李金燕+張維江

摘要：對(duì)固原城鄉(xiāng)飲水水源工程受水區(qū)降雨消耗性林地及徑流消耗性林地生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行研究，首次采用桑斯維特模型和彭曼-蒙特斯模型同時(shí)計(jì)算生態(tài)環(huán)境需水定額，并對(duì)兩種模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)，認(rèn)為彭曼-蒙特斯模型是綜合了各種氣象因素以及地理位置因素的計(jì)算方法，結(jié)果更具合理性，而桑斯維特法對(duì)于夏季林地潛在蒸散量的計(jì)算結(jié)果與彭曼-蒙特斯結(jié)果接近，在資料缺乏地區(qū)的夏季植被潛在蒸散量的計(jì)算中可采用該法。通過對(duì)受水區(qū)林地生態(tài)環(huán)境需水量的研究計(jì)算及降雨資源平衡分析，認(rèn)為位于中部干旱帶的海原縣以及位于南部山區(qū)降雨稀少的西吉縣降水消耗性林地的最小和適宜生態(tài)環(huán)境需水量均不能得到滿足；而位于南部山區(qū)降雨相對(duì)較豐富的彭陽(yáng)和原州區(qū)各類林地最小生態(tài)環(huán)境需水量均能得到滿足，而適宜生態(tài)環(huán)境需水量均不能得到滿足。各縣區(qū)徑流消耗性人工林地需水依靠降雨不能得到滿足，均需人工配水。

關(guān)鍵詞：受水區(qū)；林地植被；生態(tài)環(huán)境需水

中圖分類號(hào)：TV213.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）01-0063-05

Eco-Environmental Water Demand of Woodland in Reception Basin of Urban and Rural Drinking Water Source Engineering of Guyuan，Ningxia Province

LI Jin-yan，ZHANG Wei-jiang

（School of Civil and Hydraulic Engineering/Engineering Technique Research Center for Water Saving Irrigation and Water Resources in Ningxia，Yinchuan 750021， China）

Abstract： Based on studies of ecological water demand of rainfall attrition woodland and artificial forest land in urban and rural water engineering reception basin of Guyuan， basis for ecological restoration and reasonable utilization of water resources was provided. Firstly using Thornthwaite model and Penman-Montieth model to calculate the eco-environmental water requirement quota， and the two kinds of model calculation results were compared. Results showed that Penman-Montieth model was more rational because it integrated all sorts of meteorological factors and the geographical position factors. Through the rainfall resource equilibrium analysis， results showed that minimum and suitable ecological water demand could not be satisfied for precipitation attrition woodland relied on natural precipitation in Haiyuan county located in the central arid zone and Xiji county in the southern part of the mountain area. All kinds of forest land minimum ecological water demand can be satisfied and appropriate ecological environmental water demand was not being met Pengyang and Yuanzhou county located in the southern mountainous area. Runoff attrition artificial forest land water demand relying on rainfall can not be satisfied. Artificial water distribution was needed in all counties.

Key words： reception basin； forest land； ecological and environmental water requirement

收稿日期：2013-01-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51269022）

作者簡(jiǎn)介：李金燕（1976-），女，寧夏平羅人，副教授，在讀博士生，研究方向?yàn)樗Y源調(diào)控，（電話）15009661316（電子信箱）lijinyan@163.com。

在生態(tài)環(huán)境日益惡化的干旱半干旱地區(qū)，植被（林地）作為生態(tài)環(huán)境治理的一項(xiàng)重要措施，近年來其生態(tài)環(huán)境需水的研究越來越受到人們的關(guān)注。寧夏固原城鄉(xiāng)飲水水源工程是將涇河流域?qū)幭木硟?nèi)豐富的地表水向北輸送到寧夏中南部干旱缺水地區(qū)的原州區(qū)、西吉、彭陽(yáng)、海原縣（以下稱受水區(qū)）。受水區(qū)域?qū)冱S河中游黃土高原丘陵溝壑區(qū)，干旱少雨，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，固原城鄉(xiāng)飲水水源工程的實(shí)施是解決受水區(qū)干旱缺水的根本舉措。然而，這一舉措給受水區(qū)水資源帶來了新的要求，即如何在生態(tài)環(huán)境需水研究基礎(chǔ)上，結(jié)合引水工程對(duì)多種水資源合理配置進(jìn)行全面和系統(tǒng)的研究，從而實(shí)現(xiàn)受水區(qū)生態(tài)效益、社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益最大化。面對(duì)這一現(xiàn)實(shí)情況，本研究首先對(duì)受水區(qū)林地植被的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析，從而為更好地對(duì)受水區(qū)水資源綜合利用以及改善生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合決策奠定基礎(chǔ)。

