区域植被水分适宜性研究：基于中国西南季节性旱灾的评述

黄新会，李小英，穆兴民，袁 华，梁启斌，姚 平，于福科

自2010年以来，中国西南地区频发的季节性旱灾，不仅给灾区社会经济和群众生活造成严重影响，而且留给人们无尽的思考与启发，已成为学术界广泛关注和不懈探索的重大科学命题［1－2］。尤其是2010年在云南、贵州、广西、重庆、四川5省（区、市）发生的历史罕见，跨季节，持续性特大旱灾震撼华夏，惊动世界。在旱灾发生、发展期间，乃至旱灾结束以后，针对旱灾成因的讨论和争议从未间断，其中，关于旱灾是“天灾”还是“人祸”的争论尤为激烈。在“人祸”论中，有学者指出：桉树（Eucalyptus spp.）、橡胶树（Hevea spp.）的种植是导致旱灾的“罪魁祸首”［3－4］。实际上，此前已有学者［5－8］认识到桉树、橡胶树种植对生态环境的一些不良影响，也早有桉树、橡胶树是“抽水机”等观点盛传。然而，这些观点更多的是一些专家、学者的感性认识或个人见解，尚且缺乏实验验证和统计数据的广泛支持［9］。分析桉树和橡胶树，二者均为速生性经济树种，都具有水分需求量大的生物学特点。因此，人们迫切需要回答这样一个科学问题：具有高耗水特性的桉树、橡胶树，其在种植区的水分适宜性如何，进一步讲，其人工林的生态需水是否适应于区域降水条件（或能否打破区域生态用水的供需平衡）进而导致区域旱灾。换言之，区域降水条件是否满足桉树、橡胶人工林的生态需水（或能否维持区域水分收支平衡）从而规避旱灾。鉴于近年中国西南地区频发的季节性旱灾中蕴藏的重要科学问题，并结合该地区生态环境可持续发展的战略考量与科技需求，本文主要探讨该区域植被水分适宜性，重点分析其研究现状与发展趋势，并提出研究建议与主攻方向，以期为未来的植被水分适宜性研究提供指导。

植被水分适宜性研究是以植被生态需水为基础评价植被生长环境的主要手段。植被生态需水为自然界或人工生态系统的重要需水类型，指为维持植被正常生长或维持植被生态系统健康所需要的水量［10］，是水分适宜性研究的前提和基础，也是生态需水研究的重要内容。

1 植被（植物）水分适宜性研究概述

水分适宜性是从环境适宜性或气候适宜性［11］研究中衍生出来的一个专业名词。其主要表征植被（植物）对环境水分条件的适宜程度，同时也反映环境水分条件对植被（植物）生态需水的满足程度［12］。在国内，水分适宜性研究可追溯到20世纪80年代我国旱作区作物的水分利用研究和生长环境评价。粗略估计，我国对植被（植物）的水分适宜性研究已有大约30a的发展历程。这期间，我国学者针对旱作区作物的水分适宜性开展了一些研究。如姚小英等［12］、杨小利等［13］分别指出陇东地区种植玉米、苹果的水分条件比较优越，年均水分适宜度均在0.5以上；蒲金涌等［14］的研究显示，1971—2008年甘肃省河东地区夏秋作物水分适宜度均较低；杨东等［15］研究发现，在陇南地区不适宜种植棉花，适宜种植大豆、玉米、小麦，但种植小麦需在其生长中后期进行适量的人工灌溉补水等［16－19］。可是，此类研究成果并不多见。检索结果表明，自1990年至今，国内专业学术刊物发表的以水分适宜性（包括水分适应性）为主题的研究论文不足50篇，国外针对水分适宜性（包括水分适应性）的研究论文更为罕见。因此，从整体发展看，水分适宜性研究一直处于“徘徊”状态，其仍然属于植物水分利用和抗旱生理研究的一个方向，而没有发展成为一个独立研究领域。进一步分析现有的研究成果发现，目前水分适宜性研究的对象、范围、方法等均比较单一。以国内为例，水分适宜性研究目前仅涉及甘肃、陕西、宁夏、山西等地区的主栽作物（如小麦、玉米 ）［12，14－15］及 少 数 经 济 林 物 种 （如 苹 果、杏、桃）［13，16－17］等，研究方 法局限于模型计算，即根据大气降水量和植物生理需水量的大小关系选择相应的数学公式计 算 水 分 适 宜 度［12－14，16－17］或 采 用 模 糊 数 学方法构建水分适宜度隶属函数进而计算函数值［15，18－19］（表1）。表明近30a世界范围内植被（植物）水分适宜性研究之发展极其缓慢。在多发季节性干旱的中国西南地区，植被（植物）水分适宜性研究基本是一片空白。然而，基于人工植被构建的区域生态恢复与环境可持续发展对相应科学技术的需求力度却在逐年增加。无疑，植被（植物）水分适宜性研究徘徊不前的发展现状已成为影响区域植被建设与生态恢复的重大障碍。加强植被（植物）水分适宜性研究的广度和深度并推动其向纵深发展已迫在眉睫。

