山地生態水文過程與降水資源調控研究進展

陽輝, 曹建生,* , 張萬軍

山地生態水文過程與降水資源調控研究進展

陽輝1,2, 曹建生1,2,*, 張萬軍1,2

1. 中國科學院遺傳與發育生物學研究所農業資源研究中心, 石家莊 050022 2. 中國科學院農業水資源重點實驗室, 石家莊 050022

生態水文學是一個可定義和發展的學科, 是在不同時空尺度和一系列環境條件下探討生態水文過程。山地的生態格局和水文過程對下游景觀有重大的影響。針對山區干旱缺水、水生態退化以及水災害等一系列生態問題, 從林草地水文生態效應角度, 探討山地生態水文過程的研究進展, 山地降水資源調控技術措施和山地生態水文過程與降水資源調控的相關關系。結果表明: 植被生態需水量的計算方法包括面積定額法、潛水蒸發法、植物蒸散發量法、水量平衡法、生物量法、基于遙感技術的計算法等, 各種方面在不同區域的適用性不同; 生態水文模型有SWAT模型、SWIN模型、EcoHAT模型等, 不同的模型應用領域不一; 降水資源的高效利用措施包括降水資源的就地利用—入滲水利用, 如坡改梯工程、集水造林種草工程以及適時深耕技術等; 降水資源的疊加利用—徑流水利用, 如淤地壩工程和坡面集水造林種草工程等; 以及降水資源的間接利用—蒸發水利用三個方面, 如黑色覆蓋技術、礫石覆蓋技術和土壤覆蓋技術等。以河北太行山區為例, 分析得出造林坡地的徑流系數明顯低于裸巖坡地。山地水旱災害形成機制與水資源調控利用技術的研究、坡地與流域的降雨徑流關系研究等方面應是未來山地生態水文過程的研究重點。

山地; 生態水文過程; 生態水文模型; 生態需水量; 降水資源

0 前言

山地生態系統是全球生態系統變化最敏感的區域, 山地面積占全球的1/6[1]。山地生態系統不僅在水文水功能調節方面扮演著重要的角色, 為人類生存提供飲用水、農業用水、食物制備用水、水電等, 全球近50%的人口需依賴山地水生存[2]。而且是地球上絕大部分動植物種類的生息場所并具有豐富多樣的生態系統[1]。因學科分工的不同, 傳統水文學、大氣科學、生態學、環境科學難以解決全球變化和人類活動影響下出現的水污染、水資源短缺、水生態退化與水管理缺位等日益嚴峻的水問題。在這種背景下, Dublin在1992年的世界水與環境會議上正式提出了生態水文學(Ecohydology)這一概念[3], 主要是指植物-水分相互作用[4], 尤其指半干旱、干旱和牧草地環境中植物-水分的相互作用[5]。生態水文學不僅是生態學和水文學兩個學科的拼湊, 更是一個可定義和發展的學科[3]。早期研究中, 往往關注水文過程或生態過程單一的研究, 而忽略了多種過程耦合作用機理, 在全球環境變化的背景下, 水文過程-生態過程的耦合研究顯得尤為重要[6]。山地往往是產匯流的源頭, 其生態格局和水文過程對下游景觀有重大的影響。因此, 《21世紀議程》認為山地生態系統對全球生態系統非常重要, 對山地生態系統生態水文過程的研究將有助于水土保持、生境恢復和生物多樣性的保持[7]。同時, 山地的許多相關特征, 如地形、規模大小等, 可以作為環境變化和生態退化的指示, 通過長時間的生態水文過程和全球變化冰雪指示調查, 構建不同山地生態系統和河流盆地間的相互關系的區域模型, 對監測全球變化有重要的意義[8–9]。

此外, 隨著社會經濟的發展, 我國出現了水災害和水生態退化等一系列日益嚴峻的生態問題。以京津冀地區為例, 該區長期高強度的城市開發利用引起了水資源缺乏、生態惡化、水污染、河道斷流、地下水漏斗區域化等問題[10]。目前, 在京津冀協同發展的大前提下, 為適應雄安新區以及2022年北京-張家口冬奧會對生態環境的要求, 國家提出構建生態環境支撐區和水源涵養區。因此, 生態水文學作為一門探索和揭示形成生態格局和過程的水文學機制的新興學科, 是解決水與生態問題, 滿足我國生態建設需求必不可少的[11]。

