魏華

摘要 生態(tài)需水研究是近年來國內(nèi)外廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)，涉及生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境科學(xué)等多個學(xué)科。植被生態(tài)需水研究對于指導(dǎo)區(qū)域植被生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)建設(shè)具有重要意義，是生態(tài)需水的重要研究內(nèi)容。本文系統(tǒng)回顧了國內(nèi)外植被生態(tài)需水的研究進(jìn)展，較為全面地介紹了植被生態(tài)需水的概念和內(nèi)涵，總結(jié)并介紹了植被生態(tài)需水的各種計算方法。對各類植被生態(tài)需水計算方法的基本思想、優(yōu)缺點(diǎn)、差異及其適用范圍做了重點(diǎn)介紹，并分析了國內(nèi)外植被生態(tài)需水的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢。通過對過去植被生態(tài)需水研究的總結(jié)與分析認(rèn)為，國外研究的側(cè)重點(diǎn)為土壤、大氣和植被之間的生態(tài)水文過程以及維系自然生態(tài)系統(tǒng)平衡，我國研究的側(cè)重點(diǎn)為水資源供需矛盾突出以及生態(tài)環(huán)境相對脆弱和問題嚴(yán)重的干旱、半干旱和季節(jié)性干旱的濕潤區(qū)，但由于起步晚，在這方面的研究尚不成熟，同時，植被生態(tài)需水的計算沒有一個具體的標(biāo)準(zhǔn)和完整的理論體系。

關(guān)鍵詞 植被；生態(tài)需水；計算方法；發(fā)展趨勢

中圖分類號 X171.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）02-0179-04

Research Progress on Theory and Calculation of Vegetation Ecological Water Requirement

WEI Hua

（Land and Water Resources Research Center of the Middle Reaches of Yangtze River， School of Resources Environment Science and Engineering，Hubei University of Science and Technology，Xianning Hubei 437100）

Abstract The study on ecological water requirement is a hot topic concerned at home and abroad in recent years，involving multiple subjects such as ecology，hydrology，environmental science. Research of vegetation ecological water requirement is one of the important research contents of ecological water requirement，which is also of great significance to guide regional vegetation ecological restoration and construction. This paper systematically reviewed the research progress of vegetation ecological water requirement at home and abroad，comprehensively introduced the concept and connotation of vegetation ecological water requirement，summarized and introduced the various calculation methods of vegetation ecological water requirement，highlighted the basic idea，advantages and disadvantages，differences and the application scope of vegetation ecological water requirement for all kinds of calculation methods. Also the research progress and development trend of vegetation ecological water requirement at home and abroad were analyzed. By summarizing and analyzing the past studies of vegetation ecological water requirement，the foreign research on vegetation ecological water requirement focused on soil，the eco-hydrological process between atmosphere and vegetation，maintain the natural ecosystem balance，while domestic research was more concentrated on the prominent contradiction between supply and demand of water resources，and relatively fragile ecological environment in the severe drought seasonal arid，semi-arid and semi-humid. However，due to starting late，the research in this aspect was not very mature，at the same time，there was not a specific standard and complete theoretical system in the calculation of vegetation ecological water requirement.endprint

Key words vegetation；ecological water requirement；calculation method；development trend

近年來，由于生態(tài)系統(tǒng)功能的日益損失，人們開始認(rèn)識到生態(tài)系統(tǒng)的健康問題，因而生態(tài)需水問題成為了研究的重點(diǎn)。植被是自然景觀最直接的反映，是組成生態(tài)系統(tǒng)的最基本成分，是整個生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)需水量的基礎(chǔ)。水資源先天不足加上人類不合理的開發(fā)利用，導(dǎo)致干旱地區(qū)森林草原退化、湖泊消失、沙塵暴頻發(fā)，干旱地區(qū)植被生態(tài)需水研究得到人們的重視。有研究表明，水資源的合理配置，生態(tài)用水與經(jīng)濟(jì)用水的協(xié)調(diào)發(fā)展與植被生態(tài)需水量的準(zhǔn)確性息息相關(guān)。本文擬對植被生態(tài)需水的理論及計算進(jìn)行概述。