1 植被（林地）生態(tài)環(huán)境需水量的界定

從生態(tài)需水研究的意義及水資源管理的角度來說，天然植被（林地）生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水主要來源于大氣降水。而人工植被等生態(tài)環(huán)境需水主要來源于地表徑流和地下水，也就是通常統(tǒng)計(jì)的水資源部分。雖然天然植被影響區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水分循環(huán)和水量平衡，但對(duì)區(qū)域水資源總量的影響較小，因此包括天然植被在內(nèi)的幾類生態(tài)系統(tǒng)水量需求可稱為廣義的生態(tài)環(huán)境需水；而不包括天然植被，依靠地表徑流或地下水資源保證生態(tài)環(huán)境需水的其他植被以及生態(tài)系統(tǒng)水量需求為狹義的生態(tài)環(huán)境需水，它直接參與水資源的分配與調(diào)控，也很容易被工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等經(jīng)濟(jì)水量所擠占。由于天然植被生態(tài)環(huán)境需水核算也可為水土保持、生態(tài)恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)的用水核算提供依據(jù)，因此本研究基于生態(tài)系統(tǒng)的完整性及核算的方便性考慮，在核算人工植被生態(tài)環(huán)境需水量的同時(shí)也核算了天然植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境需水量。

2 受水區(qū)林地生態(tài)環(huán)境需水定額的確定

2.1 計(jì)算方法的選擇和確定

關(guān)于對(duì)林地生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算目前應(yīng)用比較廣泛的是直接計(jì)算法，即林地生態(tài)環(huán)境需水定額與面積相乘，但其中最為關(guān)鍵的是不同林地類型生態(tài)環(huán)境需水定額的確定[1]。由于研究的局限，直接監(jiān)測(cè)受水區(qū)林地類型蒸散量或者灌溉用水量來確定其需水定額在實(shí)際操作中難以得到實(shí)現(xiàn)，因此本研究擬采用目前應(yīng)用最為廣泛的理論計(jì)算方法，即根據(jù)林地生態(tài)系統(tǒng)的主要水分支出項(xiàng)——潛在蒸散，同時(shí)考慮林地種類的差異，來計(jì)算不同區(qū)域林地的生態(tài)需水定額，這種方法使不同區(qū)域之間在空間上的差別通過氣候因子、土壤類型的變化得到了體現(xiàn)。當(dāng)前計(jì)算林地潛在蒸散量的方法主要有桑斯維特計(jì)算法以及彭曼-蒙特斯法，這兩種方法在干旱區(qū)林地潛在蒸散量的計(jì)算中都得到了廣泛的應(yīng)用，但極少有研究將兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而明確各自在區(qū)域的實(shí)用性。本研究試圖采用彭曼-蒙特斯模型及桑斯維特算法同時(shí)計(jì)算區(qū)域的潛在蒸散量，并互相校驗(yàn)計(jì)算的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步選取合適的計(jì)算結(jié)果。

2.2 潛在蒸散量的計(jì)算比較

2.2.1 桑斯維特（Thornthwaite）模型計(jì)算 桑斯維特法是根據(jù)美國(guó)中部干旱地區(qū)資料建立的，其特點(diǎn)是計(jì)算方便，僅需要區(qū)域多年平均氣溫資料即可，主要用于干旱半干旱地區(qū)的春、夏季節(jié)計(jì)算較為準(zhǔn)確。國(guó)內(nèi)許多干旱半干旱地區(qū)林地的生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算都采用這種方法，其模型[2]為：

ET0=k×16.2（10×T/H）A。

其中： H=■；h=（■）1.514；A=6.75×10-7H3-7.71×10-5H2+1.79×10-2H+0.49。

式中： ET0為區(qū)域月潛在蒸散量（mm）；H為熱量指數(shù)，等于12個(gè)月的和；h為月熱量指數(shù)，當(dāng)T≤0 ℃時(shí)，h=0；T為月平均氣溫（℃）；A為指數(shù)，是年熱量指數(shù)的非線性函數(shù)；k為訂正系數(shù)，根據(jù)緯度專用表來確定。通過收集研究區(qū)域氣溫資料，采用桑斯維特法計(jì)算結(jié)果見表1。分析計(jì)算結(jié)果，由于研究區(qū)域各縣區(qū)1月、2月以及12月氣溫都在0 ℃以下，土壤處于冰凍狀態(tài)，樹木生命活動(dòng)趨于停止，這段時(shí)間樹木的蒸騰作用耗水量為0，所以本研究林地生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算時(shí)段主要是3～11月份。因此表1中僅列了3～11月的蒸散值。

2.2.2 彭曼-蒙特斯（Penman-Montieth）模型計(jì)算[3] 彭曼-蒙特斯模型計(jì)算林地潛在蒸散量ET0，主要用以表示氣候?qū)χ脖恍杷康挠绊?。根?jù)1992年國(guó)際糧農(nóng)組織對(duì)參照作物需水量的重新定義，國(guó)際糧農(nóng)組織（FAO）和國(guó)際灌排委員會(huì)（ICID）等組織推薦采用的Penman-Montieth方法進(jìn)行計(jì)算參考作物需水量。ET0的計(jì)算只需氣象資料即可，所需氣象資料有氣象站地理位置（經(jīng)度、緯度、高程）、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)、2 m處風(fēng)速、多年平均降水量。

