新疆昌吉绿洲耕地适宜规模研究

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本站小编 Free考研考试/2021-12-29

李婧昕^,¹^,², 张红旗^,¹

1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟重点实验室,北京100101

2.中国科学院大学,北京100049

Study on the suitable scale of cultivated land in oasis of Changji, Xinjiang

LI Jingxin^,¹^,², ZHANG Hongqi^,¹

1. Key Laboratory of Land Surface Pattern and Simulation, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

通讯作者: 张红旗（1963-）,男,黑龙江佳木斯人,博士,研究员,博士生导师,研究方向为土地资源评价与土地资源空间优化配置、土地利用变化及其环境效应、土地利用可持续管理等。E-mail: zhanghq@igsnrr.ac.cn

收稿日期:2020-09-7接受日期:2020-09-28网络出版日期:2021-03-10

基金资助:

国家自然科学基金项目.41561070

Received:2020-09-7Accepted:2020-09-28Online:2021-03-10
作者简介 About authors
李婧昕（1993-）,女,吉林通化人,博士研究生,主要研究方向为土地利用空间格局及生态环境效应。E-mail: lijx.18b@igsnrr.ac.cn

摘要
干旱区内耕地急剧扩张导致水资源严重超载,进而引发一系列生态问题,因此对干旱区绿洲耕地适宜规模进行科学评估,将为干旱区农业可持续发展与生态保护提供重要参考。本文以水资源为约束条件,选择2000年、2005年、2010年、2015年和2018年5个研究时段,分别测算了适宜当地社会经济发展和生态环境需求的“三生”用水量;并基于绿洲水热平衡原理,耦合作物种植结构、不同生长期内的作物系数以及灌溉保障率、耕地覆膜等因素,构建了干旱区耕地水热平衡估算模型,探讨了不同情景下新疆昌吉州耕地适宜规模及其超载程度。结果表明,5个时段中,临界耕地适宜规模情景下的种植业可用水量由2000年的31.75亿m3波动下降至2018年的24.83亿m3,而最佳耕地适宜规模情景下则由27.63亿m3波动下降至21.10亿m3。棉花和小麦在当地种植业结构中占比之和由43.58%提高到2018年的59.08%,两种作物的低耗水特性使其种植占比的提高有利于当地种植业向耕地规模扩张的方向演进。各时段中,保障充分生态用水的最佳耕地适宜规模在28.93万~48.97万hm²间波动,而保障最低生态用水的临界耕地适宜规模在42.63万~67.83万hm²间波动。虽然两种用水情景下的适宜耕地规模波动变化,但耕地面积超载程度始终呈上升趋势,超载程度分别由2000年处于不超载水平的-55.15%和-39.41%提高到2018年的接近于严重超载级别的19.92%和远超严重超载级别的71.37%,表明当地耕地规模已明显呈现过度开发的趋势。
关键词： 水热平衡;耕地规模;作物蒸散;种植结构;超载分析

Abstract

The large-scale expansion of cultivated lands in arid region has caused water overload and a series of ecological problems. Therefore, conducting the scientific assessment of the scale of suitable cultivated land in arid areas can provide reference for sustainable development of agricultural and ecological environment. In this research, five years, 2000, 2005, 2010, 2015, and 2018 were selected as study periods. Water resources were considered as the limiting factor, and a living-production-ecology water consumption structure was built in this research, which is suitable for local socioeconomic development and eco-environment characteristics. The water and heat balance method was improved coupling physical factors like planting structure and crop coefficient in different growth periods, and management factors like irrigation guarantee rate and mulching. Changji Hui Autonomous Prefecture was selected as a case study. The results show that the available water amount of the scenario of critical arable land area for planting decreased from 3.175 billion m³ in 2000 to 2.483 billion m³ in 2018, while the available water amount of the scenario of optimal arable land area for planting decreased from 2.763 billion m³ in 2000 to 2.110 billion m³ in 2018. The total planting area proportion of cotton and wheat increased from 43.58% in 2000 to 59.08% in 2018. Among the main crops, cotton and wheat had lower water requirements after being compensated by precipitation, while the sown area proportion of both increased, indicating that the planting structure is evolving toward the aspect helpful to expansion suitable cultivated land. In the five years, the optimal arable land area which can ensure adequate ecological water consumption is between 28.93 ten thousand hectare and 48.97 ten thousand hectare, while the critical arable land area which can ensure minimal ecological water consumption is between 42.63 ten thousand hectare and 67.83 ten thousand hectare. Available water for plant industry declined with fluctuations. Although the factors affecting the scale of suitable cultivated land fluctuated, under the scenarios of critical and optimal scales of arable land, the overload degree of cultivated land scale showed an upward trend, which varied from -55.15% and -39.41%, at no overload level, in 2000, to 19.92%, a level close to severe overload, and 71.37%, a level of far exceeding severe overload, respectively. The scale of local cultivated land has presented an overload development level.

