河西地區(qū)2000—2020年植被生態(tài)需水量估算

摘要：植被生態(tài)需水量的準(zhǔn)確估算不僅關(guān)乎水資源的合理開發(fā)與管理，而且為科學(xué)制定生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)政策提供基礎(chǔ)支持.本研究探討應(yīng)用不同方法估算河西地區(qū)植被生態(tài)需水量的精度與適用性.通過(guò)收集河西地區(qū)11個(gè)通量觀測(cè)站的植被耗水觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)植被生態(tài)需水模型進(jìn)行驗(yàn)證和標(biāo)定，選取適合該地區(qū)的估算模型——植被覆蓋度修正蒸散發(fā)法，結(jié)合野外觀測(cè)數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，對(duì)2000—2020年河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量進(jìn)行估算.結(jié)果顯示，河西地區(qū)2000—2020年植被生態(tài)需水量為（173.86±6.10）×108 m3，在空間上呈現(xiàn)出東南高、西北低的分布格局.隨著植被覆蓋度以每年0.002的速率顯著增加，植被生態(tài)需水量呈現(xiàn)出以每年0.70×108 m3的速率顯著增加的趨勢(shì).本研究為河西地區(qū)植被生態(tài)需水量的準(zhǔn)確估算和深入分析提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為未來(lái)相關(guān)研究提供參考和借鑒.

關(guān)鍵詞：干旱區(qū)；河西地區(qū)；植被生態(tài)需水量；水資源；植被覆蓋度修正蒸散發(fā)法

中圖分類號(hào)：P 942.71;Q948.1""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號(hào)：1001-988Ⅹ（2024）04-0012-14

Estimation of vegetation ecological water demand in Hexi region

WANG Tong-hong1，2，WANG Xu-feng1，YANG Yan-peng1，LI Zong-xing1，CHE Tao1

（1.Northwest Institute of Eco-Environmental Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，Gansu，China;

2.School of Geography and Environmental Sciences，Northwest Normal University，Lanzhou 730070，Gansu，China）

Abstract：Accurate estimation of vegetation ecological water demand is essential not only for the rational development and management of water resources but also for providing a foundation for scientifically formulating policies for ecological environmental protection and restoration.This study aims to explore the accuracy and applicability of different methods for estimating vegetation ecological water demand in the Hexi region and to conduct such an estimation based on these methods.By collecting vegetation water consumption data from 11 flux observation stations in the Hexi region，vegetation ecological water demand models are validated and calibrated，and the Vegetation

Cover-Corrected Evapotranspiration method is selected as the suitable model for this region.Combining

field observation data with satellite remote sensing data，the vegetation ecological water demand in the Hexi region is estimated from 2000 to 2020.The results show that the vegetation ecological water demand in the Hexi region from 2000 to 2020 was 173.86±6.10×108 m3，exhibiting a spatial distribution pattern of high in the southeast and low in the northwest.With a significant annual increase in vegetation coverage at a rate of 0.002，the vegetation ecological water demand also showed a significant increasing trend at a rate of 0.70×108 m3 per year.This study provides a scientific basis for the accurate estimation and in-depth analysis of vegetation ecological water demand in the Hexi region and offers references and insights for future related research.

Key words：arid region;Hexi region;vegetation ecological water demand;water resources

全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響使水資源問(wèn)題成為全球焦點(diǎn)之一［1］.氣候變化帶來(lái)了極端天氣事件的頻發(fā)和氣候模式的變化，導(dǎo)致全球水資源分布不均加劇［2］.與此同時(shí)，人類活動(dòng)，如過(guò)度抽取地下水、水源污染和水資源的不合理利用，進(jìn)一步加劇了水資源的短缺和質(zhì)量問(wèn)題［3］.在中國(guó)西北干旱、半干旱地區(qū)，水資源短缺問(wèn)題尤為突出.長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)該地區(qū)水資源的不合理開發(fā)和利用已對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞和威脅［4］.作為中國(guó)西北干旱、半干旱地區(qū)的典型代表，河西地區(qū)的植被生態(tài)系統(tǒng)正面臨日益嚴(yán)重的威脅和挑戰(zhàn)［5］，如草原退化和荒漠化等問(wèn)題日益嚴(yán)重［6］，對(duì)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了巨大的壓力.

