全 文 ：第 25卷第 10期
2005年 10月
生 态 学 报
ACTAECOLOGICASINICA
Vol.25,No.10
Oct.,2005
干旱内陆流域河道外生态需水量评价
--以黑河流域为例
王根绪1,2,张 钰1,2,刘桂民1,程雨菲2,胡宏昌2
(1.中国科学院旱区寒区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室,兰州 730000;2.兰州大学资源环境学院,兰州 730000)
基金项目:中国科学院知识创新工程重大资助项目(KZCX01-09-04);国家自然科学基金面上资助项目(40171002)
收稿日期:2004-05-10;修订日期:2005-04-02
作者简介:王根绪(1965～)男,甘肃天水人,博士,研究员,主要从事寒旱区现代环境过程、生态水文学与景观生态学研究.E-mail:gxwang@ns.
lzb.ac.cn
Foundationitem:KnowledgeInnovationProjectofChineseAcademyofSciences(No.KZCX01-09-04)andNationalNaturalScienceFoundation
ofChina(No.40171002)
Receiveddate:2004-05-10;Accepteddate:2005-04-02
Biography:WANGGen-Xu,Ph.D.Researchprofessor,mainlyengagedinmodernenvironmentalprocessesofcoldandaridregion,eco-
hydrologyandlandscapeecology.E-mail:gxwang@ns.lzb.ac.cn
摘要:河道外生态系统需水量的合理评价是干旱区水资源合理配置与管理、生态环境保护与建设中最为关键的科学问题。基于
不同植被蒸散发潜力估算模型,依据不同生态系统及同一生态系统在不同气候与地理区域具有不同生态需水规律的特点,提出
了可模拟和评价不同时期生态系统需水量的方法,不仅能体现生态系统需水量的年际变化,也能反映年内不同时间段(月、季节
甚至每日)的需水量变化,并提出干旱区生态适宜需水量在不同时期是一个区间。以黑河流域中下游地区为研究区域分析其生
态需水量,结果表明:黑河中游地区年平均生态需水量(11.16±2.67)×108m3,其中绿洲生态系统需水(9.13±2.29)×108m3;
下游地区生态需水量(16.16±4.04)×108m3,现状绿洲生态体系需水(11.06±2.77)×108m3,现阶段实施的下游分水 9.7
亿 m3/年的方案,可以促使现有绿洲生态系统有一个良好的结构与功能,并给出了不同典型年不同月份的生态需水量及其变
化。
关键词:生态需水量;蒸散发潜力;评价模型;黑河流域
文章编号:1000-0933(2005)10-2467-10 中图分类号:Q148,X143 文献标识码:A
Waterdemandevaluationofriversideecosysteminaridinlandriverbasin:the
caseofHeiheRiverBasin
WANGGen-Xu1,2,ZHANGYu1,2,LIU Gui-Min1,CHENGYu-Fei2,HU Hong-Chang2 (1.ColdandArid
RegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000China;2.CollegeofResources&
Environment,LanzhouUniversity,Lanzhou730000China).ActaEcologicaSinica,2005,25(10):2467～2476.
Abstract:Rationalevaluationofwaterdemandoftheriversideecosystemisakeyscientificprobleminthereasonablealocation
andmanagementandtheeco-environmentalprotectioninaridregionsofnorthwestChina.Basedontheevaluationmodelof
evapotranspirationpotentialsofdifferentvegetationtypesandthewaterdemandlawsofdifferentandsimilarecosystemsin
differentclimaticandgeographiczones,amethodusedformodelingandevaluationofwaterdemandsofdifferentecosystems
wasputforward.Theresultsshowedthatthismethodnotonlyrevealtheinterannualvariationsofwaterdemandsofdifferent
ecosystemsbutalsoreflectthevariationprocessesoftheirwaterdemandsatdifferenttimeintervals(monthandseasonor
day).Theoptimalecologicalwaterdemandofanecosystemindifferentperiodsinthearidregionvariedinacertainrange.
Withthemidanddownstream reachesoftheHeiheRiverasthestudyarea,ithasbeenobtainedtheanalyticalresultsof
ecologicalwaterdemandasfolows:meanannualecologicalwaterdemandinthemidstream regionoftheHeiheRiveris
911.16±2.67)×108m3;ecologicalwaterdemandofoasesecosystemis(9.13±2.29)×108m3;ecologicalwaterdemandinthe
downstream regionis(16.16±4.04)×108m3;butthewaterdemandofoasisecosystematpresenttimeis(11.06±2.77)×
108m3.Inaddition,theecologicalwaterdemandandtheirvariationprocessesindifferentmonthsindifferent
===================================================================
typicalyearsare
givenout.