Keywords：water and heat balance;scale of cultivated land;crop evapotranspiration;planting structure;overload analysis

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本文引用格式
李婧昕, 张红旗. 新疆昌吉绿洲耕地适宜规模研究. 地理研究[J], 2021, 40(3): 613-626 doi:10.11821/dlyj020200848
LI Jingxin, ZHANG Hongqi. Study on the suitable scale of cultivated land in oasis of Changji, Xinjiang. Geographical Research[J], 2021, 40(3): 613-626 doi:10.11821/dlyj020200848

1 引言

水热资源是陆地系统演化的控制因子^[1]1。对于中国西北干旱区,水资源是制约地区社会经济发展的关键因素^[2],一方面,资源型缺水现象普遍存在,水资源空间分布不均须依靠水资源调控工程满足基本的用水需求^[3];另一方面,由配置失衡导致的生产用水挤占生活和生态用水的矛盾愈发激烈,直接影响到居民生活、经济发展和生态安全^[4,5]。同时,这一区域热量充足,促进植被快速蒸腾、陆地和水体表面大量蒸发,导致可以有效利用的水资源更加短缺,生态系统的稳定几乎完全受到水分限制^[1]1,因此水资源的合理配置显得尤为重要^[6,7]。

为追求经济效益,干旱区耕地面积长期以来呈现持续扩张态势^[8,9,10,11],这也导致灌溉用水量随耕地扩张而迅速增加,成为人工绿洲内耗水量最大的部门。但由于受到水资源、气候、土壤等自然环境因素以及节水灌溉技术、田间管理水平等人为因素影响,耕地适宜规模必定存在一个阈值^[12,13],若超过这一阈值,会导致生产用水挤占生态用水、水土资源匹配失衡^[14,15],加剧土壤盐渍化和沙化^[16,17]。所以亟需对干旱区适宜耕地规模进行精确评估,为保障耕地资源的可持续利用和区域生态安全提供参考。

目前干旱区适宜人工绿洲规模研究较为丰富^[18,19,20],而专门针对适宜耕地规模的研究略显不足^[12,21]。对于适宜的人工绿洲规模的研究,目前以水热平衡法^[20,22,23]、水量平衡法^[24]以及两者组成的耦合模型^[24]使用较为广泛,并逐渐应用到对未来气候变化情景下绿洲规模的研究中^[2]。但由于这些研究对于人工绿洲的界定方式有所差异,使得采用相同方法的不同研究之间难以互相比较^[9,19,23];另外,如果不能针对干旱区特征选择合适的参数和解析方法,会导致不同方法应用于同一研究区所得的结果差异悬殊^[24]。适宜耕地规模的研究方法包括数学模型与经验模型相结合的线性规划法^[25]、水足迹法^[21],考虑到耕地是绿洲生态系统的一部分,水热平衡法、水量平衡法也被尝试用于耕地规模的评估中^[12,23,24],但由于应用过程中未能很好地突出不同作物生长期耕地与绿洲整体下垫面性质的差异,同时直接赋值的参数实际意义不够明确,因此尚有较大改进空间。

本文以新疆经济发展迅速、耕地规模扩张幅度较大的昌吉州为典型研究区,以水资源为约束,测算适宜当地社会经济发展和生态环境需求的“三生”用水量,同时基于干旱区绿洲水热平衡法原理,耦合研究区主要作物种植结构、不同生长期内作物系数、不同区域灌溉保障率和地膜覆盖情况等因素,构建干旱区耕地水热平衡估算模型,对区内不同时期耕地适宜规模及超载情况进行分析与探讨,以期为当地农业可持续发展与生态保护提供参考。

2 研究区概况

新疆昌吉回族自治州（简称昌吉州）地处天山北坡、准噶尔盆地东南部,北部与古尔班通古特沙漠相接,位于43°20′N~45°00′N,85°17′E~91°32′E,总面积7.35万km²。昌吉州下辖2市5县,并分为东西两部分,其中西部3县（市）由西向东分别为玛纳斯县、呼图壁县、昌吉市,东部4县（市）由西向东分别为阜康市、吉木萨尔县、奇台县和木垒哈萨克族自治县。

