石羊河流域天然植被適宜生態(tài)需水量估算

陳 樂， 張 勃， 任培貴

(西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

作為中國西部生態(tài)脆弱區(qū)最關(guān)鍵的生態(tài)因子，水不僅是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成、發(fā)展和穩(wěn)定的基礎(chǔ)，而且決定著干旱區(qū)綠洲化過程與荒漠化過程這兩類極具對立與沖突性的生態(tài)環(huán)境演化過程[1]。在西北干旱地區(qū)，由于水資源的天然不足，加之工農(nóng)業(yè)及家庭用水的增加，使得植被生態(tài)用水受到嚴(yán)重擠占，嚴(yán)重影響到植物群落的生長發(fā)育、演替更新的過程，進而導(dǎo)致天然植被退化、尾閭湖泊消失等生態(tài)環(huán)境問題。石羊河流域是甘肅省河西走廊3大內(nèi)陸河流域之一，屬于干旱、半干旱地區(qū)，是中國內(nèi)陸河流域中人口最密集、水資源開發(fā)利用程度最高、用水矛盾最突出、生態(tài)環(huán)境問題最嚴(yán)重的流域之一[2]。因此，在有限的水資源條件下，科學(xué)合理地確定區(qū)域在生態(tài)保護目標(biāo)下的天然植被生態(tài)需水量，遏止天然植被生態(tài)系統(tǒng)進一步退化萎縮，是目前石羊河流域所面臨的急須解決的關(guān)鍵問題。

生態(tài)需水研究是目前恢復(fù)生態(tài)學(xué)、水文學(xué)及水資源學(xué)研究的熱點領(lǐng)域[3]，該研究越來越受到眾多學(xué)者的關(guān)注。針對生態(tài)需水的研究源于美國20世紀(jì)40年代，其目的為了獲取維持魚類生存所需的河道基流，之后擴展到研究河岸帶生態(tài)需水，直到現(xiàn)在開展的流域尺度、區(qū)域尺度上生態(tài)需水的研究[4-7]。國內(nèi)對生態(tài)需水的研究起步較晚，主要是針對生態(tài)脆弱的西北干旱和半干旱地區(qū)，重點對植被生態(tài)需水概念和計算方法展開的定性分析、定量計算的研究。眾多學(xué)者出于不同的研究目的對生態(tài)需水展開了卓有成效的研究，一些學(xué)者[8-10]基于不同的研究對象闡述了各自對生態(tài)需水概念的理解，另一些學(xué)者[11-13]對內(nèi)陸干旱區(qū)的植被需水量進行了大量的估算研究，但由于對生態(tài)需水定義的不統(tǒng)一導(dǎo)致植被需水量界定標(biāo)準(zhǔn)存在異同。通過閱讀大量文獻并結(jié)合本文的研究目的，總結(jié)認為生態(tài)需水是指使生態(tài)系統(tǒng)達到某種生態(tài)保護目標(biāo)，發(fā)揮期望的生態(tài)功能或維持某種生態(tài)系統(tǒng)平衡所客觀需要的水資源量，其內(nèi)涵包括維持生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和維持生態(tài)過程與生態(tài)服務(wù)功能兩部分的需水。

本文基于潛水蒸發(fā)理論，結(jié)合遙感技術(shù)及ArcGIS 9.3軟件統(tǒng)計獲得石羊河流域1987，2000及2010年3期各類型天然植被面積數(shù)據(jù)，重點對適宜生態(tài)需水情景下的天然植被生態(tài)需水量進行了估算研究，以期得到石羊河流域天然植被最為合理的生態(tài)需水量，為區(qū)域水資源的合理配置、高效利用及生態(tài)安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，東起烏鞘嶺，西止大黃山，介于祁連山東段與巴丹吉林、騰格里沙漠南緣之間，地理坐標(biāo)為36°29′—39°27′N，101°41′—104°16′E，包括武威市的古浪縣、涼州區(qū)、民勤縣及天?？h，金昌市的永昌縣和金川區(qū)以及張掖市肅南縣，共3地(市)7個區(qū)縣。石羊河干流全長約300 km，流域面積4.16×104hm2，從南向北大體分為3個地貌單元，南部祁連山地、中部走廊平原、北部阿拉善高原，高寒草甸、灌叢草甸、森林灌叢、綠洲植被及荒漠草原等為區(qū)內(nèi)主要的植被類型。流域深居內(nèi)陸腹地，具有干旱少雨，蒸發(fā)量大的氣候特征。上游祁連山和中部走廊區(qū)年降水量分別為300～600和150～300 mm，下游民勤地區(qū)極其干旱，年降水量小于150 mm，全流域年蒸發(fā)量介于1 200～2 600 mm。流域水系自東向西由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河8條河流組成，河流補給主要來源為山區(qū)大氣降水和地下水，多年平均出山徑流量為1.66×109m3[2]。

