喀斯特石漠化典型區藍水綠水轉化模擬

陳珂　楊勝天　江砥　管亞兵　黃勇奇　戴國富

摘要：由滲漏導致的降水大量流失是造成喀斯特石漠化地區地表水短缺的主要原因，將滲漏的難利用藍水轉化為可供植被生長利用的生態綠水是目前技術條件下提高水資源利用量的有益探索。基于藍水綠水理論和土壤-植物-大氣連續體（SPAC）原理，通過采用EcoHAT系統水循環模型模擬貴陽市非城鎮地區的藍水綠水轉化，發現：（1）研究區綠水占降水的份額不到50%，遠低于全球65%的平均水平，具有很大的轉化利用潛力;（2）增加植被覆蓋度和增厚土層均能實現將滲漏藍水轉化為生態綠水，增厚土層的轉化效果更為顯著;（3）增加植被覆蓋度對減少滲漏的轉化作用存在一個明顯的閾值，當植被覆蓋度增長到56%左右時，其減少滲漏的作用急遽減弱。鑒于研究區石漠化的典型性，本研究對類似地區提高水資源利用量具有一定參考意義。

關鍵詞：喀斯特;石漠化;藍水;綠水;生態;EcoHAT;貴陽

中圖分類號：P426文獻標志碼：A

Abstract：The leakage of large amount of precipitation? was the main cause of surface water shortage in karst rocky desertification areas.The conversion of the leaking hard-to-use blue water into ecological green water for vegetation growth and utilization was a useful exploration to improve water resource utilization under current technical level.Based on the Blue Water & Green Water Theory and the Soil-Plant-Atmosphere Continuum （SPAC） Principle，the conversion of blue water into green water in non-urban areas of Guiyang city was simulated with the Water Cycle Model of EcoHAT System in this study.It was found that：（1） The green water in the study area accounted for less than 50% of the precipitation，which was far below the global average of 65%，and with great potential for conversion and utilization.（2） Increasing vegetation coverage and thickening soil layer could enhance the process converting the leakage blue water into ecological green water，and the effects of thickened soil layer was more significant than those of increasing vegetation.（3） If the vegetation coverage was increased to 56% or above，which was an threshed，the effects on leakage was then limited.The research results of this paper would provide an add-value reference for improving water resources utilization in the similar rocky desertification areas.

Key words：karst;rock desertification;blue water;green water;ecology;EcoHAT;Guiyang

由歷史上植被破壞導致的土壤流失和巖石出露地表，是加劇喀斯特石漠化地區降水滲漏流失的直接原因[1-2]，致使當地水資源利用量偏低于同等降水條件的非喀斯特地區[3]。相當一部分學者認為，喀斯特石漠化地區屬于工程性缺水，可通過修建大中型蓄水工程來提高當地水資源的利用量[4-5]。實踐表明，在喀斯特地區修建大規模的蓄水工程，不僅成本巨大[6-7]，而且石灰巖的滲透性對于水庫等蓄水工程也構成潛在隱患[8-9]。為此，有必要探索適宜于喀斯特石漠化地區提高水資源利用的新途徑。

生態水文學將陸地表面的降水劃分為“綠水”和“藍水”兩部分，綠水指供給植被生長代謝用的氣態水或飽和土壤水，其中直接用于植物蒸散發的部分為綠水流，用于補充土壤水蓄變量的部分為綠水儲存;藍水指以液態形式供給水生生態系統或人類利用的另一部分降水[10-11]。研究發現，全球綠水約占降水總量的65%，藍水約占降水總量的35%[12]，越是濕潤的地區綠水所占降水比例越高[13]。在我國相對濕潤的西南喀斯特石漠化地區，由于植被破壞，導致原本應參與植被生長代謝的大量綠水最終以藍水的形式滲漏流失。如果能夠采取適當措施將這部分滲漏藍水轉化為可供植被生長利用的生態綠水，將有利于提高當地的水資源利用量，促進生態與經濟可持續發展。

