華北平原農田關鍵帶分類研究*

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育生物學研究所農業資源研究中心 石家莊 050022; 3.中國科學院大學現代農業科學學院 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生物質傳遞和交換的區域,也是決定人類社會生存和發展的關鍵區域。自這一概念提出以來,學者們開展了大量相關研究,地球關鍵帶科學綜合研究成為21世紀地球科學最重要的研究領域之一。自美國建立第一個地球關鍵帶觀測站以來,國際上先后在多個國家建立60 多個地球關鍵帶觀測站,初步形成包括氣候、地質、生態與人類環境的國際地球關鍵帶觀測網絡,地球關鍵帶科學研究取得了進一步發展。

地球關鍵帶各要素間相互聯系、相互作用,使得其生態服務、環境影響等具有一定的空間異質性,因此,對地球關鍵帶分類,有助于認識其空間異質性。了解不同地球關鍵帶類型的屬性特征,可為地球關鍵帶觀測站的建立和深入研究提供科學依據。同時,地球關鍵帶分類對于促進地球關鍵帶的發展、實現區域自然資源的可持續利用具有重要意義。前人已開展的地表系統劃分的研究,對地球關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、調查制圖方面進行了開創性研究,并完成了《中國自然區劃概要》。近年來,國內學者在新興地球關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 等收集了地質多樣性要素、氣候要素、生態要素與社會經濟要素等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鍵帶的概念,并引領了該方向的研究潮流。然而,由于研究范圍的空間尺度較大,現有研究重點僅考慮了氣候因素和地表因素; 對關鍵帶的地下屬性,比如包氣帶和含水層沉積物的性質等方面的關注不夠。近年來,由于人們對糧食生產的高度關注,農田關鍵帶的概念應運而出。農田關鍵帶是農田區域的地球關鍵帶,關系到區域糧食產量、溫室氣體排放、水資源消耗、水質演化等眾多方面的科學問題。但在糧食主產區,以農田關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區,地下水超采嚴重、農業活動造成的環境污染風險加劇,將作物-土壤-含水層聯系起來的關鍵帶視角研究可為地下水保護提供新思路。本文在總結區域地球關鍵帶分類方案的基礎上,針對華北平原的水土資源特點和重大需求,提出了華北平原農田關鍵帶三級分類方案,構建了華北平原農田關鍵帶各級關鍵帶指標體系、命名方法和原則,進而對相關的農田關鍵帶類型進行區分,最后對華北平原農田地球關鍵帶進行區域分類和制圖。本研究對于促進地球關鍵帶的發展、保護區域地下水資源具有重要意義。

1 研究區概況

本文研究區為華北平原(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區,農作物類型主要有冬小麥()-夏玉米()、單季玉米、蔬菜和棉花(spp.),糧食總產量為12 000～15 000 kg·hm,占全國總產量的10.6%。隨著農田灌溉率的不斷提高,水資源需求量的不斷增大,華北平原的農業用水占總用水的70%以上。過度開采地下水,導致地下水位持續下降,由此引發了地面沉降與海水入侵等問題,對該區域可持續發展帶來諸多不利影響。

2 華北平原農田關鍵帶分類的原則、方法

地球關鍵帶分類的目的是客觀、全面地認識某個區域的功能、結構和分布規律。因此,地球關鍵帶分類的原則取決于人們對它的認識程度。一般而言,地球關鍵帶分類是綜合了自然界發展與人類活動干擾的結果,地球關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域分異的規定。因此,在選取關鍵帶分類的指標時,應在統籌所有要素的基礎上,找出主導因素。地質地貌是地球表層系統的重要影響因素,在地球關鍵帶分類的過程中被確定為最重要的指標。

本文結合華北平原的區域特征,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:基于地質地貌要素,主要體現關鍵帶形成的沉積物特征; 第二級: 在第一級的基礎上增加地下水礦化度和淺層地下水埋深條件,體現自然過程和人類開發利用共同作用下形成的水文地質環境; 第三級: 在第二級的基礎上增加農業土地利用類型要素,以體現農業活動的強度和農田生產類型的差異。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,暴雨形成的急流攜帶大量的物質流出出山口,在出山口或平原區形成沖洪積平原。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,關鍵帶各組分之間通過水分傳輸相互聯結,灌溉水和降水再分配主要是通過植被和包氣帶進行調節。近幾十年,由于農田灌溉率大幅度提高,華北平原農業用水急劇增加,農業用水量已經達到區域總用水量的70%以上,導致地下水水位持續下降,并引起地面塌陷、海水入侵等一系列地質環境問題。因此,本研究地球關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,0～4 m; 中深埋區,4～20 m; 深埋區,＞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: 華北平原農業土地利用類型多樣,不同類型農業生態系統受自身生產特征和人類活動影響,其環境影響在空間上存在較大差異,因此,研究地球關鍵帶第三級分類選擇農業土地利用類型要素,分為小麥/玉米、 蔬菜、林果、棉花和水稻5 種類型。

地球關鍵帶各要素間的分布呈現連續性特征,但在劃分的過程中很難確定界線。如何準確地反映地球關鍵帶各要素的過渡特征是至今存在的一個技術難題。因此,對于華北平原農田關鍵帶的分類,參考和總結倪紹祥教授的中國綜合自然地理區劃,本文盡量采用較成熟的區劃方法。針對華北平原農田關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為8,使用數字1～8 進行標識。第三級農業土地利用類型的種類數為5,使用數字1～5 進行標識。