Keywords:ecologicalwaterdemand;potentialevapotranspiration;evaluationmodel;HeiheRiverBasin
西北干旱区生态环境用水与国民经济用水矛盾突出,由于不合理的水资源开发利用而引发的生态环境问题极为严重且复
杂多样,不仅严重制约了本区域的可持续发展,而且其影响波及全国以及整个国民经济在 21世纪的稳定发展。因此从水资源合
理配置、土地资源利用、生态环境保护以及经济合理布局等诸多方面的要求出发,迫切需要解决流域乃至区域内生态需水量的
界定问题[1,2]。系统开展干旱区生态需水问题是从 20世纪 90年代开始的,确切地讲始于国家九五攻关计划关于西北水资源合
理利用研究时期,从那时起,不同学者即对干旱区生态需水量的概念、内涵以及分析方法提出了不同观点,并据各自的理解用不
同的方法计算得出了一些地区的生态需水量计算结果[3～5]。2002～2003年间,由钱正英主持开展了中国工程院重大咨询项目
"西北地区水资源配置、生态环境建设和可持续发展战略研究",对整个西北地区的生态需水量进行了系统评价,给出了宏观尺
度上不同地区的现状生态需水量[6]。
现阶段,利用以干旱区典型植物(以旱生灌木为主)为对象进行的个体或群丛水分耗散机理观测实验结果,分析干旱区生态
需水量[6],不仅存在尺度以及空间异质性的问题,而且也不能代表实际存在的各种生态系统对水资源的不同需求特性;区域水
均衡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的剩余部分全部归结为生态消耗量[7],由于区域水资源
消耗项很难准确定量,并且很多情况下无法明确区别其他水消耗项与生态系统水资源消耗,该方法存在明显缺陷;基于遥感数
据分析较大区域生态系统的水分需求是目前最为活跃的生态需水量研究途径[7～9],然而生态系统需水量评价对象难以准确判
定,同时生态水文要素诸多参数获取困难,限制了这一方法的有效应用,而且其计算对区域生态需水量只能给出一个定值,既不
符合生态系统对水分需求的动态性,也不能满足水文过程的动态变化特性。从区域水资源规划和合理配置的实际需要,以及区
域生态环境保护与区域生态安全应以生态系统安全为基本单元的客观角度,需要在流域或区域尺度上寻求基于生态系统水资
源利用规律、符合水资源动态变化并能反映生态需水变化过程的简单易行的生态需水量评价方法。本文以黑河流域为例,提出
一种干旱内陆流域生态需水量评价的尝试途径。
1 研究思路与方法
干旱区生态需水量,应指流域一定时期内存在的天然绿洲、河道内生态体系(河岸植被,河道水生态及河流水质)以及人工
绿洲内防护植被体系等维持其正常生存与繁延所需要的水量[3～5]。其中河道内生态需水量是维系河流生态环境平衡的最小水
量,主要从实现河流的功能方面考虑为维持河道内生物及其生境的基本生态环境需水量和汛期河流的输沙用水量[4],在干旱内
陆流域这方面的问题不突出,并常以分水协议方式确定上中下游河道输送水量,因此本文仅针对河道外生态需水量进行评价。
1.1 基本思路
干旱内陆流域在人类活动的长期影响下形成了丰富多样的生态系统,不同生态系统具有不同的水分消耗行为,干旱区植物
具有适应干旱环境与水分条件的特殊生态功能与生理机制。植被生态系统的水分消耗主要是满足其生长期内的蒸散发,因此与
生态类型、生态系统的结构及其特征(如覆盖度、郁闭度等)关系密切,同时还与所处气候、水文及土壤条件有关。对于特定的干
旱区生态系统类型和结构,不同时期的气候和土壤水分条件决定了该时期的蒸散发量,这就为利用气候要素的动态变化过程分
析生态系统的需水过程提供了可能途径。
基于上述考虑,提出如下生态需水量评价思路:划分并归纳研究区域内具有生态需水量评价意义的生态系统类型,确定不
同类型生态系统的蒸散发潜力 ET0;选择不同水文典型代表年型,区分不同气候与地理区间,计算不同生态系统在不同水文年
型的月尺度蒸散发量 ET值;分析不同水文年型对应的不同生态系统在不同生长期间的有效降水量 Pe值;最后根据 ET与 Pe
的差值,建立生态需水量评价模型,评价不同生态类型的需水过程和合理的水量需求区间。
1.2 研究方法
1.2.1 不同生态系统蒸散发潜力 ET0的计算 陆地植被生态系统水分消耗主要是满足其生长期内的蒸散发,目前估算植被
蒸散发的手段主要采用计算植被参考作物蒸散发潜力(ET0)的方法[10,11],对于不同植被和覆盖状况,现阶段应用较为广泛且效
果被众多研究证实有效的主要计算方法有:(1)Penman-Monteith方程,是假设在被高度一致的低矮植被(草原)完全覆盖并充
分供水的条件下,从下垫面运移到空气中的水分总量,该方法对于覆盖度较高,水分条件相对充足的草地蒸散发潜力估算,具有
稳定性好,精度高等特点,是 FAO推荐的计算参考作物蒸散发潜力的首选方法[11];(2)Priestly-Taylor方程,是现行方法中相对
最为简化的一种估算手段,Flint和 Fisher等先后利用该方法估算郁闭度较高的森林区域的蒸散发潜力[12,13],发现效果要优于
Penman-Monteith方程;(3)Shuttleworth-Walace方程,由 Shuttleworth和 Walace于 1985年提出,是专门针对较低覆盖度植
被蒸散发潜力估算的方法,Federer等人对比研究以后认为该方程对于全球尺度的陆面蒸散发估算效果最好[14]。该方程由两部
分组成,模拟土壤蒸发和模拟植被蒸腾,分别可以由 Penman-Monteith方程获得。该方法对于分析覆盖度较低的荒漠生态系统
