基于直接計(jì)算法的川藏鐵路沿線植被生態(tài)需水量研究

王 怡，韓 立，2，梁 潔，紀(jì)丁愈

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611230；2.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都，610059)

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，生態(tài)環(huán)境需水已經(jīng)成為了水資源以及相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)話題，研究內(nèi)容多涉及濕地、湖泊、江河等多種類型生態(tài)系統(tǒng)。崔樹彬等[1]將生態(tài)需水量定義為某一特定區(qū)域內(nèi)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的需水量，而不僅僅只是區(qū)域內(nèi)生物體的需水量?，F(xiàn)階段，一般將生態(tài)需水的概念劃分為廣義和狹義的生態(tài)需水[2]，從廣義上講，生態(tài)需水量是指能保證維持全球范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)水分平衡所需要用的水，一般包括了水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等，而狹義上講的生態(tài)環(huán)境用水往往指的是為保證生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)不再持續(xù)惡化并可逐步改善所需要消耗的水資源。因此，它不僅與各區(qū)域內(nèi)生物群體的結(jié)構(gòu)相關(guān)，同時(shí)還受生態(tài)區(qū)域內(nèi)的氣候、土壤、地質(zhì)、水文條件等條件影響。

植被是組成生態(tài)系統(tǒng)的生物部分中最基本的組成部分，要想保證生態(tài)環(huán)境得以良好的維持，植物群落的保護(hù)和建設(shè)工作必不可少，植被的生長離不開水，也就構(gòu)成了植被生態(tài)需水的基礎(chǔ)。現(xiàn)階段的研究普遍認(rèn)為恢復(fù)植被是開展退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建的重要舉措。當(dāng)前國內(nèi)的植被生態(tài)需水研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，主要集中在我國北方地區(qū)，多為干旱與半干旱區(qū)域，水資源往往比較匱乏。研究過程中，按照不同的植被對(duì)象，一般可分為：水土保持生態(tài)用水、城鎮(zhèn)綠化用水、山區(qū)植被生態(tài)用水和平原造林綠化用水[3]。同時(shí)，為了保證生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)劣程度所需水量差別很大，按照水量需求不同來分，又可分為最高與最低生態(tài)用水，分別對(duì)應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)完整，植物生長較好的狀態(tài)以及生態(tài)系統(tǒng)的完整性差，植被生長狀況不佳，僅能基本保證生態(tài)系統(tǒng)完整性的狀態(tài)[4]。

因此，可從兩個(gè)角度來考慮生態(tài)需水量[5]，其一為生態(tài)系統(tǒng)角度，植被生態(tài)用水必須確保區(qū)域內(nèi)的植被生態(tài)系統(tǒng)能正常生長，并可發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能而必須消耗的用水；其二為恢復(fù)生態(tài)環(huán)境的角度，則需要將最終能實(shí)現(xiàn)不同程度的環(huán)保任務(wù)的整個(gè)植被生態(tài)系統(tǒng)的需水量和需水閾值考慮進(jìn)來。

川藏鐵路施工過程中，不可避免地會(huì)對(duì)鐵路沿線一定范圍內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)帶來持續(xù)的影響，從而引發(fā)區(qū)域內(nèi)環(huán)境危機(jī)加劇、生態(tài)環(huán)境日益退化和生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)提升等一系列問題。因此，完成鐵路沿線植被需水量計(jì)算，并在區(qū)域現(xiàn)有水資源下進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)實(shí)現(xiàn)水生態(tài)可持續(xù)發(fā)展意義極大。

1 研究區(qū)域現(xiàn)狀和植被類型空間分布特征

川藏鐵路沿線所經(jīng)區(qū)域地處四川內(nèi)陸，由青藏高原東南緣、云貴高原西北緣和四川盆地三大板塊構(gòu)成，受第四紀(jì)以來的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、青藏高原強(qiáng)烈抬升影響，內(nèi)陸的氣候加上獨(dú)特的地形地貌特征，原有的地帶性自然地理、生物、生態(tài)系統(tǒng)的格局被打破，奠定了其周圍的地質(zhì)地貌、氣候、土壤、植被和生態(tài)系統(tǒng)的基本格局，塑造了獨(dú)特的植被資源和生態(tài)環(huán)境。