2 植被生态需水研究的理论、方法与实践

生态需水研究源自20世纪40年代美国为维持河道内鱼类生存而开展的河道基流（base flow）研究，之后发展到河岸带生态需水研究，直到现在开展的流域、区域尺度上的生态需水研究。我国生态需水研究始于20世纪90年代西北干旱区生态恢复与重建研究。近年，随着理论研究和实践应用的发展，生态需水研究已分化出侧重于生态学、环境学、水文学的3个研究方向；同时，伴随流域、区域生态需水研究的快速发展，植被生态需水研究也获得较大发展。以国内为例，近年植被生态需水研究的主要进展有4个方面。

（1）基本厘清了生态需水的相关概念及其相互关系。如郑红星等［20］科学界定了生态需水、生态储水、生态用水、生态缺水、生态耗水、生态退水等基本概念（表2），并提出两个基本关系式，分别为：

生态缺水＝生态需水－生态储水－生态用水

生态退水＝△生态储水＋生态用水－生态耗水

表2 生态需水相关概念释义

（2）初步建立了相对统一的生态需水分类体系。经过多年探索，并在区分生态需水与环境需水［21］的基础上，我国已初步建立起相对统一的生态需水分类体系。如依据需水的地理位置划分出河道内生态需水和河道外生态需水［22］，依据需水的实际来源划分出降水性生态需水和径流性生态需水［23］。这些分类体系已被普遍接受和应用。

（3）完善和发展了生态需水的基本理论和计算方法。根据胡广录等［24］、胡广录和赵文智［25］对诸多研究成果的综合分析，植被生态需水的基本理论有生态适宜性理论、系统阈值理论、水文循环和水量平衡理论、农业气象学理论，植被生态需水的计算方法有面积定额法（直接计算法）、潜水蒸发法（间接计算法）、基于植物蒸散发量的计算法、水量平衡法、基于生物量的计算法、基于遥感技术的计算法。这些理论和方法已在生态需水研究中得到广泛应用。

（4）广泛开展了典型区域植被生态需水的个案研究。如先后计算了额济纳荒漠绿洲植被［26］、晋西黄土丘陵区植被［27］、石河子垦区植被［28］、大渡河流域作物［29］、典型 喀 斯 特 区 林 地［30］的 生 态 需 水，等 等［31－33］。事实上，近年植被生态需水研究已遍及湖泊（湿地）、河口（三角洲）、绿洲、灌区（垦区）、丘陵（沟壑、河谷、沙漠、盆地、平原、高原）、岛屿、城市、流域（区域）等各类生态系统（表3）并跨越不同研究尺度，表明植被生态需水研究广度和深度都较以前有很大提升。不过，目前植被生态需水研究尚局限于干旱、半干旱区植被，而对其它气候区植被生态需水的研究显著偏少。如针对中国西南地区，目前仅见到对大渡河流域作物［29］和喀斯特区林地［30］的生态需水研究。这种研究状况不利于区域植被建设和生态恢复以及水资源人工调控。在水资源供需矛盾日益加剧的未来，尽快打破植被生态需水研究的地区不平衡性已显得刻不容缓。

