干旱半干旱區(qū)植被生態(tài)需水量計算方法評述

干旱半干旱區(qū)植被生態(tài)需水量計算方法評述胡廣錄;趙文智【摘要】植被是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定中起著重要的作用.對植被生態(tài)需水研究已成為水資源優(yōu)化配置和生態(tài)環(huán)境建設(shè)研究中的熱點問題.在綜合分析有關(guān)研究文獻的基礎(chǔ)上，介紹了植被生態(tài)需水的概念.對干旱半干旱區(qū)植被生態(tài)需水量常用的幾種計算方法--面積定額法、潛水蒸發(fā)法、植物蒸散發(fā)量法、水量平衡法、生物量法、基于遙感技術(shù)的計算法進行了詳細綜述，并對這些方法在實際應(yīng)用中的優(yōu)缺點予以評析.最后指出在"3S"技術(shù)應(yīng)用、數(shù)值模型建立、尺度轉(zhuǎn)換等方面加強研究，應(yīng)是未來植被生態(tài)需水量計算方法完善創(chuàng)新的方向.【期刊名稱】《生態(tài)學(xué)報》【年(卷)，期】2008(028)012【總頁數(shù)】10頁(P6282-6291)【關(guān)鍵詞】植被;生態(tài)需水;計算方法;干旱半干旱區(qū)【作者】胡廣錄;趙文智【作者單位】中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)臨澤內(nèi)陸河流域研究站，蘭州730000;中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)臨澤內(nèi)陸河流域研究站，蘭州730000【正文語種】中文【中圖分類】Q148干旱半干旱缺水地區(qū)水資源天然不足，加之人類活動范圍的不斷擴大和對水資源的不合理開發(fā)利用，導(dǎo)致林草植被退化，河流斷流，尾閭湖泊消失，土地沙化，沙塵暴強度和頻次增加，水土流失加劇，生態(tài)環(huán)境日趨惡化。嚴重的生態(tài)危機威脅著這一地區(qū)人類的生存和生活，已引起各國政府及相關(guān)部門的高度重視。因此，要維持良好的生態(tài)環(huán)境，必須保護和建設(shè)好植物群落，而其正常生長和更新必然會消耗一定的水量。近年來，許多專家學(xué)者從不同的方向和層面對生態(tài)環(huán)境中植被需水的理論機制和計算方法開展了廣泛研究，取得了重要進展。但植被生態(tài)需水涉及到生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、水文學(xué)、氣象學(xué)、人文地理學(xué)等學(xué)科，許多基本理論和計算方法的研究還不夠深入、完善，目前基本停留在定性分析和宏觀定量分析階段，計算結(jié)果還難以在水資源優(yōu)化配置和生態(tài)環(huán)境建設(shè)的具體實踐中得到應(yīng)用。本文在閱讀大量相關(guān)研究文獻的基礎(chǔ)上，對植被生態(tài)需水的計算方法進行了較為系統(tǒng)的總結(jié)和評析，指出了目前研究中存在的一些問題，并展望了未來研究的發(fā)展方向。1植被生態(tài)需水的概念G1eickPH于1995年最先提出了基本生態(tài)需水量的概念，即提供一定質(zhì)量和數(shù)量的水維持生態(tài)環(huán)境，以求最大程度地恢復(fù)天然生態(tài)系統(tǒng)的過程，并保護物種多樣性和生態(tài)完整性［1］。國內(nèi)生態(tài)需水的研究最早是從20世紀90年代開始，主要是針對西北干旱缺水地區(qū)展開的。很多學(xué)者圍繞生態(tài)需水量的概念和估算開展了大量研究工作，取得了不少科研成果，并且出現(xiàn)了許多生態(tài)需水量的概念，但概括起來主要有側(cè)重水文學(xué)、側(cè)重環(huán)境學(xué)和側(cè)重生態(tài)學(xué)特別是植物生態(tài)學(xué)等3方面的概念［2~4］。趙文智［5］認為在人口增加水資源日益短缺的干旱區(qū)，有限的水資源很難維持河流的基流，干旱區(qū)的生態(tài)需水主要是指維護天然綠洲和人工綠洲防護體系穩(wěn)定生長的耗水量，這種生態(tài)需水的概念側(cè)重生態(tài)學(xué)方面，應(yīng)該是植被生態(tài)需水。