區(qū)域植被水分適宜性研究：基于中國(guó)西南季節(jié)性旱災(zāi)的評(píng)述

黃新會(huì)，李小英，穆興民，袁 華，梁?jiǎn)⒈?，?平，于?？?/p>

自2010年以來(lái)，中國(guó)西南地區(qū)頻發(fā)的季節(jié)性旱災(zāi)，不僅給災(zāi)區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和群眾生活造成嚴(yán)重影響，而且留給人們無(wú)盡的思考與啟發(fā)，已成為學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注和不懈探索的重大科學(xué)命題［1－2］。尤其是2010年在云南、貴州、廣西、重慶、四川5省（區(qū)、市）發(fā)生的歷史罕見，跨季節(jié)，持續(xù)性特大旱災(zāi)震撼華夏，驚動(dòng)世界。在旱災(zāi)發(fā)生、發(fā)展期間，乃至旱災(zāi)結(jié)束以后，針對(duì)旱災(zāi)成因的討論和爭(zhēng)議從未間斷，其中，關(guān)于旱災(zāi)是“天災(zāi)”還是“人禍”的爭(zhēng)論尤為激烈。在“人禍”論中，有學(xué)者指出：桉樹（Eucalyptus spp.）、橡膠樹（Hevea spp.）的種植是導(dǎo)致旱災(zāi)的“罪魁禍?zhǔn)住保?－4］。實(shí)際上，此前已有學(xué)者［5－8］認(rèn)識(shí)到桉樹、橡膠樹種植對(duì)生態(tài)環(huán)境的一些不良影響，也早有桉樹、橡膠樹是“抽水機(jī)”等觀點(diǎn)盛傳。然而，這些觀點(diǎn)更多的是一些專家、學(xué)者的感性認(rèn)識(shí)或個(gè)人見解，尚且缺乏實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的廣泛支持［9］。分析桉樹和橡膠樹，二者均為速生性經(jīng)濟(jì)樹種，都具有水分需求量大的生物學(xué)特點(diǎn)。因此，人們迫切需要回答這樣一個(gè)科學(xué)問題：具有高耗水特性的桉樹、橡膠樹，其在種植區(qū)的水分適宜性如何，進(jìn)一步講，其人工林的生態(tài)需水是否適應(yīng)于區(qū)域降水條件（或能否打破區(qū)域生態(tài)用水的供需平衡）進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域旱災(zāi)。換言之，區(qū)域降水條件是否滿足桉樹、橡膠人工林的生態(tài)需水（或能否維持區(qū)域水分收支平衡）從而規(guī)避旱災(zāi)。鑒于近年中國(guó)西南地區(qū)頻發(fā)的季節(jié)性旱災(zāi)中蘊(yùn)藏的重要科學(xué)問題，并結(jié)合該地區(qū)生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略考量與科技需求，本文主要探討該區(qū)域植被水分適宜性，重點(diǎn)分析其研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，并提出研究建議與主攻方向，以期為未來(lái)的植被水分適宜性研究提供指導(dǎo)。

植被水分適宜性研究是以植被生態(tài)需水為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)植被生長(zhǎng)環(huán)境的主要手段。植被生態(tài)需水為自然界或人工生態(tài)系統(tǒng)的重要需水類型，指為維持植被正常生長(zhǎng)或維持植被生態(tài)系統(tǒng)健康所需要的水量［10］，是水分適宜性研究的前提和基礎(chǔ)，也是生態(tài)需水研究的重要內(nèi)容。

