山地生态水文过程与降水资源调控研究进展

阳辉, 曹建生,* , 张万军

山地生态水文过程与降水资源调控研究进展

阳辉1,2, 曹建生1,2,*, 张万军1,2

1. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心, 石家庄 050022 2. 中国科学院农业水资源重点实验室, 石家庄 050022

生态水文学是一个可定义和发展的学科, 是在不同时空尺度和一系列环境条件下探讨生态水文过程。山地的生态格局和水文过程对下游景观有重大的影响。针对山区干旱缺水、水生态退化以及水灾害等一系列生态问题, 从林草地水文生态效应角度, 探讨山地生态水文过程的研究进展, 山地降水资源调控技术措施和山地生态水文过程与降水资源调控的相关关系。结果表明: 植被生态需水量的计算方法包括面积定额法、潜水蒸发法、植物蒸散发量法、水量平衡法、生物量法、基于遥感技术的计算法等, 各种方面在不同区域的适用性不同; 生态水文模型有SWAT模型、SWIN模型、EcoHAT模型等, 不同的模型应用领域不一; 降水资源的高效利用措施包括降水资源的就地利用—入渗水利用, 如坡改梯工程、集水造林种草工程以及适时深耕技术等; 降水资源的叠加利用—径流水利用, 如淤地坝工程和坡面集水造林种草工程等; 以及降水资源的间接利用—蒸发水利用三个方面, 如黑色覆盖技术、砾石覆盖技术和土壤覆盖技术等。以河北太行山区为例, 分析得出造林坡地的径流系数明显低于裸岩坡地。山地水旱灾害形成机制与水资源调控利用技术的研究、坡地与流域的降雨径流关系研究等方面应是未来山地生态水文过程的研究重点。

山地; 生态水文过程; 生态水文模型; 生态需水量; 降水资源

0 前言

山地生态系统是全球生态系统变化最敏感的区域, 山地面积占全球的1/6[1]。山地生态系统不仅在水文水功能调节方面扮演着重要的角色, 为人类生存提供饮用水、农业用水、食物制备用水、水电等, 全球近50%的人口需依赖山地水生存[2]。而且是地球上绝大部分动植物种类的生息场所并具有丰富多样的生态系统[1]。因学科分工的不同, 传统水文学、大气科学、生态学、环境科学难以解决全球变化和人类活动影响下出现的水污染、水资源短缺、水生态退化与水管理缺位等日益严峻的水问题。在这种背景下, Dublin在1992年的世界水与环境会议上正式提出了生态水文学(Ecohydology)这一概念[3], 主要是指植物-水分相互作用[4], 尤其指半干旱、干旱和牧草地环境中植物-水分的相互作用[5]。生态水文学不仅是生态学和水文学两个学科的拼凑, 更是一个可定义和发展的学科[3]。早期研究中, 往往关注水文过程或生态过程单一的研究, 而忽略了多种过程耦合作用机理, 在全球环境变化的背景下, 水文过程-生态过程的耦合研究显得尤为重要[6]。山地往往是产汇流的源头, 其生态格局和水文过程对下游景观有重大的影响。因此, 《21世纪议程》认为山地生态系统对全球生态系统非常重要, 对山地生态系统生态水文过程的研究将有助于水土保持、生境恢复和生物多样性的保持[7]。同时, 山地的许多相关特征, 如地形、规模大小等, 可以作为环境变化和生态退化的指示, 通过长时间的生态水文过程和全球变化冰雪指示调查, 构建不同山地生态系统和河流盆地间的相互关系的区域模型, 对监测全球变化有重要的意义[8–9]。

