內陸干旱區(qū)河谷林生態(tài)需水研究

葉 睿，尚松浩，陳根發(fā)，秦大庸

（1.中國水利水電科學研究院 水資源研究所，北京 100038；2.清華大學 水利水電工程系，北京 100084）

1 研究背景

占陸地面積約1/3的干旱地區(qū)主要分布在南北回歸線及北半球緯度30°～40°之間，涉及全球20多個國家，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對區(qū)域乃至全球氣候變化和生態(tài)功能的維持具有重要作用。中國的干旱區(qū)在廣義上既包括分布在35°N以北、106°E以西的廣大內陸河流域，也包括分布在北方農牧交錯帶降水量介于300～400mm之間的半干旱地區(qū)。如在賀蘭山-烏鞘嶺以西的我國西北內陸干旱區(qū)，其面積210多萬km2，約占全國陸地面積的22%，而水資源總量僅占全國的4.27%。

全球和區(qū)域尺度的氣候變暖已引起了干旱區(qū)許多水文過程變化，氣候變暖加上頻繁的人類活動也誘發(fā)了干旱區(qū)的環(huán)境退化，其中生態(tài)系統(tǒng)退化是干旱區(qū)的普遍性問題，主要以土地荒漠化為標志［1］。雖然具體區(qū)域的變化速率和強度尚未完全定論，但已經確定土壤侵蝕的峰值出現在降水量300～500mm的地區(qū)［2］。氣候變暖已經引起了中國干旱區(qū)水文過程的根本性變化，例如塔里木河和黑河等內陸河的斷流及流域生態(tài)環(huán)境的惡化，直接威脅著內陸干旱區(qū)經濟社會可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)基礎。

中國干旱區(qū)具有明顯的特點，即高山冰川、森林草原到平原綠洲和戈壁荒漠構成了一個干旱區(qū)復合生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)要素之間相互依存、相互制約，水資源是維持該復合生態(tài)系統(tǒng)的紐帶。此外，人類活動引起的荒漠化和綠洲化同時發(fā)生。因此，中國干旱區(qū)生態(tài)水文過程具有特殊復雜性，干旱區(qū)植被生態(tài)需水分析是干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和恢復重建中必須面對的基礎科學問題。賈寶全等［3］計算了新疆的生態(tài)用水，把綠洲生態(tài)用水分為人工綠洲生態(tài)用水、荒漠河谷林生態(tài)用水、河谷林生態(tài)用水、低平地草甸生態(tài)用水、城市生態(tài)用水、河湖生態(tài)用水、荒漠植被生態(tài)用水等七大類，每類之下又劃分了若干小類。王讓會等［4］研究了塔里木河“四源一干”的生態(tài)需水量，估算得塔河流域、葉爾羌河流域、和田河流域及開都河—孔雀河流域4源流區(qū)的生態(tài)需水量分別為16.18億m3，14.796億m3，7.985 3億m3及10.499 8億m3，干流區(qū)在2005年、2010年及2030年3個目標年的生態(tài)需水量分別為31.859億m3，36.272 3億m3及41.035 5億m3。水資源是塔里木河下游綠色走廊在極端干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)中維持穩(wěn)定的重要因子，為使其充分發(fā)揮生態(tài)功能，還需期待綠色走廊的生態(tài)植被復蘇和擴展［5］。但總體而言，中國干旱區(qū)生態(tài)需水研究的積累十分薄弱，在我國深入開展干旱區(qū)生態(tài)需水分析研究具有重要的理論和現實意義。本文對干旱區(qū)河谷林需水概況進行了調研分析，并以中國干旱區(qū)河谷林為例進行了生態(tài)需水實例分析，計算結果為流域生態(tài)保護與水資源合理配置提供了重要的基礎數據。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域概況下面以新疆阿爾泰山前平原河谷林為例，進行布爾津河出山口以下河段河谷林草生態(tài)需水分析。

新疆阿爾泰山前平原河谷林是孕育于額爾齊斯河和烏倫古河的河漫灘森林，是阿爾泰山前荒漠草原和荒漠區(qū)域內一條綠色的長廊。

額河和烏河流域年均溫2～3℃，1月均溫-20℃左右，7月均溫20～22℃，年降水140～160mm，烏河年徑流量12億m3，額河年徑流量38億m3，土壤沙化、鹽漬化嚴重，含鹽量高。地下水位1～3m。109種植物中中生、濕中生59種，旱中生26種，旱生15種。

