寧夏固原城鄉飲水水源工程受水區林地生態環境需水量研究

李金燕+張維江

摘要：對固原城鄉飲水水源工程受水區降雨消耗性林地及徑流消耗性林地生態環境需水量進行研究，首次采用桑斯維特模型和彭曼-蒙特斯模型同時計算生態環境需水定額，并對兩種模型計算結果進行了對比評價，認為彭曼-蒙特斯模型是綜合了各種氣象因素以及地理位置因素的計算方法，結果更具合理性，而桑斯維特法對于夏季林地潛在蒸散量的計算結果與彭曼-蒙特斯結果接近，在資料缺乏地區的夏季植被潛在蒸散量的計算中可采用該法。通過對受水區林地生態環境需水量的研究計算及降雨資源平衡分析，認為位于中部干旱帶的海原縣以及位于南部山區降雨稀少的西吉縣降水消耗性林地的最小和適宜生態環境需水量均不能得到滿足；而位于南部山區降雨相對較豐富的彭陽和原州區各類林地最小生態環境需水量均能得到滿足，而適宜生態環境需水量均不能得到滿足。各縣區徑流消耗性人工林地需水依靠降雨不能得到滿足，均需人工配水。

關鍵詞：受水區；林地植被；生態環境需水

中圖分類號：TV213.9 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）01-0063-05

Eco-Environmental Water Demand of Woodland in Reception Basin of Urban and Rural Drinking Water Source Engineering of Guyuan，Ningxia Province

LI Jin-yan，ZHANG Wei-jiang

（School of Civil and Hydraulic Engineering/Engineering Technique Research Center for Water Saving Irrigation and Water Resources in Ningxia，Yinchuan 750021， China）

Abstract： Based on studies of ecological water demand of rainfall attrition woodland and artificial forest land in urban and rural water engineering reception basin of Guyuan， basis for ecological restoration and reasonable utilization of water resources was provided. Firstly using Thornthwaite model and Penman-Montieth model to calculate the eco-environmental water requirement quota， and the two kinds of model calculation results were compared. Results showed that Penman-Montieth model was more rational because it integrated all sorts of meteorological factors and the geographical position factors. Through the rainfall resource equilibrium analysis， results showed that minimum and suitable ecological water demand could not be satisfied for precipitation attrition woodland relied on natural precipitation in Haiyuan county located in the central arid zone and Xiji county in the southern part of the mountain area. All kinds of forest land minimum ecological water demand can be satisfied and appropriate ecological environmental water demand was not being met Pengyang and Yuanzhou county located in the southern mountainous area. Runoff attrition artificial forest land water demand relying on rainfall can not be satisfied. Artificial water distribution was needed in all counties.

Key words： reception basin； forest land； ecological and environmental water requirement

收稿日期：2013-01-30

基金項目：國家自然科學基金項目（51269022）

作者簡介：李金燕（1976-），女，寧夏平羅人，副教授，在讀博士生，研究方向為水資源調控，（電話）15009661316（電子信箱）lijinyan@163.com。

在生態環境日益惡化的干旱半干旱地區，植被（林地）作為生態環境治理的一項重要措施，近年來其生態環境需水的研究越來越受到人們的關注。寧夏固原城鄉飲水水源工程是將涇河流域寧夏境內豐富的地表水向北輸送到寧夏中南部干旱缺水地區的原州區、西吉、彭陽、海原縣（以下稱受水區）。受水區域屬黃河中游黃土高原丘陵溝壑區，干旱少雨，水土流失嚴重，生態環境極其脆弱，固原城鄉飲水水源工程的實施是解決受水區干旱缺水的根本舉措。然而，這一舉措給受水區水資源帶來了新的要求，即如何在生態環境需水研究基礎上，結合引水工程對多種水資源合理配置進行全面和系統的研究，從而實現受水區生態效益、社會效益、經濟效益最大化。面對這一現實情況，本研究首先對受水區林地植被的生態環境需水量進行系統的研究分析，從而為更好地對受水區水資源綜合利用以及改善生態環境進行綜合決策奠定基礎。

