北京平原造林工程对生态需水量的影响研究

王 展 鹏，柯 樱 海*，潘 云，李 志 萍，孙 颖，张 怀 清

(1.首都师范大学城市环境过程与数字模拟国家重点实验室培育基地/首都师范大学水资源安全北京实验室，北京 100048;2.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195;3.中国林业科学研究院资源信息研究所，北京 100091)

0 引言

随着社会经济快速发展和城镇化不断推进，北京市水资源严重短缺，环境压力日益突出[1-6]。为改善城市生态环境，打造绿色宜居之都，北京市于2012年启动了平原地区百万亩人工造林项目，以“两环、三带、九楔、多廊”为总体布局，按照“以城市发展新区为主体、城市功能拓展区为重点、生态涵养发展区为补充”的原则构建平原区生态空间结构[7，8]。平原区造林工程改变了原有的土地利用类型，满足造林区植被生长的水资源量也随之变化，及时掌握和量化造林工程对生态需水量的影响，对北京水资源合理利用和生态可持续发展具有重要意义[9]。目前，平原造林工程生态效益相关研究主要集中在生态安全[10]、热环境改善[2]、大气质量提升[11]方面，对生态需水量的影响研究相对欠缺。

植被生态需水量指为保证植被生态系统健康生长、确保其生态服务功能正常发挥而必须消耗的水量。由于系统蒸散耗水量是生态需水主要的水分支出项，因此，植被蒸(散)发原理是估算植被生态需水量的主要理论基础。目前，Penman-Monteith公式[12]作为联合国粮农组织(FAO)的推荐方法，精度较高[13]，已广泛应用于天然植被、耕地以及城市植被的生态需水量估算。例如：杨媛媛等[14]、周晓东[15]利用该方法分别估算了孔雀河流域天然植被和云南小江流域植被的生态需水量；Shojaei等[16]在该方法的基础上开发了WUCOLS和LIMP方法，用于估算伊朗伊斯法罕市的景观需水量；王学等[17]利用该方法估算了河北平原冬小麦面积收缩后的节水量；曹永强等[18]利用该方法并结合有效降雨量分析了河北省邯郸市主要作物的需水情况。综上，本文以北京市平原新造林区为研究区，研究时段选取气象条件相近的2010年和2018年，基于卫星遥感数据、气象及土地利用数据，充分考虑造林前后植被覆盖度，利用FAO-56 Penman-Monteith公式，定量分析造林前后生态需水量时空变化特征，探究造林工程引起的土地利用变化对生态需水量的影响，为北京水资源合理分配和优化利用、生态环境恢复和可持续发展提供科学依据和决策参考。

1 研究区和数据

本文研究区为北京市东南部平原区(图1)，整体海拔低于100 m，约占北京市总面积的39%。该区属温带大陆性季风气候，雨热同期，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，降水季节分配不均，全年降水的80%集中在6-8月，多年平均降水量约527 mm。北京市水资源主要来自降水产生的径流、降水对地下水的补给及外部水系对区域径流的补给。近年来，城市化进程加速了水资源消耗，主要地表供水水源密云水库年径流量从20世纪50年代的16.6亿m3降至2018年的5.34亿m3(不考虑调水部分)，下降明显[19]，地下水也存在长期严重超采现象。虽然南水北调工程缓解了一部分供水压力，但水资源短缺仍是北京市绿色发展面临的难题。为改善平原区生态环境，北京市于2012年启动“百万亩造林工程”，提高东南部平原区及延庆平原区森林资源体量，至2017年底累积造林117万亩。

图1 研究区概况Fig.1 Overview of the study area

本文研究数据包括：1)2010年、2018年研究区内所有气象站点数据，来源于中国地面气候资料日值数据集和中国辐射日值数据集[20]，包括气温、风速、湿度、压强、降水、净辐射等日值数据。由图2可知，2010年和2018年月平均气温(3-5月除外)、月平均降水(7月除外)与累年平均值较接近。2)2010年、2018年土地利用/覆盖数据(图3，彩图见封3)，来源于中国多时期土地利用/覆盖遥感监测数据库[21]，土地类型包括耕地、林地、草地、水体、建设用地和未利用地6个一级类型以及25个二级类型，分类精度达85%以上。3)2012-2018年平原造林工程分布图斑数据(图3)，由其他文献数据综合而得[9,22]。