阿爾泰山前平原河谷林有高等植物109種，類屬于80屬27科。這些種可分為12個種組，9個屬中生、濕中生，2個屬早生，1個屬旱中生類型。河谷林中北溫帶成份占30.3%，舊大陸溫帶成份20.2%，世界廣布成份占19.3%，中亞成份占16.5%，其它成份較少。多年生草本是河答林的主要生活型，占48.6%，其它依次為灌木、一年生草本、喬木和水生植物。

額爾齊斯河干流兩岸河漫灘及低階地上分布著由喬木和灌木林組成的河谷林，河段內林草共生，河谷草地是阿勒泰市牧業(yè)上重要的冬草場和打草場，對于阿勒泰市牧業(yè)發(fā)展具有重要意義。

布爾津河出山口以下河段漫灘發(fā)育，有兩條帶狀次生林向額河方向延伸，河谷植被類型豐富、層次分明，河谷林草沿河分布長42km，寬0.5～2.3km，2006年布爾津河出山口以下各類林、草面積統(tǒng)計情況見表1，4—10月多年平均蒸發(fā)量和降水量見表2。

表1 布爾津河出山口以下河段河谷林2006年各類林地面積統(tǒng)計表 （單位：hm2）

表2 布爾津河出山口以下河段4—10月多年平均蒸發(fā)量和降水量 （單位：mm）

2.2 干旱區(qū)河谷林需水研究方法參考作物蒸發(fā)蒸騰量是國際通用的評價水資源和計算作物需水量的基礎，也是制定水法和國際河流水資源分配的依據。聯合國糧農組織（FAO）主要推薦的修正Pen?man（MP）、Penman-Motheith（PM）公式是計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量的基本方法。本文干旱區(qū)河谷林生態(tài)需水量的計算采用FAO灌溉排水叢書第56分冊推薦的參考作物法。河谷林需水定額根據參考作物騰發(fā)量和各類林、草的需水系數來計算。具體步驟如下：

（1）參考作物騰發(fā)量。根據有關研究成果［6］，參考作物騰發(fā)量ET0與Φ20cm蒸發(fā)皿蒸發(fā)量E20具有很好的線性關系，即ET0=K0E20。式中K0為蒸發(fā)皿系數，隨月份的不同而有所變化，但變化不大。

（2）河谷林需水系數。與農田耗水相比較，林草生態(tài)需水的研究還比較薄弱?？紤]林草的生長狀況，參考《美國國家灌溉工程手冊》［7］及有關研究成果［8］，擬定研究區(qū)內各種林、草的需水系數Kit。

（3）生態(tài)需水定額。根據以上參考作物騰發(fā)量ET0和林草需水系數Kit，可按ETit=KitET0式計算出河谷林各月需水定額ETit。

另外，考慮到冬季（11—次年3月）地面也多為積雪所覆蓋，植物生長明顯減緩，同時大氣蒸發(fā)能力較小，少量的蒸發(fā)耗水主要來自于積雪，因此不考慮冬季的生態(tài)需水。

本文河谷林生態(tài)需水量是指有效降水量之外由河水和地下水提供給河谷林的水量，因此在河谷林需水定額中需要扣除有效降水量得到凈需水定額。根據研究區(qū)多年平均月降水量，考慮降水對河谷林生長的有效性，確定各月有效降水量Pet。然后根據下式計算研究區(qū)及各子區(qū)的生態(tài)需水過程Wt：

式中：Ai為第i種河谷林的面積。

由研究區(qū)及各子區(qū)的生態(tài)需水過程，可計算得知研究區(qū)內各月份河谷林生態(tài)需水量，及研究區(qū)內河谷林生態(tài)需水總量。

3 旱區(qū)河谷林需水概況

3.1 干旱區(qū)河谷林分布格局植被與其所處的生物氣候帶高度耦合。植被的大小、蓋度和多樣性與降水水文過程高度相關。當降水量不足400mm時，喬木就不能生長；120mm等雨量線是草原和荒漠植被的界限；70mm等雨量線是蓋度不足10%的稀疏矮小灌木散生植被和低洼積水地段生長的集聚植被的分界線［9-10］。

