內(nèi)陸河干旱區(qū)生態(tài)需水研究

內(nèi)陸河干旱區(qū)生態(tài)需水研究

西北內(nèi)陸的河流依靠高山收集水分，大部分降水集中在山區(qū)。平原是水資源消耗的主要區(qū)域。河川徑流(包括與河川徑流相互轉(zhuǎn)化的地下潛流)維系著平原地區(qū)整個(gè)生命系統(tǒng),這里也是人類活動(dòng)集中地區(qū)。內(nèi)陸河水資源不僅支撐著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,更要維系生態(tài)系統(tǒng)的安全。水資源開(kāi)發(fā)利用引起的內(nèi)陸河干旱區(qū)突出的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題是:下游尾閭湖泊干涸,河湖周?chē)脖煌嘶?引起土地沙化,同時(shí)伴生嚴(yán)重的次生鹽漬化,以此為棲息地的其他生物滅絕,使本來(lái)十分脆弱的生態(tài)環(huán)境更加惡化。因此,在水資源開(kāi)發(fā)利用中處理好經(jīng)濟(jì)用水與生態(tài)用水的關(guān)系是關(guān)鍵。水分條件改變是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因素。揭示水與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的依存關(guān)系是最為關(guān)鍵的問(wèn)題。由于內(nèi)陸河干旱區(qū)水文循環(huán)的獨(dú)特性以及水資源在生態(tài)保護(hù)中的突出作用,從機(jī)理入手研究水分條件與生態(tài)演變的關(guān)系,是解決干旱區(qū)生態(tài)問(wèn)題的基礎(chǔ),將為干旱區(qū)生態(tài)需水計(jì)算、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的定量分析,直接提供理論依據(jù)和具有清晰物理機(jī)制的分析方法。國(guó)外對(duì)水文循環(huán)過(guò)程生態(tài)微觀機(jī)理研究近十幾年開(kāi)展較多,注意力主要集中于水體中的生物需水特性,以及濕地植被需水微觀機(jī)理。研究的方法和手段可以分成兩類,一類以微觀機(jī)理分析為主,研究生物需水特性,一類以統(tǒng)計(jì)分析為主,研究水體生態(tài)需水宏觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律。干旱區(qū)的綠洲生態(tài)需水問(wèn)題,以往國(guó)內(nèi)外針對(duì)干旱區(qū)水對(duì)生態(tài)影響的認(rèn)識(shí),僅限于現(xiàn)象的定性描述和生態(tài)需水的半定量估算。20世紀(jì)90年代末期,國(guó)家九五科技攻關(guān)計(jì)劃對(duì)西北干旱區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)進(jìn)行了大規(guī)模研究。針對(duì)我國(guó)西北內(nèi)陸河干旱區(qū)生態(tài)與水問(wèn)題,從機(jī)理上研究干旱區(qū)水分驅(qū)動(dòng)的生態(tài)演變,對(duì)生態(tài)演變的自然現(xiàn)象進(jìn)行定量機(jī)理描述,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)測(cè)。以水文循環(huán)為依據(jù),將干旱區(qū)各種類型植被與徑流(河川徑流與地下徑流)范圍與強(qiáng)度建立定量聯(lián)系,并分離出水分來(lái)源(降雨或徑流),與水資源配置理論有機(jī)結(jié)合。本文旨在介紹這些研究,其中數(shù)據(jù)均來(lái)源于攻關(guān)研究成果。1陰山山地氣候特點(diǎn)生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成(景觀形態(tài)和空間分布)取決于水循環(huán)運(yùn)動(dòng)和水量分布條件。