內蒙古鄂托克旗天然草地植被生態需水量研究

宋孝玉，劉 雨，覃 琳，劉曉迪，王 隴

（西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室，西安 710048）

0 引 言

牧區在發揮生態屏障和保障國家糧食安全方面具有較大潛力，區內天然草地面積占到全國可利用草地面積的90%以上[1]。草地作為牧區極其重要的自然資源，是牧區生存和發展的基本保障[2]。近年來，隨著中緯度地區氣候暖干化，區內草地資源正在迅速減少，加之牧區超載過牧，草地生態系統受到了嚴重的破壞，天然草地已經不能滿足牧區的放牧需求。人工草地巨大的生產力可緩解牧區的放牧壓力[3]，但其發展勢必增加區域內農業用水，擠壓其他用水部門的可用水量，加劇各部門的用水矛盾。明確不同類型天然草地的需水量，可為協調人工草地的發展與天然草地的保護提供依據。因此研究天然草地植被生態需水量，不僅可以協調牧區內經濟發展與生態環境之間的用水關系，實現水資源的合理配置，而且對維持草地生態健康和可持續發展也尤為重要。

植被生態需水是保證植被生態系統和諧穩定并提供最佳生態服務功能所需要消耗的最小水量[4]。不同學者根據研究區域的植被情況、水資源現狀，選擇了不同方法對植被生態需水量進行研究。侯琨等[5]采用面積定額法計算了桂林桃花江流域的水田和旱地的植被生態需水量，該方法多用于計算人工草地的需水量；周丹等[6]采用潛水蒸發模型，計算了西北干旱區1982—2010年高、低覆蓋度荒漠植被的生態需水量，該模型多用于估計干旱地區依靠地下水生長的植被的生態需水量；張云亮等[7]采用水量平衡法，估算了黃河蘭州銀灘濕地蘆葦群落不同季節的植被生態需水量，但水量平衡法沒有考慮植被的生理特性，導致其在應用上有一定的局限性；Chi等[8]基于彭曼公式法，結合地理信息系統和遙感技術，對東北地區額爾古納河流域4種植被類型的生態需水、生態缺水及其時空變化進行了計算與分析，彭曼公式法基于植被的潛在蒸散量并結合土壤水分和植被面積以及植被特性等影響因素對生態需水量進行計算，適用性較廣[9-10]。

目前國內外學者已經對不同地區的植被生態需水做出了大量的研究，但對天然草地植被類型的分類還不夠細致，針對干旱風沙草原區不同天然草地類型的生態需水量以及明確不同天然草地類型生態需水的差異性有待進一步的研究。為解決人工草地與不同天然草地類型之間用水分配不平衡現狀，緩解干旱風沙草原區內水資源日益短缺問題，本文采用彭曼公式及美國農業部土壤保持局推薦的有效降水量的計算方法，研究以鄂托克旗為典型代表的干旱風沙草原區內的生態需水，以期為區域草地水資源高效利用、退化草原系統恢復重建和生態環境可持續發展等工作提供技術支撐和科學指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區地處鄂爾多斯高原鄂托克旗境內西部（106°41′～108°54′E，38°18′～40°11′N），是典型的干旱風沙草原牧區，該區屬于中溫帶干旱、半干旱大陸性氣候區。多年平均降水量為241.2 mm，多年平均蒸發量為1 721.1 mm，降水集中分布在5－9月，冬季降水極少，降水量年內分布不均。區域內嚴重超載放牧，對脆弱的草原生態植被造成了嚴重地破壞，草原日益退化。全旗天然草地面積為19 749.1 km2，占總面積的96.97%，依據植被特征和生境條件，天然草地可分為溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性草原化荒漠類、溫性荒漠類及低地草甸類5種。

1.2 數據來源

研究使用的氣象數據來源中國氣象數據共享網，包括鄂托克旗、惠農、陶樂3個氣象站1960－2016年的逐日數據，鄂托克旗境內僅有鄂托克旗站，故將周邊站點惠農站和陶樂站也作為鄂托克旗的代表站。使用的遙感影像來自中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站（http://www.gscloud.cn/），包括鄂托克旗MODIS產品MOD11A2（全球1 km地面溫度8 d合成數據）、MOD09A1（全球500 m地表反射率8 d合成數據），在GIS平臺下，將鄂托克旗行政邊界矢量化，通過泰森多邊形法劃分各站點代表區。鄂托克旗周邊氣象站點分布情況見圖1。