1.2 植被生態(tài)需水研究機理

植被是生態(tài)系統(tǒng)中最基本的成分，是自然環(huán)境最直觀、最準(zhǔn)確的反映[14]，又是水土流失和土壤荒漠化的主要調(diào)控者，也是最容易受到破壞的部分。植被是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的關(guān)鍵所在，確定合理的植被生態(tài)需水量又是該研究的基礎(chǔ)，因其正常的生長必然消耗一定的水量。中國西北干旱地區(qū)水資源短缺，植被退化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡劣，對植被生態(tài)需水的研究便顯得尤為重要。因此，近年來，干旱區(qū)植被的生態(tài)需水問題已成為植被生態(tài)恢復(fù)和重建研究領(lǐng)域的熱點問題[15-16]。

植被生態(tài)需水是指在一定的時空尺度上和生態(tài)保護目標(biāo)下，維持植被生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，使其發(fā)揮生態(tài)環(huán)境功能所需要的水資源量，具有上限值和下限值，超過這個閾值都會導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的退化和破壞。限制干旱區(qū)天然植被健康生長的主要因素有水分和土壤鹽分[17]。干旱區(qū)的有效降水量不足以滿足天然植被的正常生長所需，地下水是天然植被蒸騰和地表土壤蒸發(fā)的主要來源。植被的生長態(tài)勢也受到潛水埋深的影響，當(dāng)潛水埋深過淺時，因地表蒸發(fā)強烈，土壤表層鹽分不斷積累，使得土壤中鹽分的濃度超過植物根細胞中細胞質(zhì)濃度，植物生長形成所謂的“生理干旱”從而導(dǎo)致枯萎死亡；而潛水埋深過深時，植物根系層土壤從潛水層獲得的水分補給就會顯著減少，以至于不能滿足植物生長對水分的要求，致使植被衰敗死亡，進而發(fā)生土壤荒漠化。

張麗等[18]通過對黑河流域下游天然植被生態(tài)需水的研究認為，干旱區(qū)每種天然植被類型都有其適宜生長的潛水埋深變動范圍，植被蓋度與地下水埋深存在一定的關(guān)系。因而決定了天然植被需水量有最小生態(tài)需水、適宜生態(tài)需水和最大生態(tài)需水3種情景之分。當(dāng)?shù)叵滤止?yīng)量低于天然植被的最小生態(tài)需水量或超出其最大生態(tài)需水量時，都將使天然植被生態(tài)系統(tǒng)受到破壞而退化，達不到應(yīng)有的生態(tài)效用。只有當(dāng)可供利用的水資源量達到適宜生態(tài)需水量時，生態(tài)系統(tǒng)才能健康良好地生長，發(fā)揮其最佳的生產(chǎn)潛力。

1.3 計算方法

目前研究植被生態(tài)系統(tǒng)需水量的計算方法較多，但各種計算方法的應(yīng)用前提和側(cè)重有所不同，歸納起來主要有以下幾種：(1)面積定額法(直接計算法)[19]，適用于基礎(chǔ)條件較好，可通過實驗容易獲得蓄水定額的區(qū)域和植被類型。(2)潛水蒸發(fā)法(間接計算法)[20]，適用于降水量少、植被生長主要依賴于地下水的干旱地區(qū)，可以用該方法估算干旱區(qū)植被的天然需水量。(3)基于植物蒸散發(fā)量的計算法[21-22]，即聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)提出的受破壞非完全覆蓋的天然植被生態(tài)需水計算方法，該方法需要的參數(shù)較多，在基礎(chǔ)資料薄弱的地區(qū)應(yīng)用較為困難。(4)水量平衡法[16]，比較適合于區(qū)域較大尺度的生態(tài)需水估算。(5)基于生物量的生態(tài)需水計算法[23]，適合單純靠降水支撐的地帶性植被。(6)基于遙感技術(shù)的植被生態(tài)需水量計算法[24]，適用于大區(qū)域、長時間尺度。