Penman-Monteith模型：

ET0=■

式中：ET0為參考作物蒸散量（mm/d）；Δ為飽和水汽壓ea與溫度曲線的斜率（kPa/℃）；Rn為作物表面的凈輻射量；G為土壤熱通量[MJ/（m2·d）]；γ為干濕表常數(shù)（kPa/℃）；T為平均日或月氣溫；u2為2 m處的平均風(fēng)速（m/s）；VPD為2 m高處水汽壓虧缺量，VPD=ea-ed，ea和ed分別為飽和、實(shí)際水汽壓。本次計(jì)算中參考作物蒸散量計(jì)算根據(jù)水科院研發(fā)的“省灌溉用水有效利用系數(shù)測(cè)算分析管理系統(tǒng)”軟件，結(jié)合Penman-Monteith模型，通過輸入?yún)^(qū)域逐日最高氣溫、日最低氣溫、日平均濕度、日照時(shí)數(shù)、2 m處風(fēng)速、日平均降雨量，可以算出區(qū)域參考作物蒸散量ET0。考慮林地植被的生長(zhǎng)規(guī)律，對(duì)比桑斯維特模型的計(jì)算結(jié)果，彭曼-蒙特斯的計(jì)算結(jié)果僅統(tǒng)計(jì)3～11月的潛在蒸散量，結(jié)果見表1。

2.2.3 潛在蒸散量的比較確定 對(duì)比表1中結(jié)果可知除彭陽(yáng)縣外各縣區(qū)兩種方法計(jì)算的潛在蒸散量有相同的變化規(guī)律，即由大到小的排列順序依次為：海原、原州、西吉，說明兩種計(jì)算結(jié)果都具有一定的合理性。但兩種方法計(jì)算結(jié)果相差較大，其中彭曼-蒙特斯的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于桑斯維特法。從表中計(jì)算結(jié)果還可以看出桑斯維特法計(jì)算結(jié)果各月份4個(gè)縣區(qū)的差異都不大，而彭曼-蒙特斯法各縣區(qū)差異較大，本研究認(rèn)為產(chǎn)生這一差異的主要原因?yàn)榕砺?蒙特斯模型是綜合了各種氣象因素以及地理位置因素得出的結(jié)果，而桑斯維特法僅考慮氣溫因素對(duì)區(qū)域潛在蒸散量的影響，這也是桑斯維特法計(jì)算結(jié)果縣區(qū)間差異不大的原因，因此彭曼-蒙特斯法計(jì)算結(jié)果更具真實(shí)可靠性，本研究采用彭曼-蒙特斯的計(jì)算結(jié)果。同時(shí)由圖1可知，氣溫最低的11月份兩種方法計(jì)算結(jié)果相差比例最大，相差比例均在85%～100%之間；其次是氣溫較低的3月份，兩者相差比例在80%左右；再次為氣溫較高的4、5月份以及10月份，相差比例在60%以下。而氣溫最高的6、7、8、9月份，兩種方法計(jì)算結(jié)果最為接近，相差比例在20%～30%之間，說明桑斯維特法用于夏季潛在蒸散量的計(jì)算結(jié)果相比其他季節(jié)更為合理。

2.3 植被生態(tài)環(huán)境需水定額的確定

通過計(jì)算林地的潛在蒸散量ET0，然后利用具體林地植被的植物需水系數(shù)Kc以及各區(qū)土壤類型修正系數(shù)Ks的修正，便可得到該植被的實(shí)際需水定額，如下式所示。

ETC=ET0×Kc×Ks

式中：ET0為計(jì)算時(shí)段內(nèi)植被的潛在蒸散量； ETC為植被實(shí)際生態(tài)環(huán)境需水定額；Kc為相應(yīng)時(shí)段植被需水系數(shù)；Ks為相應(yīng)區(qū)域的土壤修正系數(shù)。

由上式可見，在潛在蒸散量計(jì)算基礎(chǔ)上，確定實(shí)際需水定額的關(guān)鍵是確定需水系數(shù)及土壤修正系數(shù)。清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的儲(chǔ)蓓等[4]針對(duì)干旱半干旱地區(qū)林草植被的實(shí)際情況，對(duì)林草生態(tài)需水進(jìn)行了試驗(yàn)研究。認(rèn)為喬木林生態(tài)環(huán)境需水系數(shù)為0.757、灌木林生態(tài)需水系數(shù)為0.612，約為喬木林地需水系數(shù)的0.81倍；同時(shí)，何永濤等[5]在黃土高原地區(qū)森林植被生態(tài)需水研究中，以黃土高原地區(qū)常用造林樹種刺槐和油松為代表，研究了植被需水系數(shù)，確定喬木林的需水系數(shù)為0.765，同時(shí)通過多年的對(duì)比試驗(yàn)認(rèn)為灌木林的需水系數(shù)約是喬木的0.8倍。通過以上兩項(xiàng)研究成果分析可見，干旱半干旱地區(qū)植被需水系數(shù)研究結(jié)果接近，本研究取喬木林的需水系數(shù)為0.765，灌木林需水系數(shù)取其0.8倍，取值0.612，疏林地取值0.50。