選擇鄂托克旗各類型天然草原的優勢植物生育期作為作物生育期，優勢植物的生育期通過朱婭坤等[11-12]對毛烏素沙地及內蒙古相關物候的研究，王慶鎖等[13-14]對各類型油蒿群落生物量的研究及中國植物志網站綜合確定。各草原類型面積分布及其優勢植物種類見表1，鄂托克旗不同草地類型作物生育期見表2。

表1 鄂托克旗天然草原優勢植物Table 1 Dominant plants of natural grassland in the Otog Banner

表2 鄂托克旗周邊各站點代表區草地生育期劃分Table 2 Grassland growth period division of representative areas in each station around the Otog Banner

1.3 植被生態需水量計算

采用改進的Penman-Monteith法計算鄂托克旗植被生態需水量。由于研究區域屬于半干旱地區，植被生長會受到土壤含水率的限制，故采用土壤限制系數ks體現其影響程度，植被生態需水定額ETc按照按式（1）計算

式中ks為土壤水分限制系數；kc為作物系數；ET0為參考作物潛在蒸散量，mm。

1.3.1 參考作物潛在蒸散量

采用FAO-56 Penman-Monteith法[15]，考慮到氣象要素對植被潛在蒸散量的影響，將水汽擴散理論和能量平衡理論相結合，其計算公式為

式中Δ為溫度變化曲線和飽和水汽壓之間的斜率，kPa/℃；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；u2為高2 m處的平均風速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；γ為干濕表常數，kPa/℃；T為高2 m處的平均氣溫，℃。

1.3.2 植被系數

采用FAO推薦的分段單值平均作物系數法[16]計算草地的作物系數，該方法將整個生育期劃分為生長初期、快速發育期、生長中期和生長后期4個階段，整個階段的作物系數變化由生長初期植被系數kcini、生長中期植被系數kcmid和生長后期植被系數kcend決定，可以使用線性插值計算發育生長階段和后期生長階段的kc。

kcini主要由土壤被濕潤的時間間隔（初始生長天數除以降雨量）、濕潤程度以及大氣蒸發能力決定，可由生長初期的濕潤間隔和生長初期平均ET0，綜合生長初期植被系數分布圖[14]確定；kcmid和kcend計算方法相同，按照式（3）確定

式中kc,min為植被稀疏部分土壤裸露條件下最小植被系數；kc,full為植被滿覆蓋條件下的植被系數；fp為地表植被實際覆蓋度，%；fp,eff為有效植被覆蓋度，%；h為生長中/后期植被平均高度，m。

1.3.3 土壤水分限制系數

土壤水分是制約該地區植物生長和分布的重要因子[17]。土壤水分限制系數ks是表示草地潛在蒸散量受土壤含水率影響程度的函數，按式（4）計算

式中θ為土壤含水率，m3/m3；θc為土壤臨界含水率，m3/m3，土壤臨界含水率一般為田間持水量的70%～80%，本文取80%；θz為土壤凋萎系數，m3/m3，根據云文麗等[18]在內蒙古地區所得到的土壤水文特征成果，確定田間持水量為10%～22%，土壤凋萎系數為1%～4%。

通過遙感數據反演[19]獲得0～10 cm表層土壤含水率，并且與王思楠等[20-23]在毛烏素沙地和內蒙古全省對土壤含水率的研究成果對比分析，確定土壤含水率反演成果的可靠性。

在裸土、低覆蓋植被作物土壤含水率與熱慣量的關系式為

式中θ0為0～10 cm土壤含水率，m3/m3；a、b為土壤含水率反演模型參數，參考岳勝如[21]在反演內蒙古土壤水分數據時使用的參數，a和b分別取-21.91和219.73；P為土壤熱慣量，J/（m2·K·s1/2），計算土壤熱慣量的參數不易獲取，所以實際中通常采用表觀熱慣量（ATI，Apparent Thermal Inertia）代替P。ATI計算公式[24]為

式中A為全波段反照率，使用Liang[25]對MODIS數據的全波段反照率得出的一般計算公式進行計算；ΔT為地表晝夜最大溫差，K。

1.4 植被生態缺水量計算

生態需水量與有效降雨量之間的差值為生態缺水量[26]。植被生態需水可以從天然降雨中得到補給，但天然降雨在補給植被需水的過程中必然有所損失，故采用美國農業部土壤保持局[27]推薦干旱地區有效降水量的計算方法，即

