干旱區生態用水和土壤植被承載力綜述

李亞軍，金一鳴，余新曉，史 宇

（北京林業大學 水土保持學院，北京 100083）

干旱區生態用水和土壤植被承載力綜述

李亞軍，金一鳴，余新曉，史 宇

（北京林業大學 水土保持學院，北京 100083）

干旱區的生態恢復與植被建設均受到水分的嚴重制約，生態用水和土壤水分植被承載力的研究均為實現地區可持續發展的重要一環。生態用水影響土壤水分補給量，而土壤水分補給量是制約土壤植被承載力的因素之一。因此提高土壤植被承載力需要保證干旱區生態用水總量，而森林植被有保持水土、調節地表徑流、增加入滲的功能，能夠使得干旱區生態用水量增加，從而提高土壤植被承載力，形成良性循環，最終達到生態系統的穩定。綜合提煉多篇相關文獻的觀點，從生態用水和土壤植被承載力的概念、研究發展現狀、在植被建設的指導意義3方面綜合闡述，討論了生態用水以及土壤植被承載力的內在聯系。

干旱區；生態用水；植被承載力；自然環境

人類社會經濟的發展以物質的繁榮為標志，從某種程度上來說，就是對大自然資源的掠奪，也就是說人類社會的生存和發展要求自然環境有相應的付出。而其中人與自然水資源的矛盾尤為突出。水是人類生產生活以及一切生物賴以生存的基礎，而與此同時，自然環境在維持自身平衡時也需要水的維持，人類水需求的增長必然造成了自然環境的付出。人類在自身發展的過程中過于輕視生態環境用水需求，使得生態環境不斷惡化。我國干旱區占國土面積的30.8%，氣候干旱，降雨稀少，降水時空分布差異大，多風沙，日照強。由于對脆弱的生態環境缺乏保護，現今干旱區產生了河流短縮、湖泊干枯、植被衰退、沙漠化加劇、鹽漬化等諸多生態問題［1］。

為此，我們需要重視生命支撐系統的生態用水，合理配置有限的水資源，達到人與自然和諧共處。森林植被能涵蓄降水，減少豐水期徑流量，增加枯水期流量，改善水質，控制土壤侵蝕。同時，森林植被的蒸散等生理活動需要消耗部分水量，從而使得總水量減少［2－3］。因此，植被的覆蓋率對自然環境生態用水量的影響極大，自然環境的生態用水量有遏制其不再退化的最小生態用水量和水熱最佳配備的標準生態用水量［2］。土壤植被承載力是一定條件下單位面積某種生物個體存在的最大值。干旱區降水量少，植被覆蓋率低，植被吸收利用土壤水分的主要補充來源是當地的天然降水。因此水分是限制植物生長的決定因子，土壤植被承載力的實質是土壤水分承載植被的能力。土壤植被承載力的高低影響了植被的覆蓋率，而森林植被影響生態用水量的大小。從根本上開始重視生態用水與植被建設，才能有效改善干旱區的生態環境，為人類社會的可持續發展提供有力保障。

1 生態用水概念、研究現狀與干旱區植被建設

1.1 生態用水概念

生態用水，又稱生態環境用水、環境用水、生態需水、生態耗水，目前為止還未有明確的定義。然而在生態用水概念的使用上都有一定的共同點，即生態用水指維持或改善生態系統環境所消耗的水分，包括無效蒸發等一些不被計入水資源計算的水分。在概念使用上的主要分歧在于生態用水的尺度與生態用水的范疇。實際研究應用中，往往根據需要賦予其不同的含義。生態系統耗水理論中，用水與需水是兩個概念，其定義更為狹義，僅指地球上依賴于水生存和發展的動植物所消耗的水量［4］。其尺度為整個生態系統，然而生態用水范疇卻未包含水循環中的用水。在水資源計算中，狹義定義為維持生態系統完整性所需要的水資源總量，其尺度是區域生態系統，生態用水范疇包括地下水、地表水、降水等用于水循環的水資源，在科學研究中便于計算，因此被廣泛應用。從生態環境從廣義的角度講，指維持地球化學平衡諸如水熱平衡所消耗的水分，尺度仍是區域生態系統，然而植被蒸散、動物飲水等均被計入生態用水范疇中［5］。也有人認為生態用水是維持全球水分平衡所需要的水［6］，包括水熱平衡、水鹽平衡、水沙平衡、水量供給平衡［1］，其尺度是全球生態系統，生態用水范疇為生態系統中一切用水［7－9］。

