黃土高原降水分布特征及水資源利用分析

黃土高原降水分布特征及水資源利用分析

黃土高原是指太行山以西、日月山-賀蘭山以東、秦嶺以北、陰山以南的地區(qū)，包括山西省、陜西省、甘肅省、內(nèi)蒙古、青海和河南的一些地區(qū)。面積約62.4.1424公里，人口約8200人。該區(qū)位于我國中北部,具有典型的大陸性氣候特征,大部分地區(qū)年降水量在400mm左右且雨季集中,年變率大,氣候干燥,蒸發(fā)量大,無霜期短,加上大風、冰雹、霜凍等自然災害頻繁,使得植被生長環(huán)境條件極差。另外,由于長期的土地不合理利用,植被因掠奪式開墾而遭到大面積破壞,土壤侵蝕極為嚴重。全區(qū)年土壤侵蝕模數(shù)大于1000t·km-2·a-1的輕度以上面積約29.2×104km2,年流入黃河的泥沙高達16×108t。生態(tài)環(huán)境的破壞和長期大量的水土流失,造成現(xiàn)在千溝萬壑、光山禿嶺、災害頻繁、地瘠民貧的狀況。為了改善水土流失、土地沙化、水資源短缺等生態(tài)惡化現(xiàn)狀,黨中央做出了實施西部大開發(fā)的戰(zhàn)略決策,并把改善生態(tài)環(huán)境作為大開發(fā)的根本和切入點。西部地區(qū)光能資源豐富,熱量資源也基本能滿足植被生長需求,水資源是該地區(qū)生態(tài)恢復與重建的根本,包括退耕還林還草在內(nèi)的一系列生態(tài)措施都有賴于水資源的保證。但黃土高原是一個水資源匱乏的地區(qū),不僅是農(nóng)作物產(chǎn)量提高的主要限制因子,而且也是林草建設和植被生態(tài)建設的主要限制因子。該地區(qū)多年平均徑流深75.6mm,相當于全國平均的27%;人均占有水量585m3,只有全國人均的22%。而且這些少量的水資源主要用于河谷盆地的農(nóng)田灌溉,在廣大丘陵和高平原地帶很少有灌溉之利,在發(fā)展林草業(yè)上直接利用的水資源量則更少。地下水資源,雖然儲量達335.98×108m3,但由于河谷下切,無良好的儲水條件,地下水埋藏很深,多在50m~60m左右,有的甚至達到100m以上。因此,分析黃土高原地區(qū)降水資源特征及其對植被分布的影響,充分利用自然降水資源,以便實施雨水資源化并提高雨水利用率,對黃土高原的農(nóng)林草業(yè)生產(chǎn)、特別是當前以植被生態(tài)恢復為核心的生態(tài)環(huán)境建設有著重要意義。1洛杉磯高原降水的時空分布特征1.1降水量隨地形和熱力條件的變化黃土高原多年平均年降水量在130.0mm~879.0mm之間,等值線基本呈東北西南走向(圖1),自東南部的550mm左右,遞減至西北部不足200mm。山西中部、南部和北部五臺山區(qū),陜西中部,甘肅南部地區(qū)及中部、東部的偏南地區(qū),寧夏南部山區(qū)等地,年降水量一般為500mm~700mm;陜西和山西兩省北部,甘肅中北部,寧夏大部分地區(qū),年降水量200mm~300mm,是黃土高原的少雨區(qū)。另外,年降水量一般隨海拔升高而增加,受地形和熱力條件的影響,山區(qū)的降水明顯多于周圍的地方。例如華山和五臺山多年平均降水量分別為879.0mm和829.8mm,其周圍地區(qū)都小于600mm。1.2氣象變化的降水期春季生長季黃土高原位于中緯度地帶的東部季風區(qū),冬季受蒙古高壓控制,天氣寒冷干燥,降水稀少。春季蒙古高壓衰退,而較弱的太平洋暖濕氣流還難以影響黃土高原,春旱現(xiàn)象嚴重。夏季在副熱帶高壓的影響和控制之下,盛行太平洋熱帶海洋氣團,是降水的主要來源。秋季暖濕的海洋氣團南退時受秦嶺阻擋和快速南下的冷空氣相遇,形成較多的鋒面降水。上述大氣環(huán)流特征使黃土高原降水量在年內(nèi)分配極不均勻,冬干春旱,夏秋季降水集中。