并提出干旱區(qū)植被生態(tài)需水量可劃分為臨界生態(tài)需水量、最適生態(tài)需水量和飽和生態(tài)需水量［6］。關(guān)于植被生態(tài)需水，由于研究者的出發(fā)點和研究對象不同，提出的概念及其內(nèi)涵理解也有所不同［7~12］。研究表明植被生態(tài)需水受大氣降水、地表水和地下水及其水質(zhì)的影響很大，同時還與區(qū)域內(nèi)的生態(tài)類型、植被特點、人為活動等有關(guān)。從現(xiàn)有的文獻資料可以看出對于植被生態(tài)需水還沒有一個明確統(tǒng)一的定義，因而使得使用者在概念的內(nèi)涵和夕卜延理解上尚有一些差異，導(dǎo)致了目前的文獻報道中針對同一地區(qū)的植被生態(tài)需水量計算存在差別，有的差別達1~2個數(shù)量級［5］。因此，統(tǒng)一認識，建立植被生態(tài)需水的概念體系，對規(guī)范植被生態(tài)需水量計算方法具有重要的現(xiàn)實意義。本文認為植被生態(tài)需水應(yīng)該是指保證生態(tài)系統(tǒng)中的植被能夠正常生長、發(fā)育，維護生態(tài)環(huán)境不再進一步惡化并逐漸改善、健康運行所需要的地表水和地下水資源總量。對于干旱區(qū)而言，植被對水分具有很強的依賴性，有水是綠洲，無水便是荒漠?？梢愿鶕?jù)研究區(qū)域的生態(tài)類型、植被特點，將研究對象限定在依靠山區(qū)形成的徑流和由徑流轉(zhuǎn)化的地下水而生存的綠洲生態(tài)系統(tǒng)，并劃分為天然綠洲植被生態(tài)需水和人工綠洲植被生態(tài)需水［13］。2植被生態(tài)需水量的計算方法對于干旱半干旱地區(qū)的植被生態(tài)需水量計算，專家學(xué)者們根據(jù)植被類型及所處區(qū)域氣象、土壤、水文地質(zhì)、生態(tài)等條件的不同，提出了不同的計算方法。每種方法都有優(yōu)缺點及其適用范圍，使用過程中可視具體情況靈活選用。2.1面積定額法以某一地區(qū)某一類型植被的面積乘以其生態(tài)需水定額計算得到該類型植被的生態(tài)需水量，某地區(qū)各類型植被生態(tài)需水量之和即為該地區(qū)植被生態(tài)需水總量［14］。計算公式為：W=^Wi=^Airi(1)式中，W為植被生態(tài)需水總量(m3);Wi為植被類型i的生態(tài)需水量(m3);Ai為植被類型i的面積(m2)；ri為植被類型i的生態(tài)需水定額(m3/m2)。該方法適用于基礎(chǔ)條件較好的地區(qū)與植被類型，如防風(fēng)固沙林，人工綠洲以及農(nóng)田系統(tǒng)等人工植被的生態(tài)需水量計算。用該方法計算植被生態(tài)需水量的關(guān)鍵是要確定不同類型植被的生態(tài)需水定額，即確定單位時間內(nèi)、單位面積上某一植被類型所需要消耗的水量。實際計算時針對某一地區(qū)、某一土地類型和植被類型，以其主要植物類型為代表，以其主要樹種的生態(tài)需水定額為代表，來估算整個系統(tǒng)的生態(tài)需水量［15］。事實上，由于影響植被耗水的因子非常多，各種自然條件下植被生態(tài)需水定額是很難測定的。目前大多數(shù)學(xué)者對于不同植被生態(tài)需水定額的確定主要采用以下兩種方法［8,12,16~22］:根據(jù)實際測定的不同類型植物的蒸散量以及水分供給量，并結(jié)合不同地區(qū)的植被系數(shù)來確定不同植物類型的生態(tài)需水定額。目前大多數(shù)研究者都是根據(jù)植被的成林密度、蒸滲儀和TDP測定的單株最大需水量(蒸散量),來確定不同植被單位面積的最大生態(tài)需水定額。但影響植物耗水的因素很多，特別氣溫、風(fēng)速、土壤濕度不但影響植物的當(dāng)日騰發(fā)速率，而且其長期累積效果將影響植物生長發(fā)育狀況，進而影響以后的騰發(fā)速率。這些因素在時間上波動性也較大，實測的數(shù)據(jù)很難體現(xiàn)自然界中植被生態(tài)需水的空間差異。因此，確定不同植被類型的生態(tài)需水定額，就需要針對每一氣候區(qū)域、每—土地類型、每一林草類型，考慮時空差異，分別計算其各自的生態(tài)需水定額。但由于目前研究的局限性，這種方法在實際操作中很難得到實現(xiàn)。