疏勒河中下游地区植被生态需水量时空变化研究

2021-12-08李曼王妞妞刘焕才

人民黄河 2021年11期

李曼王妞妞刘焕才

摘要：在氣候变化和水资源短缺的背景下，研究疏勒河中下游地区植被生态需水量变化，对流域水资源调配、生态系统平衡及疏勒河绿洲可持续发展具有重要意义。采用面积定额法和潜水蒸发法，计算并分析了1980—2018年疏勒河中下游地区植被生长期（4—10月）生态需水量及时空变化趋势，结果表明：研究区草地多年平均生态需水量（6.4亿m3）高于林地的（0.5亿m3）;年际上，植被生态需水总量上升，变化率为0.04亿m3/10 a，其中，草地生态需水量总体增加（变化率为0.07亿m3/10 a），林地生态需水量总体减少（变化率为0.04亿m3/10 a）;生长期内，4—7月植被需水量占总需水量的63%，7月植被需水量达到最大值1.38亿m3，7—10月需水量逐渐下降;空间上，中游地区需水总量略高于下游地区的，其中林地生态需水量大于下游地区的，草地生态需水量与下游地区的基本持平。

关键词：气候变化;生态需水;时空变化;疏勒河流域

中图分类号：TV213 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.018

引用格式：李曼，王妞妞，刘焕才.疏勒河中下游地区植被生态需水量时空变化研究[J].人民黄河，2021，43（11）：97-102.

Study on Temporal-Spatial Variation of Vegetation Ecological Water Demand in the

Middle and Lower Reaches of Shule River

LI Man WANG Niuniu1， LIU Huancai1，3

（1.School of Geographical Sciences， Shanxi Normal University， Linfen 041000， China; 2.Northwest

Institute of Ecological Environment and Resources， Chinese Academy of Sciences， Lanzhou 730000， China;

3.School of Geography and Tourism， Shaanxi Normal University， Xian 710062， China）

Abstract： Under the background of climate change and water shortage， the study on the change of vegetation ecological water demand in the middle and lower reaches of Shule Riverbasin is of great significance for water resources allocation， ecosystem balance and sustainable development of Shule River oasis. In this paper， the area quota method and the phreatic evaporation method were adopted to calculate and analyze the temporal and spatial variation trend during the vegetation growth period （April-October） in the middle and lower reaches of Shule River basin from 1980 to 2018. The results show that the average annual ecological water demand of grassland （640 million m3） is higher than that of woodland （50 million m3） in the study area. On the annual， the total ecological water demand of vegetation fluctuated and increased with the change rate of 4 million m3/10 a， among which， the ecological water demand of grassland is increased （7 million m3/10 a） and the ecological water demand of forest is decreased （4 million m3/10 a）. During the growing period， the vegetation water demand accounts for 63% of the total amount from April to July， reaches to the maximum value of 138 million m3 in July and gradually decreases from July to October. Spatially， the total water demand in the middle reaches is slightly higher than that of in the lower reaches， among which the ecological water demand of forest land is greater than that in the lower reaches and the water demand of grassland is basically the same as that in the lower reaches.

Key words： climate change; ecological water demand; temporal and spatial variation; Shule River Basin

水是生命之源、生态之基，关系着干旱区绿洲兴衰和植被演替，制约着区域环境与经济的可持续发展[1]。国外生态需水量研究始于20世纪40年代的河道枯水流量计算，80年代初形成了生态需水量分配研究的雏形，90年代进入流域综合管理阶段，研究对象从河道内扩展到河道外生态系统[2-3]。1970年我国开展了关于河流最小流量的研究，生态需水量问题引起人们关注。目前，生态需水量计算方法中，潜水蒸发法和面积定额法最为常见，其中：潜水蒸发法侧重于植物蒸腾与潜水位的关系研究，适用于依赖地下水生存的天然植被需水量计算;面积定额法综合了大气环境、植被生态特性及其生长状况、土壤水分条件等因素对植被蒸散量的影响，适用于植被生长基础条件较好、植被类型多样的人工绿洲区[4]。叶朝霞等[5]基于塔里木河流域生态水文过程，利用群克公式和阿维里扬诺夫公式计算并分析了植被的生态需水量;孙栋元等[6-8]分析了地下水、土壤水与植被的关系，采用潜水蒸发法计算了植被的生态需水量;闵庆文等[9-11]揭示了气候因子、土壤水分含量、植被种类差异等因素对植被蒸散量的影响，利用面积定额法计算了林地最小和适宜生态需水量;杨媛媛等[12]采用Penman-Monteith公式计算分析了植被的生态需水量，揭示了气象要素和植被面积对生态需水量的影响。