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较为适合,但所需参数很多,一些参数在目前黑河流域尚难获得,为此,利用其构成中利用土壤蒸散修正 Penman-Monteith方
程的原理,直接引入土壤蒸散系数对 Penman-Monteith方程修正后代替,土壤蒸散系数由当地试验结果确定。
不同植被类型及其分布的不同气候条件下应具有不同的蒸散发潜力,因此需要对不同的生态类型选择相应的比较适宜的
蒸散发计算方法。鉴于上述 3种方法各自的特点和国内外对不同公式应用的效果和经验,本次研究确定不同类型生态系统的
ET0值计算方法如下:
(i)森林生态系统,包括中游人工林地和下游具较好林分条件的河岸林带。选择以植被冠层为主要对象,适宜于郁闭度较高
的森林植被蒸散发计算的 Priestly-Taylor方程;
(i)草地生态系统,包括下游的灌草地、盐化草甸以及中游的沼泽草甸、高覆盖山地草原和人工草地等。选择计算精度高并
十分稳定的适宜于计算高覆盖草地蒸散发的 Penman-Monteith方程;
(ii)荒漠生态系统:包括大部分荒漠草原、退化的灌草地以及郁闭度较低的疏林地和林分条件很差的退化荒漠林地等。采
用较多考虑土壤蒸散发作用的适于计算覆盖度较低的荒漠生态系统蒸散发的简化 Shuttleworth-Walace方程。
1.2.2 修正蒸散发量 ET值计算 利用上述方法计算不同生态系统地在不同时段的潜在蒸散发量,由于各个方程所建立的具
体或假设条件跟研究区有所不同甚至差异较大,需根据植物类型、植物特性和当地土壤水分条件进行修正。干旱区的植物具有
适应水分胁迫的特殊生理机制,对干旱环境具有极强的耐受性,从干旱区水资源极度匮乏的现状出发,在计算生态需水量的过
程中必须要考虑到植被的耐旱特性。干旱区土壤水分条件差,对其进行修正尤为重要;土壤水分含量将直接控制植被的蒸腾量,
因此这里仅针对土壤水分进行修正。关于 Penman-Monteith方程的土壤水分修正,Fisher建议直接在方程中引入系数(取值在
0.7～0.9),但在干旱区,用经验公式进行确定更为合理,土壤水分修正系数 Kα的经验公式为[18]:
Kα= 0,θ≤ θZ; Kα=
θ- θZ
θC- θZ, θz< θ< θC; Kα= 1,θ≥ θC (1)
式中,θ为根系层土壤平均含水量(cm3/cm3);θc为临界含水量,一般取为田间持水量的 70%;θz为萎蔫点含水量,即凋萎系数。
经土壤水分修正后,并换算为月时间尺度的蒸散发量 ET:
ET= KαET0 (2)
1.2.3 生态系统需水量评价 提出区域生态系统需水量平价计算公式如下:
Qet= Σ
m
i=1
(ETti- Peti)× Ai× 103 (3)
式中,Qet就是任意时段 t区域的生态需水量(m3);ETti,Peti分别代表第 i类生态系统在 t时段的潜在蒸散发量(mm)和对应有效
降水量(mm);Ai为第 i类生态系统的区域分布面积(km2);m是研究区域生态系统类型数。
2 研究区域生态系统划分与数据来源
2.1 研究区域范围与生态系统类型划分
本文研究选区黑河流域中游和下游为典型区域,气候分带上属中温带甘-蒙气候区,根据干燥度,可进一步分为中游河西走
廊温带干旱亚区及下游阿拉善荒漠干旱亚区和额济纳荒漠极端干旱亚区,气候干燥,降水稀少而集中。其中中游地区涉及面积
5.56万 km2,平均多年降水量不足 200mm;下游地区主要属于内蒙古额济纳旗行政区域,研究涉及范围面积 6.15km2,多年平
均降水量仅 41mm。
黑河流域中下游地区的河道外生态系统分为天然生态系统和人工生态系统两大类[10,11]。其中天然生态系统类型主要有:
天然林地生态系统,包括天然有林地、灌丛、疏林以及荒漠河岸与河泛地林灌系统;天然草地生态系统,可进一步分为浅山区干
草原、河泛地及湖滩灌丛低湿草甸、盐化灌丛、杂类草草地等;河湖生态系统,包括河道、湖泊生态等;荒漠生态系统,包括荒漠草
原、戈壁、沙漠以及覆盖度不足 3%的裸岩和裸土地;其中中游地区天然林地生态系统基本全部分布在山区,不在本次计算的范
围。从生态需水评价角度,排除中游山地森林生态和山地草地生态以及河湖生态系统,天然生态系统就有天然绿洲生态系统和
荒漠生态系统两部分组成,其构成与分类如表 1[11]。
人工绿洲生态系统是中游地区的核心。从生态需水量计算角度,人工生态系统需水包括人工绿洲系统用水、供水系统和城
镇园林绿地耗水。人工绿洲系统由农田和农田防护林体系组成,其中农田属于国民经济需水领域,不在生态需水分析的范畴;农
田防护林体系包括 3部分:一是分布于农田内部的护田林网,二是绿洲外围防风固沙乔灌木林带,三是绿洲边缘和内部封滩固
沙乔灌木林片,也称为"网-带-片"组合体系;城镇园林绿地是城镇环境中重要的生态系统,现阶段该系统用水作为城镇工业与
生活用水的一部分,一般不纳入生态需水量的范畴。此外,人工绿洲的供水系统作为绿洲生命的支撑体系,是绿洲不可或缺的组
成部分,同时渠系防护林带又是农田防护林体系的重要组成成分,因此该系统需水必然包括在人工绿洲生态需水范畴。综上所
述,给出区域生态需水量的分类系统如表 1所示。
964210期 王根绪 等:干旱内陆流域河道外生态需水量评价--以黑河流域为例
表 1 黑河流域生态需水分类
Table1 TheclassificationofecologicalwaterrequirementintheHeiheRiverbasin
生态需水类型 Typeofecologicalwaterdemand