昌吉州地处中温带,为大陆性干旱气候,多年平均气温6.8℃、降水量190 mm,但年均蒸发量高达1944 mm,是典型的绿洲灌溉农业区。由于受地形影响,研究区南北气候差异较大,南部夏季降水较多,北部沙漠性气候特征相对显著,≥10℃积温由西北部向周边地区递减。耕地主体呈带状分布,棉花、小麦和玉米是昌吉州种植占比最高的3种作物,西部耕地热量能够很好地满足棉花生长需求,而东部则以小麦和玉米种植为主。

2017年昌吉州水资源公报显示,当年全州供水量28.83亿m3,而在各产业用水占比中,种植业灌溉用水占比高达74.21%。由于近些年耕地面积持续扩张的趋势,灌溉用水已形成对其他产业和生态用水的挤占之势,这也是昌吉州当前亟需解决的生产发展和生态保护问题,因此对当地耕地的适宜规模进行科学评估尤为重要。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源

（1）统计数据。农业统计数据,包括2000年、2005年、2010年、2015年和2018年5个年份的昌吉州耕地面积,以及棉花、小麦、玉米和其他作物播种面积,其中前四个年份数据来源于《新疆统计年鉴》,2018年数据来源于昌吉州农业农村局。水资源相关统计数据,包括上述5个年份水资源总量数据和2017年各项用水定额数据,均来源于昌吉州水务局。

（2）空间数据。耕地空间分布及各地块灌溉保证率数据,来源于昌吉州农业农村局。

（3）气象数据集。昌吉州内共有10个气象观测站,其中2个气象站分别位于阜康市南部高山林区和木垒县北部草地,两者均远离农区耕地,故本文中选择其余8个气象站,用于昌吉州耕地适宜规模的评估。共选取5个年份的7个气象指标,包括逐日最高气温、平均气温、日最低气温、平均相对湿度、平均风速、日照时数和降水量,数据来源于国家气象科学数据中心（http://data.cma.cn/）和中国科学院资源环境数据中心（http://www.resdc.cn/）。

（4）物候数据集。该数据集用于确定研究区农作物的关键生育期,包括棉花、小麦、玉米3种作物,其他作物根据当地实际情况,均参照玉米生育期计,作物生育期数据参考国家气象科学数据中心（http://data.cma.cn/）和地理资源与生态专业知识服务系统（http://geo.ckcest.cn/）。

3.2 非种植业用水量计算

由于干旱区受到水资源约束,首先需构建完整精确的生活、生产和生态用水即“三生”用水测算体系,以计算种植业用水适宜规模。其中生活用水包括城镇和农村居民生活用水,生产用水包括农业生产用水、工业生产用水和城镇公共用水,生态用水包括河道外和河道内生态用水。根据5个年份各用水项的用水定额,分别计算各用水项的实际用水量,再求和得到各年份非种植业总用水量。具体计算方式如下^[15]：

（1）

W_{T} = W_{L} + W_{P} + W_{E}

（2）

W_{P}' = W_{F} + W_{G} + W_{D} + W_{Y} + W_{I} + W_{C}

（3）

W_{E} = W_{E 1} + W_{E 2}

式中：各项用水量单位均为亿m3;W_L、W_P和W_E分别代表生活、生产和生态用水总量;W_P′ 代表不包括种植业的生产用水总量;W_F、W_G、W_D和W_Y分别代表农业用水中的林果地灌溉用水、牧草地灌溉用水、牲畜用水和鱼塘补水;W_I和W_C分别代表工业用水和城镇公共用水;W_E₁和W_E₂分别代表河道外和河道内生态用水量。上述各项用水计算方法详见表1。

Tab. 1
表1
表1昌吉州除种植业外“三生”用水测算方法及说明
Tab. 1Calculation and description of living-production-ecology water consumption in Changji Hui Autonomous Prefecture (except water consumption of planting)

