疏勒河流域沖積平原天然植被生態(tài)需水量研究

楊占榮

疏勒河流域沖積平原天然植被生態(tài)需水量研究

楊占榮

甘肅省疏勒河流域水資源利用中心, 甘肅 酒泉 735211

本文旨在分析和研究疏勒河流域沖積平原地帶天然植被歷史生態(tài)需水量，并對該區(qū)域未來天然植被生態(tài)需水量進(jìn)行有效預(yù)測。使用阿維里揚(yáng)諾夫經(jīng)驗(yàn)公式對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行演算和推演。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著甘肅省對于疏勒河流域整體的生態(tài)環(huán)境治理，未來十年該區(qū)域的沖積平原地帶的生態(tài)環(huán)境也將會產(chǎn)生良性變化，其天然植被面積以及天然植被生態(tài)需水量也將相應(yīng)增長。本研究結(jié)果能夠?yàn)楹侠砼渲檬枥蘸恿饔蛩Y源、實(shí)現(xiàn)區(qū)域環(huán)境有效治理推動(dòng)其生態(tài)系統(tǒng)和諧發(fā)展、做出重要貢獻(xiàn)。

疏勒河; 沖積平原; 植物需水量

水資源是維持生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)良性循環(huán)的重要因子，也是為植被提供生長能量的能量中樞。Gleick PH是首位提出了生態(tài)需水量概念的學(xué)者。生態(tài)需水量即能夠滿足生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的水資源含量[1]。植被指某一地區(qū)所覆蓋的植物群落，其生長與當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境系統(tǒng)具有密切的聯(lián)系。而植被生態(tài)需水量是指保證生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植被正常發(fā)育并發(fā)揮其生態(tài)功能的水消耗量[2]。植被生態(tài)需水研究對于保護(hù)植物群落、維護(hù)生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、以及區(qū)域水資源的合理配置具有重要的作用。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者針對植被生態(tài)需水問題開展了大量的研究。植被耗水分為三種，分別為同化耗水、蒸騰耗水以及土壤蒸發(fā)耗水[3,4]。同化耗水和蒸騰耗水是植物在新陳代謝過程中必須消耗的水量。由于同化耗水在植被耗水量中占比較極小，因此，在較為干旱的地區(qū)植物的生態(tài)需水量大多為蒸騰耗水和土壤蒸發(fā)耗水，可視為該地區(qū)的植被生態(tài)需水量[5]。在植被耗水量的計(jì)算方面，儀器觀測法是較為常用的計(jì)算方法之一。但是該方法對于觀測地點(diǎn)要求較高，所以針對流域范圍內(nèi)植被耗水量更傾向于使用蒸散發(fā)模型[6]。盡管當(dāng)前對于植被生態(tài)需水問題研究相對成熟，但是仍缺乏對于干旱區(qū)內(nèi)陸河流域以及流域內(nèi)部的指定區(qū)域如綠洲等植被生態(tài)需水量的研究。疏勒河流域?qū)儆诟珊祬^(qū)內(nèi)陸河流域，在其中部的沖積平原地帶地勢平坦開闊，存在特殊地理生態(tài)環(huán)境即綠洲。通過分析和研究疏勒河流域沖積平原地帶天然植被歷史生態(tài)需水量，能夠有效預(yù)測該區(qū)域未來天然植被生態(tài)需水量，從而為合理配置疏勒河流域水資源、推動(dòng)其生態(tài)系統(tǒng)的和諧發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域