川藏沿線四川境內(nèi)主導(dǎo)氣候以亞熱帶氣候特征為主，表現(xiàn)為氣候溫暖濕潤，年均溫16℃～17℃，隨著海拔升高，熱量條件降低，年均溫下降。降水量極為豐富，為1000mm～1400mm，日照偏低，年平均日照時(shí)數(shù)1000h左右，年平均日照率24%，無霜期283d左右。而林芝地區(qū)具有亞熱帶、溫帶及寒帶氣候并存的多種氣候帶。印度洋與太平洋暖流經(jīng)年貫入，從而形成該地區(qū)特殊的熱帶濕潤以及半濕潤氣候，年降雨量約650mm，年平均溫度8.7℃，年平均日照時(shí)數(shù)約2022h，無霜期180d。

本次研究區(qū)域以川藏鐵路線路為中心作10km的緩沖區(qū)。緩沖區(qū)內(nèi)的植被大類包括：針葉林、闊葉林、灌叢、草叢、草甸、沼澤、高山植被、栽培植被、其他。將上述9類植被大類的分布進(jìn)行可視化及量化分析，總面積為22153.45km2，其中灌叢面積最大，占比44.72%；其次是針葉林，占比19.30%；再其次是草甸、高山植被、闊葉林、栽培植被、其他、草叢，沼澤面積最小，占比0.09%。川藏鐵路沿線植被大類面積占比概況見圖1。

圖1 川藏線10km緩沖區(qū)范圍內(nèi)植被類型

2 植被生態(tài)需水量的內(nèi)容和計(jì)算方式

2.1 研究數(shù)據(jù)

本次生態(tài)需水量研究數(shù)據(jù)包括：獲取開源的1∶100萬植被類型覆蓋數(shù)據(jù)、四川和西藏30m分辨率的DEM、全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、沿線氣象資料、氣候變化圖等。研究線路如圖2所示。

圖2 川藏鐵路需水量研究技術(shù)路線

2.2 需水量計(jì)算方法的選擇

發(fā)達(dá)林地植被系統(tǒng)中，蒸騰和蒸發(fā)作用往往是維系植物自身的生理功能的重要方式[6]，同時(shí)也是主要的植物耗水途徑，一般將其用作評(píng)價(jià)植被生態(tài)需水量的一個(gè)重要指標(biāo)。而在實(shí)際情況下，植被的生態(tài)需水量還和植物自身的種類、生長區(qū)域的土壤質(zhì)地以及土壤含水量情況有著密切關(guān)系。一般來說，植物通過其根系吸取土壤的水分作為需水量，而植物吸收土壤中有效水分的范圍通常指土壤田間持水量和凋萎系數(shù)間的那部分土壤水分含量[7]。

因此，往往可將植被生態(tài)需水量理解成植被為保證植被自身生理功能，如蒸騰作用、光合作用等正常的條件下應(yīng)該需要具備的水量。因此本文所研究需水量其實(shí)為植被在主要生長季的適宜生態(tài)需水量。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合前期對(duì)鐵路沿線植被種類解譯結(jié)果，在掌握了大量可參考的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)前提下，選擇直接計(jì)算法[8]計(jì)算川藏鐵路沿線植被需水量。這種方法往往是將研究區(qū)域內(nèi)不同類型植被所占面積與該植被的生態(tài)需水定額相乘，從而計(jì)算得到該類型植被的生態(tài)需水量，再將本區(qū)域范圍內(nèi)不同植被的生態(tài)需水量相加求和得出區(qū)域內(nèi)的植被生態(tài)需水量。計(jì)算方法如下：

(1)

式(1)中：W為本區(qū)域內(nèi)的植被生態(tài)需水總量，Wi指某一植被類型i的生態(tài)需水量；Ai為某類植被類型i所占面積；ri為該種植被類型i的生態(tài)需水定額；n是本區(qū)域內(nèi)的植被類型總數(shù)。