根據(jù)九五國(guó)家科技攻關(guān)“西北地區(qū)水資源合理開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)研究”項(xiàng)目最新水資源評(píng)價(jià)成果,包括新疆、柴達(dá)木盆地、河西走廊在內(nèi)的西北內(nèi)陸河流域平均降水146mm。84%的降水量集中在山區(qū),平均降水270mm,其中有97mm形成徑流,由出山口進(jìn)入平原。總徑流量按平原面積折合深度不足81mm,加上平原平均降水43mm,平原地區(qū)總水量深度不足124mm。對(duì)干旱地區(qū)而言,維持植被正常成長(zhǎng)的水量必須在250～300mm以上,西北內(nèi)陸干旱區(qū)水量顯然相差甚遠(yuǎn)。因此盆地的植被生態(tài)系統(tǒng)只是在沿河岸的狹小空間里孕育而成,人類依靠這個(gè)荒漠中的綠洲生存和發(fā)展。西北內(nèi)陸干旱區(qū)的水分條件和水平衡如圖1所示。降水的數(shù)量和分布條件決定了西北內(nèi)陸干旱區(qū)生態(tài)景觀的變化規(guī)律,形成了生態(tài)總格局。西北干旱區(qū)的84%的降水發(fā)生在山區(qū),山區(qū)生態(tài)垂直帶譜發(fā)育。帶譜的一般特征是自上而下依次出現(xiàn):冰川積雪帶、高山礫漠、高山草甸(冰雪補(bǔ)給為主);亞高山和山地草甸(雨雪混合補(bǔ)給);森林帶、山地草原(降雨補(bǔ)給為主)。平原區(qū)的降水不足以支撐植被生長(zhǎng),且由于沒(méi)有其它水分支持,盆地中央為荒漠無(wú)流區(qū),降水被無(wú)效蒸發(fā)。因此,荒漠是平原地區(qū)最典型的地帶性生態(tài)類型。北疆準(zhǔn)噶爾盆地邊緣,以及河西走廊石羊河盆地邊緣的降水量在100mm以上,維持著低蓋度干旱草原,因此這兩個(gè)地區(qū)的低蓋度干旱草原屬于地帶性生態(tài)類型。2徑流對(duì)濕地生態(tài)的支撐作用西北內(nèi)陸河平原區(qū)干旱少雨,全部122.3萬(wàn)km2的面積上,多年平均降水524億m3,僅占降水總量的16%。盆地地勢(shì)低洼,是內(nèi)陸河流的歸宿地,降水量自四周向中央減少。因此,平原區(qū)降水在空間上基本上分為兩大均勻分布的區(qū)域,一是盆地邊緣地區(qū),此處降水量較高,另一是除此之外的盆地中央,降水量較小些。如北疆準(zhǔn)噶爾盆地邊緣的降水量在100～200mm左右,盆地中心在50mm左右;南疆塔里木盆地邊緣的降水量:西緣、北緣在50～70mm左右;東緣、南緣在20～30mm左右,盆地中心在10mm左右。東疆的吐魯番盆地和哈密盆地的平均降水量在25mm左右。全西北內(nèi)陸河盆地中央的荒漠區(qū)平均降水32mm。山區(qū)形成的徑流是平原地區(qū)最重要的水分來(lái)源。補(bǔ)給平原盆地生態(tài)系統(tǒng)的水分由兩部分組成,第一是當(dāng)?shù)厣倭拷邓?第二是河川徑流,后者起決定性作用。由于徑流的作用,內(nèi)陸河平原沿河岸形成了非地帶性生態(tài)群落:林地和高蓋度草地以及濕地等,組成綠洲。河川徑流向兩岸側(cè)滲形成一定影響范圍的地下潛水。潛水蒸發(fā)的加入,“激活”了潛水影響區(qū)域內(nèi)降水的“有效功能”,由降水與地下潛水共同補(bǔ)給,在非地帶性的綠洲生態(tài)與地帶性的荒漠生態(tài)之間形成了一個(gè)相對(duì)綠洲而言要寬闊得多的過(guò)渡帶。過(guò)渡帶植被以(中)低蓋度草地為主,是從非地帶性綠洲生態(tài)向地帶性荒漠生態(tài)的過(guò)渡形式。盆地降水與河川徑流(客水)的相互作用而形成的水分分布與轉(zhuǎn)化條件,是形成內(nèi)陸盆地生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。內(nèi)陸河的流向一般從盆地邊緣向中央?yún)R集,根據(jù)降水的分布規(guī)律,與流向垂直方向上的降水量相同。而沿同一方向河流向兩岸側(cè)滲的地下水,經(jīng)歷潛水埋深由淺到深、潛水蒸發(fā)量由強(qiáng)到弱的變化,相應(yīng)對(duì)植被的水分補(bǔ)給由多漸少、植被等級(jí)和蓋度逐漸由高向低演變;最終,地下潛水消失導(dǎo)致徑流作用終止、微弱的降水成為唯一的水分來(lái)源,植被基本消失、開(kāi)始進(jìn)入浩瀚無(wú)際的荒漠地帶。