區域植被水分適宜性研究：基于中國西南季節性旱災的評述

黃新會，李小英，穆興民，袁 華，梁啟斌，姚 平，于福科

自2010年以來，中國西南地區頻發的季節性旱災，不僅給災區社會經濟和群眾生活造成嚴重影響，而且留給人們無盡的思考與啟發，已成為學術界廣泛關注和不懈探索的重大科學命題［1－2］。尤其是2010年在云南、貴州、廣西、重慶、四川5省（區、市）發生的歷史罕見，跨季節，持續性特大旱災震撼華夏，驚動世界。在旱災發生、發展期間，乃至旱災結束以后，針對旱災成因的討論和爭議從未間斷，其中，關于旱災是“天災”還是“人禍”的爭論尤為激烈。在“人禍”論中，有學者指出：桉樹（Eucalyptus spp.）、橡膠樹（Hevea spp.）的種植是導致旱災的“罪魁禍首”［3－4］。實際上，此前已有學者［5－8］認識到桉樹、橡膠樹種植對生態環境的一些不良影響，也早有桉樹、橡膠樹是“抽水機”等觀點盛傳。然而，這些觀點更多的是一些專家、學者的感性認識或個人見解，尚且缺乏實驗驗證和統計數據的廣泛支持［9］。分析桉樹和橡膠樹，二者均為速生性經濟樹種，都具有水分需求量大的生物學特點。因此，人們迫切需要回答這樣一個科學問題：具有高耗水特性的桉樹、橡膠樹，其在種植區的水分適宜性如何，進一步講，其人工林的生態需水是否適應于區域降水條件（或能否打破區域生態用水的供需平衡）進而導致區域旱災。換言之，區域降水條件是否滿足桉樹、橡膠人工林的生態需水（或能否維持區域水分收支平衡）從而規避旱災。鑒于近年中國西南地區頻發的季節性旱災中蘊藏的重要科學問題，并結合該地區生態環境可持續發展的戰略考量與科技需求，本文主要探討該區域植被水分適宜性，重點分析其研究現狀與發展趨勢，并提出研究建議與主攻方向，以期為未來的植被水分適宜性研究提供指導。

植被水分適宜性研究是以植被生態需水為基礎評價植被生長環境的主要手段。植被生態需水為自然界或人工生態系統的重要需水類型，指為維持植被正常生長或維持植被生態系統健康所需要的水量［10］，是水分適宜性研究的前提和基礎，也是生態需水研究的重要內容。

1 植被（植物）水分適宜性研究概述

水分適宜性是從環境適宜性或氣候適宜性［11］研究中衍生出來的一個專業名詞。其主要表征植被（植物）對環境水分條件的適宜程度，同時也反映環境水分條件對植被（植物）生態需水的滿足程度［12］。在國內，水分適宜性研究可追溯到20世紀80年代我國旱作區作物的水分利用研究和生長環境評價。粗略估計，我國對植被（植物）的水分適宜性研究已有大約30a的發展歷程。這期間，我國學者針對旱作區作物的水分適宜性開展了一些研究。如姚小英等［12］、楊小利等［13］分別指出隴東地區種植玉米、蘋果的水分條件比較優越，年均水分適宜度均在0.5以上；蒲金涌等［14］的研究顯示，1971—2008年甘肅省河東地區夏秋作物水分適宜度均較低；楊東等［15］研究發現，在隴南地區不適宜種植棉花，適宜種植大豆、玉米、小麥，但種植小麥需在其生長中后期進行適量的人工灌溉補水等［16－19］?？墒牵祟愌芯砍晒⒉欢嘁姟z索結果表明，自1990年至今，國內專業學術刊物發表的以水分適宜性（包括水分適應性）為主題的研究論文不足50篇，國外針對水分適宜性（包括水分適應性）的研究論文更為罕見。因此，從整體發展看，水分適宜性研究一直處于“徘徊”狀態，其仍然屬于植物水分利用和抗旱生理研究的一個方向，而沒有發展成為一個獨立研究領域。進一步分析現有的研究成果發現，目前水分適宜性研究的對象、范圍、方法等均比較單一。以國內為例，水分適宜性研究目前僅涉及甘肅、陜西、寧夏、山西等地區的主栽作物（如小麥、玉米 ）［12，14－15］及 少 數 經 濟 林 物 種 （如 蘋 果、杏、桃）［13，16－17］等，研究方 法局限于模型計算，即根據大氣降水量和植物生理需水量的大小關系選擇相應的數學公式計 算 水 分 適 宜 度［12－14，16－17］或 采 用 模 糊 數 學方法構建水分適宜度隸屬函數進而計算函數值［15，18－19］（表1）。表明近30a世界范圍內植被（植物）水分適宜性研究之發展極其緩慢。在多發季節性干旱的中國西南地區，植被（植物）水分適宜性研究基本是一片空白。然而，基于人工植被構建的區域生態恢復與環境可持續發展對相應科學技術的需求力度卻在逐年增加。無疑，植被（植物）水分適宜性研究徘徊不前的發展現狀已成為影響區域植被建設與生態恢復的重大障礙。加強植被（植物）水分適宜性研究的廣度和深度并推動其向縱深發展已迫在眉睫。

