内蒙古鄂托克旗天然草地植被生态需水量研究

宋孝玉，刘 雨，覃 琳，刘晓迪，王 陇

（西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，西安 710048）

0 引 言

牧区在发挥生态屏障和保障国家粮食安全方面具有较大潜力，区内天然草地面积占到全国可利用草地面积的90%以上[1]。草地作为牧区极其重要的自然资源，是牧区生存和发展的基本保障[2]。近年来，随着中纬度地区气候暖干化，区内草地资源正在迅速减少，加之牧区超载过牧，草地生态系统受到了严重的破坏，天然草地已经不能满足牧区的放牧需求。人工草地巨大的生产力可缓解牧区的放牧压力[3]，但其发展势必增加区域内农业用水，挤压其他用水部门的可用水量，加剧各部门的用水矛盾。明确不同类型天然草地的需水量，可为协调人工草地的发展与天然草地的保护提供依据。因此研究天然草地植被生态需水量，不仅可以协调牧区内经济发展与生态环境之间的用水关系，实现水资源的合理配置，而且对维持草地生态健康和可持续发展也尤为重要。

植被生态需水是保证植被生态系统和谐稳定并提供最佳生态服务功能所需要消耗的最小水量[4]。不同学者根据研究区域的植被情况、水资源现状，选择了不同方法对植被生态需水量进行研究。侯琨等[5]采用面积定额法计算了桂林桃花江流域的水田和旱地的植被生态需水量，该方法多用于计算人工草地的需水量；周丹等[6]采用潜水蒸发模型，计算了西北干旱区1982—2010年高、低覆盖度荒漠植被的生态需水量，该模型多用于估计干旱地区依靠地下水生长的植被的生态需水量；张云亮等[7]采用水量平衡法，估算了黄河兰州银滩湿地芦苇群落不同季节的植被生态需水量，但水量平衡法没有考虑植被的生理特性，导致其在应用上有一定的局限性；Chi等[8]基于彭曼公式法，结合地理信息系统和遥感技术，对东北地区额尔古纳河流域4种植被类型的生态需水、生态缺水及其时空变化进行了计算与分析，彭曼公式法基于植被的潜在蒸散量并结合土壤水分和植被面积以及植被特性等影响因素对生态需水量进行计算，适用性较广[9-10]。

目前国内外学者已经对不同地区的植被生态需水做出了大量的研究，但对天然草地植被类型的分类还不够细致，针对干旱风沙草原区不同天然草地类型的生态需水量以及明确不同天然草地类型生态需水的差异性有待进一步的研究。为解决人工草地与不同天然草地类型之间用水分配不平衡现状，缓解干旱风沙草原区内水资源日益短缺问题，本文采用彭曼公式及美国农业部土壤保持局推荐的有效降水量的计算方法，研究以鄂托克旗为典型代表的干旱风沙草原区内的生态需水，以期为区域草地水资源高效利用、退化草原系统恢复重建和生态环境可持续发展等工作提供技术支撑和科学指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处鄂尔多斯高原鄂托克旗境内西部（106°41′～108°54′E，38°18′～40°11′N），是典型的干旱风沙草原牧区，该区属于中温带干旱、半干旱大陆性气候区。多年平均降水量为241.2 mm，多年平均蒸发量为1 721.1 mm，降水集中分布在5－9月，冬季降水极少，降水量年内分布不均。区域内严重超载放牧，对脆弱的草原生态植被造成了严重地破坏，草原日益退化。全旗天然草地面积为19 749.1 km2，占总面积的96.97%，依据植被特征和生境条件，天然草地可分为温性草原类、温性荒漠草原类、温性草原化荒漠类、温性荒漠类及低地草甸类5种。

1.2 数据来源

研究使用的气象数据来源中国气象数据共享网，包括鄂托克旗、惠农、陶乐3个气象站1960－2016年的逐日数据，鄂托克旗境内仅有鄂托克旗站，故将周边站点惠农站和陶乐站也作为鄂托克旗的代表站。使用的遥感影像来自中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站（http://www.gscloud.cn/），包括鄂托克旗MODIS产品MOD11A2（全球1 km地面温度8 d合成数据）、MOD09A1（全球500 m地表反射率8 d合成数据），在GIS平台下，将鄂托克旗行政边界矢量化，通过泰森多边形法划分各站点代表区。鄂托克旗周边气象站点分布情况见图1。