對(duì)于不同類型植被生態(tài)需水定額的確定，現(xiàn)階段主要有以下方法：方法一主要是根據(jù)實(shí)測的不同植物類型灌溉用水量和蒸散量，并參考不同區(qū)域植被系數(shù)從而確定各類植物的需水定額；方法二為理論計(jì)算法，需要結(jié)合影響因子完成植被蒸散量的計(jì)算[9]，一般可用下式計(jì)算：

r=KsKcPE

(2)

式(2)中：PE是根據(jù)區(qū)域內(nèi)氣候條件所決定的潛在水分蒸散量，一般可根據(jù)Penman公式計(jì)算得出[10]；Ks代表的是土壤的水分修正系數(shù)值，和土壤質(zhì)地以及含水量相關(guān)；Kc為植物系數(shù)，該值大小一般與植物類別以及環(huán)境狀況等相關(guān)，一般可根據(jù)試驗(yàn)獲取。當(dāng)Sw≤S≤S*時(shí)：

Ks=ln[(S-Sw)/(S*-Sw)×100+1]/ln101

(3)

式(3)中：S為土壤本身的實(shí)際含水量；Sw為土壤的凋萎含水量值；S*為土壤的臨界含水量值則。

直接計(jì)算法是目前需水量計(jì)算使用頻率最高的方法，多適用于基礎(chǔ)工作開展較為理想的區(qū)域及區(qū)域內(nèi)植被類型。

2.3 植被生態(tài)需水量估算

通過對(duì)川藏鐵路雅林段沿線19個(gè)縣(市)內(nèi)各植被種類結(jié)合植被分布圖進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，針葉林面積約為4273.15km2，高山植被面積約為2414.08km2，栽培植被為565.22km2，闊葉林為1384.47km2，灌木叢為9905.92km2，草叢為25.61km2，草甸為3273.49km2，沼澤為20.78km2，其他植被類型面積為287.71km2。

根據(jù)該區(qū)域中上述類型植物的灌溉用水量和蒸散量實(shí)際數(shù)據(jù)，同時(shí)參考區(qū)域內(nèi)植被系數(shù)，從而確定沿線區(qū)域內(nèi)各類型植被的需水定額(見表1)

表1 川藏鐵路沿線植被需水定額

按照植被需水量直接計(jì)算方法，將各類型植被的面積與各自類型植被的生態(tài)需水定額進(jìn)行求積從而計(jì)算得出各類型植被的生態(tài)需水量，并計(jì)算出川藏鐵路修建沿線各種植被生態(tài)需水量之和(見表2)。

表2 川藏鐵路沿線各區(qū)縣植被需水量統(tǒng)計(jì) 單位：m3

3 結(jié)論

川藏鐵路沿線需水量計(jì)算研究要以當(dāng)前沿線影響范圍內(nèi)的生態(tài)環(huán)境狀況為出發(fā)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)植被信息與水文、氣象等資料進(jìn)行收集，并選擇合適的需水量計(jì)算方法，為區(qū)域內(nèi)生態(tài)需水的量化研究奠定基礎(chǔ)。本文采用直接計(jì)算法，結(jié)合鐵路沿線各縣市氣候、氣象、植被等綜合數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上得出西南地區(qū)不同類型植被潛在需水定額，使得計(jì)算結(jié)果更加合理。根據(jù)植被種類差異，從而計(jì)算出不同植被類型的生態(tài)需水量，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出該區(qū)域植被生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的效果以及該區(qū)域植被生態(tài)系統(tǒng)的需求。為及時(shí)有效地評(píng)估鐵路修建對(duì)沿線植被的影響，并為實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展提供參考數(shù)據(jù)。研究結(jié)果對(duì)提高區(qū)域內(nèi)水資源利用效率、生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與改善有著一定的指導(dǎo)意義。但川藏鐵路沿線區(qū)域地區(qū)地形復(fù)雜，土壤類型復(fù)雜，無法從微觀角度精確分類出植被亞類，僅粗略地將植被分為九大類，收集數(shù)據(jù)能涵蓋的范圍和樣本數(shù)量尚顯不足，更加詳盡的分析還需持續(xù)深化。