甘肃省民勤县天然植被生态需水研究
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1 天然植被生态需水与生态缺水的计 算
1. 1 天然植被生态需水与生态缺水的定义 天然植被生态需水是指维持植被正常生长所必
需消耗的水量 ;适宜植被生态需水是指在水资源短
缺条件下 ,保证植被正常生长所需消耗的最小水量 ;
最小植被生态需水是指在水资源短缺条件下 ,保证
植被基本生长所需消耗的最小水量 。在适宜和最小
(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院 ,陕西 杨凌 712100)
[ 摘 要 ] 【目的】研究干旱地区天然植被的生态需水量 ,为区域生态用水与经济用水的合理配置提供参考 。
【方法】针对西北干旱地区水资源短缺 、降雨量少 、植被退化 、盖度降低等现状 ,以甘肃省民勤县为例 ,采用联合国粮农
组织 ( FAO) 提出的干旱区受破坏非完全覆盖的天然植被生态需水计算方法 ,计算植被生态需水定额 ,扣除有效降雨
[ 关键词 ] 天然植被生态需水 ;干旱区 ;水资源利用与配置 ;民勤县
[ 中图分类号 ] Q948. 112 + 3
[ 文献标识码 ] A
[文章编号 ] 167129387 (2010) 0220158207
Study on ecological water requirement for natural vegetation in Minqin County of Gansu Province
后得到生态缺水定额 ,再结合遥感解译的不同类型植被的生态植被面积 ,获得植被生态需水量和生态缺水量 。【结
果】民勤县植被适宜和最小的生态需水量在枯水年分别为 7 652. 0 万和 4 045. 3 万 m3 ,平水年分别为 7 554. 9 万和
wk.baidu.com
3 994. 0 万 m3 ,丰水年分别为 6 546. 3 万和 3 460. 8 万 m3 。植被适宜和最小的生态缺水量在枯水年分别为 6 040. 3
3 [ 收稿日期 ] 2009206215 [ 基金项目 ] 国家自然科学基金项目 (50879071) ;水利部公益性行业科研基金 (200801104) ;2007 年西北农林科技大学青年学术骨 干支持计划 [ 作者简介 ] 郝 博 (1983 - ) ,女 ,内蒙古五原人 ,在读硕士 ,主要从事生态需水研究 。E2mail : haobo621 @126. co m [ 通信作者 ] 粟晓玲 (1968 - ) ,女 ,四川开江人 ,教授 ,博士 ,主要从事生态需水与水资源配置研究 。E2mail : suxiaoling17 @126. co m
(k Pa/ ℃) , t 为平均气温 ( ℃) , u2 为 2 m 高处的平均 风速 ( m/ s) ,es 为饱和水汽压 ( k Pa) , ea 为实际水汽 压 (k Pa) 。
1. 2. 2 植被系数 ( kp ) 在植物生长初期 , kp 主要 通过土壤被湿润的频率与月平均 E T0 确定 ;而在植 物生长后期 , kp 可按生长末期植物的生长状况或叶 面积状况 (看叶子是否逐渐老化或霜冻而死亡) , 按
万和2 433. 7 万 m3 ,平水年分别为 5 714. 6 万和 2 153. 8 万 m3 ,丰水年分别为 4 220. 4 万和 1 331. 4 万 m3 。【结论】利
用 FAO 提出的生态需水计算方法可以得到植被生长期各月生态需水量 ,计算结果与利用热脉冲法所得结果差异较
小 ,说明该方法计算结果可靠 ,可以推广应用于其他干旱区 。
Abstract :【Objective】The p urpo se of st udying nat ural vegetatio n ecological water ( EWR) is to p ro2 vide reference for ratio nal allocatio n of water between regio nal ecological and eco no mic water usage in arid area【. Met hod】Co nsidering t he character s of t he water shortage ,lit tle p recipitatio n , degenerating vegeta2 tio n and low coverage in nort hwest arid area of China ,a new met ho d of EWR for no n2p ristine 、no n2f ull cov2 erage nat ural vegetatio n was int roduced ,which was p ropo sed by FAO. The met hod was used to calculate