基于植被蒸散发法的孔雀河流域天然植被生态需水估算

杨媛媛,徐长春*,罗映雪,杨秋萍,陈 丽

（1.新疆大学 资源与环境科学学院，乌鲁木齐 830046；2.新疆大学 资源与环境科学学院绿洲生态教育部重点实验室，乌鲁木齐 830046）

0 引 言

【研究意义】生态需水是干旱区内陆河流域当前水文学、生态学、环境学等领域的研究热点。作为干旱区最关键的生态环境因子，水不仅是干旱区绿洲生态系统构成、发展和稳定的基础和依据，而且决定着干旱区绿洲化过程与荒漠化过程这二类极具对立和冲突性的生态环境演化过程[1-2]。“有水即为绿洲，无水皆为荒漠”，干旱区非地带性植被是生态环境中十分脆弱、也是最容易受到破坏的部分，它是整个流域生态系统最主要的保护对象，但往往因人类对水资源的无序开发而导致缺水，发生急剧衰败或死亡[3]。因此，量化天然植被生态需水并基于此给予一定供水维持，对维系干旱区绿洲生态系统的可持续发展和退化生态系统的恢复具有重要的现实意义。【研究进展】当前，我国在植被生态需水方面已开展了不少研究，且主要集中在水资源相对匮乏的干旱和半干旱地区[4-8]，如塔里木河流域、黑河流域、石羊河流域等。这些流域均位于丝绸之路经济带沿线，既是生态环境脆弱区，也是全球气候变化响应的敏感区，在气候变化和人类活动双重影响下，生态环境问题日益突出，生态隐患也日趋加大。开都-孔雀河流域（以下简称开-孔河流域）作为塔里木河下游的一个支流域，近年因人类高强度的水土资源开发，上游田间灌水不断增加，造成了孔雀河下游河道持续断流，植被严重退化、土地大范围沙化等系列环境问题，已严重影响到当地社会经济的可持续发展和生态环境的稳定，经济与生态矛盾激化，生态危机进一步加剧[9]。开展天然植被生态需水定量研究，合理分配上下游水资源，是解决经济发展用水和生态用水矛盾，促进流域退化生态系统恢复与生态文明建设的一把金钥匙，同时也是践行“绿水青山就是金山银山”理念的一种方式。对于开-孔河流域植被生态需水量的估算，已有不少相关研究开展。例如李卫红等[10]根据雷志栋耗散型水文模型模拟得出的非灌溉地年净耗水量计算了自然生态系统的生态需水；张家凤等[11]利用定额法计算了开-孔河流域绿地环境需水量；周洪华等[12]使用综合定额法、潜水蒸发法等计算了孔雀河流域天然植被不同保育目标和保护范围下的生态需水量。已有研究主要利用定额法和潜水蒸散发法，定额法适用于工作基础条件较好的地区和人工植被，潜水蒸发法适用于干旱区植被生存主要依赖于地下水的情况，但其一些参数计算复杂，需要大量现场试验工作支撑[13]，野外工作量大。【切入点】本研究中使用的蒸散发法，理论上比较成熟完整，实际上也具有很好的操作性，采用该方法可以计算获得非理想条件下的植被生态需水量，且计算精度较高[14]，可解决天然植被生态需水计算过程中当前流域地下水资料缺乏和天然植被工作基础薄弱的问题。【拟解决的关键问题】本研究主要于孔雀河流域开展，即开-孔河流域内的博斯腾湖出水口扬水站以下的部分。基于2000—2016年的气象站点实测数据和土地利用数据，借助遥感与GIS技术，采用已被广泛应用的FAO56 Penman-Monteith公式[15-19]，结合干旱强度指数DSI，分析流域内天然植被生态需水量的时空变化特征，并估算不同干、湿状况下天然植被的生态需水量，旨在为流域内有限水资源的合理分配和使用、天然植被的保护与恢复以及整个流域的稳定和可持续发展提供一定科学依据和决策参考。

