疏勒河中下游地區(qū)植被生態(tài)需水量時(shí)空變化研究

李曼 王妞妞 劉煥才

摘 要：在氣候變化和水資源短缺的背景下，研究疏勒河中下游地區(qū)植被生態(tài)需水量變化，對(duì)流域水資源調(diào)配、生態(tài)系統(tǒng)平衡及疏勒河綠洲可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。采用面積定額法和潛水蒸發(fā)法，計(jì)算并分析了1980—2018年疏勒河中下游地區(qū)植被生長(zhǎng)期（4—10月）生態(tài)需水量及時(shí)空變化趨勢(shì)，結(jié)果表明：研究區(qū)草地多年平均生態(tài)需水量（6.4億m3）高于林地的（0.5億m3）;年際上，植被生態(tài)需水總量上升，變化率為0.04億m3/10 a，其中，草地生態(tài)需水量總體增加（變化率為0.07億m3/10 a），林地生態(tài)需水量總體減少（變化率為0.04億m3/10 a）;生長(zhǎng)期內(nèi)，4—7月植被需水量占總需水量的63%，7月植被需水量達(dá)到最大值1.38億m3，7—10月需水量逐漸下降;空間上，中游地區(qū)需水總量略高于下游地區(qū)的，其中林地生態(tài)需水量大于下游地區(qū)的，草地生態(tài)需水量與下游地區(qū)的基本持平。

關(guān)鍵詞：氣候變化;生態(tài)需水;時(shí)空變化;疏勒河流域

中圖分類號(hào)：TV213?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.018

引用格式：李曼，王妞妞，劉煥才.疏勒河中下游地區(qū)植被生態(tài)需水量時(shí)空變化研究[J].人民黃河，2021，43（11）：97-102.

Study on Temporal-Spatial Variation of Vegetation Ecological Water Demand in the

Middle and Lower Reaches of Shule River

LI Man ?WANG Niuniu1， LIU Huancai1，3

（1.School of Geographical Sciences， Shanxi Normal University， Linfen 041000， China; 2.Northwest

Institute of Ecological Environment and Resources， Chinese Academy of Sciences， Lanzhou 730000， China;

3.School of Geography and Tourism， Shaanxi Normal University， Xian 710062， China）

Abstract： Under the background of climate change and water shortage， the study on the change of vegetation ecological water demand in the middle and lower reaches of Shule Riverbasin is of great significance for water resources allocation， ecosystem balance and sustainable development of Shule River oasis. In this paper， the area quota method and the phreatic evaporation method were adopted to calculate and analyze the temporal and spatial variation trend during the vegetation growth period （April-October） in the middle and lower reaches of Shule River basin from 1980 to 2018. The results show that the average annual ecological water demand of grassland （640 million m3） is higher than that of woodland （50 million m3） in the study area. On the annual， the total ecological water demand of vegetation fluctuated and increased with the change rate of 4 million m3/10 a， among which， the ecological water demand of grassland is increased （7 million m3/10 a） and the ecological water demand of forest is decreased （4 million m3/10 a）. During the growing period， the vegetation water demand accounts for 63% of the total amount from April to July， reaches to the maximum value of 138 million m3 in July and gradually decreases from July to October. Spatially， the total water demand in the middle reaches is slightly higher than that of in the lower reaches， among which the ecological water demand of forest land is greater than that in the lower reaches and the water demand of grassland is basically the same as that in the lower reaches.

Key words：? climate change; ecological water demand; temporal and spatial variation; Shule River Basin

