石羊河流域天然植被適宜生態需水量估算

陳 樂， 張 勃， 任培貴

(西北師范大學 地理與環境科學學院， 甘肅 蘭州 730070)

作為中國西部生態脆弱區最關鍵的生態因子，水不僅是干旱區生態系統構成、發展和穩定的基礎，而且決定著干旱區綠洲化過程與荒漠化過程這兩類極具對立與沖突性的生態環境演化過程[1]。在西北干旱地區，由于水資源的天然不足，加之工農業及家庭用水的增加，使得植被生態用水受到嚴重擠占，嚴重影響到植物群落的生長發育、演替更新的過程，進而導致天然植被退化、尾閭湖泊消失等生態環境問題。石羊河流域是甘肅省河西走廊3大內陸河流域之一，屬于干旱、半干旱地區，是中國內陸河流域中人口最密集、水資源開發利用程度最高、用水矛盾最突出、生態環境問題最嚴重的流域之一[2]。因此，在有限的水資源條件下，科學合理地確定區域在生態保護目標下的天然植被生態需水量，遏止天然植被生態系統進一步退化萎縮，是目前石羊河流域所面臨的急須解決的關鍵問題。

生態需水研究是目前恢復生態學、水文學及水資源學研究的熱點領域[3]，該研究越來越受到眾多學者的關注。針對生態需水的研究源于美國20世紀40年代，其目的為了獲取維持魚類生存所需的河道基流，之后擴展到研究河岸帶生態需水，直到現在開展的流域尺度、區域尺度上生態需水的研究[4-7]。國內對生態需水的研究起步較晚，主要是針對生態脆弱的西北干旱和半干旱地區，重點對植被生態需水概念和計算方法展開的定性分析、定量計算的研究。眾多學者出于不同的研究目的對生態需水展開了卓有成效的研究，一些學者[8-10]基于不同的研究對象闡述了各自對生態需水概念的理解，另一些學者[11-13]對內陸干旱區的植被需水量進行了大量的估算研究，但由于對生態需水定義的不統一導致植被需水量界定標準存在異同。通過閱讀大量文獻并結合本文的研究目的，總結認為生態需水是指使生態系統達到某種生態保護目標，發揮期望的生態功能或維持某種生態系統平衡所客觀需要的水資源量，其內涵包括維持生態系統結構和維持生態過程與生態服務功能兩部分的需水。

本文基于潛水蒸發理論，結合遙感技術及ArcGIS 9.3軟件統計獲得石羊河流域1987，2000及2010年3期各類型天然植被面積數據，重點對適宜生態需水情景下的天然植被生態需水量進行了估算研究，以期得到石羊河流域天然植被最為合理的生態需水量，為區域水資源的合理配置、高效利用及生態安全提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，東起烏鞘嶺，西止大黃山，介于祁連山東段與巴丹吉林、騰格里沙漠南緣之間，地理坐標為36°29′—39°27′N，101°41′—104°16′E，包括武威市的古浪縣、涼州區、民勤縣及天?？h，金昌市的永昌縣和金川區以及張掖市肅南縣，共3地(市)7個區縣。石羊河干流全長約300 km，流域面積4.16×104hm2，從南向北大體分為3個地貌單元，南部祁連山地、中部走廊平原、北部阿拉善高原，高寒草甸、灌叢草甸、森林灌叢、綠洲植被及荒漠草原等為區內主要的植被類型。流域深居內陸腹地，具有干旱少雨，蒸發量大的氣候特征。上游祁連山和中部走廊區年降水量分別為300～600和150～300 mm，下游民勤地區極其干旱，年降水量小于150 mm，全流域年蒸發量介于1 200～2 600 mm。流域水系自東向西由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河8條河流組成，河流補給主要來源為山區大氣降水和地下水，多年平均出山徑流量為1.66×109m3[2]。

1.2 植被生態需水研究機理

植被是生態系統中最基本的成分，是自然環境最直觀、最準確的反映[14]，又是水土流失和土壤荒漠化的主要調控者，也是最容易受到破壞的部分。植被是退化生態系統恢復的關鍵所在，確定合理的植被生態需水量又是該研究的基礎，因其正常的生長必然消耗一定的水量。中國西北干旱地區水資源短缺，植被退化嚴重，生態環境惡劣，對植被生態需水的研究便顯得尤為重要。因此，近年來，干旱區植被的生態需水問題已成為植被生態恢復和重建研究領域的熱點問題[15-16]。

