魏华
摘要 生態需水研究是近年来国内外广泛关注的热点,涉及生态学、水文学、环境科学等多个学科。植被生态需水研究对于指导区域植被生态恢复与生态建设具有重要意义,是生态需水的重要研究内容。本文系统回顾了国内外植被生态需水的研究进展,较为全面地介绍了植被生态需水的概念和内涵,总结并介绍了植被生态需水的各种计算方法。对各类植被生态需水计算方法的基本思想、优缺点、差异及其适用范围做了重点介绍,并分析了国内外植被生态需水的研究进展及发展趋势。通过对过去植被生态需水研究的总结与分析认为,国外研究的侧重点为土壤、大气和植被之间的生态水文过程以及维系自然生态系统平衡,我国研究的侧重点为水资源供需矛盾突出以及生态环境相对脆弱和问题严重的干旱、半干旱和季节性干旱的湿润区,但由于起步晚,在这方面的研究尚不成熟,同时,植被生态需水的计算没有一个具体的标准和完整的理论体系。
关键词 植被;生态需水;计算方法;发展趋势
中图分类号 X171.1 文献标识码 A 文章编号 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
近年来,由于生态系统功能的日益损失,人们开始认识到生态系统的健康问题,因而生态需水问题成为了研究的重点。植被是自然景观最直接的反映,是组成生态系统的最基本成分,是整个生态系统生态需水量的基础。水资源先天不足加上人类不合理的开发利用,导致干旱地区森林草原退化、湖泊消失、沙尘暴频发,干旱地区植被生态需水研究得到人们的重视。有研究表明,水资源的合理配置,生态用水与经济用水的协调发展与植被生态需水量的准确性息息相关。本文拟对植被生态需水的理论及计算进行概述。
1 植被生态需水的概念及内涵
相较于国内,国外对生态需水的研究较早。Gleick[1]认为保证生态系统基本功能运转所需的物能平衡关系是生态环境需水量的基本。Covich[2]、Falkenmark[3]认为生态需水量是指保证生态环境健康发展需求的水量。对于植被生态需水的概念,不同学者的观点不尽相同,何永涛等[4]认为是指为了确保生态服务功能正常发挥,生态系统健康维持的部分水量;黄奕龙等[5]认为是在特定的环境标准下,维持植被正常生长所需要的水量;张思玉等[6]则认为是用于各类植被的地下水和地表水的水资源总量,例如在人工植被建设中确保其正常生长发育所需水分的下限(通过引水灌溉)。张 远等[7]认为林地生态需水量是指维持其自身生长、发挥生态功能所需要消耗和占用的水资源量。夏 军等[8]认为是满足植被正常生长发育及维护生态环境健康运行所必须消耗的水量。赵文智等[9]、左其亭[10]依据植物的不同生长状态,从阈值理论出发将植被生态需水量分为最高、适宜、最低3个级别,分别为最高生态用水、合理生态用水、最低生态用水。夏哲超等[11]将最小生态需水量、适宜生态需水量、最大生态需水量分别定义为满足植被基本生长、最佳生长和超过植被生长需求的水量。王 芳等[12]认为在我国西北地区,植被生态需水是指人工生态建设及天然生态保护所消耗的水量。闵庆文等[13]、韩 英等[14]认为植被生态需水是指在其他因素不受限制的条件下,维持植被正常生长或植被生态系统健康所需要的水量。综上所述,植被生态需水研究仍没有完整的理论体系,其概念也各有不同。
2 植被生态需水量的计算方法
由于植被类型不同,其所处的气象、水文地质条件也不同,不同学者提出了不同的植被生态需水量计算方法[15-16]。但无论采取何种方法,其基本步骤均为先划分研究区的植被类型,并确定其范围和面积,然后根据不同植被类型的生态需水定额进行计算。
2.1 面积定额法(直接计算法)
面积定额法适用于防风固沙林、人工绿洲、农田系统等容易获得数据的人工植被生态需水量计算。计算公式如下:
W=∑Wi=∑Ai·ri