1 植被（植物）水分適宜性研究概述

水分適宜性是從環(huán)境適宜性或氣候適宜性［11］研究中衍生出來(lái)的一個(gè)專業(yè)名詞。其主要表征植被（植物）對(duì)環(huán)境水分條件的適宜程度，同時(shí)也反映環(huán)境水分條件對(duì)植被（植物）生態(tài)需水的滿足程度［12］。在國(guó)內(nèi)，水分適宜性研究可追溯到20世紀(jì)80年代我國(guó)旱作區(qū)作物的水分利用研究和生長(zhǎng)環(huán)境評(píng)價(jià)。粗略估計(jì)，我國(guó)對(duì)植被（植物）的水分適宜性研究已有大約30a的發(fā)展歷程。這期間，我國(guó)學(xué)者針對(duì)旱作區(qū)作物的水分適宜性開展了一些研究。如姚小英等［12］、楊小利等［13］分別指出隴東地區(qū)種植玉米、蘋果的水分條件比較優(yōu)越，年均水分適宜度均在0.5以上；蒲金涌等［14］的研究顯示，1971—2008年甘肅省河?xùn)|地區(qū)夏秋作物水分適宜度均較低；楊東等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在隴南地區(qū)不適宜種植棉花，適宜種植大豆、玉米、小麥，但種植小麥需在其生長(zhǎng)中后期進(jìn)行適量的人工灌溉補(bǔ)水等［16－19］?？墒牵祟愌芯砍晒⒉欢嘁?。檢索結(jié)果表明，自1990年至今，國(guó)內(nèi)專業(yè)學(xué)術(shù)刊物發(fā)表的以水分適宜性（包括水分適應(yīng)性）為主題的研究論文不足50篇，國(guó)外針對(duì)水分適宜性（包括水分適應(yīng)性）的研究論文更為罕見。因此，從整體發(fā)展看，水分適宜性研究一直處于“徘徊”狀態(tài)，其仍然屬于植物水分利用和抗旱生理研究的一個(gè)方向，而沒有發(fā)展成為一個(gè)獨(dú)立研究領(lǐng)域。進(jìn)一步分析現(xiàn)有的研究成果發(fā)現(xiàn)，目前水分適宜性研究的對(duì)象、范圍、方法等均比較單一。以國(guó)內(nèi)為例，水分適宜性研究目前僅涉及甘肅、陜西、寧夏、山西等地區(qū)的主栽作物（如小麥、玉米 ）［12，14－15］及 少 數(shù) 經(jīng) 濟(jì) 林 物 種 （如 蘋 果、杏、桃）［13，16－17］等，研究方 法局限于模型計(jì)算，即根據(jù)大氣降水量和植物生理需水量的大小關(guān)系選擇相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式計(jì) 算 水 分 適 宜 度［12－14，16－17］或 采 用 模 糊 數(shù) 學(xué)方法構(gòu)建水分適宜度隸屬函數(shù)進(jìn)而計(jì)算函數(shù)值［15，18－19］（表1）。表明近30a世界范圍內(nèi)植被（植物）水分適宜性研究之發(fā)展極其緩慢。在多發(fā)季節(jié)性干旱的中國(guó)西南地區(qū)，植被（植物）水分適宜性研究基本是一片空白。然而，基于人工植被構(gòu)建的區(qū)域生態(tài)恢復(fù)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展對(duì)相應(yīng)科學(xué)技術(shù)的需求力度卻在逐年增加。無(wú)疑，植被（植物）水分適宜性研究徘徊不前的發(fā)展現(xiàn)狀已成為影響區(qū)域植被建設(shè)與生態(tài)恢復(fù)的重大障礙。加強(qiáng)植被（植物）水分適宜性研究的廣度和深度并推動(dòng)其向縱深發(fā)展已迫在眉睫。

2 植被生態(tài)需水研究的理論、方法與實(shí)踐

生態(tài)需水研究源自20世紀(jì)40年代美國(guó)為維持河道內(nèi)魚類生存而開展的河道基流（base flow）研究，之后發(fā)展到河岸帶生態(tài)需水研究，直到現(xiàn)在開展的流域、區(qū)域尺度上的生態(tài)需水研究。我國(guó)生態(tài)需水研究始于20世紀(jì)90年代西北干旱區(qū)生態(tài)恢復(fù)與重建研究。近年，隨著理論研究和實(shí)踐應(yīng)用的發(fā)展，生態(tài)需水研究已分化出側(cè)重于生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)、水文學(xué)的3個(gè)研究方向；同時(shí)，伴隨流域、區(qū)域生態(tài)需水研究的快速發(fā)展，植被生態(tài)需水研究也獲得較大發(fā)展。以國(guó)內(nèi)為例，近年植被生態(tài)需水研究的主要進(jìn)展有4個(gè)方面。

（1）基本厘清了生態(tài)需水的相關(guān)概念及其相互關(guān)系。如鄭紅星等［20］科學(xué)界定了生態(tài)需水、生態(tài)儲(chǔ)水、生態(tài)用水、生態(tài)缺水、生態(tài)耗水、生態(tài)退水等基本概念（表2），并提出兩個(gè)基本關(guān)系式，分別為：

生態(tài)缺水＝生態(tài)需水－生態(tài)儲(chǔ)水－生態(tài)用水

生態(tài)退水＝△生態(tài)儲(chǔ)水＋生態(tài)用水－生態(tài)耗水

表2 生態(tài)需水相關(guān)概念釋義

（2）初步建立了相對(duì)統(tǒng)一的生態(tài)需水分類體系。經(jīng)過多年探索，并在區(qū)分生態(tài)需水與環(huán)境需水［21］的基礎(chǔ)上，我國(guó)已初步建立起相對(duì)統(tǒng)一的生態(tài)需水分類體系。如依據(jù)需水的地理位置劃分出河道內(nèi)生態(tài)需水和河道外生態(tài)需水［22］，依據(jù)需水的實(shí)際來(lái)源劃分出降水性生態(tài)需水和徑流性生態(tài)需水［23］。這些分類體系已被普遍接受和應(yīng)用。

