宁夏固原城乡饮水水源工程受水区林地生态环境需水量研究

李金燕+张维江

摘要：对固原城乡饮水水源工程受水区降雨消耗性林地及径流消耗性林地生态环境需水量进行研究，首次采用桑斯维特模型和彭曼-蒙特斯模型同时计算生态环境需水定额，并对两种模型计算结果进行了对比评价，认为彭曼-蒙特斯模型是综合了各种气象因素以及地理位置因素的计算方法，结果更具合理性，而桑斯维特法对于夏季林地潜在蒸散量的计算结果与彭曼-蒙特斯结果接近，在资料缺乏地区的夏季植被潜在蒸散量的计算中可采用该法。通过对受水区林地生态环境需水量的研究计算及降雨资源平衡分析，认为位于中部干旱带的海原县以及位于南部山区降雨稀少的西吉县降水消耗性林地的最小和适宜生态环境需水量均不能得到满足；而位于南部山区降雨相对较丰富的彭阳和原州区各类林地最小生态环境需水量均能得到满足，而适宜生态环境需水量均不能得到满足。各县区径流消耗性人工林地需水依靠降雨不能得到满足，均需人工配水。

关键词：受水区；林地植被；生态环境需水

中图分类号：TV213.9 文献标识码：A 文章编号：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

基金项目：国家自然科学基金项目（51269022）

作者简介：李金燕（1976-），女，宁夏平罗人，副教授，在读博士生，研究方向为水资源调控，（电话）15009661316（电子信箱）lijinyan@163.com。

在生态环境日益恶化的干旱半干旱地区，植被（林地）作为生态环境治理的一项重要措施，近年来其生态环境需水的研究越来越受到人们的关注。宁夏固原城乡饮水水源工程是将泾河流域宁夏境内丰富的地表水向北输送到宁夏中南部干旱缺水地区的原州区、西吉、彭阳、海原县（以下称受水区）。受水区域属黄河中游黄土高原丘陵沟壑区，干旱少雨，水土流失严重，生态环境极其脆弱，固原城乡饮水水源工程的实施是解决受水区干旱缺水的根本举措。然而，这一举措给受水区水资源带来了新的要求，即如何在生态环境需水研究基础上，结合引水工程对多种水资源合理配置进行全面和系统的研究，从而实现受水区生态效益、社会效益、经济效益最大化。面对这一现实情况，本研究首先对受水区林地植被的生态环境需水量进行系统的研究分析，从而为更好地对受水区水资源综合利用以及改善生态环境进行综合决策奠定基础。

1 植被（林地）生态环境需水量的界定

从生态需水研究的意义及水资源管理的角度来说，天然植被（林地）生态系统生态需水主要来源于大气降水。而人工植被等生态环境需水主要来源于地表径流和地下水，也就是通常统计的水资源部分。虽然天然植被影响区域生态系统的水分循环和水量平衡，但对区域水资源总量的影响较小，因此包括天然植被在内的几类生态系统水量需求可称为广义的生态环境需水；而不包括天然植被，依靠地表径流或地下水资源保证生态环境需水的其他植被以及生态系统水量需求为狭义的生态环境需水，它直接参与水资源的分配与调控，也很容易被工业用水、农业用水等经济水量所挤占。由于天然植被生态环境需水核算也可为水土保持、生态恢复和生态建设的用水核算提供依据，因此本研究基于生态系统的完整性及核算的方便性考虑，在核算人工植被生态环境需水量的同时也核算了天然植被生态系统的生态环境需水量。