疏勒河流域位于我國甘肅省河西走廊西部，是西北干旱區(qū)典型的內(nèi)陸河流域，屬于大陸性荒漠型氣候。整體流域面積4.13×104km2。年均降水量為47mm至63mm，年均蒸發(fā)量為2897mm至3042mm。沖積平原地帶位于疏勒河流域中游，晝夜溫差大，地勢平坦開闊，呈帶狀分布大片綠洲。在行政區(qū)域上分屬敦煌、瓜州和玉門三個(gè)地區(qū)。受人類活動(dòng)影響，疏勒河流域沖積平原地帶的生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，鹽堿地和沙漠面積日趨增加。同時(shí)，出于人類經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)需要，對于水需求量不斷增加，導(dǎo)致沖積平原地帶植被缺乏水資源，導(dǎo)致其天然植被出現(xiàn)萎縮和退化等問題。受地形、土壤、地下水等因素的影響，沖積平原地帶天然植被優(yōu)勢物種有胡楊（）、沙棗（）、檉柳(）、駱駝刺（）、白刺（）、羅布麻（）、蘆葦（）和花花柴（Bunge）等。

1.2 計(jì)算公式

疏勒河流域沖積平原地帶天然植被生態(tài)需水量計(jì)算將選擇阿維里揚(yáng)諾夫經(jīng)驗(yàn)公式。依據(jù)孫棟元等[7]對于干旱內(nèi)陸河流域平原區(qū)生態(tài)環(huán)境需水的計(jì)算方法，在時(shí)間上將按月份提取相關(guān)數(shù)據(jù)。在空間上，將選取該區(qū)域的植被優(yōu)勢物種。其計(jì)算公式如下：

公式1中，W是區(qū)域內(nèi)天然植被年度生態(tài)需水量；A為區(qū)域內(nèi)種生態(tài)區(qū)的總面積；ET是維持該區(qū)域植被正常生長所需要的水含量，即種生態(tài)區(qū)月的潛水蒸發(fā)量，需要依據(jù)阿維里揚(yáng)諾夫經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到（見公式2）。公式2中，為該區(qū)域地下水深度，max為該區(qū)域地下水極限埋深。E20為種生態(tài)區(qū)月的常規(guī)自然氣象蒸發(fā)值。和均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。公式1和公式2中，1,2,…,；1,2…,12。

1.3 數(shù)據(jù)來源和參數(shù)計(jì)算

依據(jù)地形和氣候等因素變化，不同區(qū)域阿維里揚(yáng)諾夫經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算參數(shù)各有不同。本研究將選取劉普幸等[8]在疏勒河中下游綠洲實(shí)驗(yàn)所得參數(shù)，對于地下水極限埋深max和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、取值。參數(shù)取值0.62，參數(shù)取值2.80。疏勒河流域沖積平原地帶蒸發(fā)數(shù)據(jù)E20，將分別從甘肅省水文局、甘肅省氣象局對敦煌、瓜州以及玉門三個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可得月平均蒸發(fā)量（見圖1）。由此，可計(jì)算出依據(jù)各地區(qū)的敦煌、瓜州以及玉門三個(gè)區(qū)域的潛水蒸發(fā)量（見圖2）。由于身處干旱區(qū)降水稀少，疏勒河流域沖積平原地帶天然植被主要水源是地下水，其水分來源與地下水埋深等因素息息相關(guān)。表1中詳細(xì)地列出了疏勒河流域沖積平原地帶主要植物、根系深度與地下水深度的生長關(guān)系?？梢姡煌参锓N類由于其植物根系深度不同，滿足其正常生長條件的地下水深度也各有不同。依據(jù)不同植被的地下水深度范圍，可以計(jì)算出地下水的平均極限埋深。在較為干旱的地區(qū)植物的蒸騰耗水需要通過多年的研究計(jì)算可得。本次將選擇魏樂民等[9]和李曼等[10]的研究系數(shù)作為依據(jù)，得出潛水埋深對于疏勒河流域沖積平原地帶植物蒸騰耗水系數(shù)。依據(jù)《中國植物志》對我國植被類型的劃分，以及疏勒河流域沖積平原地帶植被分布情況，按照公式2可計(jì)算該區(qū)域維持該區(qū)域植被正常生長所需要的水含量，即潛水蒸發(fā)量。根據(jù)2021年植被類型劃分情況，并依據(jù)實(shí)際調(diào)查資料確定每種植被類型的地下水埋深范圍和平均埋深，并按公式（2）計(jì)算得到疏勒河中游綠洲區(qū)不用植被單位面積蒸發(fā)量（表3）。

