姜 珊，肖星卉，張 榮，王靜泉，高潤(rùn)宏

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

1 研究背景

黑河下游流域是著名的額濟(jì)納天然綠洲，據(jù)史料記載，歷史上額濟(jì)納綠洲水草豐美，林草繁茂，牛羊成群[1]。20世紀(jì)80—90年代，黑河中、上游地區(qū)用水量迅速增加[2]，導(dǎo)致黑河下游干流水量急劇減少，而額濟(jì)納綠洲無(wú)自產(chǎn)地表徑流，地下水埋深空間變程為22.6 km[2]，生態(tài)環(huán)境用水主要依靠黑河干流徑流補(bǔ)給地下水，這種徑流量的急劇、持續(xù)減少，造成生態(tài)環(huán)境隨之迅速退化，綠洲面積縮減嚴(yán)重。針對(duì)此情況，為恢復(fù)和保護(hù)額濟(jì)納綠洲的生態(tài)環(huán)境，1997年經(jīng)國(guó)務(wù)院審批，水利部以水政資〔1997〕496號(hào)文批復(fù)了《黑河干流水量分配方案》(簡(jiǎn)稱“九七分水方案”)；2000年6月，水利部依據(jù)“九二分水方案”和“九七分水方案”，按分步實(shí)施、逐步到位的原則，對(duì)黑河流域水量進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，以此滿足黑河下游額濟(jì)納綠洲的生態(tài)用水。

截至2012年底，黑河調(diào)水方案已經(jīng)實(shí)施了10多年，黑河下游的水資源在時(shí)間和空間上都發(fā)生了變化，生態(tài)退化得到了遏制，植被有了一定的恢復(fù)。但是，就國(guó)務(wù)院批復(fù)的《黑河流域近期治理規(guī)劃》中分水指標(biāo)的完成情況來(lái)看，指標(biāo)沒(méi)有完全兌現(xiàn)，即多年來(lái)黑河下游來(lái)水量一直處于欠賬狀態(tài)，這就導(dǎo)致黑河下游的生態(tài)環(huán)境不能按照此前的預(yù)計(jì)目標(biāo)得到恢復(fù)和保護(hù)。

到底額濟(jì)納綠洲水資源欠賬多少？欠賬對(duì)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)和保護(hù)有多大影響？這是目前需要開(kāi)展的一項(xiàng)緊迫工作。通過(guò)此項(xiàng)研究，一方面可摸清水量欠賬，另一方面可摸清水量欠賬對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響程度，從而為后續(xù)水量調(diào)度與生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)與保護(hù)工作提供參考。

生態(tài)用水又稱環(huán)境用水或生態(tài)環(huán)境用水，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者近30年才提出的全新概念，關(guān)于它的描述和內(nèi)涵界定多種多樣，核算方法也各不相同[3-5]，其中植被生態(tài)用水是主要的方面，這方面的研究有蒸騰法、干物質(zhì)法、土壤蒸滲儀法、水熱系數(shù)法等[6-8]。

關(guān)于額濟(jì)納胡楊林的生態(tài)用水研究主要集中于胡楊林的靜態(tài)用水方面[6-8]。孫非等[8]提出，不同土壤含水量、不同徑級(jí)的胡楊林生態(tài)用水也不一樣，大徑級(jí)(60 cm)和中徑級(jí)(28 cm)胡楊林液流速率均是5月>8月，而小徑級(jí)(15 cm)的液流速率則是8月>5月。張海清[7]通過(guò)測(cè)定胡楊樹(shù)干液流確定了胡楊林地年耗水量保持在669.6 mm以上時(shí)可以使胡楊林保持良好的生長(zhǎng)狀態(tài)，胡楊林地最佳地下水埋深為2.88 m，不能下降到5 m以下，但研究發(fā)現(xiàn)額濟(jì)納胡楊林地水分虧缺系數(shù)全年都保持在0.5以上，說(shuō)明胡楊林地全年水分狀況較差。薩如拉[6]判斷額濟(jì)納綠洲胡楊林生長(zhǎng)所利用的土壤有效含水率為1.18%～20.05%，其測(cè)得的水飽和土壤的水壓傳導(dǎo)率數(shù)值表明，當(dāng)?shù)赝寥赖娜霛B能力相當(dāng)強(qiáng)。

