石媛媛, 馬國軍, 王雅云, 姜田亮, 張恒嘉
(甘肅農(nóng)業(yè)大學 水利水電工程學院, 甘肅 蘭州 730070)
生態(tài)需水研究涵蓋了生態(tài)學、水文學、植物生理學、統(tǒng)計學、地理學等學科,是當前研究的熱點。生態(tài)需水最早由國外學者所提出,用于避免河流生態(tài)退化,探究河道內(nèi)生物種群變化、魚類產(chǎn)量與所需水量的關(guān)系,目的在于滿足航運要求、保護魚類等。國外關(guān)于生態(tài)需水的研究多集中在河流生態(tài)和植被上。Covich[1]提出基于生態(tài)恢復(fù)和建設(shè)及系統(tǒng)健康發(fā)展所需最小水量為生態(tài)需水量。Cleick[2]從生物多樣性及生態(tài)整合性角度提出生態(tài)系統(tǒng)所需要的最小需水量。Tennant[3]認為河道內(nèi)所需最小生態(tài)需水量是多年平均流量的10%。我國生態(tài)需水研究起步較晚,自20世紀90年代起,國內(nèi)眾多研究者從不同角度、不同區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)需水問題進行了探索研究。郭巧玲等[4]從生態(tài)系統(tǒng)原動力出發(fā),提出生態(tài)需水劃分為天然生態(tài)需水和人工生態(tài)需水。鄧坤等[5]從水循環(huán)角度提出河道內(nèi)生態(tài)需水主要包括:河道基本生態(tài)需水、蒸發(fā)滲漏需水、沖淤輸沙需水三類。宋蘭蘭等[6]從反映河流水文情勢的徑流因素中篩選水文指數(shù),構(gòu)建河流生態(tài)需水的計算方法。高凡等[7]指出生態(tài)需水概念的界定應(yīng)考慮時間性、空間性和目標性。呂妍等[8]強調(diào),植被類型、土壤理化特征、水資源利用情況等因子,都對生態(tài)需水的量化有著重要的影響。陳敏建[9]則從水循環(huán)理論出發(fā),分層次分析能量轉(zhuǎn)化規(guī)律,對我國不同區(qū)域的生態(tài)類型進行劃分。張樹軍等[10]從柴達木盆地水資源開發(fā)利用、植被現(xiàn)狀與地下水埋深和含鹽量響應(yīng)關(guān)系入手,估算盆地植被生態(tài)需水量。白元等[11]利用RS和GIS技術(shù),運用緩沖區(qū)梯度分析方法對林地分布結(jié)構(gòu)和生態(tài)需水進行研究。施文軍等[12]提出,生態(tài)需水研究需要考慮差異化水量、水量交叉、尺度轉(zhuǎn)換和評價體系4個方面內(nèi)容。蒙格平等[13]從全球生態(tài)系統(tǒng)水分平衡角度、維持生態(tài)系統(tǒng)健康與穩(wěn)定角度及保護和改善生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā)論述了生態(tài)需水內(nèi)涵。經(jīng)過幾十年的研究積累,在豐富生態(tài)需水內(nèi)涵的同時還面臨著很多問題,諸如生態(tài)需水內(nèi)涵模糊不清,沒有統(tǒng)一的認知、生態(tài)需水理論依據(jù)不完善、生態(tài)需水估算方法多而雜亂,現(xiàn)階段直接套用公式計算結(jié)果誤差大等。
鑒于此,以民勤荒漠綠洲為例,在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上,完善生態(tài)需水內(nèi)涵和理論基礎(chǔ),對比分析各生態(tài)需水估算方法的差異性,提出適宜民勤綠洲的生態(tài)需水估算方法,為合理配置和調(diào)度水資源提供理論依據(jù)。同時著眼于未來,探索適宜于民勤荒漠綠洲植被生態(tài)需水量計算的新途徑、新方法,探討植被生態(tài)需水研究的難點及發(fā)展趨勢。
