石羊河流域天然植被适宜生态需水量估算

陈 乐， 张 勃， 任培贵

(西北师范大学 地理与环境科学学院， 甘肃 兰州 730070)

作为中国西部生态脆弱区最关键的生态因子，水不仅是干旱区生态系统构成、发展和稳定的基础，而且决定着干旱区绿洲化过程与荒漠化过程这两类极具对立与冲突性的生态环境演化过程[1]。在西北干旱地区，由于水资源的天然不足，加之工农业及家庭用水的增加，使得植被生态用水受到严重挤占，严重影响到植物群落的生长发育、演替更新的过程，进而导致天然植被退化、尾闾湖泊消失等生态环境问题。石羊河流域是甘肃省河西走廊3大内陆河流域之一，属于干旱、半干旱地区，是中国内陆河流域中人口最密集、水资源开发利用程度最高、用水矛盾最突出、生态环境问题最严重的流域之一[2]。因此，在有限的水资源条件下，科学合理地确定区域在生态保护目标下的天然植被生态需水量，遏止天然植被生态系统进一步退化萎缩，是目前石羊河流域所面临的急须解决的关键问题。

生态需水研究是目前恢复生态学、水文学及水资源学研究的热点领域[3]，该研究越来越受到众多学者的关注。针对生态需水的研究源于美国20世纪40年代，其目的为了获取维持鱼类生存所需的河道基流，之后扩展到研究河岸带生态需水，直到现在开展的流域尺度、区域尺度上生态需水的研究[4-7]。国内对生态需水的研究起步较晚，主要是针对生态脆弱的西北干旱和半干旱地区，重点对植被生态需水概念和计算方法展开的定性分析、定量计算的研究。众多学者出于不同的研究目的对生态需水展开了卓有成效的研究，一些学者[8-10]基于不同的研究对象阐述了各自对生态需水概念的理解，另一些学者[11-13]对内陆干旱区的植被需水量进行了大量的估算研究，但由于对生态需水定义的不统一导致植被需水量界定标准存在异同。通过阅读大量文献并结合本文的研究目的，总结认为生态需水是指使生态系统达到某种生态保护目标，发挥期望的生态功能或维持某种生态系统平衡所客观需要的水资源量，其内涵包括维持生态系统结构和维持生态过程与生态服务功能两部分的需水。

本文基于潜水蒸发理论，结合遥感技术及ArcGIS 9.3软件统计获得石羊河流域1987，2000及2010年3期各类型天然植被面积数据，重点对适宜生态需水情景下的天然植被生态需水量进行了估算研究，以期得到石羊河流域天然植被最为合理的生态需水量，为区域水资源的合理配置、高效利用及生态安全提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，东起乌鞘岭，西止大黄山，介于祁连山东段与巴丹吉林、腾格里沙漠南缘之间，地理坐标为36°29′—39°27′N，101°41′—104°16′E，包括武威市的古浪县、凉州区、民勤县及天祝县，金昌市的永昌县和金川区以及张掖市肃南县，共3地(市)7个区县。石羊河干流全长约300 km，流域面积4.16×104hm2，从南向北大体分为3个地貌单元，南部祁连山地、中部走廊平原、北部阿拉善高原，高寒草甸、灌丛草甸、森林灌丛、绿洲植被及荒漠草原等为区内主要的植被类型。流域深居内陆腹地，具有干旱少雨，蒸发量大的气候特征。上游祁连山和中部走廊区年降水量分别为300～600和150～300 mm，下游民勤地区极其干旱，年降水量小于150 mm，全流域年蒸发量介于1 200～2 600 mm。流域水系自东向西由大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河、西大河8条河流组成，河流补给主要来源为山区大气降水和地下水，多年平均出山径流量为1.66×109m3[2]。

1.2 植被生态需水研究机理

植被是生态系统中最基本的成分，是自然环境最直观、最准确的反映[14]，又是水土流失和土壤荒漠化的主要调控者，也是最容易受到破坏的部分。植被是退化生态系统恢复的关键所在，确定合理的植被生态需水量又是该研究的基础，因其正常的生长必然消耗一定的水量。中国西北干旱地区水资源短缺，植被退化严重，生态环境恶劣，对植被生态需水的研究便显得尤为重要。因此，近年来，干旱区植被的生态需水问题已成为植被生态恢复和重建研究领域的热点问题[15-16]。

