植被生態需水理論及計算研究進展

魏華

摘要 生態需水研究是近年來國內外廣泛關注的熱點，涉及生態學、水文學、環境科學等多個學科。植被生態需水研究對于指導區域植被生態恢復與生態建設具有重要意義，是生態需水的重要研究內容。本文系統回顧了國內外植被生態需水的研究進展，較為全面地介紹了植被生態需水的概念和內涵，總結并介紹了植被生態需水的各種計算方法。對各類植被生態需水計算方法的基本思想、優缺點、差異及其適用范圍做了重點介紹，并分析了國內外植被生態需水的研究進展及發展趨勢。通過對過去植被生態需水研究的總結與分析認為，國外研究的側重點為土壤、大氣和植被之間的生態水文過程以及維系自然生態系統平衡，我國研究的側重點為水資源供需矛盾突出以及生態環境相對脆弱和問題嚴重的干旱、半干旱和季節性干旱的濕潤區，但由于起步晚，在這方面的研究尚不成熟，同時，植被生態需水的計算沒有一個具體的標準和完整的理論體系。

關鍵詞 植被；生態需水；計算方法；發展趨勢

中圖分類號 X171.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）02-0179-04

Research Progress on Theory and Calculation of Vegetation Ecological Water Requirement

WEI Hua

（Land and Water Resources Research Center of the Middle Reaches of Yangtze River， School of Resources Environment Science and Engineering，Hubei University of Science and Technology，Xianning Hubei 437100）

Abstract The study on ecological water requirement is a hot topic concerned at home and abroad in recent years，involving multiple subjects such as ecology，hydrology，environmental science. Research of vegetation ecological water requirement is one of the important research contents of ecological water requirement，which is also of great significance to guide regional vegetation ecological restoration and construction. This paper systematically reviewed the research progress of vegetation ecological water requirement at home and abroad，comprehensively introduced the concept and connotation of vegetation ecological water requirement，summarized and introduced the various calculation methods of vegetation ecological water requirement，highlighted the basic idea，advantages and disadvantages，differences and the application scope of vegetation ecological water requirement for all kinds of calculation methods. Also the research progress and development trend of vegetation ecological water requirement at home and abroad were analyzed. By summarizing and analyzing the past studies of vegetation ecological water requirement，the foreign research on vegetation ecological water requirement focused on soil，the eco-hydrological process between atmosphere and vegetation，maintain the natural ecosystem balance，while domestic research was more concentrated on the prominent contradiction between supply and demand of water resources，and relatively fragile ecological environment in the severe drought seasonal arid，semi-arid and semi-humid. However，due to starting late，the research in this aspect was not very mature，at the same time，there was not a specific standard and complete theoretical system in the calculation of vegetation ecological water requirement.endprint

Key words vegetation；ecological water requirement；calculation method；development trend

近年來，由于生態系統功能的日益損失，人們開始認識到生態系統的健康問題，因而生態需水問題成為了研究的重點。植被是自然景觀最直接的反映，是組成生態系統的最基本成分，是整個生態系統生態需水量的基礎。水資源先天不足加上人類不合理的開發利用，導致干旱地區森林草原退化、湖泊消失、沙塵暴頻發，干旱地區植被生態需水研究得到人們的重視。有研究表明，水資源的合理配置，生態用水與經濟用水的協調發展與植被生態需水量的準確性息息相關。本文擬對植被生態需水的理論及計算進行概述。

1 植被生態需水的概念及內涵

相較于國內，國外對生態需水的研究較早。Gleick[1]認為保證生態系統基本功能運轉所需的物能平衡關系是生態環境需水量的基本。Covich[2]、Falkenmark[3]認為生態需水量是指保證生態環境健康發展需求的水量。對于植被生態需水的概念，不同學者的觀點不盡相同，何永濤等[4]認為是指為了確保生態服務功能正常發揮，生態系統健康維持的部分水量；黃奕龍等[5]認為是在特定的環境標準下，維持植被正常生長所需要的水量；張思玉等[6]則認為是用于各類植被的地下水和地表水的水資源總量，例如在人工植被建設中確保其正常生長發育所需水分的下限（通過引水灌溉）。張 遠等[7]認為林地生態需水量是指維持其自身生長、發揮生態功能所需要消耗和占用的水資源量。夏 軍等[8]認為是滿足植被正常生長發育及維護生態環境健康運行所必須消耗的水量。趙文智等[9]、左其亭[10]依據植物的不同生長狀態，從閾值理論出發將植被生態需水量分為最高、適宜、最低3個級別，分別為最高生態用水、合理生態用水、最低生態用水。夏哲超等[11]將最小生態需水量、適宜生態需水量、最大生態需水量分別定義為滿足植被基本生長、最佳生長和超過植被生長需求的水量。王 芳等[12]認為在我國西北地區，植被生態需水是指人工生態建設及天然生態保護所消耗的水量。閔慶文等[13]、韓 英等[14]認為植被生態需水是指在其他因素不受限制的條件下，維持植被正常生長或植被生態系統健康所需要的水量。綜上所述，植被生態需水研究仍沒有完整的理論體系，其概念也各有不同。