夏季降水明顯多于其它季節(jié),6月~8月降水量占全年降水量的42%~68%,其中,北部地區(qū)一般占年降水量的65%左右,集寧占68.1%;中西部地區(qū)一般占55%,南部一般占45%左右。秋季(9月~11月)降水量占年降水量的16%~36%,其中北部地區(qū)一般占年降水量的20%左右;西部地區(qū)一般占年雨量的24%左右,南部可占到30%左右。冬季(12月~2月)降水量少,一般只占年降水量的1.5%~5.0%;春季(3月~5月)降水量一般占年降水量的12%~24%,北部和中部一般在20%以下,南部大部分地區(qū)都大于20%。生長季(4月~9月)雨量可占全年的73%~90%,其中西北部地區(qū)一般可占到85%以上,東南部地區(qū)可占年雨量的80%左右。大部分降水都集中在夏半年,這種水熱同步的氣候條件有利于植物生長。1.3年降水量的空間分布黃土高原地區(qū)年降水量的年際變化很大,總變幅西北部大于東南部,降水越少的地區(qū)其年際變化也越大。年降水相對變率一般在15%~36%之間。大部分在20%以上;北部地區(qū)在30%左右,石咀山年降水量變率最大,高達36.3%;南部地區(qū)相對較低,一般在20%以下,華山只有13.0%。年降水離差系數(shù)一般在0.20~0.46之間,其區(qū)域分布特征和年降水變率的分布特征基本一致,也是由東南向西北增大,南部的華山為0.16,而北部的鄂托克旗達到0.46。最大年降水量一般為多年平均值的1.4倍~2.0倍,其中東南部地區(qū)一般在1.5倍左右,西北部在2.0倍左右(鄂托克旗2.1倍,鹽池2.0倍)。最大年降水量一般為最小年降水量的2.0倍~6.5倍,華山最小只有1.8倍,靖遠最大達6.8倍。2降水對植被分布的影響2.1森林、草原分布關于植被分布與年降水量的關系,我國許多學者已做了大量的研究工作,得到了不同植被類型與年降水量的關系指標(表1)。根據(jù)這些指標和黃土高原生態(tài)植被區(qū)劃,可以大致確定黃土高原植被分布的年降水量指標為:>550mm為森林地帶;450mm~550mm為森林草原過渡帶;300mm~450mm為草原地帶;200mm~300mm為荒漠草原帶;<200mm為荒漠帶。森林主要分布在多年平均降水量>550mm的東南部地區(qū),其北界始于蒲縣,向西南經(jīng)過吉縣,過黃河進入陜西省,穿過黃龍縣北部,沿隴縣北部折向西南,止于天水南部,植被以落葉闊葉林為主;森林草原地帶分布在年降水量在450mm~550mm之間的地區(qū),其北界由興縣南部起,向西過黃河,經(jīng)綏德、固原、西吉向西南,一直到定西南部終止,是黃土高原的主要植被類型分布區(qū),且以草原植被占據(jù)較大優(yōu)勢,森林主要發(fā)育在較高的山地丘陵及陰濕的溝谷中;典型草原分布在多年平均降水量300mm~450mm的地區(qū),其南界與森林草原地帶相毗鄰,北界始于內(nèi)蒙古的包頭,向南穿過鄂托克旗的東部,經(jīng)陜西定邊于寧夏鹽池之間,折向西南,穿過同心,終止于蘭州以南,植被以多種草原植被占優(yōu)勢,尤以長芒草草原分布最廣;荒漠草原分布在多年平均年降水量200mm~300mm的地區(qū),位于黃土高原西北部,其南界與典型草原地帶相接,各類短花針茅草原廣為分布;多年平均降水量200mm以下的地區(qū)為荒漠地區(qū),分布于本區(qū)西北端,范圍較小。另外,在黃河中游的一些山地(如子午嶺、黃龍山、陰山山脈等)也有森林分布,這些山地的森林植被分散地分布在溫帶草原區(qū)中,其分布形式是非地帶性的,屬于溫帶草原區(qū)的山地森林。