寧夏地區(qū)中南部干旱區(qū)域林草植被生態(tài)需水量研究

李金燕，張維江

（1.寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏 銀川750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川750021）

在干旱和半干旱地區(qū)，降水量遠低于蒸發(fā)量，植被稀疏，生態(tài)脆弱，是水資源和生態(tài)環(huán)境最為敏感的區(qū)域，輕度人類活動就有可能引發(fā)土地退化和沙漠化。中國西部干旱區(qū)，以其深居內陸的地理位置，干旱的大陸性氣候，山盆相間的地貌格局，荒漠性的土壤植被特征，在中國干旱區(qū)研究中具有一定的典型性與代表性。如何處理好西部干旱區(qū)水資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境建設的關系直接影響區(qū)域乃至國家經濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，開展區(qū)域，尤其是西北干旱地區(qū)生環(huán)境需水量研究，就顯得十分重要。本研究選取寧夏中南部干旱區(qū)域8縣區(qū)，即南部山區(qū)的涇源、隆德、原州、西吉、彭陽縣以及中部干旱帶的典型縣區(qū)海原、同心、鹽池縣，以各縣土地利用、植被分布、水資源狀況等為背景材料，開展林草植被生態(tài)需水狀況研究，以期為該地區(qū)林草植被規(guī)劃建設提供科學依據。

1 寧夏中南部干旱區(qū)域林草植被生態(tài)需水量范圍的界定

從生態(tài)需水研究的意義及水資源管理的角度來說，天然植被生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水主要來源于大氣降水，少數(shù)由地下水和地表徑流補充；而人工植被等生態(tài)需水主要來源于地表徑流和地下水。大氣降水首先被天然植被利用，后形成地表徑流，才能被人類管理利用，滿足經濟水量和生態(tài)水量需求，從這個角度講，包括天然植被在內的生態(tài)系統(tǒng)水量需求可稱為廣義的生態(tài)需水；而不包括天然植被，依靠地表徑流或地下水資源保證生態(tài)需水的其它生態(tài)系統(tǒng)水量需求為狹義的生態(tài)需水，它直接參與水資源的分配與調控，也是很容易被工業(yè)用水、農業(yè)用水等社會經濟水量所擠占。因此，從生態(tài)需水研究的意義來說，狹義的生態(tài)需水是水資源學研究和關注的重點。本研究基于生態(tài)系統(tǒng)的完整性及核算的方便性考慮，同時考慮天然植被生態(tài)需水核算也可為水土保持、生態(tài)恢復和生態(tài)建設的用水核算提供依據，在核算人工林草植被生態(tài)需水量的同時也核算了天然林草植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需水量，并分類進行了統(tǒng)計分析，為區(qū)域植被生態(tài)環(huán)境建設及水資源配置奠定基礎［1－2］。

2 林草植被生態(tài)需水定額的確定與計算

2.1 植被潛在蒸散量的計算

當前計算植被潛在蒸散量的方法主要有桑斯維特計算法以及彭曼—蒙特斯法，這兩種方法在干旱區(qū)林地潛在蒸散量的計算中都得到了廣泛的應用，但極少有研究將兩種方法的計算結果進行對比分析，從而明確各自在區(qū)域的實用性［3］。參考研究者［4－5］對兩種方法的比較結果認為彭曼—蒙特斯法用于計算潛在蒸散量是綜合考慮了各類氣象因素，計算結果較為準確，因此采用彭曼蒙特斯模型的計算結果作為本次潛在蒸散量的計算依據。根據1992年FAO對參照作物需水量的重新定義，F(xiàn)AO和國際灌排委員會（ICID）等組織推薦采用的彭曼蒙特斯方法進行計算植被潛在蒸散量。彭曼蒙特斯模型：

式中：ET0——參考作物蒸散量（mm／d）；Δ——飽和水汽壓ea與溫度曲線的斜率（kPa／℃）；Rn——作物表面的凈輻射量；G——土壤熱通量〔MJ／（m2·d）〕；g——干濕表常數(shù)（kPa／℃）；T——平均日或月氣溫（℃）；u2——2m處的平均風速（m／s）；VPD——2m高處水汽壓虧缺量，VPD＝ea－ed；ea和ed——飽和、實際水汽壓。