1 植被（林地）生態環境需水量的界定

從生態需水研究的意義及水資源管理的角度來說，天然植被（林地）生態系統生態需水主要來源于大氣降水。而人工植被等生態環境需水主要來源于地表徑流和地下水，也就是通常統計的水資源部分。雖然天然植被影響區域生態系統的水分循環和水量平衡，但對區域水資源總量的影響較小，因此包括天然植被在內的幾類生態系統水量需求可稱為廣義的生態環境需水；而不包括天然植被，依靠地表徑流或地下水資源保證生態環境需水的其他植被以及生態系統水量需求為狹義的生態環境需水，它直接參與水資源的分配與調控，也很容易被工業用水、農業用水等經濟水量所擠占。由于天然植被生態環境需水核算也可為水土保持、生態恢復和生態建設的用水核算提供依據，因此本研究基于生態系統的完整性及核算的方便性考慮，在核算人工植被生態環境需水量的同時也核算了天然植被生態系統的生態環境需水量。

2 受水區林地生態環境需水定額的確定

2.1 計算方法的選擇和確定

關于對林地生態環境需水量的計算目前應用比較廣泛的是直接計算法，即林地生態環境需水定額與面積相乘，但其中最為關鍵的是不同林地類型生態環境需水定額的確定[1]。由于研究的局限，直接監測受水區林地類型蒸散量或者灌溉用水量來確定其需水定額在實際操作中難以得到實現，因此本研究擬采用目前應用最為廣泛的理論計算方法，即根據林地生態系統的主要水分支出項——潛在蒸散，同時考慮林地種類的差異，來計算不同區域林地的生態需水定額，這種方法使不同區域之間在空間上的差別通過氣候因子、土壤類型的變化得到了體現。當前計算林地潛在蒸散量的方法主要有桑斯維特計算法以及彭曼-蒙特斯法，這兩種方法在干旱區林地潛在蒸散量的計算中都得到了廣泛的應用，但極少有研究將兩種方法的計算結果進行對比分析，從而明確各自在區域的實用性。本研究試圖采用彭曼-蒙特斯模型及桑斯維特算法同時計算區域的潛在蒸散量，并互相校驗計算的準確性，進一步選取合適的計算結果。

2.2 潛在蒸散量的計算比較

2.2.1 桑斯維特（Thornthwaite）模型計算 桑斯維特法是根據美國中部干旱地區資料建立的，其特點是計算方便，僅需要區域多年平均氣溫資料即可，主要用于干旱半干旱地區的春、夏季節計算較為準確。國內許多干旱半干旱地區林地的生態環境需水量的計算都采用這種方法，其模型[2]為：

ET0=k×16.2（10×T/H）A。

其中： H=■；h=（■）1.514；A=6.75×10-7H3-7.71×10-5H2+1.79×10-2H+0.49。

式中： ET0為區域月潛在蒸散量（mm）；H為熱量指數，等于12個月的和；h為月熱量指數，當T≤0 ℃時，h=0；T為月平均氣溫（℃）；A為指數，是年熱量指數的非線性函數；k為訂正系數，根據緯度專用表來確定。通過收集研究區域氣溫資料，采用桑斯維特法計算結果見表1。分析計算結果，由于研究區域各縣區1月、2月以及12月氣溫都在0 ℃以下，土壤處于冰凍狀態，樹木生命活動趨于停止，這段時間樹木的蒸騰作用耗水量為0，所以本研究林地生態環境需水量的計算時段主要是3～11月份。因此表1中僅列了3～11月的蒸散值。

2.2.2 彭曼-蒙特斯（Penman-Montieth）模型計算[3] 彭曼-蒙特斯模型計算林地潛在蒸散量ET0，主要用以表示氣候對植被需水量的影響。根據1992年國際糧農組織對參照作物需水量的重新定義，國際糧農組織（FAO）和國際灌排委員會（ICID）等組織推薦采用的Penman-Montieth方法進行計算參考作物需水量。ET0的計算只需氣象資料即可，所需氣象資料有氣象站地理位置（經度、緯度、高程）、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日照時數、2 m處風速、多年平均降水量。