上述分析表明,河川徑流是支撐盆地植被生態(tài)系統(tǒng)的最重要水源,降水只是起輔助作用。即使在以降水為主要水源的過(guò)渡帶,徑流起的也是“關(guān)鍵少數(shù)”的作用,因?yàn)槿鄙購(gòu)搅鞯难a(bǔ)充,降水不能獨(dú)立支撐植被生長(zhǎng),被荒漠吞噬,淪為無(wú)效蒸發(fā)。因此,平原地區(qū)降水的有效性需要河川徑流(客水)的幫助才能體現(xiàn)。由于徑流運(yùn)動(dòng)的作用,平原生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出類似帶譜的規(guī)律性:以河流為中心向兩岸依次為綠洲、過(guò)渡帶、荒漠;植被等級(jí)和蓋度逐漸由高向低演變,分別為有林地、灌木林、疏林地和高蓋度草地、中蓋度草地、低蓋度草地、沙漠、戈壁。對(duì)平原盆地各類植被的水分補(bǔ)給來(lái)源分析計(jì)算表明,內(nèi)陸河區(qū)低蓋度草地主要由降水支撐,北疆與石羊河的中蓋度草地也由降水主要補(bǔ)給。其它群落都以徑流補(bǔ)給為主。內(nèi)陸河流域平原區(qū)生態(tài)耗水的補(bǔ)給來(lái)源,見(jiàn)表1。3過(guò)渡帶、向地域分布及區(qū)域生態(tài)格局通過(guò)上述機(jī)理分析并計(jì)算各類植被的水分補(bǔ)給結(jié)構(gòu),根據(jù)生態(tài)景觀的需水補(bǔ)給條件界定內(nèi)陸河盆地生態(tài)系統(tǒng)的組成,定義荒漠、綠洲荒漠交錯(cuò)過(guò)渡帶、綠洲三大生態(tài)單元。按人類活動(dòng)進(jìn)一步將綠洲劃分人工綠洲和天然綠洲。在遙感信息解讀的土地利用圖上,根據(jù)水分條件和生態(tài)演變關(guān)系,給出平原生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)的如下定義:(1)荒漠為地帶性生態(tài)類型,無(wú)徑流活動(dòng)、降水不足以維持最低限度的植被生存條件的不毛之地,包括沙漠、戈壁、裸巖裸土、鹽堿地;位于生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)的最外層,面積遼闊。全西北內(nèi)陸區(qū)荒漠面積87.6萬(wàn)km2,占平原面積的72%。此類面積上降水被視為無(wú)效蒸發(fā),全西北干旱區(qū)共計(jì)282億m3。折合水深32mm。(2)綠洲荒漠交錯(cuò)過(guò)渡帶為地帶性生態(tài)與非地帶性生態(tài)的過(guò)渡形態(tài),維持植被生態(tài)以降水為主、徑流為輔,徑流補(bǔ)給量占50%以下,包括全部低蓋度草地,北疆與石羊河流域降水較多因而還包括中蓋度草地;位于生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)的中間地帶,為綠洲與荒漠之間的開(kāi)闊地帶,對(duì)荒漠的擴(kuò)張有遏止作用。全西北內(nèi)陸區(qū)過(guò)渡帶的總面積18.9萬(wàn)km2,占平原面積的15%。此類區(qū)域是徑流活動(dòng)(潛水)的外緣區(qū),對(duì)河川徑流變化反映敏感,因此基礎(chǔ)脆弱,最易引起退化而導(dǎo)致荒漠化的擴(kuò)張。過(guò)渡帶是水資源開(kāi)發(fā)利用條件下生態(tài)保護(hù)的難點(diǎn),其變化對(duì)內(nèi)陸平原生態(tài)圈層的穩(wěn)定起指標(biāo)性作用。全西北干旱區(qū)過(guò)渡帶現(xiàn)狀生態(tài)耗水192億m3,降水、徑流分別占其水分來(lái)源的70%和30%,折合水深102mm,其中徑流為32mm。(3)綠洲為非地帶性生態(tài)類型,徑流為生態(tài)需水主要來(lái)源,包括除過(guò)渡帶以外的所有植被、水面以及一切人工景觀,包括各類林地、高(中)蓋度草地、各類水面、濕地、人工建設(shè)用地、耕地;位于生態(tài)圈層的中心,沿河分布。全西北內(nèi)陸區(qū)過(guò)渡帶的總面積15.8萬(wàn)km2,占平原面積的13%。