河西地區(qū)位于中國(guó)西北部，地勢(shì)復(fù)雜多樣，地形起伏不平，其干旱、半干旱的氣候條件對(duì)植被生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)育和維持產(chǎn)生重要影響［7］.由于這些地理和氣候條件的限制，河西地區(qū)的植被覆蓋率較低，主要以草原和荒漠植被為主，分布不均勻，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，對(duì)水資源的需求十分敏感［8］.因此，估算河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量成為解決該地區(qū)水資源管理和生態(tài)保護(hù)問(wèn)題的關(guān)鍵.

植被生態(tài)系統(tǒng)在維持生物多樣性、保護(hù)土壤、調(diào)節(jié)氣候、維持水源、預(yù)防水土流失等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［9-10］，然而這些生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能性往往受到水資源的影響.植被生態(tài)需水量即為特定生態(tài)系統(tǒng)中植被對(duì)水資源的需求閾值，一旦超出這個(gè)范圍，生態(tài)系統(tǒng)就容易受到損害［11］.該概念與植被的類型、結(jié)構(gòu)、面積、覆蓋度以及土壤含水量等參數(shù)密切相關(guān)［12］.我國(guó)學(xué)者已采用多種方法來(lái)估算植被生態(tài)需水量，包括面積定額法、潛水蒸發(fā)法和修正的蒸散法等［13］.其中，面積定額法通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定植被單位面積的需水量，該方法適用于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)充足、植被條件良好的地區(qū)［14］；潛水蒸發(fā)法通過(guò)地下水和蒸發(fā)量來(lái)估算植被生態(tài)需水量，適用于干旱地區(qū)［15］；修正的蒸散法基于植物蒸騰和土壤蒸發(fā)理論對(duì)植被生態(tài)需水量進(jìn)行估算，該方法對(duì)輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性要求較高，適用于干旱和半干旱地區(qū)［16］.然而，已有研究缺乏對(duì)河西地區(qū)植被生態(tài)需水量的分析，且這些方法是否能夠準(zhǔn)確地評(píng)估河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量仍不清楚.

本研究旨在填補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足，通過(guò)收集河西地區(qū)11個(gè)通量觀測(cè)站的植被耗水觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)植被生態(tài)需水模型進(jìn)行驗(yàn)證和標(biāo)定.選擇精度最高、適用性最好的模型，并結(jié)合野外觀測(cè)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，對(duì) 2000—2020年河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量進(jìn)行估算.本研究的開展將為河西地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和恢復(fù)提供理論和實(shí)踐指導(dǎo)，推動(dòng)該地區(qū)水資源管理和生態(tài)保護(hù)工作取得進(jìn)展，從而為解決該地區(qū)水資源管理和生態(tài)保護(hù)問(wèn)題提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)及方法

1.1 研究區(qū)概況

河西地區(qū)位于中國(guó)西北內(nèi)陸（圖1（a）），是一個(gè)狹長(zhǎng)的地帶，東起烏鞘嶺，西至敦煌，全長(zhǎng)約1 000 km，寬度為100～200 km.河西地區(qū)的主要水源地是位于河西地區(qū)南側(cè)的祁連山區(qū)（圖1（b））.祁連山積雪和冰川融水形成了河西地區(qū)的三大內(nèi)陸河流域：黑河、石羊河和疏勒河流域，為河西地區(qū)提供了寶貴的水資源（圖1（b））.河西地區(qū)整體地勢(shì)呈現(xiàn)南高北低的特點(diǎn)，包括9個(gè)地級(jí)行政區(qū)劃單位（白銀市、蘭州市、臨夏回族自治州、平?jīng)鍪?、武威市、張掖市、金昌市、嘉峪關(guān)市、酒泉市），以及37個(gè)縣級(jí)行政區(qū)劃單位（圖1（c））.