民勤縣隸屬于甘肅省武威市,位于甘肅省西北部、河西走廊東北部、石羊河流域下游,東、西、北三面被騰格里和巴丹吉林大沙漠包圍。民勤縣的總面積約為1.6×106hm2,綠洲面積為1.44×105hm2,僅占總面積的8.99%,綠洲外圍沙漠面積為1.12×106hm2,占總面積的70%,且綠洲內(nèi)部還有沙漠面積為0.14×104hm2。
民勤縣氣候干燥,多風沙、少降雨,多年平均降雨量為116 mm,蒸發(fā)量在2 000 mm左右。從上世紀60年代起至今,民勤綠洲西部和北部沙漠一直向前推進,有70%以上的天然沙生植被衰退,雖然一直在建設(shè)防風固沙林,但只在局部地帶有效阻止了沙漠入侵并使部分沙化土地轉(zhuǎn)為人工綠洲,土地沙化總體上仍呈發(fā)展趨勢,仍以每年2~3 m的速度在侵蝕綠洲,荒漠化面積持續(xù)擴大[14]。石羊河總水資源量和可利用的水資源量在河西三大內(nèi)陸河中都是最少的,但經(jīng)對比發(fā)現(xiàn),其經(jīng)濟用水量相比最多,生態(tài)用水量最少。石羊河流域需水量大于可供水量,整個流域尚且如此,可想而知,處于石羊河下游的民勤縣可利用水資源必然極為緊缺。根據(jù)民勤縣統(tǒng)計局統(tǒng)計資料匯編顯示,民勤盆地農(nóng)業(yè)灌溉用水連年減少,從2006年的5.62×108m3減少到2010年的3.1213×108m3再到2015年的2.2314×108m3;生態(tài)用水量近幾年呈增長趨勢,由2011年的0.1424×108m3增加到2013年的0.6790×108m3再到2015年的1.1867×108m3,其他各部門用水都處在穩(wěn)定水平。由此看出維持生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定,保護荒漠綠洲植被生態(tài)安全的水量都是通過擠占農(nóng)業(yè)灌溉用水來實現(xiàn)的。石羊河下游民勤盆地水資源緊缺引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境及社會問題,已嚴重制約和影響到區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展,引起了黨中央、國務(wù)院及社會各界的廣泛關(guān)注[15-16]。
生態(tài)需水是存在于生態(tài)系統(tǒng)中的客觀需求量,根據(jù)研究地域的不同,有多種定義和內(nèi)涵。生態(tài)系統(tǒng)是在特定時空范圍內(nèi),生物與其生存環(huán)境之間進行相互作用的統(tǒng)一整體,水是生命體進行物質(zhì)交換和能量流動的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著人口增長、區(qū)域經(jīng)濟高速發(fā)展,水資源的需求量必然有增無減,人類對水資源的利用從滿足基本生存到發(fā)展國民經(jīng)濟,從和諧開發(fā)變成無序掠奪。在高強度的人類干擾下,生態(tài)系統(tǒng)退化嚴重,尤其是位于中國內(nèi)陸腹地的西北干旱區(qū),人類生產(chǎn)、生活用水和生態(tài)需水的矛盾日益加劇,不合理的水資源配置和大量擠占生態(tài)用水,使得西北干旱區(qū)出現(xiàn)了諸如河道斷流、水庫干涸、土地沙化、植被大量枯梢死亡等生態(tài)環(huán)境問題[17]。用水主體的權(quán)益難以得到保障,影響到西北干旱區(qū)的政治穩(wěn)定和國土生態(tài)安全。通過總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究成果,明晰了以植被生長為主體的生態(tài)需水內(nèi)涵。