t he quota of EWR for vegetatio n. A nd t he quota of water shortage for vegetatio n was o btained after deduc2 ting t he effective p recipitatio n. Co mbining wit h t he different t ypes of vegetatio n area interp reted f ro m re2 mote sensing , t he volumes of EWR and water sho rtage for vegetatio n were o btained. Minqin Co unt y of Gansu Province was taken as an example in t his st udy【. Result】The optimal EWR and t he minimum EWR fo r vegetatio n in Minqin Co unt y in dry year was 76 520 000 and 40 453 000 m3 respectively ,in average year 75 549 000 and 39 940 000 m3 respectively ,in wet year 65 463 000 and 34 608 000 m3 respectively. The wa2 ter shortage of optimal EWR and t he minimum EWR for vegetatio n in dry year was 60 403 000 and 24 337 000 m3 respectively , in average year 57 146 000 and 21 538 000 m3 respectively , in wet year 42 204 000 and 13 314 000 m3 respectively.【Co nclusio n】Mo nt hly EWR can be o btained by t he calculating
Key words :ecological water requirement ( EWR) fo r nat ural vegetatio n ;arid area ;water use and co nfig2 uratio n ;Minqin Co unt y
国内外的研究一致认为 ,退化生态系统恢复与 重建的关键在于恢复植被[122] 。如何在有限的水资 源条件下 ,给予生态环境合理的需水量 ,使得生态植 被处于良性循环状态 ,对水资源的合理配置与实现 生态可持续发展具有重要意义 。国外对于植被生态 的研究侧重于大气 、土壤 、植被之间的生态水文过 程[1] 。我国对于植被生态需水的研究多集中在生态 比较脆弱的干旱和半干旱地区[3] ,主要是对植被生 态需水概念和计算方法的研究 。目前 ,我国干旱区 植被生态需水研究常采用的方法有直接计算法 (定 额法) [4 ] 、间接 计算 法 ( 潜 水 蒸 发 法) [5 ] 、水 量 平 衡 法[6 ] 和基于遥感与地理信息系统的研究方法[7 ] 。直 接计算法适用于基础工作较好 (通过试验容易获得 研究区需水定额) 的地区与植被类型 ;间接计算法适 用于降水量稀少 、植被生长完全依赖于地下水的干 旱地区 ,在工作基础比较差 (难以进行试验获取所需 数据) 且模型参数获取困难时 ,可以用该方法估算天 然植被生态需水[8] ;水量平衡法比较适合中小闭合 流域生态环境需水的计算 ,在较大尺度区域上 ,当生 态系统本身的观测数据缺乏或不足时也可采用此 法[9] ;基于遥感与地理信息系统的研究方法 ,能够方 便地提供大范围的地表特征信息 ,为大尺度非均匀 区域的植被耗水研究提供了新途径[10] 。但以上 4 种方法缺少长序列试验数据的支持和实践验证 ,其 计算结果很少反映生态系统需水量的年际 、年内变 化 ,从而限制了这些方法的应用 。本研究在弥补上 述方法缺点的同时 ,采用联合国粮农组织 ( FAO) 提 出的受破坏非完全覆盖的天然植被生态需水计算方 法[11] ,对甘肃省民勤县丰 、平 、枯 3 种降水典型代表 年不同类型植被的生态需水量及年内 、年际分布进 行了计算和分析 ,以期为民勤县生态用水与经济用 水的合理配置提供参考 。
植被生态需水量的基础上扣除有效降雨量后 ,可分
别获得植被适宜和最小的生态缺水量 。
1. 2 基于 FAO 方法的受破坏非完全覆盖植被生
态需水定额的计算
植被生态需水受气候 、植被和土壤水分等因素
的影响 ,在 FAO 作物系数法的基础上 ,考虑土壤水
分条件限制因素 ,天然植被生态需水的计算方法如
下:
E T p = E T0 ·kp ·ks 。
蒸腾量 ( E T0 ) ,即 :
E T0
=
0.