生態用水的概念描述根據研究的不同歸納起來有3種內涵：（1）自然地理平衡說法，即生態用水指維持自然某種平衡而需要的水分，多見于研究區域生態環境和綜合報告中的有關論述；（2）生態系統穩定說法，即維持或改善生態系統而需要的水分，其實質屬于生態學范疇，多用于生態學相關方面研究；（3）水資源計算，即忽略一些難以統計或無關生態系統穩定的水分，多用于計算生態用水量［7－8］。綜合現階段研究成果以及文獻，生態用水的概念可以概括為自然生態系統在無人為干擾的情況下，維持其自身穩定發展所消耗的最小的水分或水資源總量［7－10］。

1.2 生態用水研究的發展過程

相關理念的研究早在20世紀40年代美國漁業和野生動物保護組織避免河流生態系統退化開始，之后不斷發展完善［10］。生態用水一詞是我國學者在20世紀80年代末在研究塔里木盆地水資源與綠洲建設時首次提出［11］。賈寶全以新疆為例，對干旱區生態用水的概念、分類等理論問題進行了較詳細的探索，依據綠洲生命支持系統的來源，將干旱區生態用水分為人工綠洲內與人工綠洲外兩大類8個小類［12］。可以說這是目前為止有關生態用水概念與分類方面最為詳盡的研究成果。李麗娟等在對河流系統生態環境需水量界定的基礎之上，概算了海灤河流域生態環境需水量［13］。王讓會等根據塔里木流域地下水、土壤水、植物生長與生態環境狀況之間的定量關系研究，界定了合理的生態水位，并應用植被耗水定額及定額法估算塔里木流域“四源一干”生態需水量［14］。張思玉等在研究西北干旱區生態用水問題時，提出生態用水不僅包括全球范圍內的水循環還包括人類對自然干擾過程中的水資源再分配［15］。黃強等在研究黃河生態用水綜合評價時，完善了河流生態用水質與量綜合評價模型，并以此對黃河2002－2005年為例進行了分析，標明黃河的改善必須控制污水排放［16］。王玉娟等在研究黃河三門峽地區植被生態用水時，構建了適用于流域尺度植被生態水文模型，對不同植被的綠水資源消耗進行了分析，為三門峽地區植被結構整改提供了方案［17］。然而，對生態用水的研究缺乏系統和權威的認定，概念模糊，在生態環境與水資源關系上的研究也無法確定其價值，需要進行進一步的量化研究。

1.3 生態用水與干旱區植被建設

生態用水即生態系統對水的需求，生態系統的穩定少不了水資源的消耗，同時人類社會的發展也少不了水資源的消耗，如何處理好兩者對水資源需求的關系是我們研究的核心。而在干旱區與半干旱區，生態環境脆弱，容易受到人為的破壞，支撐生態環境的用水顯得尤其重要，在進行水資源與生態環境規劃與管理時，要首先考慮生態用水問題。然而對生態用水的忽視使得導致多數地區過度開發，占用生態用水，使得生態環境不斷惡化，形勢異常嚴峻［18］。生態環境的惡化會使得可利用的水資源總量減少，導致生態系統的衰退形成惡性循環，最后威脅到人類的生存與發展空間。因此為了人類和自然的和諧共處與發展，必須加強對生態用水的研究，提高人們對其認識，將生態用水放在發展規劃的重要位置［19］。

植被是生態系統中最基本的組成部分，其正常生長和更新必然會消耗一定水分，這是植被生態用水的基礎。生態環境用水量的保障途徑和措施主要在于系統中植被的恢復和保護。植被可以改善水循環條件，調節氣候，減少地表徑流涵養水源，增加入滲，提高土壤含水率。植被建設是針對生態環境正在惡化或衰竭的地區，以改善和恢復生態環境為目的，采用一定的人工措施，使得植被能夠短時間恢復，從而改善生態環境，增加生態用水量［5，17］。