图2 北京市平原区2010年与2018年气温与降水量变化Fig.2 Change of temperature and precipitation in the plain area of Beijing in 2010 and 2018

图3 2010年和2018年北京市土地利用/覆盖及平原区造林分布Fig.3 Land use/cover and plain afforestation distribution in Beijing in 2010 and 2018

2 研究方法

2.1 植被生态需水定额和需水量

植被蒸散量在不受水分限制条件下，仅与植被的生理特性和外界蒸发条件有关。本文利用Penman-Monteith公式分别估算新造林区2010年耕地(不含休耕地、温室大棚)、林地、草地及2018年林地的植被生态需水定额ETp(mm/d)和需水量W(m3/d)。计算公式如下：

ETp=ET0×Kc×Ks

(1)

(2)

W=ETp×Ap

(3)

式中：ET0为参考作物的蒸散量(mm/d)；Kc为植被系数；Ks为土壤水分系数；Rn为植被表面的当日净辐射通量(MJ/m2)；G为土壤热通量密度(MJ/m2)；γ为干湿表常数(kpa/℃);T为当日平均气温(℃)；U2为2 m高度处的平均风速(m/s)；es为饱和蒸汽压(kpa)；ea为实际蒸汽压(kpa)；Δ为温度—蒸汽压曲线斜率(kpa/℃)；Ap为植被实际覆盖面积。

植被系数Kc指不同生长期内植物的生态需水量与参考作物蒸散量的比值,植被系数在全生育期具有稳定性，在不同生育期相对不稳定。限于实验条件等原因，本研究无法精确获得Kc，因此根据前人研究及新造林区实际情况确定Kc。2010年新造林区内的植被主要为耕地、林地和草地，耕地又分冬小麦、夏玉米及轮作耕地。其中，冬小麦、夏玉米的Kc参考文献[23,24]确定，轮作耕地的Kc由小麦在10月至次年5月和玉米在6-9月的Kc合并计算；林地常见树种包括国槐、杨树、白蜡、银杏等数十种[24]，各类树种的植被系数存在差异，为简化计算，本文综合文献[25-27]中的植被系数。最终采用的植被系数Kc值如表1所示。

表1 各月各类型植被的Kc值Table 1 Vegetation coefficient(Kc) of each vegetation type in each month

土壤水分系数Ks与土壤含水率相关，一般采用 Jensen 公式[14]确定土壤水分供应不足时植被的实际蒸散量随土壤含水率的变化情况。对于农作物，为获得最佳产量，亏缺的水分会通过灌溉补给，因此一般认定耕地进行了充分灌溉，其土壤水分系数Ks取1。对于非农业系统，不需要累积更多生物量以生产可收获的作物，植被的灌溉量一般会低于农作物[28]。参照文献[29]，计算草地、林地适宜需水量时，Ks为0.87，计算满足植被基本生长的最小生态需水量时，Ks为0.36。

实地调查表明，新造林区仍存在大面积裸露土壤，有必要计算植被覆盖度，从而计算新造林区的植被实际覆盖面积Ap。本文通过Landsat数据计算Ap,公式为：

(4)

式中：N为某植被类型在造林图斑内的Landsat像元数量；Fvci为第i个像元内的植被覆盖度；A为Landsat像元面积，本文A=900 m2。

借助谷歌地球引擎(GEE)云平台，基于2010年和2018年Landsat 5 TM、Landsat 7 ETM+、Landsat 8 OLI数据，通过去条带、去云、去阴影处理后，求取新造林区图斑内各像元的NDVI全年最大值，再利用混合像元分解模型中常用的线性像元二分模型计算植被覆盖度Fvc[30]，公式为：

Fvc=(NDVIveg-NDVI)/(NDVIveg-NDVIsoil)

(5)

