吳建強,李 林,譚 娟,郭晉川,王 敏,吳衛(wèi)熊,白 楊,黃 凱,何令祖

1 上海市環(huán)境科學研究院,上海 200233 2 廣西壯族自治區(qū)水利科學研究院,南寧 530023 3 河北工程大學水利水電學院,邯鄲 056038 4 中國科學院西雙版納熱帶植物園,勐侖 666303

生態(tài)需水是在區(qū)域自然資源特別是水土資源開發(fā)利用條件下,為維護以河流為核心的流域生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)平衡、避免生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生不可逆的退化所需要的臨界水分條件[1]。植被生態(tài)需水是指為保障植被能正常生長、發(fā)育或植被生態(tài)系統(tǒng)維持健康并發(fā)揮正常生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能而需要消耗的最低水量[2],被認為是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建的關(guān)鍵[3]。不同的植物類型和物種組成與當?shù)氐乃Y源供給狀況相結(jié)合具有不同的需水特征。因此,確定合理的植被生態(tài)需水區(qū)間,對實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前,植被生態(tài)需水的研究在國際上已受到廣泛關(guān)注,并已成為生態(tài)學、水文學和地理學等研究的熱點[3]。國外對于生態(tài)需水的研究主要集中于水生生物生長和河流流量的關(guān)系以及河流流量與維持生態(tài)系統(tǒng)完整性的關(guān)系等方面。而國內(nèi)現(xiàn)有研究主要集中于西北、華北的干旱、半干旱以及半濕潤地區(qū)[4]。如劉新華等[5]以干旱區(qū)的塔里木河流域為研究對象,對林地的生態(tài)需水特征進行了分析;何永濤等[6]針對黃土高原不同林地類型,計算了不同林地的生態(tài)需水定額和適宜生態(tài)需水量;周丹等[7]利用荒漠植被面積并參考作物蒸散量(ET0)計算西北干旱區(qū)近30年間植被生態(tài)需水量,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)植被生態(tài)需水量以0.11億m3/a的速率逐年減少,并主要受氣候因素影響;呂明權(quán)等[8]通過對東北溝流域植被生態(tài)需水量的研究表明,該地區(qū)植被生態(tài)需水量的直接影響因素是土地利用和景觀格局;湯潔等[9]研究發(fā)現(xiàn)不同時空尺度土地利用的改變會破壞區(qū)域的水資源供需平衡,從而直接影響區(qū)域生態(tài)需水量。但是對南部喀斯特峰叢洼地區(qū)域的植被生態(tài)需水研究卻較少,區(qū)域植被生態(tài)需水及其主要影響因素有待進一步揭示。

廣西巖溶峰叢洼地區(qū),氣候濕潤、降水充沛,降水變化率大且季節(jié)分配不均。但是在大多數(shù)區(qū)域,山多坡陡、河谷深切,且喀斯特溶裂、漏斗發(fā)育,導致地表徑流要么快速流入深切河谷,要么快速進入地下水,難以被地表植被利用,植被對水分的調(diào)節(jié)作用也較小。加之土層淺薄、儲水能力低、入滲系數(shù)大,常常出現(xiàn)蒸發(fā)量大于降雨量的情況。因此,這一地區(qū)水分虧缺嚴重,生態(tài)需水不足問題顯得尤為突出。