Penman-Monteith模型：

ET0=■

式中：ET0為參考作物蒸散量（mm/d）；Δ為飽和水汽壓ea與溫度曲線的斜率（kPa/℃）；Rn為作物表面的凈輻射量；G為土壤熱通量[MJ/（m2·d）]；γ為干濕表常數（kPa/℃）；T為平均日或月氣溫；u2為2 m處的平均風速（m/s）；VPD為2 m高處水汽壓虧缺量，VPD=ea-ed，ea和ed分別為飽和、實際水汽壓。本次計算中參考作物蒸散量計算根據水科院研發的“省灌溉用水有效利用系數測算分析管理系統”軟件，結合Penman-Monteith模型，通過輸入區域逐日最高氣溫、日最低氣溫、日平均濕度、日照時數、2 m處風速、日平均降雨量，可以算出區域參考作物蒸散量ET0。考慮林地植被的生長規律，對比桑斯維特模型的計算結果，彭曼-蒙特斯的計算結果僅統計3～11月的潛在蒸散量，結果見表1。

2.2.3 潛在蒸散量的比較確定 對比表1中結果可知除彭陽縣外各縣區兩種方法計算的潛在蒸散量有相同的變化規律，即由大到小的排列順序依次為：海原、原州、西吉，說明兩種計算結果都具有一定的合理性。但兩種方法計算結果相差較大，其中彭曼-蒙特斯的計算結果遠大于桑斯維特法。從表中計算結果還可以看出桑斯維特法計算結果各月份4個縣區的差異都不大，而彭曼-蒙特斯法各縣區差異較大，本研究認為產生這一差異的主要原因為彭曼-蒙特斯模型是綜合了各種氣象因素以及地理位置因素得出的結果，而桑斯維特法僅考慮氣溫因素對區域潛在蒸散量的影響，這也是桑斯維特法計算結果縣區間差異不大的原因，因此彭曼-蒙特斯法計算結果更具真實可靠性，本研究采用彭曼-蒙特斯的計算結果。同時由圖1可知，氣溫最低的11月份兩種方法計算結果相差比例最大，相差比例均在85%～100%之間；其次是氣溫較低的3月份，兩者相差比例在80%左右；再次為氣溫較高的4、5月份以及10月份，相差比例在60%以下。而氣溫最高的6、7、8、9月份，兩種方法計算結果最為接近，相差比例在20%～30%之間，說明桑斯維特法用于夏季潛在蒸散量的計算結果相比其他季節更為合理。

2.3 植被生態環境需水定額的確定

通過計算林地的潛在蒸散量ET0，然后利用具體林地植被的植物需水系數Kc以及各區土壤類型修正系數Ks的修正，便可得到該植被的實際需水定額，如下式所示。

ETC=ET0×Kc×Ks

式中：ET0為計算時段內植被的潛在蒸散量； ETC為植被實際生態環境需水定額；Kc為相應時段植被需水系數；Ks為相應區域的土壤修正系數。

由上式可見，在潛在蒸散量計算基礎上，確定實際需水定額的關鍵是確定需水系數及土壤修正系數。清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室的儲蓓等[4]針對干旱半干旱地區林草植被的實際情況，對林草生態需水進行了試驗研究。認為喬木林生態環境需水系數為0.757、灌木林生態需水系數為0.612，約為喬木林地需水系數的0.81倍；同時，何永濤等[5]在黃土高原地區森林植被生態需水研究中，以黃土高原地區常用造林樹種刺槐和油松為代表，研究了植被需水系數，確定喬木林的需水系數為0.765，同時通過多年的對比試驗認為灌木林的需水系數約是喬木的0.8倍。通過以上兩項研究成果分析可見，干旱半干旱地區植被需水系數研究結果接近，本研究取喬木林的需水系數為0.765，灌木林需水系數取其0.8倍，取值0.612，疏林地取值0.50。