1 植被生態(tài)需水的概念及內(nèi)涵

相較于國內(nèi)，國外對生態(tài)需水的研究較早。Gleick[1]認(rèn)為保證生態(tài)系統(tǒng)基本功能運(yùn)轉(zhuǎn)所需的物能平衡關(guān)系是生態(tài)環(huán)境需水量的基本。Covich[2]、Falkenmark[3]認(rèn)為生態(tài)需水量是指保證生態(tài)環(huán)境健康發(fā)展需求的水量。對于植被生態(tài)需水的概念，不同學(xué)者的觀點(diǎn)不盡相同，何永濤等[4]認(rèn)為是指為了確保生態(tài)服務(wù)功能正常發(fā)揮，生態(tài)系統(tǒng)健康維持的部分水量；黃奕龍等[5]認(rèn)為是在特定的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)下，維持植被正常生長所需要的水量；張思玉等[6]則認(rèn)為是用于各類植被的地下水和地表水的水資源總量，例如在人工植被建設(shè)中確保其正常生長發(fā)育所需水分的下限（通過引水灌溉）。張 遠(yuǎn)等[7]認(rèn)為林地生態(tài)需水量是指維持其自身生長、發(fā)揮生態(tài)功能所需要消耗和占用的水資源量。夏 軍等[8]認(rèn)為是滿足植被正常生長發(fā)育及維護(hù)生態(tài)環(huán)境健康運(yùn)行所必須消耗的水量。趙文智等[9]、左其亭[10]依據(jù)植物的不同生長狀態(tài)，從閾值理論出發(fā)將植被生態(tài)需水量分為最高、適宜、最低3個級別，分別為最高生態(tài)用水、合理生態(tài)用水、最低生態(tài)用水。夏哲超等[11]將最小生態(tài)需水量、適宜生態(tài)需水量、最大生態(tài)需水量分別定義為滿足植被基本生長、最佳生長和超過植被生長需求的水量。王 芳等[12]認(rèn)為在我國西北地區(qū)，植被生態(tài)需水是指人工生態(tài)建設(shè)及天然生態(tài)保護(hù)所消耗的水量。閔慶文等[13]、韓 英等[14]認(rèn)為植被生態(tài)需水是指在其他因素不受限制的條件下，維持植被正常生長或植被生態(tài)系統(tǒng)健康所需要的水量。綜上所述，植被生態(tài)需水研究仍沒有完整的理論體系，其概念也各有不同。

2 植被生態(tài)需水量的計算方法

由于植被類型不同，其所處的氣象、水文地質(zhì)條件也不同，不同學(xué)者提出了不同的植被生態(tài)需水量計算方法[15-16]。但無論采取何種方法，其基本步驟均為先劃分研究區(qū)的植被類型，并確定其范圍和面積，然后根據(jù)不同植被類型的生態(tài)需水定額進(jìn)行計算。

2.1 面積定額法（直接計算法）

面積定額法適用于防風(fēng)固沙林、人工綠洲、農(nóng)田系統(tǒng)等容易獲得數(shù)據(jù)的人工植被生態(tài)需水量計算。計算公式如下：

W=∑Wi=∑Ai·ri

式中，W為植被生態(tài)需水量（m3）；Wi為第i類植被的生態(tài)需水量（m3）；Ai為第i類植被的面積（m2）；ri為第i類植被的生態(tài)需水定額（m3/m2）。

已有研究表明，需水定額的確定有2種方法：一是通過耗水試驗[17-20]獲得，但由于空間異質(zhì)性和尺度的問題，以個體或群體植物為對象進(jìn)行耗水試驗研究分析植被生態(tài)需水量[21]，不能完全代表各種生態(tài)系統(tǒng)對水資源的不同需求特性；二是通過理論公式計算[4，22-23]，該方法可以彌補(bǔ)耗水試驗獲得數(shù)據(jù)的不足，使不同區(qū)域間氣象因子及土壤類型的不同得以體現(xiàn)，但在土壤動態(tài)監(jiān)測手段及氣象數(shù)據(jù)的獲得方法還存在一定的局限性。

2.2 潛水蒸發(fā)法（間接計算法）

潛水蒸發(fā)法是計算植被生態(tài)需水量的間接方法，適用于降水量稀少、完全依賴地下水維持植被生長的干旱區(qū)域，特別是對于某些基礎(chǔ)工作較差難以通過試驗獲取所需數(shù)據(jù)且蒸散模型參數(shù)獲取困難的地區(qū)，可采用此法進(jìn)行估算。計算公式[24-26]如下：

W=∑Wi=∑Ai·Wg i·K

式中，Wg i為植被類型i在地下水位某一埋深時的潛水蒸發(fā)量；K為植被系數(shù)。

由于干旱平原區(qū)天然與大部分人工植被的生存和繁衍主要依賴地下水，因而大多數(shù)學(xué)者[27-30]傾向于選擇具有代表性的阿維里揚(yáng)諾夫公式計算植被生態(tài)需水量，以期在水資源調(diào)配管理、流域水資源規(guī)劃實施及生態(tài)環(huán)境恢復(fù)重建時作為參考。