河西地區(qū)降水稀少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，年降水量較低，是典型的干旱、半干旱氣候［17-18］，呈現(xiàn)出明顯的干旱草原和荒漠化特征，土地覆蓋類型主要以草原和灌木為主，植被覆蓋度較低且分布不均勻，部分地區(qū)出現(xiàn)沙漠化景象［19］.目前，河西地區(qū)水資源極度匱乏，地表水稀缺，地下水資源豐富但易受限制，地下水位持續(xù)下降，水資源利用效率低［20］.

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1 植被數(shù)據(jù)

植被覆蓋度（Fraction of Vegetation Cover，F(xiàn)VC）是反映植被和生態(tài)環(huán)境變化的重要指標(biāo)［21］.本研究使用歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）來(lái)近似估算FVC，使用的NDVI數(shù)據(jù)產(chǎn)品為MOD13Q1，空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為16 d.FVC分類為極低覆蓋度（0～0.05）、低覆蓋度（0.05～0.20）、中低覆蓋度（0.20～0.40）、中覆蓋度

（0.40～0.60）、中高覆蓋度（0.60～0.80）和高覆蓋度（0.80～1.00）.FVC的估算公式如下：

FVC=NDVI-NDVIsoilNDVIveg-NDVIsoil（1）

其中，NDVIsoil為純裸地象元的歸一化植被指數(shù)，NDVIveg為純植被象元的歸一化植被指數(shù)［22］.

本研究使用的中國(guó)多時(shí)期土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集（CNLUCC）數(shù)據(jù)來(lái)源于資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)注冊(cè)與出版系統(tǒng)（http：//www.resdc.cn/）［23］，選取2000—2020年的5期數(shù)據(jù).基于植被覆蓋度數(shù)據(jù)和植被類型信息，使用疊加分析方法對(duì)河西地區(qū)及各市、縣級(jí)行政區(qū)近20年的植被（包括草地、 林地和農(nóng)田）面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1， 表2）.

1.2.2 蒸散發(fā)數(shù)據(jù)

本研究使用“中國(guó)1km逐月潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集”，研究時(shí)間范圍為2000—2020年，數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//data.tpdc.ac.cn）［24］.本研究使用的站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自黑河流域地表過(guò)程綜合觀測(cè)網(wǎng)，該觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)由北京師范大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院共同建設(shè)，該數(shù)據(jù)集通過(guò)訪問(wèn)黑河計(jì)劃數(shù)據(jù)管理中心（http：//www.heihedata.org）和寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//westdc.westgis.ac.cn）獲取.最終選用河西地區(qū)的11個(gè)通量觀測(cè)站點(diǎn)，這些站點(diǎn)的土地覆蓋類型包括草地、林地、農(nóng)田、濕地、戈壁和荒漠等.站點(diǎn)詳細(xì)信息見表3，站點(diǎn)位置分布及圖片見圖2.

1.3 研究方法

1.3.1 模型構(gòu)建與優(yōu)選

本研究對(duì)面積定額法、潛水蒸發(fā)法、植被覆蓋度修正蒸散法和水分利用效率修正蒸散法等4種方法在河西地區(qū)的適用性進(jìn)行評(píng)估.站點(diǎn)實(shí)測(cè)的蒸散數(shù)據(jù)用于與衛(wèi)星測(cè)量蒸散數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，與面積定額法、潛水蒸發(fā)法、植被覆蓋度修正蒸散法和水分利用效率修正蒸散法這4種方法中所使用的蒸散數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，并選擇擬合精度最高的一種方法對(duì)河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量進(jìn)行估算.