考慮不同土壤類型對植被需水的影響，本研究引入土壤水分修正系數。參考何永濤等[5]結合黃土高原地區不同土壤類型的水分參數，以及林地最小生態需水定額和適宜生態需水定額的定義研究成果，確定了不同土壤類型的修正系數，如表2所示。

3 林地生態環境需水量的計算分析

3.1 林地生態環境需水量的計算

土地利用分布圖中將林地分為4類，即有林地、灌木林地、疏林地和其他林業用地。有林地是指郁閉度大于30%的天然林和人工林；疏林地是指郁閉度在10%～30%的稀疏林地；灌木林地是指郁閉度>40%、高度在2 m以下的矮林地和灌叢林地[6-9]。本研究中其他林地主要是指未成林地以及無立木林地。由于這4類林地在外貌和群落結構等方面存在著差別，因此也必然會影響到其生態環境需水量上的差異，本研究分別對這幾類林地的生態環境需水量進行了計算。4類林地分類生態環境需水量計算結果見表3。

3.2 林地生態環境需水量與降雨資源平衡計算

有林地、疏林地、灌木林地及其他林地（無立木林地和未成林地）需水量屬于降雨消耗性生態環境用水，區域降雨量需先滿足此部分需水才形成徑流。而苗圃類林地需要人工灌溉，屬于徑流消耗性生態環境需水。本研究按照這兩種分類對林地生態環境需水進行了分類計算，并進行了降水資源盈虧平衡分析。結果見表3。

3.3 計算結果分析

由表3中統計數據可以看出，3種類型林地面積（有林地、疏林地、灌木林地）在各縣區的分布情況為：彭陽縣各類林地面積由大到小依次為有林地、灌木林地、疏林地；其他3縣區林地面積由大到小的順序依次為灌木林、有林地、疏林地。林地總面積由大到小排序依次為海原、彭陽、原州、西吉。

1）各縣區降雨消耗性生態環境需水排序分析

各縣區降雨消耗性生態環境需水量最小值由大到小排序見圖2，具體值見表3。適宜值排序同最小值，由大到小依次為海原、彭陽、原州、西吉。對比幾縣區林地面積情況可知，各縣區林地生態環境需水量排序規律與林地總面積排序規律基本一致。

2）通過降水資源平衡分析可知位于中部干旱帶的海原縣降水消耗性林地的最小和適宜生態環境需水量依靠天然降水均不能得到滿足，虧缺量分別為8 345.71萬m3和31 618.18萬m3；苗圃類林地需要人工配水最小和適宜狀態下分別為14.23萬m3和44.33萬m3。

3）位于南部山區降雨相對較豐富的彭陽和原州區，各類林地最小生態環境需水量均能得到滿足，而適宜生態環境需水量均不能得到滿足，降雨消耗性生態需水量適宜狀態下虧缺10 210.02萬m3和4 808.49萬m3。苗圃類林地需人工配水。

4）位于南部山區降雨稀少的西吉縣，降雨消耗性生態需水量適宜狀態下虧缺13 989.20萬m3，最小虧缺2 580.95萬m3。苗圃類林地需人工配水。

研究表明，現狀氣候條件下位于中部干旱帶的海原不宜于大面積發展林業，為此，應選擇耐旱、抗鹽堿的樹種在地形低平、潛水較豐富和有水源補給的地段進行植樹綠化。而位于南部山區的原州、彭陽、西吉也要合理考慮林地種植結構。

4 小結

1）本研究對固原城鄉引水水源工程受水區降雨消耗性林地及人工林地生態環境需水量進行了核算分析，對區域林地植被建設、生態恢復及水資源合理開發利用和配置提供了依據。

2）本研究首次同時采用桑斯維特模型以及彭曼-蒙特斯模型計算了受水區生態環境需水定額，并對兩種模型計算結果進行了對比評價，認為彭曼-蒙特斯模型是綜合了各種氣象因素以及地理位置因素的計算方法，結果更具合理性，而桑斯維特法夏季林地潛在蒸散量的計算結果與彭曼-蒙特斯結果接近，在資料缺乏地區的夏季植被潛在蒸散量的計算可采用該法。