408Δ(
Rn - G) +γ t Δ+γ(1 + 0.
900 + 273
u2
34 u2 )
(
es
-
ea )
。
(2) 式中 :Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率 ( k Pa/ ℃) ,
Rn 为作物表面的净辐射量 ( MJ / ( m2 ·d) ) , G 为土 壤热 通 量 ( MJ / ( m2 · d ) ) , γ 为 干 湿 表 常 数
第 38 卷 第 2 期 2010 年 2 月
西北农林科技大学学报 (自然科学版) Jo urnal of Nort hwest A &F U niversity (Nat . Sci. Ed. )
Vol. 38 No . 2 Feb. 2010
甘肃省民勤县天然植被生态需水研究 3
郝 博 ,粟晓玲 ,马孝义
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第2期
郝 博 ,等 :甘肃省民勤县天然植被生态需水研究
159
met hod of EWR ,which was p ropo sed by FAO. Co mparing t he result s wit h measured result s by Heat p ul se sap flow senso rs ,t he difference is smaller. So t he met hod is reliable and can be extended to ot her arid are2 as.
(1)
式中 : E Tp 为植被生态需水定额 ( mm) , E T0 为参考
作物蒸发蒸腾量 ( mm) , kp 为植被系数 , ks 为土壤水
分限制系数 。
1. 2. 1 参考作物蒸发蒸腾量 ( E T0 ) 采用 FAO 推 荐的 Penman2Mo nteit h 公式计算参考作物的蒸发
HAO Bo ,SU Xiao2ling ,MA Xiao2yi
( College of W ater Resources an d A rchitect ural Engi neeri n g , N ort hwest A & F Uni versit y , Yangli n g , S haan x i 712100 , Chi na)
1. 1 天然植被生态需水与生态缺水的定义 天然植被生态需水是指维持植被正常生长所必
需消耗的水量 ;适宜植被生态需水是指在水资源短
缺条件下 ,保证植被正常生长所需消耗的最小水量 ;
最小植被生态需水是指在水资源短缺条件下 ,保证
植被基本生长所需消耗的最小水量 。在适宜和最小
(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院 ,陕西 杨凌 712100)
[ 摘 要 ] 【目的】研究干旱地区天然植被的生态需水量 ,为区域生态用水与经济用水的合理配置提供参考 。
【方法】针对西北干旱地区水资源短缺 、降雨量少 、植被退化 、盖度降低等现状 ,以甘肃省民勤县为例 ,采用联合国粮农
组织 ( FAO) 提出的干旱区受破坏非完全覆盖的天然植被生态需水计算方法 ,计算植被生态需水定额 ,扣除有效降雨
[ 关键词 ] 天然植被生态需水 ;干旱区 ;水资源利用与配置 ;民勤县
[ 中图分类号 ] Q948. 112 + 3
[ 文献标识码 ] A
[文章编号 ] 167129387 (2010) 0220158207
Study on ecological water requirement for natural vegetation in Minqin County of Gansu Province
后得到生态缺水定额 ,再结合遥感解译的不同类型植被的生态植被面积 ,获得植被生态需水量和生态缺水量 。【结
果】民勤县植被适宜和最小的生态需水量在枯水年分别为 7 652. 0 万和 4 045. 3 万 m3 ,平水年分别为 7 554. 9 万和
wk.baidu.com
3 994. 0 万 m3 ,丰水年分别为 6 546. 3 万和 3 460. 8 万 m3 。植被适宜和最小的生态缺水量在枯水年分别为 6 040. 3
3 [ 收稿日期 ] 2009206215 [ 基金项目 ] 国家自然科学基金项目 (50879071) ;水利部公益性行业科研基金 (200801104) ;2007 年西北农林科技大学青年学术骨 干支持计划 [ 作者简介 ] 郝 博 (1983 - ) ,女 ,内蒙古五原人 ,在读硕士 ,主要从事生态需水研究 。E2mail : haobo621 @126. co m [ 通信作者 ] 粟晓玲 (1968 - ) ,女 ,四川开江人 ,教授 ,博士 ,主要从事生态需水与水资源配置研究 。E2mail : suxiaoling17 @126. co m