式中Peff為有效降水量，mm/d；p為氣象站實測日降水量，mm/d。

1.5 生育期水分盈虧情況

采用作物水分盈虧指數來表征生育期內水分盈虧情況，其計算公式[28]為

式中I為水分盈虧指數。

1.6 不同草地類型逐月生態水分盈虧量

各草地類型逐月生態水分盈虧量計算方法[26]如下：

式中Hi為草地第i月的生態水分盈虧量，mm；ETci為草地第i月的單位面積生態需水量，mm；Peffi為草地第i月的有效降雨量，mm。

1.7 非參數Mann-Kendall分析法

采用Mann-Kendall法[29]對序列進行趨勢檢驗。構造Sk（秩序列），并以此分別繪制統計量UFk（原氣象序列）和UBk（反向氣象序列）曲線。通過分析UFk、UBk兩線的關系，獲取明確的突變時間和突變區域，進行序列的突變檢驗。序列的趨勢變化可以通過分析UFk獲得，若UFk大于0，則序列呈上升趨勢；若UFk小于0，則序列呈下降趨勢。

2 結果與分析

2.1 參考作物蒸散發時空變化特征

依據各代表站的氣象資料，結合Penman-Monteith公式計算出各代表站1960－2016年生長季內的參考作物蒸散發量（圖2）。由圖可知，全旗生長季內平均ET0由西向東呈現帶狀遞減變化。

鄂托克旗站、陶樂站、惠農站3個站點生長季內ET0多年平均值（表3）分別為988.8、989.3和1 032.6 mm，全旗多年生長季內ET0平均值為990.4 mm。鄂托克旗站生長季內ET0最小，陶樂站和惠農站次之，且陶樂站和惠農站的生長季內ET0相近，惠農站稍大。

表3 鄂托克旗各站點ET0特征值及趨勢檢驗Table3 ET0 characteristic value and trend test of each station in the Otog Banner

利用Mann-Kendall檢驗方法對鄂托克旗生長季參考作物蒸散量進行趨勢檢驗。1960－2016年鄂托克旗年均參考作物蒸散量呈現減少的趨勢，線性趨勢率為

-2.91 mm/10a。

2.2 各類型草原植被生態需水量

2.2.1 單位面積生態需水量和生態缺水量分析

根據鄂托克旗周邊各站點57 a植被生長期的年降雨序列，采用頻率分析法確定各站點的水文代表年份。通過計算各站點不同水文年的生態需水量、生態缺水量以及水分盈虧指數，來表征不同降雨情景下鄂托克旗天然草地水分盈虧情況。

不同生育期的kc在全旗分布情況見圖3，鄂托克旗各生育期kc均呈現明顯由西北向東南方向逐漸增加的帶狀分布，且零星點狀穿插其中。各生育期kc是生態需水的重要影響因素，各生育期kc越大，單位面積生態需水越大。

生長季內全年平均ks在各代表站的分布情況見表4，結合上文得到的ET0以及有效降雨量的結果，最終得到全旗各水文年天然草地類型單位面積生態需水量，由于不同水文年各草地類型的分布情況相似，故本文中僅展示平水年的單位生態需水量分布圖（圖4）。

表4 鄂托克旗各草地類型土壤水分限制系數（ks）Table4 Soil moisture limiting coefficient (ks) of each grassland type in the Otog Banner

單位生態需水量由西向東逐漸增加，同樣局部伴隨點狀分布。鄂托克旗站點狀區單位生態需水量明顯高于周圍區域，對比地形圖[30]發現，圖中點狀區域的分布與鄂托克旗的內陸湖泊分布相同，禾草草甸主要分布在東南部的湖泊周圍及丘間洼地[31]，低地草甸類草地出現的地區都是鄂托克旗水資源較豐富的地區，土壤含水率對其生長的限制較小，且其生育期較長，故其單位生態需水較多。

通過計算各站點不同水文年生育期內的生態缺水量以及水分盈虧指數，來表征不同降雨情景下鄂托克旗天然草地生育期內水分盈虧情況（表5）。

表5 鄂托克旗不同草地類型生育期水分滿足情況Table 5 Water satisfaction of different grassland types in growth period in the Otog Banner