用水项		计算方法	定额数据参考来源/计算方法
生活用水	城乡居民生活用水	$W_{L} = (Q_{C} \times P_{C} + Q_{X} \times P_{X}) \times n \times 10^{- 11}$ 式中：Q_c、Q_x分别代表城镇和农村居民生活用水定额（L/人/天）;P_c和P_x分别代表城镇和农村居民人数（人）;n为当年份天数（天）	以2017年昌吉州水资源公报^[26]为基准,经实地考察与专家咨询,设定城镇和农村居民生活用水定额变幅分别为15L/10年和20L/10年
生产用水	农业-林果灌溉用水	$W_{F} = (Q_{F} \times A_{F}) \times 10^{- 8}$ 式中：Q_F代表林果地灌溉定额（m3/hm²）;A_F代表林果地面积（hm²）	2017年昌吉州水资源公报^[26]
	农业-牧草地灌溉用水	$W_{G} = (Q_{G} \times A_{G} \times R_{G}) \times 10^{- 8}$ 式中：Q_G代表牧草地灌溉定额（m3/hm²）;A_G代表牧草地面积（hm²）;R_G代表牧草地灌溉面积比例（%）	2017年昌吉州水资源公报^[26]
	农业-牲畜需水	$W_{D} = (Q_{D 1} \times M_{D 1} + Q_{D 2} \times M_{D 2}) \times n \times 10^{- 11}$ 式中：Q_D1和Q_D2分别代表大、小牲畜需水量定额（L/头/天）;M_D1和M_D2分别代表大、小牲畜数量（头）,其中大牲畜数量为牛、马、驴数量之和;小牲畜为猪、山羊、绵羊数量之和	2017年昌吉州水资源公报^[26]
	农业-鱼塘补水	$W_{Y} = (Q_{Y} \times A_{Y}) \times 10^{- 8}$ 式中：Q_Y代表鱼塘补水定额（m3/hm²）;A_Y代表鱼塘面积（hm²）	2017年昌吉州水资源公报^[26]
	工业用水	$W_{I} = (Q_{I} \times V_{I}) \times 10^{- 4}$ 式中：Q_i代表万元工业增加值用水量（m3/万元）;V_i代表当年工业增加值（亿元）	以2017年昌吉州水资源公报^[26]为基准,经实地考察与专家咨询,设定万元工业增加值用水量变幅为2%/年
	城镇公共用水	$W_{C} = (Q_{P} \times P_{C}) \times n \times 10^{- 11}$ 式中：Q_P代表人均城镇公共用水定额（L/人/天）	以2017年昌吉州水资源公报^[26]为基准,经实地考察与专家咨询,设定城镇公共用水定额变幅为20L/5年
生态用水	河道外生态用水	$W_{E 1} = (Q_{E} \times A_{E} \times R_{E}) \times 10^{- 8}$ 式中：Q_E代表园林绿地灌溉定额（m3/hm²）;A_E为园林绿地面积（hm²）;R_E为园林绿地面积有效灌溉比例（%）	2017年昌吉州水资源公报^[26]
生态用水	河道内生态用水	$W_{E 2} = W \times i$ 式中：i=10%或30%,分别代表预留10%和30%水资源总量的河道内生态用水量（亿m3）,即临界耕地适宜规模和最佳耕地适宜规模下的河道内生态用水量	经实地考察与专家咨询;参考中国工程院《“新疆水土资源可持续利用与生态文明建设”专题报告与调研报告》^[27]

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中国工程院《“新疆水土资源可持续利用与生态文明建设”专题报告与调研报告》^[27]结论表明,内陆河流的最高开发利用率应不超过70%,即应至少预留30%的河道内生态用水量。由于干旱区农业灌溉用水为最大用水部门,而近年来耕地面积急剧扩张已经导致灌溉用水严重挤占其他产业和生态用水量,成为社会经济和生态环境可持续发展的制约因素,因此本文参考已有研究^[1,20,23],认为适宜耕地规模为一定社会发展时期和技术水平下,以保障绿洲生态环境稳定为基础,在合理开发配置水资源前提下,不超过灌溉可用水量能够支持的最大耕地面积。根据昌吉州水资源公报计算可知,2017年水资源实际开发利用率已接近90%,故本文中种植业适宜水资源规模的计算涉及两种情景：① 临界耕地适宜规模情景,即仅预留10%的河道内生态用水时（河道内生态用水红线）的种植业最大耕地规模,若超过这一规模,种植业用超载势必导致生态用水无法保障,生态安全面临威胁。② 最佳耕地适宜规模情景,即预留30%的河道内生态用水的种植业适宜耕地规模,也是综合考虑农业可持续发展和生态安全的水资源配置方式,可为生态优先的种植业发展模式适宜耕地面积评估提供参考。

3.3 作物蒸散计算

作物蒸散ET_c直接影响作物对水分的需求,根据不同作物、不同生育期的生长情况,可对参考作物蒸散发ET₀进行校正^[28]：

（4）

E T_{cij} = \overset{n}{\sum_{i = 1}} \overset{m}{\sum_{j = 1}} (E T_{0 ij} \times K_{cij})

式中：ET_cij为作物i在生育期j内的蒸散量（mm）;ET_0ij为与作物i的生育期j同时期内的参考作物蒸散发（mm）;K_cij为作物i在生育期j内的作物系数。