选择鄂托克旗各类型天然草原的优势植物生育期作为作物生育期，优势植物的生育期通过朱娅坤等[11-12]对毛乌素沙地及内蒙古相关物候的研究，王庆锁等[13-14]对各类型油蒿群落生物量的研究及中国植物志网站综合确定。各草原类型面积分布及其优势植物种类见表1，鄂托克旗不同草地类型作物生育期见表2。

表1 鄂托克旗天然草原优势植物Table 1 Dominant plants of natural grassland in the Otog Banner

表2 鄂托克旗周边各站点代表区草地生育期划分Table 2 Grassland growth period division of representative areas in each station around the Otog Banner

1.3 植被生态需水量计算

采用改进的Penman-Monteith法计算鄂托克旗植被生态需水量。由于研究区域属于半干旱地区，植被生长会受到土壤含水率的限制，故采用土壤限制系数ks体现其影响程度，植被生态需水定额ETc按照按式（1）计算

式中ks为土壤水分限制系数；kc为作物系数；ET0为参考作物潜在蒸散量，mm。

1.3.1 参考作物潜在蒸散量

采用FAO-56 Penman-Monteith法[15]，考虑到气象要素对植被潜在蒸散量的影响，将水汽扩散理论和能量平衡理论相结合，其计算公式为

式中Δ为温度变化曲线和饱和水汽压之间的斜率，kPa/℃；Rn为作物表面的净辐射量，MJ/(m2·d)；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；u2为高2 m处的平均风速，m/s；es为饱和水汽压，kPa；ea为实际水汽压，kPa；γ为干湿表常数，kPa/℃；T为高2 m处的平均气温，℃。

1.3.2 植被系数

采用FAO推荐的分段单值平均作物系数法[16]计算草地的作物系数，该方法将整个生育期划分为生长初期、快速发育期、生长中期和生长后期4个阶段，整个阶段的作物系数变化由生长初期植被系数kcini、生长中期植被系数kcmid和生长后期植被系数kcend决定，可以使用线性插值计算发育生长阶段和后期生长阶段的kc。

kcini主要由土壤被湿润的时间间隔（初始生长天数除以降雨量）、湿润程度以及大气蒸发能力决定，可由生长初期的湿润间隔和生长初期平均ET0，综合生长初期植被系数分布图[14]确定；kcmid和kcend计算方法相同，按照式（3）确定

式中kc,min为植被稀疏部分土壤裸露条件下最小植被系数；kc,full为植被满覆盖条件下的植被系数；fp为地表植被实际覆盖度，%；fp,eff为有效植被覆盖度，%；h为生长中/后期植被平均高度，m。

1.3.3 土壤水分限制系数

土壤水分是制约该地区植物生长和分布的重要因子[17]。土壤水分限制系数ks是表示草地潜在蒸散量受土壤含水率影响程度的函数，按式（4）计算

式中θ为土壤含水率，m3/m3；θc为土壤临界含水率，m3/m3，土壤临界含水率一般为田间持水量的70%～80%，本文取80%；θz为土壤凋萎系数，m3/m3，根据云文丽等[18]在内蒙古地区所得到的土壤水文特征成果，确定田间持水量为10%～22%，土壤凋萎系数为1%～4%。

通过遥感数据反演[19]获得0～10 cm表层土壤含水率，并且与王思楠等[20-23]在毛乌素沙地和内蒙古全省对土壤含水率的研究成果对比分析，确定土壤含水率反演成果的可靠性。

在裸土、低覆盖植被作物土壤含水率与热惯量的关系式为

式中θ0为0～10 cm土壤含水率，m3/m3；a、b为土壤含水率反演模型参数，参考岳胜如[21]在反演内蒙古土壤水分数据时使用的参数，a和b分别取-21.91和219.73；P为土壤热惯量，J/（m2·K·s1/2），计算土壤热惯量的参数不易获取，所以实际中通常采用表观热惯量（ATI，Apparent Thermal Inertia）代替P。ATI计算公式[24]为

式中A为全波段反照率，使用Liang[25]对MODIS数据的全波段反照率得出的一般计算公式进行计算；ΔT为地表昼夜最大温差，K。

1.4 植被生态缺水量计算

生态需水量与有效降雨量之间的差值为生态缺水量[26]。植被生态需水可以从天然降雨中得到补给，但天然降雨在补给植被需水的过程中必然有所损失，故采用美国农业部土壤保持局[27]推荐干旱地区有效降水量的计算方法，即