各代表站不同草地類型幾乎都存在單位面積生態缺水的情況，只有鄂托克旗站代表區的溫性草原化荒漠類草地在豐水年和平水年、陶樂站代表區的溫性荒漠草原類草地在豐水年沒有缺水現象。鄂托克旗站的降雨量雖大，但其蒸散發能力較弱，就導致了生態需水量超過有效降雨，出現了水分短缺現象。陶樂站和惠農站降雨量均偏低，但陶樂站的蒸散發能力弱，而惠農站蒸散發能力強，導致惠農站嚴重缺水，陶樂站在豐水年還出現水分盈余的情況。由此可見降雨和蒸發是生態需水量的重要影響因素。鄂托克旗不同水文年的水分盈虧指數有明顯差距，整體處于水分虧缺狀態，尤其是惠農站代表區，在枯水年水分虧缺指數超過50%。就單位生態缺水量而言，全旗各代表站低地草甸類草地單位缺水程度最嚴重，其中惠農站最為嚴重、鄂托克旗站次之，陶樂站相對較輕。溫性草原化荒漠類草地單位缺水程度最輕。

2.2.2 生態需水量分析

根據計算的各代表區不同草地類型單位生態需水量和單位生態缺水量，按照面積比例計算得到鄂托克旗各類型天然草地在不同水文年的生態需水量和生態缺水量，計算結果見表6。

表6 各類型天然草地不同水文年生態需水量和生態缺水量Table 6 Ecological water demand and water shortage of different types of natural grassland in different hydrological years 104 m3

鄂托克旗全年天然草地生態需水量在豐水年、平水年和枯水年分別為2.94×109、3.07×109和3.10×109m。由于溫性荒漠草原類草地面積遠大于其他草地類型，溫性草原類草地面積最小，故同一水文年全旗溫性荒漠草原類草地生態需水量最大，溫性草原類草地生態需水量最小。不同草地類型的生態需水量由大到小依次為溫性荒漠草原類、溫性草原化荒漠類、低地草甸類、溫性荒漠類、溫性草原類。不同水文年各草地類型生態需水量差距并不明顯。

鄂托克旗全年天然草地生態缺水量在豐水年、平水年和枯水年分別為2.72×108、5.00×108和1.15×109m3。全旗只有豐水年溫性草原化荒漠類草地不存在缺水情況，同一水文年溫性荒漠草原類草地缺水量最大，其余從大到下依次為低地草甸類、溫性荒漠類、溫性草原類、溫性草原化荒漠類。

溫性草原化荒漠類缺水程度最輕，是所有草地類型中最適宜鄂托克旗氣候的草地類型，應予以適當發展。低地草甸類草地面積較小，但其生態缺水量卻處于第2位，其缺水程度最大，草地生態環境有可能向惡性發展，可將該草地類型向人工草地轉化。同類型草地不同水文年的生態缺水量從大到小為枯水年、平水年、豐水年，降雨越少，其生態需水則越多，生態缺水就越明顯，就導致了“越旱越缺，越缺越旱”情況的出現。因此政府相關部門應積極做好降水的監測和旱情預報預警服務工作。

2.3 各類型草原植被生態需水與降水平衡關系

天然降雨及植被生態需水在時間上具有一定的差異性，且不同類型植被生態需水量也會存在不同。故本文對不同植被類型生態需水的盈虧狀態進行逐月分析，以探究其差異性，見圖5。

3月份鄂托克旗的草地不存在缺水現象，蒸散發量較小，各類植被即將進入生長初期，需水量較小，該月的降雨可為植被返青所需的水分做積累。4月份已經有部分植被類型出現缺水情況，溫性荒漠草原類、溫性草原化荒漠類、低地草甸類這3類草地存在缺水現象，溫性草原類和溫性荒漠類草地未出現缺水，這與草地進入生長初期的時間有著很大的關系，生長初期開始日期較早的草地，這一期間土壤含水率由于土壤解凍和當季降水而上升，土壤含水率對植被生長的限制較小，由于降雨量偏小，隨著植被需水量的增加，缺水情況出現。

5月份出現了第1次缺水高峰，各類型草地均出現缺水情況，植被已進入或者即將進入快速發育期，植被開始迅速生長，生態需水量上升，但降雨并沒有增加，導致出現了第1次缺水高峰。6月份，各類型草地盈余水量達到最大值，土壤水分進入消退期[32]，土壤含水率下降導致了生態需水量的下降，降雨略有增加，故出現盈余。7、8月份逐漸出現水分短缺現象，于7月份達到第2次的水分虧缺的高峰值。溫性草原類和低地草甸類草地缺水偏大。各類型草地均進入穩定生長期，由于7、8月的降雨量增加，土壤含水率增加，導致生態需水增加，但降雨量的增加不足以補充需水量增加。9、10月份，各類草地進入生長末期，生態需水量減少，各植被類型需水量減少，逐步出現盈余現象。