2 受水区林地生态环境需水定额的确定

2.1 计算方法的选择和确定

关于对林地生态环境需水量的计算目前应用比较广泛的是直接计算法，即林地生态环境需水定额与面积相乘，但其中最为关键的是不同林地类型生态环境需水定额的确定[1]。由于研究的局限，直接监测受水区林地类型蒸散量或者灌溉用水量来确定其需水定额在实际操作中难以得到实现，因此本研究拟采用目前应用最为广泛的理论计算方法，即根据林地生态系统的主要水分支出项——潜在蒸散，同时考虑林地种类的差异，来计算不同区域林地的生态需水定额，这种方法使不同区域之间在空间上的差别通过气候因子、土壤类型的变化得到了体现。当前计算林地潜在蒸散量的方法主要有桑斯维特计算法以及彭曼-蒙特斯法，这两种方法在干旱区林地潜在蒸散量的计算中都得到了广泛的应用，但极少有研究将两种方法的计算结果进行对比分析，从而明确各自在区域的实用性。本研究试图采用彭曼-蒙特斯模型及桑斯维特算法同时计算区域的潜在蒸散量，并互相校验计算的准确性，进一步选取合适的计算结果。

2.2 潜在蒸散量的计算比较

2.2.1 桑斯维特（Thornthwaite）模型计算 桑斯维特法是根据美国中部干旱地区资料建立的，其特点是计算方便，仅需要区域多年平均气温资料即可，主要用于干旱半干旱地区的春、夏季节计算较为准确。国内许多干旱半干旱地区林地的生态环境需水量的计算都采用这种方法，其模型[2]为：

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为区域月潜在蒸散量（mm）；H为热量指数，等于12个月的和；h为月热量指数，当T≤0 ℃时，h=0；T为月平均气温（℃）；A为指数，是年热量指数的非线性函数；k为订正系数，根据纬度专用表来确定。通过收集研究区域气温资料，采用桑斯维特法计算结果见表1。分析计算结果，由于研究区域各县区1月、2月以及12月气温都在0 ℃以下，土壤处于冰冻状态，树木生命活动趋于停止，这段时间树木的蒸腾作用耗水量为0，所以本研究林地生态环境需水量的计算时段主要是3～11月份。因此表1中仅列了3～11月的蒸散值。

2.2.2 彭曼-蒙特斯（Penman-Montieth）模型计算[3] 彭曼-蒙特斯模型计算林地潜在蒸散量ET0，主要用以表示气候对植被需水量的影响。根据1992年国际粮农组织对参照作物需水量的重新定义，国际粮农组织（FAO）和国际灌排委员会（ICID）等组织推荐采用的Penman-Montieth方法进行计算参考作物需水量。ET0的计算只需气象资料即可，所需气象资料有气象站地理位置（经度、纬度、高程）、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度、日照时数、2 m处风速、多年平均降水量。

Penman-Monteith模型：

ET0=■

式中：ET0为参考作物蒸散量（mm/d）；Δ为饱和水汽压ea与温度曲线的斜率（kPa/℃）；Rn为作物表面的净辐射量；G为土壤热通量[MJ/（m2·d）]；γ为干湿表常数（kPa/℃）；T为平均日或月气温；u2为2 m处的平均风速（m/s）；VPD为2 m高处水汽压亏缺量，VPD=ea-ed，ea和ed分别为饱和、实际水汽压。本次计算中参考作物蒸散量计算根据水科院研发的“省灌溉用水有效利用系数测算分析管理系统”软件，结合Penman-Monteith模型，通过输入区域逐日最高气温、日最低气温、日平均湿度、日照时数、2 m处风速、日平均降雨量，可以算出区域参考作物蒸散量ET0。考虑林地植被的生长规律，对比桑斯维特模型的计算结果，彭曼-蒙特斯的计算结果仅统计3～11月的潜在蒸散量，结果见表1。

