新疆開都—孔雀河流域天然植被生態(tài)需水量研究

馬玉其，王軍政，程勇，王新友，陳小強(qiáng)，崔華，葉朝霞

(1.新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，庫爾勒 841000；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所/荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830011)

隨著生態(tài)環(huán)境日益惡化，人類對生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)環(huán)境重建越來越重視。而作為生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)中最重要的因素之一，水資源的供需矛盾日益突出。為了實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用及國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，生態(tài)需水量的研究近年逐漸受到關(guān)注并發(fā)展起來，成為生態(tài)水文學(xué)的重要研究內(nèi)容之一。生態(tài)需水量是水資源可持續(xù)利用的重要基礎(chǔ)[1]。我國生態(tài)需水研究起步較晚，現(xiàn)階段生態(tài)需水的概念還未得到統(tǒng)一，其研究主體不明確，不同學(xué)者根據(jù)研究對象的具體情況對其進(jìn)行界定，出現(xiàn)不同的定義，如生態(tài)用水、生態(tài)耗水、生態(tài)缺水、生態(tài)儲(chǔ)水、環(huán)境需水及生態(tài)環(huán)境需水等，這些概念與生態(tài)需水并不等同，屬于不同層次的概念[2]。生態(tài)用水是指流域生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際使用的水資源，反映生態(tài)系統(tǒng)歷史或現(xiàn)狀的用水水平[3]。生態(tài)需水是生態(tài)用水的依據(jù)。生態(tài)耗水是指生態(tài)系統(tǒng)維持生物生存消耗掉的水量(如蒸發(fā)量)，生態(tài)需水大于生態(tài)耗水。生態(tài)缺水是指特定狀態(tài)下的生態(tài)系統(tǒng)對于預(yù)期的生態(tài)目標(biāo)，系統(tǒng)缺乏的、需要補(bǔ)充的水量，即供水與需水的差值。生態(tài)儲(chǔ)水是指生態(tài)系統(tǒng)所處的特定時(shí)空范圍內(nèi)儲(chǔ)存的或可獲取的天然存在的水，是生態(tài)需水總量中的部分非消耗用水因參與了生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量循環(huán)而滯留在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部[4]。環(huán)境需水是改善人類生存環(huán)境質(zhì)量所需要的水量[5]。生態(tài)環(huán)境需水量是生態(tài)需水和環(huán)境需水的總和。王玉敏和周孝德[6]認(rèn)為廣義的生態(tài)需水量是指維持地球生物地理生態(tài)系統(tǒng)水分平衡所需用的水，包括水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等等。狹義地說，生態(tài)需水量是指為維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)不再惡化并逐漸改善所需要消耗的水資源總量。天然植被生態(tài)需水由天然喬灌林、草地、荒漠植被和植被蓋度小于5%的荒漠區(qū)蒸發(fā)需水共同組成。

本文選擇塔里木河流域九源之一的開都—孔雀河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，結(jié)合該區(qū)域天然植被的分布特點(diǎn)，合理估算天然植被生態(tài)需水量，以期為孔雀河生態(tài)輸水工程和塔里木河下游生態(tài)輸水工程的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)

開都—孔雀河流域位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州(以下簡稱巴州)境內(nèi)，地處塔里木盆地東北部、塔克拉瑪干沙漠東北緣，由山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)、綠洲生態(tài)系統(tǒng)、湖泊生態(tài)系統(tǒng)及荒漠生態(tài)系統(tǒng)等構(gòu)成。該流域總面積7.73×104km2，其中山區(qū)面積為3.47×104km2，占流域面積的45%；平原區(qū)面積為4.26×104km2，占流域面積的55%。該流域是巴州國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要區(qū)域[7]。

開都—孔雀河流域深居歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，屬于典型的大陸性干旱氣候，其總的特點(diǎn)是干旱少雨、蒸發(fā)量大、晝夜溫差大、日照時(shí)間長、光熱資源豐富、四季分明、冬夏漫長、春秋短暫，并有春季升溫快、秋季降溫迅速、風(fēng)沙較大等氣候特征。