植被生態需水是指在一定的時空尺度上和生態保護目標下，維持植被生態系統的穩定，使其發揮生態環境功能所需要的水資源量，具有上限值和下限值，超過這個閾值都會導致生態系統的退化和破壞。限制干旱區天然植被健康生長的主要因素有水分和土壤鹽分[17]。干旱區的有效降水量不足以滿足天然植被的正常生長所需，地下水是天然植被蒸騰和地表土壤蒸發的主要來源。植被的生長態勢也受到潛水埋深的影響，當潛水埋深過淺時，因地表蒸發強烈，土壤表層鹽分不斷積累，使得土壤中鹽分的濃度超過植物根細胞中細胞質濃度，植物生長形成所謂的“生理干旱”從而導致枯萎死亡；而潛水埋深過深時，植物根系層土壤從潛水層獲得的水分補給就會顯著減少，以至于不能滿足植物生長對水分的要求，致使植被衰敗死亡，進而發生土壤荒漠化。

張麗等[18]通過對黑河流域下游天然植被生態需水的研究認為，干旱區每種天然植被類型都有其適宜生長的潛水埋深變動范圍，植被蓋度與地下水埋深存在一定的關系。因而決定了天然植被需水量有最小生態需水、適宜生態需水和最大生態需水3種情景之分。當地下水分供應量低于天然植被的最小生態需水量或超出其最大生態需水量時，都將使天然植被生態系統受到破壞而退化，達不到應有的生態效用。只有當可供利用的水資源量達到適宜生態需水量時，生態系統才能健康良好地生長，發揮其最佳的生產潛力。

1.3 計算方法

目前研究植被生態系統需水量的計算方法較多，但各種計算方法的應用前提和側重有所不同，歸納起來主要有以下幾種：(1)面積定額法(直接計算法)[19]，適用于基礎條件較好，可通過實驗容易獲得蓄水定額的區域和植被類型。(2)潛水蒸發法(間接計算法)[20]，適用于降水量少、植被生長主要依賴于地下水的干旱地區，可以用該方法估算干旱區植被的天然需水量。(3)基于植物蒸散發量的計算法[21-22]，即聯合國糧農組織(FAO)提出的受破壞非完全覆蓋的天然植被生態需水計算方法，該方法需要的參數較多，在基礎資料薄弱的地區應用較為困難。(4)水量平衡法[16]，比較適合于區域較大尺度的生態需水估算。(5)基于生物量的生態需水計算法[23]，適合單純靠降水支撐的地帶性植被。(6)基于遙感技術的植被生態需水量計算法[24]，適用于大區域、長時間尺度。

石羊河流域處于干旱缺水區，天然植被和土壤的實際蒸散近似地等于潛水蒸發量，因此，選用最具代表性的潛水蒸發模型——阿維里揚諾夫公式進行植被生態需水量估算，其計算模型如下：

(1)

E=a(1-H/Hmax)b×Eφ20

(2)

式中：W——天然植被生態需水量；Sij，Eij——第i時段第j個研究區天然植被面積和蒸發強度；Kij——植被系數；a，b——經驗系數；H——地下水埋深(m)；Hmax——地下水蒸發極限埋深(m)；EΦ20——常規氣象蒸發皿蒸發值，石羊河流域各縣區的EΦ20(見表1)；根據文獻[25—26]選取適合于石羊河流域天然植被潛水蒸發參數a為0.762,b為1.528；Hmax取5 m。

表1 石羊河流域各縣區常規氣象蒸發皿蒸發值 mm

植被系數K值的確定。植被系數K是指在相同的土壤和氣候條件下，相同時期內植被生長條件下的潛水蒸發量Eg與裸地的潛水蒸發量E之比。植被系數主要受潛水埋深、水面蒸發強度和植物的長勢、生育階段等的影響。由于有植被生長條件下的潛水蒸發比裸地的潛水蒸發量要大，所以K>1。隨著潛水埋深的增大，植被根系對潛水蒸發的影響越來越小。當潛水埋深趨于無窮大時，植被系數K將趨向于1[27]。

干旱區內陸河流域植物恢復和生長的合理地下水位的研究是確立生態需水量的基礎,它涉及到水分脅迫下的植物適應機理等問題[1]。根據粟曉玲[26]及張長春等[28]的研究，石羊河流域各種天然植被適宜生長的潛水埋深變動范圍：有林地2～3 m，灌木林地3～4 m，疏林地3.5～4.5 m，高覆蓋度草地3～4.5 m，中覆蓋度草地為4～4.5 m。本文采用文獻[27]所得的植被系數K與潛水埋深H之間的擬合公式:K=1+2.031 7e-0.507 2H，計算得出石羊河流域各植被類型的植被系數K(如表2所示)。