主要组成成分
Maincomposition
生态需水计算归类 Calculation
classificationofecologicalwater
demand
人工生态系统
Artificial
ecosystem
人工绿洲生态需水系统 Systemof
ecologicalwaterdemandinman-made
oases
护田林网
Farmlandprotectiveforestnetwork
人工林地 Artificialforestland
防风固沙灌草带
Sand-bindingshrub-grassbelt
草地 Grassland
封滩固沙乔灌林片
Fencedsand-bindingtree-shrubpatch
人工林地 Artificialforestland
果园、其他林地
Fruitgardenandotherforestland
人工林地 Artificialforestland
绿洲供水系统 Watersupplysystemof
oases
渠系、水库、渠系防护林 Canal,reservoir,
canalprotectiveforest
渠系耗水 Canalwaterconsumption
城镇园林绿地Gardenandgreenlandin
cities
公共绿地、园林、风景区 PublicGreenland,
garden,scenicspots
城镇工业与生活用水 Industrialand
domesticwater
自然生态系统 天然绿洲生态需水系统 Systemof 荒漠河岸林 Desertriparianforest 荒漠 Desert
Natural ecologywaterdemandinnatural 河泛地及湖滩灌丛低湿草甸 Floodedland, 草地 Grassland
ecosystem oases lakebeachshrublow-lyingwetmeadow
盐化灌丛、杂类草Salinizedshrubandweeds 荒漠 Desert
河湖生态 Riverandlakeecosystem
水生态与水环境用水 Aquatic
ecosystemandenvironmentwater
荒漠生态需水系统Systemofecological
waterdemandindesert
荒漠草原、草原化荒漠等 Desertgrassland,
steppifieddesert
荒漠 Desert
2.2 研究时段与数据和参数确定
2.2.1 研究典型时段选取及其代表性分析 利用中下游张掖和额济纳两个典型气象站建站以来近 50a的降水资料,分析获得
不同典型代表年,分别为保证率 50%的平水年、95%的干旱枯水年和 20%的丰水年。本次研究限于气象资料,中游地区计算的
典型年选取保证率 50%的平水年、35%的偏丰年以及 90%的枯水年 3种年型,对应年降水量分别为:114.9mm、126.2mm和
87.7mm;3a平均值代表区域多年平均状况。下游额济纳区域则不同,选择保证率为 25%的丰水年、70%的中等干旱年和 90%
的干旱枯水年 3种年型,对应降水量分别为:65.6mm、26.9mm和 18.7mm,取 3a均值代表该区域多年平均状况。
2.2.2 有效降水量 Peti和土壤水分修正参数 Kα的确定
(1)有效降水量 Peti的确定 自 20世纪 30年代提出作物有效降水量的概念以来,至今还没有形成统一的计算有效降水量
的确定方法,由于影响因素众多,多采用试验确定或经验的手段,其中由美国农业部土壤保护服务组织(USDA,SCS)依据代表
不同气候与土壤条件的 22个试验站 50a的数据综合分析提出的一种确定有效降水量的方法[16],在现阶段应用最为广泛,被
FAO采纳应用到其开发的作物灌溉管理系统软件 CROPWAT中[17]。本文针对具体地区的气候和土壤条件,利用国内有关干
旱区植物水分利用特征的研究成果[19,20],并参考 USDA计算有效降水量的方法,来确定黑河流域乃至干旱区不同生态系统有
效降水量的界限指标。如表 2所示,满足对应指标的不同时段的降水总量就是时段相应生态系统获得的有效降水量。
(2)Kα的确定 测定不同生态系统的土壤水分参数,参考已有的相关实验研究成果,合理确定 θ、θc及 θz值,利用公式(8)
计算不同生态类型及不同时段的土壤水分修正系数。但是基于农业灌溉实验结果,只能适宜于低湿与灌丛草甸草地,对于干旱
区典型荒漠植被,生态耗水过程与土壤水分含量关系密切,对干旱具有高耐受性且对土壤水分的利用效率较高[21],荒漠植被土
壤水分修正,综合利用有关文献的研究结果取值[20,21,23]。全年土壤水分修正系数的取值范围列于表 2。
表 2 干旱区不同生态系统的有效降水量界限指标及 K#值范围
Table2 $ffective%reci%itationan&K#valuesof&ifferentecos’stemsinari®ion
生态系统类型
(cosystemtype
荒漠生态系统
Desertecosystem
天然绿洲生态系统
Naturaloasis
ecosystem
人工绿洲生态系统
Man-madeoasis
ecosystem
山地生态系统
Mountainecosystem
平原河湖生态系统
Plainriverand
lakeecosystem
有效降水:次降水量(mm)次)* +0.5 +1.5 +3.0 +3.0 +0.1
Kα值 Kα,alues 0.17-0.58 0.24-0.66 0.55-0.84 0.73-0.97