本文認為荒漠綠洲植被生態(tài)需水,是指在一定的時空范圍內(nèi)需要提供特定數(shù)量和質(zhì)量的水,用以維持荒漠綠洲生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和其功能效應(yīng)的發(fā)揮,是開放系統(tǒng)對抗不良干擾條件和維持自身良性發(fā)展所必須消耗的水量,是水文循環(huán)的重要內(nèi)容,且不以人類意志改變。此外,生態(tài)需水量與生態(tài)環(huán)境需水量雖僅有兩字之差,但其內(nèi)涵卻不同,前者出發(fā)角度是動植物的生存和生長發(fā)育,著重強調(diào)生態(tài)性,后者則更多考慮保護水環(huán)境、景觀等,著重強調(diào)社會性。
生態(tài)缺水與生態(tài)退化存在著必然的聯(lián)系,系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)和功能的不良變化表達對生態(tài)的不適應(yīng)性。在人口和經(jīng)濟集中分布的綠洲地帶,生態(tài)環(huán)境通過綠洲面積減少、地下水位下降、沙塵暴危害加劇、人居環(huán)境惡化等方式來表達危險信息[18-19]。民勤縣自20世紀70年代以來,中上游來水量減少,水量不足以支撐經(jīng)濟建設(shè),使得開采地下水成為必然趨勢,地下水位普遍下降10~20 m,有些地方甚至下降達30 m。2003年總需水量為7.172×108m3,地下水開采量高達5.27×108m3占總需水量的74%,自2007年實施《石羊河流域重點治理規(guī)劃》以來,地下水開采量由2007年的4.92×108m3減少到2015年的1.1493×108m3,民勤荒漠綠洲生態(tài)環(huán)境有所改善,部分地區(qū)地下水位已有所上升,據(jù)甘肅省水文局觀測數(shù)據(jù)顯示,2012年民勤縣地下水位平均較上年上升了0.085 m,青土湖地下水位較2007年上升了0.54 m。張瑞君等[20]研究表明,民勤縣2000-2009年水資源壓力指數(shù)由0.627降到0.329,水資源壓力有所減緩,但水資源短缺問題仍然嚴峻。
陳亞寧等[21]提出,天然植被恢復(fù)和生長的合理地下水位的研究是確定生態(tài)需水的基礎(chǔ)?;哪G洲植被生態(tài)系統(tǒng)良性可持續(xù)發(fā)展所需的水量是一個范圍,隨著降雨、蒸發(fā)、植被種類、植被覆蓋度等的變化而變化。但變化的范圍應(yīng)該處在最適宜生態(tài)需水量與飽和生態(tài)需水量之間。如果生態(tài)需水量低于或高于生態(tài)系統(tǒng)承載能力,整個生態(tài)系統(tǒng)就會出現(xiàn)震蕩,若沒有得到有效的解決,超過臨界值,生態(tài)系統(tǒng)就失去原有的結(jié)構(gòu)和功能,發(fā)展成另一種生態(tài)系統(tǒng),重新選擇適宜的物種種類,這也是系統(tǒng)閾值的直觀表現(xiàn)。民勤地區(qū)植被生長的適宜地下水埋深為2.5~4.5 m,當?shù)叵滤裆?.5 m時平均土壤含水量為15.5%,主要有檉柳、白刺、沙棘和梭梭等灌木,當?shù)叵滤裆畲笥?.5 m時嚴重威脅到荒漠綠洲植被的安全,大多數(shù)植被枯槁死亡,因此,將4.5 m和15.5%作為植被正常生長的適宜地下水埋深值和適宜土壤含水量下限值[22]。
人類利用水資源的同時,改變了徑流形成條件、運動過程和耗散規(guī)律,破壞了水文循環(huán)的天然屬性,這種干擾通過能量積累與傳遞,由點到線到面逐步變化,最后擴展到整個空間,影響該流域面積內(nèi)的生態(tài)效應(yīng),使得水文循環(huán)基本格局變化,生態(tài)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)隨之變化。位于民勤縣境內(nèi)的紅崖山水庫2002蓄水量為0.3277×108m3,2008年蓄水量為1.3212×108m3,2015年蓄水量為2.6306×108m3,2004年生態(tài)用水量為1.133×108m3,此后逐年遞減的到2011年的0.1424×108m3,之后又逐步增多到2015年的1.1867×108m3,上游來水量和民調(diào)水量的增長保證了人類生存和經(jīng)濟社會發(fā)展所需的一部分水量,用于生態(tài)建設(shè)的水則依據(jù)植被的生長規(guī)律進行季節(jié)性調(diào)控,由此改變原始徑流狀態(tài),繼而改變原有綠洲植被的物質(zhì)能量循環(huán)。民勤湖區(qū)的濕地面積有所增加,物種豐富度有所提高,蔣友嚴等研究表明從2000年調(diào)水前到2010年調(diào)水后民勤綠洲面積占比從 8.93% 增加到11.98% ,說明該區(qū)域的水資源調(diào)控措施是有利于民勤綠洲生態(tài)恢復(fù)的[23]。