綠洲消耗了全部出山口徑流量的90%以上,是由水土資源組合構(gòu)成的生態(tài)環(huán)境對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的自然支撐體系。全西北干旱區(qū)綠洲現(xiàn)狀總生態(tài)耗水388億m3,降水、徑流分別占18%和82%,其中不包括農(nóng)田和灌溉林草的耗水。另有52億m3的徑流被消耗于鹽堿地,這是水資源合理開(kāi)發(fā)利用需要解決的問(wèn)題。全西北干旱區(qū)天然綠洲生態(tài)耗水332億m3,降水、徑流分別占15%和85%。折合耗水深度401mm,其中徑流331mm。(4)人工綠洲人類在綠洲中進(jìn)行社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展而進(jìn)行水土資源開(kāi)發(fā),通過(guò)侵占天然生態(tài)面積,在綠洲內(nèi)部形成的由人工供水支撐的生態(tài)系統(tǒng),由耕地(包括人工草地)、人工建設(shè)用地、水庫(kù)塘壩、河渠、果林苗圃(包括人工林)等土地利用類型構(gòu)成。全西北內(nèi)陸區(qū)人工綠洲總面積7.536萬(wàn)km2,占總綠洲面積的48%。人工綠洲是干旱區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的載體,水資源利用的主要地點(diǎn)。通過(guò)引水灌溉等手段,將徑流向人工綠洲集中,提高人工綠洲及其周邊的地下水位,在天然綠洲內(nèi)部形成了人工生態(tài)。人工綠洲耗水情況是:消耗徑流性水資源432億m3,其中381億m3為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生活用水,51億m3為農(nóng)田和灌溉林草以外的、由經(jīng)濟(jì)用水退水間接支撐的人工生態(tài)耗水;人工綠洲消耗的降雨性水資源(有效降雨)44億m3,其中有39億m3被耕地(包括灌溉林草)吸收,5億m3被水庫(kù)、渠系、防護(hù)林、城鄉(xiāng)用地和其它設(shè)施消耗。全西北干旱區(qū)人工綠洲總耗水(包括經(jīng)濟(jì)與生態(tài)用水)深度666mm,其中徑流596mm。西北內(nèi)陸干旱區(qū)平原生態(tài)系統(tǒng)的圈層結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。西北干旱區(qū)平原生態(tài)系統(tǒng)的圈層耗水深度見(jiàn)表3。降水決定了全西北干旱區(qū)平原生態(tài)系統(tǒng)的總體格局:荒漠、過(guò)渡帶、綠洲的面積比為72∶15∶13。降水條件好或者水資源開(kāi)發(fā)利用程度低的地方,荒漠比重小;降水稀少且水資源開(kāi)發(fā)利用程度高的地區(qū),如東疆,荒漠化面積達(dá)93%。水資源開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度大的地區(qū),人工綠洲比重高,隨之過(guò)渡帶的比重下降,甚至小于綠洲面積,這是造成荒漠化的重要證據(jù)。—分析各生態(tài)圈層的耗水量及其水源組成,進(jìn)一步證實(shí)了徑流活動(dòng)范圍及其強(qiáng)度是形成平原圈層結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)因素,水資源利用改變了自然狀態(tài)下的水分供應(yīng)條件,因此影響了生態(tài)構(gòu)成?？傮w上,全西北干旱區(qū)荒漠、過(guò)渡帶、天然綠洲、人工綠洲的耗水模數(shù)之比大約是3∶10∶40∶67,與面積比成反對(duì)稱。內(nèi)陸河平原基于徑流運(yùn)動(dòng)的生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)概念性模型示意如圖2。h1為臨界地下水埋深,當(dāng)h<h1,潛水蒸發(fā)強(qiáng)烈,成為地表植被水分主要來(lái)源;當(dāng)h>h1,地表植被水分主要來(lái)源于降水,但潛水蒸發(fā)是重要依賴。h2為潛水消失點(diǎn)埋深,此處地表為荒漠與過(guò)渡帶交界處。