此外, 随着社会经济的发展, 我国出现了水灾害和水生态退化等一系列日益严峻的生态问题。以京津冀地区为例, 该区长期高强度的城市开发利用引起了水资源缺乏、生态恶化、水污染、河道断流、地下水漏斗区域化等问题[10]。目前, 在京津冀协同发展的大前提下, 为适应雄安新区以及2022年北京-张家口冬奥会对生态环境的要求, 国家提出构建生态环境支撑区和水源涵养区。因此, 生态水文学作为一门探索和揭示形成生态格局和过程的水文学机制的新兴学科, 是解决水与生态问题, 满足我国生态建设需求必不可少的[11]。

1 山地生态水文过程研究进展

就当前学科发展体系来看, 生态水文学研究的问题主要包括: 河湖生态水文、植被生态水文、湿地生态水文等多个方面[11]。山地生态系统具有垂直的差异性, 其生态水文过程也因植被覆盖的差异而变得复杂。山地生态水文过程模拟主要是对林草地水文生态效应的模拟, 包括森林水文效应和草地水文效应。因此, 山地生态水文过程的模拟关键是要明确不同海拔的植被对水文过程的响应, 需分层区别, 同时植被覆盖程度不同对土壤与水的相互联系产生直接的影响。所以, 植被在区域水生态平衡健康发展中起到至关重要的作用[12]。

1.1 植被生态需水量研究进展

生态需水维系着流域的生态安全、水安全, 是生态水文学在水资源/水环境研究中应用的关键科学问题之一。生态需水量是指植被在适宜水分条件下达到生产潜力时所需要的最大水资源消耗量。目前区域尺度上生态需水的整体性研究方法大多是基于流域蒸散发特征以及水量平衡而进行估算[13]。以干旱半干旱区为例, 专家学者们根据当地植被类型及气象、土壤、水文地质、生态等环境条件的差异, 提出了多种植被生态需水量的计算方法, 包括面积定额法、潜水蒸发法、植物蒸散发量法、水量平衡法、生物量法、基于遥感技术的计算法等[14–19]。就我国而言, 众多学者研究发现, 不同区域所得结论各不相同。王礼先[20]估算出黄河流域乔木林生态用水量为17亿 m3左右, 草地生态用水量为1亿m3左右, 西北地区植被建设生态用水总量为200亿 m3左右。王芳等[21]研究认为西北地区地带性荒漠草原与典型草原植被生长需水为每年200—400 mm; 地带性森林草原和森林植被生态需水在400—550 mm之间。何永涛等[22]根据最新遥感图像资料, 依据GIS估算出黄土高原地区林地生长季的最小生态需水量为2.62×1010m3, 适宜生态需水量为4.21×1010m3。

1.2 生态水文模型研究进展

目前, 生态水文学研究主要是根据研究目的和研究环节的需要, 综合运用生态学和水文学领域的研究方法; 为探寻生态学和水文学的耦合机制, 统计学和确定性模型的分析方法在当前研究得到了广泛应用[23]。其中, 最具代表性的生态水文模型为美国农业部(USDA)农业研究局(ARS)开发的SWAT(Soil and Water Assessment Tool)流域尺度模型, 主要用于模拟预测在大流域复杂多变的土壤类型和土地利用方式下, 土地管理对水文、泥沙和化学物质的长期影响[24]。德国的波斯坦气候影响研究所开发的SWIM(Soil andWater Integrated Model)模型用于模拟和预测全球气候变化和土地利用方式改变下流域的水循环、植被生长、营养与污染物质迁移、泥沙运动等生态水文过程[25]。我国中科院地理所研发出的区域尺度的分布式生态水文模拟系统EcoHAT, 利用遥感数据源, 耦合具有物理化学机制下生态水文过程模型, 模拟土壤-植被-大气连续体(SPAC)水分运行过程中水分和营养元素循环、植被生长间的相互影响[26]。此外, 还有MIKE-SHE 模型、DELFT 模型、SPLASH 模型等[27]在实际工作中得到广泛应用。