2.2土壤水分資源補充料年降水量在大環(huán)境上界定了黃土高原地區(qū)不同植被類型的生長區(qū),但降水量的季節(jié)分布對自然植被生長的影響有時比年降水量的影響更大。如刺槐,其安全生長的氣候條件是年降水量400mm~900mm,年平均氣溫>5℃。在年降水量大于400mm的右玉(426.1mm)、興縣(491.6mm)等地,從年降水量來說滿足了刺槐的安全生長條件,但由于降水量年際之間和季節(jié)之間的分配不均,降水資源的供應期和植被的需水期不能有效協(xié)調,普遍存在著生長緩慢,個體矮小,過早老化的刺槐林。在黃土高原無灌溉條件下,天然降水是植被消耗水分的唯一來源。一般說來,春末夏初降水較少而植被蒸騰和土壤蒸發(fā)強烈,不足以滿足植被的消耗量,土壤含水量下降。隨著雨季的到來,一般降水量大于消耗量,土壤水分處于補充和恢復期。秋季降水量減少,但同時溫度降低,植被耗水量也隨之下降,收支基本相抵;冬季耗水量最少,水分處于穩(wěn)定期。所以植被能否正常生長,關鍵是雨季的降水對土壤水分的恢復程度。因此,從降水資源對土壤水分的補給程度,可以分析其對植被分布的影響情況。在雨季土壤水分可以得到均衡補償?shù)牡貐^(qū),水分條件能夠滿足喬木生長需要,該地區(qū)為森林的潛在分布區(qū),主要包括晉中東部丘陵山地、汾渭河谷盆地、子午嶺-黃龍-喬山林區(qū),及豫西黃土丘陵區(qū);土壤水分在多數(shù)年份得不到補償,常常處于虧缺狀態(tài),只有在個別豐水年份才能得以恢復的地區(qū),喬木大面積生長受到限制,屬于森林向森林草原的過渡區(qū),包括晉西黃土丘陵、陜北黃土丘陵、甘肅隴中黃土丘陵等地;土壤水分經(jīng)常處于虧缺狀態(tài),難以通過降水補充,限制了林木的正常生長,屬于草原地帶,包括內(nèi)蒙黃土丘陵區(qū)、鄂爾多斯草原東部、寧夏鹽池、甘肅白銀-皋蘭-蘭州一線;土壤水分由于降水稀少而處于強烈干旱狀態(tài),屬于荒漠草原帶或荒漠帶,主要包括寧蒙黃河沿岸、鄂爾多斯草原西部以及甘肅靖遠一帶。3不同立地條件下人工造林植被的恢復目前在黃土高原地區(qū)植被生態(tài)建設存中存在不同的觀點和爭議主要表現(xiàn)在:黃土高原地區(qū)適合不適合森林?退耕還林和退耕還草的適宜區(qū)域在哪里?對于不同的地區(qū)應當采取什么措施,如何協(xié)調經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)建設的關系?對于黃土高原地區(qū)造林種草,一種看法認為黃土高原自然環(huán)境不適宜生長森林,歷史上也沒有大片的連續(xù)森林;而另一種看法是黃土高原80%以上的地區(qū)年降水量大于400mm,完全適宜林木生長。韋省民先生從自然地理學角度對黃土高原的森林變遷進行了研究,他認為不能把黃土高原山地曾經(jīng)(或仍然)有森林分布作為今后在黃土高原面上大范圍植樹造林,恢復森林植被的宏觀依據(jù);也不能因為其東南部有森林分布,而作為在黃土高原中或西北部植樹造林、恢復森林植被的依據(jù)。山侖先生也認為:在年降水量300mm~500mm的半干旱氣候條件下,人工造林受環(huán)境限制,只宜在水分條件較好的溝道和陰坡適當發(fā)展,同時還必須加大人工措施。因此,應倡導喬灌草相結合,一些地方還必須明確以草灌為主。另外,在大面積人工造林時,要以適合當?shù)貤l件的旱中生優(yōu)勢種為主,過多引進高耗水的樹(草)種一個時期內(nèi)也許可繁茂生長形成較大生物量,但因失去水分平衡難以持續(xù)利用。梁一民先生依據(jù)植被群落結構原理,對“適地適樹”和“草灌先行”的提法提出了置疑。他認為“適地適樹”并不等于“適地適林”,作為植樹造林,應當強調“適地適林”;另外,從人工草地土壤水分動態(tài)看,在半干旱地區(qū),先恢復草灌植被,再建造喬木林的造林途徑行不通,而應該喬、灌、草一次建植。