生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)空間分布特點(diǎn):出山口附近由于有大量地下水,潛流場(chǎng)較寬,比降梯度與河流向幾乎平行,因此河流兩岸植被帶較寬,并且與山麓植被相連。對(duì)于單一河流,潛流場(chǎng)寬度沿程逐漸收縮,直至最終消失或注入尾閭湖泊,因此單一流場(chǎng)的植被帶沿河逐漸減少、直至尖滅,此種情形如塔里木河下游、黑河下游。對(duì)于有水力聯(lián)系的近乎平行的河流,地下水連通,形成復(fù)合型潛流場(chǎng),因此上游植被帶連通,此種情形如天山北坡諸河流。5生態(tài)結(jié)構(gòu)的變化內(nèi)陸河盆地生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)反映了以水分驅(qū)動(dòng)的生態(tài)演變概念性模型。在西北干旱區(qū),水分條件是導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)因素。平原生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)實(shí)際上反映的是徑流分布、運(yùn)動(dòng),及其與降水的相互聯(lián)系。人類通過(guò)水資源利用建立了人工綠洲,改變了天然生態(tài)系統(tǒng)的組成。水資源開(kāi)發(fā)利用使徑流的空間分布發(fā)生變化,水資源向人工綠洲集中的結(jié)果使得地下潛水位的水力坡度加大、潛水消失點(diǎn)向河岸收縮,結(jié)果是局部地區(qū)的水分通量加大,而徑流活動(dòng)的空間范圍在縮小。上述分析已經(jīng)表明,水分條件的變化必然會(huì)導(dǎo)致生態(tài)結(jié)構(gòu)的改變。降水與徑流之和及其比例決定了植被等級(jí),當(dāng)潛水蒸發(fā)量減少、徑流與降水之和小于地表植被正常生長(zhǎng)所需要的耗水量時(shí),植被蓋度下降,生態(tài)系統(tǒng)退化,直到演變成需要水分更少的植被類型,生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)才達(dá)至新的穩(wěn)定。如圖3所示,水資源利用導(dǎo)致徑流活動(dòng)區(qū)向河岸收縮。結(jié)果形成兩個(gè)演變趨勢(shì):首先是過(guò)渡帶顯著消退,過(guò)渡帶外緣在地下潛水蒸發(fā)消失后,降水維持不了植被的最低需水條件,低蓋度草死亡,被荒漠取代;其次是人類活動(dòng)的人工綠洲及其周邊生態(tài)異乎尋常地茂盛,充足的水分條件使得植被生長(zhǎng)充分,并且蓋度不斷提高,在水分過(guò)剩的條件下,甚至出現(xiàn)次生鹽漬化。兩個(gè)趨勢(shì)同時(shí)作用,結(jié)果使平原生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)發(fā)生系統(tǒng)性的演變:人工綠洲的發(fā)展最早引起過(guò)渡帶向后退縮直趨消亡,荒漠帶向綠洲推進(jìn),綠洲在逐漸失去過(guò)渡帶的緩沖作用后,將不得不直接面對(duì)荒漠的威脅。由于人工綠洲是在天然綠洲的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)、建立,因此人工綠洲擴(kuò)張的過(guò)程就是平原生態(tài)圈層結(jié)構(gòu)的變化調(diào)整過(guò)程,其趨勢(shì)是一致的,人工綠洲擴(kuò)大、天然綠洲縮小、過(guò)渡帶大幅減少、荒漠帶大幅擴(kuò)張。只有北疆和石羊河流域兩個(gè)地區(qū)的變化趨勢(shì)與此不同,由于存在主要由降水支撐的平原地帶性植被(低蓋度草地),可以與荒漠帶分庭抗禮,有力地阻止荒漠帶的推進(jìn)。這一類地區(qū)的變化趨勢(shì)是:人工綠洲擴(kuò)大、天然綠洲和過(guò)渡帶均小幅縮小、荒漠帶基本穩(wěn)定。6人工林資源開(kāi)發(fā)程度下降,天然當(dāng)前的土壤市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)對(duì)20世紀(jì)70年代和90年代遙感影象1:10萬(wàn)解譯圖進(jìn)行