干旱區(qū)的氣候、土壤和植物群落具有特殊性。如少而且變異很大的降水量決定了水文和生態(tài)條件的高度變化［11］，因而植被也存在明顯的斑塊格局，這種格局與降水量（P）和潛在蒸發(fā)量（Ep）的比值高度吻合。從P/Ep＞1到P/Ep＜0.3的地區(qū)，植被由連續(xù)覆蓋的森林和草原向不連續(xù)的斑塊狀格局過渡。

干旱區(qū)河谷林的分布格局受降水量，潛在蒸發(fā)量和河谷分布等因素的綜合影響，具有干旱區(qū)植被典型的斑塊格局的同時，還具有明顯的與河谷分布相符的地帶性分布特征。

3.2 干旱區(qū)河谷林生態(tài)系統(tǒng)維持的水分來源組成干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的植物，特別是非地帶性中旱生植物，吸收的水分除來源于降水外，還可能來源于地表水、土壤水和地下水。對于降雨豐沛的山區(qū)河谷林，生態(tài)要素的耗水主要來自降雨。山前平原區(qū)河谷林除受少量降雨補給外，主要消耗的是出山口徑流量。而盆地河谷林主要依賴河川徑流及其入滲補給的地下水。20世紀70年代同位素技術被廣泛應用于生態(tài)學和水文學研究領域，并迅速成為該領域研究的有效手段之一。

環(huán)境同位素技術在確定植物水分來源和利用方面得到了廣泛的應用［12-14］。應用穩(wěn)定氧氫同位素技術對澳大利亞河岸桉樹生長季節(jié)蒸騰的水分來源的研究表明，桉樹蒸騰消耗的水分來自地下水、降水轉化的土壤水和河流的地表水［15-17］。在加里福尼亞山區(qū)常年河沿岸，樹木生長季節(jié)早期蒸騰的水分主要來源于土壤，而在大部分土壤干燥季節(jié)則來自地下水［18］。在亞利桑那西部的常年和季節(jié)性河流沿岸，弗里芒氏楊和古丁氏柳在生長季節(jié)蒸騰的水分均來自地下水［19］。上述研究說明，干旱區(qū)植物吸收的水分來源因植物種和時間的不同而不同。

3.3 干旱區(qū)河谷林生態(tài)需水及研究水在河谷林生態(tài)系統(tǒng)中起至關重要的作用。河谷林的水分來源包括降雨、地表徑流、地下水潛水蒸發(fā)等。干旱地區(qū)降水集中在山區(qū)，徑流性水資源是河谷林的生命源泉。

根據補給來源，生態(tài)需水可以分為降水性生態(tài)需水和徑流性生態(tài)需水。在降雨形成徑流以及徑流運動過程中，地帶性植被所在的天然生態(tài)系統(tǒng)完全消耗降水量，非地帶性植被所在的天然生態(tài)系統(tǒng)消耗徑流量為主、降水為補充，處于地帶性與非地帶性的交錯過渡帶以消耗降水為主、徑流為補充。山區(qū)是降水性生態(tài)需水，山區(qū)形成的徑流幾乎是平原地區(qū)水資源的唯一來源，是水資源利用的核心。

對干旱區(qū)河谷林生態(tài)需水的計算，應以流域為單元，進行水資源平衡分析。在生態(tài)需水分析計算，將生態(tài)需水量與生態(tài)系統(tǒng)可能實際利用的水資源量進行平衡分析，類似于供需平衡分析。

3.4 干旱區(qū)河谷林生態(tài)需水現狀自中更新世以后，西北生態(tài)環(huán)境的干旱特征就成為這一地質時期以來的總趨勢，荒漠化是其最主要的地理過程，并從環(huán)境條件和生態(tài)背景兩方面主宰著干旱區(qū)的生態(tài)進程［20］。全西北干旱區(qū)平原總生態(tài)需水量579億m3，包括降水和徑流兩部分組成?，F狀生態(tài)條件下，過渡帶、綠洲生態(tài)徑流性生態(tài)需水380億m3，其中天然生態(tài)329億m3，人工生態(tài)51億m3。以新疆的生態(tài)需水最多，尤其是南疆生態(tài)需水規(guī)模較大。在現狀經濟用水水平和管理條件下，內陸河區(qū)共有809億m3的徑流性水資源可用于經濟或生態(tài)。直接留給天然生態(tài)的水量有302億m3，加上回歸水的間接支持，可供生態(tài)系統(tǒng)消耗的水資源達428億m3。