石羊河流域處于干旱缺水區(qū)，天然植被和土壤的實際蒸散近似地等于潛水蒸發(fā)量，因此，選用最具代表性的潛水蒸發(fā)模型——阿維里揚諾夫公式進行植被生態(tài)需水量估算，其計算模型如下：

(1)

E=a(1-H/Hmax)b×Eφ20

(2)

式中：W——天然植被生態(tài)需水量；Sij，Eij——第i時段第j個研究區(qū)天然植被面積和蒸發(fā)強度；Kij——植被系數(shù)；a，b——經(jīng)驗系數(shù)；H——地下水埋深(m)；Hmax——地下水蒸發(fā)極限埋深(m)；EΦ20——常規(guī)氣象蒸發(fā)皿蒸發(fā)值，石羊河流域各縣區(qū)的EΦ20(見表1)；根據(jù)文獻[25—26]選取適合于石羊河流域天然植被潛水蒸發(fā)參數(shù)a為0.762,b為1.528；Hmax取5 m。

表1 石羊河流域各縣區(qū)常規(guī)氣象蒸發(fā)皿蒸發(fā)值 mm

植被系數(shù)K值的確定。植被系數(shù)K是指在相同的土壤和氣候條件下，相同時期內(nèi)植被生長條件下的潛水蒸發(fā)量Eg與裸地的潛水蒸發(fā)量E之比。植被系數(shù)主要受潛水埋深、水面蒸發(fā)強度和植物的長勢、生育階段等的影響。由于有植被生長條件下的潛水蒸發(fā)比裸地的潛水蒸發(fā)量要大，所以K>1。隨著潛水埋深的增大，植被根系對潛水蒸發(fā)的影響越來越小。當(dāng)潛水埋深趨于無窮大時，植被系數(shù)K將趨向于1[27]。

干旱區(qū)內(nèi)陸河流域植物恢復(fù)和生長的合理地下水位的研究是確立生態(tài)需水量的基礎(chǔ),它涉及到水分脅迫下的植物適應(yīng)機理等問題[1]。根據(jù)粟曉玲[26]及張長春等[28]的研究，石羊河流域各種天然植被適宜生長的潛水埋深變動范圍：有林地2～3 m，灌木林地3～4 m，疏林地3.5～4.5 m，高覆蓋度草地3～4.5 m，中覆蓋度草地為4～4.5 m。本文采用文獻[27]所得的植被系數(shù)K與潛水埋深H之間的擬合公式:K=1+2.031 7e-0.507 2H，計算得出石羊河流域各植被類型的植被系數(shù)K(如表2所示)。

表2 石羊河流域天然植被的植被系數(shù)K取值

1.4 數(shù)據(jù)獲取

基于石羊河流域1987，2000及2010年3期遙感影像人工解譯的土地利用覆蓋趨勢，運用ArcGIS 9.3統(tǒng)計得出各類型天然植被的覆蓋面積(表3)。其中，天然植被分為林地與草地兩種類型，林地指以生長喬木、灌木為主的林業(yè)用地，可分為有林地、疏林地和灌木林地；草地是指以生長草本植物為主，覆蓋度在5%以上的各類草地，包括以牧為主的灌叢草地和郁閉度在10%以下的疏林草地，按蓋度分為高、中、低覆蓋度草地。有林地指郁閉度>30%的天然林地和人工林，以沙棗林為代表；灌木林地指郁閉度>40%，高度在3 m以下的矮林地和灌叢林地，以梭梭、檉柳為代表；疏林地指郁閉度10%～30%的稀疏林地。高覆蓋草地一般水分條件較好，草被生長茂密；中覆蓋草地指覆蓋度20%～50%的天然草地，此類草地一般水分不足，草被較稀疏；低覆蓋草地指覆蓋度5%～20%的天然草地，此類草地水分缺乏，草被稀疏，牧業(yè)利用條件差。分析可知，石羊河流域天然植被不論從總面積還是從植被蓋度上都呈退化趨勢，2000—2010年天然植被退化趨勢尤為顯著，有林地、灌木林地及中蓋度草地面積減少趨勢明顯，其中民勤縣天然植被退化最為嚴(yán)重，而金川區(qū)的天然植被狀況有小幅好轉(zhuǎn)態(tài)勢。