2.3 改進(jìn)后的彭曼（Penman）公式法

改進(jìn)后的彭曼（Penman）公式法在理論上比較成熟，實際上具有很好的操作性，一般計算的是植被的最大需水量，即在充分供水、供肥、無病蟲害等理想條件下植物獲得的需水量。計算公式[31]如下：

ET=ET0·Kc·f（s）

式中，ET為植物實際需水量（mm/d）；ET0為潛在蒸發(fā)量（mm/d）；Kc為植物系數(shù)； f（s）為土壤影響因素。

針對我國目前薄弱的天然植被生態(tài)需水量計算方法比較薄弱的情況，可利用該方法近似計算植被生態(tài)需水量。

2.4 沈立昌公式法

沈立昌公式法沒有極限地下水埋深的約束，干旱區(qū)潛水蒸發(fā)是隨著地下水埋深增加而減小的，當(dāng)?shù)叵滤裆钸_(dá)到5 m時，幾乎不存在潛水蒸發(fā)。計算公式[32]如下：

E=Kμ（1+H）-b×E0 a

式中，E為潛水蒸發(fā)（mm）；H為地下水埋深（m）；μ為給水度；E0為水面蒸發(fā)（mm）；a、b為與植物有關(guān)的待定系數(shù)；K為標(biāo)志土質(zhì)、植被、水文地質(zhì)條件及其他因素的綜合系數(shù)。

由于沈立昌公式中的待定系數(shù)較多，對于缺乏大量試驗材料的區(qū)域來說比較難確定，因而不適宜該類地區(qū)使用。

2.5 水量平衡法

水量平衡法常用于中小閉合流域生態(tài)需水量的計算。計算公式[5，33-34]如下：endprint

Wt+1=Wt+P-R-ET

式中，Wt+1為t+1時段初期土壤含水量（mm）；Wt為t-1時段末期土壤含水量（mm）；P為降雨量（mm）；R為徑流量（mm）；ET為蒸發(fā)蒸騰量（mm）。

水量平衡法計算精度不高，這是由于公式中各水分收支項的精度確定比較困難，但該法易于操作，公式簡單[35-36]。

2.6 植被耗水模式法

植被耗水模式法[37]被廣泛用于干旱內(nèi)陸地區(qū)域的生態(tài)需水量估算，其機(jī)理是以干旱區(qū)典型植物為對象進(jìn)行個體或群叢水分耗散試驗，獲得典型植被的水分消耗規(guī)律，進(jìn)而推廣至整個研究區(qū)域。該方法的缺點(diǎn)是不能代表實際存在的各種生態(tài)系統(tǒng)對水資源的不同需求特性，同時也存在尺度轉(zhuǎn)換及空間異質(zhì)性的問題。

2.7 土壤濕度法

土壤濕度法[38]適用于對同一地區(qū)或土壤質(zhì)地、降水量相近區(qū)域的植被需水量進(jìn)行估算，其機(jī)理是在一定范圍內(nèi)，牧草需水量與土壤水分成正相關(guān)。土壤濕度法受地域條件及土壤質(zhì)地的限制，但適合在我國西北干旱半干旱地區(qū)使用。

2.8 基于生物量的生態(tài)需水估算

不同生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率不同，即單位水量干物質(zhì)生產(chǎn)量有所不同。基于此，可用生物量方法對生態(tài)需水量進(jìn)行計算[39]。計算公式如下：

E=∑Ai×QNPPi×μi

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），μi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）。

由于植被生物量包括根、莖、葉等，估算較為困難，導(dǎo)致該方法的應(yīng)用局限性較大。但隨著遙感技術(shù)的應(yīng)用，該方法有相當(dāng)大的應(yīng)用前景，從另一個角度提供了生態(tài)需水量的計算途徑。

2.9 水量均衡法

1966年，Philip等闡明了植物在水分循環(huán)及水分平衡中的作用[40-41]。草原生態(tài)系統(tǒng)中，水分循環(huán)是通過大氣降水、植被蒸發(fā)與蒸騰相互轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)的。因此，草地生態(tài)環(huán)境需水量可采用以下水平衡公式[42-43]進(jìn)行計算。

Q=1 000（P-R）F+ΔW

式中，Q為草地需水量（m3）；P為多年平均降雨量（mm）；R為多年平均徑流深（mm）；F為草地面積（km2）；ΔW為土壤水變化量（m3）。

2.10 基于RS和GIS的生態(tài)需水研究方法

首先，利用RS和GIS技術(shù)對研究區(qū)域進(jìn)行生態(tài)分區(qū)，確定各級需水生態(tài)分區(qū)的面積，建立生態(tài)分區(qū)與水資源分區(qū)的空間對應(yīng)關(guān)系。其次，結(jié)合實測資料、遙感手段及GIS軟件對不同植被類別范圍進(jìn)行確定。最后，利用水資源分區(qū)的水量收支平衡控制對生態(tài)需水量進(jìn)行估算。計算公式如下：