考慮不同土壤類型對(duì)植被需水的影響，本研究引入土壤水分修正系數(shù)。參考何永濤等[5]結(jié)合黃土高原地區(qū)不同土壤類型的水分參數(shù)，以及林地最小生態(tài)需水定額和適宜生態(tài)需水定額的定義研究成果，確定了不同土壤類型的修正系數(shù)，如表2所示。

3 林地生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算分析

3.1 林地生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算

土地利用分布圖中將林地分為4類，即有林地、灌木林地、疏林地和其他林業(yè)用地。有林地是指郁閉度大于30%的天然林和人工林；疏林地是指郁閉度在10%～30%的稀疏林地；灌木林地是指郁閉度>40%、高度在2 m以下的矮林地和灌叢林地[6-9]。本研究中其他林地主要是指未成林地以及無(wú)立木林地。由于這4類林地在外貌和群落結(jié)構(gòu)等方面存在著差別，因此也必然會(huì)影響到其生態(tài)環(huán)境需水量上的差異，本研究分別對(duì)這幾類林地的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了計(jì)算。4類林地分類生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算結(jié)果見表3。

3.2 林地生態(tài)環(huán)境需水量與降雨資源平衡計(jì)算

有林地、疏林地、灌木林地及其他林地（無(wú)立木林地和未成林地）需水量屬于降雨消耗性生態(tài)環(huán)境用水，區(qū)域降雨量需先滿足此部分需水才形成徑流。而苗圃類林地需要人工灌溉，屬于徑流消耗性生態(tài)環(huán)境需水。本研究按照這兩種分類對(duì)林地生態(tài)環(huán)境需水進(jìn)行了分類計(jì)算，并進(jìn)行了降水資源盈虧平衡分析。結(jié)果見表3。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

由表3中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，3種類型林地面積（有林地、疏林地、灌木林地）在各縣區(qū)的分布情況為：彭陽(yáng)縣各類林地面積由大到小依次為有林地、灌木林地、疏林地；其他3縣區(qū)林地面積由大到小的順序依次為灌木林、有林地、疏林地。林地總面積由大到小排序依次為海原、彭陽(yáng)、原州、西吉。

1）各縣區(qū)降雨消耗性生態(tài)環(huán)境需水排序分析

各縣區(qū)降雨消耗性生態(tài)環(huán)境需水量最小值由大到小排序見圖2，具體值見表3。適宜值排序同最小值，由大到小依次為海原、彭陽(yáng)、原州、西吉。對(duì)比幾縣區(qū)林地面積情況可知，各縣區(qū)林地生態(tài)環(huán)境需水量排序規(guī)律與林地總面積排序規(guī)律基本一致。

2）通過降水資源平衡分析可知位于中部干旱帶的海原縣降水消耗性林地的最小和適宜生態(tài)環(huán)境需水量依靠天然降水均不能得到滿足，虧缺量分別為8 345.71萬(wàn)m3和31 618.18萬(wàn)m3；苗圃類林地需要人工配水最小和適宜狀態(tài)下分別為14.23萬(wàn)m3和44.33萬(wàn)m3。

3）位于南部山區(qū)降雨相對(duì)較豐富的彭陽(yáng)和原州區(qū)，各類林地最小生態(tài)環(huán)境需水量均能得到滿足，而適宜生態(tài)環(huán)境需水量均不能得到滿足，降雨消耗性生態(tài)需水量適宜狀態(tài)下虧缺10 210.02萬(wàn)m3和4 808.49萬(wàn)m3。苗圃類林地需人工配水。

4）位于南部山區(qū)降雨稀少的西吉縣，降雨消耗性生態(tài)需水量適宜狀態(tài)下虧缺13 989.20萬(wàn)m3，最小虧缺2 580.95萬(wàn)m3。苗圃類林地需人工配水。

研究表明，現(xiàn)狀氣候條件下位于中部干旱帶的海原不宜于大面積發(fā)展林業(yè)，為此，應(yīng)選擇耐旱、抗鹽堿的樹種在地形低平、潛水較豐富和有水源補(bǔ)給的地段進(jìn)行植樹綠化。而位于南部山區(qū)的原州、彭陽(yáng)、西吉也要合理考慮林地種植結(jié)構(gòu)。

4 小結(jié)

1）本研究對(duì)固原城鄉(xiāng)引水水源工程受水區(qū)降雨消耗性林地及人工林地生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了核算分析，對(duì)區(qū)域林地植被建設(shè)、生態(tài)恢復(fù)及水資源合理開發(fā)利用和配置提供了依據(jù)。

2）本研究首次同時(shí)采用桑斯維特模型以及彭曼-蒙特斯模型計(jì)算了受水區(qū)生態(tài)環(huán)境需水定額，并對(duì)兩種模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)，認(rèn)為彭曼-蒙特斯模型是綜合了各種氣象因素以及地理位置因素的計(jì)算方法，結(jié)果更具合理性，而桑斯維特法夏季林地潛在蒸散量的計(jì)算結(jié)果與彭曼-蒙特斯結(jié)果接近，在資料缺乏地區(qū)的夏季植被潛在蒸散量的計(jì)算可采用該法。