3）林地生態環境需水方面由于研究時間、研究條件等的限制，需水定額選用時參考干旱半干旱地區以及黃土高原地區的定額確定，缺乏具體試驗的測定，這是今后本區域要做的工作。

4）通過對受水區林地生態環境需水量進行降雨資源平衡分析可知位于中部干旱帶的海原縣降水消耗性林地的最小和適宜生態環境需水量依靠天然降水均不能得到滿足；位于南部山區降雨相對較豐富的彭陽和原州區，各類林地最小生態環境需水量均能得到滿足，而適宜生態環境需水量均不能得到滿足；位于南部山區降雨稀少的西吉縣，降雨消耗性林地的最小和適宜生態環境需水量依靠天然降水均不能得到滿足。

5）各縣區苗圃類人工林地需水依靠降雨不能得到滿足，均需人工配水。但如何根據降雨的時間分配進行配置需要進一步深入研究。

參考文獻：

[1] 賈寶全，慈龍駿.新疆生態用水量的初步估算[J].生態學報，2000（2）：243-250.

[2] 鄧 潔.威海市生態用水及水資源合理配置研究[D].北京：北京林業大學，2009.

[3] 孫躍強.寧夏鹽池縣生態用水研究[D].北京：北京林業大學，2007.

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[5] 何永濤，李文華，李貴才，等.黃土高原地區森林植被生態需水研究[J].環境科學，2004，25（3）：35-39.

[6] 楊志峰，崔寶山，劉靜玲，等.生態環境需水量理論、方法與實踐[M].北京：科學出版社，2003.122-172.

[7] 郝 博，粟曉玲，馬孝義.甘肅省民勤縣天然植被生態需水研究[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2010，38（2）：158-164.

[8] 郭巧玲，楊云松，李建林，等.額濟納綠洲生態需水及其預測研究[J].干旱區資源與環境，2011，5（5）：135-139.

[9] 郝 博，粟曉玲，馬孝義，等.干旱區植被生態需水的研究進展[J].水資源與水工程學報2009，20（4）：1-5.

（責任編輯 張 毅）

2.3 植被生態環境需水定額的確定

通過計算林地的潛在蒸散量ET0，然后利用具體林地植被的植物需水系數Kc以及各區土壤類型修正系數Ks的修正，便可得到該植被的實際需水定額，如下式所示。

ETC=ET0×Kc×Ks

式中：ET0為計算時段內植被的潛在蒸散量； ETC為植被實際生態環境需水定額；Kc為相應時段植被需水系數；Ks為相應區域的土壤修正系數。

由上式可見，在潛在蒸散量計算基礎上，確定實際需水定額的關鍵是確定需水系數及土壤修正系數。清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室的儲蓓等[4]針對干旱半干旱地區林草植被的實際情況，對林草生態需水進行了試驗研究。認為喬木林生態環境需水系數為0.757、灌木林生態需水系數為0.612，約為喬木林地需水系數的0.81倍；同時，何永濤等[5]在黃土高原地區森林植被生態需水研究中，以黃土高原地區常用造林樹種刺槐和油松為代表，研究了植被需水系數，確定喬木林的需水系數為0.765，同時通過多年的對比試驗認為灌木林的需水系數約是喬木的0.8倍。通過以上兩項研究成果分析可見，干旱半干旱地區植被需水系數研究結果接近，本研究取喬木林的需水系數為0.765，灌木林需水系數取其0.8倍，取值0.612，疏林地取值0.50。

考慮不同土壤類型對植被需水的影響，本研究引入土壤水分修正系數。參考何永濤等[5]結合黃土高原地區不同土壤類型的水分參數，以及林地最小生態需水定額和適宜生態需水定額的定義研究成果，確定了不同土壤類型的修正系數，如表2所示。