第17卷? 總第101期·南水北調與水利科技·2019年4月

陳珂，楊勝天，江砥，等·喀斯特石漠化典型區藍水綠水轉化模擬

我國西南地區是世界上喀斯特地貌分布比較集中、石漠化危害較為嚴重的地區[14-15]，針對喀斯特地區石漠化治理及生態恢復，眾多學者展開了廣泛而深入的研究，其中通過調節綠水分配份額，從生態恢復角度實現對石漠化的治理，正逐漸被重視。

Yuan與萬軍等[16-17]認為喀斯特生態環境相對脆弱、土壤貧瘠，植被生長過度依賴于生境條件;杜睿等[18]指出，是土壤含水量的變化導致了植被類型的演替，可見，植物生長對土壤水分依賴程度較大;王志強等[19]認為，“天然植被經過長期演替，具有自組織能力，能夠適應一定的土壤水分狀況”，為綠水變化與植被演替之間的相關關系研究提供了寶貴的線索;王玉娟等[20]在對貴州喀斯特典型地貌區龍里實地實驗后認為，應當通過增加植被蓋度和減少裸地面積，來加強對當地綠水資源消耗利用的調控;溫志群等[21]采用EcoHAT系統對植被蒸散量進行估算后，認為通過把更多的降水轉化為綠水，將更加有利于喀斯特石漠化地區的植被生態恢復;楊勝天[22]基于EcoHAT系統實驗結果指出，貴州省喀斯特地區由于亂砍濫伐、陡坡墾殖等人類活動加劇了水土流失和石漠化，導致綠水存量逐漸減少，針對“藍-綠水”轉化與管理的研究亟待開展。

綜上所述，目前學術界對綠水與喀斯特地區植被生態系統相互作用的研究已經達到一定深度，對綠水減少的機理也已有初步認識，即由于土壤貧瘠、植被破壞、巖溶易滲透性等原因，導致盡管我國西南喀斯特地區降水豐富，卻大量滲漏流失。因此，當前面臨的問題主要是如何將當地難以直接利用的滲漏藍水轉化為可供植被生長代謝用的生態用綠水、以及轉化多少。

基于此，本文擬開展以下方面的研究。

（1）通過對藍水綠水轉化進行模擬并結合觀測數據，初步明晰研究區藍水與綠水的總量及空間分布。

（2）探索將喀斯特石漠化典型區滲漏藍水轉化為生態綠水的可行措施。

（3）基于模型計算，分析不同“藍-綠”水轉化措施的效果。

1 研究區概況

貴陽市是貴州省的省會，總面積約8 034 km2，地處貴州中部，位于云貴高原東北部長江與珠江的分水嶺區域，在東經106°07′-107°17′、北緯26°11′-27°22′之間，喀斯特面積約為6 830.26 km2，超過全市總面積的80%[23-24]。由于歷史上大煉鋼鐵及開荒種地引發的亂砍濫伐，造成當地天然林退化嚴重，致使約85%的地區出現不同程度的石漠化[25]。貴陽市多年平均降水量為1 100 mm，2013年森林覆蓋率約為44.2%，鑒于當地水土流失嚴重、地表石多土少，是典型的喀斯特石漠化地區[26-27]，本文選取貴陽市非城鎮地區（面積約7 495 km2）作為研究區。

2 研究方法

2.1 數據來源

本文對藍水綠水轉化過程進行模擬的數據按屬性分為基礎地理空間數據和氣象水文數據，基礎地理空間數據主要通過MODIS遙感產品獲取，包括每日反照率、每日地表溫度、植被覆蓋度、土地利用、地表輻射、土壤質地等數據。根據模型計算需要和遙感數據獲取情況，空間分辨率采用1 km精度;由于2003年之前研究區的部分MODIS產品數據缺失，而本研究于2015年啟動時，2014年之后的部分遙感數據尚不能下載，并且一部分作為驗證用的2014年之后的水文觀測數據，官方網站也尚未發布，因此選取2003年作為研究的初始年，2013年作為現狀年。考慮到作為重要計算指標的植被蓋度，在區域尺度上的年度變化并不明顯，為便于模型計算的比較分析，僅選取了2003年、2007年和2013年的實際數據參與計算。

