的(132.31° E，46.72° N)(圖3a)移至2015年的(132.61° E，46.93° N)(圖3d)。撓力河流域是三江平原境內土地利用開發(fā)歷史最早、耕地利用與管理手段最為成熟的地區(qū)，特別是自2000年以來該地區(qū)陸續(xù)建立多個國家級濕地自然保護區(qū)，土地利用結構相對穩(wěn)定，差別于三江平原其他地區(qū)的土地利用特點。撓力河流域的水田整體偏移特征恰好與三江平原水田“北移東擴”的整體特征相反，因此未來需根據三江平原的地區(qū)差異性特點制定差別化的耕地管理策略，對于三江平原北部仍處于擴張狀態(tài)的水田，應盡量優(yōu)化其水資源供給條件，而水田發(fā)展成熟的撓力河流域應在保證其糧食可持續(xù)生產的前提下，關注水田開發(fā)利用中生態(tài)及水資源開發(fā)問題。
2.2 潛在蒸散量變化特征
2.2.1數(shù)值變化特征
統(tǒng)計結果顯示(圖4)，伴隨著氣候的“暖濕化”變化特點，該流域潛在蒸散量呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢，其中2000、2005、2010、2015年的潛在蒸散量依次為910.25、936.84、937.23、964.04 mm。
撓力河流域年內潛在蒸散量呈現(xiàn)出明顯的階段性變化特征。以2005年的逐日潛在蒸散分析為例(圖4a)，其累加值呈現(xiàn)出較為明顯的S形曲線特征，以4月9日(第100日序)和9月24日(第268日序)突變節(jié)點可以將其劃分為3階段：①受溫度、日照時長等氣候要素影響，1月1日—4月8日，逐日潛在蒸散量整體上以0.30 mm/(10 d)的速率逐日波動式增加，該時間段的累加曲線極其平緩。②隨著流域溫度逐漸回暖，地面積雪大量融化，潛在蒸散量增加極為迅速，至6月22日(第174日序)達到全年的峰值，為6.65 mm。盡管之后潛在蒸散量維持較高水平，但已開始進入衰減期。③9月底以后，撓力河流域呈現(xiàn)降雨顯著減少和溫度持續(xù)下降的特點，地表蒸發(fā)能力減弱，潛在蒸散量以0.16 mm/(10 d)的速率下降，并再次形成增長舒緩的逐日累加曲線。
對于逐月蒸散量，撓力河流域的高蒸散時段主要集中于5—8月，共占全年潛在蒸散量的62.83%(圖4b)。潛在蒸散量主要由溫度、日照時長、降雨量等氣象要素的綜合作用影響，6月溫度未達到年峰值，其潛在蒸散量為12個月中最大(174.66 mm)，表明溫度非該月份潛在蒸散量的關鍵影響因子。盡管5月?lián)狭恿饔蛏形催M入雨季，但其空氣相對濕度較低，加之顯著的地表溫度上升的態(tài)勢，造成了較為強烈的蒸散作用。對于1、2、12月冬季而言，溫度較低、日照時長較短且降雨量較少，使得該流域的潛在蒸散量顯著偏低。
2.2.2空間分布特征
空間分布上(圖5)，撓力河流域年潛在蒸散量處于780～1 179 mm間，均值為910.25 mm，流域東部及南部多山，海拔較高，潛在蒸散量顯著偏低，而位于撓力河上游的寶清縣相對濕度較低，加之受緯度的影響，導致潛在蒸散量偏高；分別選取冬季(12、1、2月)和夏季(6、7、8月)進行潛在蒸散量的空間分布差異特征分析，冬季和夏季的潛在蒸散程度在整體水平以及空間分布上存在顯著差異。冬季潛在蒸散量均低于89.41 mm，平均水平不足全年的1/10，相對高值區(qū)零散分布于流域的寶清縣南部山區(qū)、東部饒河縣境內山區(qū)以及北部平原地帶。夏季大氣相對濕度大且溫度較高，該季節(jié)潛在蒸散量范圍處于401.01～560.36 mm之間，占到全年總值的1/2以上，與冬季相比，夏季的潛在蒸散高值區(qū)分布更為廣泛。
圖5 撓力河流域潛在蒸散量的季節(jié)性分布Fig.5 Seasonal distributions of ET0 in Naoli River Basin
2.3 氣候水分盈虧特征
撓力河流域常年處于氣候水分虧缺的狀態(tài)，且整體上西部的虧缺程度顯著大于中部和南部地區(qū)，氣候水分盈虧量呈現(xiàn)由西向南遞減的特征(圖6)。降雨量與潛在蒸散量之間的差值即為氣候盈虧量，由于撓力河流域為中小尺度流域，境內不同地區(qū)年均降雨量差別不大，一般在480 mm以下，多年氣候水分平衡的空間分布差異主要由ET0的空間差異所導致。整體而言，富錦市西南部、集賢縣西部、友誼縣西部、寶清縣和七臺河市交界處以及饒河縣部分地區(qū)的氣候水分盈虧量偏大，一般在-630 mm以上。氣候水分盈虧量較少的地區(qū)一般分布在流域的撓力河干流右岸和南部山區(qū)地帶，但基本保持在-600 mm的水平。對于年際差異而言，整體上各年份間氣候水分盈虧差異較小，空間上表現(xiàn)出顯著的分布差異性特征：2000年，撓力河流域氣候水分盈虧量的高值區(qū)分布更為廣泛，流域的西部地區(qū)(包括友誼縣西南部、富錦市西南部、集賢縣東部和雙鴨山市轄區(qū))的盈虧量顯著高于東南部的寶清縣地區(qū)。至2005年，高值區(qū)在2000年的空間分布基礎上顯著收縮，流域中部地區(qū)的氣候水分盈虧量呈現(xiàn)下降的態(tài)勢，寶清縣境內大部分地區(qū)、富錦市東北部和饒河縣境內的盈虧量偏低。2010年，寶清縣西南部和饒河縣的山地丘陵區(qū)為流域氣候水分盈虧的高值集中區(qū)域，同時西部地區(qū)盈虧量也偏高，流域中部的內、外七星河腹地和北部的富錦市地區(qū)的氣候水分盈虧量維持在-580 mm左右。2015年氣候水分盈虧特征與2010年基本保持一致，西部地區(qū)整體上維持著較高的水平，寶清縣的西南部山區(qū)也表現(xiàn)出較高的水分盈虧水平。