式中Peff为有效降水量，mm/d；p为气象站实测日降水量，mm/d。

1.5 生育期水分盈亏情况

采用作物水分盈亏指数来表征生育期内水分盈亏情况，其计算公式[28]为

式中I为水分盈亏指数。

1.6 不同草地类型逐月生态水分盈亏量

各草地类型逐月生态水分盈亏量计算方法[26]如下：

式中Hi为草地第i月的生态水分盈亏量，mm；ETci为草地第i月的单位面积生态需水量，mm；Peffi为草地第i月的有效降雨量，mm。

1.7 非参数Mann-Kendall分析法

采用Mann-Kendall法[29]对序列进行趋势检验。构造Sk（秩序列），并以此分别绘制统计量UFk（原气象序列）和UBk（反向气象序列）曲线。通过分析UFk、UBk两线的关系，获取明确的突变时间和突变区域，进行序列的突变检验。序列的趋势变化可以通过分析UFk获得，若UFk大于0，则序列呈上升趋势；若UFk小于0，则序列呈下降趋势。

2 结果与分析

2.1 参考作物蒸散发时空变化特征

依据各代表站的气象资料，结合Penman-Monteith公式计算出各代表站1960－2016年生长季内的参考作物蒸散发量（图2）。由图可知，全旗生长季内平均ET0由西向东呈现带状递减变化。

鄂托克旗站、陶乐站、惠农站3个站点生长季内ET0多年平均值（表3）分别为988.8、989.3和1 032.6 mm，全旗多年生长季内ET0平均值为990.4 mm。鄂托克旗站生长季内ET0最小，陶乐站和惠农站次之，且陶乐站和惠农站的生长季内ET0相近，惠农站稍大。

表3 鄂托克旗各站点ET0特征值及趋势检验Table3 ET0 characteristic value and trend test of each station in the Otog Banner

利用Mann-Kendall检验方法对鄂托克旗生长季参考作物蒸散量进行趋势检验。1960－2016年鄂托克旗年均参考作物蒸散量呈现减少的趋势，线性趋势率为

-2.91 mm/10a。

2.2 各类型草原植被生态需水量

2.2.1 单位面积生态需水量和生态缺水量分析

根据鄂托克旗周边各站点57 a植被生长期的年降雨序列，采用频率分析法确定各站点的水文代表年份。通过计算各站点不同水文年的生态需水量、生态缺水量以及水分盈亏指数，来表征不同降雨情景下鄂托克旗天然草地水分盈亏情况。

不同生育期的kc在全旗分布情况见图3，鄂托克旗各生育期kc均呈现明显由西北向东南方向逐渐增加的带状分布，且零星点状穿插其中。各生育期kc是生态需水的重要影响因素，各生育期kc越大，单位面积生态需水越大。

生长季内全年平均ks在各代表站的分布情况见表4，结合上文得到的ET0以及有效降雨量的结果，最终得到全旗各水文年天然草地类型单位面积生态需水量，由于不同水文年各草地类型的分布情况相似，故本文中仅展示平水年的单位生态需水量分布图（图4）。

表4 鄂托克旗各草地类型土壤水分限制系数（ks）Table4 Soil moisture limiting coefficient (ks) of each grassland type in the Otog Banner

单位生态需水量由西向东逐渐增加，同样局部伴随点状分布。鄂托克旗站点状区单位生态需水量明显高于周围区域，对比地形图[30]发现，图中点状区域的分布与鄂托克旗的内陆湖泊分布相同，禾草草甸主要分布在东南部的湖泊周围及丘间洼地[31]，低地草甸类草地出现的地区都是鄂托克旗水资源较丰富的地区，土壤含水率对其生长的限制较小，且其生育期较长，故其单位生态需水较多。

通过计算各站点不同水文年生育期内的生态缺水量以及水分盈亏指数，来表征不同降雨情景下鄂托克旗天然草地生育期内水分盈亏情况（表5）。

表5 鄂托克旗不同草地类型生育期水分满足情况Table 5 Water satisfaction of different grassland types in growth period in the Otog Banner

