新疆開都—孔雀河流域天然植被生態需水量研究

馬玉其，王軍政，程勇，王新友，陳小強，崔華，葉朝霞

(1.新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局，庫爾勒 841000；2.中國科學院新疆生態與地理研究所/荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，烏魯木齊 830011)

隨著生態環境日益惡化，人類對生態環境保護和生態環境重建越來越重視。而作為生態系統循環中最重要的因素之一，水資源的供需矛盾日益突出。為了實現水資源的可持續利用及國民經濟的可持續發展，生態需水量的研究近年逐漸受到關注并發展起來，成為生態水文學的重要研究內容之一。生態需水量是水資源可持續利用的重要基礎[1]。我國生態需水研究起步較晚，現階段生態需水的概念還未得到統一，其研究主體不明確，不同學者根據研究對象的具體情況對其進行界定，出現不同的定義，如生態用水、生態耗水、生態缺水、生態儲水、環境需水及生態環境需水等，這些概念與生態需水并不等同，屬于不同層次的概念[2]。生態用水是指流域生態系統實際使用的水資源，反映生態系統歷史或現狀的用水水平[3]。生態需水是生態用水的依據。生態耗水是指生態系統維持生物生存消耗掉的水量(如蒸發量)，生態需水大于生態耗水。生態缺水是指特定狀態下的生態系統對于預期的生態目標，系統缺乏的、需要補充的水量，即供水與需水的差值。生態儲水是指生態系統所處的特定時空范圍內儲存的或可獲取的天然存在的水，是生態需水總量中的部分非消耗用水因參與了生態系統的物質和能量循環而滯留在生態系統內部[4]。環境需水是改善人類生存環境質量所需要的水量[5]。生態環境需水量是生態需水和環境需水的總和。王玉敏和周孝德[6]認為廣義的生態需水量是指維持地球生物地理生態系統水分平衡所需用的水，包括水熱平衡、水沙平衡、水鹽平衡等等。狹義地說，生態需水量是指為維護生態系統不再惡化并逐漸改善所需要消耗的水資源總量。天然植被生態需水由天然喬灌林、草地、荒漠植被和植被蓋度小于5%的荒漠區蒸發需水共同組成。

本文選擇塔里木河流域九源之一的開都—孔雀河流域為研究區域，結合該區域天然植被的分布特點，合理估算天然植被生態需水量，以期為孔雀河生態輸水工程和塔里木河下游生態輸水工程的實施提供科學依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區

開都—孔雀河流域位于新疆維吾爾自治區巴音郭楞蒙古自治州(以下簡稱巴州)境內，地處塔里木盆地東北部、塔克拉瑪干沙漠東北緣，由山區生態系統、綠洲生態系統、湖泊生態系統及荒漠生態系統等構成。該流域總面積7.73×104km2，其中山區面積為3.47×104km2，占流域面積的45%；平原區面積為4.26×104km2，占流域面積的55%。該流域是巴州國民經濟發展、生態環境保護的重要區域[7]。

開都—孔雀河流域深居歐亞大陸腹地，遠離海洋，屬于典型的大陸性干旱氣候，其總的特點是干旱少雨、蒸發量大、晝夜溫差大、日照時間長、光熱資源豐富、四季分明、冬夏漫長、春秋短暫，并有春季升溫快、秋季降溫迅速、風沙較大等氣候特征。

開都—孔雀河流域有大小10余條雨雪混合補給的河流，其中開都河、黃水溝、清水河等河流為博斯騰湖泊濕地主要水源。開都河發源于天山中部依連哈比爾尕山，主要由高山區冰雪融水、中山帶的降水構成，由東向西經小尤爾都斯盆地流至巴音布魯克，向南流入大尤爾都斯盆地，折轉130度向東流入焉耆盆地，最后注入博斯騰湖。博斯騰湖作為開都河的尾閭，是巴州地區的重要水資源儲存庫，具有調節河川徑流、凈化水質等生態功能。水源從博斯騰湖流出即為孔雀河。孔雀河流經庫爾勒市、尉犁縣注入羅布泊。孔雀河是博斯騰湖濕地的唯一出水河流，承擔著流域下游生產生活的水源供給[7]。