1.3.2 植被生態(tài)需水量估算

祁連山區(qū)與荒漠-綠洲區(qū)的植被生長(zhǎng)環(huán)境具有明顯的差異［37］，因此本研究在計(jì)算植被生態(tài)需水量時(shí)將研究區(qū)劃分為祁連山區(qū)和荒漠-綠洲區(qū)兩個(gè)子區(qū)域，根據(jù)不同的植被類型和區(qū)域的特點(diǎn)，引入修正系數(shù)來(lái)考慮不同植被類型對(duì)水資源的利用效率.這些修正系數(shù)基于植被類型的覆蓋度數(shù)據(jù)與蒸散數(shù)據(jù)，反映了祁連山區(qū)和荒漠-綠洲區(qū)內(nèi)不同植被類型的生態(tài)需水量與蒸散量之間的關(guān)系.最終，根據(jù)祁連山區(qū)和荒漠-綠洲區(qū)內(nèi)不同植被類型的面積數(shù)據(jù)，結(jié)合修正系數(shù)，估算各自區(qū)域內(nèi)不同植被類型的生態(tài)需水量，即

ETc=fFVC×ET0，（2）

Wv=∑ni=1Ai*ETc，（3）

其中，Wv為植被生態(tài)需水總量，108 m3；Ai為i類植被的面積，km2；ETc為植被生態(tài)需水量定額，m3/km2；fFVC為植被覆蓋度對(duì)蒸散量的修正系數(shù)；ET0為植被蒸散量，mm.祁連山區(qū)與荒漠-綠洲區(qū)不同植被類型與植被覆蓋度的線性擬合方程見表4.

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證與選擇

由圖3可以看出，面積定額法、潛水蒸發(fā)法和修正的蒸散法在河西地區(qū)植被生態(tài)需水量的估算中具有不同的精度，其中，面積定額法估算植被生態(tài)需水量的精度最低（R2=0.73），適用性最差;其次為潛水蒸發(fā)法（R2=0.88），修正的蒸散法精度較高（R2≥0.90），適用性較好.但在修正的蒸散法中，相對(duì)于水分利用效率修正蒸散法（R2=0.90），植被覆蓋度修正蒸散發(fā)的適用性更強(qiáng)，精度更高（R2=0.95）.因此，本研究中選擇植被覆蓋度修正蒸散法對(duì)河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量進(jìn)行估算.

2.2 河西地區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化分析

2.2.1 河西地區(qū)植被覆蓋度空間分布特征

本研究對(duì)河西地區(qū)的植被覆蓋度進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其空間分布進(jìn)行分析（圖4），結(jié)果表明在2000—2020年，河西地區(qū)的植被覆蓋度在空間上呈現(xiàn)出明顯的東南高西北低的分布格局.其中，超過(guò)75%的區(qū)域?yàn)闃O低覆蓋度、低覆蓋度和中低覆蓋度區(qū)域；而中覆蓋度、中高覆蓋度和高覆蓋度區(qū)域占比不到25%；極低覆蓋度的區(qū)域幾乎全部分布在西北部的縣區(qū)，而東南部的縣區(qū)只有零星的少部分區(qū)域出現(xiàn)了這種情況.低覆蓋度的區(qū)域分布較為廣泛，除了白銀市平川區(qū)、蘭州市皋蘭縣、蘭州市紅古區(qū)、蘭州市永登縣沒(méi)有分布外，其他縣區(qū)均有低覆蓋度區(qū)域.中低覆蓋度和中覆蓋度的區(qū)域主要分布在張掖市、武威市、蘭州市和白銀市的一些縣區(qū).而高覆蓋度的區(qū)域主要分布在河西地區(qū)的東南部山區(qū)，即祁連山國(guó)家公園（甘肅片區(qū)）內(nèi).可見，河西地區(qū)的植被覆蓋度以低覆蓋度為主，而高覆蓋度所占區(qū)域面積較少.然而，值得注意的是，21年來(lái)有4.88%的極低覆蓋度、低覆蓋度和中低覆蓋度的區(qū)域逐漸演變成了中覆蓋度、中高覆蓋度和高覆蓋度的區(qū)域，顯示出植被覆蓋度的總體趨勢(shì)在逐漸改善.

