額濟納綠洲胡楊林生態(tài)用水與健康評價研究

姜 珊，肖星卉，張 榮，王靜泉，高潤宏

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 草原與資源環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 林學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 理學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

1 研究背景

黑河下游流域是著名的額濟納天然綠洲，據(jù)史料記載，歷史上額濟納綠洲水草豐美，林草繁茂，牛羊成群[1]。20世紀80—90年代，黑河中、上游地區(qū)用水量迅速增加[2]，導致黑河下游干流水量急劇減少，而額濟納綠洲無自產(chǎn)地表徑流，地下水埋深空間變程為22.6 km[2]，生態(tài)環(huán)境用水主要依靠黑河干流徑流補給地下水，這種徑流量的急劇、持續(xù)減少，造成生態(tài)環(huán)境隨之迅速退化，綠洲面積縮減嚴重。針對此情況，為恢復和保護額濟納綠洲的生態(tài)環(huán)境，1997年經(jīng)國務院審批，水利部以水政資〔1997〕496號文批復了《黑河干流水量分配方案》(簡稱“九七分水方案”)；2000年6月，水利部依據(jù)“九二分水方案”和“九七分水方案”，按分步實施、逐步到位的原則，對黑河流域水量進行統(tǒng)一調(diào)度，以此滿足黑河下游額濟納綠洲的生態(tài)用水。

截至2012年底，黑河調(diào)水方案已經(jīng)實施了10多年，黑河下游的水資源在時間和空間上都發(fā)生了變化，生態(tài)退化得到了遏制，植被有了一定的恢復。但是，就國務院批復的《黑河流域近期治理規(guī)劃》中分水指標的完成情況來看，指標沒有完全兌現(xiàn)，即多年來黑河下游來水量一直處于欠賬狀態(tài)，這就導致黑河下游的生態(tài)環(huán)境不能按照此前的預計目標得到恢復和保護。

到底額濟納綠洲水資源欠賬多少？欠賬對生態(tài)環(huán)境的恢復和保護有多大影響？這是目前需要開展的一項緊迫工作。通過此項研究，一方面可摸清水量欠賬，另一方面可摸清水量欠賬對生態(tài)環(huán)境的影響程度，從而為后續(xù)水量調(diào)度與生態(tài)環(huán)境的恢復與保護工作提供參考。

生態(tài)用水又稱環(huán)境用水或生態(tài)環(huán)境用水，是國內(nèi)外學者近30年才提出的全新概念，關(guān)于它的描述和內(nèi)涵界定多種多樣，核算方法也各不相同[3-5]，其中植被生態(tài)用水是主要的方面，這方面的研究有蒸騰法、干物質(zhì)法、土壤蒸滲儀法、水熱系數(shù)法等[6-8]。

關(guān)于額濟納胡楊林的生態(tài)用水研究主要集中于胡楊林的靜態(tài)用水方面[6-8]。孫非等[8]提出，不同土壤含水量、不同徑級的胡楊林生態(tài)用水也不一樣，大徑級(60 cm)和中徑級(28 cm)胡楊林液流速率均是5月>8月，而小徑級(15 cm)的液流速率則是8月>5月。張海清[7]通過測定胡楊樹干液流確定了胡楊林地年耗水量保持在669.6 mm以上時可以使胡楊林保持良好的生長狀態(tài)，胡楊林地最佳地下水埋深為2.88 m，不能下降到5 m以下，但研究發(fā)現(xiàn)額濟納胡楊林地水分虧缺系數(shù)全年都保持在0.5以上，說明胡楊林地全年水分狀況較差。薩如拉[6]判斷額濟納綠洲胡楊林生長所利用的土壤有效含水率為1.18%～20.05%，其測得的水飽和土壤的水壓傳導率數(shù)值表明，當?shù)赝寥赖娜霛B能力相當強。