各代表站不同草地类型几乎都存在单位面积生态缺水的情况，只有鄂托克旗站代表区的温性草原化荒漠类草地在丰水年和平水年、陶乐站代表区的温性荒漠草原类草地在丰水年没有缺水现象。鄂托克旗站的降雨量虽大，但其蒸散发能力较弱，就导致了生态需水量超过有效降雨，出现了水分短缺现象。陶乐站和惠农站降雨量均偏低，但陶乐站的蒸散发能力弱，而惠农站蒸散发能力强，导致惠农站严重缺水，陶乐站在丰水年还出现水分盈余的情况。由此可见降雨和蒸发是生态需水量的重要影响因素。鄂托克旗不同水文年的水分盈亏指数有明显差距，整体处于水分亏缺状态，尤其是惠农站代表区，在枯水年水分亏缺指数超过50%。就单位生态缺水量而言，全旗各代表站低地草甸类草地单位缺水程度最严重，其中惠农站最为严重、鄂托克旗站次之，陶乐站相对较轻。温性草原化荒漠类草地单位缺水程度最轻。

2.2.2 生态需水量分析

根据计算的各代表区不同草地类型单位生态需水量和单位生态缺水量，按照面积比例计算得到鄂托克旗各类型天然草地在不同水文年的生态需水量和生态缺水量，计算结果见表6。

表6 各类型天然草地不同水文年生态需水量和生态缺水量Table 6 Ecological water demand and water shortage of different types of natural grassland in different hydrological years 104 m3

鄂托克旗全年天然草地生态需水量在丰水年、平水年和枯水年分别为2.94×109、3.07×109和3.10×109m。由于温性荒漠草原类草地面积远大于其他草地类型，温性草原类草地面积最小，故同一水文年全旗温性荒漠草原类草地生态需水量最大，温性草原类草地生态需水量最小。不同草地类型的生态需水量由大到小依次为温性荒漠草原类、温性草原化荒漠类、低地草甸类、温性荒漠类、温性草原类。不同水文年各草地类型生态需水量差距并不明显。

鄂托克旗全年天然草地生态缺水量在丰水年、平水年和枯水年分别为2.72×108、5.00×108和1.15×109m3。全旗只有丰水年温性草原化荒漠类草地不存在缺水情况，同一水文年温性荒漠草原类草地缺水量最大，其余从大到下依次为低地草甸类、温性荒漠类、温性草原类、温性草原化荒漠类。

温性草原化荒漠类缺水程度最轻，是所有草地类型中最适宜鄂托克旗气候的草地类型，应予以适当发展。低地草甸类草地面积较小，但其生态缺水量却处于第2位，其缺水程度最大，草地生态环境有可能向恶性发展，可将该草地类型向人工草地转化。同类型草地不同水文年的生态缺水量从大到小为枯水年、平水年、丰水年，降雨越少，其生态需水则越多，生态缺水就越明显，就导致了“越旱越缺，越缺越旱”情况的出现。因此政府相关部门应积极做好降水的监测和旱情预报预警服务工作。

2.3 各类型草原植被生态需水与降水平衡关系

天然降雨及植被生态需水在时间上具有一定的差异性，且不同类型植被生态需水量也会存在不同。故本文对不同植被类型生态需水的盈亏状态进行逐月分析，以探究其差异性，见图5。

3月份鄂托克旗的草地不存在缺水现象，蒸散发量较小，各类植被即将进入生长初期，需水量较小，该月的降雨可为植被返青所需的水分做积累。4月份已经有部分植被类型出现缺水情况，温性荒漠草原类、温性草原化荒漠类、低地草甸类这3类草地存在缺水现象，温性草原类和温性荒漠类草地未出现缺水，这与草地进入生长初期的时间有着很大的关系，生长初期开始日期较早的草地，这一期间土壤含水率由于土壤解冻和当季降水而上升，土壤含水率对植被生长的限制较小，由于降雨量偏小，随着植被需水量的增加，缺水情况出现。

5月份出现了第1次缺水高峰，各类型草地均出现缺水情况，植被已进入或者即将进入快速发育期，植被开始迅速生长，生态需水量上升，但降雨并没有增加，导致出现了第1次缺水高峰。6月份，各类型草地盈余水量达到最大值，土壤水分进入消退期[32]，土壤含水率下降导致了生态需水量的下降，降雨略有增加，故出现盈余。7、8月份逐渐出现水分短缺现象，于7月份达到第2次的水分亏缺的高峰值。温性草原类和低地草甸类草地缺水偏大。各类型草地均进入稳定生长期，由于7、8月的降雨量增加，土壤含水率增加，导致生态需水增加，但降雨量的增加不足以补充需水量增加。9、10月份，各类草地进入生长末期，生态需水量减少，各植被类型需水量减少，逐步出现盈余现象。

