山地生態(tài)水文過程與降水資源調(diào)控研究進(jìn)展

陽輝, 曹建生,* , 張萬軍

山地生態(tài)水文過程與降水資源調(diào)控研究進(jìn)展

陽輝1,2, 曹建生1,2,*, 張萬軍1,2

1. 中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心, 石家莊 050022 2. 中國科學(xué)院農(nóng)業(yè)水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 石家莊 050022

生態(tài)水文學(xué)是一個(gè)可定義和發(fā)展的學(xué)科, 是在不同時(shí)空尺度和一系列環(huán)境條件下探討生態(tài)水文過程。山地的生態(tài)格局和水文過程對(duì)下游景觀有重大的影響。針對(duì)山區(qū)干旱缺水、水生態(tài)退化以及水災(zāi)害等一系列生態(tài)問題, 從林草地水文生態(tài)效應(yīng)角度, 探討山地生態(tài)水文過程的研究進(jìn)展, 山地降水資源調(diào)控技術(shù)措施和山地生態(tài)水文過程與降水資源調(diào)控的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明: 植被生態(tài)需水量的計(jì)算方法包括面積定額法、潛水蒸發(fā)法、植物蒸散發(fā)量法、水量平衡法、生物量法、基于遙感技術(shù)的計(jì)算法等, 各種方面在不同區(qū)域的適用性不同; 生態(tài)水文模型有SWAT模型、SWIN模型、EcoHAT模型等, 不同的模型應(yīng)用領(lǐng)域不一; 降水資源的高效利用措施包括降水資源的就地利用—入滲水利用, 如坡改梯工程、集水造林種草工程以及適時(shí)深耕技術(shù)等; 降水資源的疊加利用—徑流水利用, 如淤地壩工程和坡面集水造林種草工程等; 以及降水資源的間接利用—蒸發(fā)水利用三個(gè)方面, 如黑色覆蓋技術(shù)、礫石覆蓋技術(shù)和土壤覆蓋技術(shù)等。以河北太行山區(qū)為例, 分析得出造林坡地的徑流系數(shù)明顯低于裸巖坡地。山地水旱災(zāi)害形成機(jī)制與水資源調(diào)控利用技術(shù)的研究、坡地與流域的降雨徑流關(guān)系研究等方面應(yīng)是未來山地生態(tài)水文過程的研究重點(diǎn)。

山地; 生態(tài)水文過程; 生態(tài)水文模型; 生態(tài)需水量; 降水資源

0 前言

山地生態(tài)系統(tǒng)是全球生態(tài)系統(tǒng)變化最敏感的區(qū)域, 山地面積占全球的1/6[1]。山地生態(tài)系統(tǒng)不僅在水文水功能調(diào)節(jié)方面扮演著重要的角色, 為人類生存提供飲用水、農(nóng)業(yè)用水、食物制備用水、水電等, 全球近50%的人口需依賴山地水生存[2]。而且是地球上絕大部分動(dòng)植物種類的生息場(chǎng)所并具有豐富多樣的生態(tài)系統(tǒng)[1]。因?qū)W科分工的不同, 傳統(tǒng)水文學(xué)、大氣科學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)難以解決全球變化和人類活動(dòng)影響下出現(xiàn)的水污染、水資源短缺、水生態(tài)退化與水管理缺位等日益嚴(yán)峻的水問題。在這種背景下, Dublin在1992年的世界水與環(huán)境會(huì)議上正式提出了生態(tài)水文學(xué)(Ecohydology)這一概念[3], 主要是指植物-水分相互作用[4], 尤其指半干旱、干旱和牧草地環(huán)境中植物-水分的相互作用[5]。生態(tài)水文學(xué)不僅是生態(tài)學(xué)和水文學(xué)兩個(gè)學(xué)科的拼湊, 更是一個(gè)可定義和發(fā)展的學(xué)科[3]。早期研究中, 往往關(guān)注水文過程或生態(tài)過程單一的研究, 而忽略了多種過程耦合作用機(jī)理, 在全球環(huán)境變化的背景下, 水文過程-生態(tài)過程的耦合研究顯得尤為重要[6]。山地往往是產(chǎn)匯流的源頭, 其生態(tài)格局和水文過程對(duì)下游景觀有重大的影響。因此, 《21世紀(jì)議程》認(rèn)為山地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)非常重要, 對(duì)山地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)水文過程的研究將有助于水土保持、生境恢復(fù)和生物多樣性的保持[7]。同時(shí), 山地的許多相關(guān)特征, 如地形、規(guī)模大小等, 可以作為環(huán)境變化和生態(tài)退化的指示, 通過長(zhǎng)時(shí)間的生態(tài)水文過程和全球變化冰雪指示調(diào)查, 構(gòu)建不同山地生態(tài)系統(tǒng)和河流盆地間的相互關(guān)系的區(qū)域模型, 對(duì)監(jiān)測(cè)全球變化有重要的意義[8–9]。