理論計算法，即結(jié)合影響因子計算植被的生態(tài)需水定額，一般可用下式計算：ri=KsKcPEO(2)式中，PEO為由氣候條件決定的潛在蒸散量，通常由Penman公式計算；Kc為植物系數(shù)，是植物最大實測需水量與最大可能蒸散量的比值，其值的大小與植物種類、林齡、和生長季節(jié)的環(huán)境狀況等有關(guān)，常通過試驗取得；Ks為土壤水分修正系數(shù)，與土壤質(zhì)地及土壤含水量有關(guān)。如果S3<S<Sc,則：Ks=ln［(S-S3)/(Sc-S3)x100+1］/ln101⑶式中，S為土壤實際含水量；S3為土壤凋萎含水量；Sc為土壤臨界含水量。土壤水分狀況與林木生長關(guān)系密切，根據(jù)對土壤水分有效性的劃分，有學(xué)者［23］認為林木暫時凋萎含水量(Ss)和生長阻滯含水量(Sr)分別是能保證林木基本生存和正常生長時的土壤含水量下限，可以將相應(yīng)的林地耗水量分別作為林地的最小生態(tài)需水定額和適宜生態(tài)需水定額。何永濤等［24］結(jié)合黃土高原地區(qū)不同土壤類型的水分參數(shù)，以及林地最小生態(tài)需水定額和適宜生態(tài)需水定額的定義，將S=Sr和S=Ss代入式(3)，得到不同土壤類型相應(yīng)的水分修正系數(shù)Ks值。有學(xué)者［25］對延安市燕溝流域刺槐林生態(tài)需水量研究時，把對應(yīng)的土壤水分含量為干土重8.34%的值，作為保證刺槐林基本生存的暫時凋萎含水量Ss；把對應(yīng)的土壤水分含量為干土重%的值，作為保證刺槐林正常生長的生長阻滯含水量Sr。并取S3為干土重的3.56%,取Sc為田間持水量的75%，代入式(3)計算得到相應(yīng)的土壤修正系數(shù)，進而利用式(2)得出刺槐林地的最小生態(tài)需水定額和適宜生態(tài)需水定額。再根據(jù)式(1)計算得到黃土丘陵區(qū)燕溝流域刺槐幼年林生長季(5~10月份)的最小生態(tài)需水量為420.3mm，適宜生態(tài)需水量為506.7mm；刺槐青年林的最小生態(tài)需水量為mm，適宜生態(tài)需水量為730.4mm。實際上，土壤水分修正系數(shù)與含水量的關(guān)系要復(fù)雜得多，植物根系深度等因素對其也有影響，在土壤水分修正系數(shù)的確定中應(yīng)予以考慮。理論計算法考慮了植被生態(tài)系統(tǒng)的主要水分支出項——蒸散及其影響因子，同時也考慮了植物種類的差異，這就使不同區(qū)域不同植被的生態(tài)需水定額差別通過氣候因子、土壤類型的變化得到了體現(xiàn)［8］。目前這一方法已經(jīng)在林地系統(tǒng)的生態(tài)需水研究上得到了較好的應(yīng)用。但干旱半干旱地區(qū)由于林木植被系數(shù)的實測資料很少，使得理論計算法在這一區(qū)域的應(yīng)用一定程度上受到限制。據(jù)現(xiàn)有的文獻可知，中國科學(xué)院新疆地理研究所在阿克蘇水平衡站作過這方面的研究工作，研究結(jié)果表明當(dāng)潛水埋深從1m增大到4m時，植被系數(shù)由1.98減小到1.0。2.2潛水蒸發(fā)法干旱區(qū)植被生存主要依賴地下水在毛細管力作用下向植被根系層的輸水。在該地區(qū)植被的實際蒸散是由潛水向上形成土壤水供給的，而影響植物生長的土壤水分狀況取決于潛水蒸發(fā)量的大小，從較大的空間尺度而言，當(dāng)土壤處于穩(wěn)定蒸發(fā)時，不僅地表的蒸發(fā)強度保持穩(wěn)定，土壤含水量也不隨時間而變化，即潛水蒸發(fā)強度、土壤水分通量和土壤蒸散強度三者相等［26］。因此可以根據(jù)對潛水蒸發(fā)量的計算來間接計算植被生態(tài)需水量。即用某一植被類型在某一地下水位的面積乘以該地下水位的潛水蒸發(fā)量與植被系數(shù)，得到該面積下該植被生態(tài)需水量，各種植被生態(tài)需水量之和，即為該地區(qū)植被生態(tài)需水總量。計算公式為：W=^Wi=〉A(chǔ)iWgiKc⑷Wgi=a(1-hi/hmax)bE601⑸式中，W為植被生態(tài)需水總量(m3);Wi為植被類型i的生態(tài)需水量(m3);Ai為植被類型i的面積(m2);Wgi為植被類型i所處某一地下水位埋深時的潛水蒸發(fā)量(m3);Kc為植被系數(shù)，是有植被地段的潛水蒸發(fā)量與無植被地段的潛水蒸發(fā)量之比值，常由試驗確定；a、b為經(jīng)驗系數(shù)；hi為地下水位的埋深(mm);hmax為潛水蒸發(fā)極限埋深(mm);E601為601型蒸發(fā)皿水面蒸發(fā)量(m3)。