参考作物蒸散发使用Penman-monteith公式^[29]进行计算。本文中选择FAO开发的ET₀ Calculator软件,筛选出最高气温、平均气温、最低气温、平均相对湿度、平均风速和日照时数6个气象观测指标逐日计算,再根据作物i的生育期时段j,将逐日ET₀汇总为ET_0ij。作物i的各生育期j起止日期、以及作物i生育期j内的作物系数K_cij均参考物候数据集计算。

根据昌吉州实际情况,昌吉州西部以种植棉花为主,东部以种植小麦和玉米为主,其他种植面积占比较小的作物分布较为分散,故棉花各个生育期参数以昌吉州西部的4个气象观测站数据计算结果的均值表示,小麦和玉米各个生育期参数利用昌吉州东部的4个气象计算结果的均值表示,而全州8个气象站观测数据得出的ET_cij平均值用于计算其他作物各生育期内参数。

3.4 适宜耕地规模面积及超载程度评估

王忠静等^[30]根据生态学中的水热平衡原理首先提出干旱区绿洲适宜规模的估算方法,计算公式为：

（5）

A_{c} = \frac{W - W'}{(E T_{0} - r) \times K_{P} \times H_{0}^{*}}

式中：A为绿洲面积;W为绿洲区域内水资源总量;W′为对植被生长无贡献的水资源消耗（如工业用水等）;ET₀为参考作物腾发量;r为区域年降水量;K_p为绿洲综合植物系数,是主要植物类型的植物系数加权平均值;H₀^*为绿洲整体绿度。

由于公式（5）中将绿洲区内作用于植被生长的水资源量（W-W′）视为定值,且没有充分考虑绿洲不同植被类型以及不同生长期下垫面的水热平衡状态,故可视为对绿洲适宜规模的宏观静态评估。结合上述绿洲水热平衡原理和耕地不同农作物水热特点,改进公式（1）形成干旱区耕地水热平衡估算模型,具体如下：

（6）

A_{c} = \frac{W_{T} - W_{Z}'}{\overset{n}{\sum_{i = 1}} \overset{m}{\sum_{j = 1}} \{I_{i} \times [ET c_{ij} \times (1 - p_{i}) - r_{ij}] \times a_{i}\}}

式中：A_c为研究区适宜耕地规模（万hm²）;W_T为研究区水资源总量（亿m3）;W_z′为非种植业用水量（亿m3）;i代表研究区内主要作物类型;j代表作物i的不同生育期;I_i为作物i种植区域的平均灌溉保证率（%）。根据已有数据和实地调查,主要种植棉花的西部3县（市）有72.89%的地块灌溉保证率为75%,主要种植小麦和玉米的东部4县（市）满足50%灌溉保证率的地块占比最高,对于全州则约有51.35%的地块灌溉保证率满足75%,故其他作物取I=75%;ET_cij为作物i在生育期j内的作物蒸散（mm）,r_ij为与作物i的生育期j同步的总降水量（mm）,p_i为覆膜作用对作物i蒸散的抑制程度（%）,由于棉花在研究区内基本实现覆膜种植,根据已有研究取p_i=26.65%^[31],其余作物覆膜程度偏低,取p_i=0,a_i为当年作物i的种植面积占比（%）,进而研究区耕地面积超载程度计算方法为：

（7）

OL = \frac{A_{ac} - A_{c}}{A_{c}} \times 100 %

式中：OL表示超载程度（%）;A_ac为研究区当年实际耕地面积（万hm²）。

同时,参考《全国水资源承载能力监测预警技术大纲（修改稿）》^[32]中的水量承载状况判别规则,制定耕地面积超载程度的衡量标准见表2。

Tab. 2
表2
表2耕地超载级别分类标准
Tab. 2Classified standard of overload level of cultivated land

超载级别	不超载	临界超载	轻度超载	中度超载	重度超载
超载程度（%）	<-10	-10~0	0~10	10~20	>20

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4 结果分析

4.1 种植业可用水量分析

4.1.1 非种植业用水量变化分析两种情景下的非种植业“三生”用水量情况如图1a所示。总体上看,昌吉州非种植业“三生”用水总量增加趋势较为显著（图1a）。在最佳耕地适宜规模情景下,昌吉州非种植业用水总量由2000 年的17.72 亿m3波动增加至2018 年的19.90 亿m3（图1a）,非种植业用水主要用于生态用水（图1c）;而在临界耕地适宜规模情景下,由于河道内生态用水量由30%降低至10%,导致研究时段内非种植业用水量相对最佳耕地适宜规模情景减少了6.70亿~8.25亿m3;其中非种植业用水量最小值为2000年的9.47 亿m3,最大值为2018年的12.44 亿m3（图1a）;非种植业用水主要用于生产用水（图1b）。