但是植被的生態(tài)用水是一個復雜的過程，也是一個動態(tài)的過程，既包括樹木體現(xiàn)生命活動的需水量，也包括支撐生命存在的環(huán)境需水量。在生態(tài)脆弱地帶對生態(tài)用水的研究要涉及水文學、地學、生態(tài)學、生物學等各個科學領域，具有很強的綜合性。多年來，額濟納綠洲在生態(tài)建設中用水效率不高的問題一直是亟待解決的問題之一，有水漫灌、無水不灌的方式至今仍在沿用，對水資源的浪費極其嚴重。所以，本研究從靜態(tài)與動態(tài)需水過程提出了胡楊林生態(tài)用水的計算方法及圍繞胡楊林對水因子的健康評價。

2 研究區(qū)概況

額濟納綠洲地處額濟納旗，隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟，位于內(nèi)蒙古的西北端，地理位置為97°24′～101°58′E、37°43′～43°19′N，總面積為11.46萬km2。額濟納綠洲分布有天然胡楊殘次林2.6萬hm2[9]，主要分布在額濟納旗黑河下游三角洲中心的東、西兩河流域及其19條干支流的河漫灘上，南抵鼎新綠洲，北到嘎順淖爾和蘇古淖爾，與沙棗殘林、紅柳灌叢、草甸植被鑲嵌成狹長的走廊式帶，是額濟納旗黑河下游三角洲的核心地帶，占河漫灘草場總面積的15.5%，構(gòu)成了額濟納荒漠綠洲的主體。額濟納荒漠河岸林主要由胡楊(Populuseuphratica)、紅柳(Tamarixramosissima)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、梭梭(Haloxylonammodendron)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)等木本植物和蘆葦(Phragmitescommunis)、大葉白麻(Poacynumhendersonii)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、花花柴(Kareliniacaspia)、疏葉駱駝刺(Alhagisparsifolia)、賴草(Leymussecalinus)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、堿蓬(Suaedaglauca)等草本植物組成[10]。額濟納綠洲氣候干燥，降水量少，年均降水量37 mm左右，蒸發(fā)量大，高達3 841.5 mm；冬季寒冷，夏季炎熱，氣溫年較差、日較差大，光照充足，多風沙[11]。

3 研究方法

在核算生態(tài)用水時，以利用地下水生存的中生植物胡楊、紅柳等綠洲優(yōu)勢種作為植物生態(tài)用水對象，以胡楊林、紅柳林和東居延海湖泊的總需水作為綠洲生態(tài)用水。

3.1 確定生態(tài)用水指標

生態(tài)用水的確定以個體、種群和生態(tài)系統(tǒng)及綠洲來核算。用水量統(tǒng)一用質(zhì)量單位表示。

3.1.1 植物個體生存和生長年生態(tài)用水量

本研究通過對健康生長的胡楊林、胡楊殘林、胡楊死亡林的大氣濕度的對比測定，得出胡楊正常生長的大氣濕度最低約在5%；采用土壤水分檢測儀測出胡楊存活時土壤最低含水率為8%；測得正常生長時根、莖、葉的含水率分別約為其鮮質(zhì)量的50%、50%和60%。

植物個體生存時要求生態(tài)環(huán)境中的水分含量保持相對穩(wěn)定，該需求量定義為植物靜態(tài)生態(tài)用水量，其表現(xiàn)為植物生存最低水分要求狀態(tài)，為植物體含水量、大氣含水量和土壤含水量之和，故植物個體靜態(tài)生態(tài)用水量公式為

植物個體靜態(tài)生態(tài)用水量=(株高×冠幅面積×

5%+根系體積×8%)×水密度+

根質(zhì)量×50%+莖質(zhì)量×50%+

葉質(zhì)量×60%

(1)