式中,W为植被生态需水量(m3);Wi为第i类植被的生态需水量(m3);Ai为第i类植被的面积(m2);ri为第i类植被的生态需水定额(m3/m2)。
已有研究表明,需水定额的确定有2种方法:一是通过耗水试验[17-20]获得,但由于空间异质性和尺度的问题,以个体或群体植物为对象进行耗水试验研究分析植被生态需水量[21],不能完全代表各种生态系统对水资源的不同需求特性;二是通过理论公式计算[4,22-23],该方法可以弥补耗水试验获得数据的不足,使不同区域间气象因子及土壤类型的不同得以体现,但在土壤动态监测手段及气象数据的获得方法还存在一定的局限性。
2.2 潜水蒸发法(间接计算法)
潜水蒸发法是计算植被生态需水量的间接方法,适用于降水量稀少、完全依赖地下水维持植被生长的干旱区域,特别是对于某些基础工作较差难以通过试验获取所需数据且蒸散模型参数获取困难的地区,可采用此法进行估算。计算公式[24-26]如下:
W=∑Wi=∑Ai·Wg i·K
式中,Wg i为植被类型i在地下水位某一埋深时的潜水蒸发量;K为植被系数。
由于干旱平原区天然与大部分人工植被的生存和繁衍主要依赖地下水,因而大多数学者[27-30]倾向于选择具有代表性的阿维里扬诺夫公式计算植被生态需水量,以期在水资源调配管理、流域水资源规划实施及生态环境恢复重建时作为参考。
2.3 改进后的彭曼(Penman)公式法
改进后的彭曼(Penman)公式法在理论上比较成熟,实际上具有很好的操作性,一般计算的是植被的最大需水量,即在充分供水、供肥、无病虫害等理想条件下植物获得的需水量。计算公式[31]如下:
ET=ET0·Kc·f(s)
式中,ET為植物实际需水量(mm/d);ET0为潜在蒸发量(mm/d);Kc为植物系数; f(s)为土壤影响因素。
针对我国目前薄弱的天然植被生态需水量计算方法比较薄弱的情况,可利用该方法近似计算植被生态需水量。
2.4 沈立昌公式法
沈立昌公式法没有极限地下水埋深的约束,干旱区潜水蒸发是随着地下水埋深增加而减小的,当地下水埋深达到5 m时,几乎不存在潜水蒸发。计算公式[32]如下:
E=Kμ(1+H)-b×E0 a
式中,E为潜水蒸发(mm);H为地下水埋深(m);μ为给水度;E0为水面蒸发(mm);a、b为与植物有关的待定系数;K为标志土质、植被、水文地质条件及其他因素的综合系数。
由于沈立昌公式中的待定系数较多,对于缺乏大量试验材料的区域来说比较难确定,因而不适宜该类地区使用。
2.5 水量平衡法
水量平衡法常用于中小闭合流域生态需水量的计算。计算公式[5,33-34]如下:endprint
Wt+1=Wt+P-R-ET
式中,Wt+1为t+1时段初期土壤含水量(mm);Wt为t-1时段末期土壤含水量(mm);P为降雨量(mm);R为径流量(mm);ET为蒸发蒸腾量(mm)。
水量平衡法计算精度不高,这是由于公式中各水分收支项的精度确定比较困难,但该法易于操作,公式简单[35-36]。
2.6 植被耗水模式法
植被耗水模式法[37]被广泛用于干旱内陆地区域的生态需水量估算,其机理是以干旱区典型植物为对象进行个体或群丛水分耗散试验,获得典型植被的水分消耗规律,进而推广至整个研究区域。该方法的缺点是不能代表实际存在的各种生态系统对水资源的不同需求特性,同时也存在尺度转换及空间异质性的问题。
2.7 土壤湿度法
土壤湿度法[38]适用于对同一地区或土壤质地、降水量相近区域的植被需水量进行估算,其机理是在一定范围内,牧草需水量与土壤水分成正相关。土壤湿度法受地域条件及土壤质地的限制,但适合在我国西北干旱半干旱地区使用。
2.8 基于生物量的生态需水估算
不同生态系统水分利用效率不同,即单位水量干物质生产量有所不同。基于此,可用生物量方法对生态需水量进行计算[39]。计算公式如下:
E=∑Ai×QNPPi×μi