2.2.3 潜在蒸散量的比较确定 对比表1中结果可知除彭阳县外各县区两种方法计算的潜在蒸散量有相同的变化规律，即由大到小的排列顺序依次为：海原、原州、西吉，说明两种计算结果都具有一定的合理性。但两种方法计算结果相差较大，其中彭曼-蒙特斯的计算结果远大于桑斯维特法。从表中计算结果还可以看出桑斯维特法计算结果各月份4个县区的差异都不大，而彭曼-蒙特斯法各县区差异较大，本研究认为产生这一差异的主要原因为彭曼-蒙特斯模型是综合了各种气象因素以及地理位置因素得出的结果，而桑斯维特法仅考虑气温因素对区域潜在蒸散量的影响，这也是桑斯维特法计算结果县区间差异不大的原因，因此彭曼-蒙特斯法计算结果更具真实可靠性，本研究采用彭曼-蒙特斯的计算结果。同时由图1可知，气温最低的11月份两种方法计算结果相差比例最大，相差比例均在85%～100%之间；其次是气温较低的3月份，两者相差比例在80%左右；再次为气温较高的4、5月份以及10月份，相差比例在60%以下。而气温最高的6、7、8、9月份，两种方法计算结果最为接近，相差比例在20%～30%之间，说明桑斯维特法用于夏季潜在蒸散量的计算结果相比其他季节更为合理。

2.3 植被生态环境需水定额的确定

通过计算林地的潜在蒸散量ET0，然后利用具体林地植被的植物需水系数Kc以及各区土壤类型修正系数Ks的修正，便可得到该植被的实际需水定额，如下式所示。

ETC=ET0×Kc×Ks

式中：ET0为计算时段内植被的潜在蒸散量； ETC为植被实际生态环境需水定额；Kc为相应时段植被需水系数；Ks为相应区域的土壤修正系数。

由上式可见，在潜在蒸散量计算基础上，确定实际需水定额的关键是确定需水系数及土壤修正系数。清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室的储蓓等[4]针对干旱半干旱地区林草植被的实际情况，对林草生态需水进行了试验研究。认为乔木林生态环境需水系数为0.757、灌木林生态需水系数为0.612，约为乔木林地需水系数的0.81倍；同时，何永涛等[5]在黄土高原地区森林植被生态需水研究中，以黄土高原地区常用造林树种刺槐和油松为代表，研究了植被需水系数，确定乔木林的需水系数为0.765，同时通过多年的对比试验认为灌木林的需水系数约是乔木的0.8倍。通过以上两项研究成果分析可见，干旱半干旱地区植被需水系数研究结果接近，本研究取乔木林的需水系数为0.765，灌木林需水系数取其0.8倍，取值0.612，疏林地取值0.50。

考虑不同土壤类型对植被需水的影响，本研究引入土壤水分修正系数。参考何永涛等[5]结合黄土高原地区不同土壤类型的水分参数，以及林地最小生态需水定额和适宜生态需水定额的定义研究成果，确定了不同土壤类型的修正系数，如表2所示。

3 林地生态环境需水量的计算分析

3.1 林地生态环境需水量的计算

土地利用分布图中将林地分为4类，即有林地、灌木林地、疏林地和其他林业用地。有林地是指郁闭度大于30%的天然林和人工林；疏林地是指郁闭度在10%～30%的稀疏林地；灌木林地是指郁闭度>40%、高度在2 m以下的矮林地和灌丛林地[6-9]。本研究中其他林地主要是指未成林地以及无立木林地。由于这4类林地在外貌和群落结构等方面存在着差别，因此也必然会影响到其生态环境需水量上的差异，本研究分别对这几类林地的生态环境需水量进行了计算。4类林地分类生态环境需水量计算结果见表3。

3.2 林地生态环境需水量与降雨资源平衡计算

有林地、疏林地、灌木林地及其他林地（无立木林地和未成林地）需水量属于降雨消耗性生态环境用水，区域降雨量需先满足此部分需水才形成径流。而苗圃类林地需要人工灌溉，属于径流消耗性生态环境需水。本研究按照这两种分类对林地生态环境需水进行了分类计算，并进行了降水资源盈亏平衡分析。结果见表3。

3.3 计算结果分析

由表3中统计数据可以看出，3种类型林地面积（有林地、疏林地、灌木林地）在各县区的分布情况为：彭阳县各类林地面积由大到小依次为有林地、灌木林地、疏林地；其他3县区林地面积由大到小的顺序依次为灌木林、有林地、疏林地。林地总面积由大到小排序依次为海原、彭阳、原州、西吉。