式中：NDVI为当前像元归一化植被指数；NDVIveg为纯植被覆盖像元的NDVI值；NDVIsoil为纯裸土覆盖像元的NDVI值。

受大气、地表湿度的改变以及粗糙度、土壤类型、植被类型等不同的影响，NDVIsoil和NDVIveg并非固定值。参考文献[30]，对于2010年或2018年,分别利用当年最大NDVI分布图,以2%置信度截取NDVI的上下阈值，高值作为当年的NDVIveg，低值作为当年的NDVIsoil，得到新造林区2010年和2018年植被覆盖度(图4，彩图见封3)。以Fvc=0.3为阈值，当像元Fvc值大于0.3时，则认为该像元为造林覆盖区域。

图4 2010年与2018年北京市平原新造林区植被覆盖度Fig.4 Vegetation coverage of the plain afforestation area in Beijing in 2010 and 2018

2.2 植被生态缺水定额

为评价降水能否完全满足单位面积植被的生态需水，本文利用植被生态缺水定额QEW(mm/d)评价植被缺水情况[23,29,31]，计算公式为：

QEW=ETp-Pe

(6)

Pe=a×P

(7)

式中：Pe为日有效降水量(mm/d)；a为降水入渗系数；P为日降水量(mm/d)。

本文根据经验参数及文献[29]认为：当单次降水大于50 mm时，a=0.8；当单次降水为5～50 mm时，a=1；当单次降水小于5 mm时，a=0。将计算获得的逐日植被生态缺水数据累加可得逐月数据。

2.3 耕地类型划分

新造林区包括一部分退耕还林地块，不同农作物类型和种植方式对生态需水量影响较大，因此有必要对新造林区划分耕地类型。根据北京市统计年鉴[32]，2010年北京耕地面积为22.4万hm2，其中玉米、蔬菜及食用菌、小麦为主要耕种类型，分别占15万hm2、6.8万hm2和6.2万hm2，部分耕地存在冬小麦、夏玉米轮作现象[33]；2018年玉米、蔬菜及食用菌、小麦的耕种面积分别为4万hm2、3.6万hm2和1万hm2，相比2010年玉米和小麦面积减小明显。结合文献[34]，本研究推定造林占用的主要为玉米和小麦的耕种用地。由于北京平原区小麦一般在10月份播种，次年6月初收获，玉米在6月份播种，10月初收获[35]，因此以修正后的新造林区图斑(图3)为边界，分别提取2009年11月-2010年5月及2010年6-9月最大NDVI空间图，分别计算两个时期的植被覆盖度Fvc。当Fvc大于0.6时，认为有农作物耕种；若两个时期Fvc都大于0.6，则认为该地块为冬小麦、夏玉米轮作；若Fvc均小于0.6，则认为该像元处于休耕状态[36]。

3 结果与分析

3.1 新造林区土地利用类型转化来源分析

由2010年新造林区土地利用分布情况(图5，彩图见封3)可知：1)新增造林总面积为656.61 km2，占平原区总面积的10.61%，呈片状主要分布在大兴、通州、顺义、房山、昌平城市发展新区，多为退耕还林区。其中，耕地为515.52 km2，占新造林区面积的78.51%，一年一熟的玉米为主要作物类型，面积约288.7 km2，占新造林区耕地面积的56%；一年两熟的冬小麦、夏玉米轮作耕地面积约为187.33 km2，占新造林区耕地面积的36.35%，与2010年北京市统计年鉴数据[32]相符；剩余7.65%的耕地未种植玉米和小麦。2)靠近城市中心的新造林区一部分围绕环线分布，以行道树为主，另一部分呈点状分布，多为城市绿地公园(如东郊森林公园等)。这部分新造林区主要来源于建设用地(76.72 km2)，占总造林面积的11.69%。3)其余土地利用类型占比较小且零散，基本是将已有植被区域和裸露区域改造为绿地公园或湿地公园等。研究结果与北京市平原区百万亩植树造林规划基本相符。

图5 2010年北京市平原新造林区土地利用类型分布Fig.5 Land cover type of the plain afforestation area in Beijing in 2010