* (ffectiveprecipitation(mm)time)
0742 生 态 学 报 25卷
2.2.3 有关气象和生态系统分布面积的确定 中游地区选择张掖气象站,下游地区选择额济纳气象站,并结合中游地区和下
游地区开展的陆气相互关系观测试验如 HEIFEI试验的研究结果[22～24],获取计算所需要的有关降水、风速、辐射的日资料及其
他相关参数。采用陆地卫星 2000年LandsatTM/ETM 遥感数据通过ARC/INFO、ARCVIEW 软件系统,获得各类植被覆盖面
积,根据表 1,将各类需计算生态需水的植被进行归类合并,得到不同区域草地、林地、荒漠 3种生态系统分布面积。
3 分析结果与讨论
3.1 中游地区的生态需水量
3.1.1 中游地区不同典型年主要生态系统的蒸散发量和有效降水量 中游地区人工绿洲生态系统中的防沙灌草地、沼泽与草
甸草地和浅山区高覆盖山地草原草地等均并入草地生态系统中。林地生态系统则包括护田林网、乔灌防风固沙林地、园林及其
他林地。中游地区的荒漠草原和荒漠主要分布在南北山前冲洪积扇中上部地带,地下水埋深超过 30m,荒漠植被大部分是适应
当地降水条件的雨养植物类型,如干旱胁迫 1年生植物、干旱胁迫雨季生植物等,生态系统维持依靠降水和散流洪水,计算其生
态需水量无意义,但荒漠生态系统中分布在绿洲内部及周边覆盖度在 30%～50%之间的盐化荒漠草地与固定半固定沙地,这
部分荒漠化草地或与地下水有关或需要人工灌溉以维护沙地的治理与稳定,需要计算其生态需水量。这样,中游地区生态需水
量计算的生态系统包括草地、以人工林地为主体的林地以及少部分绿洲内部或周边区域的荒漠生态系统,据上述方法计算的不
同典型年和多年平均的蒸散发量和相应的有效降水量,列出草地和林地两类分别见图 1。
图 1 中游地区草地、森林生态系统的蒸散发量(ET)和有效降水量(Pe)(mm)
Fig.1 Evapotranspiration(ET)andeffectiveprecipitation(Pe)ofgrasslandecosysteminthemidstreamregion(mm)
不同典型年,由于气候条件不同,各生态系统具有明显不同的蒸散发量,且年内分布以 5～8月份最高,11～翌年 1月份最
低,各月间蒸散发量差异较大。对于草地生态系统,平水年 5～8月份蒸散发量在 207.5～246.6mm,以 6月份最大;中等丰水年
则介于 203.3～255.4mm之间,以 7月份最大;枯水年份,蒸散发量介于 191.1～231.4mm之间,要小于其他年份。冬季 4个月
(11～翌年 2月份)的蒸散发量分别为 24.4～50.5mm、27.0～47.2mm和 30.9～49.8mm,以 12月份和 1月份为全年最低值。中
等丰水年、平水年和枯水年的有效降水量分别为 115.8mm、106.6mm和 75.2mm(图 1a)。
中游的森林生态系统,包括了少量天然有林地与灌木林地,主要成分是人工林地,包括防风固沙林灌地。5～8月份蒸散发
量变化在 276.5～322.9mm(图 1b),年内最大值出现在 7月份,对应枯水年、平水年和中等丰水年的年有效降水量分别是
63mm、83.6mm和 99.5mm。以荒漠草原为主体的荒漠生态系统 5～8月份蒸散发量平均介于 141.6～171.8mm,年内最大值不
同典型年不同,与草地相似。对应枯水年、平水年和中等丰水年,荒漠生态系统可以获得的有效降水量分别是 80.1mm、
113.1mm和 123.2mm。
3.1.2 中游各生态系统需水量 依据 2000年遥感影像 TM 数据解译获取得的结果,中游山前平原区草地生态类型分布面积
174210期 王根绪 等:干旱内陆流域河道外生态需水量评价--以黑河流域为例
706.46km2,森林生态系统分布面积 180.5km2,计算生态需水量的荒漠生态系统分布面积 741.6km2。不同典型年各生态系统
的需水量计算结果分别列于表 3、表 4和表 5。典型枯水年份,中游地区生态需水总量为 14.87亿 m3,其中草地生态系统所需水
量占 58.4%,占据中游生态需水量的主体,荒漠草地生态占 21.0%,林地需水量占 20.6%。各生态系统需水量的年内分布具有
明显差异,荒漠生态系统 5～8月份的需水量集中了全年的 56%,草地则占全年的 55.7%,林地占 57.5%,荒漠生态系统的需水
量相对集中于其植物生长的夏季高峰期,草地和林地相对在春秋季节的需水量较大。
表 3 干旱枯水年份中游地区不同生态系统需水量 (104m3)
Table3 Waterdemandsofdifferentecosystemsinthemidstreamregionindryyear(104m3)
生态系统
Ecosystem
分布面积
Area(km2)
月份 Month
4 5 6 7 8 9 10 11
全年(亿 m3)
Totalyear(108m3)
草地 Grassland 706.46 10897.8 12851.5 16349.7 14357.8 12674.4 10585.5 5753.9 3500.4 8.69
林地 Forest 180.5 2689.0 3942.5 4899.0 4697.0 4224.3 3481.6 1813.2 1039.4 3.07
荒漠 Desert 741.6 2745.6 3091.0 5362.8 5139.9 4986.5 3616.9 1933.3 881.9 3.11
中等丰水年,生态系统获得的有效降水量要高于干旱枯水年,中游地区生态需水量总量为 13.2亿 m3,比枯水年减少 4.2%