但是植被的生態(tài)用水是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，既包括樹(shù)木體現(xiàn)生命活動(dòng)的需水量，也包括支撐生命存在的環(huán)境需水量。在生態(tài)脆弱地帶對(duì)生態(tài)用水的研究要涉及水文學(xué)、地學(xué)、生態(tài)學(xué)、生物學(xué)等各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，具有很強(qiáng)的綜合性。多年來(lái)，額濟(jì)納綠洲在生態(tài)建設(shè)中用水效率不高的問(wèn)題一直是亟待解決的問(wèn)題之一，有水漫灌、無(wú)水不灌的方式至今仍在沿用，對(duì)水資源的浪費(fèi)極其嚴(yán)重。所以，本研究從靜態(tài)與動(dòng)態(tài)需水過(guò)程提出了胡楊林生態(tài)用水的計(jì)算方法及圍繞胡楊林對(duì)水因子的健康評(píng)價(jià)。

2 研究區(qū)概況

額濟(jì)納綠洲地處額濟(jì)納旗，隸屬于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟，位于內(nèi)蒙古的西北端，地理位置為97°24′～101°58′E、37°43′～43°19′N，總面積為11.46萬(wàn)km2。額濟(jì)納綠洲分布有天然胡楊殘次林2.6萬(wàn)hm2[9]，主要分布在額濟(jì)納旗黑河下游三角洲中心的東、西兩河流域及其19條干支流的河漫灘上，南抵鼎新綠洲，北到嘎順淖爾和蘇古淖爾，與沙棗殘林、紅柳灌叢、草甸植被鑲嵌成狹長(zhǎng)的走廊式帶，是額濟(jì)納旗黑河下游三角洲的核心地帶，占河漫灘草場(chǎng)總面積的15.5%，構(gòu)成了額濟(jì)納荒漠綠洲的主體。額濟(jì)納荒漠河岸林主要由胡楊(Populuseuphratica)、紅柳(Tamarixramosissima)、沙棗(Elaeagnusangustifolia)、梭梭(Haloxylonammodendron)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)等木本植物和蘆葦(Phragmitescommunis)、大葉白麻(Poacynumhendersonii)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、花花柴(Kareliniacaspia)、疏葉駱駝刺(Alhagisparsifolia)、賴草(Leymussecalinus)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、堿蓬(Suaedaglauca)等草本植物組成[10]。額濟(jì)納綠洲氣候干燥，降水量少，年均降水量37 mm左右，蒸發(fā)量大，高達(dá)3 841.5 mm；冬季寒冷，夏季炎熱，氣溫年較差、日較差大，光照充足，多風(fēng)沙[11]。

3 研究方法

在核算生態(tài)用水時(shí)，以利用地下水生存的中生植物胡楊、紅柳等綠洲優(yōu)勢(shì)種作為植物生態(tài)用水對(duì)象，以胡楊林、紅柳林和東居延海湖泊的總需水作為綠洲生態(tài)用水。

3.1 確定生態(tài)用水指標(biāo)

生態(tài)用水的確定以個(gè)體、種群和生態(tài)系統(tǒng)及綠洲來(lái)核算。用水量統(tǒng)一用質(zhì)量單位表示。

3.1.1 植物個(gè)體生存和生長(zhǎng)年生態(tài)用水量

本研究通過(guò)對(duì)健康生長(zhǎng)的胡楊林、胡楊殘林、胡楊死亡林的大氣濕度的對(duì)比測(cè)定，得出胡楊正常生長(zhǎng)的大氣濕度最低約在5%；采用土壤水分檢測(cè)儀測(cè)出胡楊存活時(shí)土壤最低含水率為8%；測(cè)得正常生長(zhǎng)時(shí)根、莖、葉的含水率分別約為其鮮質(zhì)量的50%、50%和60%。

植物個(gè)體生存時(shí)要求生態(tài)環(huán)境中的水分含量保持相對(duì)穩(wěn)定，該需求量定義為植物靜態(tài)生態(tài)用水量，其表現(xiàn)為植物生存最低水分要求狀態(tài)，為植物體含水量、大氣含水量和土壤含水量之和，故植物個(gè)體靜態(tài)生態(tài)用水量公式為

植物個(gè)體靜態(tài)生態(tài)用水量=(株高×冠幅面積×

5%+根系體積×8%)×水密度+

根質(zhì)量×50%+莖質(zhì)量×50%+

葉質(zhì)量×60%

(1)