2.2 藍水綠水轉化模擬

根據“土壤-植物-大氣連續體（Soil-Plant-Atmosphere Continuum）”即SPAC原理[28-29]，綠水可以通過對區域蒸散發量的估算求得，而藍水亦可通過將降水量減去綠水量獲得。鑒于北京師范大學生態水文研究團隊開發的EcoHAT系統，此前已多次應用于貴州喀斯特石漠化地區的蒸散發量計算[21，30-31]，本文采用EcoHAT系統水循環模型，對研究區藍水與綠水轉化進行模擬。該模型主要涉及蒸散發和土壤水運移的運算，分別介紹如下。

2.2.1 潛在蒸散發計算

EcoHAT系統水循環模型對潛在蒸散發量的計算采用Priestley-Taylor公式：

模型計算結果顯示，盡管初始年和現狀年降水量相差達40 mm，相差幅度為4.8%，但兩個年份綠水總量構成之間基本沒有太大的差異，變化幅度為0.6%，體現了研究區藍綠水構成的相對穩定性。在植被蓋度增加22.5%的情況下，植被蒸騰量和截留量分別增長了11.69%和14.2%（參見表1），這與植被對降水截留與蒸騰等的作用特點相符;由于蒸騰和截留的增加導致土壤蒸發量、蓄變量、徑流量和滲漏量的相應減少，也與水量平衡原理基本相符，這在一定程度反映了EcoHAT系統模型計算結果的合理性。初始年與現狀年藍綠水各分量值變化情況參見圖1。

從藍水與綠水的構成來看，2003年藍水總量為506.87 mm，綠水總量為461.36 mm，藍水與綠水占當年降水量的比例分別為52.35%和47.65%;2013年藍水總量為463.38 mm，綠水總量為458.68 mm，藍水與綠水占當年降水量的比例分別為50.25%和49.75%。可見，初始年和現狀年的綠水模擬值占降水量的比例均不到50%，遠低于全球65%的平均水平;2003年和2013年的滲漏量占降水量的比例分別8.60%和7.61%，表明在將難利用的滲漏藍水轉化為對植被生長有用的生態綠水（蒸散發和土壤水蓄變量）方面，有較大可調控空間。

為便于直觀分析研究區藍水與綠水分布，基于模型計算結果，分別生成研究區初始年與現狀年滲漏量分布圖，以及相應的植被蓋度圖和土壤質地圖。如圖2所示，初始年與現狀年的滲漏地帶空間分布基本一致;滲漏地帶分布與植被覆蓋在空間上的分布并無明顯相關性，從側面反映出植被退化并不是導致滲漏的根本原因;嚴重滲漏區域（滲漏量大于180 mm）均位于土壤水傳導率相對高的壤土區內，但壤土區并不都是滲漏嚴重的區域，表明滲漏是否嚴重應與土壤質地有一定關系，但也受到其他因素的影響。

3.2 模型計算結果驗證

對于模型各項計算結果數值的驗證，除藍水滲漏量的驗證，由于缺少觀測資料難于直接驗證外，其余各值均可通過查閱相關文獻資料獲取驗證值。因此，對滲漏量可采取間接驗證方式，通過驗證參與計算的各水文分量的值，再根據水量平衡原理，達到驗證滲漏量計算精度的目的。

徑流量驗證數據可通過貴陽市水務局發布的《水資源公報》獲得，植被降水截留量的驗證值來源于張喜等[45]在貴陽市開陽縣的實地觀測數據;蒸騰量、土壤蒸發量和飽和水含量的驗證值根據張志才等[46]在同為喀斯特地區且與貴陽相鄰的普定縣陳旗小流域利用Perman-Monteith方法計算的結果，土壤水蓄變量驗證值根據溫志群等[21]在貴陽及周邊地區計算的土壤水蓄變率獲得。模型模擬值與驗證值參見表3。