Q=∑Qi=∑（Qi1+Qi2）

式中，Q為區(qū)域總需水量（mm）；Qi為植被類型i的生態(tài)需水量（mm）；Qi1為植被類型i的植株蒸騰量（mm）；Qi2為植被類型i的棵間潛水蒸發(fā)量（mm）。

基于RS和GIS的生態(tài)需水量計算適用于較大區(qū)域范圍內(nèi)的研究，有學(xué)者將該方法研究結(jié)果與其他算法結(jié)果進(jìn)行比較，認(rèn)為該算法是合理可行的[31]。該方法的缺點(diǎn)為生態(tài)水文諸多參數(shù)獲取困難，涉及的相關(guān)知識太多，工作量大，不易操作。同時，該方法計算結(jié)果為定值，不能體現(xiàn)生態(tài)水文過程的動態(tài)演變，也不能體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)需水的動態(tài)變化特性[44]。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

20世紀(jì)末，生態(tài)環(huán)境需水量研究正式成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)問題[45-46]。國外的研究側(cè)重點(diǎn)為土壤、大氣和植被間的生態(tài)水文過程以及維系自然生態(tài)系統(tǒng)平衡。1977年，Pruitt等[47]建立了林草地生態(tài)需水的計算預(yù)報模型，同時形成了一套農(nóng)作物需水量計算的理論和方法。1998年，Baird等[48]對植物與水文過程的相互關(guān)系進(jìn)行了分析，為植被耗水變化規(guī)律研究奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。2001年，Laio等[49]為了描述土壤水分虧缺對植物的影響，模擬了大氣、土壤和植被間的相互作用。2007年、2008年Groeneveld等[50-51]通過氣象數(shù)據(jù)求出年降雨量和參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0，然后根據(jù)衛(wèi)星圖像獲取植被歸一化指數(shù)，從而求得植被生態(tài)需水量。2017年，Acharjee等[52]通過全球的循環(huán)模型統(tǒng)計降尺度和偏差糾正的組合輸出4個西北地區(qū)孟加拉區(qū)域氣候場景的構(gòu)建，研究氣候變化對干旱季節(jié)Boro水稻的未來需水量的影響，估計2050—2080年Boro水稻的需水量（使用30年的平均氣候數(shù)據(jù)）。研究表明，參考作物蒸發(fā)量（日均ETo）在未來會增加，主要是由于溫度升高；∑ETc將會下降，由于對更高溫度的物候反應(yīng)而導(dǎo)致生長天數(shù)減少；密切監(jiān)測和定期評估有必要了解未來降雨量和分布變化的方向，這對改變對長期水資源管理和農(nóng)業(yè)規(guī)劃至關(guān)重要。