植被生态需水是指在一定的时空尺度上和生态保护目标下，维持植被生态系统的稳定，使其发挥生态环境功能所需要的水资源量，具有上限值和下限值，超过这个阈值都会导致生态系统的退化和破坏。限制干旱区天然植被健康生长的主要因素有水分和土壤盐分[17]。干旱区的有效降水量不足以满足天然植被的正常生长所需，地下水是天然植被蒸腾和地表土壤蒸发的主要来源。植被的生长态势也受到潜水埋深的影响，当潜水埋深过浅时，因地表蒸发强烈，土壤表层盐分不断积累，使得土壤中盐分的浓度超过植物根细胞中细胞质浓度，植物生长形成所谓的“生理干旱”从而导致枯萎死亡；而潜水埋深过深时，植物根系层土壤从潜水层获得的水分补给就会显著减少，以至于不能满足植物生长对水分的要求，致使植被衰败死亡，进而发生土壤荒漠化。

张丽等[18]通过对黑河流域下游天然植被生态需水的研究认为，干旱区每种天然植被类型都有其适宜生长的潜水埋深变动范围，植被盖度与地下水埋深存在一定的关系。因而决定了天然植被需水量有最小生态需水、适宜生态需水和最大生态需水3种情景之分。当地下水分供应量低于天然植被的最小生态需水量或超出其最大生态需水量时，都将使天然植被生态系统受到破坏而退化，达不到应有的生态效用。只有当可供利用的水资源量达到适宜生态需水量时，生态系统才能健康良好地生长，发挥其最佳的生产潜力。

1.3 计算方法

目前研究植被生态系统需水量的计算方法较多，但各种计算方法的应用前提和侧重有所不同，归纳起来主要有以下几种：(1)面积定额法(直接计算法)[19]，适用于基础条件较好，可通过实验容易获得蓄水定额的区域和植被类型。(2)潜水蒸发法(间接计算法)[20]，适用于降水量少、植被生长主要依赖于地下水的干旱地区，可以用该方法估算干旱区植被的天然需水量。(3)基于植物蒸散发量的计算法[21-22]，即联合国粮农组织(FAO)提出的受破坏非完全覆盖的天然植被生态需水计算方法，该方法需要的参数较多，在基础资料薄弱的地区应用较为困难。(4)水量平衡法[16]，比较适合于区域较大尺度的生态需水估算。(5)基于生物量的生态需水计算法[23]，适合单纯靠降水支撑的地带性植被。(6)基于遥感技术的植被生态需水量计算法[24]，适用于大区域、长时间尺度。

石羊河流域处于干旱缺水区，天然植被和土壤的实际蒸散近似地等于潜水蒸发量，因此，选用最具代表性的潜水蒸发模型——阿维里扬诺夫公式进行植被生态需水量估算，其计算模型如下：

(1)

E=a(1-H/Hmax)b×Eφ20

(2)

式中：W——天然植被生态需水量；Sij，Eij——第i时段第j个研究区天然植被面积和蒸发强度；Kij——植被系数；a，b——经验系数；H——地下水埋深(m)；Hmax——地下水蒸发极限埋深(m)；EΦ20——常规气象蒸发皿蒸发值，石羊河流域各县区的EΦ20(见表1)；根据文献[25—26]选取适合于石羊河流域天然植被潜水蒸发参数a为0.762,b为1.528；Hmax取5 m。

表1 石羊河流域各县区常规气象蒸发皿蒸发值 mm

植被系数K值的确定。植被系数K是指在相同的土壤和气候条件下，相同时期内植被生长条件下的潜水蒸发量Eg与裸地的潜水蒸发量E之比。植被系数主要受潜水埋深、水面蒸发强度和植物的长势、生育阶段等的影响。由于有植被生长条件下的潜水蒸发比裸地的潜水蒸发量要大，所以K>1。随着潜水埋深的增大，植被根系对潜水蒸发的影响越来越小。当潜水埋深趋于无穷大时，植被系数K将趋向于1[27]。