3 林地生態環境需水量的計算分析

3.1 林地生態環境需水量的計算

土地利用分布圖中將林地分為4類，即有林地、灌木林地、疏林地和其他林業用地。有林地是指郁閉度大于30%的天然林和人工林；疏林地是指郁閉度在10%～30%的稀疏林地；灌木林地是指郁閉度>40%、高度在2 m以下的矮林地和灌叢林地[6-9]。本研究中其他林地主要是指未成林地以及無立木林地。由于這4類林地在外貌和群落結構等方面存在著差別，因此也必然會影響到其生態環境需水量上的差異，本研究分別對這幾類林地的生態環境需水量進行了計算。4類林地分類生態環境需水量計算結果見表3。

3.2 林地生態環境需水量與降雨資源平衡計算

有林地、疏林地、灌木林地及其他林地（無立木林地和未成林地）需水量屬于降雨消耗性生態環境用水，區域降雨量需先滿足此部分需水才形成徑流。而苗圃類林地需要人工灌溉，屬于徑流消耗性生態環境需水。本研究按照這兩種分類對林地生態環境需水進行了分類計算，并進行了降水資源盈虧平衡分析。結果見表3。

3.3 計算結果分析

由表3中統計數據可以看出，3種類型林地面積（有林地、疏林地、灌木林地）在各縣區的分布情況為：彭陽縣各類林地面積由大到小依次為有林地、灌木林地、疏林地；其他3縣區林地面積由大到小的順序依次為灌木林、有林地、疏林地。林地總面積由大到小排序依次為海原、彭陽、原州、西吉。

1）各縣區降雨消耗性生態環境需水排序分析

各縣區降雨消耗性生態環境需水量最小值由大到小排序見圖2，具體值見表3。適宜值排序同最小值，由大到小依次為海原、彭陽、原州、西吉。對比幾縣區林地面積情況可知，各縣區林地生態環境需水量排序規律與林地總面積排序規律基本一致。

2）通過降水資源平衡分析可知位于中部干旱帶的海原縣降水消耗性林地的最小和適宜生態環境需水量依靠天然降水均不能得到滿足，虧缺量分別為8 345.71萬m3和31 618.18萬m3；苗圃類林地需要人工配水最小和適宜狀態下分別為14.23萬m3和44.33萬m3。

3）位于南部山區降雨相對較豐富的彭陽和原州區，各類林地最小生態環境需水量均能得到滿足，而適宜生態環境需水量均不能得到滿足，降雨消耗性生態需水量適宜狀態下虧缺10 210.02萬m3和4 808.49萬m3。苗圃類林地需人工配水。

4）位于南部山區降雨稀少的西吉縣，降雨消耗性生態需水量適宜狀態下虧缺13 989.20萬m3，最小虧缺2 580.95萬m3。苗圃類林地需人工配水。

研究表明，現狀氣候條件下位于中部干旱帶的海原不宜于大面積發展林業，為此，應選擇耐旱、抗鹽堿的樹種在地形低平、潛水較豐富和有水源補給的地段進行植樹綠化。而位于南部山區的原州、彭陽、西吉也要合理考慮林地種植結構。

4 小結

1）本研究對固原城鄉引水水源工程受水區降雨消耗性林地及人工林地生態環境需水量進行了核算分析，對區域林地植被建設、生態恢復及水資源合理開發利用和配置提供了依據。

2）本研究首次同時采用桑斯維特模型以及彭曼-蒙特斯模型計算了受水區生態環境需水定額，并對兩種模型計算結果進行了對比評價，認為彭曼-蒙特斯模型是綜合了各種氣象因素以及地理位置因素的計算方法，結果更具合理性，而桑斯維特法夏季林地潛在蒸散量的計算結果與彭曼-蒙特斯結果接近，在資料缺乏地區的夏季植被潛在蒸散量的計算可采用該法。