3）林地生態(tài)環(huán)境需水方面由于研究時(shí)間、研究條件等的限制，需水定額選用時(shí)參考干旱半干旱地區(qū)以及黃土高原地區(qū)的定額確定，缺乏具體試驗(yàn)的測(cè)定，這是今后本區(qū)域要做的工作。

4）通過對(duì)受水區(qū)林地生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行降雨資源平衡分析可知位于中部干旱帶的海原縣降水消耗性林地的最小和適宜生態(tài)環(huán)境需水量依靠天然降水均不能得到滿足；位于南部山區(qū)降雨相對(duì)較豐富的彭陽(yáng)和原州區(qū)，各類林地最小生態(tài)環(huán)境需水量均能得到滿足，而適宜生態(tài)環(huán)境需水量均不能得到滿足；位于南部山區(qū)降雨稀少的西吉縣，降雨消耗性林地的最小和適宜生態(tài)環(huán)境需水量依靠天然降水均不能得到滿足。

5）各縣區(qū)苗圃類人工林地需水依靠降雨不能得到滿足，均需人工配水。但如何根據(jù)降雨的時(shí)間分配進(jìn)行配置需要進(jìn)一步深入研究。

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（責(zé)任編輯 張 毅）

2.3 植被生態(tài)環(huán)境需水定額的確定

通過計(jì)算林地的潛在蒸散量ET0，然后利用具體林地植被的植物需水系數(shù)Kc以及各區(qū)土壤類型修正系數(shù)Ks的修正，便可得到該植被的實(shí)際需水定額，如下式所示。

ETC=ET0×Kc×Ks

式中：ET0為計(jì)算時(shí)段內(nèi)植被的潛在蒸散量； ETC為植被實(shí)際生態(tài)環(huán)境需水定額；Kc為相應(yīng)時(shí)段植被需水系數(shù)；Ks為相應(yīng)區(qū)域的土壤修正系數(shù)。

由上式可見，在潛在蒸散量計(jì)算基礎(chǔ)上，確定實(shí)際需水定額的關(guān)鍵是確定需水系數(shù)及土壤修正系數(shù)。清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的儲(chǔ)蓓等[4]針對(duì)干旱半干旱地區(qū)林草植被的實(shí)際情況，對(duì)林草生態(tài)需水進(jìn)行了試驗(yàn)研究。認(rèn)為喬木林生態(tài)環(huán)境需水系數(shù)為0.757、灌木林生態(tài)需水系數(shù)為0.612，約為喬木林地需水系數(shù)的0.81倍；同時(shí)，何永濤等[5]在黃土高原地區(qū)森林植被生態(tài)需水研究中，以黃土高原地區(qū)常用造林樹種刺槐和油松為代表，研究了植被需水系數(shù)，確定喬木林的需水系數(shù)為0.765，同時(shí)通過多年的對(duì)比試驗(yàn)認(rèn)為灌木林的需水系數(shù)約是喬木的0.8倍。通過以上兩項(xiàng)研究成果分析可見，干旱半干旱地區(qū)植被需水系數(shù)研究結(jié)果接近，本研究取喬木林的需水系數(shù)為0.765，灌木林需水系數(shù)取其0.8倍，取值0.612，疏林地取值0.50。

考慮不同土壤類型對(duì)植被需水的影響，本研究引入土壤水分修正系數(shù)。參考何永濤等[5]結(jié)合黃土高原地區(qū)不同土壤類型的水分參數(shù)，以及林地最小生態(tài)需水定額和適宜生態(tài)需水定額的定義研究成果，確定了不同土壤類型的修正系數(shù)，如表2所示。

3 林地生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算分析

3.1 林地生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算

土地利用分布圖中將林地分為4類，即有林地、灌木林地、疏林地和其他林業(yè)用地。有林地是指郁閉度大于30%的天然林和人工林；疏林地是指郁閉度在10%～30%的稀疏林地；灌木林地是指郁閉度>40%、高度在2 m以下的矮林地和灌叢林地[6-9]。本研究中其他林地主要是指未成林地以及無(wú)立木林地。由于這4類林地在外貌和群落結(jié)構(gòu)等方面存在著差別，因此也必然會(huì)影響到其生態(tài)環(huán)境需水量上的差異，本研究分別對(duì)這幾類林地的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了計(jì)算。4類林地分類生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算結(jié)果見表3。

3.2 林地生態(tài)環(huán)境需水量與降雨資源平衡計(jì)算

有林地、疏林地、灌木林地及其他林地（無(wú)立木林地和未成林地）需水量屬于降雨消耗性生態(tài)環(huán)境用水，區(qū)域降雨量需先滿足此部分需水才形成徑流。而苗圃類林地需要人工灌溉，屬于徑流消耗性生態(tài)環(huán)境需水。本研究按照這兩種分類對(duì)林地生態(tài)環(huán)境需水進(jìn)行了分類計(jì)算，并進(jìn)行了降水資源盈虧平衡分析。結(jié)果見表3。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