表2 石羊河流域天然植被的植被系數K取值

1.4 數據獲取

基于石羊河流域1987，2000及2010年3期遙感影像人工解譯的土地利用覆蓋趨勢，運用ArcGIS 9.3統計得出各類型天然植被的覆蓋面積(表3)。其中，天然植被分為林地與草地兩種類型，林地指以生長喬木、灌木為主的林業用地，可分為有林地、疏林地和灌木林地；草地是指以生長草本植物為主，覆蓋度在5%以上的各類草地，包括以牧為主的灌叢草地和郁閉度在10%以下的疏林草地，按蓋度分為高、中、低覆蓋度草地。有林地指郁閉度>30%的天然林地和人工林，以沙棗林為代表；灌木林地指郁閉度>40%，高度在3 m以下的矮林地和灌叢林地，以梭梭、檉柳為代表；疏林地指郁閉度10%～30%的稀疏林地。高覆蓋草地一般水分條件較好，草被生長茂密；中覆蓋草地指覆蓋度20%～50%的天然草地，此類草地一般水分不足，草被較稀疏；低覆蓋草地指覆蓋度5%～20%的天然草地，此類草地水分缺乏，草被稀疏，牧業利用條件差。分析可知，石羊河流域天然植被不論從總面積還是從植被蓋度上都呈退化趨勢，2000—2010年天然植被退化趨勢尤為顯著，有林地、灌木林地及中蓋度草地面積減少趨勢明顯，其中民勤縣天然植被退化最為嚴重，而金川區的天然植被狀況有小幅好轉態勢。

表3 石羊河流域各縣區天然植被面積 hm2

2 結果與分析

2.1 天然植被生態需水量估算

由于每種植被類型都有其適宜生長的潛水埋深變動范圍，由式(2)可知，蒸發強度E隨著潛水埋深H的增大而減弱。本文基于遙感解譯所獲得的石羊河流域各類型天然植被3期的面積數據，并利用潛水蒸發公式(1)分別在各植被類型的最大埋深、平均埋深及最淺埋深3種情景下，計算得出1987，2000及2010年石羊河流域各縣區天然植被的最小生態需水量Wmin、適宜生態需水量Wopti和最大生態需水量Wmax(表4)。由于石羊河流域天然植被面積萎縮、蓋度退化的因素，除金川區生態需水量呈增加趨勢外，其他各縣區生態需水量均有減少趨勢。石羊河流域1987，2000及2010年天然植被總生態需水量分別介于1.30×109～3.80×109，1.26×109～3.66×109，1.09×109～3.25×109m3。其中，天祝和肅南兩縣的天然植被生態需水量幾乎占到全流域總生態需水量的57%左右，這主要是由于兩縣的天然植被面積較大及植被蓋度高所造成的，而金川區因天然植被面積小、蓋度低，致使天然植被生態需水量僅占全流域的0.9%。

表4 石羊河流域各縣區生態需水量估算 104 m3

2.2 天然植被適宜生態需水量估算

由植被生態需水機理可知，當植被獲得地下水補給量過多或者過少時，均不利于植被的健康生長，只有地下水補給達到植被生長所需的適宜生態需水量時，植被才能發揮其最佳的生態效益。當潛水埋深處于變動范圍的平均水位時，由式(1)計算得到石羊河流域各縣區6種植被類型的適宜生態需水量(表5)。其中石羊河流域1987，2000及2010年天然植被適宜生態需水量分別為2.43×109，2.34×109，2.06×109m3，各植被類型生態需水量排序依次為有林地>中蓋度草地>高蓋度草地>低蓋度草地>灌木林地>疏林地。通過3期天然植被需水量對比可知，林地、草地適宜生態需水量都呈持續減少趨勢，其中有林地、灌木林地和中蓋度草地生態需水量減少趨勢顯著。在適宜生態需水情境下，石羊河流域林地、草地的生態需水量基本各占總需水量的1/2，但各縣區的林地、草地生態需水量百分比差異明顯，其中金川區、古浪縣林地、草地生態需水量比明顯低于全流域，而天?？h的林地需水量占明顯優勢，其他各縣區的林地、草地生態需水量比基本與全流域持平。