1）各县区降雨消耗性生态环境需水排序分析

各县区降雨消耗性生态环境需水量最小值由大到小排序见图2，具体值见表3。适宜值排序同最小值，由大到小依次为海原、彭阳、原州、西吉。对比几县区林地面积情况可知，各县区林地生态环境需水量排序规律与林地总面积排序规律基本一致。

2）通过降水资源平衡分析可知位于中部干旱带的海原县降水消耗性林地的最小和适宜生态环境需水量依靠天然降水均不能得到满足，亏缺量分别为8 345.71万m3和31 618.18万m3；苗圃类林地需要人工配水最小和适宜状态下分别为14.23万m3和44.33万m3。

3）位于南部山区降雨相对较丰富的彭阳和原州区，各类林地最小生态环境需水量均能得到满足，而适宜生态环境需水量均不能得到满足，降雨消耗性生态需水量适宜状态下亏缺10 210.02万m3和4 808.49万m3。苗圃类林地需人工配水。

4）位于南部山区降雨稀少的西吉县，降雨消耗性生态需水量适宜状态下亏缺13 989.20万m3，最小亏缺2 580.95万m3。苗圃类林地需人工配水。

研究表明，现状气候条件下位于中部干旱带的海原不宜于大面积发展林业，为此，应选择耐旱、抗盐碱的树种在地形低平、潜水较丰富和有水源补给的地段进行植树绿化。而位于南部山区的原州、彭阳、西吉也要合理考虑林地种植结构。

4 小结

1）本研究对固原城乡引水水源工程受水区降雨消耗性林地及人工林地生态环境需水量进行了核算分析，对区域林地植被建设、生态恢复及水资源合理开发利用和配置提供了依据。

2）本研究首次同时采用桑斯维特模型以及彭曼-蒙特斯模型计算了受水区生态环境需水定额，并对两种模型计算结果进行了对比评价，认为彭曼-蒙特斯模型是综合了各种气象因素以及地理位置因素的计算方法，结果更具合理性，而桑斯维特法夏季林地潜在蒸散量的计算结果与彭曼-蒙特斯结果接近，在资料缺乏地区的夏季植被潜在蒸散量的计算可采用该法。

3）林地生态环境需水方面由于研究时间、研究条件等的限制，需水定额选用时参考干旱半干旱地区以及黄土高原地区的定额确定，缺乏具体试验的测定，这是今后本区域要做的工作。

4）通过对受水区林地生态环境需水量进行降雨资源平衡分析可知位于中部干旱带的海原县降水消耗性林地的最小和适宜生态环境需水量依靠天然降水均不能得到满足；位于南部山区降雨相对较丰富的彭阳和原州区，各类林地最小生态环境需水量均能得到满足，而适宜生态环境需水量均不能得到满足；位于南部山区降雨稀少的西吉县，降雨消耗性林地的最小和适宜生态环境需水量依靠天然降水均不能得到满足。

5）各县区苗圃类人工林地需水依靠降雨不能得到满足，均需人工配水。但如何根据降雨的时间分配进行配置需要进一步深入研究。

参考文献：

[1] 贾宝全，慈龙骏.新疆生态用水量的初步估算[J].生态学报，2000（2）：243-250.

[2] 邓 洁.威海市生态用水及水资源合理配置研究[D].北京：北京林业大学，2009.

[3] 孙跃强.宁夏盐池县生态用水研究[D].北京：北京林业大学，2007.

[4] 储 蓓，尚松浩.河谷林草需水量与耗水量计算方法及其应用[A].变化环境下的水资源响应与可持续利用——中国水利学会水资源专业委员会2009学术年会论文集[C].2009.479-482.

[5] 何永涛，李文华，李贵才，等.黄土高原地区森林植被生态需水研究[J].环境科学，2004，25（3）：35-39.

[6] 杨志峰，崔宝山，刘静玲，等.生态环境需水量理论、方法与实践[M].北京：科学出版社，2003.122-172.