開都—孔雀河流域有大小10余條雨雪混合補(bǔ)給的河流，其中開都河、黃水溝、清水河等河流為博斯騰湖泊濕地主要水源。開都河發(fā)源于天山中部依連哈比爾尕山，主要由高山區(qū)冰雪融水、中山帶的降水構(gòu)成，由東向西經(jīng)小尤爾都斯盆地流至巴音布魯克，向南流入大尤爾都斯盆地，折轉(zhuǎn)130度向東流入焉耆盆地，最后注入博斯騰湖。博斯騰湖作為開都河的尾閭，是巴州地區(qū)的重要水資源儲(chǔ)存庫，具有調(diào)節(jié)河川徑流、凈化水質(zhì)等生態(tài)功能。水源從博斯騰湖流出即為孔雀河。孔雀河流經(jīng)庫爾勒市、尉犁縣注入羅布泊。孔雀河是博斯騰湖濕地的唯一出水河流，承擔(dān)著流域下游生產(chǎn)生活的水源供給[7]。

1.2 研究方法

天然植被生態(tài)需水量的計(jì)算方法主要有Penman法、潛水蒸發(fā)法、實(shí)測蒸騰量估算法、定額法以及基于遙感和GIS技術(shù)的研究方法等。本文根據(jù)研究區(qū)天然植被的分布特點(diǎn)，選擇潛水蒸發(fā)法和定額法進(jìn)行估算。

1.2.1 潛水蒸發(fā)法

潛水蒸發(fā)法是根據(jù)潛水蒸發(fā)量間接計(jì)算植被生態(tài)需水量的方法，該方法適用于干旱區(qū)植被生存主要依賴地下水的情況。對于某些地區(qū)天然植被生態(tài)用水量計(jì)算，若以前工作積累較少，模型參數(shù)獲取困難，也可考慮采用此方法。干旱區(qū)天然植被的實(shí)際蒸散可近似地用潛水蒸發(fā)量W表示。

W=E×A

式中，E為潛水蒸發(fā)強(qiáng)度(mm)，A為要維持或保護(hù)的植被面積。潛水蒸發(fā)與氣象要素、土壤質(zhì)地、土壤水分儲(chǔ)量和地下水埋深等密切相關(guān)。目前潛水蒸發(fā)法常用的計(jì)算公式有：

阿維里揚(yáng)諾夫公式(簡稱“阿氏公式”)：

E=a(1-H/Hmax)bEΦ20

阿克蘇水平衡站公式：

E=E20×(1-H/Hmax)2.51

式中，E為潛水蒸發(fā)強(qiáng)度(mm)；EФ20為常規(guī)氣象蒸發(fā)皿觀測值(mm)；H為地下水埋深(m)；E20為20m2蒸發(fā)池水面蒸發(fā)量，使用阿克蘇水平衡站多年實(shí)測平均值1292.20mm；Hmax為地下水極限埋深(m)，按5m計(jì)算；a，b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)分別取a=0.62，b=2.80。需要指出的是以上公式計(jì)算結(jié)果均為裸地條件下的潛水蒸散發(fā)數(shù)值，若考慮不同植被覆蓋條件下的潛水蒸散發(fā)，需通過植被稀疏對裸地條件下蒸散發(fā)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，依據(jù)宋郁東等[8]的研究，在塔里木河流域植被影響系數(shù)見表1。

表1 不同潛水埋深條件下的植被系數(shù)

1.2.2 定額法

式中：p為植被需水保證率；Ai為i類的植被面積；mpi為相應(yīng)保證率的植被需水定額；n為植被類型數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 干旱區(qū)天然植被生態(tài)需水特點(diǎn)

(1)干旱區(qū)天然植被實(shí)際蒸散耗水量小。干旱區(qū)的自然植被相對比較抗旱，大多數(shù)常常得不到充分的水量供給。同時(shí)，生物生產(chǎn)量也相對較低，總體來講，單位面積對水分的消耗量也相對較小。