3 讨 论

鄂托克旗近57 a参考作物潜在蒸散发呈现减少趋势。孙洁等[33]研究表明鄂尔多斯高原西部1957－2013年潜在蒸散发量总体呈下降趋势，本研究结论与其保持一致，分析结果合理。区域天然草地植被生长期内降雨难以满足其生长需求，只有合理调整草地类型分布，才有可能达到草地生态系统与人类和谐共生，实现草地的可持续发展。

本文计算以油蒿为优势植物的温性草原类和温性荒漠草原类草地6－9月的生态需水量为114.54～124.41 mm，高浩等[34]于2014年6－9月对单株油蒿的蒸腾耗水量进行了观测，单株油蒿蒸腾耗水量为101.66 mm，导致本结果偏大的主要原因为：在自然条件下油蒿必然以油蒿群落的形式出现，估算温性草原类和温性荒漠草原类草地时还应考虑其他草本的优势植物。本文中计算以珍珠柴为优势植物的低地草甸类草地6－10月的生态需水量168.47 mm，宋耀选等[35]于2005年6－10月对珍珠柴的耗水量进行了观测，6－10月的耗水量为172.11 mm。导致本结果有浮动现象的原因为天然草地中还有其他种类的植物，而进行试验测量时仅有一种植物。因此认为本研究结果可靠。

研究显示全旗内各草原类型草地均有不同程度的缺水，其中低地草甸类草地单位缺水程度最大。因此建议在低地草甸类分布的范围内发展人工草地，以优质的草地生产力置换目前天然草地的放牧压力，并且低地草甸类草地分布位置大多位于鄂托克旗水资源较丰富的地区，在对人工草地进行灌溉时，灌水成本相对较低。

鄂托克旗境内各草地类型在整个生长季中，6月为余水量最大月份，5月为缺水程度最严重的月份，水资源供需产生了时间上的差异，因此建议采取合适的水资源调控措施，合理储藏盈余水量，例如在盈余的月份将雨水储存在蓄水井、水窖和水库等储存库中，并在旱季使用这些储存的雨水，以解决不同季节雨水资源的时空不均问题。在草地出现生态缺水情况时，采取人工干预措施进行补充，以达到水-草-畜系统的平衡状态，避免生态环境的进一步恶化，确保鄂托克旗作为典型代表的风沙草原区畜牧业生产的可持续发展。

4 结 论

本文基于FAO推荐的Penman-Monteith公式，计算1960－2016年鄂托克旗的参考作物蒸散发，通过Mann-Kendall检验法分析1960－2016年鄂托克旗的参考作物需水量的变化趋势，并利用相关研究成果以及遥感数据反演土壤含水率，对不同代表区不同草地类型各水文年的生态需水和生态缺水进行计算，最后对年尺度和月尺度下不同类型天然草地生态需水和降雨资源之间的平衡关系进行分析。研究表明：

1）鄂托克旗全旗1960－2016年参考作物蒸散发呈现减少趋势，线性趋势率为-2.91 mm/10a。全旗生长季内平均ET0由西向东呈现带状递减变化。

2）鄂托克旗草地整体处于水分亏缺状态。惠农站代表区缺水较严重，水分亏缺指数在枯水年超过50%。

3）鄂托克旗全旗低地草甸类草地的生态需水量最大，温性荒漠类草地的最小。全旗全年生态需水量在丰水年为2.94×109m3、平水年为3.07×109m3、枯水年为3.10×109m3。全年生态缺水量在丰水年为2.72×108m3、平水年为5.00×108m3、枯水年为1.15×109m3。土壤含水率是制约草地生长的重要因素，土壤含水率越接近田间持水量，对草地植被生长制约越小，植被生态需水量越大。

4）通过生长季降雨平衡生态盈余变化规律分析可知：在整个生长季中，鄂托克旗各草地类型生态需水在3、6、10月为盈余状态，其余月份均为严重亏缺状态。6月为余水量最大月份，5月为缺水程度最严重的月份。建议在盈余的月份将雨水储存起来，并在旱季使用，以解决不同季节雨水资源的时空不均，充分利用盈余水量。