1.2 研究方法

天然植被生態需水量的計算方法主要有Penman法、潛水蒸發法、實測蒸騰量估算法、定額法以及基于遙感和GIS技術的研究方法等。本文根據研究區天然植被的分布特點，選擇潛水蒸發法和定額法進行估算。

1.2.1 潛水蒸發法

潛水蒸發法是根據潛水蒸發量間接計算植被生態需水量的方法，該方法適用于干旱區植被生存主要依賴地下水的情況。對于某些地區天然植被生態用水量計算，若以前工作積累較少，模型參數獲取困難，也可考慮采用此方法。干旱區天然植被的實際蒸散可近似地用潛水蒸發量W表示。

W=E×A

式中，E為潛水蒸發強度(mm)，A為要維持或保護的植被面積。潛水蒸發與氣象要素、土壤質地、土壤水分儲量和地下水埋深等密切相關。目前潛水蒸發法常用的計算公式有：

阿維里揚諾夫公式(簡稱“阿氏公式”)：

E=a(1-H/Hmax)bEΦ20

阿克蘇水平衡站公式：

E=E20×(1-H/Hmax)2.51

式中，E為潛水蒸發強度(mm)；EФ20為常規氣象蒸發皿觀測值(mm)；H為地下水埋深(m)；E20為20m2蒸發池水面蒸發量，使用阿克蘇水平衡站多年實測平均值1292.20mm；Hmax為地下水極限埋深(m)，按5m計算；a，b為經驗系數分別取a=0.62，b=2.80。需要指出的是以上公式計算結果均為裸地條件下的潛水蒸散發數值，若考慮不同植被覆蓋條件下的潛水蒸散發，需通過植被稀疏對裸地條件下蒸散發計算結果進行修正，依據宋郁東等[8]的研究，在塔里木河流域植被影響系數見表1。

表1 不同潛水埋深條件下的植被系數

1.2.2 定額法

式中：p為植被需水保證率；Ai為i類的植被面積；mpi為相應保證率的植被需水定額；n為植被類型數。

2 結果分析

2.1 干旱區天然植被生態需水特點

(1)干旱區天然植被實際蒸散耗水量小。干旱區的自然植被相對比較抗旱，大多數常常得不到充分的水量供給。同時，生物生產量也相對較低，總體來講，單位面積對水分的消耗量也相對較小。

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(2)用水的可塑性大。沿塔里木河干流兩岸的大部分自然植被，每年只有洪水期7月—8月灌溉一次，洪水大時漫溢范圍廣，灌水量多；洪水少時，僅在主河道兩側有限范圍，灌水量少，自然植被不像農作物灌溉不適時適量就會造成減產。所以生態用水和農業用水在時間上不會有很大的矛盾。春季水量少時，可全部供農業利用；夏季洪水大時，農作物灌溉利用不完可作生態用水。在南疆有些地方引洪放淤，繁育恢復檉柳，對改善生態起到良好作用。

(3)水分有效利用程度高。農作物灌溉大多是地面灌溉，通過水庫調節、渠道輸水和田間灌溉造成蒸發滲漏損失很大，農作物真正實際利用的不到30%。生態用水除了洪水淹灌造成積水蒸發損耗外，大部分是地表水滲漏轉化為地下水供植物利用，與農作物相比，水資源利用率高。

(4)能夠利用農業上暫難利用的水資源。農作物用水是“以需定供”，而生態用水是“以供定耗”。目前生態用水主要是農業上難以引用的洪水和由水庫、渠道、田間滲漏補給的地下水及一部分農田排水，將來還有城市和工業污水。用這些水可維護自然植被、保護生態，無疑可提高水資源利用率。特別是由水庫、渠道和田間滲漏補給的地下水，被天然植被吸收利用，極大地提高了水資源重復利用率。