2 山地降水资源调控研究进展

从理论上讲, 入渗、径流、蒸发是天然降水在地表完成二次转化的3种基本方式, 也是实现陆地水循环的基本途径。但由于地貌形态、下垫面类型、气温气压等自然环境因子和人类活动方式与频率、资源利用方式与强度等人为因子时空差异性的存在, 使得天然降水的转化方式和数量分布类型组合在地域上差异较大。降水资源调控是治理水土流失和实现降水资源化、利用高效化的根本方法和发展方向。所谓调控就是依据天然降水资源化过程规律, 将天然降水的转化方式由自然无控向人为可控方向转变, 以期达到治理水土流失与解决干旱缺水双赢的目的[28]。

对于山地降雨资源的调控, 体现在对降水资源的高效利用, 其利用措施主要包括以下三个方面, 一是在入渗水利用方面, 土壤入渗过程和渗透性决定对降水再分配的过程[29], 土壤的容重或紧实度对降雨向土壤水分转化有显著影响, 土壤翻耕会显著降低坡地水分的转化率[30]。同时, 作为重要的下垫面因子, 地表粗糙度具有促进降水入渗的作用[31]。利用入渗水属于降水资源的就地利用, 利用水分的重力效应和土壤的水库效应, 改变微地形和改进耕作措施等。该种方式能够实现降雨就地拦蓄入渗, 减少径流流失, 提高土壤的贮水量, 进而延长土壤水分的有效供应时间[32]。修筑水平梯田、水平沟、丰产沟、反坡梯田等水保工程技术, 改变原地形、大面积平田整地和集水造林种草等可实现强化降水入渗; 退耕还林还草、增加坡面植被覆盖率可增加坡面降雨入渗[33], 进一步提高降水入渗利用率和植物对降水资源的利用效率。例如, 在黄土高原地区大面积、大规模实施的坡改梯工程、集水造林种草工程以及适时深耕技术等措施改善地表土壤入渗能力[28]。

二是在径流水利用方面, 这种方式属于降水资源的叠加利用, 包括集水区和用水区两部分, 利用自然和人工创造的集流面进行降水资源的再叠加[33]。通过建设坝、塘、池、窖等工程拦蓄措施, 减少集流区水分的无效消耗, 提高降水径流利用率和利用效率。隔坡梯田和淤地坝即为典型实例, 其中隔坡梯田田面就地蓄集雨水供作物利用, 梯田上部的雨水又汇集到田面之上, 还可供作物利用。国外的田间微集水系统和国内的径流林业都是如此。例如, 采用在家庭院落铺设混凝土集流面的方法, 解决当地人畜饮水严重困难的问题。又如, 黄土高原地区淤地坝工程和坡面集水造林种草工程等建设项目的大规模实施, 对大幅度提高地表径流(特别是汛期雨洪径流)利用率收效显著[28]。

三是在蒸发水利用方面, 主要通过地膜覆盖、调整农作物布局等措施, 降低入渗降水无效蒸发损失率, 延长水分在土壤水库中的集蓄时间, 提高土壤水利用率和利用效率。在干旱半干旱区, 无效蒸发十分剧烈。据测定, 年降雨总量中60%—165%为无效蒸发[34]。地膜覆盖方式分为六种类型, 包括黑色覆盖技术(秸秆、干草、枯草、厩肥), 白色覆盖技术(塑料薄膜), 绿色覆盖技术(生物覆盖), 化学覆盖技术(胶乳、石蜡、沥青、石油), 砾石覆盖技术(卵石、砾石、砂)和土壤覆盖技术[35]。这种对降水资源的间接利用, 对于增加作用产量效果较为显著。例如, 在甘肃中东部黄土高原地区广泛实施的全覆盖地膜玉米种植技术比非覆盖玉米增产30%—40%[28]。

3 山地生态水文过程与降水

从水分行为的角度来说, 生态水文过程可以分为生态水文物理过程、化学过程及其生态效应三部分来进行研究。生态水文物理过程包括植被覆盖和土地利用对降水、径流、蒸发等水分要素的影响, 生态水文化学过程即水质性研究, 而水分生态效应主要指水分行为对植被生长和分布的影响[36]。