国外生态需水研究也在多方面取得进展，因篇幅限制，这里不再赘述。

表3 中国大陆境内区域植被生态需水研究典型案例

3 区域植被类型与区域干旱的关系研究

根据气侯学和植物地理学的基本原理，一个地区的气候条件在很大程度上决定着该区域拥有何种植被类型；反过来，不同植被类型也对区域气候环境产生一定的反馈调节作用。然而，区域气候条件和区域植被状况都不可避免地受人类活动（如土地利用）的高度影响［34－35］。据此，不难看出区域植被类型与区域干旱之间的复杂关系。实际上，区域植被类型与区域干旱的关系是一项跨区域、跨学科的研究命题。目前，在区域生态学、全球生态学领域产出了一些有关人类活动与气候变化关系的研究成果，但在植被生态学、水文与水资源领域鲜有区域植被类型与区域干旱关系的研究报道。所幸，多年以来国内外对植被蒸腾耗水特性及其生态水文效应的研究在稳定推进和持续发展。如对干旱、半干旱区植被蒸腾耗水的研究已由单一物种蒸腾速率（强度）的简单测定发展到对其环境影响因素的分析［36］，以及大尺度研究方法（如尺度转换、模型计算）［37－38］的开发，人工调控技术手段（如地表覆沙）［39］的应用等综合研究，实验物种已涉及区域特有生态恢复物种［40］、景观绿化物种［41］、经济作物［42］等，研究尺度也由个体延伸至生态系统（如林分）。植被的生态水文效应如植被对降雨的截留作用［43－44］、对地表径流和土壤侵蚀的削减作用［45－46］，对土壤水分的保蓄作用［47－48］，对受损环境的修复与改良作用［49－50］，对微环境气候的调节作用［51－52］等已被广泛研究和不断认知。这些基础研究已为日后探索区域植被类型与区域干旱的关系创造了一定的研究条件，将有助于该领域的科学研究在未来取得重要突破。

上述分析表明，近年植被水分适宜性研究既取得一定进展，如植被生态需水基础理论比较完善、计算方法较为多样；当然，也遗留不少问题，如植被生态需水研究存在区域不均衡性，以植被生态需水计算为基础的植被水分适宜性研究进展缓慢和成果缺乏，区域植被类型与区域干旱的关系研究面临跨区域、跨学科联合攻关的挑战。

4 结论

基于中国西南地区植被水分适宜性研究严重滞后的现状和亟待加强该领域研究工作的迫切需求，同时考虑到该地区多发的季节性旱灾以及社会各界对桉树林、橡胶林等人工植被生态环境效益的质疑和争议，建议日后从多学科交叉的角度、应用生态需水基本理论与计算方法对云南省典型植被的水分适宜性及其生态需水与区域干旱的关系开展专项研究。该研究有望揭示云南省典型植被的水分适宜性及其生态需水与区域干旱的关联程度，对于区域旱灾成因的科学认知、水资源的科学配置以及植被恢复与重建等具有深远指导意义。其主攻方向和重点研究内容为：（1）区域典型植被的生态需水及其历史演变。借助不同历史年代（如1960年以来的各个年代）或不同历史年份（如1960年以来的各个年份）各个研究区的历史气象资料，并结合某一时期（如1960年）以来云南省典型植被类型的历史演变与分布格局的研究成果，采取目前比较认可的植被生态需水计算方法，如联合国粮农组织（FAO）推荐的作物系数法，研究掌握不同历史年代（年份）区域典型植被的生态需水及其历史演变规律。（2）区域典型植被水分适宜性及其历史演变。在确定不同历史年代（如1960年以来的各个年代）或不同历史年份（如1960年以来的各个年份）各个研究区典型植被的生态需水量并掌握相应历史年代（年份）区域降水量的基础上，构建基于植被生态需水量和大气降水量的区域典型植被水分适宜度计算模型，研究确定不同历史年代（年份）区域典型植被的水分适宜性及其历史演变规律。（3）区域典型植被水分适宜性与区域干旱的关系。假定区域典型植被水分适宜性以及区域降水量、大气温度、水汽蒸发量等共同影响并决定区域气候条件和干旱程度，应用多元统计分析方法，对比分析不同历史年代（年份）区域典型植被水分适宜性与区域干旱指标的关联性、区域降水量与区域干旱指标的关联性、区域大气温度与区域干旱指标的关联性，以及区域水汽蒸发量与区域干旱指标的关联性，最终探明区域典型植被水分适宜性的时空演变是否与区域干旱密切关联，同时掌握区域典型植被水分适宜性对区域干旱指标的影响程度与其它主要干旱因子之间的差异。

致谢：本文的撰写得到西北农林科技大学宋松柏教授、张广军教授以及中科院水利部水土保持研究所张兴昌研究员、王占礼研究员、马永清研究员的大力支持与帮助，在此向他们致以衷心和诚挚的感谢。

［1］ Qiu J.China drought highlights future climate threats［J］.Nature，2010，465（7295）：142－143.

［2］ Stone R.Severe drought puts spotlight on Chinese dams［J］.Science，2010，327（5971）：1311－1311.

［3］ 杜悦英.“绿色沙漠”助推西南大旱？［N］.中国经济时报，20100401（A3）.

［4］ 张行勇.西南旱灾既是天灾更是人祸［N］.科学时报，20100413（A2）.

［5］ Robinson N，Harper R J，Smettem K R J.Soil water depletion by Eucalyptus spp.integrated into dryland agricultural systems［J］.Plant and Soil，2006，286（1／2），141－151.

［6］ Li Hongmei，Mitchell A T，Ma Youxin，et al.Demand for rubber is causing the loss of high diversity rain forest in SW China［J］.Biodiversity ＆ Conservation，2007，16（6）：1731－1745.