我國人口壓力巨大，生態(tài)環(huán)境惡化，生態(tài)需水研究就是在此背景下提出的，目前尚處于初始階段。最早由水文水資源學(xué)家在研究西北地區(qū)水資源綜合開發(fā)利用時提出[53]。20世紀(jì)90年代開始對干旱區(qū)生態(tài)需水諸多問題進(jìn)行研究，包括概念、分類、理論和計算方法。2003年，張 麗等[31]結(jié)合遙感技術(shù)和植物生理需水現(xiàn)場試驗，提出了植物生長與地下水位關(guān)系模型，對黑河下游生態(tài)需水進(jìn)行了計算。2008年，王 強(qiáng)等[54]在對白洋淀典型水生植物的蒸騰量實地監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對不同時空條件下水生植物的蒸散系數(shù)進(jìn)行了確定，對白洋淀濕地基于現(xiàn)狀和恢復(fù)目標(biāo)下的植物生態(tài)需水量進(jìn)行了等級劃分和計算。研究結(jié)果表明，6—9月綜合蒸散系數(shù)分別為3.21、6.24、6.02、1.86，水生植物需水量的時間分布規(guī)律為7月>8月>6月>9月，空間分布規(guī)律為陸地>水陸過渡帶>水中。2009年，劉旭升[55]估算出北京市植被的最小生態(tài)需水量為37.4億m3，同時闡明當(dāng)?shù)刂脖簧鷳B(tài)需水將會持續(xù)上升。2013年，司建華等[56]通過對黑河下游額濟(jì)納綠洲地下水位時空動態(tài)變化過程、天然植被耗水過程和綠洲生態(tài)過程及水文過程的關(guān)系研究，確定了黑河下游額濟(jì)納綠洲生態(tài)需水的關(guān)鍵期。2013年，王改玲等[57]研究表明，山西永定河流域植被建設(shè)最小生態(tài)需水量為1 628.5×106 m3，適宜生態(tài)需水量為2 709.5×106 m3；降水總體上能滿足草地適宜生態(tài)需水及草、灌、喬植被生長期最小生態(tài)需水，對灌木植被的適宜生態(tài)需水僅為基本滿足，而對喬木植被的適宜生態(tài)需水則無法滿足。2016年，姜亮亮等[58]基于遙感和GIS技術(shù)，與氣象站點(diǎn)實測資料相結(jié)合，采用有限水域面蒸發(fā)計算方法計算湖泊生態(tài)需水；植被生態(tài)需水則通過FAO56 Penman-Monteith法進(jìn)行計算，最后根據(jù)維持不同的湖泊面積確定了3種生態(tài)補(bǔ)水方案。研究結(jié)果可提高水資源的利用效率，為流域水資源配置及外流域向艾里克湖生態(tài)補(bǔ)水提供可靠的技術(shù)借鑒。2017年，孫棟元等[59]以疏勒河中游綠洲為研究對象，基于RS和GIS技術(shù)，以Landsat TM/ETM影像解譯成果（1990年、2000年、2013年）為基礎(chǔ)材料，確定了中游綠洲2020年和2030年生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，建立了基于天然植被、河流、濕地和防治耕地鹽堿化的疏勒河中游綠洲生態(tài)環(huán)境需水定量化模型，并估算了現(xiàn)狀和保護(hù)目標(biāo)下流域中游綠洲生態(tài)需水量。2017年，周洪華等[60]分析了塔里木河下游荒漠河岸林關(guān)鍵種——胡楊樹木年輪近90年來的變化特征及對氣候水文過程的響應(yīng)，并基于樹木年輪技術(shù)提出了維系荒漠河岸林不同恢復(fù)狀態(tài)的生態(tài)需水量。研究結(jié)果表明，塔里木河下游胡楊樹木年輪主要承載的是區(qū)域水文歷史變化信息，可以作為定量評估生態(tài)輸水工程的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)和定量計算植被生態(tài)需水量的新指標(biāo)。2017年，Chi等[61]通過Penman-Monteith方法與GIS和遙感技術(shù)相結(jié)合動態(tài)計算植被系數(shù)，并引入土壤水分限制系數(shù)，共同提供在計算自然植被生態(tài)需水的完整而準(zhǔn)確的方法。計算了4種主要的植被類型針葉林、闊葉林、草原和草原植被的生態(tài)需水和生態(tài)虧水，并分析得出針葉和闊葉林的蒸散量減少，而草本植物則表現(xiàn)為稍微增加的趨勢，植被總生態(tài)需水量幾乎保持不變，但水分虧損問題廣泛存在。這是由于其降水無法達(dá)到植物的生態(tài)需水，而且在生長季節(jié)中，生態(tài)需水的分布和降水的時間分配不一致。endprint

綜上所述，我國植被生態(tài)需水的研究起步較晚，更多的從考慮人類活動擠占生態(tài)需水的實際問題出發(fā)，對多樣性與復(fù)雜性的西部地區(qū)的生態(tài)需水進(jìn)行研究，宏觀角度的植被生態(tài)需水研究取得了積極成果，而微觀角度的研究成果則不多見，這可能是由于不同植被類型、不同區(qū)域、不同降水量條件下，生態(tài)需水量千差萬別。

4 總結(jié)與展望

（1）我國植被生態(tài)需水量研究起步較晚，缺少長期的試驗數(shù)據(jù)支持，計算方法沒有具體標(biāo)準(zhǔn)。因此，很難確定哪種方法的計算結(jié)果更加切合實際，需要建立完善的植被生態(tài)需水的理論體系。

（2）植被生態(tài)需水涉及水文系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)，尤其側(cè)重于生物過程對水循環(huán)要素的影響以及水文過程對生態(tài)系統(tǒng)配置、結(jié)構(gòu)和動態(tài)的影響。關(guān)于植被生態(tài)需水研究，今后應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)學(xué)科和多學(xué)科之間的交流與合作，著重深入研究植被耗水的生理生態(tài)機(jī)制，進(jìn)一步完善植被耗水的計算方法，為不同植被類型生態(tài)需水量的計算提供基礎(chǔ)。

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