植物的生命不能僅表現(xiàn)為存活，還要表現(xiàn)為生理活動下的生長狀態(tài)。生長過程中植物所需要的水分稱為動態(tài)生態(tài)用水量，其由植物蒸散、土壤蒸發(fā)兩部分組成。由于葉子的蒸騰是植物水分主要的運動方式，所以本研究用葉蒸騰量代替整個植株的水分蒸騰量。葉蒸騰量=葉的蒸騰速率×葉面積。一般土壤蒸發(fā)的深度達到0.30m后，地表的蒸發(fā)量將降為零，因此蒸發(fā)周期指0.30m深的土壤所含水量蒸發(fā)所需的時間。采用土壤水分檢測儀測出當?shù)赝寥榔骄繛?0%，其中擁有8%的水分才能夠保證植株的生存，因此可用于蒸發(fā)的水分按42%計算，則土壤每天蒸發(fā)量=0.30×根系面積×42%×水密度÷蒸發(fā)周期。生長周期(從展葉到落葉為一個生長周期)按6個月，每月按30天，每天按12 h(由于夜間蒸騰量小，所以夜間蒸騰不納入本研究)。則植物個體動態(tài)生態(tài)用水量公式為

植物個體動態(tài)生態(tài)用水量=(0.30×根系面積×

42%÷蒸發(fā)周期×水密度+葉蒸騰速率×

葉面積×12)×生長周期

(2)

則植物個體生態(tài)用水量公式為

植物個體生態(tài)用水量=靜態(tài)用水量+動態(tài)用水量=

(株高×冠幅面積×5%+根系體積×8%)×水密度+

根質(zhì)量×50%+莖質(zhì)量×50%+葉質(zhì)量×

60%+(0.30×根系面積×42%÷蒸發(fā)周期×

水密度+葉蒸騰速率×葉面積×12)×

生長周期

(3)

3.1.2 種群生態(tài)用水量

種群生態(tài)用水量為不同齡級所有個體的年用水量，公式為

式中：Wi為某齡級單株生態(tài)用水量;d為某齡級密度;5為齡級數(shù)。

3.1.3 森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水量

森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水量是每種主要樹種種群生態(tài)用水量與其面積的乘積，即

森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水量=
種群生態(tài)用水量×該種群面積

(5)

3.1.4 濕地生態(tài)用水量

濕地生態(tài)用水量=湖面面積×湖平均深

(6)

3.1.5 綠洲生態(tài)用水量

綠洲生態(tài)用水量=胡楊林生態(tài)用水量+
紅柳林生態(tài)用水量+濕地生態(tài)用水量

(7)

3.2 數(shù)據(jù)來源與計算依據(jù)

由于人工胡楊林和沙棗林在2001和2010年的面積占所有森林面積的比例分別為0.18%、0.24%與0.56%、0.06%，所以人工胡楊林和沙棗林不納入額濟納生態(tài)用水范圍。結(jié)合兩期額濟納森林資源調(diào)查報告來看，額濟納由于連續(xù)幾年干旱、少雨，地下水位下降，極少部分喬木因缺少水源而枯死或枯倒，喬木林面積縮減，有林地面積減少。于2012年7月1日、15日和30日在達來呼布鎮(zhèn)、東風鎮(zhèn)、蘇泊淖爾蘇木、賽漢陶來蘇木、馬鬃山蘇木調(diào)查了胡楊林幼、中、近、成、過熟林的面積與蓄積、樹高、樹齡、胸徑、平均郁閉度、平均公頃蓄積量、平均公頃生長量、平均總生長量、生長率。每個地點的胡楊林用30m×30m的樣方、紅柳林用20m×20m的樣方開展調(diào)查，根據(jù)標準木的核算選取標準木，開展標準木葉面積、根系體積、蒸騰系數(shù)和根、莖、葉的含水率調(diào)查，用標準木單株的數(shù)據(jù)乘以林木密度作為樣方的生態(tài)用水量。