（3）完善和發(fā)展了生態(tài)需水的基本理論和計(jì)算方法。根據(jù)胡廣錄等［24］、胡廣錄和趙文智［25］對(duì)諸多研究成果的綜合分析，植被生態(tài)需水的基本理論有生態(tài)適宜性理論、系統(tǒng)閾值理論、水文循環(huán)和水量平衡理論、農(nóng)業(yè)氣象學(xué)理論，植被生態(tài)需水的計(jì)算方法有面積定額法（直接計(jì)算法）、潛水蒸發(fā)法（間接計(jì)算法）、基于植物蒸散發(fā)量的計(jì)算法、水量平衡法、基于生物量的計(jì)算法、基于遙感技術(shù)的計(jì)算法。這些理論和方法已在生態(tài)需水研究中得到廣泛應(yīng)用。

（4）廣泛開展了典型區(qū)域植被生態(tài)需水的個(gè)案研究。如先后計(jì)算了額濟(jì)納荒漠綠洲植被［26］、晉西黃土丘陵區(qū)植被［27］、石河子墾區(qū)植被［28］、大渡河流域作物［29］、典型 喀 斯 特 區(qū) 林 地［30］的 生 態(tài) 需 水，等 等［31－33］。事實(shí)上，近年植被生態(tài)需水研究已遍及湖泊（濕地）、河口（三角洲）、綠洲、灌區(qū)（墾區(qū)）、丘陵（溝壑、河谷、沙漠、盆地、平原、高原）、島嶼、城市、流域（區(qū)域）等各類生態(tài)系統(tǒng)（表3）并跨越不同研究尺度，表明植被生態(tài)需水研究廣度和深度都較以前有很大提升。不過，目前植被生態(tài)需水研究尚局限于干旱、半干旱區(qū)植被，而對(duì)其它氣候區(qū)植被生態(tài)需水的研究顯著偏少。如針對(duì)中國(guó)西南地區(qū)，目前僅見到對(duì)大渡河流域作物［29］和喀斯特區(qū)林地［30］的生態(tài)需水研究。這種研究狀況不利于區(qū)域植被建設(shè)和生態(tài)恢復(fù)以及水資源人工調(diào)控。在水資源供需矛盾日益加劇的未來(lái)，盡快打破植被生態(tài)需水研究的地區(qū)不平衡性已顯得刻不容緩。

國(guó)外生態(tài)需水研究也在多方面取得進(jìn)展，因篇幅限制，這里不再贅述。

表3 中國(guó)大陸境內(nèi)區(qū)域植被生態(tài)需水研究典型案例

3 區(qū)域植被類型與區(qū)域干旱的關(guān)系研究

根據(jù)氣侯學(xué)和植物地理學(xué)的基本原理，一個(gè)地區(qū)的氣候條件在很大程度上決定著該區(qū)域擁有何種植被類型；反過來(lái)，不同植被類型也對(duì)區(qū)域氣候環(huán)境產(chǎn)生一定的反饋調(diào)節(jié)作用。然而，區(qū)域氣候條件和區(qū)域植被狀況都不可避免地受人類活動(dòng)（如土地利用）的高度影響［34－35］。據(jù)此，不難看出區(qū)域植被類型與區(qū)域干旱之間的復(fù)雜關(guān)系。實(shí)際上，區(qū)域植被類型與區(qū)域干旱的關(guān)系是一項(xiàng)跨區(qū)域、跨學(xué)科的研究命題。目前，在區(qū)域生態(tài)學(xué)、全球生態(tài)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)出了一些有關(guān)人類活動(dòng)與氣候變化關(guān)系的研究成果，但在植被生態(tài)學(xué)、水文與水資源領(lǐng)域鮮有區(qū)域植被類型與區(qū)域干旱關(guān)系的研究報(bào)道。所幸，多年以來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)植被蒸騰耗水特性及其生態(tài)水文效應(yīng)的研究在穩(wěn)定推進(jìn)和持續(xù)發(fā)展。如對(duì)干旱、半干旱區(qū)植被蒸騰耗水的研究已由單一物種蒸騰速率（強(qiáng)度）的簡(jiǎn)單測(cè)定發(fā)展到對(duì)其環(huán)境影響因素的分析［36］，以及大尺度研究方法（如尺度轉(zhuǎn)換、模型計(jì)算）［37－38］的開發(fā)，人工調(diào)控技術(shù)手段（如地表覆沙）［39］的應(yīng)用等綜合研究，實(shí)驗(yàn)物種已涉及區(qū)域特有生態(tài)恢復(fù)物種［40］、景觀綠化物種［41］、經(jīng)濟(jì)作物［42］等，研究尺度也由個(gè)體延伸至生態(tài)系統(tǒng)（如林分）。植被的生態(tài)水文效應(yīng)如植被對(duì)降雨的截留作用［43－44］、對(duì)地表徑流和土壤侵蝕的削減作用［45－46］，對(duì)土壤水分的保蓄作用［47－48］，對(duì)受損環(huán)境的修復(fù)與改良作用［49－50］，對(duì)微環(huán)境氣候的調(diào)節(jié)作用［51－52］等已被廣泛研究和不斷認(rèn)知。這些基礎(chǔ)研究已為日后探索區(qū)域植被類型與區(qū)域干旱的關(guān)系創(chuàng)造了一定的研究條件，將有助于該領(lǐng)域的科學(xué)研究在未來(lái)取得重要突破。