1 研究区概况

孔雀河流域位于新疆维吾尔自治区中部天山以南的巴音郭楞蒙古自治州境内（85º12´40″—92º19´42″E，39º40´47″—42º11´48″ N），库鲁克塔格山南麓，塔里木盆地东北缘。孔雀河全长 841 km，流域总面积11.19×104km2。流域气候为典型的大陆性干旱气候，多年平均降水量62.7 mm，降雨集中在6—8月，多年平均蒸发量2 773 mm。其特殊的地理位置和气候条件决定了孔雀河流域生态环境的脆弱性。流域内天然植被主要分布于各县市农区外围及河流两侧，乔木主要是胡杨，灌木主要有红柳、黑刺、柽柳等，草本植被则主要有罗布麻、芦苇、盐生草等，研究区示意图见图1。

图1 孔雀河流域位置及DEM图Fig.1 Location and DEM of Kongque river basin

2 数据与方法

2.1 数据来源与处理

2.1.1 遥感数据获取及处理

1）NDVI和ET/PET数据：分别为MOD13NDVI产品和MOD16 ET/PET产品，数据详细信息见表1。

表1 遥感数据信息Table 1 Information of Remote Sensing Data

在 MRT（Modis Reprojection Tool）工具、ENVI5.1和ArcGIS 10.2的支持下，对获得的遥感数据进行数据格式转换、拼接、投影转换及研究区提取等预处理。对NDVI数据进行Savitzky-Golay滤波和MVC合成处理，以重建NDVI时间序列平滑曲线，降低噪声干扰，从而提高数据质量与可信度，获取一年中植被长势状况最好的NDVI数据作为年值，形成2000—2016年的时间序列数据集。利用ArcGIS去除MOD16数据中的无效值，并对MOD16ET/PET栅格数据进行单位换算，得到其真实值，形成2000—2016年MOD16ET/PET数据集。

2）土地利用数据：土地利用数据为2001—2016年MCD 12Q1产品数据（https://lpdaac.usgs.gov/)，空间分辨率为500 m，结合Big Map2000—2016年历史影像数据（http://www.bigemap.com/），使用 ArcGIS 10.2软件提取获得研究区2000—2016年天然植被类型及面积。

2.1.2 气象数据获取及处理

气象数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn/），包括新疆66个气象站点2000—2016年的日最高气温、日最低气温、日平均风速（2 m）、日平均相对湿度和日照时间等数据。该数据主要用于Penman-Monteith陆面蒸散发模型来计算参考作物蒸散量。由于西北内陆干旱区气象站点稀疏，整个孔雀河流域仅有4个气象站，为提高计算精度，本文计算了全疆66个气象站点的植被参考作物蒸散量，然后运用 ANUSPLIN法进行空间插值，获得分辨率为250m的全新疆植被参考作物蒸散发格点数据，再依据孔雀河流域边界提取数值，得到研究区植被参考作物蒸散量。

2.2 研究方法

2.2.1 干旱强度指数DSI

2013年 Mu等[20]基于遥感数据，综合考虑了NDVI与ET/PET的2个基本要素，提出了干旱强度指数DSI（Drought Severity Index）。其中，NDVI主要描述植被的光合作用及生长状态，ET/PET主要反映植被的水分胁迫状况，通过二者累加能综合反映一个区域的干旱状况。DSI具体算法如下：

首先，对NDVI和ET/PET进行标准化。

式中：ZNDVI为标准化后的NDVI；RNDVI为 2000—2016年间某年的NDVI值；NDVI为 2000—2016年NDVI的平均值，σNDVI为NDVI的方差，ZET/PET为标准化后的ET/PET；RET/PET为2000—2016年间某年的ET/PET值ET/PET为 2000—2016 年ET/PET的平均值；σET/PET为ET/PET的方差。