2.2.2 河西地區(qū)植被覆蓋度年際變化特征

本研究對(duì)河西地區(qū)2000—2020年的植被覆蓋度年際變化趨勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖5）.結(jié)果表明，盡管在年際變化過(guò)程中仍存在一些波動(dòng)，但總體來(lái)說(shuō)，整個(gè)河西地區(qū)的植被覆蓋度呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢(shì)，植被覆蓋度以大約每年0.002的速率增加.對(duì)不同植被類型的年際變化特征進(jìn)行分析表明，草地的植被覆蓋度以每年0.002的速度顯著增加，林地與農(nóng)田的植被覆蓋度分別以每年0.001和0.002的速率顯著增加.

2.3 河西地區(qū)植被生態(tài)需水量時(shí)空變化分析

2.3.1 河西地區(qū)植被生態(tài)需水量時(shí)空變化特征

在2000—2020年期間，河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量在空間上呈現(xiàn)出明顯的東南高西北低的分布格局（圖6）.草地的植被生態(tài)需水量占據(jù)了整個(gè)河西地區(qū)需水量的54%，是需水量最大的類型；其次是農(nóng)田和林地，它們分別占據(jù)了整個(gè)河西地區(qū)需水量的28%和18%.植被生態(tài)需水量較高的地區(qū)主要分布在河西地區(qū)的東南部，即祁連山國(guó)家公園（甘肅片區(qū)）內(nèi).具體來(lái)說(shuō)，這些地區(qū)包括肅州區(qū)、肅南裕固族自治縣、高臺(tái)縣、臨澤縣、甘州區(qū)、民樂(lè)縣、山丹縣、永昌縣、涼州區(qū)、天祝藏族自治縣、

敦煌市東部以及瓜州縣中部等地區(qū).相反，較低需水量的地區(qū)主要分布在西北部的縣區(qū)，例如敦煌市、瓜州縣、阿克塞哈薩克族自治縣、肅北蒙古族自治縣、玉門市、金塔縣、肅州區(qū)，以及嘉峪關(guān)市和張掖市的部分縣區(qū)，如肅南裕固族自治縣和高臺(tái)縣.東南部的縣區(qū)只有零星的少部分區(qū)域出現(xiàn)了較低的需水量情況，包括武威市民勤縣的東北部和西南部以及武威市天祝藏族自治縣的西部.

根據(jù)2000—2020年河西地區(qū)年平均植被生態(tài)需水量的估算結(jié)果，河西地區(qū)近20年來(lái)植被生態(tài)需水量的年際變化如圖7所示.研究表明，河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量為（173.86±6.10）×108 m3，其中最小植被生態(tài)需水量和最大植被生態(tài)需水量分別出現(xiàn)在2006年（158.94×108 m3）和2019年（185.16×108 m3）.時(shí)間序列分析顯示，河西地區(qū)植被生態(tài)需水量在2000—2002年期間呈現(xiàn)持續(xù)3年的小幅度上升趨勢(shì).隨后，2003—2006年，植被生態(tài)需水量出現(xiàn)了大幅度下降，達(dá)到了該時(shí)段的最小值.在接下來(lái)的2007—2009年，植被生態(tài)需水量有所下降.而在2010—2012年期間，又開始小幅度上升，隨后在2012—2015年期間再次下降.最后，在2015—2019年間，植被生態(tài)需水量連續(xù)5年呈現(xiàn)大幅度上升趨勢(shì)，直至2019年達(dá)到了該時(shí)段的最大值，之后有所下降直至2020年.總體而言，河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢(shì)，且上升速率約為每年0.70×108 m3.

