新疆开都—孔雀河流域天然植被生态需水量研究

马玉其，王军政，程勇，王新友，陈小强，崔华，叶朝霞

(1.新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，库尔勒 841000；2.中国科学院新疆生态与地理研究所/荒漠与绿洲生态国家重点实验室，乌鲁木齐 830011)

随着生态环境日益恶化，人类对生态环境保护和生态环境重建越来越重视。而作为生态系统循环中最重要的因素之一，水资源的供需矛盾日益突出。为了实现水资源的可持续利用及国民经济的可持续发展，生态需水量的研究近年逐渐受到关注并发展起来，成为生态水文学的重要研究内容之一。生态需水量是水资源可持续利用的重要基础[1]。我国生态需水研究起步较晚，现阶段生态需水的概念还未得到统一，其研究主体不明确，不同学者根据研究对象的具体情况对其进行界定，出现不同的定义，如生态用水、生态耗水、生态缺水、生态储水、环境需水及生态环境需水等，这些概念与生态需水并不等同，属于不同层次的概念[2]。生态用水是指流域生态系统实际使用的水资源，反映生态系统历史或现状的用水水平[3]。生态需水是生态用水的依据。生态耗水是指生态系统维持生物生存消耗掉的水量(如蒸发量)，生态需水大于生态耗水。生态缺水是指特定状态下的生态系统对于预期的生态目标，系统缺乏的、需要补充的水量，即供水与需水的差值。生态储水是指生态系统所处的特定时空范围内储存的或可获取的天然存在的水，是生态需水总量中的部分非消耗用水因参与了生态系统的物质和能量循环而滞留在生态系统内部[4]。环境需水是改善人类生存环境质量所需要的水量[5]。生态环境需水量是生态需水和环境需水的总和。王玉敏和周孝德[6]认为广义的生态需水量是指维持地球生物地理生态系统水分平衡所需用的水，包括水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等等。狭义地说，生态需水量是指为维护生态系统不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量。天然植被生态需水由天然乔灌林、草地、荒漠植被和植被盖度小于5%的荒漠区蒸发需水共同组成。

本文选择塔里木河流域九源之一的开都—孔雀河流域为研究区域，结合该区域天然植被的分布特点，合理估算天然植被生态需水量，以期为孔雀河生态输水工程和塔里木河下游生态输水工程的实施提供科学依据。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区

开都—孔雀河流域位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州(以下简称巴州)境内，地处塔里木盆地东北部、塔克拉玛干沙漠东北缘，由山区生态系统、绿洲生态系统、湖泊生态系统及荒漠生态系统等构成。该流域总面积7.73×104km2，其中山区面积为3.47×104km2，占流域面积的45%；平原区面积为4.26×104km2，占流域面积的55%。该流域是巴州国民经济发展、生态环境保护的重要区域[7]。

开都—孔雀河流域深居欧亚大陆腹地，远离海洋，属于典型的大陆性干旱气候，其总的特点是干旱少雨、蒸发量大、昼夜温差大、日照时间长、光热资源丰富、四季分明、冬夏漫长、春秋短暂，并有春季升温快、秋季降温迅速、风沙较大等气候特征。

开都—孔雀河流域有大小10余条雨雪混合补给的河流，其中开都河、黄水沟、清水河等河流为博斯腾湖泊湿地主要水源。开都河发源于天山中部依连哈比尔尕山，主要由高山区冰雪融水、中山带的降水构成，由东向西经小尤尔都斯盆地流至巴音布鲁克，向南流入大尤尔都斯盆地，折转130度向东流入焉耆盆地，最后注入博斯腾湖。博斯腾湖作为开都河的尾闾，是巴州地区的重要水资源储存库，具有调节河川径流、净化水质等生态功能。水源从博斯腾湖流出即为孔雀河。孔雀河流经库尔勒市、尉犁县注入罗布泊。孔雀河是博斯腾湖湿地的唯一出水河流，承担着流域下游生产生活的水源供给[7]。