表5 石羊河流域天然植被適宜生態需水量 104 m3

對于水資源嚴重短缺的石羊河流域而言，定量計算得出單位面積天然植被的生態需水量，對石羊河流域水資源的合理配置、高效利用具有現實意義。本文在適宜生態需水情景下，計算得出各縣區單位面積林地、草地的生態需水量(表6)。由表6分析可得，由于天然植被蓋度的嚴重退化，除金川區林地外，各縣區的天然植被單位面積的生態需水量均呈減少趨勢。其中，民勤縣的林地單位面積需水量偏高，而肅南縣林地、草地單位面積需水量均明顯偏高，而古浪縣、金川區的林地、草地單位面積生態需水量明顯偏少，這種差異的存在可能與各縣區天然植被各類型組成成分及各縣區常規氣象蒸發皿蒸發值EΦ20不同有關。

表6 石羊河流域各縣區天然植被單位面積需水量 m3/hm2

2.3 水分利用效率

對于中國西北部這樣重度缺水的地區而言，不僅要研究保證生態系統健康、穩定發展所需要的適宜生態需水量，也應從生態和經濟效益方面計算它的水分利用效率，即天然植被在單位水資源條件下生產的生物量干重。其中，生物生產量的確定是根據國家“八五”科技攻關項目“草地生產力的區域分異與地面監測研究”中有關各類型草地地上生物量的統計結果，高蓋度草地生物量干重定額取243.6 g/m2，中蓋度草地128.9 g/m2，低蓋度草地71.3 g/m2，有林地和灌木林地306.5 g/m2[24]。本文中疏林地的生物量干重以有林地和灌木林地的60%確定得到，疏林地183.9 g/m2。石羊河流域各縣區天然植被在適宜生態需水量情境下的水分利用效率如表7所示。石羊河流域天然植被的水分利用率介于2.74～16.55 kg/(hm2·mm)，與黃土高原植被的水分利用效率1.05～10.05 kg/(hm2·mm)相比存在1.65倍左右的偏高[29]，主要原因可能是石羊河流域深居內陸，干旱少雨，植被生長所需水分主要依靠潛水蒸發，因裸地蒸發而損失的水量較少，所以水分利用效率偏高。

表7 石羊河流域各縣區天然植被水分利用效率 g/m3

3 結 論

(1)對于西北干旱區天然植被而言，進行適宜生態需水量估算研究具有現實意義。本文在前人研究的基礎上，基于阿維里揚諾夫公式重點對石羊河流域天然植被的適宜生態需水量進行了估算研究，得出1987，2000及2010年流域天然植被適宜生態需水量分別為2.43×109，2.34×109，2.06×109m3。各縣區天然植被適宜生態需水量由多到少依次為肅南縣>天?？h>永昌縣>民勤縣>古浪縣>涼州區>金川區。對3期天然植被適宜生態需水量進行對比發現，無論是全流域還是各縣區的生態需水量都呈減少趨勢，尤其在2000—2010年天然植被生態需水量減少趨勢明顯，這與城市化加劇對西北生態脆弱區天然植被的破壞不無關系。

(2)在適宜生態需水情境下，天祝和肅南兩縣的天然植被生態需水量占到全流域總生態需水量的57%左右，而金川區的天然植被生態需水量僅占到全流域需水量的0.9%，這主要與各縣區天然植被的面積相差很大有關。石羊河流域林地、草地的生態需水量基本各占總需水量的1/2，但各縣區的林地、草地生態需水量百分比差異明顯，這種差異的存在與各縣區天然植被類型組成成分不同有關。由于石羊河流域各縣區天然植被蓋度的嚴重退化使得單位面積需水量呈減少趨勢，其中，民勤與肅南縣的天然植被單位面積需水量明顯較高，而古浪縣、金川區的林地、草地單位面積需水量則明顯偏低，這可能與各縣區的天然植被類型組成成分及常規氣象蒸發皿蒸發值EΦ20不同有關。

(3)計算得到石羊河流域天然植被在適宜生態需水量情境下的水分利用率介于2.74～16.55 kg/(hm2·mm)，與黃土高原植被的水分利用效率1.05～10.05 kg/(hm2·mm)相比存在1.65倍左右的偏高，主要原因可能是石羊河流域大氣降水稀少，天然植被生長所需水分主要依靠潛水蒸發，因裸地蒸發而損失的水量較少。

(4)確定合理的天然植被適宜生態需水量是干旱區退化植被恢復的關鍵所在，但天然植被生長需水具有時間差異性，本文由于數據有限而未對石羊河流域天然植被年內各個月份的適宜生態需水量進行研究，這還有待于今后進一步深入研究。

[參考文獻]

[1]陳亞寧,郝興明,李衛紅,等.干旱區內陸河流域的生態安全與生態需水量研究:兼談塔里木河生態需水量問題[J].地球科學進展,2008,23(7):732-738.