[7] 郝 博，粟晓玲，马孝义.甘肃省民勤县天然植被生态需水研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2010，38（2）：158-164.

[8] 郭巧玲，杨云松，李建林，等.额济纳绿洲生态需水及其预测研究[J].干旱区资源与环境，2011，5（5）：135-139.

[9] 郝 博，粟晓玲，马孝义，等.干旱区植被生态需水的研究进展[J].水资源与水工程学报2009，20（4）：1-5.

（责任编辑 张 毅）

2.3 植被生态环境需水定额的确定

通过计算林地的潜在蒸散量ET0，然后利用具体林地植被的植物需水系数Kc以及各区土壤类型修正系数Ks的修正，便可得到该植被的实际需水定额，如下式所示。

ETC=ET0×Kc×Ks

式中：ET0为计算时段内植被的潜在蒸散量； ETC为植被实际生态环境需水定额；Kc为相应时段植被需水系数；Ks为相应区域的土壤修正系数。

由上式可见，在潜在蒸散量计算基础上，确定实际需水定额的关键是确定需水系数及土壤修正系数。清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室的储蓓等[4]针对干旱半干旱地区林草植被的实际情况，对林草生态需水进行了试验研究。认为乔木林生态环境需水系数为0.757、灌木林生态需水系数为0.612，约为乔木林地需水系数的0.81倍；同时，何永涛等[5]在黄土高原地区森林植被生态需水研究中，以黄土高原地区常用造林树种刺槐和油松为代表，研究了植被需水系数，确定乔木林的需水系数为0.765，同时通过多年的对比试验认为灌木林的需水系数约是乔木的0.8倍。通过以上两项研究成果分析可见，干旱半干旱地区植被需水系数研究结果接近，本研究取乔木林的需水系数为0.765，灌木林需水系数取其0.8倍，取值0.612，疏林地取值0.50。

考虑不同土壤类型对植被需水的影响，本研究引入土壤水分修正系数。参考何永涛等[5]结合黄土高原地区不同土壤类型的水分参数，以及林地最小生态需水定额和适宜生态需水定额的定义研究成果，确定了不同土壤类型的修正系数，如表2所示。

3 林地生态环境需水量的计算分析

3.1 林地生态环境需水量的计算

土地利用分布图中将林地分为4类，即有林地、灌木林地、疏林地和其他林业用地。有林地是指郁闭度大于30%的天然林和人工林；疏林地是指郁闭度在10%～30%的稀疏林地；灌木林地是指郁闭度>40%、高度在2 m以下的矮林地和灌丛林地[6-9]。本研究中其他林地主要是指未成林地以及无立木林地。由于这4类林地在外貌和群落结构等方面存在着差别，因此也必然会影响到其生态环境需水量上的差异，本研究分别对这几类林地的生态环境需水量进行了计算。4类林地分类生态环境需水量计算结果见表3。

3.2 林地生态环境需水量与降雨资源平衡计算

有林地、疏林地、灌木林地及其他林地（无立木林地和未成林地）需水量属于降雨消耗性生态环境用水，区域降雨量需先满足此部分需水才形成径流。而苗圃类林地需要人工灌溉，属于径流消耗性生态环境需水。本研究按照这两种分类对林地生态环境需水进行了分类计算，并进行了降水资源盈亏平衡分析。结果见表3。

3.3 计算结果分析

由表3中统计数据可以看出，3种类型林地面积（有林地、疏林地、灌木林地）在各县区的分布情况为：彭阳县各类林地面积由大到小依次为有林地、灌木林地、疏林地；其他3县区林地面积由大到小的顺序依次为灌木林、有林地、疏林地。林地总面积由大到小排序依次为海原、彭阳、原州、西吉。

1）各县区降雨消耗性生态环境需水排序分析

各县区降雨消耗性生态环境需水量最小值由大到小排序见图2，具体值见表3。适宜值排序同最小值，由大到小依次为海原、彭阳、原州、西吉。对比几县区林地面积情况可知，各县区林地生态环境需水量排序规律与林地总面积排序规律基本一致。