植物的生命不能僅表現(xiàn)為存活，還要表現(xiàn)為生理活動(dòng)下的生長(zhǎng)狀態(tài)。生長(zhǎng)過(guò)程中植物所需要的水分稱為動(dòng)態(tài)生態(tài)用水量，其由植物蒸散、土壤蒸發(fā)兩部分組成。由于葉子的蒸騰是植物水分主要的運(yùn)動(dòng)方式，所以本研究用葉蒸騰量代替整個(gè)植株的水分蒸騰量。葉蒸騰量=葉的蒸騰速率×葉面積。一般土壤蒸發(fā)的深度達(dá)到0.30m后，地表的蒸發(fā)量將降為零，因此蒸發(fā)周期指0.30m深的土壤所含水量蒸發(fā)所需的時(shí)間。采用土壤水分檢測(cè)儀測(cè)出當(dāng)?shù)赝寥榔骄繛?0%，其中擁有8%的水分才能夠保證植株的生存，因此可用于蒸發(fā)的水分按42%計(jì)算，則土壤每天蒸發(fā)量=0.30×根系面積×42%×水密度÷蒸發(fā)周期。生長(zhǎng)周期(從展葉到落葉為一個(gè)生長(zhǎng)周期)按6個(gè)月，每月按30天，每天按12 h(由于夜間蒸騰量小，所以夜間蒸騰不納入本研究)。則植物個(gè)體動(dòng)態(tài)生態(tài)用水量公式為

植物個(gè)體動(dòng)態(tài)生態(tài)用水量=(0.30×根系面積×

42%÷蒸發(fā)周期×水密度+葉蒸騰速率×

葉面積×12)×生長(zhǎng)周期

(2)

則植物個(gè)體生態(tài)用水量公式為

植物個(gè)體生態(tài)用水量=靜態(tài)用水量+動(dòng)態(tài)用水量=

(株高×冠幅面積×5%+根系體積×8%)×水密度+

根質(zhì)量×50%+莖質(zhì)量×50%+葉質(zhì)量×

60%+(0.30×根系面積×42%÷蒸發(fā)周期×

水密度+葉蒸騰速率×葉面積×12)×

生長(zhǎng)周期

(3)

3.1.2 種群生態(tài)用水量

種群生態(tài)用水量為不同齡級(jí)所有個(gè)體的年用水量，公式為

式中：Wi為某齡級(jí)單株生態(tài)用水量;d為某齡級(jí)密度;5為齡級(jí)數(shù)。

3.1.3 森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水量

森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水量是每種主要樹(shù)種種群生態(tài)用水量與其面積的乘積，即

森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)用水量=
種群生態(tài)用水量×該種群面積

(5)

3.1.4 濕地生態(tài)用水量

濕地生態(tài)用水量=湖面面積×湖平均深

(6)

3.1.5 綠洲生態(tài)用水量

綠洲生態(tài)用水量=胡楊林生態(tài)用水量+
紅柳林生態(tài)用水量+濕地生態(tài)用水量

(7)

3.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與計(jì)算依據(jù)

由于人工胡楊林和沙棗林在2001和2010年的面積占所有森林面積的比例分別為0.18%、0.24%與0.56%、0.06%，所以人工胡楊林和沙棗林不納入額濟(jì)納生態(tài)用水范圍。結(jié)合兩期額濟(jì)納森林資源調(diào)查報(bào)告來(lái)看，額濟(jì)納由于連續(xù)幾年干旱、少雨，地下水位下降，極少部分喬木因缺少水源而枯死或枯倒，喬木林面積縮減，有林地面積減少。于2012年7月1日、15日和30日在達(dá)來(lái)呼布鎮(zhèn)、東風(fēng)鎮(zhèn)、蘇泊淖爾蘇木、賽漢陶來(lái)蘇木、馬鬃山蘇木調(diào)查了胡楊林幼、中、近、成、過(guò)熟林的面積與蓄積、樹(shù)高、樹(shù)齡、胸徑、平均郁閉度、平均公頃蓄積量、平均公頃生長(zhǎng)量、平均總生長(zhǎng)量、生長(zhǎng)率。每個(gè)地點(diǎn)的胡楊林用30m×30m的樣方、紅柳林用20m×20m的樣方開(kāi)展調(diào)查，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)木的核算選取標(biāo)準(zhǔn)木，開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)木葉面積、根系體積、蒸騰系數(shù)和根、莖、葉的含水率調(diào)查，用標(biāo)準(zhǔn)木單株的數(shù)據(jù)乘以林木密度作為樣方的生態(tài)用水量。