1 山地生態水文過程研究進展

就當前學科發展體系來看, 生態水文學研究的問題主要包括: 河湖生態水文、植被生態水文、濕地生態水文等多個方面[11]。山地生態系統具有垂直的差異性, 其生態水文過程也因植被覆蓋的差異而變得復雜。山地生態水文過程模擬主要是對林草地水文生態效應的模擬, 包括森林水文效應和草地水文效應。因此, 山地生態水文過程的模擬關鍵是要明確不同海拔的植被對水文過程的響應, 需分層區別, 同時植被覆蓋程度不同對土壤與水的相互聯系產生直接的影響。所以, 植被在區域水生態平衡健康發展中起到至關重要的作用[12]。

1.1 植被生態需水量研究進展

生態需水維系著流域的生態安全、水安全, 是生態水文學在水資源/水環境研究中應用的關鍵科學問題之一。生態需水量是指植被在適宜水分條件下達到生產潛力時所需要的最大水資源消耗量。目前區域尺度上生態需水的整體性研究方法大多是基于流域蒸散發特征以及水量平衡而進行估算[13]。以干旱半干旱區為例, 專家學者們根據當地植被類型及氣象、土壤、水文地質、生態等環境條件的差異, 提出了多種植被生態需水量的計算方法, 包括面積定額法、潛水蒸發法、植物蒸散發量法、水量平衡法、生物量法、基于遙感技術的計算法等[14–19]。就我國而言, 眾多學者研究發現, 不同區域所得結論各不相同。王禮先[20]估算出黃河流域喬木林生態用水量為17億 m3左右, 草地生態用水量為1億m3左右, 西北地區植被建設生態用水總量為200億 m3左右。王芳等[21]研究認為西北地區地帶性荒漠草原與典型草原植被生長需水為每年200—400 mm; 地帶性森林草原和森林植被生態需水在400—550 mm之間。何永濤等[22]根據最新遙感圖像資料, 依據GIS估算出黃土高原地區林地生長季的最小生態需水量為2.62×1010m3, 適宜生態需水量為4.21×1010m3。

1.2 生態水文模型研究進展

目前, 生態水文學研究主要是根據研究目的和研究環節的需要, 綜合運用生態學和水文學領域的研究方法; 為探尋生態學和水文學的耦合機制, 統計學和確定性模型的分析方法在當前研究得到了廣泛應用[23]。其中, 最具代表性的生態水文模型為美國農業部(USDA)農業研究局(ARS)開發的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)流域尺度模型, 主要用于模擬預測在大流域復雜多變的土壤類型和土地利用方式下, 土地管理對水文、泥沙和化學物質的長期影響[24]。德國的波斯坦氣候影響研究所開發的SWIM(Soil andWater Integrated Model)模型用于模擬和預測全球氣候變化和土地利用方式改變下流域的水循環、植被生長、營養與污染物質遷移、泥沙運動等生態水文過程[25]。我國中科院地理所研發出的區域尺度的分布式生態水文模擬系統EcoHAT, 利用遙感數據源, 耦合具有物理化學機制下生態水文過程模型, 模擬土壤-植被-大氣連續體(SPAC)水分運行過程中水分和營養元素循環、植被生長間的相互影響[26]。此外, 還有MIKE-SHE 模型、DELFT 模型、SPLASH 模型等[27]在實際工作中得到廣泛應用。

2 山地降水資源調控研究進展

從理論上講, 入滲、徑流、蒸發是天然降水在地表完成二次轉化的3種基本方式, 也是實現陸地水循環的基本途徑。但由于地貌形態、下墊面類型、氣溫氣壓等自然環境因子和人類活動方式與頻率、資源利用方式與強度等人為因子時空差異性的存在, 使得天然降水的轉化方式和數量分布類型組合在地域上差異較大。降水資源調控是治理水土流失和實現降水資源化、利用高效化的根本方法和發展方向。所謂調控就是依據天然降水資源化過程規律, 將天然降水的轉化方式由自然無控向人為可控方向轉變, 以期達到治理水土流失與解決干旱缺水雙贏的目的[28]。

對于山地降雨資源的調控, 體現在對降水資源的高效利用, 其利用措施主要包括以下三個方面, 一是在入滲水利用方面, 土壤入滲過程和滲透性決定對降水再分配的過程[29], 土壤的容重或緊實度對降雨向土壤水分轉化有顯著影響, 土壤翻耕會顯著降低坡地水分的轉化率[30]。同時, 作為重要的下墊面因子, 地表粗糙度具有促進降水入滲的作用[31]。利用入滲水屬于降水資源的就地利用, 利用水分的重力效應和土壤的水庫效應, 改變微地形和改進耕作措施等。該種方式能夠實現降雨就地攔蓄入滲, 減少徑流流失, 提高土壤的貯水量, 進而延長土壤水分的有效供應時間[32]。修筑水平梯田、水平溝、豐產溝、反坡梯田等水保工程技術, 改變原地形、大面積平田整地和集水造林種草等可實現強化降水入滲; 退耕還林還草、增加坡面植被覆蓋率可增加坡面降雨入滲[33], 進一步提高降水入滲利用率和植物對降水資源的利用效率。例如, 在黃土高原地區大面積、大規模實施的坡改梯工程、集水造林種草工程以及適時深耕技術等措施改善地表土壤入滲能力[28]。