［7］ Espinosa G F J，Martínez H E，Quiroz F A.Allelopathic potential of Eucalyptus spp.plantations on germination and early growth of annual crops［J］.Allelopathy Journal，2008，21（1）：25－37.

［8］ Qiu J.Where the rubber meets the garden［J］.Nature，2009，457（7227）：246－247.

［9］ Yu Fuke，Huang Xinhui，Liang Qibin，et al.Ecological water demand of regional vegetation：The example of the 2010severe drought in Southwest China［J］.Plant Biosystem，Doi：10.1080／11263504.2013.817488.

［10］ 黄奕龙，陈利顶，傅伯杰，等.黄土丘陵小流域植被生态用水评价［J］.水土保持学报，2005，19（2）：152－155.

［11］ He Qijin，Zhou Guangsheng.The climatic suitability for maize cultivation in China［J］.Chinese Science Bulletin，2012，57（4）：267－275.

［12］ 姚小英，蒲金涌，姚茹莘，等.甘肃省黄土高原旱作玉米水分适宜性评估［J］.生态学报，2010，30（22）：6242－6248.

［13］ 杨小利，蒲金涌，马鹏里，等.陇东地区苹果生产水分适宜性评估［J］.西北农林科技大学学报：自然科学版，2009，27（9）：71－76.

［14］ 蒲金涌，姚小英，姚茹莘.近40年甘肃河东地区夏秋作物气候适宜性变化［J］.干旱地区农业研究，2011，29（5）：253－258.

［15］ 杨东，郭盼盼，刘强，等.基于模糊数学的甘肃陇南地区农作物气候适宜性分析［J］.西北农林科技大学学报：自然科学版，2010，38（7）：98－104，110.

［16］ 张思祖，李凯荣，易亮，等.黄土高原沟壑区杏树林地土壤水分时空动态变化及适宜性研究［J］.水土保持研究，2010，17（5）：21－25.

［17］ 蒲金涌，齐艳君，陈薇.天水桃气候适宜性变化研究［J］.中国农学通报，2011，27（22）：208－213.

［18］ 岳东霞，李自珍.沙区人工固沙植物水分适宜度模糊数学模型及应用［J］.兰州大学学报：自然科学版，2003，39（3）：60－63.

［19］ 徐学选，高鹏，蒋定生.延安降水对农作物生长适宜性的模糊分析［J］.水土保持研究，2000，7（2）：73－76，118.

［20］ 郑红星，刘昌明，丰华丽.生态需水的理论内涵探讨［J］.水科学进展，2004，5（5）：626－633.

［21］ 杨志峰，崔保山，刘静玲，等.生态环境需水量：理论、方法与实践［J］.北京：科学出版社，2003.

［22］ 杨爱民，唐克旺，王浩，等.生态用水的基本理论与计算方法［J］.水利学报，2004，35（12）：39－45.

［23］ Hillbricht－Ilkowska A，Rybak J，Rzepecki M.Ecohydrological research of lake－watershed relations in diversified landscape（Masurian Lakeland，Poland）［J］.Ecological Engineering，2000，16（1）：91－98.

［24］ 胡广录，赵文智，谢国勋.干旱区植被生态需水理论研究进展［J］.地球科学进展，2008，23（2）：193－200.

［25］ 胡广录，赵文智.干旱半干旱区植被生态需水量计算方法评述［J］.生态学报，2008，8（12）：6282－6291.

［26］ Zhao Wenzhi，Chang Xueli，He Zhibin，et al.Study on vegetation ecological water requirement in Ejina Oasis［J］.Science in China（Series D）：Earth Sciences，2007，50（1）：121－129.

［27］ Wu Yongli，Ma Yali，Luan Qing.Ecological water requirement for vegetation in loess hilly area of western Shanxi［J］.Journal of Arid Land Resources and Environment，2010，24（6）：153－158.

［28］ 王玲，姚亚楠，奚秀梅，等.基于遥感的石河子垦区植被生态需水量的研究［J］.石河子大学学报：自然科学版，2011，29（2）：218－223.

［29］ 严冬，范建容，欧国强.基于MODIS叶面积指数的大渡河流域作物生态需水研究［J］.长江流域资源与环境，2009，18（10）：976－984.

［30］ 李安定，杨瑞，林昌虎，等.典型喀斯特区不同覆盖下顶坛花椒林地生态需水量研究［J］.南京林业大学学报：自然科学版，2011，35（1）：57－61.