命名原則: 本文對華北平原農田關鍵帶分類時主要考慮了3 個層次的要素差異,根據不同類型要素在關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,第一字段可以體現關鍵帶沉積物的粗細程度,第二字段體現地下水礦化度及其埋深條件,第三字段則體現人類農業活動的水氮投入強度和生產力的差異等(表1)。

表1 華北平原農田關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 華北平原農田關鍵帶分類結果及特征

3.1 數據來源

本研究使用的數據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業土地利用類型4 類,數據時間為2012年。華北平原地質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據和淺層地下水埋深數據各包含3 個子類,包括淡水、微咸水、咸水與淺埋、中深埋、深埋。數據來自《華北平原地下水可持續利用圖集》。農業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業土地利用類型分布如圖1 所示。

3.2 華北平原農田關鍵帶分類結果

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

圖1 華北平原農田關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,破碎的圖斑經過合并得到華北平原農田關鍵帶的第二級分區(圖2)。其中,中深埋微咸水沖積平原區占據面積最大(21.8%),主要分布在華北平原的中部,該關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,農田關鍵帶第二級分區覆蓋范圍較大的類型還包括中深埋淡水沖積平原區(12.5%)、淺埋微咸水沖積平原區(6.8%)和深埋微咸水沖積平原區(5.0%)。

圖2 華北平原農田關鍵帶第二級分區空間分布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上增加農業土地利用類型要素,共疊加生成38 類農田關鍵帶,并且疊加的圖斑破碎程度明顯提升(圖3)。地球關鍵帶分類所用的指標空間特征中,這些類別在區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田關鍵帶(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。其次是分布在山前平原的沖/洪積型深埋淡水谷物農田關鍵帶(Ⅰ-31)(13.0%)與分布在豫北地區的沖積型中深埋淡水谷物農田關鍵帶(Ⅱ-21)(13.0%)。表2列舉了按照面積占比前10 的農田關鍵帶類型。

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

華北平原農田關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。農田關鍵帶分類是較新穎的研究主題,它與許多基于生態或自然地理的區劃研究有相似相通之處,但有其特定的目的導向。農田關鍵帶分類的指標并不是統一不變的,可以根據其區域特征適當調整。

3.3 華北平原不同農田關鍵帶類型特征

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區,僅依靠降水難以滿足農作物正常生長需求,該地區長期開采地下水用于農業灌溉,長期地下水超采導致地下水水位不斷下降。與此同時,傳統的漫灌與過量施肥也導致水肥投入遠遠超出農作物的生長需求,嚴重影響地下水水質。

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

表2 占總面積百分比前10 的華北平原農田關鍵帶第三級分區分布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田關鍵帶):占區域總面積的17.74%,沉積類型為沖積平原,主要分布在華北平原中部。該區域光照充足,地形平緩,土層較深厚且土壤質地較細。小麥/玉米輪作是該地區最常見的種植模式,農田生產力較高,產量高于全國平均水平,據統計數據，多年平均糧食產量約為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。該類地區降水量少,蒸發量大,粗放式的農業生產方式容易導致土壤受到污染。因此,科學利用水資源,合理施用農業肥,可防止地下水的農業面源污染。

Ⅰ-31(沖洪積型深埋淡水谷物農田關鍵帶): 沉積類型為沖洪積物,主要是太行山帶來的泥沙經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),根區土壤水分的電導率約170～190 ms·cm,土壤主體較深厚,質地較粗。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,并且降水季節分配不均,約有300 mm 的水分虧缺,由于該類型關鍵帶城市人口密集,又是農業高產區(約1.3 萬kg·hm·a),農業生產需要大量抽取地下水用于農田灌溉,以及高強度的施肥滿足作物高產需求。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象與硝酸鹽對地下水的污染風險問題。在農業用水方面,抽取地下水進行農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作物高產的條件。

Ⅱ-21(沖積型中深埋淡水谷物農田關鍵帶): 主要分布在豫北和魯西北地區,該區土壤類型多為潮土,弱堿性土質,質地細膩,土層深厚,農業生產水平高(作物單產約6819.45 kg·hm·a),生產成本較高,技術含量不夠,有機質含量不高,農田鹽堿化程度較低。

Ⅱ-41(沖積型淺埋微咸水谷物農田關鍵帶): 主要分布在華北平原東部地區,該地區土壤類型多為潮土,土壤質地以黏性為主,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,合理利用水資源。

Ⅰ-22(沖洪積型中深埋淡水林果農田關鍵帶):由北部的潮白河沖積扇平原與南部的沖積平原構成,屬海河平原地下水系統,成土母質為沖積物和洪積沖積物,土壤質地以砂性土為主,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,農田生產力水平較高。但面臨水資源匱乏、沙塵暴等生態環境問題。修建水庫、南水北調等工程以及植樹造林、退耕還林等措施是解決生態環境問題的有效途徑。

4 結論

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

華北平原的糧食產量占我國總產量的10.6%,農業生產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中,進而對地下水環境造成了潛在威脅,制約了地下水資源的可持續利用。因此,控制污染源,加強地表氮源的輸入控制,合理施用農業化肥,采用先進的灌溉模式是解決華北平原農田關鍵帶地下水污染的有效途徑。

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