圖 1 疏勒河流域沖積平原地帶多年月均蒸發(fā)量

圖 2 疏勒河流域沖積平原地帶地下水潛水埋深蒸發(fā)量

表1 疏勒河流域沖積平原地帶主要植物、根系深度與地下水深度的生長關(guān)系

Table 1 Growth relationship between main plants, root depth and groundwater depth in the alluvial plains of Shule River Basin

表2 疏勒河流域沖積平原地帶潛水埋深與植物蒸騰影響系數(shù)

Table 2 Influence coefficient of phreatic burial depth and vegetationevaporation in the alluvial plain area of Shule River Basin

表3 疏勒河流域沖積平原地帶不同植被類型的單位潛水蒸發(fā)量

Table 3 Buried water evaporation amountper unit of different vegetation types in the alluvial plain of Shule River Basin

2 結(jié)果與分析

2.1 目標(biāo)區(qū)域天然植被面積

通過美國國家航空航天局網(wǎng)站（https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov）采集了2021年疏勒河流域沖積平原地帶Landsat TM/ETM/OLI遙感數(shù)據(jù)。在人工解譯的基礎(chǔ)上，使用ARCGIS 10.5軟件對該區(qū)域的天然植被分布情況進(jìn)行分析和數(shù)據(jù)采集，具體植被類型和植被面積見表4?？芍?，疏勒河流域沖積平原地帶的有林地代表植物為胡楊和沙棗。灌木林地代表植物為檉柳、駱駝刺和白刺。敦煌地區(qū)以疏林地和低覆蓋度草地為主。瓜州地區(qū)以灌木林地和低覆蓋度草地為主。玉門地區(qū)以灌木林地和低覆蓋度草地為主，有林地面積相對稀少。

表4 2021年疏勒河流域沖積平原地帶天然植被面積

Table 4 Area of natural vegetation in the alluvial plains of Shule River Basin in 2021

2.2 目標(biāo)區(qū)域天然植被生態(tài)需水量結(jié)果

基于計(jì)算公式1，可以得到2021年疏勒河流域沖積平原地帶天然植被生態(tài)需水量（見表5）。

表5 2021年疏勒河流域沖積平原地帶天然植被生態(tài)需水量

Table 5 Ecological water requirements of natural vegetation in the alluvial plains of Shule River Basin in 2021

由表5可見，該區(qū)域最小生態(tài)需水量為19336.13×104m3，最大生態(tài)需水量為48049.47×104m3。從整體來看，其他林地生態(tài)需水量最小，最小生態(tài)需水量為2.60×104m3，最大生態(tài)需水量為11.57×104m3。高度覆蓋草地生態(tài)需水量最高，最小生態(tài)需水量為9099.12×104m3，最大生態(tài)需水量為24017.83×104m3。按行政區(qū)域劃分，瓜州地區(qū)的生態(tài)需水量最高，其次為玉門地區(qū)。敦煌地區(qū)的生態(tài)需水量最小。

2.3 目標(biāo)區(qū)域未來天然植被面積變化情況

當(dāng)前，疏勒河流域已經(jīng)積極開展環(huán)境治理和生態(tài)保護(hù)。依據(jù)2021年印發(fā)的《甘肅省“十四五”水利發(fā)展規(guī)劃》對于疏勒河流域生態(tài)的治理要求，預(yù)計(jì)該區(qū)域應(yīng)實(shí)現(xiàn)2030年天然植被面積增長10%左右的戰(zhàn)略目標(biāo)。由于玉門地區(qū)多年來積極開展林地保護(hù)和生態(tài)治理，出臺了《玉門市國土空間總體規(guī)劃》（2020-2035年），故預(yù)計(jì)在2030年將增加至25hm2。預(yù)計(jì)2030年疏勒河流域沖積平原地帶天然植被面積見下表6。

