额济纳绿洲胡杨林生态用水与健康评价研究

姜 珊，肖星卉，张 荣，王静泉，高润宏

(1.内蒙古农业大学 草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010011；2.内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010019；3.内蒙古农业大学 理学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

1 研究背景

黑河下游流域是著名的额济纳天然绿洲，据史料记载，历史上额济纳绿洲水草丰美，林草繁茂，牛羊成群[1]。20世纪80—90年代，黑河中、上游地区用水量迅速增加[2]，导致黑河下游干流水量急剧减少，而额济纳绿洲无自产地表径流，地下水埋深空间变程为22.6 km[2]，生态环境用水主要依靠黑河干流径流补给地下水，这种径流量的急剧、持续减少，造成生态环境随之迅速退化，绿洲面积缩减严重。针对此情况，为恢复和保护额济纳绿洲的生态环境，1997年经国务院审批，水利部以水政资〔1997〕496号文批复了《黑河干流水量分配方案》(简称“九七分水方案”)；2000年6月，水利部依据“九二分水方案”和“九七分水方案”，按分步实施、逐步到位的原则，对黑河流域水量进行统一调度，以此满足黑河下游额济纳绿洲的生态用水。

截至2012年底，黑河调水方案已经实施了10多年，黑河下游的水资源在时间和空间上都发生了变化，生态退化得到了遏制，植被有了一定的恢复。但是，就国务院批复的《黑河流域近期治理规划》中分水指标的完成情况来看，指标没有完全兑现，即多年来黑河下游来水量一直处于欠账状态，这就导致黑河下游的生态环境不能按照此前的预计目标得到恢复和保护。

到底额济纳绿洲水资源欠账多少？欠账对生态环境的恢复和保护有多大影响？这是目前需要开展的一项紧迫工作。通过此项研究，一方面可摸清水量欠账，另一方面可摸清水量欠账对生态环境的影响程度，从而为后续水量调度与生态环境的恢复与保护工作提供参考。

生态用水又称环境用水或生态环境用水，是国内外学者近30年才提出的全新概念，关于它的描述和内涵界定多种多样，核算方法也各不相同[3-5]，其中植被生态用水是主要的方面，这方面的研究有蒸腾法、干物质法、土壤蒸渗仪法、水热系数法等[6-8]。

关于额济纳胡杨林的生态用水研究主要集中于胡杨林的静态用水方面[6-8]。孙非等[8]提出，不同土壤含水量、不同径级的胡杨林生态用水也不一样，大径级(60 cm)和中径级(28 cm)胡杨林液流速率均是5月>8月，而小径级(15 cm)的液流速率则是8月>5月。张海清[7]通过测定胡杨树干液流确定了胡杨林地年耗水量保持在669.6 mm以上时可以使胡杨林保持良好的生长状态，胡杨林地最佳地下水埋深为2.88 m，不能下降到5 m以下，但研究发现额济纳胡杨林地水分亏缺系数全年都保持在0.5以上，说明胡杨林地全年水分状况较差。萨如拉[6]判断额济纳绿洲胡杨林生长所利用的土壤有效含水率为1.18%～20.05%，其测得的水饱和土壤的水压传导率数值表明，当地土壤的入渗能力相当强。

但是植被的生态用水是一个复杂的过程，也是一个动态的过程，既包括树木体现生命活动的需水量，也包括支撑生命存在的环境需水量。在生态脆弱地带对生态用水的研究要涉及水文学、地学、生态学、生物学等各个科学领域，具有很强的综合性。多年来，额济纳绿洲在生态建设中用水效率不高的问题一直是亟待解决的问题之一，有水漫灌、无水不灌的方式至今仍在沿用，对水资源的浪费极其严重。所以，本研究从静态与动态需水过程提出了胡杨林生态用水的计算方法及围绕胡杨林对水因子的健康评价。

2 研究区概况

额济纳绿洲地处额济纳旗，隶属于内蒙古自治区阿拉善盟，位于内蒙古的西北端，地理位置为97°24′～101°58′E、37°43′～43°19′N，总面积为11.46万km2。额济纳绿洲分布有天然胡杨残次林2.6万hm2[9]，主要分布在额济纳旗黑河下游三角洲中心的东、西两河流域及其19条干支流的河漫滩上，南抵鼎新绿洲，北到嘎顺淖尔和苏古淖尔，与沙枣残林、红柳灌丛、草甸植被镶嵌成狭长的走廊式带，是额济纳旗黑河下游三角洲的核心地带，占河漫滩草场总面积的15.5%，构成了额济纳荒漠绿洲的主体。额济纳荒漠河岸林主要由胡杨(Populuseuphratica)、红柳(Tamarixramosissima)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)、梭梭(Haloxylonammodendron)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)等木本植物和芦苇(Phragmitescommunis)、大叶白麻(Poacynumhendersonii)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、花花柴(Kareliniacaspia)、疏叶骆驼刺(Alhagisparsifolia)、赖草(Leymussecalinus)、芨芨草(Achnatherumsplendens)、碱蓬(Suaedaglauca)等草本植物组成[10]。额济纳绿洲气候干燥，降水量少，年均降水量37 mm左右，蒸发量大，高达3 841.5 mm；冬季寒冷，夏季炎热，气温年较差、日较差大，光照充足，多风沙[11]。