本次計算中植被潛在蒸散量計算根據水科院研發(fā)的“省灌溉用水有效利用系數(shù)測算分析管理系統(tǒng)”軟件，結合彭曼蒙特斯模型，只需要輸入區(qū)域逐日最高氣溫、日最低氣溫、日平均濕度、日照時數(shù)、2m處風速、日平均降雨量，可以算出植被蒸散量ET0。計算結果詳見表1。參閱文獻并通過實地調研，在黃土高原地區(qū)，植被的耗水時段主要集中在生長季節(jié)，即每年的3—10月份。因此，在計算黃土高原地區(qū)林地的生態(tài)需水量時，以其生長季3—10月為生態(tài)需水量的計算時段，表1中統(tǒng)計的全年潛在蒸散量即為3—10月份潛在蒸散量。

表1 研究區(qū)各縣區(qū)氣象參數(shù)統(tǒng)計及全年潛在蒸散量計算

2.2 植被生態(tài)需水定額的確定

通過計算林草植被的潛在蒸散量ET0，利用不同林地植被的植物需水系數(shù)Kc以及土壤類型修正系數(shù)Ks的修正，便可得到該植被的實際蒸散量即實際生態(tài)需水定額，計算公式為：

式中：ET0——計算時段內植被的潛在蒸散量；ETC——植被實際生態(tài)需水定額；Kc——相應時段植被需水系數(shù)；Ks——相應區(qū)域的土壤修正系數(shù)。

由實際生態(tài)需水定額計算公式可知，在潛在蒸散量計算基礎上，確定實際需水定額的關鍵是確定需水系數(shù)及土壤修正系數(shù)。儲蓓，尚松浩［6］等針對干旱半干旱地區(qū)林草植被的實際情況，對林草生態(tài)需水進行了實驗研究認為，喬木林（即下文提到的有林地）生態(tài)需水系數(shù)為0.757，灌木林生態(tài)需水系數(shù)為0.612，約為喬木林地需水系數(shù)的0.81倍，草地生態(tài)需水系數(shù)為0.661，約為喬木林地的0.85倍。同時，何永濤、李文華［7］等在黃土高原地區(qū)森林植被生態(tài)需水研究中，以黃土高原地區(qū)常用造林樹種刺槐和油松為代表，研究了植被需水系數(shù)，確定喬木林的需水系數(shù)為0.765，同時通過多年的對比試驗認為灌木木林的需水系數(shù)是喬木的0.8倍左右。綜合以上兩項研究成果，干旱半干旱地區(qū)植被需水系數(shù)研究結果接近，本研究取喬木林的需水系數(shù)為0.765，灌木林需水系數(shù)取其0.8倍，取值0.612，疏林地取值0.50；草地需水系數(shù)取喬木林的0.85倍，取值0.65。

考慮不同土壤類型對植被需水的影響，本研究引入土壤水分修正系數(shù)。參考何永濤，李文華結合黃土高原地區(qū)不同土壤類型的水分參數(shù)，以及林地最小生態(tài)需水定額和適宜生態(tài)需水定額的定義研究成果，確定了不同土壤類型的修正系數(shù)（表2）。本研究通過實地調研寧夏中南部干旱區(qū)域各縣區(qū)土壤類型并取合適的土壤水分修正系數(shù)。

表2 不同土壤類型水分修正參數(shù)［7］

3 植被生態(tài)需水量的計算

3.1 林地生態(tài)需水量計算確定

土地利用分布圖中將林地分為4類，即有林地、灌木林地、疏林地和其它林業(yè)用地。有林地是指郁閉度大于30%的天然林和人工林；疏林地是指郁閉度在10%～30%的稀疏林地；灌木林地是指郁閉度＞40%，高度在2m以下的矮林地和灌叢林地［8－11］。本研究中其它林地主要是指未成林地以及無立木林地。由于這4類林地在外貌和群落結構等方面存在著差別，因此也必然會影響到其生態(tài)需水量上的差異，需分別對這幾類林地以及人工林地——苗圃類林地的生態(tài)需水量進行計算。各類林地生態(tài)需水定額依據表1所列區(qū)域植被潛在蒸散量以及上面確定的植被需水系數(shù)和土壤水分修正系數(shù)確定。由于篇幅所限，本研究將消耗天然降水滿足生態(tài)需水的有林地、疏林地、灌木林地及其它林地統(tǒng)一稱為天然降水供給林地以及需人工補充灌溉的人工苗圃林地，分2類列出生態(tài)需水量（表3）。