干旱区内陆河流域植物恢复和生长的合理地下水位的研究是确立生态需水量的基础,它涉及到水分胁迫下的植物适应机理等问题[1]。根据粟晓玲[26]及张长春等[28]的研究，石羊河流域各种天然植被适宜生长的潜水埋深变动范围：有林地2～3 m，灌木林地3～4 m，疏林地3.5～4.5 m，高覆盖度草地3～4.5 m，中覆盖度草地为4～4.5 m。本文采用文献[27]所得的植被系数K与潜水埋深H之间的拟合公式:K=1+2.031 7e-0.507 2H，计算得出石羊河流域各植被类型的植被系数K(如表2所示)。

表2 石羊河流域天然植被的植被系数K取值

1.4 数据获取

基于石羊河流域1987，2000及2010年3期遥感影像人工解译的土地利用覆盖趋势，运用ArcGIS 9.3统计得出各类型天然植被的覆盖面积(表3)。其中，天然植被分为林地与草地两种类型，林地指以生长乔木、灌木为主的林业用地，可分为有林地、疏林地和灌木林地；草地是指以生长草本植物为主，覆盖度在5%以上的各类草地，包括以牧为主的灌丛草地和郁闭度在10%以下的疏林草地，按盖度分为高、中、低覆盖度草地。有林地指郁闭度>30%的天然林地和人工林，以沙枣林为代表；灌木林地指郁闭度>40%，高度在3 m以下的矮林地和灌丛林地，以梭梭、柽柳为代表；疏林地指郁闭度10%～30%的稀疏林地。高覆盖草地一般水分条件较好，草被生长茂密；中覆盖草地指覆盖度20%～50%的天然草地，此类草地一般水分不足，草被较稀疏；低覆盖草地指覆盖度5%～20%的天然草地，此类草地水分缺乏，草被稀疏，牧业利用条件差。分析可知，石羊河流域天然植被不论从总面积还是从植被盖度上都呈退化趋势，2000—2010年天然植被退化趋势尤为显著，有林地、灌木林地及中盖度草地面积减少趋势明显，其中民勤县天然植被退化最为严重，而金川区的天然植被状况有小幅好转态势。

表3 石羊河流域各县区天然植被面积 hm2

2 结果与分析

2.1 天然植被生态需水量估算

由于每种植被类型都有其适宜生长的潜水埋深变动范围，由式(2)可知，蒸发强度E随着潜水埋深H的增大而减弱。本文基于遥感解译所获得的石羊河流域各类型天然植被3期的面积数据，并利用潜水蒸发公式(1)分别在各植被类型的最大埋深、平均埋深及最浅埋深3种情景下，计算得出1987，2000及2010年石羊河流域各县区天然植被的最小生态需水量Wmin、适宜生态需水量Wopti和最大生态需水量Wmax(表4)。由于石羊河流域天然植被面积萎缩、盖度退化的因素，除金川区生态需水量呈增加趋势外，其他各县区生态需水量均有减少趋势。石羊河流域1987，2000及2010年天然植被总生态需水量分别介于1.30×109～3.80×109，1.26×109～3.66×109，1.09×109～3.25×109m3。其中，天祝和肃南两县的天然植被生态需水量几乎占到全流域总生态需水量的57%左右，这主要是由于两县的天然植被面积较大及植被盖度高所造成的，而金川区因天然植被面积小、盖度低，致使天然植被生态需水量仅占全流域的0.9%。

表4 石羊河流域各县区生态需水量估算 104 m3

2.2 天然植被适宜生态需水量估算

由植被生态需水机理可知，当植被获得地下水补给量过多或者过少时，均不利于植被的健康生长，只有地下水补给达到植被生长所需的适宜生态需水量时，植被才能发挥其最佳的生态效益。当潜水埋深处于变动范围的平均水位时，由式(1)计算得到石羊河流域各县区6种植被类型的适宜生态需水量(表5)。其中石羊河流域1987，2000及2010年天然植被适宜生态需水量分别为2.43×109，2.34×109，2.06×109m3，各植被类型生态需水量排序依次为有林地>中盖度草地>高盖度草地>低盖度草地>灌木林地>疏林地。通过3期天然植被需水量对比可知，林地、草地适宜生态需水量都呈持续减少趋势，其中有林地、灌木林地和中盖度草地生态需水量减少趋势显著。在适宜生态需水情境下，石羊河流域林地、草地的生态需水量基本各占总需水量的1/2，但各县区的林地、草地生态需水量百分比差异明显，其中金川区、古浪县林地、草地生态需水量比明显低于全流域，而天祝县的林地需水量占明显优势，其他各县区的林地、草地生态需水量比基本与全流域持平。