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(2)用水的可塑性大。沿塔里木河干流兩岸的大部分自然植被，每年只有洪水期7月—8月灌溉一次，洪水大時(shí)漫溢范圍廣，灌水量多；洪水少時(shí)，僅在主河道兩側(cè)有限范圍，灌水量少，自然植被不像農(nóng)作物灌溉不適時(shí)適量就會(huì)造成減產(chǎn)。所以生態(tài)用水和農(nóng)業(yè)用水在時(shí)間上不會(huì)有很大的矛盾。春季水量少時(shí)，可全部供農(nóng)業(yè)利用；夏季洪水大時(shí)，農(nóng)作物灌溉利用不完可作生態(tài)用水。在南疆有些地方引洪放淤，繁育恢復(fù)檉柳，對改善生態(tài)起到良好作用。

(3)水分有效利用程度高。農(nóng)作物灌溉大多是地面灌溉，通過水庫調(diào)節(jié)、渠道輸水和田間灌溉造成蒸發(fā)滲漏損失很大，農(nóng)作物真正實(shí)際利用的不到30%。生態(tài)用水除了洪水淹灌造成積水蒸發(fā)損耗外，大部分是地表水滲漏轉(zhuǎn)化為地下水供植物利用，與農(nóng)作物相比，水資源利用率高。

(4)能夠利用農(nóng)業(yè)上暫難利用的水資源。農(nóng)作物用水是“以需定供”，而生態(tài)用水是“以供定耗”。目前生態(tài)用水主要是農(nóng)業(yè)上難以引用的洪水和由水庫、渠道、田間滲漏補(bǔ)給的地下水及一部分農(nóng)田排水，將來還有城市和工業(yè)污水。用這些水可維護(hù)自然植被、保護(hù)生態(tài)，無疑可提高水資源利用率。特別是由水庫、渠道和田間滲漏補(bǔ)給的地下水，被天然植被吸收利用，極大地提高了水資源重復(fù)利用率。

(5)可利用埋藏較深的潛水。農(nóng)作物由于根系淺，主要利用根系密積層(一般在1m以內(nèi))的土壤水，一旦土壤干旱，就會(huì)影響生長。天然植被，特別是喬灌木根系是隨著地下水位下降而向下延伸。成年檉柳、胡楊的根系都可深達(dá)十多米。所以不少地方，盡管地下水位已下降到4m～8m以下，但是喬灌木仍能生長，其所利用的主要是埋藏較深的地下水。因此可利用喬灌木生長和地下水的這種關(guān)系，在幼林階段，通過灌溉使根系向下延伸，一旦根系能接觸到地下水，就可減少水分供應(yīng)，讓根系吸收地下水，節(jié)省生態(tài)用水。

開都—孔雀河流域生態(tài)用水的形式主要以河道入滲補(bǔ)給地下水和洪水漫溢的地面灌溉為主。河道入滲在河道兩岸橫斷面上形成一個(gè)近似梯形的地下水區(qū)域，使天然植被的根系能夠有效地吸收水分；洪水漫溢地面灌溉可使植被達(dá)到自我更新、孕育幼林和草本植物生長的需水要求。

據(jù)2008年塔里木河干流上、中、下游分區(qū)天然植被生態(tài)耗水量分析[9]，上游區(qū)為2125.6m3/hm2，中游區(qū)為2277.70m3/hm2，下游區(qū)為2344.60m3/hm2。上游區(qū)植被主要以林木為主，以灌木、草類植被為輔，生態(tài)用水以河道漫溢形成的地面灌溉為主，河道入滲補(bǔ)給地下水為輔，故用水指標(biāo)較高；中游區(qū)植被以林、灌木、草結(jié)合，生態(tài)用水形式以河道及叉流入滲補(bǔ)給地下水為主，河道漫溢形成的地面灌溉為輔，用水指標(biāo)適中；下游區(qū)由于總水量不足，植被衰敗、枯萎，生態(tài)用水以河道入滲補(bǔ)給地下水為主，下游英蘇以下河道斷流30多年，地下水位已下降至9m～13m，用水指標(biāo)異常偏低。