圖6 撓力河流域年際氣候水分盈虧量的空間分布Fig.6 Spatial distributions of annual climatic water deficit in Naoli River Basin
對于季節(jié)性氣候水分盈虧而言，冬季和夏季的盈虧量不但存在較大的區(qū)別，而且其值相對空間分布也存在較大的差異，夏季的氣候水分盈虧量相對高值區(qū)為冬季的低值區(qū)(圖7)，對于冬季而言，盡管流域整體蒸散水平偏低，但季節(jié)性降雨量極少，使得流域冬季的氣候水分盈虧量也偏低，處于-66.26～-23.07 mm范圍內，約占全年盈虧總量的1/20。降雨量空間插值結果顯示，寶清縣中部和南部地區(qū)降雨量相對偏低，與之對應的是該地區(qū)潛在蒸散量偏高，導致氣候水分盈虧量較大，而撓力河干流以及內、外七星河沿岸地區(qū)的常年氣候水分盈虧量平均值僅為-25 mm；對于夏季而言，流域氣候水分盈虧量呈現(xiàn)由西向東逐漸遞減的特點，高值區(qū)多位于富錦、友誼和集賢地區(qū)(盈虧量達到-270 mm左右)，該地區(qū)是糧食生產的核心區(qū)域。寶清縣中部平原以及南部山區(qū)地帶氣候水分盈虧水平整體偏低，約為-205 mm，流域北部的入烏蘇里江口周邊地區(qū)整體水分盈虧值也相對較低，約為-200 mm。
圖7 撓力河流域季節(jié)性氣候水分盈虧量Fig.7 Seasonal climate water balance in Naoli River Basin
2.4 耕地利用下的氣候水分平衡效應
近年來，撓力河流域整體表現(xiàn)出“暖濕化”的氣候變化特征，在自然氣候要素變化條件下，撓力河流域初始層次的氣候水分盈虧態(tài)勢向良性發(fā)展。2000—2015年間，撓力河流域旱地和水田的平均氣候水分盈虧量均為負值，且其絕對值表現(xiàn)出逐漸下降的特征，在水田急劇擴張、旱地面積持續(xù)下降的土地利用變化背景下，撓力河流域的氣候水分盈虧態(tài)勢趨好；2000年，撓力河流域水田的平均氣候水分盈虧量達到-649.63 mm，至2015年，流域水田的水分盈虧絕對值降低了75.60 mm，變?yōu)?574.03 mm，下降幅度達到11.64%。旱地的平均氣候水分盈虧量則由2000年的-659.57 mm變?yōu)?015年的-573.71 mm。
對撓力河流域耕地氣候水分盈虧量進行統(tǒng)計(表1)，結果顯示，15年間耕地氣候水分盈虧絕對值持續(xù)下降，2000年為-9.42×109m3，至2005年，盈虧量絕對值下降了3.80×108m3，變?yōu)?9.04×109m3，而至2010年則變?yōu)?8.54×109m3，2010—2015年間，耕地氣候水分盈虧總量絕對值緩慢下降，5年間下降了3.00×107m3；對于水田而言，15年間流域氣候水分盈虧情勢愈來愈嚴重，2000年總盈虧量達到-1.57×109m3，且增長速度越來越快，2005年氣候水分盈虧總值達到-1.90×109m3，期間絕對值共增加了3.30×108m3，至2010年則變?yōu)?2.28×109m3。至2015年，由于期間內水田面積擴張極其強烈，其對應的氣候水分盈虧態(tài)勢迅速惡化，2015年流域盈虧量達-3.18×109m3，相對于2010年而言，5年間絕對值增長幅度達到39.35%；與水田不同的是，15年間旱地的氣候水分盈虧量的絕對值逐年下降，2000年盈虧量達到最高的-7.85×109m3，隨后持續(xù)下降，至2015年絕對值下降了2.52×109m3，變?yōu)?5.33×109m3，15年下降幅度達到2.52×109m3。
表1 撓力河流域2000、2005、2010、2015年耕地氣候水分盈虧量Tab.1 Statistics of farmland water shortage in Naoli River Basin in 2000, 2005, 2010 and 2015 m3
由上文分析可知(表1)，2000—2015年間，撓力河流域耕地格局整體表現(xiàn)出耕地面積緩慢增長而水田面積急劇擴張的特點，與之對應的是旱地面積的緩慢減少。在氣候水分平衡上，耕地格局的變化使得水田的氣候水分盈虧量占耕地總盈虧量的比例持續(xù)增加，2000年水田氣候水分盈虧量僅占耕地總盈虧量的16.70%，隨著水田化比例的持續(xù)提升，2005年水田氣候水分盈虧量相對比例增至21.10%，2010年則變?yōu)?6.70%，2010—2015年間，撓力河流域水田擴張尤其劇烈，使得該時間段內水田氣候水分盈虧量占耕地氣候水分盈虧量的比例上升極其劇烈，增長了10.64個百分點，變?yōu)?7.34%。水田的擴張對撓力河流域的氣候水分平衡影響強烈。