表3 石羊河流域各縣區(qū)天然植被面積 hm2

2 結(jié)果與分析

2.1 天然植被生態(tài)需水量估算

由于每種植被類型都有其適宜生長的潛水埋深變動范圍，由式(2)可知，蒸發(fā)強度E隨著潛水埋深H的增大而減弱。本文基于遙感解譯所獲得的石羊河流域各類型天然植被3期的面積數(shù)據(jù)，并利用潛水蒸發(fā)公式(1)分別在各植被類型的最大埋深、平均埋深及最淺埋深3種情景下，計算得出1987，2000及2010年石羊河流域各縣區(qū)天然植被的最小生態(tài)需水量Wmin、適宜生態(tài)需水量Wopti和最大生態(tài)需水量Wmax(表4)。由于石羊河流域天然植被面積萎縮、蓋度退化的因素，除金川區(qū)生態(tài)需水量呈增加趨勢外，其他各縣區(qū)生態(tài)需水量均有減少趨勢。石羊河流域1987，2000及2010年天然植被總生態(tài)需水量分別介于1.30×109～3.80×109，1.26×109～3.66×109，1.09×109～3.25×109m3。其中，天祝和肅南兩縣的天然植被生態(tài)需水量幾乎占到全流域總生態(tài)需水量的57%左右，這主要是由于兩縣的天然植被面積較大及植被蓋度高所造成的，而金川區(qū)因天然植被面積小、蓋度低，致使天然植被生態(tài)需水量僅占全流域的0.9%。

表4 石羊河流域各縣區(qū)生態(tài)需水量估算 104 m3

2.2 天然植被適宜生態(tài)需水量估算

由植被生態(tài)需水機理可知，當(dāng)植被獲得地下水補給量過多或者過少時，均不利于植被的健康生長，只有地下水補給達到植被生長所需的適宜生態(tài)需水量時，植被才能發(fā)揮其最佳的生態(tài)效益。當(dāng)潛水埋深處于變動范圍的平均水位時，由式(1)計算得到石羊河流域各縣區(qū)6種植被類型的適宜生態(tài)需水量(表5)。其中石羊河流域1987，2000及2010年天然植被適宜生態(tài)需水量分別為2.43×109，2.34×109，2.06×109m3，各植被類型生態(tài)需水量排序依次為有林地>中蓋度草地>高蓋度草地>低蓋度草地>灌木林地>疏林地。通過3期天然植被需水量對比可知，林地、草地適宜生態(tài)需水量都呈持續(xù)減少趨勢，其中有林地、灌木林地和中蓋度草地生態(tài)需水量減少趨勢顯著。在適宜生態(tài)需水情境下，石羊河流域林地、草地的生態(tài)需水量基本各占總需水量的1/2，但各縣區(qū)的林地、草地生態(tài)需水量百分比差異明顯，其中金川區(qū)、古浪縣林地、草地生態(tài)需水量比明顯低于全流域，而天?？h的林地需水量占明顯優(yōu)勢，其他各縣區(qū)的林地、草地生態(tài)需水量比基本與全流域持平。

表5 石羊河流域天然植被適宜生態(tài)需水量 104 m3

對于水資源嚴(yán)重短缺的石羊河流域而言，定量計算得出單位面積天然植被的生態(tài)需水量，對石羊河流域水資源的合理配置、高效利用具有現(xiàn)實意義。本文在適宜生態(tài)需水情景下，計算得出各縣區(qū)單位面積林地、草地的生態(tài)需水量(表6)。由表6分析可得，由于天然植被蓋度的嚴(yán)重退化，除金川區(qū)林地外，各縣區(qū)的天然植被單位面積的生態(tài)需水量均呈減少趨勢。其中，民勤縣的林地單位面積需水量偏高，而肅南縣林地、草地單位面積需水量均明顯偏高，而古浪縣、金川區(qū)的林地、草地單位面積生態(tài)需水量明顯偏少，這種差異的存在可能與各縣區(qū)天然植被各類型組成成分及各縣區(qū)常規(guī)氣象蒸發(fā)皿蒸發(fā)值EΦ20不同有關(guān)。