疏勒河流域位于我国西北干旱区，这里“有水则绿洲、无水则荒漠”，是对全球气候变化最敏感的区域之一[13]。该流域植被由天然植被和人工植被组成。本文尝试利用潜水蒸发法、面积定额法的均值来估算生态需水量，以提高计算精度，并针对植被生态需水量的时空变化进行分析，探寻影响生态需水量变化的主要因素，以期为流域水资源管理、优化配置以及保护、恢复生态环境提供参考。

1 研究区概况

疏勒河是河西走廊三大内陆河之一、国家7个水权试点流域之一，也是我国“一带一路”建设的重要节点区域、丝绸之路经济带的核心区[14-15]。疏勒河流域中下游地区东至甘肃省玉门市花海乡，西达甘肃省瓜州县西湖乡，是东西长300 km的狭长地带（见图1），包括位于疏勒河中游的玉门市、下游的瓜州县。玉门市（海拔1 526 m）有祁连山地、走廊平原和马鬃山地3种地貌形态，分布着绿洲、戈壁、山地和荒地;瓜州县（海拔1 170 m）地貌形态主要为走廊冲洪积平原、山区、戈壁。研究区冲积扇及绿洲过渡地带分布着低覆盖植被;走廊绿洲区主要是人工植被;绿洲边缘地带是高覆盖植被，主要有乔木、灌木、防护林等[8]。这里干旱少雨，年均降水量不足50 mm，年均蒸发能力达1 860 mm，极端干旱的气候使得各植被类型主要依赖地下水生存。随着中游城镇化的快速发展，地表水被大量引用，人类活动导致区域生态用水严重不足，造成土壤盐碱化、土地沙化等严重的生态环境问题。

2 研究方法

研究所采用气象数据源自玉门市气象局和瓜州县气象局，包括1980—2018年的日最高气温、最低气温、相对湿度、风速、日照时数、日降水量、蒸发皿蒸发数据等。植被面积数据来源于中国科学院资源环境科学与数据中心（http：//www.resdc.cn），借助ArcGIS10.4裁剪出疏勒河中下游地区1980年、1990年、1995年、2000年、2005年、2010年6期Landsat TM影像数据和2015年、2018年2期Landsat 8影像数据，并提取包括2个一级分类、7个二级分类的植被面积数据。选取影像的成像時间均为4—10月，该时间段地物信息最为丰富，光谱信息比较明显，且云量均低于5%，影像质量较高。

2.1 面积定额法

植被生态需水量计算公式：

Wv=∑ni=1Ai·ETc（1）

ETc=Ks·Kc·ETo（2）

式中：Wv为生态需水总量，m3;Ai为i类植被的面积，m2;ETc为生态需水量定额，m3/hm2;Ks为土壤水分修正系数;Kc为植被系数，由植被类型及生长状况确定;ETo为植被潜在蒸散量，mm。

（1）植被系数Kc。结合研究区植被类型及生长状况，并参考相关研究成果[16-20]，拟定典型植被的植被系数Kc，见表1。

（2）土壤水分修正系数Ks。土壤水分修正系数与土壤质地和土壤含水量有关，本文参考文献[17]，并利用Jensen公式计算得出酒泉市土壤水分修正系数Ks，见表1。当Sw≤S≤S*时，修正系数为

Ks=ln[（S-Sw）/（S*-Sw）·100+1]ln 101（3）

式中：S为土壤实际含水量，g/kg;S*为土壤临界含水量，g/kg，其值为田间持水量的70%～80%;Sw为土壤凋萎含水量，g/kg。

（3）植被潜在蒸散量ETo。植被蒸散量受气候和土壤水分影响，采用热量平衡方程和空气动力学方程相结合的半经验蒸散量计算公式（Penman-Monteith公式）计算植被潜在蒸散量[21]。

ETo=0.408Δ（Rn-G）+γ900Tmean+273U2（VPs-VP）Δ+γ（1+0.34U2）（4）

式中：Rn为达到作物冠层的净辐射，MJ/（m2·d）;G为土壤热通量，MJ/（m2·d）;Tmean为距地面2 m处的日平均气温，℃;U2为距地面2 m处风速，m/s;VPs为饱和水汽压，kPa;VP为实际水汽压，kPa;Δ为水汽压曲线斜率，kPa/℃;γ为干湿表常数，kPa/℃。