(表 4)。其中草地生态系统需水量 8.4亿m3,占总量的 63.6%,林地需水量占 21.1%,荒漠草地占 15.3%,生态需水量的这种不
同类型间需水比例结构没有变化;从年内分布来看,4～8月份,草地需水量占全年的 57.5%,相应荒漠生态系统占 58.1%,林
地占 56.8%。
表 4 中等丰水年份中游地区不同生态系统需水量(104m3)
Table4 Waterdemandofdifferentecosystemsinthemidstreamregioninmoderatelywetyear(104m3)
生态系统
Ecosystem
分布面积
Area(km2)
月份 Month
4 5 6 7 8 9 10 11
全年(亿 m3)
Totalyear(108m3)
草地 Grassland 706.46 9914.6 15508.8 11246.9 16945.5 12782.7 8982.3 5551.4 3101.5 8.4
林地 Forest 180.5 2650.2 4037.2 3405.0 4571.3 3816.4 2756.1 1682.0 972.7 2.78
荒漠 Desert 741.6 2280.7 3044.2 1410.5 4861.0 3032.4 2362.6 1057.5 722.1 2.02
在平水年,中游生态需水量 13.77亿 m3(表 5),比干旱枯水年少 2.54%,各生态系统需水比例没有变化,草地生态系统占
61.7%,荒漠草地和林地分别为 17.8%和 20.5%;年内分布情况是草地在 4～8月份需水量占全年的 61.8%,荒漠生态系统需
水量占全年的 64.05%,林地占 59.4%。因此,不同典型年,生态系统需水量的年内分布变化较大。中游地区平均生态需水量为
13.95亿 m3,其中草地需水量 8.53亿m3,荒漠生态系统需水量 2.52亿m3,林地需水量 2.89亿m3。如果仅考虑绿洲生态系统,
则中游地区生态需水量为 11.42亿 m3。
表 5 平水年份中游地区不同生态系统需水量(104m3)
Table5 Waterdemandsofdifferentecosystemsinthemidstreamregioninnormalyear(104m3)
生态系统
Ecosystem
分布面积
Area(km2)
月份 Month
4 5 6 7 8 9 10 11
全年(亿 m3)
Totalyear(108m3)
草地 Grassland 706.46 15001.8 24307.5 27965.0 25163.9 21318.7 9388.4 8236.0 5078.3 8.5
林地 Forest 180.5 2541.7 3997.9 4535.0 4444.7 3831.3 2206.6 1694.2 1053.1 2.83
荒漠 Desert 741.6 2225.3 3278.3 5764.2 4064.4 3436.3 350.7 685.0 678.6 2.44
3.2 下游地区的生态需水量
3.2.1 下游地区不同典型年主要生态系统的蒸散发量和有效降水量 下游地区的高覆盖盐化草甸草地、河泛地及湖滩灌丛低
湿草甸以及中旱生灌草地等覆盖度大于 40%的草地组成草地(高覆盖度)系统,荒漠河岸胡杨和沙枣林及林灌混杂地等组成下
游林地生态系统,包括疏林地,其他覆盖度小于 40%的荒漠草原、退化灌草地、固定与半固定沙地等组成荒漠生态系统,但其中
覆盖度在 20%～40%之间的大部分荒漠生态系统中,包含大量依靠地下水补充生长所需水份的植物类型,该部分属于计算生
态需水量的范畴,其他覆盖度小于 20%的绝大部分荒漠则与地下水和河水无任何水分关系,没有计算生态需水量的意义,因
此,下游地区生态需水量计算的生态类型就包括草地(高覆盖度)生态系统,荒漠森林生态系统和荒漠生态系统 3类。根据上述
方法计算 1999～2000年不同代表年的各类生态系统蒸散发量,同样这里仅列出草地和林地两类如图 2。下游降水量很小,年平
2742 生 态 学 报 25卷
均降水量只有约 40mm,对应不同代表年的有效降水量一并如图 2。
下游地区草地生态系统的蒸散发量(图 2a)在丰水年与枯水年变化在 1335.88～1385.27mm,差异不是十分显著主要原因
就是该区域降水量很小,但年内季节分布差异巨大,平均 61.45%的年蒸散发量集中在 5～8月份,在丰水年略低为 60.2%,且 7
月份明显高于其它时间,7月份蒸散发量一般要比 5～8月份间其他月份的蒸散发量高出 56～80mm,而 11～翌年 2月份的冬
季蒸散发量很小,仅占全年的 7.8%。草地在丰水年可获得有效降水量 59.6mm,但在枯水年分只有 16.1mm(图 2a)。
图 2 下游地区草地森林生态系统蒸散发量和有效降水量
Fig.2 Evapotranspirationandeffectiveprecipitationofgrasslandandforestecosysteminthedownstreamregion
下游荒漠生态系统年蒸散发量平均 899.8mm,其中 63.14%集中在 5～8月份,集中程度要高于草地,最大值仍然出现在 7
月份,但荒漠生态系统 7月份于 5～8月份其他月份之间差异较小,与草地类似,11～翌年 2月份冬季的蒸散发量仅占全年的
7.9%。在丰水年,荒漠生态系统可获得的有效降水量为 64.6mm,枯水年份也只有 18.3mm。林地平均蒸散发量 1812.56mm,同
