第二章　峰丛洼地区植被生态需水计算方法体系构建

第一节　植被生态需水计算方法概述

人类活动用水对生态系统需水量的挤占已经成为生态环境退化的一个主要原因。基于这样的认识，从生态环境保护以及水资源合理配置角度出发，生态需水研究已经成为国内外地球科学领域普遍关注的一个热点问题，也是生态水文学研究的重要课题。从目前的研究现状看，基于不同的研究目标，对生态需水的认识不同，提出的概念也有所差别，相应的生态需水的计算方法也缺乏明确的理论体系，并且在实践中有很强的不确定性。生态需水的计算方法主要有面积定额法、潜水蒸发量法、植被耗水模式法、土壤湿度法、基于生物量的生态需水估算、基于RS和GIS的区域生态需水方法、基于生态经济理论的生态需水方法。

一、面积定额法

面积定额法即直接计算法，其计算基本步骤是先划分研究区的植被类型，并确定其范围和面积，然后再根据不同植被类型的生态需水定额计算该地区植被的生态需水总量。其计算公式为

植被生态需水定额的确定方法大致可以概括为水文学法、微气象学方法能量平衡法、空气动力学法、能量平衡-空气动力学综合法、涡度相关法、红外遥感法、植物生理学法快速称量法、气孔计法、风调室法、染色法、同位素示踪法、热脉冲与热平衡法、干物质法、伐树技术等、队模拟方法、气候学计算方法等。面积定额法是目前确定生态需水量最常用的方法，主要适用于基础工作较好的植被类型，如防风固沙林等，但该方法存在的主要问题是植被生态需水定额大小的确定。在试验地实验得到的植被生态需水定额在实际应用中，由于下垫面因素、水文参数等的空间变异性影响，不同尺度的生态需水规律存在差异，而这种规律不是简单的线性叠加或外延。

二、潜水蒸发量法

潜水蒸发量法又称间接计算法，该方法利用潜水蒸发量的经验与半经验估算方法如阿维里扬诺夫公式、沈立昌公式来推算植被生态耗水量。具体计算方法是以某种植被类型在某一地下水位的面积乘以该地下水位的潜水蒸发与植被系数，得到其生态需水量。该方法是干旱区生态需水量计算较常用的方法之一，其计算公式为

当潜水蒸发量等于植被蒸腾与棵间土面或林下地被蒸发量之和时，才可以利用潜水蒸发公式间接计算植被生态需水量，处于这种状态时地表的蒸发强度稳定，土壤剖面的含水率不随时间发生变化，选择该计算方法时必须首先考虑该条件是否满足。从理论上讲，对于河道外生态需水的估算，潜水蒸发量法是一个可行的方法，但是由于实际蒸散发计算的困难，由这种方法得到的结果还有相当的不确定性，另外生态需水还受植物特征、土壤水、气象等其他多种因素的影响，如果只考虑蒸散发因素，估算结果将会出现较大的偏差。

三、植被耗水模式法

植被耗水模式法即采用经实验获得的典型植被的水分消耗规律，确定不同植被类型在不同地下水位分布区的植被耗水模式，将其推广到整个研究区域来估算生态需水量，该方法被广泛应用于干旱内陆地区域。

植被耗水模式法以干旱区典型植物为对象进行的个体或群丛水分耗散机理观测的实验结果来分析干旱区域植被的生态需水量，不仅存在尺度转换以及空间异质性的问题，而且也不能代表实际存在的各种生态系统对水资源的不同需求特性。

四、土壤湿度法

土壤湿度法适用于同一地区或降水量、土壤质地相近区域的植被需水量估算。我国牧区主要集中在西北干旱半干旱地区，气候干燥、土壤蒸发量大，多数时段土壤水分不能满足蒸腾耗水，草地耗水受土壤水分限制，该方法适合在此条件下使用，但该方法受土壤质地和地域条件的限制。

五、基于生物量的生态需水估算

对不同的生态系统而言，水分利用效率各不相同，也就是说单位水量所生产的干物质量有所差别。因此，根据生态系统的水分利用效率，可采用生物量方法计算生态需水，即用生物生产量及其水分利用率来确定生态需水，其计算公式为

生物量的估计应包括根、径、叶等，但在目前研究中一般仅考虑地上部分，而对地下部分的估算则略显不足。由于生物量的估算较为困难，水分利用效率的数据也难以获取，因此，该方法的应用局限性很大，但该方法却从另外一个角度提供了计算生态需水的途径，特别是随着遥感技术在生物量估算中的应用，该方法有相当大的应用前景。

六、基于RS和GIS的区域生态需水计算方法

该方法的主要思路是首先利用RS和GIS技术对研究区域进行生态分区，建立起生态分区与水资源分区的空间对应关系。其次，利用提供的流域土地利用信息，确定生态需水计算的不同植被类别的范围。最后，通过不同类别范围内不同植被类型的蒸散发计算确定河道外生态需水地带性和非地带性植被的生态需水，利用水资源分区的水量收支平衡控制来估算生态需水量。

该方法适合于较大区域范围内的生态需水量计算，但却存在工作量较大的问题。另外，该方法涉及很多的相关知识和技术如进行植被第一性生产力测定等，所用数据也非常多，实际应用较为复杂。

七、基于生态经济理论的生态需水计算方法

上述几种确定生态需水的方法主要是用于确定最小生态需水量，其目的是保证生态系统功能不再退化。由于生态系统功能与价值是统一的，所以保护生态系统功能不再退化也是保护生态价值不再降低。根据生态价值所确定的生态需水量可以更合理地反映出不同地区水资源对维持生态系统健康的重要性，其基本思想是分别确定生态需水量与生态价值的关系曲线和经济用水量与国民生产总值的关系曲线，并在这两条曲线中寻求生态需水的平衡点。