二是在徑流水利用方面, 這種方式屬于降水資源的疊加利用, 包括集水區和用水區兩部分, 利用自然和人工創造的集流面進行降水資源的再疊加[33]。通過建設壩、塘、池、窖等工程攔蓄措施, 減少集流區水分的無效消耗, 提高降水徑流利用率和利用效率。隔坡梯田和淤地壩即為典型實例, 其中隔坡梯田田面就地蓄集雨水供作物利用, 梯田上部的雨水又匯集到田面之上, 還可供作物利用。國外的田間微集水系統和國內的徑流林業都是如此。例如, 采用在家庭院落鋪設混凝土集流面的方法, 解決當地人畜飲水嚴重困難的問題。又如, 黃土高原地區淤地壩工程和坡面集水造林種草工程等建設項目的大規模實施, 對大幅度提高地表徑流(特別是汛期雨洪徑流)利用率收效顯著[28]。

三是在蒸發水利用方面, 主要通過地膜覆蓋、調整農作物布局等措施, 降低入滲降水無效蒸發損失率, 延長水分在土壤水庫中的集蓄時間, 提高土壤水利用率和利用效率。在干旱半干旱區, 無效蒸發十分劇烈。據測定, 年降雨總量中60%—165%為無效蒸發[34]。地膜覆蓋方式分為六種類型, 包括黑色覆蓋技術(秸稈、干草、枯草、廄肥), 白色覆蓋技術(塑料薄膜), 綠色覆蓋技術(生物覆蓋), 化學覆蓋技術(膠乳、石蠟、瀝青、石油), 礫石覆蓋技術(卵石、礫石、砂)和土壤覆蓋技術[35]。這種對降水資源的間接利用, 對于增加作用產量效果較為顯著。例如, 在甘肅中東部黃土高原地區廣泛實施的全覆蓋地膜玉米種植技術比非覆蓋玉米增產30%—40%[28]。

3 山地生態水文過程與降水

從水分行為的角度來說, 生態水文過程可以分為生態水文物理過程、化學過程及其生態效應三部分來進行研究。生態水文物理過程包括植被覆蓋和土地利用對降水、徑流、蒸發等水分要素的影響, 生態水文化學過程即水質性研究, 而水分生態效應主要指水分行為對植被生長和分布的影響[36]。

就生態水文物理過程而言, 降雨作為土壤水的主要來源, 植被影響著降雨在土壤的入滲的過程。山地生態系統作為一個由林地、草地等多層次植被組成的生態系統, 林地對于降雨過程有著不可忽視的影響。短期內, 造林對坡地水文的影響, 表現在造林過程中平整土地對坡地水文的影響, 主要是對降雨、徑流、入滲等方面的影響, 比如通過整地, 增加入滲、減少地表徑流, 同時蓄水能力也有所提升, 有利于水土保持。長期內, 造林對坡地水文的影響表現在植被對其的影響, 集中體現在3個方面。第一, 根系對巖土的結構、質地、水理特性的影響; 第二, 葉片蒸騰耗水對水文的影響; 第三, 植被對降雨的攔截, 消減雨滴對坡面的直接打擊, 減緩降雨到達坡面的過程。

以河北太行山區為例, 在西柏坡試驗基地研究人工模擬降雨徑流關系, 通過人工模擬降雨, 利用活動式坡面徑流小區, 進行了裸巖、魚鱗坑擴蓄增容造林坡地、營養缽鑲嵌造林坡地(圖1), 分析得出不同植被及不同造林方式對降雨徑流關系的影響。

初步試驗結果顯示, 在人工模擬降雨強度為0.84 mm·min-1的情況下, 裸巖坡地地表產流的初損歷時為2 min左右, 初損量為1.7 mm; 造林坡地地表產流的初損歷時為45 min, 初損量為37.9 mm。在人工模擬降雨強度為0.84 mm·min-1、降雨歷時27 min的情況下, 裸巖坡地的徑流系數為31%; 在人工模擬降雨強度為0.84 mm·min-1、降雨歷時95 min的情況下, 造林坡地的徑流系數為6.5%。該數據結果顯示, 坡地造林能明顯減少降雨徑流的產生。