從這些觀點可以看出:黃土高原存在森林分布,但只在水熱條件較好的東南部和一些立地條件好的山地,大部分地區(qū)是森林草原和典型草原景觀。植被生態(tài)恢復應該按照植被區(qū)劃“量水而行”,根據(jù)水資源條件和植被群落結構原理合理配置喬、草、灌比例。根據(jù)前面對黃土高原地區(qū)降水資源的分析,并參照前人的研究成功,可以得出黃土高原植被生態(tài)建設的區(qū)域分布,以及相應的措施。(1)經(jīng)濟關系區(qū)域該地區(qū)位于黃土高原東南部,其西北界東起大同盆地南緣的廣靈、向西南經(jīng)寧武、方山、延長、甘泉、正寧、平?jīng)鲋劣谂R夏。南止秦嶺北麓,東止太行;包括汾渭盆地、豫西、隴東廣大黃土丘陵和塬區(qū)。境內(nèi)山地有太行山南端、呂梁山南端、中條山、秦嶺和關中的北山。這一地區(qū)年降水量>550mm,在植被區(qū)劃上屬于森林地帶和森林草原的南部地區(qū),土壤水分能夠均衡補償,是黃土高原發(fā)展林業(yè)的重點區(qū)。該區(qū)種樹成林、宜林地段的局限性不嚴格,陰坡和陽坡都有適宜的樹種。楊、柳、榆、刺槐等樹種廣泛分布,另外還可能引種更多的經(jīng)濟植物,如分布在秦嶺北坡一帶中華獼猴桃、刺五加、刺梨、山楂等,可兼收水土保持和經(jīng)濟雙重效益。但一些經(jīng)濟價值較高卻不耐寒的樹種,如板栗、核桃、泡桐、香椿、柿子、花椒等只限于本區(qū)東南部。在植被群落結構上以該地帶森林植被的優(yōu)勢種作為主要造林樹種,輔以喬木伴生生樹種和灌木,組成復層、針闊混交林。水分條件稍差的地段可采取喬、灌混交模式。(2)植被空間改造這一地區(qū)位于森林地區(qū)以西,偏關、神木、榆林、靖邊、吳旗、環(huán)縣、固原、定西、臨洮以東。區(qū)內(nèi)山地主要有六盤山、白于山、呂梁山北部和子午嶺等。年降水量450mm~550mm,土壤年內(nèi)存在水分周期性虧缺,喬木大面積生長受限制,只能生長在水分條件較好的溝坡。植被建設應以灌木為主,形成溝谷以喬灌混交為主,梁峁坡以灌木為主的森林草原景觀。喬木可以選擇油松、遼東櫟、白樺、山楊等,灌木可以選擇沙棘、山桃、胡枝子、連翹等。(3)mm干草原區(qū)這一地區(qū)位于造林局部適宜區(qū)以西,包頭、鄂托克前旗、鹽池、海原、蘭州以東。年降水量300mm~450mm,土壤水分處于失調狀態(tài),是草原的適宜地帶。本區(qū)長芒草原、茭蒿草原、大針茅草原、小灌木百里香草原等多種草原植被占優(yōu)勢,植被恢復以旱生和旱中生牧草帶為主。本區(qū)也適于沙蒿、檸條、小葉錦雞兒等灌木生長,在植被群落上可以形成灌從草原景觀。適宜草種有沙打旺、苜蓿、草木樨等。(4)人工植被建設模式該區(qū)處于黃土高原的西北邊緣,銀川、中衛(wèi)、景泰荒漠線以東,相當于銀川灌區(qū)、賀蘭山和鄂爾多斯高原西緣地區(qū)。其降水量小于300mm,土壤水分嚴重虧缺,種草植灌地成功率也受到一定影響,屬于荒漠草原區(qū)。人工植被建設只能以耐旱的沙柳、檸條、沙打旺等草灌類型為主,而且不適宜大面積種植。由于植灌種草存在一定難度,植被應以自然恢復為主。4立地條件類型的原則黃土高原地跨森林、森林草原和草原3個植被地帶,且地形和生態(tài)條件復雜多樣。其東南部自然條件較好,適于森林生長,但它在整個黃土高原地區(qū)區(qū)域中只是其中的一小部分,不具有主體代表性,不能作為在黃土高原中西部或西北部植樹造林,恢復森林植被的依據(jù)。另外,在黃河中游地區(qū)的山地(如陰山山脈、呂梁山、子午嶺、黃龍山、橫山等)存在森林,但這只是一定山地條件的反