内陆干旱区河谷林生态需水研究

叶 睿，尚松浩，陈根发，秦大庸

（1.中国水利水电科学研究院 水资源研究所，北京 100038；2.清华大学 水利水电工程系，北京 100084）

1 研究背景

占陆地面积约1/3的干旱地区主要分布在南北回归线及北半球纬度30°～40°之间，涉及全球20多个国家，是陆地生态系统的重要组成部分，对区域乃至全球气候变化和生态功能的维持具有重要作用。中国的干旱区在广义上既包括分布在35°N以北、106°E以西的广大内陆河流域，也包括分布在北方农牧交错带降水量介于300～400mm之间的半干旱地区。如在贺兰山-乌鞘岭以西的我国西北内陆干旱区，其面积210多万km2，约占全国陆地面积的22%，而水资源总量仅占全国的4.27%。

全球和区域尺度的气候变暖已引起了干旱区许多水文过程变化，气候变暖加上频繁的人类活动也诱发了干旱区的环境退化，其中生态系统退化是干旱区的普遍性问题，主要以土地荒漠化为标志［1］。虽然具体区域的变化速率和强度尚未完全定论，但已经确定土壤侵蚀的峰值出现在降水量300～500mm的地区［2］。气候变暖已经引起了中国干旱区水文过程的根本性变化，例如塔里木河和黑河等内陆河的断流及流域生态环境的恶化，直接威胁着内陆干旱区经济社会可持续发展的生态基础。

中国干旱区具有明显的特点，即高山冰川、森林草原到平原绿洲和戈壁荒漠构成了一个干旱区复合生态系统，生态系统要素之间相互依存、相互制约，水资源是维持该复合生态系统的纽带。此外，人类活动引起的荒漠化和绿洲化同时发生。因此，中国干旱区生态水文过程具有特殊复杂性，干旱区植被生态需水分析是干旱区生态环境保护和恢复重建中必须面对的基础科学问题。贾宝全等［3］计算了新疆的生态用水，把绿洲生态用水分为人工绿洲生态用水、荒漠河谷林生态用水、河谷林生态用水、低平地草甸生态用水、城市生态用水、河湖生态用水、荒漠植被生态用水等七大类，每类之下又划分了若干小类。王让会等［4］研究了塔里木河“四源一干”的生态需水量，估算得塔河流域、叶尔羌河流域、和田河流域及开都河—孔雀河流域4源流区的生态需水量分别为16.18亿m3，14.796亿m3，7.985 3亿m3及10.499 8亿m3，干流区在2005年、2010年及2030年3个目标年的生态需水量分别为31.859亿m3，36.272 3亿m3及41.035 5亿m3。水资源是塔里木河下游绿色走廊在极端干旱荒漠生态系统中维持稳定的重要因子，为使其充分发挥生态功能，还需期待绿色走廊的生态植被复苏和扩展［5］。但总体而言，中国干旱区生态需水研究的积累十分薄弱，在我国深入开展干旱区生态需水分析研究具有重要的理论和现实意义。本文对干旱区河谷林需水概况进行了调研分析，并以中国干旱区河谷林为例进行了生态需水实例分析，计算结果为流域生态保护与水资源合理配置提供了重要的基础数据。

2 材料与方法

2.1 研究区域概况下面以新疆阿尔泰山前平原河谷林为例，进行布尔津河出山口以下河段河谷林草生态需水分析。

新疆阿尔泰山前平原河谷林是孕育于额尔齐斯河和乌伦古河的河漫滩森林，是阿尔泰山前荒漠草原和荒漠区域内一条绿色的长廊。

额河和乌河流域年均温2～3℃，1月均温-20℃左右，7月均温20～22℃，年降水140～160mm，乌河年径流量12亿m3，额河年径流量38亿m3，土壤沙化、盐渍化严重，含盐量高。地下水位1～3m。109种植物中中生、湿中生59种，旱中生26种，旱生15种。

阿尔泰山前平原河谷林有高等植物109种，类属于80属27科。这些种可分为12个种组，9个属中生、湿中生，2个属早生，1个属旱中生类型。河谷林中北温带成份占30.3%，旧大陆温带成份20.2%，世界广布成份占19.3%，中亚成份占16.5%，其它成份较少。多年生草本是河答林的主要生活型，占48.6%，其它依次为灌木、一年生草本、乔木和水生植物。

额尔齐斯河干流两岸河漫滩及低阶地上分布着由乔木和灌木林组成的河谷林，河段内林草共生，河谷草地是阿勒泰市牧业上重要的冬草场和打草场，对于阿勒泰市牧业发展具有重要意义。

布尔津河出山口以下河段漫滩发育，有两条带状次生林向额河方向延伸，河谷植被类型丰富、层次分明，河谷林草沿河分布长42km，宽0.5～2.3km，2006年布尔津河出山口以下各类林、草面积统计情况见表1，4—10月多年平均蒸发量和降水量见表2。