2）通过降水资源平衡分析可知位于中部干旱带的海原县降水消耗性林地的最小和适宜生态环境需水量依靠天然降水均不能得到满足，亏缺量分别为8 345.71万m3和31 618.18万m3；苗圃类林地需要人工配水最小和适宜状态下分别为14.23万m3和44.33万m3。

3）位于南部山区降雨相对较丰富的彭阳和原州区，各类林地最小生态环境需水量均能得到满足，而适宜生态环境需水量均不能得到满足，降雨消耗性生态需水量适宜状态下亏缺10 210.02万m3和4 808.49万m3。苗圃类林地需人工配水。

4）位于南部山区降雨稀少的西吉县，降雨消耗性生态需水量适宜状态下亏缺13 989.20万m3，最小亏缺2 580.95万m3。苗圃类林地需人工配水。

研究表明，现状气候条件下位于中部干旱带的海原不宜于大面积发展林业，为此，应选择耐旱、抗盐碱的树种在地形低平、潜水较丰富和有水源补给的地段进行植树绿化。而位于南部山区的原州、彭阳、西吉也要合理考虑林地种植结构。

4 小结

1）本研究对固原城乡引水水源工程受水区降雨消耗性林地及人工林地生态环境需水量进行了核算分析，对区域林地植被建设、生态恢复及水资源合理开发利用和配置提供了依据。

2）本研究首次同时采用桑斯维特模型以及彭曼-蒙特斯模型计算了受水区生态环境需水定额，并对两种模型计算结果进行了对比评价，认为彭曼-蒙特斯模型是综合了各种气象因素以及地理位置因素的计算方法，结果更具合理性，而桑斯维特法夏季林地潜在蒸散量的计算结果与彭曼-蒙特斯结果接近，在资料缺乏地区的夏季植被潜在蒸散量的计算可采用该法。

3）林地生态环境需水方面由于研究时间、研究条件等的限制，需水定额选用时参考干旱半干旱地区以及黄土高原地区的定额确定，缺乏具体试验的测定，这是今后本区域要做的工作。

4）通过对受水区林地生态环境需水量进行降雨资源平衡分析可知位于中部干旱带的海原县降水消耗性林地的最小和适宜生态环境需水量依靠天然降水均不能得到满足；位于南部山区降雨相对较丰富的彭阳和原州区，各类林地最小生态环境需水量均能得到满足，而适宜生态环境需水量均不能得到满足；位于南部山区降雨稀少的西吉县，降雨消耗性林地的最小和适宜生态环境需水量依靠天然降水均不能得到满足。

5）各县区苗圃类人工林地需水依靠降雨不能得到满足，均需人工配水。但如何根据降雨的时间分配进行配置需要进一步深入研究。

参考文献：

[1] 贾宝全，慈龙骏.新疆生态用水量的初步估算[J].生态学报，2000（2）：243-250.

[2] 邓 洁.威海市生态用水及水资源合理配置研究[D].北京：北京林业大学，2009.

[3] 孙跃强.宁夏盐池县生态用水研究[D].北京：北京林业大学，2007.

[4] 储 蓓，尚松浩.河谷林草需水量与耗水量计算方法及其应用[A].变化环境下的水资源响应与可持续利用——中国水利学会水资源专业委员会2009学术年会论文集[C].2009.479-482.

[5] 何永涛，李文华，李贵才，等.黄土高原地区森林植被生态需水研究[J].环境科学，2004，25（3）：35-39.

[6] 杨志峰，崔宝山，刘静玲，等.生态环境需水量理论、方法与实践[M].北京：科学出版社，2003.122-172.

[7] 郝 博，粟晓玲，马孝义.甘肃省民勤县天然植被生态需水研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2010，38（2）：158-164.

[8] 郭巧玲，杨云松，李建林，等.额济纳绿洲生态需水及其预测研究[J].干旱区资源与环境，2011，5（5）：135-139.