在季節(jié)性氣候水分盈虧特征上，以2015年為例，撓力河流域夏季水田的平均氣候水分盈虧量為-232.40 mm，而旱地的氣候水分盈虧量接近于水田，為-230.47 mm。對于冬季而言，水田的平均氣候水分盈虧量的絕對值小于旱地，為-26.46 mm(旱地為-28.80 mm)；在整體的氣候水分平衡上，旱地是撓力河流域面積最大的耕地子類型，2015年夏季其盈虧量達到-2.14×109m3，水田約為-1.29×109m3，對于冬季而言，由于地表蒸散能力較弱，旱地的盈虧量達到-2.68×108m3，顯著高于水田的-1.46×108m3。
3 討論
氣候水分平衡表征氣候條件的濕潤程度，是區(qū)域水土資源平衡的初始層次。通過對撓力河流域耕地利用下的氣候水分平衡效應研究，揭示該流域耕地利用過程中的初始水分條件狀況，為認識撓力河流域的水土資源狀況提供基礎性認識。盡管該流域耕地主要采取地下水灌溉模式，但天然降水仍然是半封閉式流域唯一的供水“本源”，從長期來看，基于有效降水量與蒸散量來分析水分平衡特征，仍具有較強的實踐指導價值和理論意義。撓力河常年處于氣候水分虧缺的狀態(tài)，單純地利用自然降雨將難以保證該流域的糧食正常生產。從水分盈虧的平均水平上看，初始層次的水分虧缺態(tài)勢向良性發(fā)展，整體盈虧結論與張淑杰等[16]和曾麗紅等[17]針對東北地區(qū)的研究結論基本一致。然而隨著該流域水田的持續(xù)增加，使得撓力河流域的氣候缺水值也會同步增加，水田的用水灌溉管理將是未來撓力河流域乃至三江平原地區(qū)農業(yè)資源綜合利用的核心問題。
基于遙感(MODIS)和常規(guī)氣象數(shù)據，對逐日潛在蒸散量遙感估算，以獲取年際和季節(jié)性的潛在蒸散量，進而開展耕地利用格局下氣候水分平衡研究，豐富了缺資料流域的水分條件及水資源過程模擬研究。然而，由于MODIS系列數(shù)據起始于1999年12月，對于更長時間序列的潛在蒸散遙感估算將難以實現(xiàn)，后續(xù)需綜合考慮其他遙感信息源數(shù)據(如Landsat數(shù)據)的蒸散反演應用。
本文揭示了耕地利用格局與氣候濕潤狀況的相互匹配程度，其研究實質為水土資源平衡的初始層次，更具理論意義。然而對于耕地實際灌溉策略的制定，還需考慮人類活動的影響，研究人為作用下可供水量與需水量之間的平衡問題，即農田土壤水分平衡。
4 結論
(1)自2000年以來，撓力河流域耕地利用變化主要體現(xiàn)在內部結構變化上，即耕地面積緩慢上升，但旱地面積持續(xù)下降，而水田面積迅速增加，水田面積比例已由2000年的10.23%增至2015年的23.39%。
(2)該流域逐日潛在蒸散量累加值呈現(xiàn)出明顯的S形曲線特征，高蒸散時段主要集中于5—8月，其中夏季潛在蒸散量占全年的1/2以上，而冬季則不足全年的1/10，在空間上，寶清縣南部蒸散能力明顯偏高。
(3)該流域常年處于氣候水分虧缺狀態(tài)，水分盈虧量絕對值呈現(xiàn)由西向南不斷遞減的趨勢。饒河縣氣候水分盈虧量偏大(約為-630 mm)，而水分盈虧量偏小的地區(qū)多分布于撓力河干流右岸和南部山區(qū)地帶；氣候水分盈虧的年際差異較小，在季節(jié)性特征上，夏季的氣候水分盈虧量相對高值區(qū)為冬季的低值區(qū)。
(4)研究期內，該流域水田的氣候水分盈虧態(tài)勢逐漸惡化，由2000年的-1.57×109m3變?yōu)?015年的-3.18×109m3，旱地氣候水分盈虧量絕對值逐年下降，由2000年的-7.85×109m3變?yōu)?015年的-5.33×109m3，耕地格局的變化使水田氣候水分盈虧量占耕地總盈虧量的比例持續(xù)增加。
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周 浩 金 平 夏衛(wèi)生 謝炳庚
(1.湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院， 長沙 410081； 2.湖北省城市規(guī)劃設計研究院， 武漢 430071)
0 引言
干與濕是氣候區(qū)劃的重要依據，氣候干濕狀況及其變化對糧食生產、耕地結構布局、排灌措施制定以及水資源開發(fā)利用等具有廣泛的應用價值和重要意義[1-2]，而這種干濕狀況對我國北方地區(qū)的耕地利用影響尤為顯著。三江平原由于其特有的糧食生產地位和濕地生態(tài)保育功能，一直是全球氣候變化研究的熱點區(qū)域[3-5]。自20世紀80年代起，三江平原大力推行“以稻治澇”農業(yè)結構調整政策，導致該地區(qū)水田急劇擴張[6]，嚴重影響了地表水循環(huán)過程。在耕地利用背景下，研究三江平原地區(qū)的水分平衡效應具有重要的現(xiàn)實意義[7]。