基于以上植被蒸騰與潛水位之間的關(guān)系，考慮到干旱平原區(qū)天然與大部分人工植被的生存與繁衍主要依賴于消耗地下水，因而大多數(shù)學(xué)者［27~30］選用最具代表性的潛水蒸發(fā)模型——阿維里揚諾夫公式計算植被生態(tài)需水量。根據(jù)對民勤縣植物生長和地下水位關(guān)系的研究，當(dāng)?shù)叵滤幌陆档?m以下時鹽生草甸植被類型中大部分植被死亡，喬灌木開始生長不良，因此，有學(xué)者［27］把潛水埋深5m作為合理生態(tài)水位下限。當(dāng)大氣蒸發(fā)能力較大時，可根據(jù)清華大學(xué)雷志棟等［31］提出的潛水蒸發(fā)公式，估算天然植被生態(tài)需水量；也有學(xué)者［32］利用沈立昌經(jīng)驗公式確定了黑河下游林地和草地潛水蒸發(fā)強度，并計算了林地和草地維持合理生態(tài)地下水位2~4m時的生態(tài)需水量分別為0.87x108m3和8.36x108m3o潛水蒸發(fā)法適合于干旱區(qū)植被生存主要依賴于地下水的情況［8,12,15,17,20,21,33］,對于某些基礎(chǔ)工作較差且模型參數(shù)獲取困難的半干旱地區(qū)，也可考慮采用此法估算維護天然植被正常生長的生態(tài)需水量。雖然該方法由于研究區(qū)域、目的、對象的不同，參數(shù)取值也不同，計算結(jié)果會差別很大，但在實施流域水資源規(guī)劃、水資源調(diào)配及管理、生態(tài)環(huán)境保護時仍可用該法計算的結(jié)果做參考。2.3基于植物蒸散發(fā)量的植被生態(tài)需水量計算法植物在其生長發(fā)育的過程中要消耗大量的水分來維持其生存和繁衍，而植物的生態(tài)需水量主要是植物的蒸騰作用所消耗，同時土壤蒸發(fā)也消耗大量的水分。植被的生態(tài)需水量可以直接通過計算植被的蒸散發(fā)耗水量來確定，而一般植物的基礎(chǔ)生理需水量只是很小的一部分［34］,在計算過程中一般忽略不計。對于植物蒸散發(fā)量的計算通常采用的方法是改進后的Penman公式法和Hargreaves算法。2.3.1改進后的彭曼(Penman)公式法該法是指通過計算植物潛在蒸發(fā)量來推算植物實際需水量，并以植物的實際需水量作為植被生態(tài)需水量［16,17,35,36］。潛在蒸發(fā)量的計算目前常用的是改進后的彭曼公式(Penman),即：ET0=C［WRn+(1-W)f(u)(Ea-Ed)］(6)式中，ET0為潛在蒸發(fā)量(mm/d);W為與溫度有關(guān)的權(quán)重系數(shù)；C為補償白天與夜晚天氣條件所起作用的修正系數(shù)；Rn為按等效蒸發(fā)量計算得到的凈輻射量(mm/d)；f(u)是與風(fēng)速u有關(guān)的函數(shù)；Ea-Ed為在平均氣溫中，空氣的飽和水汽壓Ea與實際平均水汽壓Ed之差值(mb)。植物實際需水量的計算公式為：ET=ET0Kcf(s)⑺式中，ET為植物實際需水量(mm/d)；Kc為植物系數(shù)，隨植物種類、生長發(fā)育階段而異，生育初期和末期較小，中期較大，接近或大于1.0，一般通過試驗取得；f(s)為土壤影響因素，在非充分灌溉條件下或水分不足時，f(s)主要反映土壤水分狀況對植物蒸騰量的影響［12,18］。當(dāng)0>0c1時f(s)=10c2<0<0c1時f(s)=ln(1+e)/ln1010<0c2時f(s)=aexp(0-0c2)/0c2(8)式中，a為經(jīng)驗系數(shù)，一般為0.8~0.95；0為實際平均土壤含水率；0c1為土壤水分適宜含水率；0c2為土壤水分脅迫臨界含水率，為與植物永久凋萎系數(shù)相對應(yīng)的土壤含水率。從目前的研究來看，在某一區(qū)域不同水平的土壤含水率實測數(shù)據(jù)缺乏，限制了這種方法的實際應(yīng)用。