[9] 郝 博，粟晓玲，马孝义，等.干旱区植被生态需水的研究进展[J].水资源与水工程学报2009，20（4）：1-5.

（责任编辑 张 毅）

2.3 植被生态环境需水定额的确定

通过计算林地的潜在蒸散量ET0，然后利用具体林地植被的植物需水系数Kc以及各区土壤类型修正系数Ks的修正，便可得到该植被的实际需水定额，如下式所示。

ETC=ET0×Kc×Ks

式中：ET0为计算时段内植被的潜在蒸散量； ETC为植被实际生态环境需水定额；Kc为相应时段植被需水系数；Ks为相应区域的土壤修正系数。

由上式可见，在潜在蒸散量计算基础上，确定实际需水定额的关键是确定需水系数及土壤修正系数。清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室的储蓓等[4]针对干旱半干旱地区林草植被的实际情况，对林草生态需水进行了试验研究。认为乔木林生态环境需水系数为0.757、灌木林生态需水系数为0.612，约为乔木林地需水系数的0.81倍；同时，何永涛等[5]在黄土高原地区森林植被生态需水研究中，以黄土高原地区常用造林树种刺槐和油松为代表，研究了植被需水系数，确定乔木林的需水系数为0.765，同时通过多年的对比试验认为灌木林的需水系数约是乔木的0.8倍。通过以上两项研究成果分析可见，干旱半干旱地区植被需水系数研究结果接近，本研究取乔木林的需水系数为0.765，灌木林需水系数取其0.8倍，取值0.612，疏林地取值0.50。

考虑不同土壤类型对植被需水的影响，本研究引入土壤水分修正系数。参考何永涛等[5]结合黄土高原地区不同土壤类型的水分参数，以及林地最小生态需水定额和适宜生态需水定额的定义研究成果，确定了不同土壤类型的修正系数，如表2所示。

3 林地生态环境需水量的计算分析

3.1 林地生态环境需水量的计算

土地利用分布图中将林地分为4类，即有林地、灌木林地、疏林地和其他林业用地。有林地是指郁闭度大于30%的天然林和人工林；疏林地是指郁闭度在10%～30%的稀疏林地；灌木林地是指郁闭度>40%、高度在2 m以下的矮林地和灌丛林地[6-9]。本研究中其他林地主要是指未成林地以及无立木林地。由于这4类林地在外貌和群落结构等方面存在着差别，因此也必然会影响到其生态环境需水量上的差异，本研究分别对这几类林地的生态环境需水量进行了计算。4类林地分类生态环境需水量计算结果见表3。

3.2 林地生态环境需水量与降雨资源平衡计算

有林地、疏林地、灌木林地及其他林地（无立木林地和未成林地）需水量属于降雨消耗性生态环境用水，区域降雨量需先满足此部分需水才形成径流。而苗圃类林地需要人工灌溉，属于径流消耗性生态环境需水。本研究按照这两种分类对林地生态环境需水进行了分类计算，并进行了降水资源盈亏平衡分析。结果见表3。

3.3 计算结果分析

由表3中统计数据可以看出，3种类型林地面积（有林地、疏林地、灌木林地）在各县区的分布情况为：彭阳县各类林地面积由大到小依次为有林地、灌木林地、疏林地；其他3县区林地面积由大到小的顺序依次为灌木林、有林地、疏林地。林地总面积由大到小排序依次为海原、彭阳、原州、西吉。

1）各县区降雨消耗性生态环境需水排序分析

各县区降雨消耗性生态环境需水量最小值由大到小排序见图2，具体值见表3。适宜值排序同最小值，由大到小依次为海原、彭阳、原州、西吉。对比几县区林地面积情况可知，各县区林地生态环境需水量排序规律与林地总面积排序规律基本一致。

