我国干旱半干旱地区生态需水研究进展

我国干旱半干旱地区生态需水研究进展来源：安徽农业科学，2010，38(25)：13966—1396作者：曹建军，刘永娟，沈琪阅读次数：76(1．南京晓庄学院生物化工与环境工程学院，江苏南京211171；2．华东理工大学商学院，上海200230)摘要:生态需水是国内外生态水文学研究的热点问题。回顾了我国西北干旱半干旱地区生态需水研究的现状，并对今后生态需水研究进行了展望。研究认为，目前我国内陆干旱区生态需水研究取得了很大的进展，但是还存在一些问题，如生态需水还没有明确统一的定义；研究方法也是因人而异；研究中的尺度转换问题；建立生态需水与生物多样性、生境多样性和生态系统健康状况相关联的指标体系。关键词生态需水；研究进展；干旱半干旱区生态需水研究是生态水文学的研究内容之一。生态需水研究涉及到生态学、水文学、土壤学和植物学的理论与内容．需要进行多学科交叉研究。西北干旱区是水资源稀缺和生态环境相对脆弱的区域。日益恶化的生态环境使得生态需水量受到广泛关注，生态需水量研究由此成为干旱区生态水文学研究的热点。我国西北干旱区包括新疆全境、甘肃河西走廊、青海柴达木盆地及内蒙古贺兰山以西地区，土地总面积在200×104km2以上。该区位于欧亚大陆中心，气候干旱，水资源短缺，水已经成为该区环境与发展最大的制约因子。近几十年来，由于人口的剧增，工农业过度的发展以及人们对水的浪费，在全世界范围内产生了水资源危机和生态环境的急剧恶化问题。尤其是在人口和经济集中分布的绿洲地带，生态环境的急剧恶化尤为严重。主要表现为：①河流断流，湖泊萎缩甚至于涸；②地下水位下降，水质矿化、恶化；③植被退化，绿洲萎缩，水土流失严重；④土地沙化，盐碱化，沙尘暴危害加剧等。水是干旱区生态系统构成、发展和稳定的基础，是我国西部生态脆弱区最关键的生态因子。近年来，我国西部干旱区生态需水的研究取得了很大的进展，在我国生态需水研究中处于领先地位，笔者通过阅读大量的相关文献，在对西部干旱区生态需水的研究历史、现状进行回顾的基础上，对干旱区生态需水的基本理论和研究方法进行了较为系统的总结。1生态需水概念目前，国内外学者对于生态需水的概念没有统一的定义，Covich认为，生态需水就是保证恢复和维持生态系统健康发展所需的水量。Peter提出了基本生态需水的概念，即提供一定质量和一定数量的水给天然生境，以求最大程度地改变天然生态系统的过程，并保护物种多样性和生态整合性。同时他还认为，气候和季节变化因素对生态需水有一定影响，因而基本生态需水应是在一定范围内可以变动的值，而不是一个固定的值。王芳等通过分析生态需水概念的外延与内涵，将其归纳为：生态需水是指为维护生态系统稳定，天然生态保护与人工生态建设所消耗的水量。赵文智等提出了临界生态需水量、最适生态需水量和饱和生态需水量的概念，探讨了相应的确定方法。陈敏建从水循环基础理论出发，通过分析水文循环过程的能量转化规律，揭示水循环生态效应变化机理，提出判断生态系统演变与水循环关系的基本准则，以此区分生态需水类型。他的研究认为，我国区域生态需水类型可分为：西北内陆河干旱区植被生态系统需水型；半湿润半干旱区河湖与地下水连通系统的整体生态需水型；北方湿润地区河湖水生态系统需水型；南方湿润地区维持河流生态服务功能最大化流量的类型。王西琴等在研究前人生态需水概念的基础上认为，生态需水是指维持生态系统中具有生命的生物物体水分平衡所需要的水量。主要有下列几个方面：①维护天然植被所需要的水量，如森林、草地、湿地、荒漠植被等；②水土保持及水保范围之外的林草植被建设所需要的水量，如绿洲、生态防护林等；③保护水生生物所需要的水量，如维持湖泊、河流中鱼类、浮游植物等生存的用水。研究生态需水的首要问题就是要正确理解生态需水的内涵，生态需水的研究必须基于一定区域的具体生态系统组成、生态水资源的结构以及区域生态环境保护的水资源利用途径，需要与研究区的社会、经济及生态环境条件相一致，并与可持续发展目标相协调，因此在研究过程中应根据具体的研究区域来确定其生态需水项目。