農(nóng)業(yè)氣象學的基本任務(wù)在于研究自然資源和自然災(zāi)害的時空分布規(guī)律,研究農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的耗水規(guī)律及其影響因素與調(diào)控措施。建立和健全生態(tài)農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報系統(tǒng),為地域規(guī)劃、植被、作物的合理布局、人工調(diào)節(jié)小氣候等服務(wù)[24]。利用農(nóng)業(yè)氣象原理研究生態(tài)需水時,應(yīng)主要從太陽輻射(光強、光能利用率),熱量條件(土壤溫度、界限溫度、溫周期),水分(土壤水分類型、土壤水分系數(shù)、土壤水勢與水分傳輸、影響蒸散的量因素),空氣與風等入手,依托于GIS的農(nóng)業(yè)氣象情報,記錄包含氣象、時間、空間等信息,對民勤綠洲小氣候類型進行細分,建立荒漠植被與氣象因子的響應(yīng)關(guān)系,探究各影響因素的重要性指數(shù)。黃慶忠基于GIS技術(shù)和農(nóng)業(yè)氣象學原理從熱量因子、水分因子、光照因子入手對環(huán)江縣農(nóng)業(yè)氣候進行區(qū)劃[25]。
目前,植被生態(tài)需水估算方法尚不夠成熟,還沒有形成統(tǒng)一的標準,現(xiàn)有大約200多種估算方法涉及河流生態(tài)需水、河口生態(tài)需水、湖泊生態(tài)需水和旱地生態(tài)需水,計算方法的多樣性使得計算結(jié)果差異很大[26]。 我國西北干旱區(qū)常用的方法有以下幾種:
該法適用于基礎(chǔ)工作較好的地區(qū),如人工綠洲及防風固沙林等。計算的核心是通過實驗測得不同類型植被的生態(tài)需水定額。在計算時一般以具有代表性的植被的生態(tài)需水定額為參考,以此來估算整個系統(tǒng)的植被生態(tài)需水量。民勤綠洲通過人工種植的方式,平均每年營造以梭梭為主的防風固沙林1.04133×104hm2,平均每年退耕還林約2.16174×104hm2。用面積定額法能夠準確和簡便的計算人工林部分的植被生態(tài)需水量。
干旱區(qū)植被生長所需水量主要是由區(qū)域潛水蒸發(fā)供給,依據(jù)實際蒸散量約等于潛水蒸發(fā)量來間接計算植被生態(tài)需水量,適用于降水稀少蒸發(fā)強烈的干旱區(qū)。主要是用某一類型植被面積與該類型植被所處地下水的潛水蒸發(fā)量及植被系數(shù)的乘積,得到該面積下該植被生態(tài)需水量,各種植被生態(tài)需水量之和,即為該地區(qū)植被生態(tài)需水總量。
適用于水分條件充足且植被蓋度較高地區(qū),通過直接計算荒漠綠洲植被植被的蒸散發(fā)耗水量來確定植被耗水量,結(jié)合地面觀測的蒸發(fā)量來計算生態(tài)需水定額。一般采用阿維里揚諾夫公式、改進后的Penman公式、蒸滲儀法、道爾頓經(jīng)驗公式等。阿維里揚諾夫計算公式為:
E=a(1-H/Hmax)b·E0
(1)
式中:E為潛水蒸發(fā)量,mm/d;H為地下水埋深,m;Hmax為極限地下水埋深,m;E0為水面蒸發(fā)量,mm/d;a、b為與植物有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)。