根據(jù)生態(tài)用水的不同特點(diǎn)，特別是塔里木河兩岸的自然植被主要依靠洪水漫溢和河道入滲補(bǔ)給地下水維持生機(jī)的特點(diǎn)，其生態(tài)用水指標(biāo)也由于各自計(jì)算方法不同而計(jì)算值各異：(1)中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所計(jì)算值為3900m3/hm2；(2)新疆水利廳流域規(guī)劃辦公室計(jì)算值為3885m3/hm2；(3)清華大學(xué)塔里木河干流水均衡模型計(jì)算值為3495m3/hm2；(4)根據(jù)王讓會(huì)等[10]研究成果，有林地為3000m3/hm2；疏林地為1450m3/hm2；高蓋度草地為2340m3/hm2；低蓋度地為630m3/hm2。根據(jù)以上定額指標(biāo)，并參考潛水蒸發(fā)與水平衡公式計(jì)算的需水量結(jié)果，確定現(xiàn)狀條件下林地需水定額為3000 m3/hm2；疏林地(小半灌木林地)需水定額為1500 m3/hm2；草地統(tǒng)一設(shè)定為2250 m3/hm2。

2.2 開都—孔雀河流域天然植被保護(hù)范圍

天然植被生態(tài)敏感區(qū)保護(hù)區(qū)分布于66km分水閘以下的河道兩岸，面積10.93×104hm2，主要由以胡楊為主的喬木林和以檉柳為主的灌木林組成，為荒漠地帶特有的走廊式荒漠河岸林。現(xiàn)狀年開都—孔雀河在第66km分水閘斷面向塔里木河供水5.49×108m3，向塔里木河供水4.5×108m3(含生態(tài)供水水量)，一般情況下孔雀河基本無水下泄入孔雀河阿克蘇甫下游河道。

表2 開都—孔雀河流域天然植被保護(hù)范圍與目標(biāo) 單位：104hm2

2.3 開都—孔雀河流域天然植被生態(tài)需水量

采用潛水蒸發(fā)法(阿克蘇水平衡站公式、阿氏公式)和定額法估算了開都—孔雀河流域生態(tài)保護(hù)紅線和生態(tài)敏感區(qū)保護(hù)范圍內(nèi)的天然植被生態(tài)需水量。為了消除單一方法估算結(jié)果的偏差，將三種計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均，從而獲得不同保護(hù)范圍天然植被的需水量。

開都—孔雀河流域平原區(qū)有林地需水定額3000m3/hm2，平均地下水埋深2.50m；疏林地需水定額1500m3/hm2，平均地下水埋深4.50m；灌木林需水定額3000m3/hm2，平均地下水埋深3m；草地需水定額2250m3/hm2，平均地下水埋深3m。根據(jù)定額法計(jì)算結(jié)果，開都—孔雀河平原區(qū)生態(tài)保護(hù)紅線下需水量為17.09×108m3；基于潛水蒸發(fā)法的阿克蘇水平衡公式計(jì)算結(jié)果為12.82×108m3，阿氏公式計(jì)算結(jié)果為11.55×108m3。將三種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行算術(shù)平均，則開都—孔雀河生態(tài)紅線需水量為13.82×108m3(表3)。

表3 開都—孔雀河流域生態(tài)需水量計(jì)算

開都—孔雀河流域天然植被生態(tài)敏感區(qū)分布于66km分水閘以下的河道兩岸，面積10.93×104hm2，主要由以胡楊為主的喬木林和以檉柳為主的灌木林組成，對應(yīng)地下水埋深平均為3m左右，灌溉定額綜合考慮有林地、疏林地和灌木林情況，定為2250m3/hm2。因此，定額法計(jì)算的生態(tài)敏感區(qū)生態(tài)需水量為2.46×108m3，阿克蘇水平衡站公式計(jì)算需水量為1.96×108m3，阿氏公式計(jì)算的需水量為1.76×108m3，三者平均為2.06×108m3。