表5 石羊河流域天然植被适宜生态需水量 104 m3

对于水资源严重短缺的石羊河流域而言，定量计算得出单位面积天然植被的生态需水量，对石羊河流域水资源的合理配置、高效利用具有现实意义。本文在适宜生态需水情景下，计算得出各县区单位面积林地、草地的生态需水量(表6)。由表6分析可得，由于天然植被盖度的严重退化，除金川区林地外，各县区的天然植被单位面积的生态需水量均呈减少趋势。其中，民勤县的林地单位面积需水量偏高，而肃南县林地、草地单位面积需水量均明显偏高，而古浪县、金川区的林地、草地单位面积生态需水量明显偏少，这种差异的存在可能与各县区天然植被各类型组成成分及各县区常规气象蒸发皿蒸发值EΦ20不同有关。

表6 石羊河流域各县区天然植被单位面积需水量 m3/hm2

2.3 水分利用效率

对于中国西北部这样重度缺水的地区而言，不仅要研究保证生态系统健康、稳定发展所需要的适宜生态需水量，也应从生态和经济效益方面计算它的水分利用效率，即天然植被在单位水资源条件下生产的生物量干重。其中，生物生产量的确定是根据国家“八五”科技攻关项目“草地生产力的区域分异与地面监测研究”中有关各类型草地地上生物量的统计结果，高盖度草地生物量干重定额取243.6 g/m2，中盖度草地128.9 g/m2，低盖度草地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%确定得到，疏林地183.9 g/m2。石羊河流域各县区天然植被在适宜生态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)，与黄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内陆，干旱少雨，植被生长所需水分主要依靠潜水蒸发，因裸地蒸发而损失的水量较少，所以水分利用效率偏高。

表7 石羊河流域各县区天然植被水分利用效率 g/m3

3 结 论

(1)对于西北干旱区天然植被而言，进行适宜生态需水量估算研究具有现实意义。本文在前人研究的基础上，基于阿维里扬诺夫公式重点对石羊河流域天然植被的适宜生态需水量进行了估算研究，得出1987，2000及2010年流域天然植被适宜生态需水量分别为2.43×109，2.34×109，2.06×109m3。各县区天然植被适宜生态需水量由多到少依次为肃南县>天祝县>永昌县>民勤县>古浪县>凉州区>金川区。对3期天然植被适宜生态需水量进行对比发现，无论是全流域还是各县区的生态需水量都呈减少趋势，尤其在2000—2010年天然植被生态需水量减少趋势明显，这与城市化加剧对西北生态脆弱区天然植被的破坏不无关系。

(2)在适宜生态需水情境下，天祝和肃南两县的天然植被生态需水量占到全流域总生态需水量的57%左右，而金川区的天然植被生态需水量仅占到全流域需水量的0.9%，这主要与各县区天然植被的面积相差很大有关。石羊河流域林地、草地的生态需水量基本各占总需水量的1/2，但各县区的林地、草地生态需水量百分比差异明显，这种差异的存在与各县区天然植被类型组成成分不同有关。由于石羊河流域各县区天然植被盖度的严重退化使得单位面积需水量呈减少趋势，其中，民勤与肃南县的天然植被单位面积需水量明显较高，而古浪县、金川区的林地、草地单位面积需水量则明显偏低，这可能与各县区的天然植被类型组成成分及常规气象蒸发皿蒸发值EΦ20不同有关。

(3)计算得到石羊河流域天然植被在适宜生态需水量情境下的水分利用率介于2.74～16.55 kg/(hm2·mm)，与黄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气降水稀少，天然植被生长所需水分主要依靠潜水蒸发，因裸地蒸发而损失的水量较少。

(4)确定合理的天然植被适宜生态需水量是干旱区退化植被恢复的关键所在，但天然植被生长需水具有时间差异性，本文由于数据有限而未对石羊河流域天然植被年内各个月份的适宜生态需水量进行研究，这还有待于今后进一步深入研究。

[参考文献]

[1]陈亚宁,郝兴明,李卫红,等.干旱区内陆河流域的生态安全与生态需水量研究:兼谈塔里木河生态需水量问题[J].地球科学进展,2008,23(7):732-738.

