2005年9月南京晓庄学院学报VO L.21,NO.5第21卷第5期JOURNA L OF NAN J I NG XI AOZH UANG C O LLEGE Sep.,2005生态需水计算的理论基础和方法探析丰华丽1,郑红星2,曹阳3(1.南京水利科学研究院,江苏 南京 210029;2.中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101;3.河海大学 环境科学与工程学院,江苏 南京 210098) [摘 要] 生态需水的研究已成为国内外地球科学领域普遍关注的一个热点问题。
本文探讨了生态需水计算的一般理论基础,对现有的计算方法进行整理和分类,并评价了各种方法的特点和局限,构建了一个较为明晰的生态需水计算框架。
研究认为,生态需水的计算应该在水与生态系统关系的基础上,遵循水文循环和水量平衡原理、自然地带性原理以及生态系统完整性原理,进行水资源的合理配置。
对于整个流域生态需水的估算,可分为河道外生态需水和河流廊道生态需水两部分。
目前,河道外生态需水的计算方法主要有基于蒸散发或基于生物量两种方法。
河流廊道生态需水的计算方法主要有分项合成法和整体耦合法。
[关键词] 生态需水;河道外;河流廊道;理论方法[中图分类号] P33 [文献标识码] A [文章编号] 1009-7902(2005)05-0050-06水是生态系统最重要的因子之一。
随着社会经济的发展,水资源开发利用范围和强度的不断地扩大和加深已经影响到了生态系统的安全。
特别是在干旱半干旱地区,人类活动对生态系统需水量的挤占已成为生态环境退化的一个重要原因。
基于这样的认识,从生态环境保护以及水资源可持续利用的角度出发,生态需水的研究已成为国内外地球科学领域普遍关注的一个热点问题,是生态水文学研究的重要课题之一。
在国外,生态需水研究主要集中在河流生态系统。
在我国,生态需水的研究处在发展阶段,但发展很快,并取得了一定的研究成果。
从国内外生态需水的研究看,研究人员从不同的研究目的出发,对生态需水的认识不尽相同,提出的概念也有所差别,同时尚缺乏生态需水计算理论和方法的系统研究,在实际应用中还存在许多不确定性因素。
研究认为,生态需水是指在特定的生态目标下,维持一定时空范围内的生态系统水分平衡所需要的总水量[1]。
在这一概念的基础上,本文将探讨生态需水计算的一般理论基础,构建一个较为明晰的生态需水计算框架,同时对现有的计算方法进行整理和分类,并评价各种方法的特点和局限,以期为生态需水的进一步研究提供新的思路。
1 生态需水计算的理论基础生态需水的概念是针对生态环境的保护和建设以及水资源的合理开发利用而提出的[1],其实质[基金项目] 国家科技攻关项目(2004BA610A-01),南京水利科学院基金项目(Y50402)[收稿日期] 2005-03-15[作者简介] 丰华丽(1974-),女,南京水利科学研究院副研究员、博士。
是考虑生态保护和生态建设的需求,合理配置水资源配置。
从这个意义上讲,生态需水的计算与生态学、水文学和水资源学等研究领域关系密切。
本文认为生态需水计算最基本的理论问题包括以下几个方面。
1.1 水与生态系统的关系水与生态系统的关系是生态环境需水量计算最重要的理论依据。
在生物群体结构和动态的调整方面,非生物的水文过程起着重要作用;另一方面生态系统的结构和格局,也影响着降水的分配、径流变化等[2]。
严格地讲,只有深入地理解并掌握了水量、水质以及水力等条件对生态系统的影响,才可能科学合理地确定生态需水量。
生物作为生态系统最重要的组成成分,对整个生态系统的健康和发展起着重要作用。
根生物的生存与发展,依赖于综合环境因子的存在,据Shelford 的耐性定律,只要其中一项因子的量(或质)不足或过多,超过了某种生物的耐性限度,该物种便不能生存,甚至灭绝。
因此估算生态需水时需考虑阈值原则。
如图1所示,生态需水并不是一个恒定的值,而应该存在一个阈值区间为W min ,W opti ,W max ,其中W min 、W opti 、W max 分别对应着图1的最小生态需水、最适生态需水和最大生态需水。
图1 生态需水变化的阈值区间1.2 水文循环和水量平衡原理水文循环深刻地影响着生态系统的结构和功能,是自然界中一系列物理过程、化学过程和生物过程的基础。
在水文循环过程,植被在各个环节所起的作用以及对不同环节变化的响应关系研究,特别是植被与土壤水分关系的研究,对计算生态需水至关重要。
目前,对生态需水的研究只注重给出生态需水的量值,而缺乏分析所需水分的主要来源(地下水、降水还是土壤水)、需水的时间分布以及同一生态系统中不同植物间水分利用和竞争的关系。
以上信息的获得,只有在水文循环和水量平衡的基础上,辨识水文过程和生态过程的相互作用,才能合理地估算生态需水,提供更科学、更有效的信息指导生产实践。
1.3 自然地带性原理自然地带性首先是按照区域的水分和热量条件的划分作为基础。
不同自然地带的天然生态景观是自然演替的结果,生态系统是与其所处的环境相适应的。
因此,在制定生态目标时,首先就必须尊重自然地带性这一客观规律,使生态需水的计算不至于缺乏理论依据。
其次,不同自然地带的生态系统所消耗的水量或者说需水定额是有差别的。
生态需水的计算必须考虑这一地带性因素,才能合理地确定生态需水定额。