2 植被生態需水量的計算方法

由于植被類型不同，其所處的氣象、水文地質條件也不同，不同學者提出了不同的植被生態需水量計算方法[15-16]。但無論采取何種方法，其基本步驟均為先劃分研究區的植被類型，并確定其范圍和面積，然后根據不同植被類型的生態需水定額進行計算。

2.1 面積定額法（直接計算法）

面積定額法適用于防風固沙林、人工綠洲、農田系統等容易獲得數據的人工植被生態需水量計算。計算公式如下：

W=∑Wi=∑Ai·ri

式中，W為植被生態需水量（m3）；Wi為第i類植被的生態需水量（m3）；Ai為第i類植被的面積（m2）；ri為第i類植被的生態需水定額（m3/m2）。

已有研究表明，需水定額的確定有2種方法：一是通過耗水試驗[17-20]獲得，但由于空間異質性和尺度的問題，以個體或群體植物為對象進行耗水試驗研究分析植被生態需水量[21]，不能完全代表各種生態系統對水資源的不同需求特性；二是通過理論公式計算[4，22-23]，該方法可以彌補耗水試驗獲得數據的不足，使不同區域間氣象因子及土壤類型的不同得以體現，但在土壤動態監測手段及氣象數據的獲得方法還存在一定的局限性。

2.2 潛水蒸發法（間接計算法）

潛水蒸發法是計算植被生態需水量的間接方法，適用于降水量稀少、完全依賴地下水維持植被生長的干旱區域，特別是對于某些基礎工作較差難以通過試驗獲取所需數據且蒸散模型參數獲取困難的地區，可采用此法進行估算。計算公式[24-26]如下：

W=∑Wi=∑Ai·Wg i·K

式中，Wg i為植被類型i在地下水位某一埋深時的潛水蒸發量；K為植被系數。

由于干旱平原區天然與大部分人工植被的生存和繁衍主要依賴地下水，因而大多數學者[27-30]傾向于選擇具有代表性的阿維里揚諾夫公式計算植被生態需水量，以期在水資源調配管理、流域水資源規劃實施及生態環境恢復重建時作為參考。

2.3 改進后的彭曼（Penman）公式法

改進后的彭曼（Penman）公式法在理論上比較成熟，實際上具有很好的操作性，一般計算的是植被的最大需水量，即在充分供水、供肥、無病蟲害等理想條件下植物獲得的需水量。計算公式[31]如下：

ET=ET0·Kc·f（s）

式中，ET為植物實際需水量（mm/d）；ET0為潛在蒸發量（mm/d）；Kc為植物系數； f（s）為土壤影響因素。

針對我國目前薄弱的天然植被生態需水量計算方法比較薄弱的情況，可利用該方法近似計算植被生態需水量。

2.4 沈立昌公式法

沈立昌公式法沒有極限地下水埋深的約束，干旱區潛水蒸發是隨著地下水埋深增加而減小的，當地下水埋深達到5 m時，幾乎不存在潛水蒸發。計算公式[32]如下：

E=Kμ（1+H）-b×E0 a

式中，E為潛水蒸發（mm）；H為地下水埋深（m）；μ為給水度；E0為水面蒸發（mm）；a、b為與植物有關的待定系數；K為標志土質、植被、水文地質條件及其他因素的綜合系數。

由于沈立昌公式中的待定系數較多，對于缺乏大量試驗材料的區域來說比較難確定，因而不適宜該類地區使用。

2.5 水量平衡法

水量平衡法常用于中小閉合流域生態需水量的計算。計算公式[5，33-34]如下：endprint

Wt+1=Wt+P-R-ET

式中，Wt+1為t+1時段初期土壤含水量（mm）；Wt為t-1時段末期土壤含水量（mm）；P為降雨量（mm）；R為徑流量（mm）；ET為蒸發蒸騰量（mm）。

水量平衡法計算精度不高，這是由于公式中各水分收支項的精度確定比較困難，但該法易于操作，公式簡單[35-36]。

2.6 植被耗水模式法

植被耗水模式法[37]被廣泛用于干旱內陸地區域的生態需水量估算，其機理是以干旱區典型植物為對象進行個體或群叢水分耗散試驗，獲得典型植被的水分消耗規律，進而推廣至整個研究區域。該方法的缺點是不能代表實際存在的各種生態系統對水資源的不同需求特性，同時也存在尺度轉換及空間異質性的問題。