[2]馮起,李宗禮,高前兆,等.石羊河流域民勤綠洲生態需水與生態建設[J].地球科學進展,2012,27(7):806-814.

[3]何永濤,閔慶文,李文華.植被生態需水研究進展及展望[J].資源科學,2005,27(4):8-13.

[4]嚴登華,何巖,王浩,等.生態水文過程對水環境影響研究述評[J].水科學進展,2005,16(5):747-752.

[5]Bovee K D. The incremental method of assessing habitat potential for coolwater species, with management implication[J]. American Fisheries Society Special Publication, 1978,11(3):340-346.

[6]Gallagher S P, Gard M F. Relationship between Chinook salmon(Oncorhynchustshawytscha)redd densities and PHABSIM-predicted habitat in the Merced and Lower American rivers, California[J]. Can. J. Fish. Aquat. Sci., 1999,56(9):570-577.

[7]Sheail J. Constraints on water-resources development in England and Wales: Concept and management of compensation flows[J]. J. Environ. Manager, 1984,19(5):351-361.

[8]王芳,梁瑞駒,楊小柳,等.中國西北地區生態需水研究(Ⅰ):干旱半干旱地區生態需水理論分析[J].自然資源學報,2002,17(1):1-8.

[9]夏軍,鄭東燕,劉青蛾.西北地區生態環境需水估算的幾個問題探討[J].水文,2002,22(2):12-17.

[10]楊志峰,劉靜玲,孫濤,等.流域生態需水規律[M].北京：科學出版社,2006.

[11]王根緒,程國棟.干旱區流域生態需水量及其估算：以黑河流域為例[J].中國沙漠,2002,22(2):129-134.

[12]張凱,韓永翔,司建華,等.民勤綠洲生態需水與生態恢復對策[J].生態學雜志,2006,25(7):813-817.

[13]郭巧玲,楊云松,陳志輝,等.額濟納綠洲植被生態需水及其估算[J].水資源與水工程學報,2010,21(3):80-84.

[14]鄭冬燕,夏軍,黃友波,等.生態需水量估算問題的初步探討[J].水電能源科學,2002,20(3):3-6.

[15]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.

[16]胡廣錄,趙文智,謝國勛.干旱區植被生態需水理論研究進展[J].地球科學進展,2008,23(2):193-200.

[17]張麗,董增川,趙斌.干旱區天然植被生態需水量計算方法[J].水科學進展,2003,14(6):745-748.

[18]張麗,董增川.黑河流域下游天然植被生態需水及其預測研究[J].水利規劃與設計,2005(2):44-47.

[19]韓英,饒碧玉.植被生態需水量計算方法綜述[J].水利科技與經濟,2006,12(9):605-611.

[20]司建華,龔家棟,張勃.干旱地區生態需水量的初步估算:以張掖地區為例[J].干旱區資源與環境,2004,18(1):49-53.

[21]陳麗華,王禮先.北京市生態用水分類及森林植被生態用水定額的確定[J].水土保持研究,2001,8(4):161-164.

[22]粟曉玲,康紹忠.生態需水的概念及其計算方法[J].水科學進展,2003,14(6):740-744.

[23]卞戈亞,周明耀,朱春龍.生態需水量計算方法研究現狀及展望[J].水資源保護,2003,6:740-744.

[24]王芳,王浩,陳敏建,等.中國西北地區生態需水研究(Ⅱ):基于遙感和地理信息系統技術的區域生態需水計算及分析[J].自然資源學報,2002,17(2):129-137.

[25]張奎俊.石羊河流域下游民勤綠洲生態需水與措施研究[D].蘭州:蘭州理工大學，2008.

[26]粟曉玲.石羊河流域面向生態的水資源合理配置理論與模型研究[D].陜西 楊凌,西北農林科技大學，2007．

[27]胡順軍,田長彥,宋郁東,等.裸地與檉柳生長條件下潛水蒸發計算模型[J].科學通報,2006,50(S):36-41.

[28]張長春,邵景力,李慈君,等.華北平原地下水生態環境水位研究[J].吉林大學學報：地球科學版,2003,33(3):323-330.

[29]吳欽孝,楊文治.黃土高原植被建設與持續發展[M].北京:科學出版社,1998.