式中,Ai为i类植被利用面积(m2),QNPPi为i类植被的净第一性生产力,即单位面积、单位时间内干物质的重量(g/m2·a),μi为i类植物水分利用系数,表示单位土地面积上生产的干物质与蒸散耗水之比(g/kg)。
由于植被生物量包括根、茎、叶等,估算较为困难,导致该方法的应用局限性较大。但随着遥感技术的应用,该方法有相当大的应用前景,从另一个角度提供了生态需水量的计算途径。
2.9 水量均衡法
1966年,Philip等阐明了植物在水分循环及水分平衡中的作用[40-41]。草原生态系统中,水分循环是通过大气降水、植被蒸发与蒸腾相互转化来实现的。因此,草地生态环境需水量可采用以下水平衡公式[42-43]进行计算。
Q=1 000(P-R)F+ΔW
式中,Q为草地需水量(m3);P为多年平均降雨量(mm);R为多年平均径流深(mm);F为草地面积(km2);ΔW为土壤水变化量(m3)。
2.10 基于RS和GIS的生态需水研究方法
首先,利用RS和GIS技术对研究区域进行生态分区,确定各级需水生态分区的面积,建立生态分区与水资源分区的空间对应关系。其次,结合实测资料、遥感手段及GIS软件对不同植被类别范围进行确定。最后,利用水资源分区的水量收支平衡控制对生态需水量进行估算。计算公式如下:
Q=∑Qi=∑(Qi1+Qi2)
式中,Q为区域总需水量(mm);Qi为植被类型i的生态需水量(mm);Qi1为植被类型i的植株蒸腾量(mm);Qi2为植被类型i的棵间潜水蒸发量(mm)。
基于RS和GIS的生态需水量计算适用于较大区域范围内的研究,有学者将该方法研究结果与其他算法结果进行比较,认为该算法是合理可行的[31]。该方法的缺点为生态水文诸多参数获取困难,涉及的相关知识太多,工作量大,不易操作。同时,该方法计算结果为定值,不能体现生态水文过程的动态演变,也不能体现生态系统需水的动态变化特性[44]。
3 国内外研究现状及发展趋势
20世纪末,生态环境需水量研究正式成为全球关注的焦点问题[45-46]。国外的研究侧重点为土壤、大气和植被间的生态水文过程以及维系自然生态系统平衡。1977年,Pruitt等[47]建立了林草地生态需水的计算预报模型,同时形成了一套农作物需水量计算的理论和方法。1998年,Baird等[48]对植物与水文过程的相互关系进行了分析,为植被耗水变化规律研究奠定了坚实的理论基础。2001年,Laio等[49]为了描述土壤水分亏缺对植物的影响,模拟了大气、土壤和植被间的相互作用。2007年、2008年Groeneveld等[50-51]通过气象数据求出年降雨量和参考作物蒸发蒸腾量ET0,然后根据卫星图像获取植被归一化指数,从而求得植被生态需水量。2017年,Acharjee等[52]通过全球的循环模型统计降尺度和偏差纠正的组合输出4个西北地区孟加拉区域气候场景的构建,研究气候变化对干旱季节Boro水稻的未来需水量的影响,估计2050—2080年Boro水稻的需水量(使用30年的平均气候数据)。研究表明,参考作物蒸发量(日均ETo)在未来会增加,主要是由于温度升高;∑ETc将会下降,由于对更高温度的物候反应而导致生长天数减少;密切监测和定期评估有必要了解未来降雨量和分布变化的方向,这对改变对长期水资源管理和农业规划至关重要。