此外, 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 我國出現(xiàn)了水災(zāi)害和水生態(tài)退化等一系列日益嚴(yán)峻的生態(tài)問題。以京津冀地區(qū)為例, 該區(qū)長(zhǎng)期高強(qiáng)度的城市開發(fā)利用引起了水資源缺乏、生態(tài)惡化、水污染、河道斷流、地下水漏斗區(qū)域化等問題[10]。目前, 在京津冀協(xié)同發(fā)展的大前提下, 為適應(yīng)雄安新區(qū)以及2022年北京-張家口冬奧會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境的要求, 國家提出構(gòu)建生態(tài)環(huán)境支撐區(qū)和水源涵養(yǎng)區(qū)。因此, 生態(tài)水文學(xué)作為一門探索和揭示形成生態(tài)格局和過程的水文學(xué)機(jī)制的新興學(xué)科, 是解決水與生態(tài)問題, 滿足我國生態(tài)建設(shè)需求必不可少的[11]。

1 山地生態(tài)水文過程研究進(jìn)展

就當(dāng)前學(xué)科發(fā)展體系來看, 生態(tài)水文學(xué)研究的問題主要包括: 河湖生態(tài)水文、植被生態(tài)水文、濕地生態(tài)水文等多個(gè)方面[11]。山地生態(tài)系統(tǒng)具有垂直的差異性, 其生態(tài)水文過程也因植被覆蓋的差異而變得復(fù)雜。山地生態(tài)水文過程模擬主要是對(duì)林草地水文生態(tài)效應(yīng)的模擬, 包括森林水文效應(yīng)和草地水文效應(yīng)。因此, 山地生態(tài)水文過程的模擬關(guān)鍵是要明確不同海拔的植被對(duì)水文過程的響應(yīng), 需分層區(qū)別, 同時(shí)植被覆蓋程度不同對(duì)土壤與水的相互聯(lián)系產(chǎn)生直接的影響。所以, 植被在區(qū)域水生態(tài)平衡健康發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用[12]。

1.1 植被生態(tài)需水量研究進(jìn)展

生態(tài)需水維系著流域的生態(tài)安全、水安全, 是生態(tài)水文學(xué)在水資源/水環(huán)境研究中應(yīng)用的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。生態(tài)需水量是指植被在適宜水分條件下達(dá)到生產(chǎn)潛力時(shí)所需要的最大水資源消耗量。目前區(qū)域尺度上生態(tài)需水的整體性研究方法大多是基于流域蒸散發(fā)特征以及水量平衡而進(jìn)行估算[13]。以干旱半干旱區(qū)為例, 專家學(xué)者們根據(jù)當(dāng)?shù)刂脖活愋图皻庀?、土壤、水文地質(zhì)、生態(tài)等環(huán)境條件的差異, 提出了多種植被生態(tài)需水量的計(jì)算方法, 包括面積定額法、潛水蒸發(fā)法、植物蒸散發(fā)量法、水量平衡法、生物量法、基于遙感技術(shù)的計(jì)算法等[14–19]。就我國而言, 眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn), 不同區(qū)域所得結(jié)論各不相同。王禮先[20]估算出黃河流域喬木林生態(tài)用水量為17億 m3左右, 草地生態(tài)用水量為1億m3左右, 西北地區(qū)植被建設(shè)生態(tài)用水總量為200億 m3左右。王芳等[21]研究認(rèn)為西北地區(qū)地帶性荒漠草原與典型草原植被生長(zhǎng)需水為每年200—400 mm; 地帶性森林草原和森林植被生態(tài)需水在400—550 mm之間。何永濤等[22]根據(jù)最新遙感圖像資料, 依據(jù)GIS估算出黃土高原地區(qū)林地生長(zhǎng)季的最小生態(tài)需水量為2.62×1010m3, 適宜生態(tài)需水量為4.21×1010m3。