目前，針對氣候干濕的評估，國內外學者進行了許多研究工作，評估指標也很多。一類是反映水分供應狀況的降水量指標，如降水距平百分率、Z指數(shù)、標準化降水指數(shù)、降水溫度均一化指標等[8-11]；一類是反映水分供需變化的指標，如綜合氣象干旱指數(shù)(CI)、相對濕潤度指數(shù)、水分盈虧指數(shù)等[12-15]。其中，水分盈虧指數(shù)綜合考慮了降雨和蒸發(fā)的共同作用，且能夠反映水量收支，進而了解區(qū)域氣候水分平衡狀況?，F(xiàn)有研究的研究對象多為較大面積的流域或地區(qū)：高歌等[1]對1961年以來我國十大主要流域的年以及季度的水分平衡特征和變化成因進行了探討；張淑杰等[16]、曾麗紅等[17]分別對東北地區(qū)過去幾十年水分盈虧特征及變化趨勢進行了探討，均得出東北地區(qū)水分盈虧量呈逐年下降趨勢的結論；張順謙等[18]利用53個農業(yè)氣象站點數(shù)據對四川省主要旱作物的生育期水分盈虧量及其與氣候變化的關系進行了研究；姚曉軍等[19]對西北地區(qū)和史建國等[20]對黃河流域的水分盈虧進行了探討。對于中等或小尺度的流域或地區(qū)，由于其境內氣象站點數(shù)量較少，水分平衡研究存在數(shù)據獲取上的困難。三江平原地處黑龍江省東北部的邊境地帶，境內氣象站點較少，尤其對于三江平原腹地，氣象資料更為匱乏。遙感及GIS信息技術在獲取偏僻區(qū)域信息及用常規(guī)手段難以測量得到的水分條件數(shù)據上具有獨特的優(yōu)勢，能夠彌補傳統(tǒng)監(jiān)測資料匱乏的不足[21]，將其與傳統(tǒng)模型相結合，僅需提供傳統(tǒng)氣象資料便可計算蒸散量，無需徑流、土壤濕度等資料，參數(shù)較少，且計算簡單[22]。
撓力河流域位于三江平原腹地，是該地區(qū)最大的流域。自21世紀以來，隨著流域境內“兩江一湖”和高標準基本農田土地整治工程的實施，水田化改造仍持續(xù)推行。本文在提取耕地信息的基礎上，利用區(qū)域遙感蒸散模型反演2000、2005、2010、2015年該流域的氣候水分平衡特征，進一步揭示耕地利用下氣候水分平衡效應，明確在天然氣候狀態(tài)下由氣候條件所主導的耕地水分平衡規(guī)律。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
撓力河流域總面積為2.49×104km2(圖1)，地處半干旱地帶，屬中溫帶大陸性季風氣候區(qū)，春季干旱頻繁，秋季多洪澇災害，流域多年平均降雨量518 mm，降雨分布不均勻，主要集中于6—9月。該流域呈現(xiàn)西南高、東北低的態(tài)勢，水系自西南流向東北。地貌類型主要是山地和平原，其中山地占流域面積的38.3%，主要分布于流域西南部和南部，平原占61.7%，主要分布于流域北部和中部的內、外七星河及撓力河中游地區(qū)。自1980年我國進入經濟迅速發(fā)展期后，流域當?shù)爻霈F(xiàn)了大量的濕地開墾為耕地、水利工程修建和農業(yè)結構調整等現(xiàn)象，導致該地區(qū)濕地大面積喪失、結構破壞和功能退化[7]，水稻面積和結構比率持續(xù)上升[23]，對水分供需情勢造成了強烈影響。
圖1 撓力河流域地理位置示意圖Fig.1 Location of Naoli River Basin
1.2 數(shù)據來源
1.2.1MODIS數(shù)據
主要采用MODIS陸地標準3級Albedo產品(MCD43B3，1 d)、LST和Emis產品(MOD11A2，1 d)、LAI產品(MCD15A2，8 d)，對數(shù)據進行拼接、投影與數(shù)據格式轉換、裁剪等處理，由于MODIS數(shù)據在空間上可能存在缺值現(xiàn)象，且不同數(shù)據的時間分辨率不一致，需進行空間范圍缺值插補和時間序列缺值插補等處理以保證空間分辨率和時間分辨率的一致性，本文采用文獻[22]的方法進行數(shù)據的空間以及時間插補處理，最終得到時間分辨率1 d和空間分辨率1 km的反演信息源數(shù)據(數(shù)據時間點為2000、2005、2010、2015年)。
1.2.2氣象站點數(shù)據
地面基準氣象站點數(shù)據來自中國氣象數(shù)據中心的“中國地面氣象資料日值數(shù)據集V3.0”，該數(shù)據集經過質量控制，要素數(shù)據的質量及完整性相對于以往發(fā)布的地面同類數(shù)據產品明顯提高。由于撓力河流域境內氣象站點較少，同時選擇域外的富錦氣象站和虎林氣象站加以輔助，進行降雨和溫度數(shù)據的插值處理，然后基于Python語言編程批處理實現(xiàn)對2000、2005、2010、2015年降雨和溫度數(shù)據的逐日空間插值。
1.2.3耕地利用數(shù)據