2）通过降水资源平衡分析可知位于中部干旱带的海原县降水消耗性林地的最小和适宜生态环境需水量依靠天然降水均不能得到满足，亏缺量分别为8 345.71万m3和31 618.18万m3；苗圃类林地需要人工配水最小和适宜状态下分别为14.23万m3和44.33万m3。

3）位于南部山区降雨相对较丰富的彭阳和原州区，各类林地最小生态环境需水量均能得到满足，而适宜生态环境需水量均不能得到满足，降雨消耗性生态需水量适宜状态下亏缺10 210.02万m3和4 808.49万m3。苗圃类林地需人工配水。

4）位于南部山区降雨稀少的西吉县，降雨消耗性生态需水量适宜状态下亏缺13 989.20万m3，最小亏缺2 580.95万m3。苗圃类林地需人工配水。

研究表明，现状气候条件下位于中部干旱带的海原不宜于大面积发展林业，为此，应选择耐旱、抗盐碱的树种在地形低平、潜水较丰富和有水源补给的地段进行植树绿化。而位于南部山区的原州、彭阳、西吉也要合理考虑林地种植结构。

4 小结

1）本研究对固原城乡引水水源工程受水区降雨消耗性林地及人工林地生态环境需水量进行了核算分析，对区域林地植被建设、生态恢复及水资源合理开发利用和配置提供了依据。

2）本研究首次同时采用桑斯维特模型以及彭曼-蒙特斯模型计算了受水区生态环境需水定额，并对两种模型计算结果进行了对比评价，认为彭曼-蒙特斯模型是综合了各种气象因素以及地理位置因素的计算方法，结果更具合理性，而桑斯维特法夏季林地潜在蒸散量的计算结果与彭曼-蒙特斯结果接近，在资料缺乏地区的夏季植被潜在蒸散量的计算可采用该法。

3）林地生态环境需水方面由于研究时间、研究条件等的限制，需水定额选用时参考干旱半干旱地区以及黄土高原地区的定额确定，缺乏具体试验的测定，这是今后本区域要做的工作。

4）通过对受水区林地生态环境需水量进行降雨资源平衡分析可知位于中部干旱带的海原县降水消耗性林地的最小和适宜生态环境需水量依靠天然降水均不能得到满足；位于南部山区降雨相对较丰富的彭阳和原州区，各类林地最小生态环境需水量均能得到满足，而适宜生态环境需水量均不能得到满足；位于南部山区降雨稀少的西吉县，降雨消耗性林地的最小和适宜生态环境需水量依靠天然降水均不能得到满足。

5）各县区苗圃类人工林地需水依靠降雨不能得到满足，均需人工配水。但如何根据降雨的时间分配进行配置需要进一步深入研究。

参考文献：

[1] 贾宝全，慈龙骏.新疆生态用水量的初步估算[J].生态学报，2000（2）：243-250.

[2] 邓 洁.威海市生态用水及水资源合理配置研究[D].北京：北京林业大学，2009.

[3] 孙跃强.宁夏盐池县生态用水研究[D].北京：北京林业大学，2007.

[4] 储 蓓，尚松浩.河谷林草需水量与耗水量计算方法及其应用[A].变化环境下的水资源响应与可持续利用——中国水利学会水资源专业委员会2009学术年会论文集[C].2009.479-482.

[5] 何永涛，李文华，李贵才，等.黄土高原地区森林植被生态需水研究[J].环境科学，2004，25（3）：35-39.

[6] 杨志峰，崔宝山，刘静玲，等.生态环境需水量理论、方法与实践[M].北京：科学出版社，2003.122-172.

[7] 郝 博，粟晓玲，马孝义.甘肃省民勤县天然植被生态需水研究[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2010，38（2）：158-164.

[8] 郭巧玲，杨云松，李建林，等.额济纳绿洲生态需水及其预测研究[J].干旱区资源与环境，2011，5（5）：135-139.

[9] 郝 博，粟晓玲，马孝义，等.干旱区植被生态需水的研究进展[J].水资源与水工程学报2009，20（4）：1-5.

（责任编辑 张 毅）