然后，对标准化后的NDVI和ET/PET进行加和得到Z值，再对Z值进行标准化即可得到DSI。计算式为：

式中：为Z的均值；σZ为Z的方差。DSI值越小表示干旱程度越强，DSI值越大则表示干旱程度越弱。本文参考前人相关研究成果[21-22]，依据本研究区DSI值分布范围将其划分为 5个等级并对应不同干旱状态（表2）

表2 DSI干旱指数等级划分及对应干旱状态Table 2 Drought categories by drought severity index (DSI)

2.2.2 植被生态需水量计算

本文以生长期内植被本身的蒸散量作为主要的需水量，结合植被类型及其生长区域的土壤含水率来计算植被生态需水量，流域天然植被总生态需水量采用面积定额法来计算。计算式为：

式中：W为植被生态需水量总和（m3）；Wi和wi分别为第i类植被对应的生态需水量（m3）和单位面积的生态需水量（m3）；Ai为第i类植被的面积（m2）；ETi为生长季内的生态需水定额（mm），其计算式为：

式中：Ks为土壤水分系数；Kc植物系数；ET0为参考作物蒸散量（mm）。

1）参考作物蒸散量ET0的计算

采用世界粮农组织 FAO推荐 Penman-Monteith公式计算参考作物蒸散量。计算式为：

式中：ET0为参考作物蒸散量（mm/d）；Rn为地表净辐射量（MJ（/m2·d））；G为土壤热通量（MJ（/m2·d））；γ为湿度计常数（kPa/℃）；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线斜率（kPa/℃）；T为空气平均温度（℃）；U2为2 m高处的风速（m/s）。es为饱和水汽压（kPa）；ea实际水汽压（kPa）；（es-ea）为饱和水汽压与实际水汽压之差，即水汽压亏缺（kPa）。

表3 植物系数Kc值Table 3 Values of plant Kc coefficient

表4 2000—2016年孔雀河流域天然植被面积Table 4 Natural vegetation area of Kongque river basin from 2000 to 2016

2）植物系数Kc与土壤水分系数Ks的确定

植物系数Kc是指不同生长期内植物的生态需水量与参考作物蒸散量的比值。本研究中将天然植被的类型划分为林地和草地。由于各类林草植被在群落结构和外貌特征等方面存在着较大差异，因此植被类型和生长状况对植被各自的参考作物需水量影响较大。本文参考相关学者关于新疆植被生态需水量的研究[23]，确定了本流域内的植物系数Kc值（表3）。研究区内乔木与灌木交错、混合生长，为此将灌木与乔木统一划分为天然林地，天然林地的植物系数取值为乔木和灌木植物系数的均值。流域内天然植被面积具体见（表4）。

土壤水分系数Ks与不同类型的土壤含水率相关，它用来表示土壤水分胁迫对植被蒸散发的影响，一般采用 Jensen公式来确定土壤水分供应不足时植被的实际蒸散量随土壤含水率的变化情况[24]。参照已有研究[23]，本文中土壤水分系数Ks取值为0.358。

3 结果与分析

3.1 干旱过程监测

利用2000—2016年NDVI与ET/PET数据集构建DSI指数，用于监测孔雀河流域 2000—2016年干旱过程。从DSI监测结果看（图2），孔雀河流域干湿状况时空变异性大。2005年以前流域主要处于干旱状态，多数地区DSI值小于-0.3，特别是2001、2002年，DSI值低至-3.05~-2.15，出现严重的干旱状况；2005年之后流域主要处于湿润状态，大部分地区DSI大于0.3；从空间上看，干旱主要发生在平原绿洲区，当库尔勒市周边发生干旱时，尉犁县周边也发生干旱，具有一致性。将2000—2016年孔雀河流域干湿面积作一元线性回归分析（图3），分析流域干、湿状况随时间变化的总体特征。研究发现，2000—2016年间流域内干湿面积变化波动较大。其中，干旱面积整体上呈下降趋势，变化速率为-127.38×104km2/a；几种干旱状况表现为：极度干旱(-49.892×104km2/a) ＞轻度干旱(-47.034×104km2/a)＞重度干旱(-30.453×104km2/a)；过去2000—2016年孔雀河流域正常和湿润程度逐渐增强，极度和中度干旱程度逐渐减弱。2002年是最为干旱的年份，达到极度干旱，2004年之后干旱程度有所缓解，至2010年湿润面积达到最大，其后基本保持一个较高位的湿润状态。相比较，湿润面积整体上呈明显上升趋势，变化速率为111.25×104km2/a。依据DSI干旱指数等级划分，各年份干湿状况如表5所示。有8 a为湿润年，5 a为轻度干旱年，2 a为极度干旱年，2 a为正常年，这说明研究区2000—2016年总体湿润状况较好，环境有改善趋势，但干旱仍时有发生。