1.2 生態(tài)水文模型研究進(jìn)展

目前, 生態(tài)水文學(xué)研究主要是根據(jù)研究目的和研究環(huán)節(jié)的需要, 綜合運(yùn)用生態(tài)學(xué)和水文學(xué)領(lǐng)域的研究方法; 為探尋生態(tài)學(xué)和水文學(xué)的耦合機(jī)制, 統(tǒng)計(jì)學(xué)和確定性模型的分析方法在當(dāng)前研究得到了廣泛應(yīng)用[23]。其中, 最具代表性的生態(tài)水文模型為美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究局(ARS)開發(fā)的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)流域尺度模型, 主要用于模擬預(yù)測(cè)在大流域復(fù)雜多變的土壤類型和土地利用方式下, 土地管理對(duì)水文、泥沙和化學(xué)物質(zhì)的長(zhǎng)期影響[24]。德國的波斯坦氣候影響研究所開發(fā)的SWIM(Soil andWater Integrated Model)模型用于模擬和預(yù)測(cè)全球氣候變化和土地利用方式改變下流域的水循環(huán)、植被生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)與污染物質(zhì)遷移、泥沙運(yùn)動(dòng)等生態(tài)水文過程[25]。我國中科院地理所研發(fā)出的區(qū)域尺度的分布式生態(tài)水文模擬系統(tǒng)EcoHAT, 利用遙感數(shù)據(jù)源, 耦合具有物理化學(xué)機(jī)制下生態(tài)水文過程模型, 模擬土壤-植被-大氣連續(xù)體(SPAC)水分運(yùn)行過程中水分和營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)、植被生長(zhǎng)間的相互影響[26]。此外, 還有MIKE-SHE 模型、DELFT 模型、SPLASH 模型等[27]在實(shí)際工作中得到廣泛應(yīng)用。

2 山地降水資源調(diào)控研究進(jìn)展

從理論上講, 入滲、徑流、蒸發(fā)是天然降水在地表完成二次轉(zhuǎn)化的3種基本方式, 也是實(shí)現(xiàn)陸地水循環(huán)的基本途徑。但由于地貌形態(tài)、下墊面類型、氣溫氣壓等自然環(huán)境因子和人類活動(dòng)方式與頻率、資源利用方式與強(qiáng)度等人為因子時(shí)空差異性的存在, 使得天然降水的轉(zhuǎn)化方式和數(shù)量分布類型組合在地域上差異較大。降水資源調(diào)控是治理水土流失和實(shí)現(xiàn)降水資源化、利用高效化的根本方法和發(fā)展方向。所謂調(diào)控就是依據(jù)天然降水資源化過程規(guī)律, 將天然降水的轉(zhuǎn)化方式由自然無控向人為可控方向轉(zhuǎn)變, 以期達(dá)到治理水土流失與解決干旱缺水雙贏的目的[28]。