本研究以廣西田東縣作為巖溶峰叢洼地區(qū)的典型代表,基于水文、氣象及地理條件等資料,結(jié)合野外實地觀測和植被生態(tài)需水定量計算模型構(gòu)建,研究峰叢洼地不同植物類型在不同時間段的生態(tài)需水和生態(tài)缺水定額,以期為該區(qū)域水資源的高效利用、優(yōu)化配置與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于廣西百色市田東縣(23°16′—24°01′ N,106°53′—107°26′ E),縣域內(nèi)峰叢洼地地貌區(qū)面積為510.79 km2,占縣域總面積的18.19%,是廣西巖溶峰叢洼地的典型代表[10]。屬南亞熱帶季風氣候區(qū),年均氣溫21.9℃,年均降水量1172.3 mm,年均蒸發(fā)量1774.7 mm,蒸發(fā)量大于降水量,干熱是區(qū)域主要的氣候特點。區(qū)域內(nèi)峰叢洼地地形主要表現(xiàn)為四周挺拔的山峰,封閉其間的是較為平直的洼地,相對高差通常為200—300 m,最高可達600 m。該區(qū)域人地矛盾突出,人為干擾強烈,水土流失嚴重,生態(tài)環(huán)境惡化,植被覆蓋率較低,加之土層淺薄,土壤入滲系數(shù)大,降水經(jīng)地表快速進入地下,難以被地表植被吸收,生態(tài)缺水現(xiàn)象嚴重。

1.2 研究方法

1.2.1 植被生態(tài)需水定額計算方法

植被生態(tài)需水定額受植被類型、氣候及土壤水分等因素綜合影響[11]。本研究采用國際通用的Penman-Monteith公式[12]來計算植被生態(tài)需水定額。

ETq=Ks×Kt×ET0

(1)

式中,ETq為植被生態(tài)需水定額(mm);Kt為植被生態(tài)耗水系數(shù),即植被最大需水量與潛在耗水量的比例系數(shù);Ks為土壤水分調(diào)節(jié)系數(shù);ET0為植被潛在蒸散量(mm)。

1.2.2 植被生態(tài)缺水定額計算方法

植被生態(tài)缺水定額(Q)根據(jù)植被生態(tài)需水定額與水分供給特征計算[13],如下式所示：

Q=ETq-α·P

(2)

式中,P為研究區(qū)實際的降水量,mm;α為降雨入滲系數(shù)。

1.2.3 植被潛在蒸散量計算方法

根據(jù)聯(lián)合國農(nóng)糧組織(FAO)的定義,植被潛在蒸散量是指從表面開闊、高度一致、生長旺盛、供水充足、完全遮蓋地面8—15 cm高的綠色草地上所蒸發(fā)、騰發(fā)的速率[14],它主要與當?shù)氐臍夂驐l件有關(guān)。根據(jù)研究區(qū)域多年氣象資料,采用FAO推薦的Penman-Monteith公式進行計算,公式如下：

(3)

式中,ET0為植被潛在蒸散量(mm);Δ為飽和水汽壓對溫度曲線的斜率(kPa/℃);Rn為參考作物表面凈輻射(MJ m-2d-1);G為土壤熱通量(MJ m-2d-1);γ為干濕表常數(shù)(kPa/℃);es為飽和水汽壓(kPa);ea為實際水汽壓(kPa);U2為地表2 m的平均風速(m/s)。

1.2.4 植被生態(tài)耗水系數(shù)計算方法

植被生態(tài)耗水系數(shù)計算公式[15-16]：

Kt=MDVI×k

(4)

式中,MDVI是植被覆蓋度,%;k是植被生態(tài)耗水校正系數(shù)。

1.2.5 土壤水分調(diào)節(jié)系數(shù)計算方法

土壤水分調(diào)節(jié)系數(shù)與土壤含水量及土壤質(zhì)地有關(guān),反映了土壤水分條件對植物蒸散量的影響,采用Jensen公式計算土壤水分調(diào)節(jié)系數(shù)[7]：

(5)

式中,S為土壤的實際含水量(g/kg);S*為土壤臨界含水量(g/kg),一般為田間持水量的70%—80%;Sw為土壤凋萎含水量(g/kg)。

Sw=f×(1.34—1.5)

(6)