样 60.4%集中在 5～8月份(图 2b),但所不同的是林地 5～8月份间差异更小,尤其是 6～8月份均蒸散发量几乎相等,而且在
研究的 1999～2001年年际间差异也很小。林地在丰水年可以获得 54.4mm有效降水量,在枯水年份只有 11.2mm(图 2b)。
3.2.2 下游各生态系统需水量计算结果 依据 2000年遥感影像 TM 数据解译获取得的结果,下游地区草地(高覆盖)生态类
型分布面积 765.79km2,森林生态系统分布面积 397.04km2,荒漠生态系统中属于计算生态需水量的部分(覆盖度在 20%以
上)分布面积 1635.7km2,相对中游地区而言,草地和林地分布面积和所占比例更小。依据上述方法计算的不同典型年下游地区
各生态系统的需水量结果分别列于表 6、表 7和表 8。
表 6 干旱枯水年份下游地区不同生态系统需水量(104m3)
Table6 Waterdemandsofdifferentecosystemsinthedownstreamregionindryyear(104m3)
生态系统
Ecosystem
分布面积
Area(km2)
月份 Month
3 4 5 6 7 8 9 10
全年(亿 m3)
Totalyear(108m3)
草地 Grassland 765.79 3194.0 4860.5 10990.0 12558.1 13482.2 10439.1 7296.6 2375.6 6.98
林地 Forest 397.04 3469.2 5279.8 9982.5 11748.8 12345.9 11285.6 8036.4 4583.5 7.29
荒漠 Desert 1635.7 3183.8 4844.8 10954.6 12386.8 13273.0 10274.6 6642.9 1661.4 6.74
在干旱枯水年,下游生态需水量 21.01亿 m3(表 6),其中荒漠生态系统需水量 6.74亿 m3,占 32.08%;草地生态系统需水
量 6.98亿m3,占 33.22%;而以胡杨为主体的荒漠森林生态系统需水量 7.29亿m3,仅占 34.7%。在生态需水量的年内分布上,
荒漠生态系统年需水量的 64.36%集中在 5～8月份,11～翌年 2月份 4个月需水量仅占全年的 7.8%;草地生态系统年需水量
374210期 王根绪 等:干旱内陆流域河道外生态需水量评价--以黑河流域为例
的 62.46%集中在 5～8月份,11～翌年 2月份冬季需水量占全年的 7.7%;林地的 5～8月份需水量是全年的 61.34%,在冬季
11～翌年 2月份间占 8.42%。
表 7 中等枯水年份下游地区不同生态系统需水量(104m3)
Table7 Waterdemandsofdifferentecosystemsinthedownstreamregioninmoderatelydryyear(104m3)
生态系统
Ecosystem
分布面积
Area(km2)
月份 Month
3 4 5 6 7 8 9 10
全年(亿 m3)
Totalyear(108m3)
草地 Grassland 765.79 3287.7 4310.0 11514.2 11027.5 13211.7 10053.8 7654.9 2874.0 6.84
林地 Forest 397.04 3515.7 5107.5 9310.1 10927.2 12271.4 11080.1 8233.4 4469.1 7.09
荒漠 Desert 1635.7 3277.1 3764.0 11477.2 10076.1 12930.4 9351.9 7630.3 2864.8 6.57
表 8 丰水年份下游地区不同生态系统需水量(104m3)
Table8 Waterdemandsofdifferentecosystemsinthedownstreamregioninwetyear(104m3)
生态系统
Ecosystem
分布面积
Area(km2)
月份 Month
3 4 5 6 7 8 9 10
全年(亿 m3)
Totalyear(108m3)
草地 Grassland 765.79 2835.8 5464.3 9469.6 12006.3 11410.6 8799.9 5946.2 2906.6 6.44
林地 Forest 397.04 3167.5 5628.8 8552.7 10436.7 11723.3 10466.1 7555.3 4773.6 6.88
荒漠 Desert 1635.7 2826.6 5283.1 8259.2 11869.5 10335.8 6980.0 4452.8 2625.7 5.75
在中等干旱年和丰水年,下游生态需水量分别为 20.5亿 m3和 19.07亿 m3,荒漠草地生态系统需水量分别为 6.57亿 m3
和 5.75亿 m3,林地和草地生态系统的需水量合计分别为 13.9亿 m3和 13.32亿 m3。在年内不同季节的分布上,中等干旱年的
5～8月份,荒漠生态需水量占全年的 63.46%,草地和林地分别为 61.7%和 60.7%,军掠地与枯水年;丰水年的 5～8月份,荒
漠生态需水量占全年的 61.56%,而草地和林地分别为 59.8%和 59.06%,均显著低于枯水年和中等干旱年,其原因就在于该区
域 5～8月份集中了大部分有效降水量。
下游地区年平均生态需水量(1999～2001年)20.2亿 m3,其中荒漠生态系统平均年需水量 6.35亿 m3,草地为 6.75亿 m3,