3 研究方法

在核算生态用水时，以利用地下水生存的中生植物胡杨、红柳等绿洲优势种作为植物生态用水对象，以胡杨林、红柳林和东居延海湖泊的总需水作为绿洲生态用水。

3.1 确定生态用水指标

生态用水的确定以个体、种群和生态系统及绿洲来核算。用水量统一用质量单位表示。

3.1.1 植物个体生存和生长年生态用水量

本研究通过对健康生长的胡杨林、胡杨残林、胡杨死亡林的大气湿度的对比测定，得出胡杨正常生长的大气湿度最低约在5%；采用土壤水分检测仪测出胡杨存活时土壤最低含水率为8%；测得正常生长时根、茎、叶的含水率分别约为其鲜质量的50%、50%和60%。

植物个体生存时要求生态环境中的水分含量保持相对稳定，该需求量定义为植物静态生态用水量，其表现为植物生存最低水分要求状态，为植物体含水量、大气含水量和土壤含水量之和，故植物个体静态生态用水量公式为

植物个体静态生态用水量=(株高×冠幅面积×

5%+根系体积×8%)×水密度+

根质量×50%+茎质量×50%+

叶质量×60%

(1)

植物的生命不能仅表现为存活，还要表现为生理活动下的生长状态。生长过程中植物所需要的水分称为动态生态用水量，其由植物蒸散、土壤蒸发两部分组成。由于叶子的蒸腾是植物水分主要的运动方式，所以本研究用叶蒸腾量代替整个植株的水分蒸腾量。叶蒸腾量=叶的蒸腾速率×叶面积。一般土壤蒸发的深度达到0.30m后，地表的蒸发量将降为零，因此蒸发周期指0.30m深的土壤所含水量蒸发所需的时间。采用土壤水分检测仪测出当地土壤平均含水量为50%，其中拥有8%的水分才能够保证植株的生存，因此可用于蒸发的水分按42%计算，则土壤每天蒸发量=0.30×根系面积×42%×水密度÷蒸发周期。生长周期(从展叶到落叶为一个生长周期)按6个月，每月按30天，每天按12 h(由于夜间蒸腾量小，所以夜间蒸腾不纳入本研究)。则植物个体动态生态用水量公式为

植物个体动态生态用水量=(0.30×根系面积×

42%÷蒸发周期×水密度+叶蒸腾速率×

叶面积×12)×生长周期

(2)

则植物个体生态用水量公式为

植物个体生态用水量=静态用水量+动态用水量=

(株高×冠幅面积×5%+根系体积×8%)×水密度+

根质量×50%+茎质量×50%+叶质量×

60%+(0.30×根系面积×42%÷蒸发周期×

水密度+叶蒸腾速率×叶面积×12)×

生长周期

(3)

3.1.2 种群生态用水量

种群生态用水量为不同龄级所有个体的年用水量，公式为

式中：Wi为某龄级单株生态用水量;d为某龄级密度;5为龄级数。

3.1.3 森林生态系统生态用水量

森林生态系统生态用水量是每种主要树种种群生态用水量与其面积的乘积，即

森林生态系统生态用水量=
种群生态用水量×该种群面积

(5)

3.1.4 湿地生态用水量

湿地生态用水量=湖面面积×湖平均深

(6)

3.1.5 绿洲生态用水量

绿洲生态用水量=胡杨林生态用水量+
红柳林生态用水量+湿地生态用水量

(7)

3.2 数据来源与计算依据

由于人工胡杨林和沙枣林在2001和2010年的面积占所有森林面积的比例分别为0.18%、0.24%与0.56%、0.06%，所以人工胡杨林和沙枣林不纳入额济纳生态用水范围。结合两期额济纳森林资源调查报告来看，额济纳由于连续几年干旱、少雨，地下水位下降，极少部分乔木因缺少水源而枯死或枯倒，乔木林面积缩减，有林地面积减少。于2012年7月1日、15日和30日在达来呼布镇、东风镇、苏泊淖尔苏木、赛汉陶来苏木、马鬃山苏木调查了胡杨林幼、中、近、成、过熟林的面积与蓄积、树高、树龄、胸径、平均郁闭度、平均公顷蓄积量、平均公顷生长量、平均总生长量、生长率。每个地点的胡杨林用30m×30m的样方、红柳林用20m×20m的样方开展调查，根据标准木的核算选取标准木，开展标准木叶面积、根系体积、蒸腾系数和根、茎、叶的含水率调查，用标准木单株的数据乘以林木密度作为样方的生态用水量。