2 土壤植被承載力概念內涵、研究現狀與干旱區植被建設

2.1 土壤植被承載力概念及內涵

土壤植被承載力是指單位面積土壤所能承載植物的最大負荷。承載力屬于物理學范疇，它是用于控制和限制發展的一個常用概念［18］。在水資源緊缺的干旱半干旱地區，土壤水分往往不能滿足密集的森林植物群落的正常生長需要，因此土壤植被承載力的大小受到水分的制約。具體來說，為便于分析土壤植被承載力與水分之間的聯系，一般假定其他土壤因素非土壤植被承載力限制因素。土壤植被承載力即是在維持群落正常生長前提下，土壤水分補給量大于植被的消耗量。一年內土壤能夠承載植被的值稱為臨時土壤植被承載力，多年內土壤植被能夠承載植被的值稱為穩定土壤植被承載力［19］。在研究和實踐中，穩定土壤植被承載力更利于對水資源的規劃利用、合理的植被種及其種植密度和植物群落的正常生長。

2.2 土壤植被承載力的研究現狀

土壤植被承載力在干旱的水分制約型地區為研究熱點，主要集中于干旱區的承載力大小、植被的種類、密度選擇以及其中關系的研究。郭忠升等在研究檸條和土壤水分的關系時，初步探究了密度與林分生產力、土壤水分補給和消耗量的定量關系以及土壤水分植被承載力的確定方法，并指出土壤植被承載力是以解決土壤旱化問題而提出，在脆弱的環境下植被承載力需要進行長期的研究［20］。曹軍勝等在研究黃土區土壤植被承載力與植被生態恢復時指出，植被密度過大、群落生產力過高會導致以土地旱化為主要特征的土壤植被承載力下降，從而干旱區的生態恢復與植被建設應以土壤植被承載力為前提，恢復并維持迅速穩定提高生產力的中間狀態［21］。田有亮等在研究烏蘭布和沙漠土壤植被承載力時，建立基于水量平衡原理的土壤水分動態模型，模擬計算該地區植被在不同葉面積指數下土壤水分動態變化和保證植物生存前提的土壤水分虧缺值，為評價具體區域的土壤植被承載力做出了示范［23］。王延平等在研究陜北黃土丘陵溝壑區杏林地土壤植被承載力時，根據立地條件與杏林地連續3a的降雨、林冠截流、地表徑流、土壤水分的觀測結果，得出了該地區自然降水與土壤水分及林地生產力的關系［24］。這表明了植被承載力在實際生產中的理論指導價值。此外，各種研究表明土壤植被承載力根據土壤水分生態分區和植被分布規律而不同，各地區的實際情況因具體問題具體研究應用［21－25］。

2.3 土壤植被承載力與干旱區植被建設

自然生態系統的恢復是以植被的建設和恢復為基礎，而植被的建設與恢復帶有人的主觀性、目的性。植被的生長需要從土壤中汲取水分，土壤含水量的高低制約植被的生長，從而影響植被密度。植物根系吸收和利用的土壤水分量小于等于土壤水分補給量時，植物群落發展正常。當消耗土壤水分過快，就會使得土壤含水量接近凋萎濕度，產生土壤旱化的現象。除此之外，植被建設中植被選擇不當，生產力過高也會引起土壤旱化。土壤退化使得植被承載力下降，植物死亡，形成土壤退化惡性循環［25］。由此，尋找土壤水分與植被密度的平衡為維持生態系統可持續發展的關鍵，而土壤植被承載力是為了解決土壤旱化為主要特征的退化現象的形勢下提出，其研究為土壤水分與植被生長相互調控以及合理利用提高依據，同時也可為植被地帶性劃分提供資料［21－22，26］。土壤植被承載力必須在了解地區氣候的前提下，研究植物生長與土壤水分的相互關系。