3.2 新造林区生态需水/缺水定额逐月变化特征

由图6a可以看出，2010年林地与2018年林地的逐月适宜生态需水定额近似，仅在下半年相差48.55 mm，说明两年气候条件近似，对生态需水量的影响十分有限；草地生物量比林地少，总体生态需水定额相对较低，2010年草地适宜生态需水定额较林地少75.56 mm，进行造林改造后，生态需水量有所增加；对于耕地而言，冬小麦种植期和玉米种植期的总生态需水定额分别为301.45 mm和337.75 mm，对于仅种植玉米的耕地，适宜生态需水定额略低于林地，但玉米冬小麦轮作耕地的需水定额远高于林地。从逐月变化看，冬小麦在冬季休眠期过后蒸散发量迅速上升，从返青期到收获期(2-5月)，需水定额多达250.31 mm，特别是4-5月抽穗灌浆期生态需水量达到峰值；同期林地适宜需水定额明显偏低，仅为106.48 mm。玉米在6-10月生长期内需水定额达到337.75 mm，而同期林地适宜生态需水定额明显偏低，特别是在9月份，林地适宜生态需水定额低42～44 mm。一般农作物需充分灌溉，而草地、林地可在适当缺水的条件下生长，对比图6a和图6b可以看出，耕地的适宜生态需水定额远高于林地、草地的最小生态需水定额。

图6 不同植被生态需水定额Fig.6 Ecological water demand quota of different vegetation

由2010年和2018年植被适宜生态缺水定额与最小生态缺水定额(图7)可知，耕地的缺水定额在春季较高，其中，冬小麦在2-5月缺水尤为明显，缺水总额达210.92 mm。北京春季降水量少，而耕地在该时期生态需水量较大，导致自然降水在该时期无法满足农作物生长需求；同期，草地和林地生态需水量较小，在满足适宜生长条件下，2010年春季缺水定额分别为29.6 mm和61.23 mm(图7a)。夏季降水量充沛，能满足各类型植被的生态需水量，即使2010年7月降雨量偏少，也能基本达到林地和草地的最小生态需水量(图7b)。秋冬季节降水量少，但也基本可以满足新造林地的最小生长需求，秋季基本处于植被生长季末期，对植被的生态影响较小。从全年看，在适宜生长条件下，2018年新造林地缺水总额为-51.95 mm，在满足人工林基本生存条件下，新造林地全年缺水总额为-309.21 mm。

图7 不同植被生态缺水定额Fig.7 Ecological water shortage quota of different vegetation

3.3 新造林区生态需水量空间分布变化

统计北京市各区新造林地2010年、2018年的最小、适宜生态需水量。由于耕地与其他植被的生态、经济价值不同，仅统计其充分灌溉条件下的生态需水量，而林地、草地则分别统计其维持基本生存的最小生态需水量以及满足正常生长的适宜生态需水量(表2)。从空间分布看，靠近城市中心最小生态需水量小幅增加，远离城市中心生态需水量则显著减少。北京城市功能区中，首都功能核心区和城市功能拓展区(海淀区除外)新造林区的最小生态需水量由2010年的232.5万m3增至2018年的337.4万m3，生态涵养发展区新造林区的最小生态需水量由2010年的2 008.5万m3减至2018年的1 239.7万m3(减少38.28%)，城市发展新区新造林区最小生态需水量减少幅度最大(49.81%)。总体而言，2018年的最小生态需水量较2010年减少了8 884万m3(减少47.22%)；而2018年适宜生态需水量较2010年增加了4 382.6万 m3(22.34%)，其中，首都功能核心区和城市功能拓展区增幅最大(73.99%)，生态涵养发展区增幅为19.55%，城市发展新区增幅则较小(2.43%)。

由于2010年与2018年的气象条件存在一定差异，为控制影响因素，以2018年气象条件为基准，基于2010年新造林区的土地利用情况计算最小生态需水量和适宜生态需水量(表2)。可以看出，造林改变了土地利用，使得新造林区植被最小生态需水量减少11 677.4万m3(减少54.05%)，适宜生态需水量增加1 496万m3(增加6.65%)。

表2 各行政区新造林区植被生态需水量Table 2 Ecological water demand of vegetation in the afforestation area in each district 万m3