撓力河流域多期土地利用/覆被遙感數(shù)據源來自美國陸地資源衛(wèi)星Landsat TM/OLI多光譜遙感影像，數(shù)據獲取自美國地質勘探局(USGS)(http:∥earthexplorer.usgs.gov/)，過程中涉及選用不同的Landsat衛(wèi)星數(shù)字產品，輔以中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據中心(http:∥www.resdc.cn)的“2010年中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據”(數(shù)據比例尺1∶100 000，數(shù)據精度良好)，以Google Earth數(shù)據為輔助數(shù)據源，影像數(shù)據在經過大氣校正、幾何糾正、圖像增強等預處理的基礎上，進行543波段的標準假彩色融合以便區(qū)分旱地和水田，采取人機交互式目視解譯方法完成耕地信息識別，地類編碼和判讀與中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據中心(http:∥www.resdc.cn)的“中國土地利用現(xiàn)狀遙感監(jiān)測數(shù)據”相同。對于歷史期(2000、2005、2010年)耕地利用數(shù)據的解譯精度驗證，通過Google Earth軟件布控數(shù)據的采樣網格驗證點，最終實現(xiàn)耕地數(shù)據的精度驗證(解譯準確率均大于85%)，而對于2015年的耕地利用數(shù)據，通過對流域進行實地GPS信息樣點的比對驗證和記錄(考察時間為2016年9月26—30日)，結合后期的室內數(shù)據糾正，完成2015年耕地解譯數(shù)據的精度驗證(解譯準確率89.20%)。
1.3 研究方法
Priestley-Taylor公式物理概念明確[24]，算法簡單，選用該公式作為瞬時潛在蒸散遙感反演的基礎機制，通過MODIS數(shù)據模擬衛(wèi)星過境時刻瞬時潛在蒸散量，并進行瞬時至逐日潛在蒸散量的尺度處理，以實現(xiàn)氣候水分平衡研究。
1.3.1逐日潛在蒸散量遙感估算
(1)瞬時潛在蒸散量
Priestley-Taylor公式在蒸發(fā)達到平衡(即當下墊面與下墊面上方空氣的相對濕度相等時的蒸發(fā))的基礎上，引入α常數(shù)，推導出無平流條件下潛在蒸散量的計算方法，公式為
(1)
式中ET0——潛在蒸散量，mm
α——Priestley-Taylor系數(shù)
Rn——地表凈輻射量，W/m2
G——土壤熱通量，W/m2
λ——汽化潛熱，MJ/kg
Δ——飽和水汽壓-溫度曲線斜率，kPa/K
γ——干濕表常數(shù)，kPa/K
斜率Δ可通過飽和水汽壓與大氣溫度Ta(K)關系的經驗公式計算得到，干濕表常數(shù)γ可由空氣定壓比熱容、大氣壓(海拔H推算)等計算得到；凈輻射通量Rn同樣采用能量平衡法，基于MODIS估算衛(wèi)星過境時刻估算得到[25]，估算過程將涉及到大氣溫度Ta和Emis地表發(fā)射率的遙感信息數(shù)據(波段31和波段32的數(shù)據)，具體參數(shù)計算過程見文獻[22]，最終得到衛(wèi)星過境時的瞬時潛在蒸散量。
(2)瞬時潛在蒸散量的逐日尺度轉換
由Priestley-Taylor公式計算得到的衛(wèi)星過境時刻的瞬時潛在蒸散量，需要通過尺度轉換才能得到逐日潛在蒸散量。由于凈輻射Rn在一天中呈正弦曲線變化，決定了潛在蒸散量變化也具有正弦變化特征。因此可以采用正弦曲線擬合的方法來實現(xiàn)瞬時潛在蒸散量向逐日潛在蒸散量的轉換。一般而言，日出后1 h和日出前1 h左右的蒸發(fā)速率可以認定為0，而在日變化過程中潛在蒸散量將呈現(xiàn)出正弦曲線的變化趨勢，最大潛在蒸散量一半出現(xiàn)在當?shù)氐恼鐣r間，通過該最大值可計算出正弦曲線上任何時點的潛在蒸散量(圖2)，公式為
圖2 潛在蒸散量日變化曲線示意圖Fig.2 Schematic of diurnal variation of ET0
(2)
(3)
式中ET0_max——日最大潛在蒸散量，一般在正午時刻達到
t——模擬時刻
tset、trise——日落時間和日出時間，對應當?shù)貎糨椛渲底優(yōu)樨摵妥優(yōu)檎臅r間，可通過緯度和日期計算得到
ET0_IN——衛(wèi)星過境時刻的瞬時潛在蒸散量，mm
tpase——衛(wèi)星過境時刻的當?shù)貢r間
日潛在蒸散量總量為
(4)
1.3.2氣候水分平衡
通過氣候水分盈虧量(即降雨量與潛在蒸散量的差值)來表征氣候水分平衡的一般狀態(tài)，其目的在于明確沒有人為影響的天然狀態(tài)下由氣候條件所主導的水分盈虧情況，可以從整體上反映區(qū)域的干、濕狀況。當水分盈虧量大于0時，水分有盈余，表示氣候濕潤；當其小于0時，水分處于虧缺狀態(tài)，表示氣候干燥；當其等于0時，表示水分收支平衡。量值大小反映水分盈虧程度及氣候的干濕程度[26]。
2 結果與分析
2.1 耕地變化特征分析