(5)可利用埋藏較深的潛水。農作物由于根系淺，主要利用根系密積層(一般在1m以內)的土壤水，一旦土壤干旱，就會影響生長。天然植被，特別是喬灌木根系是隨著地下水位下降而向下延伸。成年檉柳、胡楊的根系都可深達十多米。所以不少地方，盡管地下水位已下降到4m～8m以下，但是喬灌木仍能生長，其所利用的主要是埋藏較深的地下水。因此可利用喬灌木生長和地下水的這種關系，在幼林階段，通過灌溉使根系向下延伸，一旦根系能接觸到地下水，就可減少水分供應，讓根系吸收地下水，節省生態用水。

開都—孔雀河流域生態用水的形式主要以河道入滲補給地下水和洪水漫溢的地面灌溉為主。河道入滲在河道兩岸橫斷面上形成一個近似梯形的地下水區域，使天然植被的根系能夠有效地吸收水分；洪水漫溢地面灌溉可使植被達到自我更新、孕育幼林和草本植物生長的需水要求。

據2008年塔里木河干流上、中、下游分區天然植被生態耗水量分析[9]，上游區為2125.6m3/hm2，中游區為2277.70m3/hm2，下游區為2344.60m3/hm2。上游區植被主要以林木為主，以灌木、草類植被為輔，生態用水以河道漫溢形成的地面灌溉為主，河道入滲補給地下水為輔，故用水指標較高；中游區植被以林、灌木、草結合，生態用水形式以河道及叉流入滲補給地下水為主，河道漫溢形成的地面灌溉為輔，用水指標適中；下游區由于總水量不足，植被衰敗、枯萎，生態用水以河道入滲補給地下水為主，下游英蘇以下河道斷流30多年，地下水位已下降至9m～13m，用水指標異常偏低。

根據生態用水的不同特點，特別是塔里木河兩岸的自然植被主要依靠洪水漫溢和河道入滲補給地下水維持生機的特點，其生態用水指標也由于各自計算方法不同而計算值各異：(1)中國科學院新疆生態與地理研究所計算值為3900m3/hm2；(2)新疆水利廳流域規劃辦公室計算值為3885m3/hm2；(3)清華大學塔里木河干流水均衡模型計算值為3495m3/hm2；(4)根據王讓會等[10]研究成果，有林地為3000m3/hm2；疏林地為1450m3/hm2；高蓋度草地為2340m3/hm2；低蓋度地為630m3/hm2。根據以上定額指標，并參考潛水蒸發與水平衡公式計算的需水量結果，確定現狀條件下林地需水定額為3000 m3/hm2；疏林地(小半灌木林地)需水定額為1500 m3/hm2；草地統一設定為2250 m3/hm2。

2.2 開都—孔雀河流域天然植被保護范圍

天然植被生態敏感區保護區分布于66km分水閘以下的河道兩岸，面積10.93×104hm2，主要由以胡楊為主的喬木林和以檉柳為主的灌木林組成，為荒漠地帶特有的走廊式荒漠河岸林。現狀年開都—孔雀河在第66km分水閘斷面向塔里木河供水5.49×108m3，向塔里木河供水4.5×108m3(含生態供水水量)，一般情況下孔雀河基本無水下泄入孔雀河阿克蘇甫下游河道。

表2 開都—孔雀河流域天然植被保護范圍與目標 單位：104hm2

2.3 開都—孔雀河流域天然植被生態需水量

采用潛水蒸發法(阿克蘇水平衡站公式、阿氏公式)和定額法估算了開都—孔雀河流域生態保護紅線和生態敏感區保護范圍內的天然植被生態需水量。為了消除單一方法估算結果的偏差，將三種計算公式的計算結果進行算術平均，從而獲得不同保護范圍天然植被的需水量。

開都—孔雀河流域平原區有林地需水定額3000m3/hm2，平均地下水埋深2.50m；疏林地需水定額1500m3/hm2，平均地下水埋深4.50m；灌木林需水定額3000m3/hm2，平均地下水埋深3m；草地需水定額2250m3/hm2，平均地下水埋深3m。根據定額法計算結果，開都—孔雀河平原區生態保護紅線下需水量為17.09×108m3；基于潛水蒸發法的阿克蘇水平衡公式計算結果為12.82×108m3，阿氏公式計算結果為11.55×108m3。將三種計算結果進行算術平均，則開都—孔雀河生態紅線需水量為13.82×108m3(表3)。