图2 2000—2016年孔雀河流域DSI分布图Fig.2 Distribution of DSI in Kongque river basin from 2000 to 2016

图3 2000—2016年孔雀河流域干湿面积变化Fig.3 Changes in dry and wet area in Kongque river basin from 2000 to 2016

表5 孔雀河流域2000—2016年干湿状况Table.5 Dry and wet conditions of Kongque river basin from 2000 to 2016

3.2 生态需水量变化特征

3.2.1 生态需水量的时间变化特征

由于山区地带性植被的生态需水为不可控用水范围，而中部平原绿洲区和下游荒漠区的生态需水属可控用水范围。因此，本文计算分析的天然植被生态需水主要为后二者。

图4为研究区生长季（4—10月）天然植被生态需水总量的年际变化。由图4可知，流域内天然植被生长季生态需水总量的多年平均值为7.575 7×108m3，其中草地需水多年平均值为7.090 3×108m3，林地需水多年平均值为0.485 4×108m3，草地需水占总量的93.59%，明显高于林地。从长期趋势看，天然植被生长季生态需水总量呈显著减少趋势（P<0.05），变化速率为-0.030 9×108m3/a，其中，草地变化率为-0.009×108m3/a，林地变化率为-0.021 9×108m3/a，林地减少趋势明显大于草地。

图4 2000—2016年孔雀河流域生长季天然植被生态需水总量年际变化Fig.4 Changes of total ecological water requirement of natural vegetation in growing season from 2000 to 2016

表6为生长季内天然植被各月的生态需水量。由表6可以看出，4—7月为需水增长期，7月达到峰值，7—10月为需水减少期，这与植物的生长周期规律相一致。草地需水在各月中的占比均最高，且在整个生长季内变化幅度较大，7月需水量最大（1.921 2×108m3），8月次之（1.730 7×108m3），4月和10月最低林地在整个生长季内需水变化较为平稳，各月差异较小，7—8月需水最大月也仅为0.117 8×108m3。从需水总量来看，研究区天然植被的生态需水主要集中在6—8月，占整个生长季全部需水的 69.64%，其中林、草地各自占比分别为 66.36%、69.86%。草地的生长季始期需水量要远大于末期，而林地的生长季始期需水量要稍高于末期，这充分反映了不同植被类型在生长季不同时期对水的需求程度的差异。

表6 不同天然植被生长季内生态需水量Table 6 Ecological water requirement of different natural vegetation in growing season 108m3

3.2.2 生态需水量的空间变化特征

由图5可知，流域内天然植被生态需水主要集中在库尔勒—尉犁平原绿洲区。在西北干旱区，水是决定植被分布的关键因素。以2000、2005、2010、2015年为例，得到孔雀河流域4期天然植被的生态需水量，空间上主要分布在绿洲农区外围和河流二侧，占整个流域天然植被生态需水总量的89.50%。流域中游（普惠水库至阿克苏甫水库段）和下游（阿克苏甫水库段以下至罗布泊段）天然植被年生长季单位面积生态需水明显大于上游；山区低于中部平原绿洲区；河流二侧的天然植被以乔木（主要是胡杨）和灌木为主，其单位面积生态需水远大于草地单位面积生态需水。