水是生命之源、生態(tài)之基，關(guān)系著干旱區(qū)綠洲興衰和植被演替，制約著區(qū)域環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。國(guó)外生態(tài)需水量研究始于20世紀(jì)40年代的河道枯水流量計(jì)算，80年代初形成了生態(tài)需水量分配研究的雛形，90年代進(jìn)入流域綜合管理階段，研究對(duì)象從河道內(nèi)擴(kuò)展到河道外生態(tài)系統(tǒng)[2-3]。1970年我國(guó)開(kāi)展了關(guān)于河流最小流量的研究，生態(tài)需水量問(wèn)題引起人們關(guān)注。目前，生態(tài)需水量計(jì)算方法中，潛水蒸發(fā)法和面積定額法最為常見(jiàn)，其中：潛水蒸發(fā)法側(cè)重于植物蒸騰與潛水位的關(guān)系研究，適用于依賴地下水生存的天然植被需水量計(jì)算;面積定額法綜合了大氣環(huán)境、植被生態(tài)特性及其生長(zhǎng)狀況、土壤水分條件等因素對(duì)植被蒸散量的影響，適用于植被生長(zhǎng)基礎(chǔ)條件較好、植被類型多樣的人工綠洲區(qū)[4]。葉朝霞等[5]基于塔里木河流域生態(tài)水文過(guò)程，利用群克公式和阿維里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算并分析了植被的生態(tài)需水量;孫棟元等[6-8]分析了地下水、土壤水與植被的關(guān)系，采用潛水蒸發(fā)法計(jì)算了植被的生態(tài)需水量;閔慶文等[9-11]揭示了氣候因子、土壤水分含量、植被種類差異等因素對(duì)植被蒸散量的影響，利用面積定額法計(jì)算了林地最小和適宜生態(tài)需水量;楊媛媛等[12]采用Penman-Monteith公式計(jì)算分析了植被的生態(tài)需水量，揭示了氣象要素和植被面積對(duì)生態(tài)需水量的影響。

疏勒河流域位于我國(guó)西北干旱區(qū)，這里“有水則綠洲、無(wú)水則荒漠”，是對(duì)全球氣候變化最敏感的區(qū)域之一[13]。該流域植被由天然植被和人工植被組成。本文嘗試?yán)脻撍舭l(fā)法、面積定額法的均值來(lái)估算生態(tài)需水量，以提高計(jì)算精度，并針對(duì)植被生態(tài)需水量的時(shí)空變化進(jìn)行分析，探尋影響生態(tài)需水量變化的主要因素，以期為流域水資源管理、優(yōu)化配置以及保護(hù)、恢復(fù)生態(tài)環(huán)境提供參考。

1 研究區(qū)概況

疏勒河是河西走廊三大內(nèi)陸河之一、國(guó)家7個(gè)水權(quán)試點(diǎn)流域之一，也是我國(guó)“一帶一路”建設(shè)的重要節(jié)點(diǎn)區(qū)域、絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的核心區(qū)[14-15]。疏勒河流域中下游地區(qū)東至甘肅省玉門市花海鄉(xiāng)，西達(dá)甘肅省瓜州縣西湖鄉(xiāng)，是東西長(zhǎng)300 km的狹長(zhǎng)地帶（見(jiàn)圖1），包括位于疏勒河中游的玉門市、下游的瓜州縣。玉門市（海拔1 526 m）有祁連山地、走廊平原和馬鬃山地3種地貌形態(tài)，分布著綠洲、戈壁、山地和荒地;瓜州縣（海拔1 170 m）地貌形態(tài)主要為走廊沖洪積平原、山區(qū)、戈壁。研究區(qū)沖積扇及綠洲過(guò)渡地帶分布著低覆蓋植被;走廊綠洲區(qū)主要是人工植被;綠洲邊緣地帶是高覆蓋植被，主要有喬木、灌木、防護(hù)林等[8]。這里干旱少雨，年均降水量不足50 mm，年均蒸發(fā)能力達(dá)1 860 mm，極端干旱的氣候使得各植被類型主要依賴地下水生存。隨著中游城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，地表水被大量引用，人類活動(dòng)導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)用水嚴(yán)重不足，造成土壤鹽堿化、土地沙化等嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

2 研究方法

研究所采用氣象數(shù)據(jù)源自玉門市氣象局和瓜州縣氣象局，包括1980—2018年的日最高氣溫、最低氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、日降水量、蒸發(fā)皿蒸發(fā)數(shù)據(jù)等。植被面積數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn），借助ArcGIS10.4裁剪出疏勒河中下游地區(qū)1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年6期Landsat TM影像數(shù)據(jù)和2015年、2018年2期Landsat 8影像數(shù)據(jù)，并提取包括2個(gè)一級(jí)分類、7個(gè)二級(jí)分類的植被面積數(shù)據(jù)。選取影像的成像時(shí)間均為4—10月，該時(shí)間段地物信息最為豐富，光譜信息比較明顯，且云量均低于5%，影像質(zhì)量較高。

2.1 面積定額法

植被生態(tài)需水量計(jì)算公式：

Wv=∑ni=1Ai·ETc（1）

ETc=Ks·Kc·ETo（2）

式中：Wv為生態(tài)需水總量，m3;Ai為i類植被的面積，m2;ETc為生態(tài)需水量定額，m3/hm2;Ks為土壤水分修正系數(shù);Kc為植被系數(shù)，由植被類型及生長(zhǎng)狀況確定;ETo為植被潛在蒸散量，mm。