表6 預(yù)計(jì)2030年疏勒河流域沖積平原地帶天然植被面積

Table 6 Expected Area of natural vegetation in the alluvial plains of Shule River Basin in 2030

2.4 目標(biāo)區(qū)域未來天然植被生態(tài)需水量變化情況

基于計(jì)算公式1以及2030年疏勒河流域沖積平原地帶天然植被預(yù)計(jì)面積，可以計(jì)算出2030年該區(qū)域天然植被生態(tài)需水量變化情況（見表7）。預(yù)計(jì)2030年，整體疏勒河流域沖積平原地帶最小生態(tài)需水量為21271.38×104m3，最大生態(tài)需水量為52857.27×104m3。按行政區(qū)域劃分，敦煌地區(qū)最小生態(tài)需水量為2868.52×104m3，最大生態(tài)需水量為6931.13×104m3；瓜州地區(qū)最小生態(tài)需水量為10973.18×104m3，最大生態(tài)需水量為26503.25×104m3；玉門地區(qū)最小生態(tài)需水量為7429.68×104m3，最大生態(tài)需水量為19422.89×104m3。

表7 預(yù)計(jì)2030年疏勒河流域沖積平原地帶天然植被生態(tài)需水量

Table 7 Expected ecological water requirements of natural vegetation in the alluvial plains of Shule River Basin in 2030

3 討論

本文使用阿維里揚(yáng)諾夫經(jīng)驗(yàn)公式對疏勒河流域沖積平原地帶天然植被生態(tài)需水量進(jìn)行計(jì)算。依據(jù)孫棟元等[7]對于干旱內(nèi)陸河流域平原區(qū)生態(tài)環(huán)境需水的計(jì)算方法，以月份為單位提取了變化數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，隨著甘肅省對于疏勒河流域整體的生態(tài)環(huán)境治理，未來十年該區(qū)域的沖積平原地帶的生態(tài)環(huán)境也將會產(chǎn)生良性變化，其天然植被面積以及天然植被生態(tài)需水量也將增長。該研究結(jié)果與李曼等[10]、魏樂民等[9]，岳東霞等[11]以及葉紅梅等[12]對于疏勒河流域天然植被生態(tài)需水量的研究結(jié)果和趨勢變化相同。與李肖楊等[13]和張愛民等[14]針對類似干旱區(qū)內(nèi)陸河流域天然植被生態(tài)需水量結(jié)果類似。本研究對于指導(dǎo)疏勒河流域，尤其是沖積平原地帶的生態(tài)環(huán)境保護(hù)，實(shí)現(xiàn)《甘肅省“十四五”水利發(fā)展規(guī)劃》具有重要的研究意義。同時(shí)，能夠?yàn)榇龠M(jìn)貫徹落實(shí)《甘肅省水利“四抓一打通”實(shí)施方案》、以及《甘肅省疏勒河流域水資源利用中心“四抓一打通”工作方案》的具體工作提供理論依據(jù)和參考，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境、水資源配置，以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展三方面可持續(xù)發(fā)展的重要目標(biāo)。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了我國疏勒河流域沖積平原地帶天然植被歷史生態(tài)需水量，并對該區(qū)域未來天然植被生態(tài)需水量進(jìn)行了預(yù)估計(jì)算。依據(jù)2021年的計(jì)算結(jié)果可知，該區(qū)域最小生態(tài)需水量為19336.13×104m3，最大生態(tài)需水量為48049.47×104m3。從整體來看，其他林地生態(tài)需水量最小，高度覆蓋草地生態(tài)需水量最高。按行政區(qū)域劃分，瓜州地區(qū)的生態(tài)需水量最高，其次為玉門地區(qū)。敦煌地區(qū)的生態(tài)需水量最小。由于對2030年疏勒河流域沖積平原地帶的生態(tài)環(huán)境變化為預(yù)估，在具體時(shí)期仍應(yīng)考慮到人類活動(dòng)情況、區(qū)域水循環(huán)路徑、區(qū)域水文情勢。為計(jì)算生態(tài)需水量而選取的區(qū)域潛水蒸發(fā)模型的參數(shù)為平均參數(shù)，與現(xiàn)實(shí)中不同天然植被的生態(tài)需水量會略有偏差。本研究結(jié)果能夠?yàn)楹侠砼渲檬枥蘸恿饔蛩Y源、推動(dòng)其生態(tài)系統(tǒng)的和諧發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