2.7 土壤濕度法

土壤濕度法[38]適用于對同一地區或土壤質地、降水量相近區域的植被需水量進行估算，其機理是在一定范圍內，牧草需水量與土壤水分成正相關。土壤濕度法受地域條件及土壤質地的限制，但適合在我國西北干旱半干旱地區使用。

2.8 基于生物量的生態需水估算

不同生態系統水分利用效率不同，即單位水量干物質生產量有所不同。基于此，可用生物量方法對生態需水量進行計算[39]。計算公式如下：

E=∑Ai×QNPPi×μi

式中，Ai為i類植被利用面積（m2），QNPPi為i類植被的凈第一性生產力，即單位面積、單位時間內干物質的重量（g/m2·a），μi為i類植物水分利用系數，表示單位土地面積上生產的干物質與蒸散耗水之比（g/kg）。

由于植被生物量包括根、莖、葉等，估算較為困難，導致該方法的應用局限性較大。但隨著遙感技術的應用，該方法有相當大的應用前景，從另一個角度提供了生態需水量的計算途徑。

2.9 水量均衡法

1966年，Philip等闡明了植物在水分循環及水分平衡中的作用[40-41]。草原生態系統中，水分循環是通過大氣降水、植被蒸發與蒸騰相互轉化來實現的。因此，草地生態環境需水量可采用以下水平衡公式[42-43]進行計算。

Q=1 000（P-R）F+ΔW

式中，Q為草地需水量（m3）；P為多年平均降雨量（mm）；R為多年平均徑流深（mm）；F為草地面積（km2）；ΔW為土壤水變化量（m3）。

2.10 基于RS和GIS的生態需水研究方法

首先，利用RS和GIS技術對研究區域進行生態分區，確定各級需水生態分區的面積，建立生態分區與水資源分區的空間對應關系。其次，結合實測資料、遙感手段及GIS軟件對不同植被類別范圍進行確定。最后，利用水資源分區的水量收支平衡控制對生態需水量進行估算。計算公式如下：

Q=∑Qi=∑（Qi1+Qi2）

式中，Q為區域總需水量（mm）；Qi為植被類型i的生態需水量（mm）；Qi1為植被類型i的植株蒸騰量（mm）；Qi2為植被類型i的棵間潛水蒸發量（mm）。

基于RS和GIS的生態需水量計算適用于較大區域范圍內的研究，有學者將該方法研究結果與其他算法結果進行比較，認為該算法是合理可行的[31]。該方法的缺點為生態水文諸多參數獲取困難，涉及的相關知識太多，工作量大，不易操作。同時，該方法計算結果為定值，不能體現生態水文過程的動態演變，也不能體現生態系統需水的動態變化特性[44]。

3 國內外研究現狀及發展趨勢

20世紀末，生態環境需水量研究正式成為全球關注的焦點問題[45-46]。國外的研究側重點為土壤、大氣和植被間的生態水文過程以及維系自然生態系統平衡。1977年，Pruitt等[47]建立了林草地生態需水的計算預報模型，同時形成了一套農作物需水量計算的理論和方法。1998年，Baird等[48]對植物與水文過程的相互關系進行了分析，為植被耗水變化規律研究奠定了堅實的理論基礎。2001年，Laio等[49]為了描述土壤水分虧缺對植物的影響，模擬了大氣、土壤和植被間的相互作用。2007年、2008年Groeneveld等[50-51]通過氣象數據求出年降雨量和參考作物蒸發蒸騰量ET0，然后根據衛星圖像獲取植被歸一化指數，從而求得植被生態需水量。2017年，Acharjee等[52]通過全球的循環模型統計降尺度和偏差糾正的組合輸出4個西北地區孟加拉區域氣候場景的構建，研究氣候變化對干旱季節Boro水稻的未來需水量的影響，估計2050—2080年Boro水稻的需水量（使用30年的平均氣候數據）。研究表明，參考作物蒸發量（日均ETo）在未來會增加，主要是由于溫度升高；∑ETc將會下降，由于對更高溫度的物候反應而導致生長天數減少；密切監測和定期評估有必要了解未來降雨量和分布變化的方向，這對改變對長期水資源管理和農業規劃至關重要。