（1）植被系數(shù)Kc。結(jié)合研究區(qū)植被類型及生長(zhǎng)狀況，并參考相關(guān)研究成果[16-20]，擬定典型植被的植被系數(shù)Kc，見(jiàn)表1。

（2）土壤水分修正系數(shù)Ks。土壤水分修正系數(shù)與土壤質(zhì)地和土壤含水量有關(guān)，本文參考文獻(xiàn)[17]，并利用Jensen公式計(jì)算得出酒泉市土壤水分修正系數(shù)Ks，見(jiàn)表1。當(dāng)Sw≤S≤S*時(shí)，修正系數(shù)為

Ks=ln[（S-Sw）/（S*-Sw）·100+1]ln 101（3）

式中：S為土壤實(shí)際含水量，g/kg;S*為土壤臨界含水量，g/kg，其值為田間持水量的70%～80%;Sw為土壤凋萎含水量，g/kg。

（3）植被潛在蒸散量ETo。植被蒸散量受氣候和土壤水分影響，采用熱量平衡方程和空氣動(dòng)力學(xué)方程相結(jié)合的半經(jīng)驗(yàn)蒸散量計(jì)算公式（Penman-Monteith公式）計(jì)算植被潛在蒸散量[21]。

ETo=0.408Δ（Rn-G）+γ900Tmean+273U2（VPs-VP）Δ+γ（1+0.34U2）（4）

式中：Rn為達(dá)到作物冠層的凈輻射，MJ/（m2·d）;G為土壤熱通量，MJ/（m2·d）;Tmean為距地面2 m處的日平均氣溫，℃;U2為距地面2 m處風(fēng)速，m/s;VPs為飽和水汽壓，kPa;VP為實(shí)際水汽壓，kPa;Δ為水汽壓曲線斜率，kPa/℃;γ為干濕表常數(shù)，kPa/℃。

2.2 潛水蒸發(fā)法

植物蒸騰與潛水位關(guān)系密切，采用基于阿維里揚(yáng)諾夫公式（潛水蒸發(fā)模型），計(jì)算不同類型植被潛水蒸發(fā)量：

Wv=∑12j=1∑ni=1Ai·ETij·K（5）

ETij=a（1-Hi/Hmax）b·（E20）ij（6）

式中：K為植被系數(shù)，根據(jù)地下水埋深確定;ETij為i類植被j月的潛水蒸發(fā)量，mm;a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和指數(shù);Hi為i類植被的地下水埋深，m;Hmax為潛水極限埋深（停止蒸發(fā)時(shí)的地下水埋深），荒漠區(qū)以4.5 m為極限，有植被覆蓋區(qū)域以5.0 m為極限;E20為20 cm小型蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量，mm，1980—2018年疏勒河中下游地區(qū)4—10月蒸發(fā)皿蒸發(fā)量見(jiàn)表2。

（1）植被系數(shù)K。參考河西走廊玉門市和瓜州縣南橋的試驗(yàn)資料、河西走廊黑河及石羊河流域試驗(yàn)成果，利用式（7）計(jì)算資料中缺失的K值[22-23]，得出研究區(qū)典型植被潛水埋深Hi為1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、3.50、4.00時(shí)，對(duì)應(yīng)的植被系數(shù)K分別為1.98、1.63、1.56、1.45、1.38、1.29、1.00。

K=1 353.5exp[-（Hi+16.596.79）2]+

1.07exp[-（Hi-3.131.92）2]（7）

（2）其他參數(shù)。參考玉門、張掖等地試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)研究成果[8]確定相關(guān)參數(shù)，見(jiàn)表3。其中，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、指數(shù)b值與植被覆蓋、土質(zhì)有關(guān)，本文取a為0.62、b為2.8。