2.3.2 河西地區(qū)地市植被生態(tài)需水量時(shí)間變化

在2000—2020年的20年間，河西地區(qū)的各城市植被生態(tài)需水量的年際變化如圖8所示.結(jié)果表明，蘭州市（部分地區(qū)）、張掖市、武威市、金昌市、白銀市（部分地區(qū)）、嘉峪關(guān)市和酒泉市的植被生態(tài)需水量呈現(xiàn)出逐年上升的趨勢(shì).其中，蘭州市（部分地區(qū)）從2000年的（12.59±0.45）×108 m3增至2020年的13.51×108 m3，平均每年上升0.04×108 m3；張掖市從2000年的（38.25±1.35）×108 m3增至2020年的40.55×108 m3，平均每年上升0.14×108 m3；武威市從2000年的（28.51±1.01）×108 m3增至2020年的30.45×108 m3，平均每年上升0.09×108 m3；金昌市從2000年的（6.01±0.22）×108m3增至2020年的6.44×108 m3，平均每年上升0.02×108 m3；白銀市（部分地區(qū)）從（10.59±0.38）×108 m3增至11.34×108 m3，平均每年上升0.04×108 m3；嘉峪關(guān)市從2000年的（0.77±0.02）×108 m3增至2020年的0.79×108 m3，平均每年上升0.002×108 m3；酒泉市從2000年的（77.13±2.67）×108 m3增至2020年的81.76×108 m3，平均每年上升0.26×108 m3.

綜上所述，2000—2020年間，河西地區(qū)的7個(gè)市中，植被生態(tài)需水量從高到低排列為：酒泉市、張掖市、武威市、蘭州市（部分地區(qū)）、白銀市（部分地區(qū)）、金昌市、嘉峪關(guān)市.根據(jù)線性擬合度分析，嘉峪關(guān)市、金昌市、張掖市、白銀市（部分地區(qū)）、酒泉市的植被生態(tài)需水量呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)（R2≥0.5，Plt;0.05），而蘭州市（部分地區(qū)）與武威市的植被生態(tài)需水量呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)（R2lt;0.5）.

2.3.3 河西地區(qū)不同縣區(qū)植被生態(tài)需水量時(shí)間變化

通過(guò)對(duì)2000年至2020年河西地區(qū)不同縣區(qū)植被生態(tài)需水量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：蘭州市（部分地區(qū)）的植被生態(tài)需水量變化較大的縣區(qū)包括皋蘭縣、紅古區(qū)和永登縣.其中，皋蘭縣的植被生態(tài)需水量從2006年的最小值（2.65×108 m3）上升到2018年的最大值（3.10×108 m3），整體呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)，平均每年增加0.01×108 m3.紅古區(qū)和永登縣也表現(xiàn)出類似的趨勢(shì)，盡管紅古區(qū)的植被生態(tài)需水量較低（約0.19×108 m3），但同樣呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，平均每年增加0.001×108 m3，而永登縣的植被生態(tài)需水量較高（約8.66×108 m3），平均每年增加0.04×108 m3.在張掖市，民樂(lè)縣、山丹縣、甘州區(qū)和臨澤縣的植被生態(tài)需水量變化顯示，這些縣區(qū)的植被生態(tài)需水量在整體上呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其中民樂(lè)縣和臨澤縣的植被生態(tài)需水量相對(duì)較低，平均每年約增加0.01×108 m3.而山丹縣和甘州區(qū)的植被生態(tài)需水量較高，平均每年分析增加0.02×108 m3和0.09×108 m3，顯示出較快的增長(zhǎng)趨勢(shì).武威市的古浪縣、涼州區(qū)和天祝藏族自治縣的植被生態(tài)需水量表明，這些縣區(qū)的植被生態(tài)需水量在2000—2020年總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì).古浪縣的植被生態(tài)需水量在2019年達(dá)到最大（5.19×108 m3），平均每年增加0.20×108 m3，而涼州區(qū)和天祝藏族自治縣的植被生態(tài)需水量的年增長(zhǎng)速率分別為0.03×108 m3和0.05×108 m3.金昌市的永昌縣和白銀市的白銀區(qū)、景泰縣、平川區(qū)的植被生態(tài)需水量也在過(guò)去20年里呈現(xiàn)出不同程度的增長(zhǎng).永昌縣的植被生態(tài)需水量平均每年增加0.02×108 m3，而白銀市的景泰縣和平川區(qū)的增長(zhǎng)速率分別為0.03×108 m3和0.001×108 m3.