2000年，撓力河流域耕地總面積14 338.61 km2，占流域面積的60.57%，其中富錦市和寶清縣是該流域耕地分布的主要市縣，占流域耕地總面積的68.77%。2015年流域的耕地面積比例緩慢升至62.70%，15年間僅增加2.13個百分點，同時富錦市和寶清縣的耕地面積比例升至69.28%，二者為流域耕地擴張的主要核心地區(qū)(圖3)。但隨著“兩江一湖”改造和“高標準基本農田建設”等農田工程措施的陸續(xù)實施，農業(yè)結構改造仍大力推行，同時水田和旱地存在明顯的利益剪刀差，受糧食的經濟效益驅動作用，流域內大量農戶實施“旱改水”農業(yè)結構調整。盡管2000年以來撓力河流域耕地整體擴張較為緩慢，但該流域旱地和水田之間存在明顯的“此消彼長”關系，“水田化”(旱地和非耕地轉變?yōu)樗?現(xiàn)象是最重要的土地利用變化景觀類型，具體表現(xiàn)為：研究期內該流域旱地面積持續(xù)下降，由2000年的11 916.13 km2降至2015年的9 311.47 km2，面積比例由50.34%減為39.28%，旱地縮減幅度非常明顯。與之對應的是水田面積的快速增加，2000年，撓力河流域水田僅占流域面積的10.23%，2015年面積比例上升至23.39%，變?yōu)? 534.35 km2。水田占耕地的比例由2000年的16.89%變?yōu)?7.28%，開始進入水田化中期階段(30%～70%)[6]。2000—2005年和2005—2010年的水田占耕地的比例分別增長4.32、5.50個百分點，而在2010—2015年間增加了10.57個百分點。撓力河流域水田化進程的迅速推進，勢必導致流域對水資源的需求壓力越來越大。
在空間重心上，撓力河流域的水田重心均位于富錦市境內，且呈現(xiàn)向西南方向緩慢移動的特點，由2000年的(132.31° E，46.72° N)(圖3a)移至2015年的(132.61° E，46.93° N)(圖3d)。撓力河流域是三江平原境內土地利用開發(fā)歷史最早、耕地利用與管理手段最為成熟的地區(qū)，特別是自2000年以來該地區(qū)陸續(xù)建立多個國家級濕地自然保護區(qū)，土地利用結構相對穩(wěn)定，差別于三江平原其他地區(qū)的土地利用特點。撓力河流域的水田整體偏移特征恰好與三江平原水田“北移東擴”的整體特征相反，因此未來需根據三江平原的地區(qū)差異性特點制定差別化的耕地管理策略，對于三江平原北部仍處于擴張狀態(tài)的水田，應盡量優(yōu)化其水資源供給條件，而水田發(fā)展成熟的撓力河流域應在保證其糧食可持續(xù)生產的前提下，關注水田開發(fā)利用中生態(tài)及水資源開發(fā)問題。
2.2 潛在蒸散量變化特征
2.2.1數(shù)值變化特征
統(tǒng)計結果顯示(圖4)，伴隨著氣候的“暖濕化”變化特點，該流域潛在蒸散量呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢，其中2000、2005、2010、2015年的潛在蒸散量依次為910.25、936.84、937.23、964.04 mm。
撓力河流域年內潛在蒸散量呈現(xiàn)出明顯的階段性變化特征。以2005年的逐日潛在蒸散分析為例(圖4a)，其累加值呈現(xiàn)出較為明顯的S形曲線特征，以4月9日(第100日序)和9月24日(第268日序)突變節(jié)點可以將其劃分為3階段：①受溫度、日照時長等氣候要素影響，1月1日—4月8日，逐日潛在蒸散量整體上以0.30 mm/(10 d)的速率逐日波動式增加，該時間段的累加曲線極其平緩。②隨著流域溫度逐漸回暖，地面積雪大量融化，潛在蒸散量增加極為迅速，至6月22日(第174日序)達到全年的峰值，為6.65 mm。盡管之后潛在蒸散量維持較高水平，但已開始進入衰減期。③9月底以后，撓力河流域呈現(xiàn)降雨顯著減少和溫度持續(xù)下降的特點，地表蒸發(fā)能力減弱，潛在蒸散量以0.16 mm/(10 d)的速率下降，并再次形成增長舒緩的逐日累加曲線。
對于逐月蒸散量，撓力河流域的高蒸散時段主要集中于5—8月，共占全年潛在蒸散量的62.83%(圖4b)。潛在蒸散量主要由溫度、日照時長、降雨量等氣象要素的綜合作用影響，6月溫度未達到年峰值，其潛在蒸散量為12個月中最大(174.66 mm)，表明溫度非該月份潛在蒸散量的關鍵影響因子。盡管5月?lián)狭恿饔蛏形催M入雨季，但其空氣相對濕度較低，加之顯著的地表溫度上升的態(tài)勢，造成了較為強烈的蒸散作用。對于1、2、12月冬季而言，溫度較低、日照時長較短且降雨量較少，使得該流域的潛在蒸散量顯著偏低。
2.2.2空間分布特征
空間分布上(圖5)，撓力河流域年潛在蒸散量處于780～1 179 mm間，均值為910.25 mm，流域東部及南部多山，海拔較高，潛在蒸散量顯著偏低，而位于撓力河上游的寶清縣相對濕度較低，加之受緯度的影響，導致潛在蒸散量偏高；分別選取冬季(12、1、2月)和夏季(6、7、8月)進行潛在蒸散量的空間分布差異特征分析，冬季和夏季的潛在蒸散程度在整體水平以及空間分布上存在顯著差異。冬季潛在蒸散量均低于89.41 mm，平均水平不足全年的1/10，相對高值區(qū)零散分布于流域的寶清縣南部山區(qū)、東部饒河縣境內山區(qū)以及北部平原地帶。夏季大氣相對濕度大且溫度較高，該季節(jié)潛在蒸散量范圍處于401.01～560.36 mm之間，占到全年總值的1/2以上，與冬季相比，夏季的潛在蒸散高值區(qū)分布更為廣泛。
圖5 撓力河流域潛在蒸散量的季節(jié)性分布Fig.5 Seasonal distributions of ET0 in Naoli River Basin
2.3 氣候水分盈虧特征