2 植被生態需水研究的理論、方法與實踐

生態需水研究源自20世紀40年代美國為維持河道內魚類生存而開展的河道基流（base flow）研究，之后發展到河岸帶生態需水研究，直到現在開展的流域、區域尺度上的生態需水研究。我國生態需水研究始于20世紀90年代西北干旱區生態恢復與重建研究。近年，隨著理論研究和實踐應用的發展，生態需水研究已分化出側重于生態學、環境學、水文學的3個研究方向；同時，伴隨流域、區域生態需水研究的快速發展，植被生態需水研究也獲得較大發展。以國內為例，近年植被生態需水研究的主要進展有4個方面。

（1）基本厘清了生態需水的相關概念及其相互關系。如鄭紅星等［20］科學界定了生態需水、生態儲水、生態用水、生態缺水、生態耗水、生態退水等基本概念（表2），并提出兩個基本關系式，分別為：

生態缺水＝生態需水－生態儲水－生態用水

生態退水＝△生態儲水＋生態用水－生態耗水

表2 生態需水相關概念釋義

（2）初步建立了相對統一的生態需水分類體系。經過多年探索，并在區分生態需水與環境需水［21］的基礎上，我國已初步建立起相對統一的生態需水分類體系。如依據需水的地理位置劃分出河道內生態需水和河道外生態需水［22］，依據需水的實際來源劃分出降水性生態需水和徑流性生態需水［23］。這些分類體系已被普遍接受和應用。

（3）完善和發展了生態需水的基本理論和計算方法。根據胡廣錄等［24］、胡廣錄和趙文智［25］對諸多研究成果的綜合分析，植被生態需水的基本理論有生態適宜性理論、系統閾值理論、水文循環和水量平衡理論、農業氣象學理論，植被生態需水的計算方法有面積定額法（直接計算法）、潛水蒸發法（間接計算法）、基于植物蒸散發量的計算法、水量平衡法、基于生物量的計算法、基于遙感技術的計算法。這些理論和方法已在生態需水研究中得到廣泛應用。

（4）廣泛開展了典型區域植被生態需水的個案研究。如先后計算了額濟納荒漠綠洲植被［26］、晉西黃土丘陵區植被［27］、石河子墾區植被［28］、大渡河流域作物［29］、典型 喀 斯 特 區 林 地［30］的 生 態 需 水，等 等［31－33］。事實上，近年植被生態需水研究已遍及湖泊（濕地）、河口（三角洲）、綠洲、灌區（墾區）、丘陵（溝壑、河谷、沙漠、盆地、平原、高原）、島嶼、城市、流域（區域）等各類生態系統（表3）并跨越不同研究尺度，表明植被生態需水研究廣度和深度都較以前有很大提升。不過，目前植被生態需水研究尚局限于干旱、半干旱區植被，而對其它氣候區植被生態需水的研究顯著偏少。如針對中國西南地區，目前僅見到對大渡河流域作物［29］和喀斯特區林地［30］的生態需水研究。這種研究狀況不利于區域植被建設和生態恢復以及水資源人工調控。在水資源供需矛盾日益加劇的未來，盡快打破植被生態需水研究的地區不平衡性已顯得刻不容緩。