由表3中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，3種類型林地面積（有林地、疏林地、灌木林地）在各縣區(qū)的分布情況為：彭陽(yáng)縣各類林地面積由大到小依次為有林地、灌木林地、疏林地；其他3縣區(qū)林地面積由大到小的順序依次為灌木林、有林地、疏林地。林地總面積由大到小排序依次為海原、彭陽(yáng)、原州、西吉。

1）各縣區(qū)降雨消耗性生態(tài)環(huán)境需水排序分析

各縣區(qū)降雨消耗性生態(tài)環(huán)境需水量最小值由大到小排序見圖2，具體值見表3。適宜值排序同最小值，由大到小依次為海原、彭陽(yáng)、原州、西吉。對(duì)比幾縣區(qū)林地面積情況可知，各縣區(qū)林地生態(tài)環(huán)境需水量排序規(guī)律與林地總面積排序規(guī)律基本一致。

2）通過降水資源平衡分析可知位于中部干旱帶的海原縣降水消耗性林地的最小和適宜生態(tài)環(huán)境需水量依靠天然降水均不能得到滿足，虧缺量分別為8 345.71萬(wàn)m3和31 618.18萬(wàn)m3；苗圃類林地需要人工配水最小和適宜狀態(tài)下分別為14.23萬(wàn)m3和44.33萬(wàn)m3。

3）位于南部山區(qū)降雨相對(duì)較豐富的彭陽(yáng)和原州區(qū)，各類林地最小生態(tài)環(huán)境需水量均能得到滿足，而適宜生態(tài)環(huán)境需水量均不能得到滿足，降雨消耗性生態(tài)需水量適宜狀態(tài)下虧缺10 210.02萬(wàn)m3和4 808.49萬(wàn)m3。苗圃類林地需人工配水。

4）位于南部山區(qū)降雨稀少的西吉縣，降雨消耗性生態(tài)需水量適宜狀態(tài)下虧缺13 989.20萬(wàn)m3，最小虧缺2 580.95萬(wàn)m3。苗圃類林地需人工配水。

研究表明，現(xiàn)狀氣候條件下位于中部干旱帶的海原不宜于大面積發(fā)展林業(yè)，為此，應(yīng)選擇耐旱、抗鹽堿的樹種在地形低平、潛水較豐富和有水源補(bǔ)給的地段進(jìn)行植樹綠化。而位于南部山區(qū)的原州、彭陽(yáng)、西吉也要合理考慮林地種植結(jié)構(gòu)。

4 小結(jié)

1）本研究對(duì)固原城鄉(xiāng)引水水源工程受水區(qū)降雨消耗性林地及人工林地生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了核算分析，對(duì)區(qū)域林地植被建設(shè)、生態(tài)恢復(fù)及水資源合理開發(fā)利用和配置提供了依據(jù)。

2）本研究首次同時(shí)采用桑斯維特模型以及彭曼-蒙特斯模型計(jì)算了受水區(qū)生態(tài)環(huán)境需水定額，并對(duì)兩種模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)，認(rèn)為彭曼-蒙特斯模型是綜合了各種氣象因素以及地理位置因素的計(jì)算方法，結(jié)果更具合理性，而桑斯維特法夏季林地潛在蒸散量的計(jì)算結(jié)果與彭曼-蒙特斯結(jié)果接近，在資料缺乏地區(qū)的夏季植被潛在蒸散量的計(jì)算可采用該法。

3）林地生態(tài)環(huán)境需水方面由于研究時(shí)間、研究條件等的限制，需水定額選用時(shí)參考干旱半干旱地區(qū)以及黃土高原地區(qū)的定額確定，缺乏具體試驗(yàn)的測(cè)定，這是今后本區(qū)域要做的工作。

4）通過對(duì)受水區(qū)林地生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行降雨資源平衡分析可知位于中部干旱帶的海原縣降水消耗性林地的最小和適宜生態(tài)環(huán)境需水量依靠天然降水均不能得到滿足；位于南部山區(qū)降雨相對(duì)較豐富的彭陽(yáng)和原州區(qū)，各類林地最小生態(tài)環(huán)境需水量均能得到滿足，而適宜生態(tài)環(huán)境需水量均不能得到滿足；位于南部山區(qū)降雨稀少的西吉縣，降雨消耗性林地的最小和適宜生態(tài)環(huán)境需水量依靠天然降水均不能得到滿足。

5）各縣區(qū)苗圃類人工林地需水依靠降雨不能得到滿足，均需人工配水。但如何根據(jù)降雨的時(shí)間分配進(jìn)行配置需要進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈寶全，慈龍駿.新疆生態(tài)用水量的初步估算[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2000（2）：243-250.

[2] 鄧 潔.威海市生態(tài)用水及水資源合理配置研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2009.

[3] 孫躍強(qiáng).寧夏鹽池縣生態(tài)用水研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2007.