就生态水文物理过程而言, 降雨作为土壤水的主要来源, 植被影响着降雨在土壤的入渗的过程。山地生态系统作为一个由林地、草地等多层次植被组成的生态系统, 林地对于降雨过程有着不可忽视的影响。短期内, 造林对坡地水文的影响, 表现在造林过程中平整土地对坡地水文的影响, 主要是对降雨、径流、入渗等方面的影响, 比如通过整地, 增加入渗、减少地表径流, 同时蓄水能力也有所提升, 有利于水土保持。长期内, 造林对坡地水文的影响表现在植被对其的影响, 集中体现在3个方面。第一, 根系对岩土的结构、质地、水理特性的影响; 第二, 叶片蒸腾耗水对水文的影响; 第三, 植被对降雨的拦截, 消减雨滴对坡面的直接打击, 减缓降雨到达坡面的过程。

以河北太行山区为例, 在西柏坡试验基地研究人工模拟降雨径流关系, 通过人工模拟降雨, 利用活动式坡面径流小区, 进行了裸岩、鱼鳞坑扩蓄增容造林坡地、营养钵镶嵌造林坡地(图1), 分析得出不同植被及不同造林方式对降雨径流关系的影响。

初步试验结果显示, 在人工模拟降雨强度为0.84 mm·min-1的情况下, 裸岩坡地地表产流的初损历时为2 min左右, 初损量为1.7 mm; 造林坡地地表产流的初损历时为45 min, 初损量为37.9 mm。在人工模拟降雨强度为0.84 mm·min-1、降雨历时27 min的情况下, 裸岩坡地的径流系数为31%; 在人工模拟降雨强度为0.84 mm·min-1、降雨历时95 min的情况下, 造林坡地的径流系数为6.5%。该数据结果显示, 坡地造林能明显减少降雨径流的产生。

4 展望

山地系统对于水资源至关重要, 其水文过程受到山区具体特点的强烈影响, 包括气温、降雨、土壤、植被以及地形因素[12]。生态水文过程实质是生态过程和水文过程相互作用的过程[37]。对于山地降水资源的调控研究是山地生态水文过程研究的一个方面。面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势, 在对生态环境开发利用的同时, 应该把“水资源-经济社会-生态环境”作为一个整体来看待, 使三者互相协调, 通过水资源的综合调控, 从而实现三者综合效益最大化, 既满足经济社会发展的要求, 又不会对生态环境造成危害。随着社会的发展与进步, 山地生态系统面临着新的问题, 比如矿业迹地的生态修复问题、经济林开发(退耕还林)的生态化问题、生态旅游开发的环境保护问题等, 同时, 生态文明建设也提出了新的要求。针对山地生态水文过程与降水资源调控方面的研究, 应重点开展山地水旱灾害形成机制与水资源调控利用技术的研究, 开展山地生态系统坡地与流域的降雨径流关系研究, 明确森林生态系统对水的时空分配、传输转换以及水文循环的影响机制, 以及森林生态系统变化对坡面与流域尺度径流形成影响的机理[38]。

图1 造林坡地人工模拟降雨径流关系(左)和裸岩坡地人工模拟降雨径流关系(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

国家重点研发计划项目(2018YFC0406501-02); 国家自然科学面上基金项目(41877170)

阳辉(1988—), 女, 湖南常宁人, 博士, 助理研究员, 主要从事水文水资源研究, E-mail: yanghui@sjziam.ac.cn

曹建生, 男, 博士, 研究员, 主要从事山区水循环和水资源利用、生态水文方面的研究, E-mail: caojs@sjziam.ac.cn

阳辉, 曹建生, 张万军. 山地生态水文过程与降水资源调控研究进展[J]. 生态科学, 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.