根系體積以挖掘法開(kāi)展，樹(shù)高用測(cè)高儀測(cè)定，冠幅面積用樹(shù)冠垂直投影的長(zhǎng)與寬的積，葉面積用標(biāo)準(zhǔn)枝的單葉面積之和乘以枝數(shù)，單葉面積用便攜式葉面積儀(AM-300)測(cè)定；蒸騰系數(shù)由L-6400光合儀測(cè)定，測(cè)定時(shí)間為6：00—20：00，間隔時(shí)間為2h,每隔10天測(cè)一次，測(cè)一個(gè)生長(zhǎng)周期；根、莖、葉、土壤的含水率用烘干法測(cè)定，根、莖、葉含水量分別取質(zhì)量含水率乘以全株的質(zhì)量，則為其全株的含水量，根、莖、葉分別取3個(gè)重復(fù)混合后測(cè)定質(zhì)量含水率，土壤含水量分別取10、30和50cm深度混合土樣測(cè)定其含水率；空氣濕度用手持Kestrel-4500氣象儀測(cè)定，測(cè)定時(shí)間與L-6400光合儀測(cè)定時(shí)間一致，同時(shí)用3臺(tái)儀器的測(cè)定數(shù)據(jù)作為重復(fù)。

4 研究結(jié)果

4.1 生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀

4.1.1 植被生長(zhǎng)與水文氣象的關(guān)系

額濟(jì)納綠洲生態(tài)環(huán)境的好壞取決于以胡楊林和紅柳林為主的天然植被。這里降水極少，蒸發(fā)劇烈，蒸發(fā)量是降水量的10倍還多，稀少的降水對(duì)地下水補(bǔ)給甚微，額濟(jì)納盆地周邊的潛水側(cè)向補(bǔ)給對(duì)地下水的影響也較為微弱，正義峽斷面至狼心山斷面的地下徑流補(bǔ)給又不能達(dá)綠洲區(qū)域，所以綠洲植被生長(zhǎng)與生存主要是依靠黑河水補(bǔ)給的地下水，而地下水又取決于黑河徑流的補(bǔ)給，因此徑流間接對(duì)植被產(chǎn)生重要的影響。黑河下游來(lái)水量不足，地下水位就達(dá)不到相應(yīng)值，植被也就不能恢復(fù)到預(yù)計(jì)的程度。

4.1.2 森林植被資源動(dòng)態(tài)

對(duì)額濟(jì)納兩期森林資源的對(duì)比(表1)表明，額濟(jì)納綠洲有林地面積減少主要是胡楊林面積減少了。河流來(lái)水量減少，斷流時(shí)間增長(zhǎng)，再加上沿河地帶淺層地下水位下降，導(dǎo)致沿河植被大面積衰退和死亡，森林生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)重破壞，這進(jìn)一步說(shuō)明了胡楊“林隨水生”的特點(diǎn)。胡楊近熟林與成熟林比例增加、幼齡林比例下降(表2)，從生物生理學(xué)角度來(lái)看，是由于胡楊生長(zhǎng)過(guò)程中林內(nèi)空間光照不足，與胡楊喜光的特性出現(xiàn)暫時(shí)的矛盾，胡楊幼齡林就會(huì)表現(xiàn)出明顯的分化現(xiàn)象或自然稀疏過(guò)程和林內(nèi)植株自然整枝現(xiàn)象[12]。

4.2 植被生態(tài)用水量

4.2.1 胡楊林生態(tài)用水量

由公式(3)、(4)和(5)可計(jì)算出胡楊林生態(tài)用水量，見(jiàn)表3。

表2 胡楊林資源按齡組統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表3 額濟(jì)納胡楊林生態(tài)用水量

2001年胡楊林生態(tài)用水量10億多t，2010年胡楊林生態(tài)用水量9億多t。由于胡楊林面積逐漸縮小，幼齡林面積減少，因此2010年胡楊林生態(tài)用水量減少了1億多t。

4.2.2 紅柳林生態(tài)用水量

紅柳林生態(tài)用水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

對(duì)紅柳林的實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，紅柳林衰退的主要原因是其已達(dá)到最大壽命，出現(xiàn)平茬，另外地下水位的下降也是其面積減小的原因之一，最終結(jié)果是導(dǎo)致生態(tài)用水量下降。

表4 紅柳林生態(tài)用水量

4.2.3 濕地生態(tài)用水量

按目前東居延海水面面積38.5～40.0km2計(jì)算，用水量為4 720萬(wàn)～5 000萬(wàn)t。

4.2.4 綠洲生態(tài)用水量

2010年額濟(jì)納綠洲生態(tài)用水量=胡楊林生態(tài)用水量+紅柳林生態(tài)用水量+濕地生態(tài)用水量≈9.0+6.5+0.5=16(億t)。