[4] 儲(chǔ) 蓓，尚松浩.河谷林草需水量與耗水量計(jì)算方法及其應(yīng)用[A].變化環(huán)境下的水資源響應(yīng)與可持續(xù)利用——中國(guó)水利學(xué)會(huì)水資源專業(yè)委員會(huì)2009學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].2009.479-482.

[5] 何永濤，李文華，李貴才，等.黃土高原地區(qū)森林植被生態(tài)需水研究[J].環(huán)境科學(xué)，2004，25（3）：35-39.

[6] 楊志峰，崔寶山，劉靜玲，等.生態(tài)環(huán)境需水量理論、方法與實(shí)踐[M].北京：科學(xué)出版社，2003.122-172.

[7] 郝 博，粟曉玲，馬孝義.甘肅省民勤縣天然植被生態(tài)需水研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，38（2）：158-164.

[8] 郭巧玲，楊云松，李建林，等.額濟(jì)納綠洲生態(tài)需水及其預(yù)測(cè)研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2011，5（5）：135-139.

[9] 郝 博，粟曉玲，馬孝義，等.干旱區(qū)植被生態(tài)需水的研究進(jìn)展[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)2009，20（4）：1-5.

（責(zé)任編輯 張 毅）

2.3 植被生態(tài)環(huán)境需水定額的確定

通過計(jì)算林地的潛在蒸散量ET0，然后利用具體林地植被的植物需水系數(shù)Kc以及各區(qū)土壤類型修正系數(shù)Ks的修正，便可得到該植被的實(shí)際需水定額，如下式所示。

ETC=ET0×Kc×Ks

式中：ET0為計(jì)算時(shí)段內(nèi)植被的潛在蒸散量； ETC為植被實(shí)際生態(tài)環(huán)境需水定額；Kc為相應(yīng)時(shí)段植被需水系數(shù)；Ks為相應(yīng)區(qū)域的土壤修正系數(shù)。

由上式可見，在潛在蒸散量計(jì)算基礎(chǔ)上，確定實(shí)際需水定額的關(guān)鍵是確定需水系數(shù)及土壤修正系數(shù)。清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的儲(chǔ)蓓等[4]針對(duì)干旱半干旱地區(qū)林草植被的實(shí)際情況，對(duì)林草生態(tài)需水進(jìn)行了試驗(yàn)研究。認(rèn)為喬木林生態(tài)環(huán)境需水系數(shù)為0.757、灌木林生態(tài)需水系數(shù)為0.612，約為喬木林地需水系數(shù)的0.81倍；同時(shí)，何永濤等[5]在黃土高原地區(qū)森林植被生態(tài)需水研究中，以黃土高原地區(qū)常用造林樹種刺槐和油松為代表，研究了植被需水系數(shù)，確定喬木林的需水系數(shù)為0.765，同時(shí)通過多年的對(duì)比試驗(yàn)認(rèn)為灌木林的需水系數(shù)約是喬木的0.8倍。通過以上兩項(xiàng)研究成果分析可見，干旱半干旱地區(qū)植被需水系數(shù)研究結(jié)果接近，本研究取喬木林的需水系數(shù)為0.765，灌木林需水系數(shù)取其0.8倍，取值0.612，疏林地取值0.50。

考慮不同土壤類型對(duì)植被需水的影響，本研究引入土壤水分修正系數(shù)。參考何永濤等[5]結(jié)合黃土高原地區(qū)不同土壤類型的水分參數(shù)，以及林地最小生態(tài)需水定額和適宜生態(tài)需水定額的定義研究成果，確定了不同土壤類型的修正系數(shù)，如表2所示。

3 林地生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算分析

3.1 林地生態(tài)環(huán)境需水量的計(jì)算

土地利用分布圖中將林地分為4類，即有林地、灌木林地、疏林地和其他林業(yè)用地。有林地是指郁閉度大于30%的天然林和人工林；疏林地是指郁閉度在10%～30%的稀疏林地；灌木林地是指郁閉度>40%、高度在2 m以下的矮林地和灌叢林地[6-9]。本研究中其他林地主要是指未成林地以及無(wú)立木林地。由于這4類林地在外貌和群落結(jié)構(gòu)等方面存在著差別，因此也必然會(huì)影響到其生態(tài)環(huán)境需水量上的差異，本研究分別對(duì)這幾類林地的生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了計(jì)算。4類林地分類生態(tài)環(huán)境需水量計(jì)算結(jié)果見表3。

3.2 林地生態(tài)環(huán)境需水量與降雨資源平衡計(jì)算

有林地、疏林地、灌木林地及其他林地（無(wú)立木林地和未成林地）需水量屬于降雨消耗性生態(tài)環(huán)境用水，區(qū)域降雨量需先滿足此部分需水才形成徑流。而苗圃類林地需要人工灌溉，屬于徑流消耗性生態(tài)環(huán)境需水。本研究按照這兩種分類對(duì)林地生態(tài)環(huán)境需水進(jìn)行了分類計(jì)算，并進(jìn)行了降水資源盈虧平衡分析。結(jié)果見表3。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