上述分析表明，近年植被水分適宜性研究既取得一定進(jìn)展，如植被生態(tài)需水基礎(chǔ)理論比較完善、計(jì)算方法較為多樣；當(dāng)然，也遺留不少問題，如植被生態(tài)需水研究存在區(qū)域不均衡性，以植被生態(tài)需水計(jì)算為基礎(chǔ)的植被水分適宜性研究進(jìn)展緩慢和成果缺乏，區(qū)域植被類型與區(qū)域干旱的關(guān)系研究面臨跨區(qū)域、跨學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)的挑戰(zhàn)。

4 結(jié)論

基于中國(guó)西南地區(qū)植被水分適宜性研究嚴(yán)重滯后的現(xiàn)狀和亟待加強(qiáng)該領(lǐng)域研究工作的迫切需求，同時(shí)考慮到該地區(qū)多發(fā)的季節(jié)性旱災(zāi)以及社會(huì)各界對(duì)桉樹林、橡膠林等人工植被生態(tài)環(huán)境效益的質(zhì)疑和爭(zhēng)議，建議日后從多學(xué)科交叉的角度、應(yīng)用生態(tài)需水基本理論與計(jì)算方法對(duì)云南省典型植被的水分適宜性及其生態(tài)需水與區(qū)域干旱的關(guān)系開展專項(xiàng)研究。該研究有望揭示云南省典型植被的水分適宜性及其生態(tài)需水與區(qū)域干旱的關(guān)聯(lián)程度，對(duì)于區(qū)域旱災(zāi)成因的科學(xué)認(rèn)知、水資源的科學(xué)配置以及植被恢復(fù)與重建等具有深遠(yuǎn)指導(dǎo)意義。其主攻方向和重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容為：（1）區(qū)域典型植被的生態(tài)需水及其歷史演變。借助不同歷史年代（如1960年以來(lái)的各個(gè)年代）或不同歷史年份（如1960年以來(lái)的各個(gè)年份）各個(gè)研究區(qū)的歷史氣象資料，并結(jié)合某一時(shí)期（如1960年）以來(lái)云南省典型植被類型的歷史演變與分布格局的研究成果，采取目前比較認(rèn)可的植被生態(tài)需水計(jì)算方法，如聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）推薦的作物系數(shù)法，研究掌握不同歷史年代（年份）區(qū)域典型植被的生態(tài)需水及其歷史演變規(guī)律。（2）區(qū)域典型植被水分適宜性及其歷史演變。在確定不同歷史年代（如1960年以來(lái)的各個(gè)年代）或不同歷史年份（如1960年以來(lái)的各個(gè)年份）各個(gè)研究區(qū)典型植被的生態(tài)需水量并掌握相應(yīng)歷史年代（年份）區(qū)域降水量的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于植被生態(tài)需水量和大氣降水量的區(qū)域典型植被水分適宜度計(jì)算模型，研究確定不同歷史年代（年份）區(qū)域典型植被的水分適宜性及其歷史演變規(guī)律。（3）區(qū)域典型植被水分適宜性與區(qū)域干旱的關(guān)系。假定區(qū)域典型植被水分適宜性以及區(qū)域降水量、大氣溫度、水汽蒸發(fā)量等共同影響并決定區(qū)域氣候條件和干旱程度，應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析方法，對(duì)比分析不同歷史年代（年份）區(qū)域典型植被水分適宜性與區(qū)域干旱指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性、區(qū)域降水量與區(qū)域干旱指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性、區(qū)域大氣溫度與區(qū)域干旱指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，以及區(qū)域水汽蒸發(fā)量與區(qū)域干旱指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，最終探明區(qū)域典型植被水分適宜性的時(shí)空演變是否與區(qū)域干旱密切關(guān)聯(lián)，同時(shí)掌握區(qū)域典型植被水分適宜性對(duì)區(qū)域干旱指標(biāo)的影響程度與其它主要干旱因子之間的差異。

致謝：本文的撰寫得到西北農(nóng)林科技大學(xué)宋松柏教授、張廣軍教授以及中科院水利部水土保持研究所張興昌研究員、王占禮研究員、馬永清研究員的大力支持與幫助，在此向他們致以衷心和誠(chéng)摯的感謝。

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