主要以單位水量產(chǎn)生的干物質(zhì)的量及水分利用效率為基礎(chǔ)的計算方法,適用于地下水水位過低,植被生存僅能依靠大氣降水支撐的地區(qū)。當?shù)叵滤淮笥?.5 m時,潛水蒸發(fā)幾乎為零,僅有低蓋度草地和少量梭梭、檉柳、白刺等物種存活。在運用生物量法計算時,一般考慮植被地上部分,對植被地下部分的考慮不夠重視,因此計算結(jié)果可信度降低。徐先英等[27]研究指出,降雨對梭梭、檉柳、白刺的貢獻率分別為43.25%、58.4%和196%。
利用RS、GIS、GPS建立全方位監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),對區(qū)域水資源及相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和采集,3S技術(shù)的綜合使用可獲得連續(xù)的地表輻射、年際溫度變化和土壤水分變化等,準確提供生物及其生存環(huán)境的能量信息、熱量信息,其中通量觀測系統(tǒng)可對生態(tài)系統(tǒng)水熱通量進行連續(xù)觀測。目前已利用遙感方法對蒸散發(fā)過程進行反演模擬,但精度均在80%以下[28]。3S技術(shù)還能夠提供大范圍地表及下墊面特征信息,監(jiān)測綠洲面積變化、綠洲水域面積變化等。并對區(qū)域自然地理進行分區(qū)、對群落生態(tài)系統(tǒng)中的地帶性植被和非地帶性植被進行分類,劃分出荒漠生態(tài)系統(tǒng)、荒漠綠洲過渡區(qū)生態(tài)系統(tǒng)、綠洲生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)等。3S技術(shù)為生態(tài)安全評價及生態(tài)需水計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),是未來準確計算生態(tài)需水必不可少的技術(shù)手段,需要注意的是在數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)換時要保證內(nèi)容完整,邏輯一致。目前已利用ArcGIS多層面疊加功能,將石羊河流域北部平原劃分為2個生態(tài)功能區(qū)及6個亞區(qū)[29]。
關(guān)于干旱區(qū)受破環(huán)非完全覆蓋的天然植被生態(tài)需水研究,聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)提出了基于參考作物蒸發(fā)蒸騰量和作物系數(shù)、土壤水分限制系數(shù)的方法(Penman-Monteith公式):
ETp=ET0·kp·ks
(2)
式中:ETp為植被生態(tài)需水定額,mm/d;ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量,mm/d;kp為植被系數(shù);ks為土壤水分限制系數(shù)。
基于對以上幾種計算生態(tài)需水方法的總結(jié),結(jié)合民勤荒漠綠洲的水文氣象條件、土地利用類型及植被分布信息,提出適宜民勤綠洲的方法步驟是:先利用3S技術(shù)對該區(qū)域進行分區(qū),得出不同植被類型的土地利用面積、植被群落分布特點及地表特征信息,綠洲大部分荒漠區(qū)依靠地下水生長的植被可采用潛水蒸發(fā)法,在小部分人工防護林區(qū)域可采用面積定額法來計算。綠洲內(nèi)部荒漠區(qū)采用阿維里揚諾夫公式和蒸滲儀法進行計算,根據(jù)地面實際勘測有準確參數(shù)時可采用FAO提出的Penman-Monteith公式來計算。需要注意的是,在計算總量時,還要考慮到地表徑流與地下徑流補給之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系,才能準確量化綠洲植被生態(tài)需水。