為了不使民勤綠洲將變成第二個羅布泊，有關(guān)專家對這一地區(qū)的植被生態(tài)需水展開了研究，相關(guān)的研究表明，石羊河下游民勤綠洲主要防風(fēng)固沙植被在正常生長條件下，各樹種的土壤影響系數(shù)利用式(8)計算后分別為：新疆楊0.62、沙棗0.62、梭梭0.76、白刺0.74、檉柳0.53。這對于分析該地區(qū)人工和天然植被的需水量和水生態(tài)環(huán)境，為今后合理分配水資源提供參考依據(jù)。一般用改進后的彭曼公式法計算的是在充分供水、供肥、無病蟲害理想條件下植物獲得的需水量，即植被的最大需水量，并不是維持植物正常生長、不發(fā)生凋萎的實際生態(tài)需水量。但是該方法主要利用能量平衡原理，理論上比較成熟完整，實際上具有很好的操作性，可以采用該方法計算的結(jié)果乘一折減系數(shù)得到非理想條件下的植被生態(tài)需水量。彭曼公式法參數(shù)較多(如每日的氣溫、日照、風(fēng)速、濕度、太陽輻射等)，而我國干旱半干旱區(qū)目前能提供詳盡資料的氣象站點相對不足，這給一些條件較差地區(qū)計算植被生態(tài)需水量帶來一些困難，同時計算得到的結(jié)果也有相當(dāng)?shù)牟淮_定性。2.3.2根據(jù)Hargreaves算法計算陸地植被蒸發(fā)量彭曼公式中ET0的計算只與氣象因素有關(guān)，它反映了不同地區(qū)、不同時期大氣蒸發(fā)能力對植物需水量的影響[37]。然而當(dāng)其中一些氣象要素缺測時，此公式就不能用來計算蒸發(fā)能力。因此可根據(jù)現(xiàn)有的資料情況，采用FAO推薦的Hargreaves算法來計算植被的蒸散能力ET0[38]。用此法計算時需要的氣象要素有氣溫(包括最高和最低氣溫)、濕度、太陽輻射等。Hargreaves的計算公式如下：ET0=C0(Tmax-Tmin)0.5x(Tmean+17.8)xRa⑼式中,ET0為蒸散能力(mm/d);Tmax、Tmin為日最高和最低氣溫(°C);Ra為天文輻射日總量(MJ/(m2?d));C0是轉(zhuǎn)換系數(shù)當(dāng)Ra以mm/d為單位，C0=2.3x10-3,而當(dāng)Ra以MJ/(m2?d)為單位時，C0=9.39x10-4;(Tmax-Tmin)可以近似地表征地表可用輻射能的大小，同時又是水汽壓差大小的指標(biāo)，晴天時(Tmax-Tmin)較大，而陰天則相對較??；Tmean為日平均氣溫(°C)。計算出ET0后，可利用傅抱璞公式計算陸面植被蒸發(fā)量，公式如下：ET=ET0{1+P/ET0-[1+(P/ET0)m]1/m}(10)式中,ET為陸面植被蒸發(fā)量(mm);m^表征下墊面透水性、植被狀況和地形等特征的參數(shù)，一般取m=2；P為降水量(mm)。計算出陸地植被蒸發(fā)量后，利用下式計算陸地植被生態(tài)需水量：W=1000-ET-A(11)式中,W為陸地植被生態(tài)需水量(m3);A是陸地植被單元面積(km2)。利用Hargreaves算法，有學(xué)者［32］計算出黑河中游林地和草地年單位面積蒸發(fā)量分別是412.4mm和167.5mm，進而估算出林地和草地的生態(tài)需水量分別是4.08x108m3和0.4x108m3。此方法雖然考慮了下墊面透水性、植被狀況以及地形等特征，然而對于水文循環(huán)中水分的轉(zhuǎn)化過程卻沒有考慮到。尤其是干旱區(qū)天然植被，降雨量稀少，主要依靠地下水生存，要準確計算天然植被生態(tài)需水量，就應(yīng)該從植被生長的需水來源、水分轉(zhuǎn)化角度研究生態(tài)需水，這是Hargreaves算法所不具備的。計算植物蒸散發(fā)量的方法還有很多，如波文比法、蒸滲儀法、渦度相關(guān)法、熱脈沖法、熱擴散法、道爾頓經(jīng)驗公式等。不管采用那種方法計算植物蒸散發(fā)量，由于地面植被和土壤分布的不均勻性，按照植物蒸騰和土壤蒸發(fā)計算的蒸散發(fā)量在向大尺度的轉(zhuǎn)化過程中均會產(chǎn)生誤差，影響計算結(jié)果的精度。但針對我國植被生態(tài)需水研究還比較薄弱的實際情況，用該方法可近似估算基礎(chǔ)資料較全區(qū)域的植被生態(tài)需水量。2.4水量平衡法目前，對植被生態(tài)需水的研究只注重給出生態(tài)需水的量值，而缺乏對植被在水文循環(huán)過程各個環(huán)節(jié)所起的作用以及對不同環(huán)節(jié)變化響應(yīng)的關(guān)系研究，特別是植被與土壤水分關(guān)系的研究。