3）林地生態環境需水方面由于研究時間、研究條件等的限制，需水定額選用時參考干旱半干旱地區以及黃土高原地區的定額確定，缺乏具體試驗的測定，這是今后本區域要做的工作。

4）通過對受水區林地生態環境需水量進行降雨資源平衡分析可知位于中部干旱帶的海原縣降水消耗性林地的最小和適宜生態環境需水量依靠天然降水均不能得到滿足；位于南部山區降雨相對較豐富的彭陽和原州區，各類林地最小生態環境需水量均能得到滿足，而適宜生態環境需水量均不能得到滿足；位于南部山區降雨稀少的西吉縣，降雨消耗性林地的最小和適宜生態環境需水量依靠天然降水均不能得到滿足。

5）各縣區苗圃類人工林地需水依靠降雨不能得到滿足，均需人工配水。但如何根據降雨的時間分配進行配置需要進一步深入研究。

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[8] 郭巧玲，楊云松，李建林，等.額濟納綠洲生態需水及其預測研究[J].干旱區資源與環境，2011，5（5）：135-139.

[9] 郝 博，粟曉玲，馬孝義，等.干旱區植被生態需水的研究進展[J].水資源與水工程學報2009，20（4）：1-5.

（責任編輯 張 毅）

2.3 植被生態環境需水定額的確定

通過計算林地的潛在蒸散量ET0，然后利用具體林地植被的植物需水系數Kc以及各區土壤類型修正系數Ks的修正，便可得到該植被的實際需水定額，如下式所示。

ETC=ET0×Kc×Ks

式中：ET0為計算時段內植被的潛在蒸散量； ETC為植被實際生態環境需水定額；Kc為相應時段植被需水系數；Ks為相應區域的土壤修正系數。

由上式可見，在潛在蒸散量計算基礎上，確定實際需水定額的關鍵是確定需水系數及土壤修正系數。清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室的儲蓓等[4]針對干旱半干旱地區林草植被的實際情況，對林草生態需水進行了試驗研究。認為喬木林生態環境需水系數為0.757、灌木林生態需水系數為0.612，約為喬木林地需水系數的0.81倍；同時，何永濤等[5]在黃土高原地區森林植被生態需水研究中，以黃土高原地區常用造林樹種刺槐和油松為代表，研究了植被需水系數，確定喬木林的需水系數為0.765，同時通過多年的對比試驗認為灌木林的需水系數約是喬木的0.8倍。通過以上兩項研究成果分析可見，干旱半干旱地區植被需水系數研究結果接近，本研究取喬木林的需水系數為0.765，灌木林需水系數取其0.8倍，取值0.612，疏林地取值0.50。

考慮不同土壤類型對植被需水的影響，本研究引入土壤水分修正系數。參考何永濤等[5]結合黃土高原地區不同土壤類型的水分參數，以及林地最小生態需水定額和適宜生態需水定額的定義研究成果，確定了不同土壤類型的修正系數，如表2所示。

3 林地生態環境需水量的計算分析

3.1 林地生態環境需水量的計算

土地利用分布圖中將林地分為4類，即有林地、灌木林地、疏林地和其他林業用地。有林地是指郁閉度大于30%的天然林和人工林；疏林地是指郁閉度在10%～30%的稀疏林地；灌木林地是指郁閉度>40%、高度在2 m以下的矮林地和灌叢林地[6-9]。本研究中其他林地主要是指未成林地以及無立木林地。由于這4類林地在外貌和群落結構等方面存在著差別，因此也必然會影響到其生態環境需水量上的差異，本研究分別對這幾類林地的生態環境需水量進行了計算。4類林地分類生態環境需水量計算結果見表3。

3.2 林地生態環境需水量與降雨資源平衡計算

有林地、疏林地、灌木林地及其他林地（無立木林地和未成林地）需水量屬于降雨消耗性生態環境用水，區域降雨量需先滿足此部分需水才形成徑流。而苗圃類林地需要人工灌溉，屬于徑流消耗性生態環境需水。本研究按照這兩種分類對林地生態環境需水進行了分類計算，并進行了降水資源盈虧平衡分析。結果見表3。