3 結(jié)果與分析

3.1 結(jié)果驗(yàn)證

在疏勒河流域中下游地區(qū)，通過(guò)影像解譯無(wú)法明確區(qū)分天然林草地與人工林草地，但通過(guò)實(shí)地調(diào)查及參考1980—2018年《玉門市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《瓜州縣統(tǒng)計(jì)年鑒》發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)，人工林草地規(guī)模呈明顯增大態(tài)勢(shì)，以2016年為例，疏勒河中下游地區(qū)新增人工林地面積8 530 hm2。利用計(jì)算天然植被需水量的潛水蒸發(fā)法和計(jì)算人工植被需水量的面積定額法的平均值計(jì)算研究區(qū)生態(tài)需水量，結(jié)果見(jiàn)表4。研究發(fā)現(xiàn)，面積定額法計(jì)算結(jié)果（6.715億m3）整體小于潛水蒸發(fā)法的（7.180億m3）。在研究范圍和內(nèi)容一致的情況下，將潛水蒸發(fā)法計(jì)算結(jié)果7.180億m3與文獻(xiàn)[6]計(jì)算結(jié)果對(duì)比，相對(duì)差值為17.8%。為避免單一計(jì)算方法的不確定性，取兩種算法的平均值6.947 0億m3與文獻(xiàn)[6]計(jì)算結(jié)果對(duì)比，差值較小，結(jié)果更加合理。

3.2 生態(tài)需水量時(shí)間變化分析

（1）年際變化。1980—2018年研究區(qū)植被生態(tài)需水量、生態(tài)需水定額的年際變化見(jiàn)圖2。1980—2018年植被需水總量變化率為0.04億m3/（10 a），1980—1995年需水量呈下降趨勢(shì)。植被需水定額與降水量變化趨勢(shì)相一致且滯后于降水量，受面積變化影響，植被需水量最終與面積變化趨勢(shì)相一致。另外，研究區(qū)草地多年平均生態(tài)需水量（6.4億m3）高于林地的（0.5億m3）。

林地需水量整體呈下降趨勢(shì)，1995年后先波動(dòng)上升后下降，變化率為0.03億m3/（10 a）。灌木林地需水量年際變化幅度最小，變異系數(shù)CV值僅為0.02，其面積變化不明顯是導(dǎo)致需水量變化幅度小的直接原因;2015—2018年有林地、疏林地和其他林地需水量下降顯著但程度不同，歸因于農(nóng)戶違法占用林地后林地面積減少及氣候變化下林地植被成活率下降。遙感影像中2018年有林地面積為0，使得需水量驟減，CV值為0.4，生態(tài)需水量年際變化幅度最大。

草地需水量變化率為0.07億m3/10 a，1995—2018年草地需水量增長(zhǎng)率達(dá)0.2億m3/10 a，歸因于1990年后降水量顯著增加，草地需水定額顯著上升，其趨勢(shì)與孫棟元等[6，8，15]的研究結(jié)果一致。2015—2018年因草地面積增加顯著，故高覆蓋草地需水量增長(zhǎng)率達(dá)0.7億m3/（10 a）;1980—2000年降水減少導(dǎo)致土壤含水量減少，土壤水分修正系數(shù)變小，中覆蓋草地、低覆蓋草地需水量下降明顯。氣候條件、土壤含水量及植被種類不同直接影響植被蒸散量，最終導(dǎo)致不同植被生態(tài)需水量存在顯著差異[24]。

（2）生長(zhǎng)期變化。研究區(qū)植被生長(zhǎng)期集中在4—10月，1980—2018年研究區(qū)植被生長(zhǎng)期月均生態(tài)需水量見(jiàn)圖3。4—7月需水量上升，7月需水量達(dá)到最高值1.38億m3，7—10月需水量下降。

夏季降水量增加，土壤含水量增大，土壤水分修正系數(shù)增大。4—7月林地需水量持續(xù)上升，7月達(dá)到峰值0.12億m3。其中，有林地、灌木林地CV值分別為0.48、0.43，需水量變化大于疏林地和其他林地的。4—7月有林地、灌木林地、疏林地需水量分別占其生長(zhǎng)期需水總量的67.0%、68.0%、73.2%，需水量占比大，4—7月是植被生長(zhǎng)的關(guān)鍵期，應(yīng)合理分配不同類型植被需水量。

4—7月氣溫快速回升，植被蒸散發(fā)加快，草地需水量呈上升趨勢(shì)，7月達(dá)到峰值1.26億m3，之后蒸散發(fā)減弱，需水量下降明顯。受氣候變化影響，高覆蓋草地需水量變化最大，CV值為0.33;低覆蓋草地需水量變化最小，CV值為0.25。4—7月高覆蓋草地需水量占生長(zhǎng)期需水總量的63.0%，低覆蓋草地需水量占生長(zhǎng)期需水總量的66.0%，水資源調(diào)配中要重視對(duì)低覆蓋草地、高覆蓋草地的供給。