撓力河流域常年處于氣候水分虧缺的狀態(tài)，且整體上西部的虧缺程度顯著大于中部和南部地區(qū)，氣候水分盈虧量呈現(xiàn)由西向南遞減的特征(圖6)。降雨量與潛在蒸散量之間的差值即為氣候盈虧量，由于撓力河流域為中小尺度流域，境內不同地區(qū)年均降雨量差別不大，一般在480 mm以下，多年氣候水分平衡的空間分布差異主要由ET0的空間差異所導致。整體而言，富錦市西南部、集賢縣西部、友誼縣西部、寶清縣和七臺河市交界處以及饒河縣部分地區(qū)的氣候水分盈虧量偏大，一般在-630 mm以上。氣候水分盈虧量較少的地區(qū)一般分布在流域的撓力河干流右岸和南部山區(qū)地帶，但基本保持在-600 mm的水平。對于年際差異而言，整體上各年份間氣候水分盈虧差異較小，空間上表現(xiàn)出顯著的分布差異性特征：2000年，撓力河流域氣候水分盈虧量的高值區(qū)分布更為廣泛，流域的西部地區(qū)(包括友誼縣西南部、富錦市西南部、集賢縣東部和雙鴨山市轄區(qū))的盈虧量顯著高于東南部的寶清縣地區(qū)。至2005年，高值區(qū)在2000年的空間分布基礎上顯著收縮，流域中部地區(qū)的氣候水分盈虧量呈現(xiàn)下降的態(tài)勢，寶清縣境內大部分地區(qū)、富錦市東北部和饒河縣境內的盈虧量偏低。2010年，寶清縣西南部和饒河縣的山地丘陵區(qū)為流域氣候水分盈虧的高值集中區(qū)域，同時西部地區(qū)盈虧量也偏高，流域中部的內、外七星河腹地和北部的富錦市地區(qū)的氣候水分盈虧量維持在-580 mm左右。2015年氣候水分盈虧特征與2010年基本保持一致，西部地區(qū)整體上維持著較高的水平，寶清縣的西南部山區(qū)也表現(xiàn)出較高的水分盈虧水平。
圖6 撓力河流域年際氣候水分盈虧量的空間分布Fig.6 Spatial distributions of annual climatic water deficit in Naoli River Basin
對于季節(jié)性氣候水分盈虧而言，冬季和夏季的盈虧量不但存在較大的區(qū)別，而且其值相對空間分布也存在較大的差異，夏季的氣候水分盈虧量相對高值區(qū)為冬季的低值區(qū)(圖7)，對于冬季而言，盡管流域整體蒸散水平偏低，但季節(jié)性降雨量極少，使得流域冬季的氣候水分盈虧量也偏低，處于-66.26～-23.07 mm范圍內，約占全年盈虧總量的1/20。降雨量空間插值結果顯示，寶清縣中部和南部地區(qū)降雨量相對偏低，與之對應的是該地區(qū)潛在蒸散量偏高，導致氣候水分盈虧量較大，而撓力河干流以及內、外七星河沿岸地區(qū)的常年氣候水分盈虧量平均值僅為-25 mm；對于夏季而言，流域氣候水分盈虧量呈現(xiàn)由西向東逐漸遞減的特點，高值區(qū)多位于富錦、友誼和集賢地區(qū)(盈虧量達到-270 mm左右)，該地區(qū)是糧食生產的核心區(qū)域。寶清縣中部平原以及南部山區(qū)地帶氣候水分盈虧水平整體偏低，約為-205 mm，流域北部的入烏蘇里江口周邊地區(qū)整體水分盈虧值也相對較低，約為-200 mm。
圖7 撓力河流域季節(jié)性氣候水分盈虧量Fig.7 Seasonal climate water balance in Naoli River Basin
2.4 耕地利用下的氣候水分平衡效應
近年來，撓力河流域整體表現(xiàn)出“暖濕化”的氣候變化特征，在自然氣候要素變化條件下，撓力河流域初始層次的氣候水分盈虧態(tài)勢向良性發(fā)展。2000—2015年間，撓力河流域旱地和水田的平均氣候水分盈虧量均為負值，且其絕對值表現(xiàn)出逐漸下降的特征，在水田急劇擴張、旱地面積持續(xù)下降的土地利用變化背景下，撓力河流域的氣候水分盈虧態(tài)勢趨好；2000年，撓力河流域水田的平均氣候水分盈虧量達到-649.63 mm，至2015年，流域水田的水分盈虧絕對值降低了75.60 mm，變?yōu)?574.03 mm，下降幅度達到11.64%。旱地的平均氣候水分盈虧量則由2000年的-659.57 mm變?yōu)?015年的-573.71 mm。
對撓力河流域耕地氣候水分盈虧量進行統(tǒng)計(表1)，結果顯示，15年間耕地氣候水分盈虧絕對值持續(xù)下降，2000年為-9.42×109m3，至2005年，盈虧量絕對值下降了3.80×108m3，變?yōu)?9.04×109m3，而至2010年則變?yōu)?8.54×109m3，2010—2015年間，耕地氣候水分盈虧總量絕對值緩慢下降，5年間下降了3.00×107m3；對于水田而言，15年間流域氣候水分盈虧情勢愈來愈嚴重，2000年總盈虧量達到-1.57×109m3，且增長速度越來越快，2005年氣候水分盈虧總值達到-1.90×109m3，期間絕對值共增加了3.30×108m3，至2010年則變?yōu)?2.28×109m3。至2015年，由于期間內水田面積擴張極其強烈，其對應的氣候水分盈虧態(tài)勢迅速惡化，2015年流域盈虧量達-3.18×109m3，相對于2010年而言，5年間絕對值增長幅度達到39.35%；與水田不同的是，15年間旱地的氣候水分盈虧量的絕對值逐年下降，2000年盈虧量達到最高的-7.85×109m3，隨后持續(xù)下降，至2015年絕對值下降了2.52×109m3，變?yōu)?5.33×109m3，15年下降幅度達到2.52×109m3。