表1 布尔津河出山口以下河段河谷林2006年各类林地面积统计表 （单位：hm2）

表2 布尔津河出山口以下河段4—10月多年平均蒸发量和降水量 （单位：mm）

2.2 干旱区河谷林需水研究方法参考作物蒸发蒸腾量是国际通用的评价水资源和计算作物需水量的基础，也是制定水法和国际河流水资源分配的依据。联合国粮农组织（FAO）主要推荐的修正Pen⁃man（MP）、Penman-Motheith（PM）公式是计算参考作物蒸发蒸腾量的基本方法。本文干旱区河谷林生态需水量的计算采用FAO灌溉排水丛书第56分册推荐的参考作物法。河谷林需水定额根据参考作物腾发量和各类林、草的需水系数来计算。具体步骤如下：

（1）参考作物腾发量。根据有关研究成果［6］，参考作物腾发量ET0与Φ20cm蒸发皿蒸发量E20具有很好的线性关系，即ET0=K0E20。式中K0为蒸发皿系数，随月份的不同而有所变化，但变化不大。

（2）河谷林需水系数。与农田耗水相比较，林草生态需水的研究还比较薄弱。考虑林草的生长状况，参考《美国国家灌溉工程手册》［7］及有关研究成果［8］，拟定研究区内各种林、草的需水系数Kit。

（3）生态需水定额。根据以上参考作物腾发量ET0和林草需水系数Kit，可按ETit=KitET0式计算出河谷林各月需水定额ETit。

另外，考虑到冬季（11—次年3月）地面也多为积雪所覆盖，植物生长明显减缓，同时大气蒸发能力较小，少量的蒸发耗水主要来自于积雪，因此不考虑冬季的生态需水。

本文河谷林生态需水量是指有效降水量之外由河水和地下水提供给河谷林的水量，因此在河谷林需水定额中需要扣除有效降水量得到净需水定额。根据研究区多年平均月降水量，考虑降水对河谷林生长的有效性，确定各月有效降水量Pet。然后根据下式计算研究区及各子区的生态需水过程Wt：

式中：Ai为第i种河谷林的面积。

由研究区及各子区的生态需水过程，可计算得知研究区内各月份河谷林生态需水量，及研究区内河谷林生态需水总量。

3 旱区河谷林需水概况

3.1 干旱区河谷林分布格局植被与其所处的生物气候带高度耦合。植被的大小、盖度和多样性与降水水文过程高度相关。当降水量不足400mm时，乔木就不能生长；120mm等雨量线是草原和荒漠植被的界限；70mm等雨量线是盖度不足10%的稀疏矮小灌木散生植被和低洼积水地段生长的集聚植被的分界线［9-10］。

干旱区的气候、土壤和植物群落具有特殊性。如少而且变异很大的降水量决定了水文和生态条件的高度变化［11］，因而植被也存在明显的斑块格局，这种格局与降水量（P）和潜在蒸发量（Ep）的比值高度吻合。从P/Ep＞1到P/Ep＜0.3的地区，植被由连续覆盖的森林和草原向不连续的斑块状格局过渡。

干旱区河谷林的分布格局受降水量，潜在蒸发量和河谷分布等因素的综合影响，具有干旱区植被典型的斑块格局的同时，还具有明显的与河谷分布相符的地带性分布特征。

3.2 干旱区河谷林生态系统维持的水分来源组成干旱区生态系统的植物，特别是非地带性中旱生植物，吸收的水分除来源于降水外，还可能来源于地表水、土壤水和地下水。对于降雨丰沛的山区河谷林，生态要素的耗水主要来自降雨。山前平原区河谷林除受少量降雨补给外，主要消耗的是出山口径流量。而盆地河谷林主要依赖河川径流及其入渗补给的地下水。20世纪70年代同位素技术被广泛应用于生态学和水文学研究领域，并迅速成为该领域研究的有效手段之一。

环境同位素技术在确定植物水分来源和利用方面得到了广泛的应用［12-14］。应用稳定氧氢同位素技术对澳大利亚河岸桉树生长季节蒸腾的水分来源的研究表明，桉树蒸腾消耗的水分来自地下水、降水转化的土壤水和河流的地表水［15-17］。在加里福尼亚山区常年河沿岸，树木生长季节早期蒸腾的水分主要来源于土壤，而在大部分土壤干燥季节则来自地下水［18］。在亚利桑那西部的常年和季节性河流沿岸，弗里芒氏杨和古丁氏柳在生长季节蒸腾的水分均来自地下水［19］。上述研究说明，干旱区植物吸收的水分来源因植物种和时间的不同而不同。

3.3 干旱区河谷林生态需水及研究水在河谷林生态系统中起至关重要的作用。河谷林的水分来源包括降雨、地表径流、地下水潜水蒸发等。干旱地区降水集中在山区，径流性水资源是河谷林的生命源泉。

根据补给来源，生态需水可以分为降水性生态需水和径流性生态需水。在降雨形成径流以及径流运动过程中，地带性植被所在的天然生态系统完全消耗降水量，非地带性植被所在的天然生态系统消耗径流量为主、降水为补充，处于地带性与非地带性的交错过渡带以消耗降水为主、径流为补充。山区是降水性生态需水，山区形成的径流几乎是平原地区水资源的唯一来源，是水资源利用的核心。