總體而言，河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量在過(guò)去20年都呈現(xiàn)上升趨勢(shì).2000—2020年河西地區(qū)各縣區(qū)的植被生態(tài)需水量平均值由大到小依次為：天祝藏族自治縣、永登縣、涼州區(qū)、玉門市、景泰縣、山丹縣、古浪縣、永昌縣、皋蘭縣、民樂(lè)縣、甘州區(qū)、白銀區(qū)、肅州區(qū)、臨澤縣、平川區(qū)、紅古區(qū).

3 討論

3.1 模型應(yīng)用及適用性評(píng)價(jià)

本研究使用面積定額法、潛水蒸發(fā)法、植被覆蓋度修正蒸散法以及水分利用效率修正蒸散法對(duì)河西地區(qū)植被生態(tài)需水量進(jìn)行估算，并對(duì)不同方法的適用性進(jìn)行比較.研究結(jié)果表明，在河西地區(qū)，植被覆蓋度修正蒸散法具有更高的精度和適用性，因此能夠更好地反映不同類型植被的需水量，為地區(qū)水資源管理和生態(tài)保護(hù)提供了科學(xué)依據(jù).

本研究的研究區(qū)域包括石羊河流域、黑河流域以及疏勒河流域的部分地區(qū).在已有研究中，不同研究者使用了不同的方法來(lái)估算這些流域的植被生態(tài)需水量，結(jié)果顯示不同植被類型對(duì)生態(tài)需水量的貢獻(xiàn)存在差異.其中，在石羊河流域中，陳樂(lè)等［38-39］根據(jù)潛水蒸發(fā)法估算石羊河流域1987—2010年草地和林地的植被生態(tài)需水量，發(fā)現(xiàn)其植被生態(tài)需水量分別為（11.35±1.13）×108 m3和（11.44±0.79）×108 m3.在黑河流域，王根緒等［40］基于兩種半經(jīng)驗(yàn)潛水蒸發(fā)模型和植物直接蒸騰模型估算黑河流域下游荒漠綠洲的植被生態(tài)需水量發(fā)現(xiàn)，其植被生態(tài)需水量為（5.47±0.33）×108 m3.潘啟民等［41］基于實(shí)測(cè)蒸散量、潛水蒸發(fā)法和沈立昌公式估算了黑河流域中游人工綠洲區(qū)防護(hù)林（包括農(nóng)田防護(hù)林、 防風(fēng)固沙林和其他防護(hù)林）的植被生態(tài)需水量大約為（2.13±0.04）×108 m3.李曼等［42］通過(guò)潛水蒸發(fā)法和面積定額法估算了1980—2018年疏勒河流域（中下游）的草地和林地的植被生態(tài)需水量分別為（6.65±0.29）×108 m3和（0.50±0.04）×108 m3.這些研究結(jié)果與本研究的估算結(jié)果較為相近，相差范圍在0.29%～10.79%之間，進(jìn)一步驗(yàn)證了我們方法的可靠性（表6）.