對(duì)于山地降雨資源的調(diào)控, 體現(xiàn)在對(duì)降水資源的高效利用, 其利用措施主要包括以下三個(gè)方面, 一是在入滲水利用方面, 土壤入滲過程和滲透性決定對(duì)降水再分配的過程[29], 土壤的容重或緊實(shí)度對(duì)降雨向土壤水分轉(zhuǎn)化有顯著影響, 土壤翻耕會(huì)顯著降低坡地水分的轉(zhuǎn)化率[30]。同時(shí), 作為重要的下墊面因子, 地表粗糙度具有促進(jìn)降水入滲的作用[31]。利用入滲水屬于降水資源的就地利用, 利用水分的重力效應(yīng)和土壤的水庫效應(yīng), 改變微地形和改進(jìn)耕作措施等。該種方式能夠?qū)崿F(xiàn)降雨就地?cái)r蓄入滲, 減少徑流流失, 提高土壤的貯水量, 進(jìn)而延長(zhǎng)土壤水分的有效供應(yīng)時(shí)間[32]。修筑水平梯田、水平溝、豐產(chǎn)溝、反坡梯田等水保工程技術(shù), 改變?cè)匦巍⒋竺娣e平田整地和集水造林種草等可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化降水入滲; 退耕還林還草、增加坡面植被覆蓋率可增加坡面降雨入滲[33], 進(jìn)一步提高降水入滲利用率和植物對(duì)降水資源的利用效率。例如, 在黃土高原地區(qū)大面積、大規(guī)模實(shí)施的坡改梯工程、集水造林種草工程以及適時(shí)深耕技術(shù)等措施改善地表土壤入滲能力[28]。

二是在徑流水利用方面, 這種方式屬于降水資源的疊加利用, 包括集水區(qū)和用水區(qū)兩部分, 利用自然和人工創(chuàng)造的集流面進(jìn)行降水資源的再疊加[33]。通過建設(shè)壩、塘、池、窖等工程攔蓄措施, 減少集流區(qū)水分的無效消耗, 提高降水徑流利用率和利用效率。隔坡梯田和淤地壩即為典型實(shí)例, 其中隔坡梯田田面就地蓄集雨水供作物利用, 梯田上部的雨水又匯集到田面之上, 還可供作物利用。國外的田間微集水系統(tǒng)和國內(nèi)的徑流林業(yè)都是如此。例如, 采用在家庭院落鋪設(shè)混凝土集流面的方法, 解決當(dāng)?shù)厝诵箫嬎畤?yán)重困難的問題。又如, 黃土高原地區(qū)淤地壩工程和坡面集水造林種草工程等建設(shè)項(xiàng)目的大規(guī)模實(shí)施, 對(duì)大幅度提高地表徑流(特別是汛期雨洪徑流)利用率收效顯著[28]。

三是在蒸發(fā)水利用方面, 主要通過地膜覆蓋、調(diào)整農(nóng)作物布局等措施, 降低入滲降水無效蒸發(fā)損失率, 延長(zhǎng)水分在土壤水庫中的集蓄時(shí)間, 提高土壤水利用率和利用效率。在干旱半干旱區(qū), 無效蒸發(fā)十分劇烈。據(jù)測(cè)定, 年降雨總量中60%—165%為無效蒸發(fā)[34]。地膜覆蓋方式分為六種類型, 包括黑色覆蓋技術(shù)(秸稈、干草、枯草、廄肥), 白色覆蓋技術(shù)(塑料薄膜), 綠色覆蓋技術(shù)(生物覆蓋), 化學(xué)覆蓋技術(shù)(膠乳、石蠟、瀝青、石油), 礫石覆蓋技術(shù)(卵石、礫石、砂)和土壤覆蓋技術(shù)[35]。這種對(duì)降水資源的間接利用, 對(duì)于增加作用產(chǎn)量效果較為顯著。例如, 在甘肅中東部黃土高原地區(qū)廣泛實(shí)施的全覆蓋地膜玉米種植技術(shù)比非覆蓋玉米增產(chǎn)30%—40%[28]。