(k Pa/ ℃) , t 为平均气温 ( ℃) , u2 为 2 m 高处的平均 风速 ( m/ s) ,es 为饱和水汽压 ( k Pa) , ea 为实际水汽 压 (k Pa) 。
1. 2. 2 植被系数 ( kp ) 在植物生长初期 , kp 主要 通过土壤被湿润的频率与月平均 E T0 确定 ;而在植 物生长后期 , kp 可按生长末期植物的生长状况或叶 面积状况 (看叶子是否逐渐老化或霜冻而死亡) , 按
万和2 433. 7 万 m3 ,平水年分别为 5 714. 6 万和 2 153. 8 万 m3 ,丰水年分别为 4 220. 4 万和 1 331. 4 万 m3 。【结论】利
用 FAO 提出的生态需水计算方法可以得到植被生长期各月生态需水量 ,计算结果与利用热脉冲法所得结果差异较
小 ,说明该方法计算结果可靠 ,可以推广应用于其他干旱区 。
Abstract :【Objective】The p urpo se of st udying nat ural vegetatio n ecological water ( EWR) is to p ro2 vide reference for ratio nal allocatio n of water between regio nal ecological and eco no mic water usage in arid area【. Met hod】Co nsidering t he character s of t he water shortage ,lit tle p recipitatio n , degenerating vegeta2 tio n and low coverage in nort hwest arid area of China ,a new met ho d of EWR for no n2p ristine 、no n2f ull cov2 erage nat ural vegetatio n was int roduced ,which was p ropo sed by FAO. The met hod was used to calculate t he quota of EWR for vegetatio n. A nd t he quota of water shortage for vegetatio n was o btained after deduc2 ting t he effective p recipitatio n. Co mbining wit h t he different t ypes of vegetatio n area interp reted f ro m re2 mote sensing , t he volumes of EWR and water sho rtage for vegetatio n were o btained. Minqin Co unt y of Gansu Province was taken as an example in t his st udy【. Result】The optimal EWR and t he minimum EWR fo r vegetatio n in Minqin Co unt y in dry year was 76 520 000 and 40 453 000 m3 respectively ,in average year 75 549 000 and 39 940 000 m3 respectively ,in wet year 65 463 000 and 34 608 000 m3 respectively. The wa2 ter shortage of optimal EWR and t he minimum EWR for vegetatio n in dry year was 60 403 000 and 24 337 000 m3 respectively , in average year 57 146 000 and 21 538 000 m3 respectively , in wet year 42 204 000 and 13 314 000 m3 respectively.【Co nclusio n】Mo nt hly EWR can be o btained by t he calculating
Key words :ecological water requirement ( EWR) fo r nat ural vegetatio n ;arid area ;water use and co nfig2 uratio n ;Minqin Co unt y