1.2 研究方法

天然植被生态需水量的计算方法主要有Penman法、潜水蒸发法、实测蒸腾量估算法、定额法以及基于遥感和GIS技术的研究方法等。本文根据研究区天然植被的分布特点，选择潜水蒸发法和定额法进行估算。

1.2.1 潜水蒸发法

潜水蒸发法是根据潜水蒸发量间接计算植被生态需水量的方法，该方法适用于干旱区植被生存主要依赖地下水的情况。对于某些地区天然植被生态用水量计算，若以前工作积累较少，模型参数获取困难，也可考虑采用此方法。干旱区天然植被的实际蒸散可近似地用潜水蒸发量W表示。

W=E×A

式中，E为潜水蒸发强度(mm)，A为要维持或保护的植被面积。潜水蒸发与气象要素、土壤质地、土壤水分储量和地下水埋深等密切相关。目前潜水蒸发法常用的计算公式有：

阿维里扬诺夫公式(简称“阿氏公式”)：

E=a(1-H/Hmax)bEΦ20

阿克苏水平衡站公式：

E=E20×(1-H/Hmax)2.51

式中，E为潜水蒸发强度(mm)；EФ20为常规气象蒸发皿观测值(mm)；H为地下水埋深(m)；E20为20m2蒸发池水面蒸发量，使用阿克苏水平衡站多年实测平均值1292.20mm；Hmax为地下水极限埋深(m)，按5m计算；a，b为经验系数分别取a=0.62，b=2.80。需要指出的是以上公式计算结果均为裸地条件下的潜水蒸散发数值，若考虑不同植被覆盖条件下的潜水蒸散发，需通过植被稀疏对裸地条件下蒸散发计算结果进行修正，依据宋郁东等[8]的研究，在塔里木河流域植被影响系数见表1。

表1 不同潜水埋深条件下的植被系数

1.2.2 定额法

式中：p为植被需水保证率；Ai为i类的植被面积；mpi为相应保证率的植被需水定额；n为植被类型数。

2 结果分析

2.1 干旱区天然植被生态需水特点

(1)干旱区天然植被实际蒸散耗水量小。干旱区的自然植被相对比较抗旱，大多数常常得不到充分的水量供给。同时，生物生产量也相对较低，总体来讲，单位面积对水分的消耗量也相对较小。

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(2)用水的可塑性大。沿塔里木河干流两岸的大部分自然植被，每年只有洪水期7月—8月灌溉一次，洪水大时漫溢范围广，灌水量多；洪水少时，仅在主河道两侧有限范围，灌水量少，自然植被不像农作物灌溉不适时适量就会造成减产。所以生态用水和农业用水在时间上不会有很大的矛盾。春季水量少时，可全部供农业利用；夏季洪水大时，农作物灌溉利用不完可作生态用水。在南疆有些地方引洪放淤，繁育恢复柽柳，对改善生态起到良好作用。

(3)水分有效利用程度高。农作物灌溉大多是地面灌溉，通过水库调节、渠道输水和田间灌溉造成蒸发渗漏损失很大，农作物真正实际利用的不到30%。生态用水除了洪水淹灌造成积水蒸发损耗外，大部分是地表水渗漏转化为地下水供植物利用，与农作物相比，水资源利用率高。

(4)能够利用农业上暂难利用的水资源。农作物用水是“以需定供”，而生态用水是“以供定耗”。目前生态用水主要是农业上难以引用的洪水和由水库、渠道、田间渗漏补给的地下水及一部分农田排水，将来还有城市和工业污水。用这些水可维护自然植被、保护生态，无疑可提高水资源利用率。特别是由水库、渠道和田间渗漏补给的地下水，被天然植被吸收利用，极大地提高了水资源重复利用率。