國外生態需水研究也在多方面取得進展，因篇幅限制，這里不再贅述。

表3 中國大陸境內區域植被生態需水研究典型案例

3 區域植被類型與區域干旱的關系研究

根據氣侯學和植物地理學的基本原理，一個地區的氣候條件在很大程度上決定著該區域擁有何種植被類型；反過來，不同植被類型也對區域氣候環境產生一定的反饋調節作用。然而，區域氣候條件和區域植被狀況都不可避免地受人類活動（如土地利用）的高度影響［34－35］。據此，不難看出區域植被類型與區域干旱之間的復雜關系。實際上，區域植被類型與區域干旱的關系是一項跨區域、跨學科的研究命題。目前，在區域生態學、全球生態學領域產出了一些有關人類活動與氣候變化關系的研究成果，但在植被生態學、水文與水資源領域鮮有區域植被類型與區域干旱關系的研究報道。所幸，多年以來國內外對植被蒸騰耗水特性及其生態水文效應的研究在穩定推進和持續發展。如對干旱、半干旱區植被蒸騰耗水的研究已由單一物種蒸騰速率（強度）的簡單測定發展到對其環境影響因素的分析［36］，以及大尺度研究方法（如尺度轉換、模型計算）［37－38］的開發，人工調控技術手段（如地表覆沙）［39］的應用等綜合研究，實驗物種已涉及區域特有生態恢復物種［40］、景觀綠化物種［41］、經濟作物［42］等，研究尺度也由個體延伸至生態系統（如林分）。植被的生態水文效應如植被對降雨的截留作用［43－44］、對地表徑流和土壤侵蝕的削減作用［45－46］，對土壤水分的保蓄作用［47－48］，對受損環境的修復與改良作用［49－50］，對微環境氣候的調節作用［51－52］等已被廣泛研究和不斷認知。這些基礎研究已為日后探索區域植被類型與區域干旱的關系創造了一定的研究條件，將有助于該領域的科學研究在未來取得重要突破。

上述分析表明，近年植被水分適宜性研究既取得一定進展，如植被生態需水基礎理論比較完善、計算方法較為多樣；當然，也遺留不少問題，如植被生態需水研究存在區域不均衡性，以植被生態需水計算為基礎的植被水分適宜性研究進展緩慢和成果缺乏，區域植被類型與區域干旱的關系研究面臨跨區域、跨學科聯合攻關的挑戰。

4 結論

基于中國西南地區植被水分適宜性研究嚴重滯后的現狀和亟待加強該領域研究工作的迫切需求，同時考慮到該地區多發的季節性旱災以及社會各界對桉樹林、橡膠林等人工植被生態環境效益的質疑和爭議，建議日后從多學科交叉的角度、應用生態需水基本理論與計算方法對云南省典型植被的水分適宜性及其生態需水與區域干旱的關系開展專項研究。該研究有望揭示云南省典型植被的水分適宜性及其生態需水與區域干旱的關聯程度，對于區域旱災成因的科學認知、水資源的科學配置以及植被恢復與重建等具有深遠指導意義。其主攻方向和重點研究內容為：（1）區域典型植被的生態需水及其歷史演變。借助不同歷史年代（如1960年以來的各個年代）或不同歷史年份（如1960年以來的各個年份）各個研究區的歷史氣象資料，并結合某一時期（如1960年）以來云南省典型植被類型的歷史演變與分布格局的研究成果，采取目前比較認可的植被生態需水計算方法，如聯合國糧農組織（FAO）推薦的作物系數法，研究掌握不同歷史年代（年份）區域典型植被的生態需水及其歷史演變規律。（2）區域典型植被水分適宜性及其歷史演變。在確定不同歷史年代（如1960年以來的各個年代）或不同歷史年份（如1960年以來的各個年份）各個研究區典型植被的生態需水量并掌握相應歷史年代（年份）區域降水量的基礎上，構建基于植被生態需水量和大氣降水量的區域典型植被水分適宜度計算模型，研究確定不同歷史年代（年份）區域典型植被的水分適宜性及其歷史演變規律。（3）區域典型植被水分適宜性與區域干旱的關系。假定區域典型植被水分適宜性以及區域降水量、大氣溫度、水汽蒸發量等共同影響并決定區域氣候條件和干旱程度，應用多元統計分析方法，對比分析不同歷史年代（年份）區域典型植被水分適宜性與區域干旱指標的關聯性、區域降水量與區域干旱指標的關聯性、區域大氣溫度與區域干旱指標的關聯性，以及區域水汽蒸發量與區域干旱指標的關聯性，最終探明區域典型植被水分適宜性的時空演變是否與區域干旱密切關聯，同時掌握區域典型植被水分適宜性對區域干旱指標的影響程度與其它主要干旱因子之間的差異。

致謝：本文的撰寫得到西北農林科技大學宋松柏教授、張廣軍教授以及中科院水利部水土保持研究所張興昌研究員、王占禮研究員、馬永清研究員的大力支持與幫助，在此向他們致以衷心和誠摯的感謝。

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