分析植被所需水分的主要來源(地下水、降水還是土壤水)、需水的時間分布以及同一生態(tài)系統(tǒng)中不同植物間水分利用和競爭的關(guān)系，對準確計算生態(tài)需水至關(guān)重要。因此，只有在水文循環(huán)和水量平衡的基礎(chǔ)上，辨識水文過程和生態(tài)過程的相互作用，才能合理地估算生態(tài)需水，為生產(chǎn)實踐提供更科學(xué)、更有效的信息指導(dǎo)［39］。研究表明，植被生態(tài)需水具有一定的區(qū)域性，可以根據(jù)不同區(qū)域的典型植被類型(農(nóng)田防護林、防風(fēng)固沙林、牧場防護林等)耗水特征，結(jié)合降水補給土壤水分的實際可利用量，采用水量平衡法進行植被生態(tài)需水量計算［36］。把植被生態(tài)系統(tǒng)視為植被-土壤綜合系統(tǒng)，對該系統(tǒng)列水量平衡方程，求出一個時段植被的蒸散量，用植被蒸散量加上時段末土壤含水量作為此時段植被生態(tài)需水量［40-42］。在無人為干擾的情況下，植被-土壤系統(tǒng)的水量平衡關(guān)系可表示為：Et+(Wt+1-Wt)=(P+C)-(R+D)(12)式中,Et為t到t+1時段植被蒸散量；P為降雨量；C為地下水補給量；R為地表徑流量；D為土壤水滲漏量；Wt為t時刻土壤含水量；Wt+1為t+1時刻土壤含水量；以上各量的單位均為mm。其中，在地下水埋深較大時，C和D忽略不計。由于土壤含水量實測資料只能代表點的情況，故通常用前期影響雨量Pa間接表示土壤含水量［34］,Pa的計算公式如下：Pa,t+1=K(Pa,t+Pt-Rt)K=1-EM/WM(13)式中,Pa,t為第t日的前期影響雨量(mm)；Pa,t+1為第t+1日的前期影響雨量(mm)；K為土壤含水量的日消退系數(shù)或折減系數(shù)；Pt、Rt分別為t日的降雨量和徑流量(mm)；EM為流域日蒸散發(fā)能力(mm)；WM為流域最大蓄水量(mm)。在確定Pa的起始值時，一般若前期較長一段時間無雨，則令Pa=0；若在一場或幾場大雨之后，可令Pa=WM，具體計算時可令Wt(或Wt+1)=Pa。也有學(xué)者［29］研究認為干旱區(qū)植被耗水量與地下水位降幅之間存在水量平衡關(guān)系，以此關(guān)系式計算出植被耗水量之后，就可以間接確定植被的生態(tài)需水量。關(guān)系式如下：Q1=PA1+RA2-pAH(14)式中，Q1植被耗水量(mm);P、R分別表示灌水量和降水量(mm);入1、入2分別表示灌水和降水補給系數(shù)；p表示給水度；AH表示地下水位降幅(mm)?？傊科胶夥ㄊ悄壳爸脖簧鷳B(tài)需水量計算最常用的方法之一，比較適合完整流域的生態(tài)環(huán)境需水計算。它是通過分析水資源的輸入、輸出和儲存量之間的關(guān)系，間接地求取生態(tài)系統(tǒng)的需水量，原理成熟方法簡單，也是區(qū)域較大尺度上，當(dāng)缺乏生態(tài)系統(tǒng)本身的有關(guān)數(shù)據(jù)時常采用的方法之一。目前該法在我國塔里木河、黑河、涇河、遼河、海灤河等流域都有具體實際的應(yīng)用案例。然而，水量平衡法計算的是天然植被生態(tài)系統(tǒng)實際獲得的水資源量，是以生態(tài)系統(tǒng)的用水來替代需水，沒有從生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能對水分需求的角度來計算生態(tài)需水，因此也具有不合理的一面。同時水量平衡法算式中各水分收入項、支出項的精確確定仍然是比較困難的，這也影響區(qū)域植被生態(tài)需水量的計算精度。2.5基于生物量的生態(tài)需水計算法生物量法是針對單純靠降水支撐的地帶性植被，其生態(tài)需水可用生物生產(chǎn)量以及其水分利用率來確定［43］。對不同的生態(tài)系統(tǒng)而言，水分利用效率各不相同，也就是說單位水量所生產(chǎn)的干物質(zhì)量有所差別。因此，植被的不可控生態(tài)需水量E值［44］可用以下公式計算：E=JAixQnppixpi(15)式中，Ai為i類植被利用面積(m2),Qnppi為i類植被的凈第一性生產(chǎn)力，即單位面積、單位時間內(nèi)干物質(zhì)的重量(g/(m2?a)),pi為i類植物水分利用系數(shù)，表示單位土地面積上生產(chǎn)的干物質(zhì)與蒸散耗水之比(g/kg)。