3.3 計算結果分析

由表3中統計數據可以看出，3種類型林地面積（有林地、疏林地、灌木林地）在各縣區的分布情況為：彭陽縣各類林地面積由大到小依次為有林地、灌木林地、疏林地；其他3縣區林地面積由大到小的順序依次為灌木林、有林地、疏林地。林地總面積由大到小排序依次為海原、彭陽、原州、西吉。

1）各縣區降雨消耗性生態環境需水排序分析

各縣區降雨消耗性生態環境需水量最小值由大到小排序見圖2，具體值見表3。適宜值排序同最小值，由大到小依次為海原、彭陽、原州、西吉。對比幾縣區林地面積情況可知，各縣區林地生態環境需水量排序規律與林地總面積排序規律基本一致。

2）通過降水資源平衡分析可知位于中部干旱帶的海原縣降水消耗性林地的最小和適宜生態環境需水量依靠天然降水均不能得到滿足，虧缺量分別為8 345.71萬m3和31 618.18萬m3；苗圃類林地需要人工配水最小和適宜狀態下分別為14.23萬m3和44.33萬m3。

3）位于南部山區降雨相對較豐富的彭陽和原州區，各類林地最小生態環境需水量均能得到滿足，而適宜生態環境需水量均不能得到滿足，降雨消耗性生態需水量適宜狀態下虧缺10 210.02萬m3和4 808.49萬m3。苗圃類林地需人工配水。

4）位于南部山區降雨稀少的西吉縣，降雨消耗性生態需水量適宜狀態下虧缺13 989.20萬m3，最小虧缺2 580.95萬m3。苗圃類林地需人工配水。

研究表明，現狀氣候條件下位于中部干旱帶的海原不宜于大面積發展林業，為此，應選擇耐旱、抗鹽堿的樹種在地形低平、潛水較豐富和有水源補給的地段進行植樹綠化。而位于南部山區的原州、彭陽、西吉也要合理考慮林地種植結構。

4 小結

1）本研究對固原城鄉引水水源工程受水區降雨消耗性林地及人工林地生態環境需水量進行了核算分析，對區域林地植被建設、生態恢復及水資源合理開發利用和配置提供了依據。

2）本研究首次同時采用桑斯維特模型以及彭曼-蒙特斯模型計算了受水區生態環境需水定額，并對兩種模型計算結果進行了對比評價，認為彭曼-蒙特斯模型是綜合了各種氣象因素以及地理位置因素的計算方法，結果更具合理性，而桑斯維特法夏季林地潛在蒸散量的計算結果與彭曼-蒙特斯結果接近，在資料缺乏地區的夏季植被潛在蒸散量的計算可采用該法。

3）林地生態環境需水方面由于研究時間、研究條件等的限制，需水定額選用時參考干旱半干旱地區以及黃土高原地區的定額確定，缺乏具體試驗的測定，這是今后本區域要做的工作。

4）通過對受水區林地生態環境需水量進行降雨資源平衡分析可知位于中部干旱帶的海原縣降水消耗性林地的最小和適宜生態環境需水量依靠天然降水均不能得到滿足；位于南部山區降雨相對較豐富的彭陽和原州區，各類林地最小生態環境需水量均能得到滿足，而適宜生態環境需水量均不能得到滿足；位于南部山區降雨稀少的西吉縣，降雨消耗性林地的最小和適宜生態環境需水量依靠天然降水均不能得到滿足。

5）各縣區苗圃類人工林地需水依靠降雨不能得到滿足，均需人工配水。但如何根據降雨的時間分配進行配置需要進一步深入研究。

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[9] 郝 博，粟曉玲，馬孝義，等.干旱區植被生態需水的研究進展[J].水資源與水工程學報2009，20（4）：1-5.

（責任編輯 張 毅）