表3中數值顯示，徑流量的模擬值和驗證值之間相差較大，原因是驗證值417.9 mm來自2013年水資源公報數據，而同年貴陽市統計年鑒顯示，徑流量數值為50.21億m3，換算為徑流量應為624.9 mm，兩者相差高達200 mm。由于統計年鑒數值與水資源公報數值同樣來源于水行政主管部門，這種差異應該產生于統計上報過程中，可歸類為觀測誤差，不影響對模型計算結果的可信度評價。其次，土壤水蓄變量的驗證值比模擬值稍偏大，根據溫志群等的解釋，主要原因為其觀測時段從9月至次年3月，該時段的平均次降雨雨強較小，降雨歷時相對長、氣溫低，植被蒸散發較弱，處于植被生長緩慢期，因此降水大多用于補給綠水儲存部分，導致土壤含水量增長較快，土壤水蓄變量也較其他時段要高;而模擬值計算的是全年的平均數，自然偏低于驗證值[20]。另外，飽和含水量的驗證值也偏高于模擬值，原因應與驗證值來自對小流域的觀測，而模擬值由較大區域數值平均后得到有關。其他變量的模擬值和驗證值之間的差異不是很明顯，顯示由EcoHAT模型計算的各水文分量值與驗證值之間具有良好的相似度。模型模擬值與驗證值的相似度參見圖3。

圖3中模擬值的分布均接近于45°線，顯示由EcoHAT系統計算而得的蒸散發量及土壤水運移量與驗證值之間具有良好相似度，根據水量平衡原理，滲漏量模擬值也應該具有良好的可信度。

3.3 藍水綠水轉化模擬

根據SPAC原理，在水循環的三大環節中，以現有技術而言，人類難以改變大氣運動或降水過程，卻可以通過改變植被覆蓋度和土壤厚度等地表因素來影響降水的分配，從而實現將喀斯特石漠化地區滲漏的難利用藍水轉化為可供植被代謝利用的生態綠水。

3.3.1 增加植被對“藍-綠”水轉化的模擬分析

鑒于在土壤條件不變的情況下，能夠對陸面水循環產生影響的另外兩大因素分別為大氣降水和植被變化。可假定降水量不變，模擬植被變化下的滲漏量變化。利用MODIS數據反演植被蓋度發現，2003年至2013年間，研究區植被蓋度增長幅度接近10%;為便于比較，在進行模擬時，按植被蓋度每增長5%作為一個時間間隔，由于2007年研究區植被蓋度剛好在2003年的基礎上增長約5%，將2007年數據納入模型計算。同時，為分析植被蓋度小幅變化對滲漏量的影響，在2013年基礎上，增加模擬植被蓋度增長1%和2%的影響，模擬結果參見表4。

通過對表4的分析發現：

（1）在保持降水量不變的條件下，隨著植被蓋度的增加，徑流量不斷減少，綠水總量保持相同數值的增長，表明在植被增長模式下，綠水的增長來源于藍水徑流量的轉化;

（2）隨著植被蓋度的增加，研究區滲漏量呈不斷減少的趨勢，盡管減少的絕對值與綠水總量的增長相差懸殊，但仍表明植被增長能夠在一定程度上將滲漏藍水轉化為生態綠水;

（3）當植被蓋度由50%增長到56%左右時，滲漏量減少的幅度最大（1.19%），約為1 mm/km2;

（4）根據表3中數據，按植被蓋度每增長5%計算所對應滲漏減少的幅度，匯總如表5所示。發現當植被蓋度由50%增長至56%時，滲漏量減幅較大，此后滲漏量減幅顯著下降，且下降幅度越來越小。

通過對植被蓋度增加與滲漏量減少幅度變化的相關性分析發現，植被蓋度增長與滲漏量變化之間呈明顯負相關的冪指數關系，且植被蓋度接近56%時，滲漏量減少的拐點作用表現明顯（參見圖4）。表明降水不變時，植被蓋度增加對減少滲漏的作用可能存在一個閾值，植被蓋度增加越接近這一閾值，滲漏量減少幅度變得越小，因此需要借助其他更有效的途徑來減少滲漏量。