对干旱区河谷林生态需水的计算，应以流域为单元，进行水资源平衡分析。在生态需水分析计算，将生态需水量与生态系统可能实际利用的水资源量进行平衡分析，类似于供需平衡分析。

3.4 干旱区河谷林生态需水现状自中更新世以后，西北生态环境的干旱特征就成为这一地质时期以来的总趋势，荒漠化是其最主要的地理过程，并从环境条件和生态背景两方面主宰着干旱区的生态进程［20］。全西北干旱区平原总生态需水量579亿m3，包括降水和径流两部分组成。现状生态条件下，过渡带、绿洲生态径流性生态需水380亿m3，其中天然生态329亿m3，人工生态51亿m3。以新疆的生态需水最多，尤其是南疆生态需水规模较大。在现状经济用水水平和管理条件下，内陆河区共有809亿m3的径流性水资源可用于经济或生态。直接留给天然生态的水量有302亿m3，加上回归水的间接支持，可供生态系统消耗的水资源达428亿m3。

从生态需水的角度看，西北干旱区盆地生态系统的需水基本上能得到满足。但各地程度有较大差别。分析表明，全西北干旱区盆地现状社会经济发展水平下，基本上能满足现状生态系统的耗水需求。现状总生态耗水377亿m3，其中人工生态耗水51亿m3，天然生态耗水326亿m3。水资源利用率最高的黑河、石羊河两流域，现状生态需水得不到满足，会引起生态退化，共有生态缺水311亿m3。

对干旱区河谷林的生态需水量的研究，我国仍处于资料积累的起步阶段。干旱区生态系统脆弱，水分条件是限制生态系统生长的主要因素。由于降雨稀少，与河流水位密切相关的地下水是河谷区林草的主要水分来源［21］。尚松浩等［8］对新疆额尔齐斯河635水库至布尔津河段河谷林草进行了生态需水分析，结果表明河谷林草生态需水量4.54亿m3，其中6、7月份需水量较大，月需水量均达到全年的23%左右。这些结果为河谷林草供水方式分析及水库水量调度提供了基础数据。

4 计算与分析

由FAO灌溉排水丛书推荐的参考作物法，进行布尔津河出山口以下河谷林草生态需水分析。经计算可得：

（1）参考作物腾发量。根据新疆类似地区的研究成果，取K0=0.56。根据研究区附近阿勒泰、福海、布尔津3站的平均蒸发皿蒸发量，乘以蒸发皿系数后可得到各月的参考作物腾发量（表3）。可以看出，4—10月参考作物腾发量约为856.24mm，其中6月最大，达到163.24mm。

（2）林草需水系数。研究区内各种林、草的需水系数Kit拟定值，见表4。

（3）生态需水定额。河谷林各月需水定额ETit，结果见表5。

表3 布尔津河出山口以下河段4—10月多年平均蒸发量和参考作物腾发量 （单位：mm）

表4 布尔津河出山口以下河段河谷林需水系数

根据研究区多年平均月降水量，各月有效降水量Pet见表6。根据前文中计算Wt的公式计算研究区及各子区的生态需水过程，计算结果见表7。

根据FAO推荐的作物需水量计算方法及研究区的气象资料、林草分布，计算表明整个研究区河谷林生态需水量为0.8亿m3。从生态需水过程来看，6—7月需水量较大，月需水量均约为全年的25%。4—10月生态需水量所占的比例分别为8.3%、17.7%、24.2%、25.2%、16.5%、7.5%、1.7%。

表5 布尔津河出山口以下河段河谷林生态需水定额 （单位：mm）

表6 布尔津河出山口以下河段4—10月多年平均降水量和有效降水量 （单位：mm）

表7 布尔津河出山口以下河段河谷林生态需水量 （单位：万m3）

5 结论

干旱区河谷林生态需水分析是和生态学与水文学都密切相关的交叉学科的课题，也是解决西北干旱区相关工程实践问题的理论基础。

干旱区植被与其所处的生物气候带高度耦合，具有明显的斑块格局。植物吸收的水分来源因植物种和时间的不同而不同。干旱区植物吸收的水分来源因植物种和时间的不同而不同；地带性植被所在的天然生态系统完全消耗降水量；非地带性植被消耗径流量为主，与地下水位关系密切。我国全西北干旱区平原总生态需水量579亿m3，直接留给天然生态的水量有302亿m3，可供生态系统消耗的水资源为428亿m3。

本文以新疆阿尔泰山前平原河谷林为例研究中国干旱区河谷林需水情况，估算了布尔津河出山口以下河段河谷林生态需水过程。计算结果表明：整个研究区河谷林生态需水量为0.8亿m3，6—7月需水量较大，月需水量均约为全年的25%。这些成果可为流域生态保护与水资源合理配置提供重要的基础数据。

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