4 展望

山地系統對于水資源至關重要, 其水文過程受到山區具體特點的強烈影響, 包括氣溫、降雨、土壤、植被以及地形因素[12]。生態水文過程實質是生態過程和水文過程相互作用的過程[37]。對于山地降水資源的調控研究是山地生態水文過程研究的一個方面。面對資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化的嚴峻形勢, 在對生態環境開發利用的同時, 應該把“水資源-經濟社會-生態環境”作為一個整體來看待, 使三者互相協調, 通過水資源的綜合調控, 從而實現三者綜合效益最大化, 既滿足經濟社會發展的要求, 又不會對生態環境造成危害。隨著社會的發展與進步, 山地生態系統面臨著新的問題, 比如礦業跡地的生態修復問題、經濟林開發(退耕還林)的生態化問題、生態旅游開發的環境保護問題等, 同時, 生態文明建設也提出了新的要求。針對山地生態水文過程與降水資源調控方面的研究, 應重點開展山地水旱災害形成機制與水資源調控利用技術的研究, 開展山地生態系統坡地與流域的降雨徑流關系研究, 明確森林生態系統對水的時空分配、傳輸轉換以及水文循環的影響機制, 以及森林生態系統變化對坡面與流域尺度徑流形成影響的機理[38]。

圖1 造林坡地人工模擬降雨徑流關系(左)和裸巖坡地人工模擬降雨徑流關系(右)

Figure 1 Relationship between artificial simulated rainfall and runoff on afforested slope land (left) and artificial simulated rainfall and runoff on bare rock slope land (right)

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Advances in ecohydrological process and regulation of precipitation resources research in mountain areas

YANG Hui1, CAO Jiansheng1, *, ZHANG Wanjun1

1. Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050022, China 2. Key Laboratory of Agricultural Water Resources, Chinese Academy of Sciences,Shijiazhuang 050022, China

Ecohydrology is a subject that can be defined and developed. It is to discuss the ecohydrological process on different spatial and temporal scales and a series of environmental conditions. The ecological pattern and hydrological process of mountain area have great influence on the downstream landscape. Aiming at the problems of drought and water shortage in mountainous area and serious degradation of ecosystem, we discuss the research progress of mountain ecohydrological process from the perspective of hydrological and ecological effects in forest and grassland, as well as the technical measures of mountain precipitation resources regulation and the correlation between mountain ecological and hydrological process and precipitation resources regulation. The results show that the calculation methods of vegetation ecological water demand include area quota method, diving evaporation method, plant evapotranspiration method, water balance method, biomass method, calculation method based on remote sensing technology and so on. Ecohydrological models include SWAT model, SWIN model, EcoHAT model and so on. Different models have different application fields. The efficient utilization measures of precipitation resources include the local utilization of precipitation resources - infiltration utilization, such as slope transformation project, water collection afforestation and grass planting project and timely deep tillage technology; superposition utilization of precipitation resources - runoff water utilization, such as dam project and slope water collection afforestation and grass planting project; the indirect utilization of precipitation resources - evaporation water utilization, such as black mulching technology, gravel mulching technology and soil mulching technology. Taking Taihangshan mountain area of Hebei province as an example, the runoff coefficient of afforestation slope is obviously lower than that of bare rock slope. The study on the formation mechanism of flood and drought disaster in mountain areas and the technology of water resources regulation and utilization and the relationship between slope land and rainfall and runoff in the river basin should be the key of the future study on mountain ecological and hydrological processes.

mountain; ecohydrological process; ecohydrological model; ecological water requirement; precipitation resources

10.14108/j.cnki.1008-8873.2019.06.025

P64

A

1008-8873(2019)06-173-05

2019-01-07;

2019-09-18

國家重點研發計劃項目(2018YFC0406501-02); 國家自然科學面上基金項目(41877170)

陽輝(1988—), 女, 湖南常寧人, 博士, 助理研究員, 主要從事水文水資源研究, E-mail: yanghui@sjziam.ac.cn

曹建生, 男, 博士, 研究員, 主要從事山區水循環和水資源利用、生態水文方面的研究, E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

陽輝, 曹建生, 張萬軍. 山地生態水文過程與降水資源調控研究進展[J]. 生態科學, 2019, 38(6): 173-177.

YANG Hui, CAO Jiansheng, ZHANG Wanjun. Advances in ecohydrological process and regulation of precipitation resources research in mountain areas[J]. Ecological Science, 2019, 38(6): 173-177.