此外,对于不同的自然地带,其水量循环过程和水量平衡关系是各不相同的,生态系统所赖以存在的水源也有所区别。
这也是生态需水配置过程中必须关注的一个重要内容。
1.4 生态系统完整性原理・15・丰华丽,郑红星,曹阳:生态需水计算的理论基础和方法探析生态系统是复杂系统,它的各组分通过协同进化形成了一个不可分割的、统一的整体。
对复杂系统结构和功能的理解,应以整体性原则为指导,在系统水平上进行研究。
因此,对生态需水的研究,不能只局限于某一个关心的物种或目标(如国外早期对河流流量的确定只考虑大马哈鱼的需求)。
例如,流水生态系统是四维的,具有纵向、横向、垂向和时间分量的特征[3]。
在纵向上,河流是一个线性的整体性系统,河流上游的水分变化特征影响着中、下游的物理、化学和生物过程;在横向上,河道子系统和河岸子系统是一个统一的有机整体,一方面,二者存在着水资源相互转化关系,另一方面,河岸子系统为河道子系统提供营养物质,供给水生生物生存的需要。
因此,为了合理地确定生态需水量,更有效的保护生态系统,必须遵循整体性原则。
1.5 水资源配置理论生态需水的计算实际上是在强调人-水协调进行水资源合理配置的背景下而提出来的。
在以往的水资源配置中,人们关注的只是生产和生活需水的情况,而往往忽略了生态需水的必要性和重要性。
事实上,社会———经济———自然系统是一个复杂的巨系统,它们之间互相影响,相互制约。
一个地区或国家能否可持续发展取决于经济、社会和生态环境的协调程度。
脱离生态系统的社会经济的发展是不可持续的,而完全背离社会经济发展的生态保护标准是不可能得到有效地实施。
因此,遵循“三生(生产、生活和生态)”用水共享的原则,在水资源承载力分析的基础上,在生态系统需水阈值内,结合区域社会经济发展的实际情况,兼顾生态需水和社会经济需水,应用水资源优化配置理论和方法,才可能合理配置生态需水。
2 生态需水计算的主要方法目前,生态需水的计算方法很多。
但是,在当前的研究中,还缺乏对这些方法进行系统的比较分析。
不同生态区域应该采用哪种方法,计算的结果才更符合生态系统实际的水分需求,仍有待深入研究。
因此,本文在理解现有方法的基础上,对生态需水的主要研究方法进行了归类总结,并分别按河道外和河流廊道两大区域分析现有方法的优缺点及其适用范围。
2.1 河道外生态需水的计算河道外生态系统消耗水量主要有两种形式,一是通过蒸散发消耗于大气中,一是参与生物体有机质的形成。
从这两个角度出发,目前估算河道外生态需水主要有两种方法,一种是基于蒸散发的方法,另一种是基于生物量的方法。
无论是哪一种方法,二者都是在生态分区的基础上,针对具体的土地利用单元而发展起来的方法。
1)基于蒸散发的生态需水估算植物是生态系统的重要组成成分,植物需水量的97～99%通过叶面蒸腾返回大气中,参与水分的再循环。
因此,生态系统的蒸散发可近似为生态需水。
在利用蒸散发方法估算生态需水时,首先要根据地理区域原则、生态类型相似性原则,对研究区域进行生态分区。
其次,计算潜在蒸散发能力,然后在考虑植被系数的基础上,计算实际的蒸散发量。
目前,对于蒸发能力的计算,主要采用Penman -M onteith 公式[4]、Hargreaves 算法[5]等得到潜在蒸散发后再考虑植被蒸散系数,进而得到植被的实际蒸散发。
也有学者利用半经验潜水蒸发公式如阿维里杨诺夫公式和潜水蒸腾公式估算河道外生态需水[6-7]。
另外,部分研究者则基于植被与潜水位之间的关系,在试验的基础上,获得了某一地下水位条件下的潜水蒸发量,然后以该潜水蒸发量乘以相应的植被系数和面积,求得研究区域的实际蒸散发量,作为河道外生态需水估计[8]。
从理论上见,对于河道外生态需水的估算,蒸散发方法是一个可行的方法。
然而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,由于生态需水还受到其它多种因素(如植物特征、土壤水、气象等)的影响,如果只考虑蒸散发因素,估算的结果会出现较大的偏差。
如何从水循环的角度,以生态和水文关系为纽带,在综合考虑多种因子和主导因子影响的前提下,通过生・25・南京晓庄学院学报态水文模拟计算生态需水有待深入研究。
2)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,即生态需水用生物生产量及其水分利用率来确定[9]。
公式为:E =∑A i ×Q nppi ×μi 式中:A i 为i 类植被利用面积(m 2),Q NPPi 为I 类植被的净第一性生产力,即单位面积,单位时间内干物质的重量(g/m 2・a ),μi 为i 类植物水分利用系数,表示单位土地面积上生产的干物质与蒸散耗水之比(g/kg )。
生物量的估计应包括根、径、叶等,在目前研究中,一般只考虑了地上部分,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,因此该方法的应用受到限制。
但是该方法从另外一个角度提供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,这一方法有相当的应用前景。
2.2 河流廊道生态需水的计算目前,对河流廊道生态需水的研究方法主要有分项合成法和整体耦合法两种。
分项合成法的特点是分别计算河道子系统和河岸子系统的各项生态需水,然后进行合成,从而得到河流廊道总的生态需水量。