如在水资源严重短缺的西北干旱区，由于许多内陆河流断流、地下水位大幅度下降，生态系统的主要生产者植被的需水尚不能得到保证，在这种情况下谈河流冲沙及稀释自净功能的保证就毫无意义。综上所述，目前生态需水的基本概念可以归纳为：指维系一定生态系统的功能状况或目标(包括现状、恢复或发展)下生态系统客观需求的水量，是区域生态环境需水量的重要组成部分。2生态需水计算方法对于干旱半干旱区而言，植被生态环境需水量是保证植物正常、健康生长，同时能够抑制土地沙化、盐碱化，乃至荒漠化发展所需的最小水资源量。植被生态环境需水量不仅包括维持陆地林木植被、草场植被，还应包括维持农田人工生态系统良性发展对水需求的最小水资源量。目前，关于植被生态需水量计算方法主要有面积定额法、潜水蒸发法、改进后的彭曼公式法、区域水量均衡法、基于遥感与GIS技术的区域生态需水计算方法(表1略)。2．1区域水量均衡法这种方法的依据主要是区域水资源均衡原理。利用河道多年平均枯水期径流量与流域生态系统最低用水近似相等，并把一定区域多年平均蒸散发量与降水量的差值近似看作区域生态系统耗水量进行计算。该方法在河流生态系统生态需水量计算中应用较广泛，包括水沙平衡、水盐平衡以及河流污染自净所需要的最低水量等。这种方法将区域水资源消耗项中扣除水域蒸散、境外排泄和人类利用等量后的剩余部分全部归结为生态消耗量。但该方法由于存在区域水资源消耗项准确定量的困难以及很多情况下无法明确区分其他消耗项与生态系统水资源消耗，因而存在明显缺陷。唐克旺等根据水量平衡计算，确定了最小和适宜的生态需水量。马乐宽等提出了根据流域或区域对生态环境功能的需求来确定其生态建设规模并计算其生态环境需水量的思路。陈锐等以我国西部典型干旱区新疆南部的克里雅河流域为研究区，通过分析各生态系统需水的结构特征，估算了生态需水的规模，讨论了生态需水的供需平衡问题。2．2面积定额法采用面积定额法对植被生态需水量进行计算最为简单，是目前常用的方法，也称直接计算法。该方法与作物灌溉定额计算法相似，先确定不同区域天然或人工植被单位面用水量，然后依据研究区域相应植被的分布面积，估算生态系统需水量。这种方法是目前确定生态需水量最为常用的方法，适合于基础工作较好的植被类型，如防风固沙林、人工绿洲等。满苏尔·沙比提等研究认为，绿洲是干旱区独特的景观类型，是人类活动的主体区域。他们在干旱区生态用水的概念与分类基础上，依据部分试验资料及理论公式推导确定各类生态用水定额，并以各生态用水类型面积为依据，对渭干河一库车河三角洲绿洲生态用水进行了初步估算。耿艳辉等通过确定泾河流域各类植被生态需水定额，再利用面积定额法计算生态需水量，对植被需水量、需水结构和单位面积需水量进行了分析。2．3潜水蒸发法该方法主要适用于以地下水赖以生存的植被的干旱区域。一些研究认为，天然状态下植被生长消耗的水分是通过浅层地下水和降水来满足的，因此可利用潜水蒸发量的经验与半经验估算方法(如阿维里扬诺夫公式、沈立昌公式)可推算植被生态耗水量。此方法是干旱区生态需水量计算较常用的方法之一。具体计算是以某一植被类型在某一地下水位的面积乘以该地下水位的潜水蒸发与植被系数来计算其生态需水量。陈天林等研究认为，刺槐林的生态需水量可以理解为，该林地的蒸散耗水量，是受大气环境、植被生长状况与生长特性以及土壤水分条件综合影响的结果。相应的刺槐林地耗水量分别为平均最小生态需水量和平均适宜生态需水量，其数值通过计算林地的潜在蒸散量并利用土壤水分修正系数和林木系数进行订正获得。张凯等采用阿维里扬诺夫估算方法，对民勤绿洲生态需水量进行了计算，其结果表明，民勤绿洲生态用水严重不足。叶朝霞等对地下水、土壤水与植被的关系进行了分析，结果表明，地下水位、土壤含水量与植被多样性之间均有极强的相关性，从而在此基础上确定出塔里木河下游潜水蒸发的极限埋深是5m。他们采用阿维里扬诺夫公式和群克水均衡场公式对塔里木河下游天然植被的潜水月蒸发量进行计算，对植被面积进行分类，在分类基础上计算了生态需水量。