3.2 草地生態(tài)需水量計算確定

本研究中草地類型主要有2大類，分別為人工草地和天然草地，其中天然草地又分為一年生草地和多年生草地。

根據實地調研，天然草地和多年生人工草地不需要灌溉，依靠天然降水滿足用水需求，而一年生草地則需要人工灌溉，本研究分別對這幾類草地的生態(tài)需水量進行了計算，天然草地同林地以其生長季3—10月份為生態(tài)需水量的計算時段，而人工草地以其生長季4—9月份作為計算時段。幾類草地分類生態(tài)需水量計算結果詳見表4。

表3 各縣區(qū)林地生態(tài)需水量計算結果

表4 各縣區(qū)草地生態(tài)需水量計算結果

4 植被生態(tài)需水量計算結果分析

4.1 天然降水供給植被生態(tài)需水與降水資源平衡分析

從研究區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀需水量及配置來看，設定兩種情形來討論缺水問題，即最小需水量與降水資源所計算的缺水量；適宜需水量與降水資源所計算的缺水量。天然降水供給林地降水資源平衡結果如圖1所示。由圖1可知：（1）位于南部山區(qū)、年均降雨量在350～550mm之間涇原和隆德縣各類林地最小和適宜生態(tài)需水量均能依靠降水得到滿足。兩縣區(qū)最小生態(tài)需水量富裕量分別為5.83×107m3和8.25×107m3；適宜生態(tài)需水量的富裕量分別為1.32×106m3和5.67×107m3，位于該區(qū)域的林地植被生長狀況良好。（2）位于南部山區(qū)、年均降雨量在350mm左右的彭陽縣和原州區(qū)各類林地降水能夠滿足最小生態(tài)需水量的需求，而適宜生態(tài)需水量均不能得到滿足，降雨消耗性生態(tài)需水量適宜狀態(tài)下虧缺1.01×108m3和4.21×107m3。（3）年均降雨量在175～280mm之間，位于中部干旱帶的海原、鹽池和同心縣以及南部山區(qū)的西吉縣各類林地的最小和適宜生態(tài)需水量均不能得到滿足。

圖1 天然降水供給林地生態(tài)需水降水資源平衡分析

圖2為天然降水供給草地生態(tài)需水與降水平衡分析圖，對比圖2和圖1可知草地降水資源平衡結果與林地呈現(xiàn)了相同的分布規(guī)律。綜上所述，現(xiàn)狀氣候條件下位于中部干旱帶的海原、同心、鹽池縣以及中部干旱帶的西吉縣，降雨消耗性林地生態(tài)需水量均處于虧缺狀況，不宜于大面積發(fā)展植被，為此，應選擇耐旱，抗鹽堿的樹種在地形低平，潛水較豐富和有水源補給的地段進行種植綠化。而位于南部山區(qū)的原州、彭陽也要合理考慮林地種植結構。

圖2 天然降水供給草地生態(tài)需水降水資源平衡分析

4.2 人工補充灌溉植被與降水資源平衡分析

考慮到人工林地和一年生草地盡管需要人工灌溉，但不能忽略降雨對其需水量的補充，因此本研究認為人工林地和一年生草地生態(tài)需水量是扣除年降雨量補充后所虧欠的水量，因此將人工補充灌溉林地與草地也做了為降水資源平衡分析。根據圖3，對于人工補充灌溉林地及草地從年均降雨量平衡結果來看，涇原、隆德和彭陽縣最小及適宜狀態(tài)均不需要人工配水。而其它各縣區(qū)的最小需水狀態(tài)下，草地不需人工配水、苗圃類林地需要人工配置；適宜狀態(tài)下草地和林地均需人工配水。以上分析只是從年均狀況進行了較為粗略的分析，而逐月的平衡狀況需要更進一步的研究。

圖3 人工補充灌溉植被植被生態(tài)需水降水資源平衡分析

5 結論

生態(tài)需水是水資源研究中的一個新領域，本研究首先對研究區(qū)域要計算的植被生態(tài)需水進行了較明確縣地界定，給出了植被生態(tài)需水量的計算方法及過程。依據不同林地類型及草地類型生態(tài)需水的差異，分別對各類林地及草地的生態(tài)需水進行了計算，最后從天然降水供給及人工補充灌溉植被需水分類角度對計算結果進行了分析，研究結果對于指導區(qū)域植被生態(tài)恢復與建設以及水資源配置具有宏觀上的指導意義。研究中仍存在很多缺陷與不足，還有待于進一步深化。

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