表6 石羊河流域各縣區(qū)天然植被單位面積需水量 m3/hm2

2.3 水分利用效率

對于中國西北部這樣重度缺水的地區(qū)而言，不僅要研究保證生態(tài)系統(tǒng)健康、穩(wěn)定發(fā)展所需要的適宜生態(tài)需水量，也應(yīng)從生態(tài)和經(jīng)濟效益方面計算它的水分利用效率，即天然植被在單位水資源條件下生產(chǎn)的生物量干重。其中，生物生產(chǎn)量的確定是根據(jù)國家“八五”科技攻關(guān)項目“草地生產(chǎn)力的區(qū)域分異與地面監(jiān)測研究”中有關(guān)各類型草地地上生物量的統(tǒng)計結(jié)果，高蓋度草地生物量干重定額取243.6 g/m2，中蓋度草地128.9 g/m2，低蓋度草地71.3 g/m2，有林地和灌木林地306.5 g/m2[24]。本文中疏林地的生物量干重以有林地和灌木林地的60%確定得到，疏林地183.9 g/m2。石羊河流域各縣區(qū)天然植被在適宜生態(tài)需水量情境下的水分利用效率如表7所示。石羊河流域天然植被的水分利用率介于2.74～16.55 kg/(hm2·mm)，與黃土高原植被的水分利用效率1.05～10.05 kg/(hm2·mm)相比存在1.65倍左右的偏高[29]，主要原因可能是石羊河流域深居內(nèi)陸，干旱少雨，植被生長所需水分主要依靠潛水蒸發(fā)，因裸地蒸發(fā)而損失的水量較少，所以水分利用效率偏高。

表7 石羊河流域各縣區(qū)天然植被水分利用效率 g/m3

3 結(jié) 論

(1)對于西北干旱區(qū)天然植被而言，進行適宜生態(tài)需水量估算研究具有現(xiàn)實意義。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，基于阿維里揚諾夫公式重點對石羊河流域天然植被的適宜生態(tài)需水量進行了估算研究，得出1987，2000及2010年流域天然植被適宜生態(tài)需水量分別為2.43×109，2.34×109，2.06×109m3。各縣區(qū)天然植被適宜生態(tài)需水量由多到少依次為肅南縣>天?？h>永昌縣>民勤縣>古浪縣>涼州區(qū)>金川區(qū)。對3期天然植被適宜生態(tài)需水量進行對比發(fā)現(xiàn)，無論是全流域還是各縣區(qū)的生態(tài)需水量都呈減少趨勢，尤其在2000—2010年天然植被生態(tài)需水量減少趨勢明顯，這與城市化加劇對西北生態(tài)脆弱區(qū)天然植被的破壞不無關(guān)系。

(2)在適宜生態(tài)需水情境下，天祝和肅南兩縣的天然植被生態(tài)需水量占到全流域總生態(tài)需水量的57%左右，而金川區(qū)的天然植被生態(tài)需水量僅占到全流域需水量的0.9%，這主要與各縣區(qū)天然植被的面積相差很大有關(guān)。石羊河流域林地、草地的生態(tài)需水量基本各占總需水量的1/2，但各縣區(qū)的林地、草地生態(tài)需水量百分比差異明顯，這種差異的存在與各縣區(qū)天然植被類型組成成分不同有關(guān)。由于石羊河流域各縣區(qū)天然植被蓋度的嚴(yán)重退化使得單位面積需水量呈減少趨勢，其中，民勤與肅南縣的天然植被單位面積需水量明顯較高，而古浪縣、金川區(qū)的林地、草地單位面積需水量則明顯偏低，這可能與各縣區(qū)的天然植被類型組成成分及常規(guī)氣象蒸發(fā)皿蒸發(fā)值EΦ20不同有關(guān)。

(3)計算得到石羊河流域天然植被在適宜生態(tài)需水量情境下的水分利用率介于2.74～16.55 kg/(hm2·mm)，與黃土高原植被的水分利用效率1.05～10.05 kg/(hm2·mm)相比存在1.65倍左右的偏高，主要原因可能是石羊河流域大氣降水稀少，天然植被生長所需水分主要依靠潛水蒸發(fā)，因裸地蒸發(fā)而損失的水量較少。

(4)確定合理的天然植被適宜生態(tài)需水量是干旱區(qū)退化植被恢復(fù)的關(guān)鍵所在，但天然植被生長需水具有時間差異性，本文由于數(shù)據(jù)有限而未對石羊河流域天然植被年內(nèi)各個月份的適宜生態(tài)需水量進行研究，這還有待于今后進一步深入研究。

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