[2]冯起,李宗礼,高前兆,等.石羊河流域民勤绿洲生态需水与生态建设[J].地球科学进展,2012,27(7):806-814.

[3]何永涛,闵庆文,李文华.植被生态需水研究进展及展望[J].资源科学,2005,27(4):8-13.

[4]严登华,何岩,王浩,等.生态水文过程对水环境影响研究述评[J].水科学进展,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,梁瑞驹,杨小柳,等.中国西北地区生态需水研究(Ⅰ):干旱半干旱地区生态需水理论分析[J].自然资源学报,2002,17(1):1-8.

[9]夏军,郑东燕,刘青蛾.西北地区生态环境需水估算的几个问题探讨[J].水文,2002,22(2):12-17.

[10]杨志峰,刘静玲,孙涛,等.流域生态需水规律[M].北京：科学出版社,2006.

[11]王根绪,程国栋.干旱区流域生态需水量及其估算：以黑河流域为例[J].中国沙漠,2002,22(2):129-134.

[12]张凯,韩永翔,司建华,等.民勤绿洲生态需水与生态恢复对策[J].生态学杂志,2006,25(7):813-817.

[13]郭巧玲,杨云松,陈志辉,等.额济纳绿洲植被生态需水及其估算[J].水资源与水工程学报,2010,21(3):80-84.

[14]郑冬燕,夏军,黄友波,等.生态需水量估算问题的初步探讨[J].水电能源科学,2002,20(3):3-6.

[15]郝博,粟晓玲,马孝义,等.干旱区植被生态需水的研究进展[J].水资源与水工程学报,2009,20(4):1-5.

[16]胡广录,赵文智,谢国勋.干旱区植被生态需水理论研究进展[J].地球科学进展,2008,23(2):193-200.

[17]张丽,董增川,赵斌.干旱区天然植被生态需水量计算方法[J].水科学进展,2003,14(6):745-748.

[18]张丽,董增川.黑河流域下游天然植被生态需水及其预测研究[J].水利规划与设计,2005(2):44-47.

[19]韩英,饶碧玉.植被生态需水量计算方法综述[J].水利科技与经济,2006,12(9):605-611.

[20]司建华,龚家栋,张勃.干旱地区生态需水量的初步估算:以张掖地区为例[J].干旱区资源与环境,2004,18(1):49-53.

[21]陈丽华,王礼先.北京市生态用水分类及森林植被生态用水定额的确定[J].水土保持研究,2001,8(4):161-164.

[22]粟晓玲,康绍忠.生态需水的概念及其计算方法[J].水科学进展,2003,14(6):740-744.

[23]卞戈亚,周明耀,朱春龙.生态需水量计算方法研究现状及展望[J].水资源保护,2003,6:740-744.

[24]王芳,王浩,陈敏建,等.中国西北地区生态需水研究(Ⅱ):基于遥感和地理信息系统技术的区域生态需水计算及分析[J].自然资源学报,2002,17(2):129-137.

[25]张奎俊.石羊河流域下游民勤绿洲生态需水与措施研究[D].兰州:兰州理工大学，2008.

[26]粟晓玲.石羊河流域面向生态的水资源合理配置理论与模型研究[D].陕西 杨凌,西北农林科技大学，2007．

[27]胡顺军,田长彦,宋郁东,等.裸地与柽柳生长条件下潜水蒸发计算模型[J].科学通报,2006,50(S):36-41.

[28]张长春,邵景力,李慈君,等.华北平原地下水生态环境水位研究[J].吉林大学学报：地球科学版,2003,33(3):323-330.

[29]吴钦孝,杨文治.黄土高原植被建设与持续发展[M].北京:科学出版社,1998.