3 討 論

鄂托克旗近57 a參考作物潛在蒸散發呈現減少趨勢。孫潔等[33]研究表明鄂爾多斯高原西部1957－2013年潛在蒸散發量總體呈下降趨勢，本研究結論與其保持一致，分析結果合理。區域天然草地植被生長期內降雨難以滿足其生長需求，只有合理調整草地類型分布，才有可能達到草地生態系統與人類和諧共生，實現草地的可持續發展。

本文計算以油蒿為優勢植物的溫性草原類和溫性荒漠草原類草地6－9月的生態需水量為114.54～124.41 mm，高浩等[34]于2014年6－9月對單株油蒿的蒸騰耗水量進行了觀測，單株油蒿蒸騰耗水量為101.66 mm，導致本結果偏大的主要原因為：在自然條件下油蒿必然以油蒿群落的形式出現，估算溫性草原類和溫性荒漠草原類草地時還應考慮其他草本的優勢植物。本文中計算以珍珠柴為優勢植物的低地草甸類草地6－10月的生態需水量168.47 mm，宋耀選等[35]于2005年6－10月對珍珠柴的耗水量進行了觀測，6－10月的耗水量為172.11 mm。導致本結果有浮動現象的原因為天然草地中還有其他種類的植物，而進行試驗測量時僅有一種植物。因此認為本研究結果可靠。

研究顯示全旗內各草原類型草地均有不同程度的缺水，其中低地草甸類草地單位缺水程度最大。因此建議在低地草甸類分布的范圍內發展人工草地，以優質的草地生產力置換目前天然草地的放牧壓力，并且低地草甸類草地分布位置大多位于鄂托克旗水資源較豐富的地區，在對人工草地進行灌溉時，灌水成本相對較低。

鄂托克旗境內各草地類型在整個生長季中，6月為余水量最大月份，5月為缺水程度最嚴重的月份，水資源供需產生了時間上的差異，因此建議采取合適的水資源調控措施，合理儲藏盈余水量，例如在盈余的月份將雨水儲存在蓄水井、水窖和水庫等儲存庫中，并在旱季使用這些儲存的雨水，以解決不同季節雨水資源的時空不均問題。在草地出現生態缺水情況時，采取人工干預措施進行補充，以達到水-草-畜系統的平衡狀態，避免生態環境的進一步惡化，確保鄂托克旗作為典型代表的風沙草原區畜牧業生產的可持續發展。

4 結 論

本文基于FAO推薦的Penman-Monteith公式，計算1960－2016年鄂托克旗的參考作物蒸散發，通過Mann-Kendall檢驗法分析1960－2016年鄂托克旗的參考作物需水量的變化趨勢，并利用相關研究成果以及遙感數據反演土壤含水率，對不同代表區不同草地類型各水文年的生態需水和生態缺水進行計算，最后對年尺度和月尺度下不同類型天然草地生態需水和降雨資源之間的平衡關系進行分析。研究表明：

1）鄂托克旗全旗1960－2016年參考作物蒸散發呈現減少趨勢，線性趨勢率為-2.91 mm/10a。全旗生長季內平均ET0由西向東呈現帶狀遞減變化。

2）鄂托克旗草地整體處于水分虧缺狀態。惠農站代表區缺水較嚴重，水分虧缺指數在枯水年超過50%。

3）鄂托克旗全旗低地草甸類草地的生態需水量最大，溫性荒漠類草地的最小。全旗全年生態需水量在豐水年為2.94×109m3、平水年為3.07×109m3、枯水年為3.10×109m3。全年生態缺水量在豐水年為2.72×108m3、平水年為5.00×108m3、枯水年為1.15×109m3。土壤含水率是制約草地生長的重要因素，土壤含水率越接近田間持水量，對草地植被生長制約越小，植被生態需水量越大。

4）通過生長季降雨平衡生態盈余變化規律分析可知：在整個生長季中，鄂托克旗各草地類型生態需水在3、6、10月為盈余狀態，其余月份均為嚴重虧缺狀態。6月為余水量最大月份，5月為缺水程度最嚴重的月份。建議在盈余的月份將雨水儲存起來，并在旱季使用，以解決不同季節雨水資源的時空不均，充分利用盈余水量。