图1

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图1临界和最佳耕地情景下非种植业用水总量及用水结构

Fig. 1The total amount and the water consumption structure of non-planting water consumption in the scenarios of critical or optimal scale of arable land

4.1.2 种植业可用水量变化分析 2000—2018 年5 个研究时段中,昌吉州水资源总量由2000 年的41.23 亿m3波动下降至2018 年的37.27 亿m3。随着人口增加和社会经济发展造成生活和种植业以外的产业用水量增加,种植业可用水量总体呈现波动减少趋势,但仍占据主导地位。临界耕地适宜耕地规模情景下,5 个时段种植业用水总量由2000 年的31.75 亿m3波动较少至2018 年的24.83 亿m3（图2a）,占水资源总量比例高达66.61%~77.02%;而最佳耕地适宜规模情景下种植业可用水量则由27.63亿m3波动减少至21.10 亿m3,种植业用水占比为46.61%~57.02%。总体上看,最佳耕地适宜规模情景虽然较前一情景下种植业可用水量有所减少,但两者变化趋势基本一致。

图2

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图2临界和最佳耕地情景下种植业可用水量及用水结构

Fig. 2The total amount and the water consumption structure of planting water consumption in the scenarios of critical or optimal scale of arable land

从用水结构角度看,在临界耕地适宜规模情景下,2000年生活、生产和生态用水量之比为1.00:54.17:6.70,到2018年变为1.00:27.49:3.75（图2b）;而在最佳耕地适宜规模情景下,生产、生活和生态用水结构在2000年为1.00:21.71:41.79,2018年变化为1.00:11.79:21.04（图2c）,三者间的用水量占比差异有所减小。

4.2 作物蒸散及影响因素分析

4.2.1 作物蒸散分析作物系数影响单一作物各生育期及全生育期内蒸散,各作物生育期起止时间及对应的作物系数见图3（见第620页）。根据作物系数对参考作物蒸散发进行校正,得到作物蒸散如图4（见第 620页）。从时间序列看,4种作物在整个生育期内平均蒸散最低值出现在2010年,为551.41 mm;最高值出现在2018年,4种作物平均蒸散高达700.44 mm,比2010年高出27.03%。

图3

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图3四种作物各个生长阶段作物系数

注：各图中5个时间节点组成的4个生长阶段分别为初始生长期、快速生长期、生长中期和成熟期。
Fig. 3The crop coefficient of each growth stage of 4 crops

图4

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图42000—2018年5个时段4种作物在各生育期蒸散量

Fig. 4Evapotranspiration of 4 crops in each stage from 2000 to 2018

从作物类型来看,棉花、小麦、玉米和其他作物在5个年份中蒸散平均值分别为551.75 mm、550.41 mm、660.32 mm和664.60 mm,总体上棉花和小麦蒸散量基本持平,而玉米和其他作物蒸散量接近。其中,棉花蒸散量较低主要归因于覆膜作用使其全生育期蒸散降低26.65%,若不考虑覆膜,棉花在5个年份蒸散平均值为752.22 mm,是全生育期蒸散最高的作物。

从作物不同生育期来看,棉花和小麦在4个生育期内蒸散的相对大小通常为生长中期>快速生长期>成熟期>初始生长期;但对于玉米和其他作物,仅在2015年和2018年满足上述关系,其余三个年份为快速生长期>生长中期>成熟期>初始生长期。

4.2.2 作物各生育期内降水量分析降水使作物由于蒸腾而损失的水分得到部分补充。由图5（见第621页）可知,从时间序列上看,各作物全生育期内降水量平均值最低出现在2018年,仅为74.28 mm,最高值出现在2015年,高达150.87 mm,是2018年的2.03倍。由于2018年同时出现作物生育期内蒸散最高值和降水量最低值,若保持种植业结构稳定不变,相同规模的耕地通过灌溉补水的数量可能会远大于其他年份,以维持作物基本生长需求。

图5

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图52000—2018年5个时段年4种作物在各生育期降水量

Fig. 5Precipitation of 4 crops in each stage from 2000 to 2018

从作物类型看,棉花、小麦、玉米和其他作物在生育期内5个年份降水量平均值分别为120.64 mm、110.91 mm、121.13 mm和101.98 mm,玉米在生育期内得到的降水量最多。从单一年份看,小麦全生育期内降水量最高值为2010年的137.83 mm,棉花、玉米和其他作物均在2015年取得最高值,分别为149.52 mm、191.51 mm和132.15mm。但由于降水的时空变异较强,各个生育期内的降水量高低并无显著变化趋势。