3 結(jié)論與討論

上述研究結(jié)果表明：開都—孔雀河流域生態(tài)紅線平均需水量為13.82×108m3，其中定額法估算結(jié)果偏大，其次是阿克蘇水平衡站公式，阿氏公式估算結(jié)果最小；生態(tài)敏感區(qū)平均生態(tài)需水量為2.06×108m3，同樣也是定額法估算結(jié)果偏大，其次是阿克蘇水平衡站公式，阿氏公式估算結(jié)果最小。比較上述結(jié)果發(fā)現(xiàn)，潛水蒸發(fā)法中的阿克蘇水平站方法的計(jì)算值與平均值最為接近。

由于干旱區(qū)降水量稀少，天然植被生長完全依賴地下水，一般采用潛水蒸發(fā)法間接計(jì)算植被的生態(tài)需水量，在植被需水定額不好確定的情況下，更是首選潛水蒸發(fā)法進(jìn)行生態(tài)需水量的估算。因此潛水蒸發(fā)的變化將直接導(dǎo)致天然植被生態(tài)需水量發(fā)生變化，而氣候變化也正是通過影響潛水蒸發(fā)從而影響植被生態(tài)需水量。

郝振純等[11]針對淮北平原裸土潛水蒸發(fā)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，裸土潛水蒸發(fā)的影響因素主要有潛水埋深、土質(zhì)和氣象因素。其中，氣象因素對靠近地表的潛水蒸發(fā)量影響較大，對于不同土質(zhì)，其影響深度略有不同。因此，對于埋深較淺的區(qū)域生態(tài)需水量的計(jì)算要特別注意氣象因素的影響。柏菊等[12]對淮北平原蒸發(fā)量變化趨勢及其影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明，氣候變化對蒸發(fā)過程影響顯著。溫度和相對濕度成為影響蒸發(fā)能力的主要因子。大氣蒸發(fā)能力對潛水蒸發(fā)的影響隨地下水埋深的加大而減弱；當(dāng)?shù)叵滤裆钶^淺時(shí)，潛水蒸發(fā)隨埋深的增大而迅速減小；在埋深大于2m時(shí)，潛水蒸發(fā)減小的速率趨于緩慢，蒸發(fā)量趨近于零[13]。氣候的變化趨勢影響著區(qū)域蒸發(fā)能力的趨勢。趙成義等[14]的研究也證實(shí)了這一觀點(diǎn)，其提出的潛水蒸發(fā)公式的分段擬合公式將潛水蒸發(fā)分為三個(gè)過程：當(dāng)潛水埋深較小且大氣蒸發(fā)能力低于某一臨界值時(shí)，潛水蒸發(fā)主要由大氣蒸發(fā)能力來決定；當(dāng)潛水埋深較大且大氣蒸發(fā)能力小于某一臨界值時(shí)，潛水蒸發(fā)主要由土壤的輸水性能控制，潛水蒸發(fā)與大氣蒸發(fā)能力呈非線性關(guān)系，即符合阿維里揚(yáng)諾夫和指數(shù)型等公式；當(dāng)大氣蒸發(fā)能力大于某一臨界值時(shí)，潛水蒸發(fā)為某一最大值，此值與潛水的埋深有關(guān)。其中第一個(gè)過程是受氣候變化影響較大的過程。張振華等[15]研究認(rèn)為潛水蒸發(fā)主要受土壤輸水能力和外界蒸發(fā)力的影響，而且受兩者中較小者的控制。其中，外界蒸發(fā)能力主要受光照、風(fēng)速、氣溫、水汽壓、空氣流通情況等氣象因素影響。影響潛水蒸發(fā)量的主要?dú)夂蛞蛩厥墙邓亢痛髿庹舭l(fā)能力，大氣蒸發(fā)能力的大小以水面蒸發(fā)量來衡量。降水一方面通過增加大氣濕度減小大氣蒸發(fā)能力而減小潛水蒸發(fā)量，另一方面通過對土壤水分的補(bǔ)給而減小潛水蒸發(fā)量[16]。從諸多有關(guān)潛水蒸發(fā)影響因素的研究中我們不難發(fā)現(xiàn)，無一例外地都要考慮氣象因素對其產(chǎn)生的影響[17-18]。