2.2 潜水蒸发法

植物蒸腾与潜水位关系密切，采用基于阿维里扬诺夫公式（潜水蒸发模型），计算不同类型植被潜水蒸发量：

Wv=∑12j=1∑ni=1Ai·ETij·K（5）

ETij=a（1-Hi/Hmax）b·（E20）ij（6）

式中：K为植被系数，根据地下水埋深确定;ETij为i类植被j月的潜水蒸发量，mm;a、b为经验系数和指数;Hi为i类植被的地下水埋深，m;Hmax为潜水极限埋深（停止蒸发时的地下水埋深），荒漠区以4.5 m为极限，有植被覆盖区域以5.0 m为极限;E20为20 cm小型蒸发皿的蒸发量，mm，1980—2018年疏勒河中下游地区4—10月蒸发皿蒸发量见表2。

（1）植被系数K。参考河西走廊玉门市和瓜州县南桥的试验资料、河西走廊黑河及石羊河流域试验成果，利用式（7）计算资料中缺失的K值[22-23]，得出研究区典型植被潜水埋深Hi为1.00、1.50、2.00、2.50、3.00、3.50、4.00时，对应的植被系数K分别为1.98、1.63、1.56、1.45、1.38、1.29、1.00。

K=1 353.5exp[-（Hi+16.596.79）2]+

1.07exp[-（Hi-3.131.92）2]（7）

（2）其他参数。参考玉门、张掖等地试验数据及相关研究成果[8]确定相关参数，见表3。其中，经验系数a、指数b值与植被覆盖、土质有关，本文取a为0.62、b为2.8。

3 结果与分析

3.1 结果验证

在疏勒河流域中下游地区，通过影像解译无法明确区分天然林草地与人工林草地，但通过实地调查及参考1980—2018年《玉门市统计年鉴》和《瓜州县统计年鉴》发现，近年来，人工林草地规模呈明显增大态势，以2016年为例，疏勒河中下游地区新增人工林地面积8 530 hm2。利用计算天然植被需水量的潜水蒸发法和计算人工植被需水量的面积定额法的平均值计算研究区生态需水量，结果见表4。研究发现，面积定额法计算结果（6.715亿m3）整体小于潜水蒸发法的（7.180亿m3）。在研究范围和内容一致的情况下，将潜水蒸发法计算结果7.180亿m3与文献[6]计算结果对比，相对差值为17.8%。为避免单一计算方法的不确定性，取两种算法的平均值6.947 0亿m3与文献[6]计算结果对比，差值较小，结果更加合理。

3.2 生态需水量时间变化分析

（1）年际变化。1980—2018年研究区植被生态需水量、生态需水定额的年际变化见图2。1980—2018年植被需水总量变化率为0.04亿m3/（10 a），1980—1995年需水量呈下降趋势。植被需水定额与降水量变化趋势相一致且滞后于降水量，受面积变化影响，植被需水量最终与面积变化趋势相一致。另外，研究区草地多年平均生态需水量（6.4亿m3）高于林地的（0.5亿m3）。

林地需水量整体呈下降趋势，1995年后先波动上升后下降，变化率为0.03亿m3/（10 a）。灌木林地需水量年际变化幅度最小，变异系数CV值仅为0.02，其面积变化不明显是导致需水量变化幅度小的直接原因;2015—2018年有林地、疏林地和其他林地需水量下降显著但程度不同，归因于农户违法占用林地后林地面积减少及气候变化下林地植被成活率下降。遥感影像中2018年有林地面积为0，使得需水量骤减，CV值为0.4，生态需水量年际变化幅度最大。

草地需水量变化率为0.07亿m3/10 a，1995—2018年草地需水量增长率达0.2亿m3/10 a，归因于1990年后降水量显著增加，草地需水定额显著上升，其趋势与孙栋元等[6，8，15]的研究结果一致。2015—2018年因草地面积增加显著，故高覆盖草地需水量增长率达0.7亿m3/（10 a）;1980—2000年降水减少导致土壤含水量减少，土壤水分修正系数变小，中覆盖草地、低覆盖草地需水量下降明显。气候条件、土壤含水量及植被种类不同直接影响植被蒸散量，最终导致不同植被生态需水量存在显著差异[24]。

（2）生长期变化。研究区植被生长期集中在4—10月，1980—2018年研究区植被生长期月均生态需水量见图3。4—7月需水量上升，7月需水量达到最高值1.38亿m3，7—10月需水量下降。