4.2.3 主要作物种植结构变化分析作物全生育期蒸散与降水量之差可以被视为需通过人为方式补充的水量,也是影响适宜耕地规模的重要因素。经计算可知,棉花、小麦、玉米和其他作物这一差值分别为431.11 mm、439.50 mm、539.19 mm和562.62 mm,表明在其他因素相同的情况下,当棉花和小麦在种植结构中占比较高时,适宜耕地规模较大。

近年来,昌吉州棉花播种面积逐年增加,由2000年的5.53万hm²增加到2018年的15.83万hm²;小麦面积波动较大,2000年为7.53万hm²,到2010年达到最大播种面积19.66万hm²,后又降至2018年的14.37万hm²;受各年度总播种面积变化影响,棉花和小麦各自的播种面积占比呈现波动变化,但二者之和增长趋势较为明显,由2000年占播种面积比例的43.58%提高到2018年的59.08%（见图6）。

图6

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图62000—2018年5个时段各种作物播种面积占总面积占比及年末总播种面积统计

Fig. 6The sown area proportion in the total area and the total sown area at the end of the year from 2000 to 2018

与此同时,2000—2015年间,玉米播种面积由3.49万hm²增加至10.82万hm²,而其他作物由13.43万hm²增加至17.31万hm²;到2018年,玉米播种面积降至8.62万hm²,其他作物面积降至最低的12.30万hm²。从种植结构上看,玉米播种面积占比波动中略有提升,由2000年的11.63%增加至2018年的16.87%,而其他作物占比显著下降,由2000年的44.79%降至2018年的24.06%,但两者面积占比之和由2000年的56.42%降低至2018年的40.92%。四种作物播种面积占比变化趋势表明,研究区内种植业结构总体上在向有利于耕地规模扩大的方向演进。

4.3 适宜耕地规模及超载分析

4.3.1 适宜耕地规模面积计算 5个研究时段研究区临界耕地适宜规模和最佳耕地适宜规模如图7所示。总体上看,由于各年度种植业可用水量、种植业结构、以及蒸散和降水量差异,两种情景下的适宜耕地规模呈现先减小（2000—2005年）、后增加（2005—2010年）、再减小（2010—2018年）的波动变化。最大适宜耕地面积出现在2010年,临界和最佳耕地适宜规模情景下分别为67.83万hm²和48.97万hm²;最小适宜耕地面积出现在2018年,两种情景下分别为42.63万hm²和28.93万hm²;而从实际耕地面积的角度看,在2000—2015年4个时段的持续增加后,2018年耕地面积略有减小;最大耕地面积为2015年的54.74万hm²,最小耕地面积为2000年的29.98万hm²。

图7

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图72000—2018年5个时段临界和最佳耕地适宜规模情景下适宜耕地面积及年末实际耕地面积

Fig. 7The suitable cultivated land area under the scenario of critical or optimal scale of arable land and the statistics of actual cultivated land area at the end of year from 2000 to 2018

4.3.2 耕地规模超载程度分析虽然适宜耕地面积受多种因素变化影响而反复波动,但两种用水情景下的实际耕地面积相对于适宜耕地面积的超载程度却均呈现显著持续上升态势。最佳耕地适宜规模情景下,2000年和2005年均为不超载状态,其中2000年水量富余程度为各年最高的-39.41%;从2010年开始,耕地规模呈现不同程度的超载状态,其中2010年为轻度超载,超载程度2.29%;2015年为中度超载,超载程度为17.74%;2018年则呈现严重的重度超载状态,超载程度突增至71.37%（见图8）。这一方面与当年种植业可用水资源总量降低有关,另外该年度作物蒸散高、生长期降水少是超载程度剧增的重要原因。

图8

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图8临界和最佳耕地适宜规模情景下实际耕地面积超载程度

Fig. 8The overload degree of actual arable land in the scenarios of critical or optimal arable land scale

10%河道内生态用水是必须保障的最低生态用水,同时这一情景中临界耕地适宜规模也是不能突破的最高耕地规模。由图8可知,2000—2015年间的4个研究时段,耕地规模均为不超载状态,超载程度分别为-55.15%、-36.07%、-26.15%和-15.65%;而从2015年至2018年三年间,超载程度突增至19.92%,超载程级别也即将达到重度超载,说明2018年的耕地规模过大,种植业用水占比过高。计算结果表明,2018年种植业用水占水资源总量比例高达79.88%,在其他产业用水量不变的情况下,已经完全超越了占水资源总量10%的河道内生态用水红线,生态环境压力巨大。

