李金燕，張維江

（1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川750021）

在干旱和半干旱地區(qū)，降水量遠(yuǎn)低于蒸發(fā)量，植被稀疏，生態(tài)脆弱，是水資源和生態(tài)環(huán)境最為敏感的區(qū)域，輕度人類(lèi)活動(dòng)就有可能引發(fā)土地退化和沙漠化。中國(guó)西部干旱區(qū)，以其深居內(nèi)陸的地理位置，干旱的大陸性氣候，山盆相間的地貌格局，荒漠性的土壤植被特征，在中國(guó)干旱區(qū)研究中具有一定的典型性與代表性。如何處理好西部干旱區(qū)水資源開(kāi)發(fā)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的關(guān)系直接影響區(qū)域乃至國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，開(kāi)展區(qū)域，尤其是西北干旱地區(qū)生環(huán)境需水量研究，就顯得十分重要。本研究選取寧夏中南部干旱區(qū)域8縣區(qū)，即南部山區(qū)的涇源、隆德、原州、西吉、彭陽(yáng)縣以及中部干旱帶的典型縣區(qū)海原、同心、鹽池縣，以各縣土地利用、植被分布、水資源狀況等為背景材料，開(kāi)展林草植被生態(tài)需水狀況研究，以期為該地區(qū)林草植被規(guī)劃建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 寧夏中南部干旱區(qū)域林草植被生態(tài)需水量范圍的界定

從生態(tài)需水研究的意義及水資源管理的角度來(lái)說(shuō)，天然植被生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水主要來(lái)源于大氣降水，少數(shù)由地下水和地表徑流補(bǔ)充；而人工植被等生態(tài)需水主要來(lái)源于地表徑流和地下水。大氣降水首先被天然植被利用，后形成地表徑流，才能被人類(lèi)管理利用，滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)水量和生態(tài)水量需求，從這個(gè)角度講，包括天然植被在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)水量需求可稱(chēng)為廣義的生態(tài)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)需水的其它生態(tài)系統(tǒng)水量需求為狹義的生態(tài)需水，它直接參與水資源的分配與調(diào)控，也是很容易被工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等社會(huì)經(jīng)濟(jì)水量所擠占。因此，從生態(tài)需水研究的意義來(lái)說(shuō)，狹義的生態(tài)需水是水資源學(xué)研究和關(guān)注的重點(diǎn)。本研究基于生態(tài)系統(tǒng)的完整性及核算的方便性考慮，同時(shí)考慮天然植被生態(tài)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)，在核算人工林草植被生態(tài)需水量的同時(shí)也核算了天然林草植被生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)需水量，并分類(lèi)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，為區(qū)域植被生態(tài)環(huán)境建設(shè)及水資源配置奠定基礎(chǔ)［1－2］。

2 林草植被生態(tài)需水定額的確定與計(jì)算

2.1 植被潛在蒸散量的計(jì)算

當(dāng)前計(jì)算植被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［3］。參考研究者［4－5］對(duì)兩種方法的比較結(jié)果認(rèn)為彭曼—蒙特斯法用于計(jì)算潛在蒸散量是綜合考慮了各類(lèi)氣象因素，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，因此采用彭曼蒙特斯模型的計(jì)算結(jié)果作為本次潛在蒸散量的計(jì)算依據(jù)。根據(jù)1992年FAO對(duì)參照作物需水量的重新定義，F(xiàn)AO和國(guó)際灌排委員會(huì)（ICID）等組織推薦采用的彭曼蒙特斯方法進(jìn)行計(jì)算植被潛在蒸散量。彭曼蒙特斯模型：

式中：ET0——參考作物蒸散量（mm／d）；Δ——飽和水汽壓ea與溫度曲線(xiàn)的斜率（kPa／℃）；Rn——作物表面的凈輻射量；G——土壤熱通量〔MJ／（m2·d）〕；g——干濕表常數(shù)（kPa／℃）；T——平均日或月氣溫（℃）；u2——2m處的平均風(fēng)速（m／s）；VPD——2m高處水汽壓虧缺量，VPD＝ea－ed；ea和ed——飽和、實(shí)際水汽壓。

本次計(jì)算中植被潛在蒸散量計(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)合彭曼蒙特斯模型，只需要輸入?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)、2m處風(fēng)速、日平均降雨量，可以算出植被蒸散量ET0。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1。參閱文獻(xiàn)并通過(guò)實(shí)地調(diào)研，在黃土高原地區(qū)，植被的耗水時(shí)段主要集中在生長(zhǎng)季節(jié)，即每年的3—10月份。因此，在計(jì)算黃土高原地區(qū)林地的生態(tài)需水量時(shí)，以其生長(zhǎng)季3—10月為生態(tài)需水量的計(jì)算時(shí)段，表1中統(tǒng)計(jì)的全年潛在蒸散量即為3—10月份潛在蒸散量。