干旱綠洲區(qū)生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的核心是綠洲植被的恢復(fù)與生長,這就明確了需水主體和需水研究方向。在多年研究進程中,干旱綠洲區(qū)植被需水問題逐漸清晰和明朗,眾多學者提出的估算方法都為計算植被生態(tài)需水奠定了基礎(chǔ)。但在有些方面還有待發(fā)展,例如缺乏一個普遍適用的判別標準來評價生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展;需要開發(fā)出以荒漠綠洲植被季節(jié)性需水為主體的評估方法,使植被生態(tài)需水量呈現(xiàn)動態(tài)變化;植被生態(tài)需水模型之間對比分析結(jié)果還需依據(jù)實際情況進行驗證;從微觀變化反映宏觀特征時的尺度轉(zhuǎn)換依據(jù)不夠明確等。民勤荒漠綠洲的植被生態(tài)需水研究涉及多領(lǐng)域、多層面,各影響因子之間存在非線性耦合關(guān)系,必須用復(fù)雜性視角來探究荒漠綠洲植被生態(tài)需水。
民勤荒漠綠洲是西北干旱區(qū)的組成部分,在全國生態(tài)格局上具有重要的戰(zhàn)略地位,國家已投入大量的人力、物力、財力用于治理民勤綠洲,當?shù)卣沧隽舜罅抗ぷ鳎Y源壓力有所減小,但水資源問題卻仍未緩解,植被生態(tài)需水問題在內(nèi)涵和量化方法上雖有較大進展,但是問題依舊復(fù)雜,任務(wù)依舊艱巨。這就要求生態(tài)需水研究要以民勤荒漠綠洲現(xiàn)階段的生態(tài)環(huán)境為基礎(chǔ),以生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展作為穩(wěn)定的表現(xiàn)形式,收集水文氣象資料與植被信息,對比和優(yōu)選植被生態(tài)需水計算方法,建立植被蓋度、密度、豐度對降雨量、地下水埋深等因素的響應(yīng)關(guān)系,明析復(fù)雜系統(tǒng)的相互關(guān)聯(lián)性,為荒漠綠洲植被生態(tài)需水量化研究奠定基礎(chǔ)。
以土壤剖面含水量、土壤水分通量和水分運動變化規(guī)律為基礎(chǔ),建立潛水蒸發(fā)對土壤水勢、植物葉水勢的響應(yīng)函數(shù),探究潛水與SPAC系統(tǒng)的耦合機制,深入分析GSPAC系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化及水信息傳遞,揭示植被生態(tài)需水機理。同時,采用驅(qū)動力—狀態(tài)—響應(yīng)概念作為研究植被生態(tài)需水的基本框架,選取土地利用面積、經(jīng)濟發(fā)展、人口規(guī)模、水資源量等因子建立復(fù)雜性視角下植被生態(tài)需水與其影響因素間的關(guān)系網(wǎng)絡(luò),認清植被生態(tài)需水與影響因素的變化規(guī)律,預(yù)測荒漠綠洲植被生態(tài)需水的發(fā)展態(tài)勢。利用植被系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征與水文生態(tài)特征,制定符合民勤荒漠綠洲的植被類型和水文生態(tài)條件適宜程度識別指標體系,探究植被生態(tài)需水驅(qū)動機制。以此準確了解植被生態(tài)系統(tǒng)的需求和生態(tài)修復(fù)活動的效果,及時評價人類活動對綠洲植被的影響程度,實現(xiàn)統(tǒng)籌人口、資源、環(huán)境與經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)發(fā)展。綜合以上研究結(jié)果確定植被生態(tài)需水對各特征參數(shù)動態(tài)響應(yīng)的臨界閾值,提出植被生態(tài)用水安全保障策略,解決民勤綠洲水資源不合理利用問題,為民勤綠洲的可持續(xù)發(fā)展提供可靠依據(jù)。
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