表3 開都—孔雀河流域生態需水量計算

開都—孔雀河流域天然植被生態敏感區分布于66km分水閘以下的河道兩岸，面積10.93×104hm2，主要由以胡楊為主的喬木林和以檉柳為主的灌木林組成，對應地下水埋深平均為3m左右，灌溉定額綜合考慮有林地、疏林地和灌木林情況，定為2250m3/hm2。因此，定額法計算的生態敏感區生態需水量為2.46×108m3，阿克蘇水平衡站公式計算需水量為1.96×108m3，阿氏公式計算的需水量為1.76×108m3，三者平均為2.06×108m3。

3 結論與討論

上述研究結果表明：開都—孔雀河流域生態紅線平均需水量為13.82×108m3，其中定額法估算結果偏大，其次是阿克蘇水平衡站公式，阿氏公式估算結果最小；生態敏感區平均生態需水量為2.06×108m3，同樣也是定額法估算結果偏大，其次是阿克蘇水平衡站公式，阿氏公式估算結果最小。比較上述結果發現，潛水蒸發法中的阿克蘇水平站方法的計算值與平均值最為接近。

由于干旱區降水量稀少，天然植被生長完全依賴地下水，一般采用潛水蒸發法間接計算植被的生態需水量，在植被需水定額不好確定的情況下，更是首選潛水蒸發法進行生態需水量的估算。因此潛水蒸發的變化將直接導致天然植被生態需水量發生變化，而氣候變化也正是通過影響潛水蒸發從而影響植被生態需水量。

郝振純等[11]針對淮北平原裸土潛水蒸發進行了試驗研究，結果表明，裸土潛水蒸發的影響因素主要有潛水埋深、土質和氣象因素。其中，氣象因素對靠近地表的潛水蒸發量影響較大，對于不同土質，其影響深度略有不同。因此，對于埋深較淺的區域生態需水量的計算要特別注意氣象因素的影響。柏菊等[12]對淮北平原蒸發量變化趨勢及其影響因素進行分析，結果表明，氣候變化對蒸發過程影響顯著。溫度和相對濕度成為影響蒸發能力的主要因子。大氣蒸發能力對潛水蒸發的影響隨地下水埋深的加大而減弱；當地下水埋深較淺時，潛水蒸發隨埋深的增大而迅速減小；在埋深大于2m時，潛水蒸發減小的速率趨于緩慢，蒸發量趨近于零[13]。氣候的變化趨勢影響著區域蒸發能力的趨勢。趙成義等[14]的研究也證實了這一觀點，其提出的潛水蒸發公式的分段擬合公式將潛水蒸發分為三個過程：當潛水埋深較小且大氣蒸發能力低于某一臨界值時，潛水蒸發主要由大氣蒸發能力來決定；當潛水埋深較大且大氣蒸發能力小于某一臨界值時，潛水蒸發主要由土壤的輸水性能控制，潛水蒸發與大氣蒸發能力呈非線性關系，即符合阿維里揚諾夫和指數型等公式；當大氣蒸發能力大于某一臨界值時，潛水蒸發為某一最大值，此值與潛水的埋深有關。其中第一個過程是受氣候變化影響較大的過程。張振華等[15]研究認為潛水蒸發主要受土壤輸水能力和外界蒸發力的影響，而且受兩者中較小者的控制。其中，外界蒸發能力主要受光照、風速、氣溫、水汽壓、空氣流通情況等氣象因素影響。影響潛水蒸發量的主要氣候因素是降水量和大氣蒸發能力，大氣蒸發能力的大小以水面蒸發量來衡量。降水一方面通過增加大氣濕度減小大氣蒸發能力而減小潛水蒸發量，另一方面通過對土壤水分的補給而減小潛水蒸發量[16]。從諸多有關潛水蒸發影響因素的研究中我們不難發現，無一例外地都要考慮氣象因素對其產生的影響[17-18]。