图5 孔雀河流域天然植被生态需水空间分布Fig.5 Spatial distribution of ecological water requirement of natural vegetation in kongque river basin

图6 孔雀河流域天然植被生态需水动态变化图Fig.6 The dynamic variation of ecological water requirement of natural vegetation in Kongque river basin

图6直观地反映了孔雀河流域2000—2016年天然植被生态需水的时空变化情况。2000—2005年的变化剧烈程度明显要小于 2005—2010年和 2010—2015年，后 2个时期内，流域内天然植被的斑块数明显减少，且库尔勒市周围天然植被的斑块数量减少幅度大于尉犁县周围，导致了流域内植被生态需水量减少。2000—2016年来，西北部山区单位面积年生长季生态需水主要以增加为主，增加幅度介于0~150 mm之间；平原绿洲区单位面积年生长季生态需水较为复杂，农区附近以减少为主，减少幅度介于150~300 mm，河流二侧林地在中、上游以增加为主，在下游初始段以减少为主，而下游荒漠区分布有大片沙漠和戈壁，变化值为0。总之，2000—2016年生态需水的变化主要受平原绿洲区影响，下游荒漠区和山区影响较小。

3.2.3 不同干、湿状况下的生态需水量计算

依据不同干、湿年份（表5）计算孔雀河流域天然植被单位面积的生态需水量均值（表7）。由表7可知，在同样干湿状况下，单位面积的林地需水要高于草地；而从不同干湿状况看，林地和草地的单位面积需水均呈现以下相同特征，正常年>湿润年>轻度干旱年>极度干旱年。

表7 不同干湿状况下天然植被单位面积生态需水量Table 7 Ecological water requirement of natural vegetation in various dry and wet conditions mm

尽管林地的单位面积需水要高于草地，但从分布面积的绝对值看，草地的总需水量要远高于林地，即使在不同的干湿条件下（表8）。2000—2016年，流域天然植被需水总量年均值为7.575 7×108m3，其中，极度干旱年、轻度干旱年、正常年、湿润年的生态需水年均值分别为 7.763 9×108、7.644 4×108、7.708 2×108、7.575 7×108m3；对应天然草地生态需水量分别为7.059 2×108、7.109 6×108、7.229 0×108、7.090 3×108m3；对应天然林地生态需水量分别为 0.704 7×108、0.534 9×108、0.479 3×108、0.485 4×108m3。生长季内，无论何种干湿状况，植被生态需水均遵从 7月最多，8月次之，6月略低，4月和10月最少的规律，6—8月为植被生态需水旺季。不同干湿状况下相比较，草地在需水旺季的需水量表现为正常年（5.059 5×108m3）>轻度干旱年（4.970 1×108m3）>极度干旱年（4.926 3×108m3）>湿润年（4.923 6×108m3），占天然植被整个生长季生态需水的比例分别为65.63%、65.02%、63.45%、66.06%；林地在需水旺季时的需水以极度干旱年（0.469 1×108m3）>轻度干旱年（0.354 7×108m3）>正常年（0.318 5×108m3）>湿润年（0.266 2×108m3）逐次降低，所占比例分别为6.04%、4.64%、4.13%、3.57%。气象因子导致的干湿状况差异是决定植被生态需水差异的主要因素。

表8 2000—2016年不同干湿状况下天然植被生态需水量Table 8 Ecological water requirement of vegetation in Kongque river basin from 2000 to 2016 108m3

表9 不同干湿状况下流域内（库尔勒站及其周边气象站点）各气象因子比较Table 9 Comparison of meteorological factors in the basin (Korla station and its surrounding meteorological stations) under different wet and dry conditions