我國人口壓力巨大，生態環境惡化，生態需水研究就是在此背景下提出的，目前尚處于初始階段。最早由水文水資源學家在研究西北地區水資源綜合開發利用時提出[53]。20世紀90年代開始對干旱區生態需水諸多問題進行研究，包括概念、分類、理論和計算方法。2003年，張 麗等[31]結合遙感技術和植物生理需水現場試驗，提出了植物生長與地下水位關系模型，對黑河下游生態需水進行了計算。2008年，王 強等[54]在對白洋淀典型水生植物的蒸騰量實地監測的基礎上，對不同時空條件下水生植物的蒸散系數進行了確定，對白洋淀濕地基于現狀和恢復目標下的植物生態需水量進行了等級劃分和計算。研究結果表明，6—9月綜合蒸散系數分別為3.21、6.24、6.02、1.86，水生植物需水量的時間分布規律為7月>8月>6月>9月，空間分布規律為陸地>水陸過渡帶>水中。2009年，劉旭升[55]估算出北京市植被的最小生態需水量為37.4億m3，同時闡明當地植被生態需水將會持續上升。2013年，司建華等[56]通過對黑河下游額濟納綠洲地下水位時空動態變化過程、天然植被耗水過程和綠洲生態過程及水文過程的關系研究，確定了黑河下游額濟納綠洲生態需水的關鍵期。2013年，王改玲等[57]研究表明，山西永定河流域植被建設最小生態需水量為1 628.5×106 m3，適宜生態需水量為2 709.5×106 m3；降水總體上能滿足草地適宜生態需水及草、灌、喬植被生長期最小生態需水，對灌木植被的適宜生態需水僅為基本滿足，而對喬木植被的適宜生態需水則無法滿足。2016年，姜亮亮等[58]基于遙感和GIS技術，與氣象站點實測資料相結合，采用有限水域面蒸發計算方法計算湖泊生態需水；植被生態需水則通過FAO56 Penman-Monteith法進行計算，最后根據維持不同的湖泊面積確定了3種生態補水方案。研究結果可提高水資源的利用效率，為流域水資源配置及外流域向艾里克湖生態補水提供可靠的技術借鑒。2017年，孫棟元等[59]以疏勒河中游綠洲為研究對象，基于RS和GIS技術，以Landsat TM/ETM影像解譯成果（1990年、2000年、2013年）為基礎材料，確定了中游綠洲2020年和2030年生態保護目標，建立了基于天然植被、河流、濕地和防治耕地鹽堿化的疏勒河中游綠洲生態環境需水定量化模型，并估算了現狀和保護目標下流域中游綠洲生態需水量。2017年，周洪華等[60]分析了塔里木河下游荒漠河岸林關鍵種——胡楊樹木年輪近90年來的變化特征及對氣候水文過程的響應，并基于樹木年輪技術提出了維系荒漠河岸林不同恢復狀態的生態需水量。研究結果表明，塔里木河下游胡楊樹木年輪主要承載的是區域水文歷史變化信息，可以作為定量評估生態輸水工程的生態恢復效應和定量計算植被生態需水量的新指標。2017年，Chi等[61]通過Penman-Monteith方法與GIS和遙感技術相結合動態計算植被系數，并引入土壤水分限制系數，共同提供在計算自然植被生態需水的完整而準確的方法。計算了4種主要的植被類型針葉林、闊葉林、草原和草原植被的生態需水和生態虧水，并分析得出針葉和闊葉林的蒸散量減少，而草本植物則表現為稍微增加的趨勢，植被總生態需水量幾乎保持不變，但水分虧損問題廣泛存在。這是由于其降水無法達到植物的生態需水，而且在生長季節中，生態需水的分布和降水的時間分配不一致。endprint

綜上所述，我國植被生態需水的研究起步較晚，更多的從考慮人類活動擠占生態需水的實際問題出發，對多樣性與復雜性的西部地區的生態需水進行研究，宏觀角度的植被生態需水研究取得了積極成果，而微觀角度的研究成果則不多見，這可能是由于不同植被類型、不同區域、不同降水量條件下，生態需水量千差萬別。

4 總結與展望

（1）我國植被生態需水量研究起步較晚，缺少長期的試驗數據支持，計算方法沒有具體標準。因此，很難確定哪種方法的計算結果更加切合實際，需要建立完善的植被生態需水的理論體系。

（2）植被生態需水涉及水文系統和生態系統，尤其側重于生物過程對水循環要素的影響以及水文過程對生態系統配置、結構和動態的影響。關于植被生態需水研究，今后應加強相關學科和多學科之間的交流與合作，著重深入研究植被耗水的生理生態機制，進一步完善植被耗水的計算方法，為不同植被類型生態需水量的計算提供基礎。

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