表1 研究區(qū)各縣區(qū)氣象參數(shù)統(tǒng)計(jì)及全年潛在蒸散量計(jì)算

2.2 植被生態(tài)需水定額的確定

通過(guò)計(jì)算林草植被的潛在蒸散量ET0，利用不同林地植被的植物需水系數(shù)Kc以及土壤類(lèi)型修正系數(shù)Ks的修正，便可得到該植被的實(shí)際蒸散量即實(shí)際生態(tài)需水定額，計(jì)算公式為：

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

由實(shí)際生態(tài)需水定額計(jì)算公式可知，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)。儲(chǔ)蓓，尚松浩［6］等針對(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)行了實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，喬木林（即下文提到的有林地）生態(tài)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，草地生態(tài)需水系數(shù)為0.661，約為喬木林地的0.85倍。同時(shí)，何永濤、李文華［7］等在黃土高原地區(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(shù)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(guò)多年的對(duì)比試驗(yàn)認(rèn)為灌木木林的需水系數(shù)是喬木的0.8倍左右。綜合以上兩項(xiàng)研究成果，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；草地需水系數(shù)取喬木林的0.85倍，取值0.65。

考慮不同土壤類(lèi)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，李文華結(jié)合黃土高原地區(qū)不同土壤類(lèi)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(lèi)型的修正系數(shù)（表2）。本研究通過(guò)實(shí)地調(diào)研寧夏中南部干旱區(qū)域各縣區(qū)土壤類(lèi)型并取合適的土壤水分修正系數(shù)。

表2 不同土壤類(lèi)型水分修正參數(shù)［7］

3 植被生態(tài)需水量的計(jì)算

3.1 林地生態(tài)需水量計(jì)算確定

土地利用分布圖中將林地分為4類(lèi)，即有林地、灌木林地、疏林地和其它林業(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2m以下的矮林地和灌叢林地［8－11］。本研究中其它林地主要是指未成林地以及無(wú)立木林地。由于這4類(lèi)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)需水量上的差異，需分別對(duì)這幾類(lèi)林地以及人工林地——苗圃類(lèi)林地的生態(tài)需水量進(jìn)行計(jì)算。各類(lèi)林地生態(tài)需水定額依據(jù)表1所列區(qū)域植被潛在蒸散量以及上面確定的植被需水系數(shù)和土壤水分修正系數(shù)確定。由于篇幅所限，本研究將消耗天然降水滿(mǎn)足生態(tài)需水的有林地、疏林地、灌木林地及其它林地統(tǒng)一稱(chēng)為天然降水供給林地以及需人工補(bǔ)充灌溉的人工苗圃林地，分2類(lèi)列出生態(tài)需水量（表3）。

3.2 草地生態(tài)需水量計(jì)算確定

本研究中草地類(lèi)型主要有2大類(lèi)，分別為人工草地和天然草地，其中天然草地又分為一年生草地和多年生草地。

根據(jù)實(shí)地調(diào)研，天然草地和多年生人工草地不需要灌溉，依靠天然降水滿(mǎn)足用水需求，而一年生草地則需要人工灌溉，本研究分別對(duì)這幾類(lèi)草地的生態(tài)需水量進(jìn)行了計(jì)算，天然草地同林地以其生長(zhǎng)季3—10月份為生態(tài)需水量的計(jì)算時(shí)段，而人工草地以其生長(zhǎng)季4—9月份作為計(jì)算時(shí)段。幾類(lèi)草地分類(lèi)生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4。