生物量的估算應(yīng)包括根、徑、葉等，在目前研究中，一般只考慮了地上部分，而對地下部分的估算則重視不夠。由于生物量的估算較為困難，特別是根系的生物量，同時水分利用效率的數(shù)據(jù)也難以準確獲取，因此該方法的應(yīng)用受到一定限制。但是該方法從另外一個角度提供了計算生態(tài)需水的途徑，尤其是隨著遙感技術(shù)在生物量估算中的應(yīng)用，這一方法有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用前景［39］。2.6基于遙感技術(shù)的植被生態(tài)需水量計算法目前最新的研究方法是基于植被生長需水的區(qū)域分異規(guī)律，通過遙感手段、GIS(地理信息系統(tǒng))軟件和實測資料相結(jié)合計算植被生態(tài)需水量［44］。主要思路為：首先利用遙感與GIS技術(shù)進行生態(tài)分區(qū)，然后通過生態(tài)分區(qū)與水資源分區(qū)疊加分析確定流域各級生態(tài)分區(qū)的面積及其需水類型，再進一步分析生態(tài)分區(qū)與水資源分區(qū)的空間對應(yīng)關(guān)系，確定生態(tài)耗水的范圍和標(biāo)準(定額)，并以流域為單元進行降水平衡分析和水資源平衡分析，在此基礎(chǔ)上根據(jù)實測資料計算不同植被群落、不同蓋度、不同地下水位埋深的植物蒸騰和潛水蒸發(fā)，從而求出該區(qū)的植被生態(tài)需水量［35］。計算公式如下：Q=IQi(16)Qi=Qi1+Qi2(17)式中，Q為區(qū)域植被總需水量；Qi為植被類型i的生態(tài)需水量；Qi1為植被類型i的植株蒸騰量；Qi2為植被類型i的棵間潛水蒸發(fā)量?；谶b感技術(shù)的植被生態(tài)需水量計算方法［32,35,45,46］是一種新興的計算方法，能夠方便地提供大范圍的地表特征信息,為大尺度非均勻區(qū)域的騰發(fā)(耗水)研究提供新途徑。國內(nèi)外已有不少應(yīng)用遙感信息估算區(qū)域騰發(fā)量的模型和方法，其中植被指數(shù)一一地表溫度法較為直觀和方便應(yīng)用［47］。而MODIS遙感數(shù)據(jù)則具有免費接收和使用、高光譜分辨率、高時間分辨率的優(yōu)點，非常適用于大區(qū)域、長時段尺度的植被騰發(fā)量計算。張麗等［48］人利用遙感技術(shù)提供的影像資料計算了黑河流域下游天然植被生態(tài)需水量，并將計算結(jié)果與其它算法的結(jié)果進行了比較，認為該算法是合理可行的，可以推廣應(yīng)用到干旱區(qū)或其它地區(qū)的生態(tài)需水量計算。趙文智等［5］采用3S技術(shù)與野外生產(chǎn)力測定相結(jié)合的方法，通過建立植被歸一化指數(shù)NDVI、生產(chǎn)力、蒸騰系數(shù)之間的關(guān)系方程，計算了額濟納荒漠綠洲植被現(xiàn)狀生態(tài)需水量和達到目前最高生產(chǎn)力水平對應(yīng)的生態(tài)需水量。結(jié)果表明：維持額濟納綠洲現(xiàn)狀的需水量為1.53x108m3,若要使現(xiàn)有的植被恢復(fù)到目前最高生產(chǎn)力水平的生態(tài)需水量應(yīng)為3.49x108m3。張凱等［27］人在植被和土壤野外調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，以RS和GIS為主要技術(shù)手段，確定出民勤綠洲不同植被類型面積；按不同植被類型和生長狀態(tài)，確定每種植被類型的地下水埋深范圍和平均埋深，并用阿維里揚諾夫公式計算出植被單位面積蒸散量；然后用不同植被類型面積與單位面積植物蒸散量的乘積計算得到一定面積植被生態(tài)的總需水量。結(jié)果表明，民勤綠洲現(xiàn)有植被最低生態(tài)需水量為1.4927x108m3,而目前的生態(tài)用水量只有0.3525x108m3。植被生態(tài)用水的嚴重不足，加快了民勤綠洲生態(tài)環(huán)境的日益惡化。然而該方法具有工作量大和技術(shù)復(fù)雜的特點，在遙感技術(shù)知識薄弱的地方，應(yīng)用推廣目前尚有一定的困難。