根系體積以挖掘法開展，樹高用測高儀測定，冠幅面積用樹冠垂直投影的長與寬的積，葉面積用標準枝的單葉面積之和乘以枝數(shù)，單葉面積用便攜式葉面積儀(AM-300)測定；蒸騰系數(shù)由L-6400光合儀測定，測定時間為6：00—20：00，間隔時間為2h,每隔10天測一次，測一個生長周期；根、莖、葉、土壤的含水率用烘干法測定，根、莖、葉含水量分別取質(zhì)量含水率乘以全株的質(zhì)量，則為其全株的含水量，根、莖、葉分別取3個重復混合后測定質(zhì)量含水率，土壤含水量分別取10、30和50cm深度混合土樣測定其含水率；空氣濕度用手持Kestrel-4500氣象儀測定，測定時間與L-6400光合儀測定時間一致，同時用3臺儀器的測定數(shù)據(jù)作為重復。

4 研究結(jié)果

4.1 生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀

4.1.1 植被生長與水文氣象的關(guān)系

額濟納綠洲生態(tài)環(huán)境的好壞取決于以胡楊林和紅柳林為主的天然植被。這里降水極少，蒸發(fā)劇烈，蒸發(fā)量是降水量的10倍還多，稀少的降水對地下水補給甚微，額濟納盆地周邊的潛水側(cè)向補給對地下水的影響也較為微弱，正義峽斷面至狼心山斷面的地下徑流補給又不能達綠洲區(qū)域，所以綠洲植被生長與生存主要是依靠黑河水補給的地下水，而地下水又取決于黑河徑流的補給，因此徑流間接對植被產(chǎn)生重要的影響。黑河下游來水量不足，地下水位就達不到相應值，植被也就不能恢復到預計的程度。

4.1.2 森林植被資源動態(tài)

對額濟納兩期森林資源的對比(表1)表明，額濟納綠洲有林地面積減少主要是胡楊林面積減少了。河流來水量減少，斷流時間增長，再加上沿河地帶淺層地下水位下降，導致沿河植被大面積衰退和死亡，森林生態(tài)系統(tǒng)嚴重破壞，這進一步說明了胡楊“林隨水生”的特點。胡楊近熟林與成熟林比例增加、幼齡林比例下降(表2)，從生物生理學角度來看，是由于胡楊生長過程中林內(nèi)空間光照不足，與胡楊喜光的特性出現(xiàn)暫時的矛盾，胡楊幼齡林就會表現(xiàn)出明顯的分化現(xiàn)象或自然稀疏過程和林內(nèi)植株自然整枝現(xiàn)象[12]。

4.2 植被生態(tài)用水量

4.2.1 胡楊林生態(tài)用水量

由公式(3)、(4)和(5)可計算出胡楊林生態(tài)用水量，見表3。

表2 胡楊林資源按齡組統(tǒng)計結(jié)果

表3 額濟納胡楊林生態(tài)用水量

2001年胡楊林生態(tài)用水量10億多t，2010年胡楊林生態(tài)用水量9億多t。由于胡楊林面積逐漸縮小，幼齡林面積減少，因此2010年胡楊林生態(tài)用水量減少了1億多t。

4.2.2 紅柳林生態(tài)用水量

紅柳林生態(tài)用水量計算結(jié)果見表4。

對紅柳林的實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，紅柳林衰退的主要原因是其已達到最大壽命，出現(xiàn)平茬，另外地下水位的下降也是其面積減小的原因之一，最終結(jié)果是導致生態(tài)用水量下降。

表4 紅柳林生態(tài)用水量

4.2.3 濕地生態(tài)用水量

按目前東居延海水面面積38.5～40.0km2計算，用水量為4 720萬～5 000萬t。

4.2.4 綠洲生態(tài)用水量

2010年額濟納綠洲生態(tài)用水量=胡楊林生態(tài)用水量+紅柳林生態(tài)用水量+濕地生態(tài)用水量≈9.0+6.5+0.5=16(億t)。

4.3 不同時期黑河上游的分水量與可保護的綠洲植被面積

根據(jù)健康的胡楊林不同齡級的單位面積生態(tài)用水量，在2001和2010年黑河上游的給水量可保證的胡楊林幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林分別為558、1 899、24 686、17 514、467 433和1 116、3 799、49 372、35 028、934 867hm2(表5)。與兩期實際的胡