表3 各縣區(qū)林地生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果

表4 各縣區(qū)草地生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果

4 植被生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果分析

4.1 天然降水供給植被生態(tài)需水與降水資源平衡分析

從研究區(qū)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀需水量及配置來(lái)看，設(shè)定兩種情形來(lái)討論缺水問(wèn)題，即最小需水量與降水資源所計(jì)算的缺水量；適宜需水量與降水資源所計(jì)算的缺水量。天然降水供給林地降水資源平衡結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：（1）位于南部山區(qū)、年均降雨量在350～550mm之間涇原和隆德縣各類(lèi)林地最小和適宜生態(tài)需水量均能依靠降水得到滿(mǎn)足。兩縣區(qū)最小生態(tài)需水量富裕量分別為5.83×107m3和8.25×107m3；適宜生態(tài)需水量的富裕量分別為1.32×106m3和5.67×107m3，位于該區(qū)域的林地植被生長(zhǎng)狀況良好。（2）位于南部山區(qū)、年均降雨量在350mm左右的彭陽(yáng)縣和原州區(qū)各類(lèi)林地降水能夠滿(mǎn)足最小生態(tài)需水量的需求，而適宜生態(tài)需水量均不能得到滿(mǎn)足，降雨消耗性生態(tài)需水量適宜狀態(tài)下虧缺1.01×108m3和4.21×107m3。（3）年均降雨量在175～280mm之間，位于中部干旱帶的海原、鹽池和同心縣以及南部山區(qū)的西吉縣各類(lèi)林地的最小和適宜生態(tài)需水量均不能得到滿(mǎn)足。

圖1 天然降水供給林地生態(tài)需水降水資源平衡分析

圖2為天然降水供給草地生態(tài)需水與降水平衡分析圖，對(duì)比圖2和圖1可知草地降水資源平衡結(jié)果與林地呈現(xiàn)了相同的分布規(guī)律。綜上所述，現(xiàn)狀氣候條件下位于中部干旱帶的海原、同心、鹽池縣以及中部干旱帶的西吉縣，降雨消耗性林地生態(tài)需水量均處于虧缺狀況，不宜于大面積發(fā)展植被，為此，應(yīng)選擇耐旱，抗鹽堿的樹(shù)種在地形低平，潛水較豐富和有水源補(bǔ)給的地段進(jìn)行種植綠化。而位于南部山區(qū)的原州、彭陽(yáng)也要合理考慮林地種植結(jié)構(gòu)。

圖2 天然降水供給草地生態(tài)需水降水資源平衡分析

4.2 人工補(bǔ)充灌溉植被與降水資源平衡分析

考慮到人工林地和一年生草地盡管需要人工灌溉，但不能忽略降雨對(duì)其需水量的補(bǔ)充，因此本研究認(rèn)為人工林地和一年生草地生態(tài)需水量是扣除年降雨量補(bǔ)充后所虧欠的水量，因此將人工補(bǔ)充灌溉林地與草地也做了為降水資源平衡分析。根據(jù)圖3，對(duì)于人工補(bǔ)充灌溉林地及草地從年均降雨量平衡結(jié)果來(lái)看，涇原、隆德和彭陽(yáng)縣最小及適宜狀態(tài)均不需要人工配水。而其它各縣區(qū)的最小需水狀態(tài)下，草地不需人工配水、苗圃類(lèi)林地需要人工配置；適宜狀態(tài)下草地和林地均需人工配水。以上分析只是從年均狀況進(jìn)行了較為粗略的分析，而逐月的平衡狀況需要更進(jìn)一步的研究。

圖3 人工補(bǔ)充灌溉植被植被生態(tài)需水降水資源平衡分析

5 結(jié)論

生態(tài)需水是水資源研究中的一個(gè)新領(lǐng)域，本研究首先對(duì)研究區(qū)域要計(jì)算的植被生態(tài)需水進(jìn)行了較明確縣地界定，給出了植被生態(tài)需水量的計(jì)算方法及過(guò)程。依據(jù)不同林地類(lèi)型及草地類(lèi)型生態(tài)需水的差異，分別對(duì)各類(lèi)林地及草地的生態(tài)需水進(jìn)行了計(jì)算，最后從天然降水供給及人工補(bǔ)充灌溉植被需水分類(lèi)角度對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，研究結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)區(qū)域植被生態(tài)恢復(fù)與建設(shè)以及水資源配置具有宏觀(guān)上的指導(dǎo)意義。研究中仍存在很多缺陷與不足，還有待于進(jìn)一步深化。

［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)，2000，20（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］李金燕，張維江.寧夏固原城鄉(xiāng)飲水水源工程受水區(qū)林地生態(tài)需水量研究［J］.湖北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，53（1）：63－67.

［5］李金燕，張維江.寧夏固原地區(qū)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量研究 ［J］.人民黃河，2014，36（1）：57－60.

［6］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［C］∥變化環(huán)境下的水資源響應(yīng)與可持續(xù)利用.遼寧 大連：中國(guó)水利學(xué)會(huì) 水資源專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2009學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.

［7］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.

［8］楊志峰，崔寶山，劉靜玲，等.生態(tài)需水量理論、方法與實(shí)踐［M］.北京：科學(xué)出版社，2003：122－72.

［9］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）：243－250.

［10］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.

［11］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）135－139.