3.3.2 增加土壤厚度對藍-綠水轉化的模擬分析

根據SPAC原理，假定降水和植被蓋度不變，選取便于模型進行計算與分析的土壤層厚度數值，在原有40 cm平均土層厚度基礎上，分別增加10 cm和20 cm，對藍水綠水變化情況進行模擬，經計算得到各主要指標值見表6。

通過分析表6的模擬結果發現：

（1）隨著土層的增厚，土壤蒸發量不斷升高，土層增厚20 cm所增加的土壤蒸發量幾乎相當于土層增厚10 cm導致增加的蒸發量的2倍，表明土壤增加的厚度與所增加的蒸發量的增量之間呈較好的正相關關系;

（2）當土壤增厚10 cm時，土壤水蓄變量所增加的45.81 mm水量剛好與滲漏減少的量相等，從水量平衡的角度來看，表明增厚土層所減少的滲漏藍水已全部轉化為綠水儲存量，此時徑流量所減少的53.22 mm水量中，45.81 mm來自于滲漏量的減少，而另外7.41 mm用于土壤水蒸發，所減少的藍水總量全部轉化為綠水;

（3）當土壤增厚20 cm后，導致減少的114.82 mm徑流總量中，有100.11 mm轉化[HJ2.1mm]為土壤水蓄變量，另外14.71 mm轉化為土壤水蒸發，土壤水蓄變量所增加的水量除一部分來自于減少的64.47 mm滲漏量外，剩余部分應來自于地表徑流量的減少;

（4）當土壤在原有基礎上增厚20 cm后，導致除滲漏藍水外，高達114.82 mm的徑流量減少。盡管根據Tennant的研究，徑流量減少在40%以內，不會對水生生態系統產生明顯不利影響[47]，但考慮到土壤增厚20 cm后，綠水占降水的份額已達61.57%，接近全球65%的平均水平，并且總徑流量減少幅度已高達23.58%，可能會對生態環境產生一定負面作用，在對進行生態評估之前，不建議再增厚土層。

藍水綠水變化對增厚土層的響應關系參見圖5。

圖5顯示，滲漏量與土壤厚度變化呈較顯著的負指數相關關系，同時兩者之間變化也呈稍弱的線性負相關關系，原因應與作為滲漏藍水轉化對象的土壤水蓄變量同時受到蓄變能力增強和徑流量減少雙重影響有關。

3.4 藍水綠水轉化效果對比分析

此前的模型計算結果顯示，增加植被蓋度和增厚土層均能實現將喀斯特石漠化地區滲漏的難利用藍水轉化為生態綠水，但哪一種方法轉化效果更明顯，尚需進一步比較分析。為此，假定降水量不變，將兩種方法對轉化綠水的貢獻數值列表見表7，為便于比較，對增厚土層的模擬，增加了45 cm和55 cm兩種土壤厚度。

通過表7的數值對比發現，隨著植被蓋度和土壤厚度的不斷增加，綠水總量均呈快速增長的趨勢，增厚土層所轉化的綠水量明顯多于增加植被蓋度的轉化量。

4 結論

本文基于藍水綠水理論，采用EcoHAT系統水循環模型對喀斯特石漠化典型地區—貴陽市非城鎮區的藍水和綠水變化進行了模擬，分析了增加植被和增厚土層兩種方案對將研究區滲漏的難利用藍水轉化為可供植被生長利用的生態綠水的不同效果，研究結論如下。

（1）研究區在初始年和現狀年綠水占降水的份額分別為47.65%和49.75%，均遠低于全球65%的平均水平，且2003年和2013年的滲漏量占降水量的比例分別8.60%和7.61%，具有將滲漏藍水轉化為生態綠水的巨大潛力。

（2）增加植被覆蓋度和增厚土層是實現將滲漏藍水轉化為生態綠水的有益途徑，增厚土層的轉化效果較增加植被更為顯著。

（3）增加植被覆蓋度對減少滲漏的轉化作用存在一個明顯的閾值，即在植被覆蓋度增長到56%左右后，增加植被對減少滲漏的作用急遽減弱。

探索將喀斯特石漠化地區滲漏的難利用藍水轉化為可供植被生長利用的生態綠水，對類似地區提高水資源利用量的研究，將具有一定的參考意義。

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