式中,f為土壤吸濕系數(shù),%。土壤吸濕系數(shù)及田間持水量均需現(xiàn)場采集原狀土樣后進行測定。

當土壤水分充足時,植物蒸散速率與土壤水分含量無關(guān),植物蒸散速率取決于氣象因素和植物類型,取值1.0,在此情況下,實際蒸散量即為潛在蒸散量,也就是植被最大需水定額。研究表明,田間持水量的70%是比較適耕、適播的土壤含水量。根據(jù)土壤水分數(shù)量指標的劃分,毛管斷裂含水量是植被灌溉的下限,大致相當于田間持水量的65%左右。因此可將田間持水量的70%和毛管斷裂含水量時的植被耗水量分別作為植被的適宜和最小生態(tài)需水量,由此確定植被生態(tài)需水定額等級[11],如表1所示。

1.2.6 植物群落調(diào)查

2015年1月,在田東縣峰叢洼地研究區(qū)域開展植被樣方調(diào)查,結(jié)合海拔垂直梯度及坡度坡向變化,隨著海拔由低到高,樣區(qū)植物群落呈現(xiàn)明顯的農(nóng)作物-草本-灌木-喬木的演替規(guī)律,其主要優(yōu)勢植物群落分別為：甘蔗(Saccharumofficinarum)群落、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)群落、灰毛漿果楝(Cipadessacinerascens)群落和青岡(Cyclobalanopsisglauca)群落。

表1 植被生態(tài)需水定額等級

1.2.7 野外觀測方法

(1)觀測時間及樣地設(shè)置

分別于2015年冬(1月)、春(4月)、夏(8月)和秋(11月)4個季節(jié),開展田東縣峰叢洼地樣區(qū)優(yōu)勢植物群落實地觀測。每個群落在相同海拔高度各選擇3個樣地,大小分別為青岡20 m×20 m,灰毛漿果楝10 m×10 m,五節(jié)芒和甘蔗2 m×2 m,現(xiàn)場記錄各樣地海拔、坡向、坡度及植物群落高度、蓋度、物種組成等指標。

(2)蒸騰速率測定

采用美國LI-COR公司的LI- 6400便攜式光合呼吸測量系統(tǒng)測定植物蒸騰速率,測定時間均為晴朗天氣的9:00—10:00間。每個樣地選取3株長勢良好、無病蟲害的植物作為樣木,每株樣木再分別選取高、中、低3片健康葉片進行蒸騰速率測定,每個葉片連續(xù)采集6個穩(wěn)定的數(shù)據(jù),測定結(jié)果取其平均值。

(3)葉面積指數(shù)測定

采用美國LI-COR公司的LAI- 2200植物冠層分析儀對每個樣地的葉面積指數(shù)LAI進行觀測。每個樣地沿對角線測定3次,每次記錄10個數(shù)據(jù),單次測定結(jié)果取其平均值。

(4)環(huán)境因子測定

環(huán)境因子主要測定土壤容重、土壤含水率、土壤吸濕系數(shù)、田間持水量和空氣溫濕度等指標,每個樣地均重復測定3次。其中,土壤容重采用環(huán)刀法,在樣地樣木周邊去除表面凋落物后,采用100 cm3環(huán)刀采集好土壤后帶回實驗室測定;土壤含水率采用烘干法,在各樣地樣木附近采集0—20 cm深度的土樣80—100 g,現(xiàn)場去除根系和雜物并測定濕重后,即刻帶回實驗室在105℃下烘干至恒重,通過計算獲取;土壤吸濕系數(shù)則是同樣在各樣地樣木附近采集0—20 cm深度土樣100 g,帶回實驗室烘干至恒重后置于敞開空間,自由吸收空氣水分至飽和后稱重,通過計算獲取;田間持水量按NY/T1121.1規(guī)定的方法,在各樣地樣木附近用100 cm3環(huán)刀采集原狀土樣后,帶回實驗室測定并通過計算獲得;空氣溫濕度采用手持式RS溫濕度計在測定植物蒸騰速率的同時進行測定。

1.2.8 數(shù)據(jù)分析方法

利用SPSS軟件,采用單因子分析法,揭示植被生態(tài)需水定額與環(huán)境因子之間及各環(huán)境因子相互之間的關(guān)系。采用多元線性逐步回歸方法分析現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù),確定植被生態(tài)需水定額的主要影響因子及其影響程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被生態(tài)需水定額