3.4 造林工程对不同土地类型生态需水量的影响

北京平原区造林导致的土地利用变化是生态需水量时空变化的决定性原因。退耕还林面积占新造林地的78.51%，极大减少了农业用水的消耗。由图8可知，2010年耕地生态需水量为18 250万m3，占新造林区需水量的97.00%；若以2018年气象条件为基准，耕地生态需水量为20 978万m3。退耕还林后，2018年该区域人工林的最小生态需水量仅为7 878.3万m3(图8b)，同等条件下减少了62.45%，说明若仅维持林地的基本生存，退耕还林的节水效果十分显著。根据北京市水资源公报[37,38]，2010年北京市农业用水量为11.4亿m3，2018年减少至4.2亿m3，一定程度上验证了造林后农业需水量减少。耕地的需水压力远大于林地，尤其是春季北京降水量少，单位种植面积缺水定额大(图7)。夏季玉米的需水定额虽然更大，但北京此时降水量充沛，基本能满足其需水量。赵久然等[39]的研究也表明，雨养旱作即可保证玉米的生态需水。相比而言，除非在枯水年春季过于干旱，一般情况下，林地仅靠降水就能基本满足全年各月最小需水量。

图8 2010年与2018年新造林区各土地类型生态需水量Fig.8 Ecological water demand of various land types in the afforestation area in 2010 and 2018

从适宜人工林生长的角度而言，2018年退耕还林区的适宜生态需水量相比2010年稍有增加，但若以2018年气象条件为基准，退耕还林后适宜生态需水量则有所减少(图8a)。林地的适宜生态需水定额小于全年有效降水量486.69 mm，说明全年降水量可以满足林地生长发育需求。北京全年80%降水集中在夏季，此时有效降水相比植被生态需水量仍有盈余；而春季是人工林生长的关键时期，此时降水较少，人工林处于缺水状态，应进行有效灌溉。从长远看，应充分利用北京雨水夏季多、春秋少的特点，开展林地节水集雨技术应用，满足新造林区的需水量[40]。

生态需水量变化较大的其次为建设用地，包括城区行道树、绿地公园的建设和农村居民点的改造，其最小生态需水量在造林后为1 091.2万m3，占2018年新造林区最小需水总额的10.99%。未利用地由于面积占比低，在造林前降水或流入地下管网、河流，或自然蒸发，基本未被利用或利用率较低，在植树造林后这些地方通常被改造为滨河公园、湿地公园，最小生态需水量在2018年为247.7万m3，占总额的2.50%。

4 结论

本研究以北京平原新造林区为研究区，基于气象、土地利用以及遥感数据，利用FAO Penman-Monteith植被蒸散发方法，同时考虑新造林区植被覆盖度，估算了2010年和2018年新造林区各植被类型生态需水量，对比分析了植树造林前后新造林区植被生态需水量及其逐月变化特征和空间分布特征，得出以下结论：

(1)综合考虑平原造林图斑数据及遥感提取的植被覆盖度信息，平原区新增造林(不含延庆平原区)总面积约656.61 km2，其中78.51%的新造林地由耕地转化而来，建设用地、未利用地腾退造林占14.27%；新造林地在城市发展新区和生态涵养区呈片状分布，在功能核心区和拓展区呈线状和点状分布。

(2)耕地各月份的生态需水定额高于林地，特别是在春季，冬小麦需水定额远高于林地的适宜生态需水定额。从缺水定额的角度看，耕地缺水量巨大，必须进行大量灌溉才能保证收成，而正常条件下春季降水基本能维持林地生存，因此植树造林的节水效果显著，会极大减轻灌溉用水压力。

(3)在新造林区总生态需水量的变化上，2018年的最小生态需水量比2010年减少了8 884万m3(减少47.22%)，适宜生态需水量增加了4 382.6万m3(增加22.34%)；以2018年的气象条件为基准，由土地利用变化导致的新造林区最小需水量减少了11 676.4万m3(减少54.05%)，适宜需水量仅增加了1 496 万m3(增加6.65%)。一般在林木移栽初期，需进行有效灌溉，此后无须充分灌溉，实际生态需水量会明显减少。

总体而言，北京平原区通过大规模退耕还林缓解了需水压力。由于林地树种类型繁多，本文在计算中未能考虑新造林区的具体树种类别。为更合理评估生态需水量的变化情况，今后应考虑具体林木构成和不同土壤条件[41]，评价不同造林树种的生态需水量；同时，充分考虑水资源承载力[42]，提高降水利用效率，为北京新一轮平原造林工程提供建议。