夏季降水量增加，土壤含水量增大，土壤水分修正系数增大。4—7月林地需水量持续上升，7月达到峰值0.12亿m3。其中，有林地、灌木林地CV值分别为0.48、0.43，需水量变化大于疏林地和其他林地的。4—7月有林地、灌木林地、疏林地需水量分别占其生长期需水总量的67.0%、68.0%、73.2%，需水量占比大，4—7月是植被生长的关键期，应合理分配不同类型植被需水量。

4—7月气温快速回升，植被蒸散發加快，草地需水量呈上升趋势，7月达到峰值1.26亿m3，之后蒸散发减弱，需水量下降明显。受气候变化影响，高覆盖草地需水量变化最大，CV值为0.33;低覆盖草地需水量变化最小，CV值为0.25。4—7月高覆盖草地需水量占生长期需水总量的63.0%，低覆盖草地需水量占生长期需水总量的66.0%，水资源调配中要重视对低覆盖草地、高覆盖草地的供给。

3.3 生态需水量空间变化分析

疏勒河流域中游、下游生态景观不同，生态需水量也存在差异。玉门市、瓜州县植被生态需水量见表5，1980—2018年玉门市生态需水总量大于瓜州县的，林地需水量是瓜州县的近2倍，草地需水量略大于瓜州县的。

不同植被类型生态需水定额不同，使植被间生态需水量存在差异，但面积变化对生态需水量的影响更加明显。2000年前，两地有林地面积均保持稳定，需水量变化不明显。但2000年后，两地需水量变化显著。玉门市灌木林地面积最大，瓜州县疏林地面积最大，1980—2018年玉门市灌木林地需水量占其林地总需水量的91.3%，灌木林地需水量是瓜州县的近6倍;瓜州县疏林地需水量占其林地总需水量的56.7%，疏林地需水量是玉门市的近5倍。

1995—2018年两地高覆盖草地生态需水量均呈上升趋势，其中，玉门市的变化率为0.08亿m3/（10 a），瓜州县的为0.1亿m3/（10 a）。中游和下游地区有着不同植被类型和种植面积，玉门市高覆盖草地需水量是瓜州县的近7倍，中覆盖草地需水量是瓜州县的近2倍。玉门、瓜州两地区低覆盖草地需水量分别占所在地区草地需水总量的70.7%和87.0%，高覆盖草地需水量占所在地区草地需水总量的比例均最小，分别为10.4%和1.3%。

4 结论与讨论

疏勒河绿洲系统中，天然林草地和人工林草地规模均占有相当比例，且近年来呈明显增长态势。天然林草地和人工林草地生长环境不同，植被生理特性及生态需水量差异明显，采用潜水蒸发法和面积定额法，考虑依赖地下水生存的天然林草地的生长特性，同时综合大气环境、土壤水分等因素对人工林草地的影响，计算得出不同类型植被的生态需水量，对流域水资源调配、生态系统平衡及疏勒河绿洲可持续发展具有重要意义。

1980—2018年流域植被生态需水量在时空范围内发生了显著变化。年际上，植被生态需水总量变化率为0.04亿m3/（10 a），1995—2018年整体呈波动上升趋势。其中：草地生态需水量呈增加趋势（变化率为0.07亿m3/（10 a）），林地呈减少趋势（变化率为0.04亿m3/（10 a））。气候变化影响下的不同丰平枯水年植被生态需水量不同，另外，不同植被对气候的敏感性不同，也会导致需水量产生差异。生长期内，生态需水总量呈先上升后下降趋势，7月生态需水量达到最大，为1.38亿m3。因此，流域水资源管理和配置中应合理调配生态用水量。空间上，流域中游、下游生态景观明显不同，生态需水量也存在差异。其中，中游地区林地需水量大于下游地区的，草地需水量与下游地区基本持平，需水总量略高于下游地区的。水资源的优化配置和合理开发利用有利于当地实现生产、生活、生态的可持续发展。

在气候变化背景下，降水、气温等气象要素及人类活动导致的植被面积变化是影响疏勒河流域植被需水量变化的两大重要因素。1980—2018年疏勒河流域中下游地区降水量整体呈波动上升趋势，降水量的增加直接影响绿洲生态用水量的供应，最终导致不同植被生态需水定额增加。研究发现，植被需水定额与降水量变化趋势相一致且滞后于降水量。此外，1995年以来研究区最低气温、最高气温均呈显著上升趋势，导致植被蒸散量增大，最终影响植被需水定额及生态需水量的变化。因此，在流域水资源管理中，应重视并合理分配生产生活用水，保证生态用水，避免湿地萎缩、土地荒漠化等生态问题加剧。

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