我国人口压力巨大,生态环境恶化,生态需水研究就是在此背景下提出的,目前尚处于初始阶段。最早由水文水资源学家在研究西北地区水资源综合开发利用时提出[53]。20世纪90年代开始对干旱区生态需水诸多问题进行研究,包括概念、分类、理论和计算方法。2003年,张 丽等[31]结合遥感技术和植物生理需水现场试验,提出了植物生长与地下水位关系模型,对黑河下游生态需水进行了计算。2008年,王 强等[54]在对白洋淀典型水生植物的蒸腾量实地监测的基础上,对不同时空条件下水生植物的蒸散系数进行了确定,对白洋淀湿地基于现状和恢复目标下的植物生态需水量进行了等级划分和计算。研究结果表明,6—9月综合蒸散系数分别为3.21、6.24、6.02、1.86,水生植物需水量的时间分布规律为7月>8月>6月>9月,空间分布规律为陆地>水陆过渡带>水中。2009年,刘旭升[55]估算出北京市植被的最小生态需水量为37.4亿m3,同时阐明当地植被生态需水将会持续上升。2013年,司建华等[56]通过对黑河下游额济纳绿洲地下水位时空动态变化过程、天然植被耗水过程和绿洲生态过程及水文过程的关系研究,确定了黑河下游额济纳绿洲生态需水的关键期。2013年,王改玲等[57]研究表明,山西永定河流域植被建设最小生态需水量为1 628.5×106 m3,适宜生态需水量为2 709.5×106 m3;降水总体上能满足草地适宜生态需水及草、灌、乔植被生长期最小生态需水,对灌木植被的适宜生态需水仅为基本满足,而对乔木植被的适宜生态需水则无法满足。2016年,姜亮亮等[58]基于遥感和GIS技术,与气象站点实测资料相结合,采用有限水域面蒸发计算方法计算湖泊生态需水;植被生态需水则通过FAO56 Penman-Monteith法進行计算,最后根据维持不同的湖泊面积确定了3种生态补水方案。研究结果可提高水资源的利用效率,为流域水资源配置及外流域向艾里克湖生态补水提供可靠的技术借鉴。2017年,孙栋元等[59]以疏勒河中游绿洲为研究对象,基于RS和GIS技术,以Landsat TM/ETM影像解译成果(1990年、2000年、2013年)为基础材料,确定了中游绿洲2020年和2030年生态保护目标,建立了基于天然植被、河流、湿地和防治耕地盐碱化的疏勒河中游绿洲生态环境需水定量化模型,并估算了现状和保护目标下流域中游绿洲生态需水量。2017年,周洪华等[60]分析了塔里木河下游荒漠河岸林关键种——胡杨树木年轮近90年来的变化特征及对气候水文过程的响应,并基于树木年轮技术提出了维系荒漠河岸林不同恢复状态的生态需水量。研究结果表明,塔里木河下游胡杨树木年轮主要承载的是区域水文历史变化信息,可以作为定量评估生态输水工程的生态恢复效应和定量计算植被生态需水量的新指标。2017年,Chi等[61]通过Penman-Monteith方法与GIS和遥感技术相结合动态计算植被系数,并引入土壤水分限制系数,共同提供在计算自然植被生态需水的完整而准确的方法。计算了4种主要的植被类型针叶林、阔叶林、草原和草原植被的生态需水和生态亏水,并分析得出针叶和阔叶林的蒸散量减少,而草本植物则表现为稍微增加的趋势,植被总生态需水量几乎保持不变,但水分亏损问题广泛存在。这是由于其降水无法达到植物的生态需水,而且在生长季节中,生态需水的分布和降水的时间分配不一致。endprint
综上所述,我国植被生态需水的研究起步较晚,更多的从考虑人类活动挤占生态需水的实际问题出发,对多样性与复杂性的西部地区的生态需水进行研究,宏观角度的植被生态需水研究取得了积极成果,而微观角度的研究成果则不多见,这可能是由于不同植被类型、不同区域、不同降水量条件下,生态需水量千差万别。
4 总结与展望
(1)我国植被生态需水量研究起步较晚,缺少长期的试验数据支持,计算方法没有具体标准。因此,很难确定哪种方法的计算结果更加切合实际,需要建立完善的植被生态需水的理论体系。
(2)植被生态需水涉及水文系统和生态系统,尤其侧重于生物过程对水循环要素的影响以及水文过程对生态系统配置、结构和动态的影响。关于植被生态需水研究,今后应加强相关学科和多学科之间的交流与合作,着重深入研究植被耗水的生理生态机制,进一步完善植被耗水的计算方法,为不同植被类型生态需水量的计算提供基础。
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