国内外的研究一致认为 ,退化生态系统恢复与 重建的关键在于恢复植被[122] 。如何在有限的水资 源条件下 ,给予生态环境合理的需水量 ,使得生态植 被处于良性循环状态 ,对水资源的合理配置与实现 生态可持续发展具有重要意义 。国外对于植被生态 的研究侧重于大气 、土壤 、植被之间的生态水文过 程[1] 。我国对于植被生态需水的研究多集中在生态 比较脆弱的干旱和半干旱地区[3] ,主要是对植被生 态需水概念和计算方法的研究 。目前 ,我国干旱区 植被生态需水研究常采用的方法有直接计算法 (定 额法) [4 ] 、间接 计算 法 ( 潜 水 蒸 发 法) [5 ] 、水 量 平 衡 法[6 ] 和基于遥感与地理信息系统的研究方法[7 ] 。直 接计算法适用于基础工作较好 (通过试验容易获得 研究区需水定额) 的地区与植被类型 ;间接计算法适 用于降水量稀少 、植被生长完全依赖于地下水的干 旱地区 ,在工作基础比较差 (难以进行试验获取所需 数据) 且模型参数获取困难时 ,可以用该方法估算天 然植被生态需水[8] ;水量平衡法比较适合中小闭合 流域生态环境需水的计算 ,在较大尺度区域上 ,当生 态系统本身的观测数据缺乏或不足时也可采用此 法[9] ;基于遥感与地理信息系统的研究方法 ,能够方 便地提供大范围的地表特征信息 ,为大尺度非均匀 区域的植被耗水研究提供了新途径[10] 。但以上 4 种方法缺少长序列试验数据的支持和实践验证 ,其 计算结果很少反映生态系统需水量的年际 、年内变 化 ,从而限制了这些方法的应用 。本研究在弥补上 述方法缺点的同时 ,采用联合国粮农组织 ( FAO) 提 出的受破坏非完全覆盖的天然植被生态需水计算方 法[11] ,对甘肃省民勤县丰 、平 、枯 3 种降水典型代表 年不同类型植被的生态需水量及年内 、年际分布进 行了计算和分析 ,以期为民勤县生态用水与经济用 水的合理配置提供参考 。
植被生态需水量的基础上扣除有效降雨量后 ,可分
别获得植被适宜和最小的生态缺水量 。
1. 2 基于 FAO 方法的受破坏非完全覆盖植被生
态需水定额的计算
植被生态需水受气候 、植被和土壤水分等因素
的影响 ,在 FAO 作物系数法的基础上 ,考虑土壤水
分条件限制因素 ,天然植被生态需水的计算方法如
下:
E T p = E T0 ·kp ·ks 。
蒸腾量 ( E T0 ) ,即 :
E T0
=
0.
408Δ(
Rn - G) +γ t Δ+γ(1 + 0.
900 + 273
u2
34 u2 )
(
es
-
ea )
。
(2) 式中 :Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率 ( k Pa/ ℃) ,
Rn 为作物表面的净辐射量 ( MJ / ( m2 ·d) ) , G 为土 壤热 通 量 ( MJ / ( m2 · d ) ) , γ 为 干 湿 表 常 数
第 38 卷 第 2 期 2010 年 2 月
西北农林科技大学学报 (自然科学版) Jo urnal of Nort hwest A &F U niversity (Nat . Sci. Ed. )
Vol. 38 No . 2 Feb. 2010
甘肃省民勤县天然植被生态需水研究 3
郝 博 ,粟晓玲 ,马孝义
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第2期
郝 博 ,等 :甘肃省民勤县天然植被生态需水研究
159
met hod of EWR ,which was p ropo sed by FAO. Co mparing t he result s wit h measured result s by Heat p ul se sap flow senso rs ,t he difference is smaller. So t he met hod is reliable and can be extended to ot her arid are2 as.
(1)
式中 : E Tp 为植被生态需水定额 ( mm) , E T0 为参考
作物蒸发蒸腾量 ( mm) , kp 为植被系数 , ks 为土壤水
分限制系数 。
1. 2. 1 参考作物蒸发蒸腾量 ( E T0 ) 采用 FAO 推 荐的 Penman2Mo nteit h 公式计算参考作物的蒸发
HAO Bo ,SU Xiao2ling ,MA Xiao2yi
( College of W ater Resources an d A rchitect ural Engi neeri n g , N ort hwest A & F Uni versit y , Yangli n g , S haan x i 712100 , Chi na)