林地 7.08亿 m3。荒漠生态系统年需水量的 63.1%、草地的 61.4%和林地的 60.4%都集中在 5～8月份。如果仅考虑绿洲生态
系统需水量,则下游平均生态需水量为 13.83亿 m3。
3.3 讨论和说明
(1)如前所述,上述中下游地区不同生态需水量的计算结果是基于潜在蒸散发能力的估算,反映的是有足够水分供给条件
下各类生态系统在所处良好水热条件环境下,最大可能的生态耗水量,在这种水分条件下,各生态系统将处于最佳状态,生产力
达到最大。如中游和下游草地生态系统的需水量,平均达到 12074.2m3/hm2和 8814.34m3/hm2,与中游张掖地区充分灌溉条件
下的大田农作物耗水量相当,因此,上述需水量结果代表了一种理想状态下的各类生态系统与热量条件相匹配的水量需求,并
不能反映实际生态系统维持其生态功能与结构所需要的现实需水量。
(2)在干旱区,干旱植物对水分胁迫的广域适应尺度,决定了干旱区生态需水量应该是一种区间,而非定值。植物对水分的
胁迫有一个区间,从植物水分亏损到抑制其正常生长的临界值到水热条件匹配最佳值之间的水分供给,都能满足干旱植物正常
生长与繁衍的水分需求。在农作物灌溉水分管理上,就存在最大的田间持水量、土壤水分临界值和凋萎值等不同水分含量界限,
土壤水分临界值一般确定为田间持水量的 70%,根据实验研究提出的北方玉米种植的土壤水分适宜值界限为田间持水量的
55%～80%;而对于积极推广的非充分灌溉管理的理论,关键是降低控制土壤水分管理的下限。参照农作物水分管理的这种理
论,如果把上述方法确定的生态需水量看作是接近土壤田间持水量时的参考耗散水量,那么,上述水量的 60%～100%范围内
的水量都应该是生态系统的适宜需水量,据此提出黑河中游和下游生态需水量及其在不同典型年的合理值如表 9所示。
(3)表 9给出了不同典型年黑河流域中下游生态需水量的区间,从均值角度,可以认为:中游地区如果满足(9.13±2.29)亿
m3的生态用水,则可促使现有人工绿洲范围内生态系统的稳定与发展,当生态用水供给量达到(11.16±2.67)亿 m3时,绿洲外
围一定范围内的生态系统得以充分发展,对于保护人工绿洲安全和生态功能稳定具有重要作用。下游地区维护现有绿洲健康与
稳定需要水量(11.06±2.77)亿 m3,也就是说现阶段实施的下游分水 9.7亿 m3/a的方案,可以促使现有绿洲生态系统有一个
良好的结构与功能,当实现(16.16±4.04)亿 m3的水量供给,下游天然绿洲生态体系将得以较大规模发展,可望恢复其 20世纪
60～70年代的水平。
4742 生 态 学 报 25卷
表 9 黑河流域中下游区域生态需水量评价结果(108m3)
Table9 EvaluationresultsofecologicalwaterdemandsinthemidanddownstreamregionsoftheHeiheRiver(108m3)
地区和类型
Regionandtype
平水(偏枯)年
Normal(slightly
dry)year
典型枯水年
Typicaldryyear
丰水(偏丰)年
Wet(slightly
wet)year
平均年需水量
Meanannual
waterdemand
中游地区 Midstreamregion 绿洲生态 Oasisecosystem 11.3～6.78 11.76～7.05 11.18～6.71 11.42～6.85
整体生态 Wholeecosystem 13.77～8.26 14.87～8.92 13.2～7.92 13.95～8.37
下游地区 Downstreamregion 绿洲生态 Oasisecosystem 13.9～8.34 14.3～8.58 13.3～7.98 13.83～8.3
整体生态 Wholeecosystem 20.5～12.3 21.0～12.6 19.07～11.44 20.2～12.12
4 结论
应用针对不同植被蒸散发潜力估算模型,提出了可模拟和评价不同时期生态系统需水量的方法,明确区分不同生态系统以
及同一生态系统在不同气候与地理区域的不同生态需水规律,密切结合当地不同生态系统的生态有效降水条件,选择水文典型
年型,结果不仅能够体现生态系统需水量的年际间的变化,也能反映年内不同时间段(月、季节或日)的需水量变化过程。该方法
所计算的需水量近似于植被的最佳需水量,干旱植物对水分胁迫的广域适应性,因此,干旱区生态系统在不同时期的生态适宜
需水量是一个区间,从植物水分亏损到抑制其正常生长的临界值到水热条件匹配最佳值之间的水分供给,可以通过土壤水分条
件确定变化范围。
以黑河流域中下游地区为例,生态需水量评价结果表明:在保证率 90%的干旱枯水年分,中游地区生态需水量为 14.87～
8.92亿 m3,下游地区生态需水量 21.0～12.6亿 m3;在正常平水年份,中游地区生态需水量 13.77～8.26亿 m3,下游地区将近
20.5～12.3亿 m3(偏枯年),在丰水年份,中游地区约为 13.2～7.92亿 m3(中等丰水年),下游地区生态系统则需要水量 19.07
～11.44亿m3。全流域在保障生态用水量 15.15亿m3时,可维护现有绿洲生态系统得以稳定和功能的正常发挥,当生态用水量
可供给到 27.32亿 m3时,流域中下游生态系统将可以较大幅度发展,现有绿洲外围的一些荒漠生态体系逐渐转变为绿洲生态
系统,下游荒漠绿洲生态系统将得以恢复。
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