[1] Gleick PH. Water in crisis: paths to sustainable water use[J]. Ecological Applications, 1998,8(3):571-579

[2] 胡廣錄,趙文智,謝國勛.干旱區(qū)植被生態(tài)需水理論研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2008(02):193-200

[3] 聶艷,郭永瑞,譚盈,等.基于生態(tài)恢復(fù)的阿克蘇河流域生態(tài)輸水調(diào)度優(yōu)化研究[J].干旱區(qū)地理,2022,45(2):325-332

[4] 何永濤,閔慶文,李文華.植被生態(tài)需水研究進(jìn)展及展望[J].資源科學(xué),2005(4):8-13

[5] 郝博,粟曉玲,馬孝義,等.干旱區(qū)植被生態(tài)需水的研究進(jìn)展[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2009,20(4):1-5

[6] Rodriguez-Iturbe I,Porporato A,Laio F,. Plants in water-controlled ecosystems:active role in hydrologic processes and response to water stress:(I)Scope and general outline[J]. Advances inWater Resources,2001,24:695-705

[7] 孫棟元,趙成義,魏恒,等. 干旱內(nèi)陸河流域平原區(qū)生態(tài)環(huán)境需水分析—以新疆自治區(qū)臺蘭河流域?yàn)槔齕J].水土保持 通報(bào),2011,31(4):82-88

[8] 劉普幸,張克新,霍華麗,等.疏勒河中下游綠洲胡楊林土壤水鹽的空間變化特征與成因[J].自然資源學(xué)報(bào),2012,27(6):942-952

[9] 魏樂民,鄭續(xù),郭建軍,等.基于改進(jìn)彭曼公式法的疏勒河流域植被耗水時(shí)空分布研究[J].干旱區(qū)研究,2020,37(6):1416-1426

[10] 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

[11] 岳東霞,陳冠光,朱敏翔,等.近20年疏勒河流域生態(tài)承載力和生態(tài)需水研究[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2019,39(14):5178-5187

[12] 葉紅梅,陳少輝,盛豐.疏勒河灌區(qū)2000-2014年植被生態(tài)適宜需水動(dòng)態(tài)研究[J].冰川凍土,2016,38(1):231-240

[13] 李肖楊,朱成剛,馬玉其,等.新疆孔雀河流域生態(tài)基流與天然植被需水量研究[J].干旱區(qū)地理,2021,44(2):337-345

[14] 張愛民,郝天鵬,周和平,等.新疆白楊河流域特征及生態(tài)植被需水分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2021,41(5):1921-1930

Research on Ecological Water Requirement of Natural Vegetation in Alluvial Plain of Shule River Basin

YANG Zhan-rong

735211,

The purpose of this research is to analyze the historical ecological water demand of natural vegetation in the alluvial plains of the Shule River Basin, and to effectively predict the future ecological water demand of natural vegetation in this region. The relevant data are calculated and deduced using Veriyanov empirical formula. The resultsreveals that with the overall ecological environment management of the Shule River Basin in Gansu Province and the ecological environment of the alluvial plains in this region will also undergo benign changes in the ne×t ten years.The area of natural vegetation and the ecological water demand of natural vegetation will also increase change accordingly. The results would make an important contribution to the rational allocation of water resources in the Shule River Basin, the effective governance of the regional environment, and the harmonious development of its ecosystem.

Shule River Basin; alluvialplain; vegetation water rquirement

Q945.17

A

1000-2324(2022)04-0568-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.011

2021-11-04

2022-01-05

楊占榮(1967-),男,本科,高級工程師,主要從事區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)用水研究. E-mail:zl×877897@126.com