(5)可利用埋藏较深的潜水。农作物由于根系浅，主要利用根系密积层(一般在1m以内)的土壤水，一旦土壤干旱，就会影响生长。天然植被，特别是乔灌木根系是随着地下水位下降而向下延伸。成年柽柳、胡杨的根系都可深达十多米。所以不少地方，尽管地下水位已下降到4m～8m以下，但是乔灌木仍能生长，其所利用的主要是埋藏较深的地下水。因此可利用乔灌木生长和地下水的这种关系，在幼林阶段，通过灌溉使根系向下延伸，一旦根系能接触到地下水，就可减少水分供应，让根系吸收地下水，节省生态用水。

开都—孔雀河流域生态用水的形式主要以河道入渗补给地下水和洪水漫溢的地面灌溉为主。河道入渗在河道两岸横断面上形成一个近似梯形的地下水区域，使天然植被的根系能够有效地吸收水分；洪水漫溢地面灌溉可使植被达到自我更新、孕育幼林和草本植物生长的需水要求。

据2008年塔里木河干流上、中、下游分区天然植被生态耗水量分析[9]，上游区为2125.6m3/hm2，中游区为2277.70m3/hm2，下游区为2344.60m3/hm2。上游区植被主要以林木为主，以灌木、草类植被为辅，生态用水以河道漫溢形成的地面灌溉为主，河道入渗补给地下水为辅，故用水指标较高；中游区植被以林、灌木、草结合，生态用水形式以河道及叉流入渗补给地下水为主，河道漫溢形成的地面灌溉为辅，用水指标适中；下游区由于总水量不足，植被衰败、枯萎，生态用水以河道入渗补给地下水为主，下游英苏以下河道断流30多年，地下水位已下降至9m～13m，用水指标异常偏低。

根据生态用水的不同特点，特别是塔里木河两岸的自然植被主要依靠洪水漫溢和河道入渗补给地下水维持生机的特点，其生态用水指标也由于各自计算方法不同而计算值各异：(1)中国科学院新疆生态与地理研究所计算值为3900m3/hm2；(2)新疆水利厅流域规划办公室计算值为3885m3/hm2；(3)清华大学塔里木河干流水均衡模型计算值为3495m3/hm2；(4)根据王让会等[10]研究成果，有林地为3000m3/hm2；疏林地为1450m3/hm2；高盖度草地为2340m3/hm2；低盖度地为630m3/hm2。根据以上定额指标，并参考潜水蒸发与水平衡公式计算的需水量结果，确定现状条件下林地需水定额为3000 m3/hm2；疏林地(小半灌木林地)需水定额为1500 m3/hm2；草地统一设定为2250 m3/hm2。

2.2 开都—孔雀河流域天然植被保护范围

天然植被生态敏感区保护区分布于66km分水闸以下的河道两岸，面积10.93×104hm2，主要由以胡杨为主的乔木林和以柽柳为主的灌木林组成，为荒漠地带特有的走廊式荒漠河岸林。现状年开都—孔雀河在第66km分水闸断面向塔里木河供水5.49×108m3，向塔里木河供水4.5×108m3(含生态供水水量)，一般情况下孔雀河基本无水下泄入孔雀河阿克苏甫下游河道。

表2 开都—孔雀河流域天然植被保护范围与目标 单位：104hm2

2.3 开都—孔雀河流域天然植被生态需水量

采用潜水蒸发法(阿克苏水平衡站公式、阿氏公式)和定额法估算了开都—孔雀河流域生态保护红线和生态敏感区保护范围内的天然植被生态需水量。为了消除单一方法估算结果的偏差，将三种计算公式的计算结果进行算术平均，从而获得不同保护范围天然植被的需水量。

开都—孔雀河流域平原区有林地需水定额3000m3/hm2，平均地下水埋深2.50m；疏林地需水定额1500m3/hm2，平均地下水埋深4.50m；灌木林需水定额3000m3/hm2，平均地下水埋深3m；草地需水定额2250m3/hm2，平均地下水埋深3m。根据定额法计算结果，开都—孔雀河平原区生态保护红线下需水量为17.09×108m3；基于潜水蒸发法的阿克苏水平衡公式计算结果为12.82×108m3，阿氏公式计算结果为11.55×108m3。将三种计算结果进行算术平均，则开都—孔雀河生态红线需水量为13.82×108m3(表3)。