基于4種優(yōu)勢植物群落樣地植被生理生態(tài)、環(huán)境因子的測定結(jié)果,計算不同植被的最佳生態(tài)需水、適宜生態(tài)需水和最小生態(tài)需水定額,結(jié)果如圖1所示?？芍?4種植物群落最大、適宜、最小生態(tài)需水定額在不同季節(jié)呈現(xiàn)同樣的規(guī)律,均是8月份最大,1月份最小;甘蔗群落年度月均最大、適宜和最小生態(tài)需水定額分別為26.23、18.36 mm和17.05 mm,五節(jié)芒群落分別是36.85、25.80 mm和23.95 mm,灰毛漿果楝群落分別是23.99、16.80 mm和15.60 mm,青岡群落分別是34.71、24.30 mm和22.56 mm;4種植物群落最大生態(tài)需水定額明顯高于適宜生態(tài)需水定額,兩者相差均達7.00 mm以上,而適宜與最小生態(tài)需水定額相差較小,均小于2.00 mm。整體而言,灰毛漿果楝群落在整個生長周期的生態(tài)需水定額均小于其他3個植物群落,說明灰毛漿果楝在整個生長過程中滿足自身生長所需的水分為4種植物中最低;而五節(jié)芒群落則是最高,說明與其他3種植物相比,五節(jié)芒需要更多的水分才能維持其正常生長。

圖1 不同植物生態(tài)需水定額對比Fig.1 The comparison of vegetation ecological water requirements quota

根據(jù)式(2)計算獲得4種植物群落生態(tài)缺水定額如表1所示。結(jié)果顯示,4種植物群落的生態(tài)缺水定額也均是8月份最高,11月份次之,1月份最低;甘蔗群落年度月均最大、適宜和最少生態(tài)缺水定額分別為19.64、11.77 mm和10.46 mm,五節(jié)芒群落分別是30.26、19.21 mm和17.37 mm,灰毛漿果楝群落分別是17.40、10.20 mm和9.00 mm,青岡群落分別是28.12、17.71 mm和15.97 mm。同樣,五節(jié)芒的生態(tài)缺水定額最高,灰毛漿果楝最低,說明4種植物整個生長過程中,五節(jié)芒缺水狀況比較嚴重,而灰毛漿果楝缺水量則相對較低。

表2 田東樣點不同植被類型生態(tài)缺水定額特征

2.2 植被生態(tài)需水影響因子分析

2.2.1 單因子分析

借助SPSS軟件,采用單因子分析方法,揭示植被生態(tài)需水定額與植物生理生態(tài)、環(huán)境因子之間,以及各因子之間的關(guān)系,結(jié)果如表2所示。植被生態(tài)需水定額與葉面積指數(shù)、植被覆蓋度、空氣溫度和土壤容重等均呈現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.68、0.70、0.51和0.63;與土壤田間持水量則呈現(xiàn)出顯著負相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.417(P<0.05)。各影響因子間也呈現(xiàn)出了不同的相關(guān)關(guān)系,如植被覆蓋度和葉面積指數(shù)之間呈現(xiàn)極顯著的相關(guān)性(P<0.01,R2=0.55),而海拔與大氣壓之間呈極顯著負相關(guān)(P<0.01,R2=-0.88),表明這些因子之間并不是相互獨立的,而是相互影響的。進而說明植被葉面積指數(shù)、覆蓋度以及土壤容重、含水率等因子并不是獨立作用于植被生態(tài)需水定額,而是通過相互作用產(chǎn)生的綜合影響。

表3 植被生態(tài)需水單因子分析

**表示極顯著水平,P<0.01;*表示顯著水平,P<0.05

2.2.2 多元回歸分析

影響植被生態(tài)需水定額的各因子間具有較高的相關(guān)性,說明它們之間可能存在嚴重的自相關(guān),為進一步研究影響植被生態(tài)需水定額的關(guān)鍵因子及其影響程度,采用多元線性逐步回歸,對數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果如表3所示。