3.3 生態(tài)需水量空間變化分析

疏勒河流域中游、下游生態(tài)景觀不同，生態(tài)需水量也存在差異。玉門市、瓜州縣植被生態(tài)需水量見(jiàn)表5，1980—2018年玉門市生態(tài)需水總量大于瓜州縣的，林地需水量是瓜州縣的近2倍，草地需水量略大于瓜州縣的。

不同植被類型生態(tài)需水定額不同，使植被間生態(tài)需水量存在差異，但面積變化對(duì)生態(tài)需水量的影響更加明顯。2000年前，兩地有林地面積均保持穩(wěn)定，需水量變化不明顯。但2000年后，兩地需水量變化顯著。玉門市灌木林地面積最大，瓜州縣疏林地面積最大，1980—2018年玉門市灌木林地需水量占其林地總需水量的91.3%，灌木林地需水量是瓜州縣的近6倍;瓜州縣疏林地需水量占其林地總需水量的56.7%，疏林地需水量是玉門市的近5倍。

1995—2018年兩地高覆蓋草地生態(tài)需水量均呈上升趨勢(shì)，其中，玉門市的變化率為0.08億m3/（10 a），瓜州縣的為0.1億m3/（10 a）。中游和下游地區(qū)有著不同植被類型和種植面積，玉門市高覆蓋草地需水量是瓜州縣的近7倍，中覆蓋草地需水量是瓜州縣的近2倍。玉門、瓜州兩地區(qū)低覆蓋草地需水量分別占所在地區(qū)草地需水總量的70.7%和87.0%，高覆蓋草地需水量占所在地區(qū)草地需水總量的比例均最小，分別為10.4%和1.3%。

4 結(jié)論與討論

疏勒河綠洲系統(tǒng)中，天然林草地和人工林草地規(guī)模均占有相當(dāng)比例，且近年來(lái)呈明顯增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。天然林草地和人工林草地生長(zhǎng)環(huán)境不同，植被生理特性及生態(tài)需水量差異明顯，采用潛水蒸發(fā)法和面積定額法，考慮依賴地下水生存的天然林草地的生長(zhǎng)特性，同時(shí)綜合大氣環(huán)境、土壤水分等因素對(duì)人工林草地的影響，計(jì)算得出不同類型植被的生態(tài)需水量，對(duì)流域水資源調(diào)配、生態(tài)系統(tǒng)平衡及疏勒河綠洲可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1980—2018年流域植被生態(tài)需水量在時(shí)空范圍內(nèi)發(fā)生了顯著變化。年際上，植被生態(tài)需水總量變化率為0.04億m3/（10 a），1995—2018年整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。其中：草地生態(tài)需水量呈增加趨勢(shì)（變化率為0.07億m3/（10 a）），林地呈減少趨勢(shì)（變化率為0.04億m3/（10 a））。氣候變化影響下的不同豐平枯水年植被生態(tài)需水量不同，另外，不同植被對(duì)氣候的敏感性不同，也會(huì)導(dǎo)致需水量產(chǎn)生差異。生長(zhǎng)期內(nèi)，生態(tài)需水總量呈先上升后下降趨勢(shì)，7月生態(tài)需水量達(dá)到最大，為1.38億m3。因此，流域水資源管理和配置中應(yīng)合理調(diào)配生態(tài)用水量。空間上，流域中游、下游生態(tài)景觀明顯不同，生態(tài)需水量也存在差異。其中，中游地區(qū)林地需水量大于下游地區(qū)的，草地需水量與下游地區(qū)基本持平，需水總量略高于下游地區(qū)的。水資源的優(yōu)化配置和合理開(kāi)發(fā)利用有利于當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)生產(chǎn)、生活、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

在氣候變化背景下，降水、氣溫等氣象要素及人類活動(dòng)導(dǎo)致的植被面積變化是影響疏勒河流域植被需水量變化的兩大重要因素。1980—2018年疏勒河流域中下游地區(qū)降水量整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，降水量的增加直接影響綠洲生態(tài)用水量的供應(yīng)，最終導(dǎo)致不同植被生態(tài)需水定額增加。研究發(fā)現(xiàn)，植被需水定額與降水量變化趨勢(shì)相一致且滯后于降水量。此外，1995年以來(lái)研究區(qū)最低氣溫、最高氣溫均呈顯著上升趨勢(shì)，導(dǎo)致植被蒸散量增大，最終影響植被需水定額及生態(tài)需水量的變化。因此，在流域水資源管理中，應(yīng)重視并合理分配生產(chǎn)生活用水，保證生態(tài)用水，避免濕地萎縮、土地荒漠化等生態(tài)問(wèn)題加劇。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】