4 讨 论

从不同干湿状况下天然植被的生态需水来看，孔雀河流域天然植被单位面积生态需水呈现正常年>湿润年>轻度干旱年>极度干旱年。理论上气候越干旱，植被需水量越大，文中计算结果与理论值出现差异，可能是因为不同干湿状况下参考作物蒸散发不同。参考作物蒸散发是指在一定气象条件下，水分供应不受限制时某一固定下垫面可能达到的最大蒸散发量。一个地区参考作物蒸散发的变化同时受到大尺度天然因素变化和区域气候特性变化的共同影响，日照时间、风速以及温度等因子与参考作物蒸散发正相关，而相对湿度因子与之呈负相关[25-26]。以孔雀河流域内库尔勒气象站点及其周边站点为例，由表9可知，库尔勒站干旱年植被生长季内平均风速大于湿润年和正常年，焉耆站和铁干里克站湿润年、正常年的平均风速大于干旱年，但3个站点干旱年日照时间均值和日最高气温均值均小于正常年和湿润年，干旱年相对湿度均值大于正常年和湿润年的相对湿度均值（湿润年由于上游人为输水，植被长势好，湿润面积较大，在气象上仍然较为干旱，其相对湿度小于干旱年），这些气象因子共同作用导致了干旱年参考作物蒸散量小于湿润年和正常年。因此，流域内湿润年份参考作物蒸散量大于极度干旱年参考作物蒸散量，导致正常年、湿润年植被单位面积生态需水大于极度干旱年和轻度干旱年。

2000—2016年天然植被生态总量呈下降趋势，天然植被需水量减少的可能原因为：2000—2016年来流域内农田开垦规模不断扩大，耕地面积不断增加，垦荒过程中天然植被遭到破坏，面积不断减少。过度开垦挤占天然植被生态用水，导致大片胡杨枯死和草地退化。2000—2016年，天然林、草地面积均呈减少趋势，其中，草地面积减少了1.86×104hm2，林地面积减少了1.16×104hm2，直接影响天然植被生态需水量的变化，导致天然植被生态需水量减少。

5 结 论

1）基于NDVI和ET/PET数据集构建的DSI指数显示，近2000—2016年孔雀河流域干湿状况时空变异较大。2005年以前，流域主要处于干旱状态，多数地区DSI值小于-0.3，2001、2002年出现严重干旱。2005年以后，大多数年份流域处于湿润状态，2010年达到峰值。总体来看，湿润面积呈上升趋势（111.25×104km2/a），干旱面积呈下降趋势（-127.38×104km2/a），几种干旱程度相比较，极度干旱(-49.892×104km2/a）＞轻度干旱（-47.034×104km2/a）＞重度干旱（-30.453×104km2/a）。

2）受人类活动和气候变化的共同影响，2000—2016年孔雀河流域天然植被生长季生态需水总量以2006年为分界点整体上呈现先上升后下降的波动趋势。天然草地生态需水占主导，占总天然植被生态需水的93.59 %，但其变化趋势较林地要小。生长季内，天然林、草的生态需水主要集中在6—8月，草地的生长季始期需水远大于末期，林地的生长季始期需水稍小于末期。孔雀河流域天然植被生态需水主要集中在绿洲区的农区外围及河流中、上游的二侧。

3）相同干湿条件下，单位面积的天然林地需水高于草地；不同干湿条件下，林地和草地单位面积生态需水均表现出相同特征，即：正常年>湿润年>轻度干旱年>极度干旱年。结合分布面积，研究区草地需水总量大于林地。

4）2000—2016年，研究区天然植被需水总量年均值为7.575 7×108m3，其中极度干旱年、轻度干旱年、正常年、湿润年分别为 7.763 9×108、7.644 4×108、7.708 2×108、7.575 7×108m3。生长季内，无论何种干湿状况，植被生态需水均遵从 7月最多，8月次之，6月略低，4月和10月最少的规律。

5）气候因子的变化和天然植被面积的变化导致了流域天然植被生态需水量的差异。