4.3 不同時(shí)期黑河上游的分水量與可保護(hù)的綠洲植被面積

根據(jù)健康的胡楊林不同齡級(jí)的單位面積生態(tài)用水量，在2001和2010年黑河上游的給水量可保證的胡楊林幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過(guò)熟林分別為558、1 899、24 686、17 514、467 433和1 116、3 799、49 372、35 028、934 867hm2(表5)。與兩期實(shí)際的胡

表5 黑河上游分水條件下可保護(hù)胡楊的面積

楊林面積相比，可得出：給水量不足嚴(yán)重影響著胡楊的更新，特別是對(duì)幼、中齡林影響最大，中齡林面積減少2 930hm2，損失了95%；而對(duì)近熟、成熟和過(guò)熟林則完全滿足，近熟林增加了78%，成熟林增加了近11倍。

按健康的紅柳林的單位面積生態(tài)用水量考慮，則在2001和2010年的實(shí)際分水量都不能滿足紅柳林的生態(tài)用水需求(表6)，所以10年間紅柳林的面積減少了178 914hm2。

表6 黑河上游分水條件下可保護(hù)紅柳林的面積

4.4 不同給水量對(duì)應(yīng)的生態(tài)健康狀況

綠洲健康的生態(tài)用水量為16億t，根據(jù)阿拉善盟林業(yè)局提供的資料，得出給水量與地下水埋深的關(guān)系，見(jiàn)表7。

表7 不同給水量與地下水埋深的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表7可知，1999—2010年黑河給水量雖有增加，但均不超過(guò)8億t。根據(jù)地下水埋深與胡楊林健康的對(duì)應(yīng)關(guān)系(表8)可知，2000年前胡楊林處于衰退與死亡狀態(tài)，2002年較好，為亞健康狀態(tài)，其他年份都處于成熟林存活狀態(tài)，不能滿足胡楊幼、中、近熟林健康的生態(tài)用水需要，胡楊種群接近于衰退。這一結(jié)果與衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的胡楊林資源結(jié)果也較為一致。

表8 地下水埋深與胡楊林健康的對(duì)應(yīng)關(guān)系

5 結(jié)論與討論

關(guān)于生態(tài)用水不同學(xué)者有不同的計(jì)算方法，其中包括生物學(xué)、生態(tài)學(xué)及水文學(xué)中的相關(guān)內(nèi)容[9，12-14]，本研究對(duì)額濟(jì)納綠洲分布的主要植被胡楊林和紅柳林及主要湖泊東居延海開(kāi)展了既包括生命體維持存活所需要的靜態(tài)用水，也包括生命生長(zhǎng)過(guò)程中大氣、土壤和蒸散等的動(dòng)態(tài)用水的核算，因而是目前生態(tài)用水較為合理的計(jì)算方法。由于植被的分布不是均勻格局，因此本次核算生態(tài)用水有一定誤差，但本研究按不同林齡分層進(jìn)行了計(jì)算，盡可能地消除了誤差。根據(jù)盧愛(ài)剛等[12]的研究，額濟(jì)納綠洲胡楊林面積在2003年為2.94萬(wàn)hm2，與30年前的5.0萬(wàn)hm2相比減少了41.2%，胡楊林處于衰退的階段。本次研究結(jié)果顯示，1999—2010年黑河給水量雖有增加，但不超過(guò)8億m3，2000年前綠洲處于衰退與死亡狀態(tài)，2002年較好，為亞健康狀態(tài)，其他年份都處于成熟林存活狀態(tài)，接近于衰退。此結(jié)果符合實(shí)際情況，說(shuō)明本次綠洲森林生態(tài)用水的計(jì)算是合理的。

黑河是維系額濟(jì)納綠洲生命唯一的水源，但近幾年中，黑河用水現(xiàn)狀上、中、下游分別占用水總量的1.2%、93.3%和5.5%[15]。由此可見(jiàn)，造成水源供求之間矛盾的主要原因是中游用水量過(guò)多，導(dǎo)致下游生態(tài)用水減少，進(jìn)而造成綠洲面積減小，大量樹(shù)木因缺水而死亡，種群出現(xiàn)衰退。為此，建議有關(guān)部門應(yīng)合理分配整個(gè)綠洲生態(tài)用水資源，控制用水量，合理規(guī)劃用水時(shí)間，減少大水漫灌和無(wú)效蒸發(fā)等浪費(fèi)水資源的用水方式，以最大限度地發(fā)揮出綠洲生態(tài)用水的效益；并堅(jiān)持長(zhǎng)期持續(xù)地實(shí)施配水方案，控制人口的增長(zhǎng)與人為破壞，科學(xué)規(guī)劃城鎮(zhèn)化建設(shè)及農(nóng)牧活動(dòng)，以維持綠洲生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展。