由表3可知,僅有植被覆蓋度、土壤容重、土壤含水率和潛在蒸散4個指標被選入預(yù)測模型,相關(guān)水平均達到了極顯著(P<0.01),說明這4個指標是影響植被生態(tài)需水定額的主要指標。從相關(guān)系數(shù)來看,植被覆蓋度的回歸系數(shù)最大,達到25.39,說明其對植被生態(tài)需水定額的影響最大;其次是土壤容重,回歸系數(shù)為15.45。

結(jié)合多元線性逐步回歸分析的結(jié)果,得出植被生態(tài)需水定額的預(yù)測模型,模型的R2= 0.913,說明入選模型的因子對植被生態(tài)需水定額能進行很好的預(yù)測。

ETq=-62.98+25.39VC+15.45SBD+0.755SWC+0.379ET0(R2= 0.913)

(7)

式中,ETq為植被生態(tài)需水定額;VC為植被覆蓋度;SBD為土壤容重;SWC為土壤含水率;ET0為植被潛在蒸散量。

表4 植被生態(tài)需水多因子回歸分析(R2 = 0.913)

3 討論

作為生態(tài)需水研究的重要組成內(nèi)容,植被生態(tài)需水可為區(qū)域植被生態(tài)恢復和重建提供重要科學依據(jù)[17]。本研究選取的巖溶峰叢洼地區(qū)域石漠化及水土流失嚴重,生態(tài)環(huán)境惡劣,植被退化較為明顯[18],因此,開展該區(qū)域植被生態(tài)需水研究顯得尤為必要。自然植被具有較強的水源涵養(yǎng)功能[19-21],它可能通過冠層截留、枯枝落葉層截持和土壤保持等方式對降水進行截留[22-23],從而消減降水進入地下水或形成地表徑流的量,這對于生態(tài)缺水嚴重的廣西巖溶峰叢洼地區(qū)域的植被來說是非常重要的。因此,為實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)和水資源的可持續(xù)和高效管理,應(yīng)充分發(fā)揮自然植被的水源涵養(yǎng)功能。而優(yōu)化配置植被種類與構(gòu)成,是充分發(fā)揮植被水源涵養(yǎng)功能的重要舉措。例如,郭軍庭等[24]對晉西黃土區(qū)小流域現(xiàn)有林分進行調(diào)整,從而使其水源涵養(yǎng)功能提高了35.99%。陳祥偉等[25]運用層次分析法對嫩江上游二道橋小流域水源涵養(yǎng)林植被的空間配置結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,使其土壤層有效貯水量提高了33.05%,水源涵養(yǎng)能力顯著增加。

然而,峰叢洼地區(qū)域獨特的水文特征,主要表現(xiàn)為石灰性淋溶系數(shù)大,水土流失嚴重。該區(qū)域的植被常受溫濕、降水時空分布不均的限制,導致地帶性植被退化、種屬減少、結(jié)構(gòu)單一的格局。盡管本研究中選用的優(yōu)勢植物,在其他區(qū)域也有分布,但獨特的區(qū)域特征,形成了這些植被獨特的需水習性[26]。本研究結(jié)果表明,草本植物五節(jié)芒,在整個生長周期內(nèi),生態(tài)需水定額最大,其次是喬木青岡,灌木灰毛漿果楝的生態(tài)需水定額最小。因此,該區(qū)域植被生態(tài)恢復應(yīng)選擇以灌木為主喬木為輔的植物群落結(jié)構(gòu),如灰毛漿果楝、青岡等。本研究結(jié)果部分得出了4種優(yōu)勢植物在不同季節(jié)的最小生態(tài)需水定額,說明了不同的植物對水分需要的最低狀態(tài)及其敏感性。而從不同植被生態(tài)缺水的情況來看,8月的生態(tài)缺水定額最多,尤其是五節(jié)芒。當水分供給低于最小生態(tài)需水定額時,植物的生長就會受到抑制,并導致該區(qū)域的植被與生態(tài)退化。說明在炎熱的夏季,雖然降雨量有所增加,但是在高溫狀態(tài)下,植物和地表蒸散量也顯著提高,在地層不保水的巖溶峰叢洼地區(qū),就會使得植物缺水現(xiàn)象更加凸顯,水分的保持和水資源的合理配置,在高溫季節(jié)對于維持植被生態(tài)需水就顯得尤為重要。