表5 黑河上游分水條件下可保護胡楊的面積

楊林面積相比，可得出：給水量不足嚴重影響著胡楊的更新，特別是對幼、中齡林影響最大，中齡林面積減少2 930hm2，損失了95%；而對近熟、成熟和過熟林則完全滿足，近熟林增加了78%，成熟林增加了近11倍。

按健康的紅柳林的單位面積生態(tài)用水量考慮，則在2001和2010年的實際分水量都不能滿足紅柳林的生態(tài)用水需求(表6)，所以10年間紅柳林的面積減少了178 914hm2。

表6 黑河上游分水條件下可保護紅柳林的面積

4.4 不同給水量對應的生態(tài)健康狀況

綠洲健康的生態(tài)用水量為16億t，根據(jù)阿拉善盟林業(yè)局提供的資料，得出給水量與地下水埋深的關(guān)系，見表7。

表7 不同給水量與地下水埋深的對應關(guān)系

由表7可知，1999—2010年黑河給水量雖有增加，但均不超過8億t。根據(jù)地下水埋深與胡楊林健康的對應關(guān)系(表8)可知，2000年前胡楊林處于衰退與死亡狀態(tài)，2002年較好，為亞健康狀態(tài)，其他年份都處于成熟林存活狀態(tài)，不能滿足胡楊幼、中、近熟林健康的生態(tài)用水需要，胡楊種群接近于衰退。這一結(jié)果與衛(wèi)星監(jiān)測的胡楊林資源結(jié)果也較為一致。

表8 地下水埋深與胡楊林健康的對應關(guān)系

5 結(jié)論與討論

關(guān)于生態(tài)用水不同學者有不同的計算方法，其中包括生物學、生態(tài)學及水文學中的相關(guān)內(nèi)容[9，12-14]，本研究對額濟納綠洲分布的主要植被胡楊林和紅柳林及主要湖泊東居延海開展了既包括生命體維持存活所需要的靜態(tài)用水，也包括生命生長過程中大氣、土壤和蒸散等的動態(tài)用水的核算，因而是目前生態(tài)用水較為合理的計算方法。由于植被的分布不是均勻格局，因此本次核算生態(tài)用水有一定誤差，但本研究按不同林齡分層進行了計算，盡可能地消除了誤差。根據(jù)盧愛剛等[12]的研究，額濟納綠洲胡楊林面積在2003年為2.94萬hm2，與30年前的5.0萬hm2相比減少了41.2%，胡楊林處于衰退的階段。本次研究結(jié)果顯示，1999—2010年黑河給水量雖有增加，但不超過8億m3，2000年前綠洲處于衰退與死亡狀態(tài)，2002年較好，為亞健康狀態(tài)，其他年份都處于成熟林存活狀態(tài)，接近于衰退。此結(jié)果符合實際情況，說明本次綠洲森林生態(tài)用水的計算是合理的。

黑河是維系額濟納綠洲生命唯一的水源，但近幾年中，黑河用水現(xiàn)狀上、中、下游分別占用水總量的1.2%、93.3%和5.5%[15]。由此可見，造成水源供求之間矛盾的主要原因是中游用水量過多，導致下游生態(tài)用水減少，進而造成綠洲面積減小，大量樹木因缺水而死亡，種群出現(xiàn)衰退。為此，建議有關(guān)部門應合理分配整個綠洲生態(tài)用水資源，控制用水量，合理規(guī)劃用水時間，減少大水漫灌和無效蒸發(fā)等浪費水資源的用水方式，以最大限度地發(fā)揮出綠洲生態(tài)用水的效益；并堅持長期持續(xù)地實施配水方案，控制人口的增長與人為破壞，科學規(guī)劃城鎮(zhèn)化建設及農(nóng)牧活動，以維持綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。