由表3中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，3種類型林地面積（有林地、疏林地、灌木林地）在各縣區(qū)的分布情況為：彭陽(yáng)縣各類林地面積由大到小依次為有林地、灌木林地、疏林地；其他3縣區(qū)林地面積由大到小的順序依次為灌木林、有林地、疏林地。林地總面積由大到小排序依次為海原、彭陽(yáng)、原州、西吉。

1）各縣區(qū)降雨消耗性生態(tài)環(huán)境需水排序分析

各縣區(qū)降雨消耗性生態(tài)環(huán)境需水量最小值由大到小排序見圖2，具體值見表3。適宜值排序同最小值，由大到小依次為海原、彭陽(yáng)、原州、西吉。對(duì)比幾縣區(qū)林地面積情況可知，各縣區(qū)林地生態(tài)環(huán)境需水量排序規(guī)律與林地總面積排序規(guī)律基本一致。

2）通過降水資源平衡分析可知位于中部干旱帶的海原縣降水消耗性林地的最小和適宜生態(tài)環(huán)境需水量依靠天然降水均不能得到滿足，虧缺量分別為8 345.71萬(wàn)m3和31 618.18萬(wàn)m3；苗圃類林地需要人工配水最小和適宜狀態(tài)下分別為14.23萬(wàn)m3和44.33萬(wàn)m3。

3）位于南部山區(qū)降雨相對(duì)較豐富的彭陽(yáng)和原州區(qū)，各類林地最小生態(tài)環(huán)境需水量均能得到滿足，而適宜生態(tài)環(huán)境需水量均不能得到滿足，降雨消耗性生態(tài)需水量適宜狀態(tài)下虧缺10 210.02萬(wàn)m3和4 808.49萬(wàn)m3。苗圃類林地需人工配水。

4）位于南部山區(qū)降雨稀少的西吉縣，降雨消耗性生態(tài)需水量適宜狀態(tài)下虧缺13 989.20萬(wàn)m3，最小虧缺2 580.95萬(wàn)m3。苗圃類林地需人工配水。

研究表明，現(xiàn)狀氣候條件下位于中部干旱帶的海原不宜于大面積發(fā)展林業(yè)，為此，應(yīng)選擇耐旱、抗鹽堿的樹種在地形低平、潛水較豐富和有水源補(bǔ)給的地段進(jìn)行植樹綠化。而位于南部山區(qū)的原州、彭陽(yáng)、西吉也要合理考慮林地種植結(jié)構(gòu)。

4 小結(jié)

1）本研究對(duì)固原城鄉(xiāng)引水水源工程受水區(qū)降雨消耗性林地及人工林地生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行了核算分析，對(duì)區(qū)域林地植被建設(shè)、生態(tài)恢復(fù)及水資源合理開發(fā)利用和配置提供了依據(jù)。

2）本研究首次同時(shí)采用桑斯維特模型以及彭曼-蒙特斯模型計(jì)算了受水區(qū)生態(tài)環(huán)境需水定額，并對(duì)兩種模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)，認(rèn)為彭曼-蒙特斯模型是綜合了各種氣象因素以及地理位置因素的計(jì)算方法，結(jié)果更具合理性，而桑斯維特法夏季林地潛在蒸散量的計(jì)算結(jié)果與彭曼-蒙特斯結(jié)果接近，在資料缺乏地區(qū)的夏季植被潛在蒸散量的計(jì)算可采用該法。

3）林地生態(tài)環(huán)境需水方面由于研究時(shí)間、研究條件等的限制，需水定額選用時(shí)參考干旱半干旱地區(qū)以及黃土高原地區(qū)的定額確定，缺乏具體試驗(yàn)的測(cè)定，這是今后本區(qū)域要做的工作。

4）通過對(duì)受水區(qū)林地生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行降雨資源平衡分析可知位于中部干旱帶的海原縣降水消耗性林地的最小和適宜生態(tài)環(huán)境需水量依靠天然降水均不能得到滿足；位于南部山區(qū)降雨相對(duì)較豐富的彭陽(yáng)和原州區(qū)，各類林地最小生態(tài)環(huán)境需水量均能得到滿足，而適宜生態(tài)環(huán)境需水量均不能得到滿足；位于南部山區(qū)降雨稀少的西吉縣，降雨消耗性林地的最小和適宜生態(tài)環(huán)境需水量依靠天然降水均不能得到滿足。

5）各縣區(qū)苗圃類人工林地需水依靠降雨不能得到滿足，均需人工配水。但如何根據(jù)降雨的時(shí)間分配進(jìn)行配置需要進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

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[5] 何永濤，李文華，李貴才，等.黃土高原地區(qū)森林植被生態(tài)需水研究[J].環(huán)境科學(xué)，2004，25（3）：35-39.

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[7] 郝 博，粟曉玲，馬孝義.甘肅省民勤縣天然植被生態(tài)需水研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，38（2）：158-164.

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[9] 郝 博，粟曉玲，馬孝義，等.干旱區(qū)植被生態(tài)需水的研究進(jìn)展[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)2009，20（4）：1-5.

（責(zé)任編輯 張 毅）