3存在的問題及研究展望在水資源供需矛盾突出，植被退化嚴重的干旱半干旱地區(qū)，雖然已有不少植被生態(tài)需水量的計算方法，但缺少長序列實驗數(shù)據(jù)支持和實踐驗證，加上評價的標(biāo)準不統(tǒng)一規(guī)范，使應(yīng)用者很難確定哪種方法的計算結(jié)果更加可行。因此未來應(yīng)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準體系建設(shè)方面加強研究，為準確計算生態(tài)需水量提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)?；谶b感技術(shù)的植被生態(tài)需水量計算法雖經(jīng)證明是先進的、科學(xué)的，但由于影像資料分辨率的問題、實效性的問題、數(shù)值提取技術(shù)的問題，該方法還不是很成熟。若能和某區(qū)域的野外地面、地下調(diào)查工作結(jié)合起來，獲取更豐富的原始資料，建立相應(yīng)的計算模型，進一步完善計算方法，其計算結(jié)果會更加可靠。未來應(yīng)充分利用“3S”技術(shù)提供的信息，以實現(xiàn)對植被生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測，實時評價。⑶目前從宏觀角度出發(fā)研究某區(qū)域植被生態(tài)需水的成果較多，而從微觀角度出發(fā)研究植被生理耗水規(guī)律的成果較少。事實上不同植物、不同類型植被在長期適應(yīng)環(huán)境演替的過程中，都形成了各自不同的生理特征，耗水機理差別也很大，且水分的來源不同，即便是同一區(qū)域，相同的植被類型，其生態(tài)需水情況也不同。計算時要根據(jù)具體情況加以區(qū)別，不能把不同分布、不同蓋度、不同地下水位、不同水分補給情況下的植被生態(tài)需水量簡單地平均或綜合。應(yīng)根據(jù)不同研究區(qū)域，不同植物類型、不同生態(tài)運行機制開展試驗研究工作，只有摸清植物的生理、生態(tài)耗水規(guī)律，才能從真正意義上建立合理的植被生態(tài)需水理論體系和計算方法。⑷鑒于干旱地區(qū)非地帶性天然植被的需水量受水資源開發(fā)利用影響明顯，在供水不足的情況下迅速退化，是生態(tài)環(huán)境中十分脆弱、最易受到破壞的部分。所以用水分循環(huán)水量平衡法，計算天然植被的生態(tài)需水量時，應(yīng)對植被生態(tài)系統(tǒng)水分收入項部分的水分來源及其轉(zhuǎn)化規(guī)律加強研究，這對提高水分的有效利用率和計算成果的準確性非常有利。References:GleickPH.Waterincrisis:Pathstosustainablewateruse.EcologicalApplications,1998,8(3):571-579.TangQC.Thedevelopmentinoasesandrationaluseofwaterresource.JournalofLandResourceandEnvironment,1995,9(3):107-111.JiaBQ,XuYQ.Theconceptionoftheeco-environmentalwaterdemandanditsclassificationinaridland-takingXingjiangasanexample.AridLandGeography,1998,21(2):8-12.ZhengHX,LiuCM,FengHL.Onconceptsofecologicalwaterdemand.AdvancesinWaterScience,2004,15(5):626-633.ZhaoWZ,ChangXL,HeZB,etal.StudyonecologicalwaterrequirementofdesertoasisvegetationinEjinaarea.ScienceinChina(SeriesD),2006,36(6):559-566.ZhaoWZ,ChengGD.Reviewofsomeproblemsoftheecohydrologicalprocessin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