3 山地生態(tài)水文過程與降水

從水分行為的角度來說, 生態(tài)水文過程可以分為生態(tài)水文物理過程、化學(xué)過程及其生態(tài)效應(yīng)三部分來進(jìn)行研究。生態(tài)水文物理過程包括植被覆蓋和土地利用對(duì)降水、徑流、蒸發(fā)等水分要素的影響, 生態(tài)水文化學(xué)過程即水質(zhì)性研究, 而水分生態(tài)效應(yīng)主要指水分行為對(duì)植被生長(zhǎng)和分布的影響[36]。

就生態(tài)水文物理過程而言, 降雨作為土壤水的主要來源, 植被影響著降雨在土壤的入滲的過程。山地生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)由林地、草地等多層次植被組成的生態(tài)系統(tǒng), 林地對(duì)于降雨過程有著不可忽視的影響。短期內(nèi), 造林對(duì)坡地水文的影響, 表現(xiàn)在造林過程中平整土地對(duì)坡地水文的影響, 主要是對(duì)降雨、徑流、入滲等方面的影響, 比如通過整地, 增加入滲、減少地表徑流, 同時(shí)蓄水能力也有所提升, 有利于水土保持。長(zhǎng)期內(nèi), 造林對(duì)坡地水文的影響表現(xiàn)在植被對(duì)其的影響, 集中體現(xiàn)在3個(gè)方面。第一, 根系對(duì)巖土的結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、水理特性的影響; 第二, 葉片蒸騰耗水對(duì)水文的影響; 第三, 植被對(duì)降雨的攔截, 消減雨滴對(duì)坡面的直接打擊, 減緩降雨到達(dá)坡面的過程。

以河北太行山區(qū)為例, 在西柏坡試驗(yàn)基地研究人工模擬降雨徑流關(guān)系, 通過人工模擬降雨, 利用活動(dòng)式坡面徑流小區(qū), 進(jìn)行了裸巖、魚鱗坑擴(kuò)蓄增容造林坡地、營(yíng)養(yǎng)缽鑲嵌造林坡地(圖1), 分析得出不同植被及不同造林方式對(duì)降雨徑流關(guān)系的影響。

初步試驗(yàn)結(jié)果顯示, 在人工模擬降雨強(qiáng)度為0.84 mm·min-1的情況下, 裸巖坡地地表產(chǎn)流的初損歷時(shí)為2 min左右, 初損量為1.7 mm; 造林坡地地表產(chǎn)流的初損歷時(shí)為45 min, 初損量為37.9 mm。在人工模擬降雨強(qiáng)度為0.84 mm·min-1、降雨歷時(shí)27 min的情況下, 裸巖坡地的徑流系數(shù)為31%; 在人工模擬降雨強(qiáng)度為0.84 mm·min-1、降雨歷時(shí)95 min的情況下, 造林坡地的徑流系數(shù)為6.5%。該數(shù)據(jù)結(jié)果顯示, 坡地造林能明顯減少降雨徑流的產(chǎn)生。

4 展望

山地系統(tǒng)對(duì)于水資源至關(guān)重要, 其水文過程受到山區(qū)具體特點(diǎn)的強(qiáng)烈影響, 包括氣溫、降雨、土壤、植被以及地形因素[12]。生態(tài)水文過程實(shí)質(zhì)是生態(tài)過程和水文過程相互作用的過程[37]。對(duì)于山地降水資源的調(diào)控研究是山地生態(tài)水文過程研究的一個(gè)方面。面對(duì)資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴(yán)峻形勢(shì), 在對(duì)生態(tài)環(huán)境開發(fā)利用的同時(shí), 應(yīng)該把“水資源-經(jīng)濟(jì)社會(huì)-生態(tài)環(huán)境”作為一個(gè)整體來看待, 使三者互相協(xié)調(diào), 通過水資源的綜合調(diào)控, 從而實(shí)現(xiàn)三者綜合效益最大化, 既滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的要求, 又不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成危害。隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步, 山地生態(tài)系統(tǒng)面臨著新的問題, 比如礦業(yè)跡地的生態(tài)修復(fù)問題、經(jīng)濟(jì)林開發(fā)(退耕還林)的生態(tài)化問題、生態(tài)旅游開發(fā)的環(huán)境保護(hù)問題等, 同時(shí), 生態(tài)文明建設(shè)也提出了新的要求。針對(duì)山地生態(tài)水文過程與降水資源調(diào)控方面的研究, 應(yīng)重點(diǎn)開展山地水旱災(zāi)害形成機(jī)制與水資源調(diào)控利用技術(shù)的研究, 開展山地生態(tài)系統(tǒng)坡地與流域的降雨徑流關(guān)系研究, 明確森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水的時(shí)空分配、傳輸轉(zhuǎn)換以及水文循環(huán)的影響機(jī)制, 以及森林生態(tài)系統(tǒng)變化對(duì)坡面與流域尺度徑流形成影響的機(jī)理[38]。