表3 开都—孔雀河流域生态需水量计算

开都—孔雀河流域天然植被生态敏感区分布于66km分水闸以下的河道两岸，面积10.93×104hm2，主要由以胡杨为主的乔木林和以柽柳为主的灌木林组成，对应地下水埋深平均为3m左右，灌溉定额综合考虑有林地、疏林地和灌木林情况，定为2250m3/hm2。因此，定额法计算的生态敏感区生态需水量为2.46×108m3，阿克苏水平衡站公式计算需水量为1.96×108m3，阿氏公式计算的需水量为1.76×108m3，三者平均为2.06×108m3。

3 结论与讨论

上述研究结果表明：开都—孔雀河流域生态红线平均需水量为13.82×108m3，其中定额法估算结果偏大，其次是阿克苏水平衡站公式，阿氏公式估算结果最小；生态敏感区平均生态需水量为2.06×108m3，同样也是定额法估算结果偏大，其次是阿克苏水平衡站公式，阿氏公式估算结果最小。比较上述结果发现，潜水蒸发法中的阿克苏水平站方法的计算值与平均值最为接近。

由于干旱区降水量稀少，天然植被生长完全依赖地下水，一般采用潜水蒸发法间接计算植被的生态需水量，在植被需水定额不好确定的情况下，更是首选潜水蒸发法进行生态需水量的估算。因此潜水蒸发的变化将直接导致天然植被生态需水量发生变化，而气候变化也正是通过影响潜水蒸发从而影响植被生态需水量。

郝振纯等[11]针对淮北平原裸土潜水蒸发进行了试验研究，结果表明，裸土潜水蒸发的影响因素主要有潜水埋深、土质和气象因素。其中，气象因素对靠近地表的潜水蒸发量影响较大，对于不同土质，其影响深度略有不同。因此，对于埋深较浅的区域生态需水量的计算要特别注意气象因素的影响。柏菊等[12]对淮北平原蒸发量变化趋势及其影响因素进行分析，结果表明，气候变化对蒸发过程影响显著。温度和相对湿度成为影响蒸发能力的主要因子。大气蒸发能力对潜水蒸发的影响随地下水埋深的加大而减弱；当地下水埋深较浅时，潜水蒸发随埋深的增大而迅速减小；在埋深大于2m时，潜水蒸发减小的速率趋于缓慢，蒸发量趋近于零[13]。气候的变化趋势影响着区域蒸发能力的趋势。赵成义等[14]的研究也证实了这一观点，其提出的潜水蒸发公式的分段拟合公式将潜水蒸发分为三个过程：当潜水埋深较小且大气蒸发能力低于某一临界值时，潜水蒸发主要由大气蒸发能力来决定；当潜水埋深较大且大气蒸发能力小于某一临界值时，潜水蒸发主要由土壤的输水性能控制，潜水蒸发与大气蒸发能力呈非线性关系，即符合阿维里扬诺夫和指数型等公式；当大气蒸发能力大于某一临界值时，潜水蒸发为某一最大值，此值与潜水的埋深有关。其中第一个过程是受气候变化影响较大的过程。张振华等[15]研究认为潜水蒸发主要受土壤输水能力和外界蒸发力的影响，而且受两者中较小者的控制。其中，外界蒸发能力主要受光照、风速、气温、水汽压、空气流通情况等气象因素影响。影响潜水蒸发量的主要气候因素是降水量和大气蒸发能力，大气蒸发能力的大小以水面蒸发量来衡量。降水一方面通过增加大气湿度减小大气蒸发能力而减小潜水蒸发量，另一方面通过对土壤水分的补给而减小潜水蒸发量[16]。从诸多有关潜水蒸发影响因素的研究中我们不难发现，无一例外地都要考虑气象因素对其产生的影响[17-18]。