满苏尔·沙比提等利用遥感技术和水文地质调查等手段查明了研究区内的浅层地下水埋深和天然植被分布面积，应用GIS技术划定计算单元并利用典型地下水均衡试验场潜水蒸发和蒸腾试验成果确定各计算单元的潜水蒸发系数和植被系数，进而计算出现在现有状条件下研究区天然植被的生态需水量。2．4改进后彭曼公式法彭曼公式是能量平衡方程和空气动力学方法结合的半经验蒸发计算方法，其优点是避免了直接测定植被表面温度的困难，但是，精度仅能达到月或年的长时期要求。改进后的彭曼公式在彭曼公式基础上对一些参数做了局部修正，提高了计算精度。王丽霞等根据延安地区各气象站点连续30年的气象资料和各土肥站点连续10年的土壤含水量实测资料，通过经验模型、实地观测和GIS空间分析相结合的方法，提出了干旱半干旱地区植被一土壤复合系统的最小生态需水量、适宜生态需水量和饱和生态需水量3种阈值模式的较为准确的计算方法，并从时空角度定量分析评价了区域生态需水量和生态缺水量。严冬等利用大渡河流域30年的气象资料，采用FAO最新修订的Penman．Monteith方程计算流域参考作物蒸发量，同时获取大渡河流域2007年内45期MODISLAI数据，根据叶面积指数与作物系数的经验关系得到作物系数2007年内的变化情况，利用GIS中的Zon~mean函数对大渡河流域平均作物生态需水量年内变化进行了估算。2．5基于遥感与GIS技术的区域生态需水计算方法首先，利用遥感和GIS技术对研究区域进行生态分区，建立起生态分区与水资源分区的空间对应关系，并通过测定潜水蒸发、植被净第一性生产力及植被水分利用系数确定生态耗水标准，然后，以流域为单元进行降水平衡分析和水资源平衡分析，在此基础上计算生态需水量。这种方法适合于计算较大区域范围内的生态需水量，但存在工作量大的问题。此外，这一方法中用到的有关数据，如水分利用系数和植被第一性生产力的测定需要用到很多相关的知识和技术，可以说该方法比较复杂。高凡等利用多维多时相遥感数据得到研究区生态水平动态变化数据，并应用潜水蒸发原理，计算相应生态水平下天然植被的生态需水量。张远等以保护和恢复流域坡高地生态系统为目的，对坡高地最小生态需水问题进行研究，从而提出了坡高地生态需水和生态缺水的计算方法。在GIS和遥感技术支持下对坡高地最小生态需水和缺水量进行了计算，并从时空两个尺度揭示了黄河流域坡高地生态系统最小生态需水的变化规律。何永涛等根据最新遥感图像资料，在GIS支持下，计算了黄土高原地区现有林地生长季的最小生态需水量和适宜生态需水量。王芳等基于植被生长需水的区域分异规律，采用遥感和OlS技术实现生态的空间分区，以生态分区和流域水平衡为基础量化生态需水；基于可持续发展的生态模式，确定生态保护目标和生态建设规模，并预测生态需水量。3目前的研究成果国内生态需水研究虽然起步较晚，但仍然取得了一定的成果。刘昌明根据水资源开发利用与生态用水的关系，提出了“四大平衡”的原理，即，水分能量平衡、水盐平衡、水沙平衡与水量平衡(含水资源供需平衡)。即为了保证水资源的开发利用与生态、环境协调发展，必须维持水热平衡、水沙平衡、水盐平衡、区域水量平衡与供需平衡。“四大平衡”的提出不仅为我国生态环境需水的研究指明了方向和途径，而且对世界干旱区的生态环境需水研究也具有极重要的指导或参考意义。很多学者使用不同的方法研究了干旱半干旱区的生态需水，取得了许多成果。王晶等按照斑块理论，根据气候与海拔和地理位置的关系，详细计算气候的影响程度，旨在从数据上准确说明植被在不同地区不同程度蒸发量的情况下，考虑输沙需水时维持干旱河谷段的最小生态需水量，以及不考虑输沙需水时的最小生态需水量。陈敏建等根据水分驱动生态演变模型，以水分运动和补给条件，研究了内陆河平原生态系统的需水结构。王让会等研究认为，生态用水受制于SPAC中水分循环与转化的效率，并与植特征、土壤理化性状、地形特点和水资源利用水平具有密切的相关性。母敏霞等研究了天然