3.2 河西地區(qū)植被生態(tài)需水量變化的時(shí)空變化及影響因素分析

在過(guò)去20年里，我們發(fā)現(xiàn)河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量在時(shí)間和空間上呈現(xiàn)出明顯分布規(guī)律.從時(shí)間上看，2000—2020年間，整個(gè)河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)并非一成不變，而是受到年際波動(dòng)的影響，有時(shí)呈現(xiàn)出小幅上升，有時(shí)則呈現(xiàn)出小幅下降，這種變化具有一定的周期性，可能受到多種因素的影響，包括氣候變化、人類活動(dòng)和土地利用變化等［43-45］.河西地區(qū)植被生態(tài)需水量的空間分布格局存在一定的空間異質(zhì)性，東南部地區(qū)的植被生態(tài)需水量普遍較高，而西北部地區(qū)的植被生態(tài)需水量相對(duì)較低，這與地形、氣候、土壤等因素密切相關(guān)［46-47］.這是因?yàn)楹游鞯貐^(qū)的東南部分地區(qū)通常具有較高的植被覆蓋度，降雨量較大，蒸散量較小，因此，植被生態(tài)系統(tǒng)得到了充足的水分供應(yīng)［48］.而河西地區(qū)的西北部分地區(qū)通常處于干旱或半干旱氣候區(qū)，植被稀疏，蒸散量大，降水稀少［49］，因此，植被生態(tài)需水量相對(duì)較低.

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖的趨勢(shì)日益顯現(xiàn)，河西地區(qū)經(jīng)歷了氣溫升高、降水不均等現(xiàn)象，這對(duì)植被生態(tài)需水量的變化趨勢(shì)產(chǎn)生了一定的影響［50］.研究表明，中國(guó)西北地區(qū)正在經(jīng)歷暖濕化［51-52］，氣溫升高與降水增加導(dǎo)致植被覆蓋度增加［53］，使得該區(qū)域的自然植被對(duì)水分的需求不斷增加.植被生態(tài)需水量的時(shí)空變化不僅受到自然因素的影響，還受到人類活動(dòng)的影響，尤其是農(nóng)業(yè)灌溉活動(dòng)［54］.

3.3 生態(tài)環(huán)境變化與未來(lái)展望

河西地區(qū)的植被覆蓋度在過(guò)去20年呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，盡管年際變化存在波動(dòng)，但總體來(lái)說(shuō)，植被狀況正在逐漸改善.這可能與生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策的實(shí)施和人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高有關(guān).然而，仍然需要進(jìn)一步的研究和管理措施來(lái)促進(jìn)植被生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展，保護(hù)水資源和生態(tài)環(huán)境.未來(lái)應(yīng)該繼續(xù)關(guān)注河西地區(qū)的生態(tài)環(huán)境變化，并進(jìn)一步完善植被生態(tài)需水量估算模型，以更好地應(yīng)對(duì)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響.

4 結(jié)論

本研究旨在對(duì)河西地區(qū)植被生態(tài)需水量進(jìn)行估算，為該地區(qū)的水資源管理和生態(tài)保護(hù)提供依據(jù).通過(guò)采集河西地區(qū)11個(gè)通量觀測(cè)站觀測(cè)的植被耗水觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)植被生態(tài)需水模型進(jìn)行驗(yàn)證和標(biāo)定，選取適合該地區(qū)的估算模型——植被覆蓋度修正蒸散法，并結(jié)合野外觀測(cè)數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，對(duì)河西地區(qū)2000—2020年的植被生態(tài)需水量進(jìn)行估算.結(jié)果顯示，河西地區(qū)的植被覆蓋度在空間上整體呈現(xiàn)出明顯的東南高西北低的分布格局，在2000—2020年期間以每年0.002的速率顯著增加.經(jīng)估算，2000—2020年河西地區(qū)的植被生態(tài)需水量為173.86±6.10×108 m3，呈現(xiàn)出東南高、西北低的空間分布格局，主要分布在草地、農(nóng)田和林地等區(qū)域.隨著河西地區(qū)植被覆蓋度的增加，植被生態(tài)需水量呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，每年約增加0.70×108 m3.該研究為河西地區(qū)植被生態(tài)需水量的估算和分析提供了重要的科學(xué)依據(jù)，也為未來(lái)相關(guān)研究提供了參考和借鑒.

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（責(zé)任編輯 馬宇鴻）