5 讨论

与已有研究相比,本文对用于计算绿洲适宜规模的水热平衡法进行改进,突出了耕地与绿洲整体作为下垫面水热性质的差异,充分考虑了研究区主要作物种植结构、不同生长期内作物系数,以及不同区域灌溉保障率、覆膜等因素对作物全生育期蒸散的影响,能够更好地实现对干旱区适宜耕地面积的科学评估^[19,23]。

影响耕地适宜规模的因子中,灌溉定额和种植业结构是人为可控且在短期内可发生较大变化的因素。虽然本文已经选取符合当地作物灌溉方式的定额值,但本文得到的种植业可用水资源量是理论计算结果,由于受到引水或灌溉设施工作状态、土壤盐渍化程度、气候条件等因素影响^[33,34],加之引水过程中难以避免出现渗漏等情况,水资源利用率无法达到100%,故实际种植业可用水量低于文中计算的理论值,可支撑的适宜耕地规模亦低于理论值。从种植业角度看,昌吉州种植业呈现典型的粮-经二元结构,粮食作物和经济作物占比高达95.32%,饲料作物占比仅为4.6%。这一种植业结构使得农区和牧区结合不够,农区缺乏优质饲草料,是导致草原超载过牧、生态环境退化的主要原因之一。因此,亟需提高饲料作物在种植业中的比例。以苜蓿为代表的饲草料,因其具有水土保持、培肥土壤等生态功能,同时还有促进农区畜牧业发展、增加畜牧业产值的经济价值^[33],是研究区未来着力发展的重要作物。虽然苜蓿单茬生育期较短,但由于一年需收割3~4茬,使其一年中的生长期延长,蒸散将有大幅度增加^[34],但降水量有限,故在水热平衡条件下,苜蓿占比增加的种植业结构将使得适宜耕地规模略有缩小。

虽然种植业结构、作物生育期内的降水量、蒸发量等因素能够对种植业用水量产生影响,但耕地规模是决定当地种植业用水量以及水资源超载程度的关键。因此要保证农业和生态环境的可持续发展,必须坚持“以水定地”原则,保持适度的耕地开发规模^[12,33,35]。2018年,种植业用水占水资源总量比例已高达79.88%,由生态用水短缺导致生态环境退化的同时,也会引起其他产业发展受到用水限制,经济发展严重受阻^[5]。但从实际粮食安全和经济发展考虑,研究区短期内难以大规模退耕至最佳适宜耕地规模的理想状态,为便于衡量超载状态,可选取2000—2018年5个研究时段临界耕地适宜规模均值58.61万hm²,作为一定时期内衡量奇台县耕地适宜规模的上限。

6 结论

本文在测算新疆昌吉州“三生”用水基础上,通过改进水热平衡法,构建了干旱区适宜耕地规模的评估模型,探讨不同情景下昌吉州耕地适宜规模及其超载程度,结果表明：

2000—2018年5个研究时段中,昌吉州水资源总量由2000年的41.23亿m3波动下降至2018年的37.27亿m3。生产用水中,随着二三产业的发展,工业和城镇公共用水逐步增加,同时人口的增长使得生活用水量增大,在临界耕地规模情景下,非种植业用水量由2000年的9.47亿m3增加至2018年的12.44亿m3,导致昌吉州种植业可用水量从31.75亿m3波动下降至24.83亿m3,但生产用水依然占据绝对地位。5个时段中,临界耕地适宜耕地规模情景下种植业用水占水资源总量比例高达66.61%~77.02%,而最佳耕地适宜规模情景下占比也达到46.61%~57.02%。

在当地主要种植的作物中,棉花、小麦、玉米和其他作物全生育期内蒸散与降水量之差的平均值分别为431.11 mm、439.50 mm、539.19 mm和562.62 mm,说明玉米和其他作物的生长需补充更多水分。棉花和小麦的种植面积占比由2000年的43.58%逐渐提高到2018年的59.08%,表明种植业结构在向着适宜耕地规模扩张的方向演进。

5个研究时段中,临界和最佳耕地适宜规模最大值出现在2010年,分别为67.83万hm²和48.97万hm²;最小值出现在2018年,分别为42.63万hm²和29.83万hm²。虽然影响适宜耕地面积的因素反复波动,但两种情景下的耕地面积超载程度却始终呈上升趋势,分别由2000年的-55.15%和-39.41%提高到2018年的接近于严重超载级别的19.92%和远超严重超载级别的71.37%。由此可见,应当依据“以水定地”原则,严控耕地规模,以实现当地农业和生态环境的可持续发展。

致谢

真诚感谢匿名评审专家在论文评审中所付出的时间和精力,评审专家对本文梳理研究方法、细化结果分析和语言文字表达方面的修改意见,使本文获益匪浅。

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