從生態(tài)需水的角度看，西北干旱區(qū)盆地生態(tài)系統(tǒng)的需水基本上能得到滿足。但各地程度有較大差別。分析表明，全西北干旱區(qū)盆地現狀社會經濟發(fā)展水平下，基本上能滿足現狀生態(tài)系統(tǒng)的耗水需求?，F狀總生態(tài)耗水377億m3，其中人工生態(tài)耗水51億m3，天然生態(tài)耗水326億m3。水資源利用率最高的黑河、石羊河兩流域，現狀生態(tài)需水得不到滿足，會引起生態(tài)退化，共有生態(tài)缺水311億m3。

對干旱區(qū)河谷林的生態(tài)需水量的研究，我國仍處于資料積累的起步階段。干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱，水分條件是限制生態(tài)系統(tǒng)生長的主要因素。由于降雨稀少，與河流水位密切相關的地下水是河谷區(qū)林草的主要水分來源［21］。尚松浩等［8］對新疆額爾齊斯河635水庫至布爾津河段河谷林草進行了生態(tài)需水分析，結果表明河谷林草生態(tài)需水量4.54億m3，其中6、7月份需水量較大，月需水量均達到全年的23%左右。這些結果為河谷林草供水方式分析及水庫水量調度提供了基礎數據。

4 計算與分析

由FAO灌溉排水叢書推薦的參考作物法，進行布爾津河出山口以下河谷林草生態(tài)需水分析。經計算可得：

（1）參考作物騰發(fā)量。根據新疆類似地區(qū)的研究成果，取K0=0.56。根據研究區(qū)附近阿勒泰、福海、布爾津3站的平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，乘以蒸發(fā)皿系數后可得到各月的參考作物騰發(fā)量（表3）?？梢钥闯?，4—10月參考作物騰發(fā)量約為856.24mm，其中6月最大，達到163.24mm。

（2）林草需水系數。研究區(qū)內各種林、草的需水系數Kit擬定值，見表4。

（3）生態(tài)需水定額。河谷林各月需水定額ETit，結果見表5。

表3 布爾津河出山口以下河段4—10月多年平均蒸發(fā)量和參考作物騰發(fā)量 （單位：mm）

表4 布爾津河出山口以下河段河谷林需水系數

根據研究區(qū)多年平均月降水量，各月有效降水量Pet見表6。根據前文中計算Wt的公式計算研究區(qū)及各子區(qū)的生態(tài)需水過程，計算結果見表7。

根據FAO推薦的作物需水量計算方法及研究區(qū)的氣象資料、林草分布，計算表明整個研究區(qū)河谷林生態(tài)需水量為0.8億m3。從生態(tài)需水過程來看，6—7月需水量較大，月需水量均約為全年的25%。4—10月生態(tài)需水量所占的比例分別為8.3%、17.7%、24.2%、25.2%、16.5%、7.5%、1.7%。

表5 布爾津河出山口以下河段河谷林生態(tài)需水定額 （單位：mm）

表6 布爾津河出山口以下河段4—10月多年平均降水量和有效降水量 （單位：mm）

表7 布爾津河出山口以下河段河谷林生態(tài)需水量 （單位：萬m3）

5 結論

干旱區(qū)河谷林生態(tài)需水分析是和生態(tài)學與水文學都密切相關的交叉學科的課題，也是解決西北干旱區(qū)相關工程實踐問題的理論基礎。

干旱區(qū)植被與其所處的生物氣候帶高度耦合，具有明顯的斑塊格局。植物吸收的水分來源因植物種和時間的不同而不同。干旱區(qū)植物吸收的水分來源因植物種和時間的不同而不同；地帶性植被所在的天然生態(tài)系統(tǒng)完全消耗降水量；非地帶性植被消耗徑流量為主，與地下水位關系密切。我國全西北干旱區(qū)平原總生態(tài)需水量579億m3，直接留給天然生態(tài)的水量有302億m3，可供生態(tài)系統(tǒng)消耗的水資源為428億m3。

本文以新疆阿爾泰山前平原河谷林為例研究中國干旱區(qū)河谷林需水情況，估算了布爾津河出山口以下河段河谷林生態(tài)需水過程。計算結果表明：整個研究區(qū)河谷林生態(tài)需水量為0.8億m3，6—7月需水量較大，月需水量均約為全年的25%。這些成果可為流域生態(tài)保護與水資源合理配置提供重要的基礎數據。

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