［31］ Zhang Yu，Yang Shengtian，Ouyang Wei，et al.Applying multi－source remote sensing data on estimating ecological water requirement of grassland in Ungauged Region［J］.Procedia Environmental Sciences，2010，2：953－963.

［32］ Cui Baoshan，Tang Na，Zhao Xinsheng，et al.A management－oriented valuation method to determine ecological water requirement for wetlands in the Yellow River Delta of China［J］.Journal for Nature Conservation，2009，17（3）：129－141.

［33］ 王强，刘静玲，杨志峰.白洋淀湿地不同时空水生植物生态需水规律研究［J］.环境科学学报，2008，28（7）：1447－1454.

［34］ Martínez Pastur G，Jordán C，Soler Esteban R，et al.Landscape and microenvironmental conditions influence over regeneration dynamics in old－growth Nothofagus betuloides Southern Patagonian forests［J］.Plant Biosystem，2012，146（1）：201－213.

［35］ Henkin Z，Seligman N G.The role of management on the rate of secondary succession in Mediterranean shrubland after fire［J］.Plant Biosystem，2011，145（3）：708－714.

［36］ 许浩，张希明，闫海龙，等.塔克拉玛干沙漠腹地梭梭（Haloxylon ammodendron）蒸腾耗水规律［J］.生态学报，2008，28（8）：3713－3720.

［37］ 张毓涛，梁凤超，常顺利，等.基于8hm2样地的天山云杉林蒸腾耗水从单株到林分的转换［J］.生态学报，2011，31（12）：3330－3339.

［38］ Komatsu H，Maita E，Otsuki K.A model to estimate annual forest evapotranspiration in Japan from mean annual temperature［J］.Journal of Hydrology，2008，348（3／4）：330－340.

［39］ 张坤，尹小宁，刘小勇，等.陇东旱地果园覆沙对苹果树蒸腾耗水及果实品质的影响［J］.应用生态学报，2010，21（11）：2755－2762.

［40］ Tong Chuan，Gong Jianzhou，Marrs Robb，et al.Pattern of transpiration of four shrub species and water consumption from shrub stands in an eco－reclamation catchment in Northwest China［J］.Arid Land Research and Management，2008，22（3）：242－254.

［41］ 王华，欧阳志云，任玉芬，等.北京市绿化树种紫玉兰的蒸腾特征及其影响因素［J］.生态学报，2011，31（7）：1867－1876.

［42］ 汪耀富，蔡寒玉，李进平，等.不同供水条件下土壤水分与烤烟蒸腾耗水的关系［J］.农业工程学报，2007，23（1）：19－23.

［43］ 张一平，王馨，王玉杰，等.西双版纳地区热带季节雨林与橡胶林林冠水文效应比较研究［J］.生态学报，2003，23（12）：2653－2665.

［44］ 袁春明，郎南军，孟广涛，等.长江上游云南松林水土保持生态效益的研究［J］.水土保持学报，2002，16（2）：87－90.

［45］ 邓云，唐炎林，曹敏，等.西双版纳人工雨林群落结构及其林下降雨侵蚀力特征［J］.生态学报，2012，32（24）：7836－7843.

［46］ 杨吉山，王兆印，余国安，等.小江流域不同人工林群落结构变化及其对侵蚀的控制作用［J］.生态学报，2009，29（4）：1921－1930.

［47］ 杞金华，章永江，张一平，等.哀牢山常绿阔叶林水源涵养功能及其在应对西南干旱中的作用［J］.生态学报，2012，32（6）：1692－1702.

［48］ 赵筱青，和春兰，易琦.大面积桉树引种区土壤水分及水源涵养性能研究［J］.水土保持学报，2012，26（3）：205－210.

［49］ Bacchetta G，Cao A，Cappai G，et al.A field experiment on the use of Pistacia lentiscus L.and Scrophularia canina L.subsp.bicolor（Sibth.et Sm.）Greuter for the phytoremediation of abandoned mining areas［J］.Plant Biosystem，2012，146（4）：1054－1063.

［50］ Petrou P，Milios E.Establishment and survival of Pinus brutia Ten.seedlings over the first growing season in abandoned fields in central Cyprus［J］.Plant Biosystem，2012，146（3）：522－533.

［51］ Huang Yuqing，Li Xiankun，Zhang Zhongfeng，et al.Seasonal changes in Cyclobalanopsis glauca transpiration and canopy stomatal conductance and their dependence on subterranean water and climatic factors in rocky karst terrain［J］.Journal of Hydrology，2011，402（1／2）：135－143.

［52］ Zhao M，Pitman A J，Chase T.The impact of land covers change on the atmospheric circulation［J］.Climate Dynamics，2001，17（5／6）：467－477.