優(yōu)化群落中植物配置可從較大尺度上緩解區(qū)域水資源短缺狀況,然而不同植物對環(huán)境因子有著不同的適應(yīng)性,通過分析不同環(huán)境因子對峰叢洼地區(qū)植被生態(tài)需水定額的影響研究,則可為該區(qū)域的植被生態(tài)需水調(diào)控提供理論指導。本研究表明,該區(qū)域植被生態(tài)需水定額與植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、土壤容重、空氣溫度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與土壤含水率呈顯著正相關(guān)(P<0.05),而與田間持水量呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。逐步回歸分析結(jié)果表明,植被覆蓋度、土壤容重、土壤含水率和潛在蒸散4個因子入選回歸方程,且能解釋91.3%的植被生態(tài)需水定額的變化。這說明,在消除各環(huán)境因子之間的自相關(guān)關(guān)系后,最終確定對植被生態(tài)需水定額產(chǎn)生影響的環(huán)境因子為植被覆蓋度、土壤容重和土壤含水率,其中植被生態(tài)需水則與植被覆蓋度呈正比。相關(guān)研究也表明,地表徑流量隨植被覆蓋度的增加而減少[8,27-28]。因此,在植被恢復過程中,可通過人為調(diào)控植被覆蓋度以確定地表徑流和植被生態(tài)需水之間的平衡點,從而緩解區(qū)域生態(tài)缺水問題。而植被生態(tài)需水定額之所以與土壤容重和土壤含水率呈正比,可能是因為土壤容重越大,土壤越緊實且儲水能力也越低,土壤含水率也隨之降低[29-31],而植被生長所需的其他水分反而增大;而植被生態(tài)需水定額與田間持水量成負相關(guān),則是因為它與土壤水分調(diào)節(jié)系數(shù)成反比,而土壤水分調(diào)節(jié)系數(shù)與土壤臨界水量(田間持水量的70%—80%計)成反比所致,究其原因,田間持水量越高,植物可利用水分越多,調(diào)節(jié)系數(shù)也就越小,從而需水定額就會降低。由此可見,峰叢洼地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)的改良對緩解區(qū)域生態(tài)缺水也尤為關(guān)鍵。

4 結(jié)論

(1)從不同生長周期來看,峰叢洼地區(qū)4種典型植物群落生態(tài)需水定額均呈現(xiàn)出夏季最高、冬季最低的變化趨勢;就不同植物類型而言,灰毛漿果楝群落月均最大、適宜和最小生態(tài)需水定額最低,分別為23.99、16.80 mm和15.60 mm,五節(jié)芒群落則最大,分別為36.85、25.80 mm和23.95 mm。而植被生態(tài)缺水定額呈現(xiàn)出與需水定額一致的變化規(guī)律。

(2)相關(guān)性分析表明,植被生態(tài)需水定額與植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、空氣溫度和土壤容重呈極顯著正相關(guān),而與土壤田間持水量呈顯著負相關(guān);且各影響因子之間也存在一定的相關(guān)關(guān)系,表明植物生理生態(tài)和環(huán)境因子對植被生態(tài)需水定額的影響是綜合而非獨立的。

3)逐步回歸分析表明,峰叢洼地區(qū)植被生態(tài)需水定額的預(yù)測模型為ETq=-62.98+25.39VC+15.45SBD+0.755SWC+0.379ET0,R2= 0.913),回歸系數(shù)從大到小的因子依次是植被覆蓋度、土壤容重、土壤含水率以及潛在蒸散,該模型能較好地對植被生態(tài)需水定額進行預(yù)測。