圖1 造林坡地人工模擬降雨徑流關(guān)系(左)和裸巖坡地人工模擬降雨徑流關(guān)系(右)

Figure 1 Relationship between artificial simulated rainfall and runoff on afforested slope land (left) and artificial simulated rainfall and runoff on bare rock slope land (right)

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Advances in ecohydrological process and regulation of precipitation resources research in mountain areas

YANG Hui1, CAO Jiansheng1, *, ZHANG Wanjun1

1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China 2. Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences,Shijiazhuang 050022, China

Ecohydrology is a subject that can be defined and developed. It is to discuss the ecohydrological process on different spatial and temporal scales and a series of environmental conditions. The ecological pattern and hydrological process of mountain area have great influence on the downstream landscape. Aiming at the problems of drought and water shortage in mountainous area and serious degradation of ecosystem, we discuss the research progress of mountain ecohydrological process from the perspective of hydrological and ecological effects in forest and grassland, as well as the technical measures of mountain precipitation resources regulation and the correlation between mountain ecological and hydrological process and precipitation resources regulation. The results show that the calculation methods of vegetation ecological water demand include area quota method, diving evaporation method, plant evapotranspiration method, water balance method, biomass method, calculation method based on remote sensing technology and so on. Ecohydrological models include SWAT model, SWIN model, EcoHAT model and so on. Different models have different application fields. The efficient utilization measures of precipitation resources include the local utilization of precipitation resources - infiltration utilization, such as slope transformation project, water collection afforestation and grass planting project and timely deep tillage technology; superposition utilization of precipitation resources - runoff water utilization, such as dam project and slope water collection afforestation and grass planting project; the indirect utilization of precipitation resources - evaporation water utilization, such as black mulching technology, gravel mulching technology and soil mulching technology. Taking Taihangshan mountain area of Hebei province as an example, the runoff coefficient of afforestation slope is obviously lower than that of bare rock slope. The study on the formation mechanism of flood and drought disaster in mountain areas and the technology of water resources regulation and utilization and the relationship between slope land and rainfall and runoff in the river basin should be the key of the future study on mountain ecological and hydrological processes.

mountain; ecohydrological process; ecohydrological model; ecological water requirement; precipitation resources

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.025

P64

A

1008-8873(2019)06-173-05

2019-01-07;

2019-09-18

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFC0406501-02); 國家自然科學(xué)面上基金項(xiàng)目(41877170)

陽輝(1988—), 女, 湖南常寧人, 博士, 助理研究員, 主要從事水文水資源研究, E-mail: yanghui@sjziam.ac.cn

曹建生, 男, 博士, 研究員, 主要從事山區(qū)水循環(huán)和水資源利用、生態(tài)水文方面的研究, E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

陽輝, 曹建生, 張萬軍. 山地生態(tài)水文過程與降水資源調(diào)控研究進(jìn)展[J]. 生態(tài)科學(xué), 2019, 38(6): 173-177.

YANG Hui, CAO Jiansheng, ZHANG Wanjun. Advances in ecohydrological process and regulation of precipitation resources research in mountain areas[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 173-177.