表1 撓力河流域2000、2005、2010、2015年耕地氣候水分盈虧量Tab.1 Statistics of farmland water shortage in Naoli River Basin in 2000, 2005, 2010 and 2015 m3
由上文分析可知(表1)，2000—2015年間，撓力河流域耕地格局整體表現(xiàn)出耕地面積緩慢增長而水田面積急劇擴張的特點，與之對應的是旱地面積的緩慢減少。在氣候水分平衡上，耕地格局的變化使得水田的氣候水分盈虧量占耕地總盈虧量的比例持續(xù)增加，2000年水田氣候水分盈虧量僅占耕地總盈虧量的16.70%，隨著水田化比例的持續(xù)提升，2005年水田氣候水分盈虧量相對比例增至21.10%，2010年則變?yōu)?6.70%，2010—2015年間，撓力河流域水田擴張尤其劇烈，使得該時間段內水田氣候水分盈虧量占耕地氣候水分盈虧量的比例上升極其劇烈，增長了10.64個百分點，變?yōu)?7.34%。水田的擴張對撓力河流域的氣候水分平衡影響強烈。
在季節(jié)性氣候水分盈虧特征上，以2015年為例，撓力河流域夏季水田的平均氣候水分盈虧量為-232.40 mm，而旱地的氣候水分盈虧量接近于水田，為-230.47 mm。對于冬季而言，水田的平均氣候水分盈虧量的絕對值小于旱地，為-26.46 mm(旱地為-28.80 mm)；在整體的氣候水分平衡上，旱地是撓力河流域面積最大的耕地子類型，2015年夏季其盈虧量達到-2.14×109m3，水田約為-1.29×109m3，對于冬季而言，由于地表蒸散能力較弱，旱地的盈虧量達到-2.68×108m3，顯著高于水田的-1.46×108m3。
3 討論
氣候水分平衡表征氣候條件的濕潤程度，是區(qū)域水土資源平衡的初始層次。通過對撓力河流域耕地利用下的氣候水分平衡效應研究，揭示該流域耕地利用過程中的初始水分條件狀況，為認識撓力河流域的水土資源狀況提供基礎性認識。盡管該流域耕地主要采取地下水灌溉模式，但天然降水仍然是半封閉式流域唯一的供水“本源”，從長期來看，基于有效降水量與蒸散量來分析水分平衡特征，仍具有較強的實踐指導價值和理論意義。撓力河常年處于氣候水分虧缺的狀態(tài)，單純地利用自然降雨將難以保證該流域的糧食正常生產。從水分盈虧的平均水平上看，初始層次的水分虧缺態(tài)勢向良性發(fā)展，整體盈虧結論與張淑杰等[16]和曾麗紅等[17]針對東北地區(qū)的研究結論基本一致。然而隨著該流域水田的持續(xù)增加，使得撓力河流域的氣候缺水值也會同步增加，水田的用水灌溉管理將是未來撓力河流域乃至三江平原地區(qū)農業(yè)資源綜合利用的核心問題。
基于遙感(MODIS)和常規(guī)氣象數(shù)據，對逐日潛在蒸散量遙感估算，以獲取年際和季節(jié)性的潛在蒸散量，進而開展耕地利用格局下氣候水分平衡研究，豐富了缺資料流域的水分條件及水資源過程模擬研究。然而，由于MODIS系列數(shù)據起始于1999年12月，對于更長時間序列的潛在蒸散遙感估算將難以實現(xiàn)，后續(xù)需綜合考慮其他遙感信息源數(shù)據(如Landsat數(shù)據)的蒸散反演應用。
本文揭示了耕地利用格局與氣候濕潤狀況的相互匹配程度，其研究實質為水土資源平衡的初始層次，更具理論意義。然而對于耕地實際灌溉策略的制定，還需考慮人類活動的影響，研究人為作用下可供水量與需水量之間的平衡問題，即農田土壤水分平衡。
4 結論
(1)自2000年以來，撓力河流域耕地利用變化主要體現(xiàn)在內部結構變化上，即耕地面積緩慢上升，但旱地面積持續(xù)下降，而水田面積迅速增加，水田面積比例已由2000年的10.23%增至2015年的23.39%。
(2)該流域逐日潛在蒸散量累加值呈現(xiàn)出明顯的S形曲線特征，高蒸散時段主要集中于5—8月，其中夏季潛在蒸散量占全年的1/2以上，而冬季則不足全年的1/10，在空間上，寶清縣南部蒸散能力明顯偏高。
(3)該流域常年處于氣候水分虧缺狀態(tài)，水分盈虧量絕對值呈現(xiàn)由西向南不斷遞減的趨勢。饒河縣氣候水分盈虧量偏大(約為-630 mm)，而水分盈虧量偏小的地區(qū)多分布于撓力河干流右岸和南部山區(qū)地帶；氣候水分盈虧的年際差異較小，在季節(jié)性特征上，夏季的氣候水分盈虧量相對高值區(qū)為冬季的低值區(qū)。
(4)研究期內，該流域水田的氣候水分盈虧態(tài)勢逐漸惡化，由2000年的-1.57×109m3變?yōu)?015年的-3.18×109m3，旱地氣候水分盈虧量絕對值逐年下降，由2000年的-7.85×109m3變?yōu)?015年的-5.33×109m3，耕地格局的變化使水田氣候水分盈虧量占耕地總盈虧量的比例持續(xù)增加。
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