3 生態用水和土壤植被承載力的聯系

干旱區生態用水和土壤植被承載力均屬于水資源的矛盾。生態用水屬于在干旱區水資源總量一定的情況人類活動用水與自然界維持平衡完整性用水的矛盾，研究能夠加深人們對生態用水的重視，而不是一味追求經濟的發展。土壤植被承載力則是土壤水分補給與植物生長需水的矛盾，兩者相互作用維持生態系統的平衡穩定。宏觀上看，生態用水也是土壤植被承載力的影響因素之一。土壤水分補給量是決定土壤植被承載力大小的物質基礎，因此在確定其承載力大小前需要確定天然降水與土壤水分補給的關系，以及土壤水分消耗量與植物生長的定量關系［23］。在水資源總量一定的前提下（立地條件相同），生態用水越多，土壤水分的補給量越多，從而使得土壤植被承載力提高。此外，植被的種類、生長發育階段等都會影響土壤植被承載力［20－25］。一般觀點認為植被能夠保持水土，減少地表徑流，增大入滲率，從而改善小氣候環境。然而過多的植被則會導致土壤的旱化，即植被根系需水過多，導致土壤水分含量至凋萎系數［21－22，25，28］。土壤承 載 力受土壤含水量 及 補 給 量 影響較大，根本上說是人類、動植物、自然環境三者用水的矛盾。

4 研究展望

近幾年雖然有關生態用水及土壤植被承載力的研究突飛猛進，然而仍需要我們積極探索。從研究趨勢來看，將來會集中于以下幾個方面：（1）干旱區生態用水概念，即生態用水尺度和范疇的統一，從而為研究其他問題奠定基礎。（2）干旱區生態用水的計算、核算方法，以及在實際中應用，包括生態用水調查、監測、控制，同時也使得生態用水研究量化。（3）生態用水在植被建設的影響，從而指導干旱區的生態恢復，提高人們的環保意識以及對于生態用水的重視，為可持續發展鋪平道路。（4）土壤植被承載力的研究需要集中于具體干旱區土壤植被承載力的計算，以及立體承載力模型的建立，對干旱區的土壤水分、土壤水分補給量、土壤植被承載力等實現動態監測、控制。（5）土壤植被承載力與生態用水、土壤水分等水資源的關系問題有待進一步完善，為干旱區生態系統的恢復與可持續發展指明方向。

作為生態學與水文學交叉的一項研究領域，生態用水及植被承載力研究的前景廣大，但仍需我們積極探索，將研究量化細化實用化，為恢復干旱半干旱區的生態系統奠定基礎。

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Reveiws on Ecological Water and Soil Water Carrying Capacity in Arid Regions

LI Ya－jun，JIN Yi－ming，YU Xin－xiao，SHI Yu
（College of Soil and Water Conservation，Beijing Forestry University，Beijing100083，China）

Ecological restoration and vegetation construction are severely restricted by water supply in arid regions.Study on ecological water and soil water carrying capacity has become the key to realize sustainable development.Ecological water influences soil moisture recharge，which is one of the key factors that restrain soil water carrying capacity.Improvement of the soil water carrying capacity has been a guarantee for ecological water in arid regions.In addition，forest vegetation could conserve soil and water，adjust surface runoff and increase infiltration，which add to the amount of ecological water in arid regions.Therefore，soil water carrying capacity will be increased，which will create a virtuous circle and lead to a stable ecosystem.This study summarized the related literature references and discussed the relationship between ecological water and soil water carrying capacity from three aspects including concepts of ecological water and soil water carrying capacity，current development status and importance in vegetation construction.

arid region；ecological water；vegetation carrying capacity；natural environment

TV213.4

A

1005－3409（2011）06－0268－04

2011－06－16

2011－07－17

“十二五”國家科技支撐計劃項目“三北地區水源涵養林體系構建技術研究與示范”（2011BAD38B05）；林業公益性行業科研專項經費項目“典型森林植被對水資源形成過程的調控研究”（201104005）

李亞軍（1990－），女，本科生，專業為水土保持與荒漠化防治。E－mail：yajun.li412＠gmail.com

余新曉（1961－），男，教授，主要從事水土保持方向的教學和研究工作。E－mail：yuxinxiao＠bjfu.edu.cn