根系体积以挖掘法开展，树高用测高仪测定，冠幅面积用树冠垂直投影的长与宽的积，叶面积用标准枝的单叶面积之和乘以枝数，单叶面积用便携式叶面积仪(AM-300)测定；蒸腾系数由L-6400光合仪测定，测定时间为6：00—20：00，间隔时间为2h,每隔10天测一次，测一个生长周期；根、茎、叶、土壤的含水率用烘干法测定，根、茎、叶含水量分别取质量含水率乘以全株的质量，则为其全株的含水量，根、茎、叶分别取3个重复混合后测定质量含水率，土壤含水量分别取10、30和50cm深度混合土样测定其含水率；空气湿度用手持Kestrel-4500气象仪测定，测定时间与L-6400光合仪测定时间一致，同时用3台仪器的测定数据作为重复。

4 研究结果

4.1 生态环境现状

4.1.1 植被生长与水文气象的关系

额济纳绿洲生态环境的好坏取决于以胡杨林和红柳林为主的天然植被。这里降水极少，蒸发剧烈，蒸发量是降水量的10倍还多，稀少的降水对地下水补给甚微，额济纳盆地周边的潜水侧向补给对地下水的影响也较为微弱，正义峡断面至狼心山断面的地下径流补给又不能达绿洲区域，所以绿洲植被生长与生存主要是依靠黑河水补给的地下水，而地下水又取决于黑河径流的补给，因此径流间接对植被产生重要的影响。黑河下游来水量不足，地下水位就达不到相应值，植被也就不能恢复到预计的程度。

4.1.2 森林植被资源动态

对额济纳两期森林资源的对比(表1)表明，额济纳绿洲有林地面积减少主要是胡杨林面积减少了。河流来水量减少，断流时间增长，再加上沿河地带浅层地下水位下降，导致沿河植被大面积衰退和死亡，森林生态系统严重破坏，这进一步说明了胡杨“林随水生”的特点。胡杨近熟林与成熟林比例增加、幼龄林比例下降(表2)，从生物生理学角度来看，是由于胡杨生长过程中林内空间光照不足，与胡杨喜光的特性出现暂时的矛盾，胡杨幼龄林就会表现出明显的分化现象或自然稀疏过程和林内植株自然整枝现象[12]。

4.2 植被生态用水量

4.2.1 胡杨林生态用水量

由公式(3)、(4)和(5)可计算出胡杨林生态用水量，见表3。

表2 胡杨林资源按龄组统计结果

表3 额济纳胡杨林生态用水量

2001年胡杨林生态用水量10亿多t，2010年胡杨林生态用水量9亿多t。由于胡杨林面积逐渐缩小，幼龄林面积减少，因此2010年胡杨林生态用水量减少了1亿多t。

4.2.2 红柳林生态用水量

红柳林生态用水量计算结果见表4。

对红柳林的实地调研发现，红柳林衰退的主要原因是其已达到最大寿命，出现平茬，另外地下水位的下降也是其面积减小的原因之一，最终结果是导致生态用水量下降。

表4 红柳林生态用水量

4.2.3 湿地生态用水量

按目前东居延海水面面积38.5～40.0km2计算，用水量为4 720万～5 000万t。

4.2.4 绿洲生态用水量

2010年额济纳绿洲生态用水量=胡杨林生态用水量+红柳林生态用水量+湿地生态用水量≈9.0+6.5+0.5=16(亿t)。

4.3 不同时期黑河上游的分水量与可保护的绿洲植被面积

根据健康的胡杨林不同龄级的单位面积生态用水量，在2001和2010年黑河上游的给水量可保证的胡杨林幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林分别为558、1 899、24 686、17 514、467 433和1 116、3 799、49 372、35 028、934 867hm2(表5)。与两期实际的胡

表5 黑河上游分水条件下可保护胡杨的面积

杨林面积相比，可得出：给水量不足严重影响着胡杨的更新，特别是对幼、中龄林影响最大，中龄林面积减少2 930hm2，损失了95%；而对近熟、成熟和过熟林则完全满足，近熟林增加了78%，成熟林增加了近11倍。

按健康的红柳林的单位面积生态用水量考虑，则在2001和2010年的实际分水量都不能满足红柳林的生态用水需求(表6)，所以10年间红柳林的面积减少了178 914hm2。

表6 黑河上游分水条件下可保护红柳林的面积

4.4 不同给水量对应的生态健康状况

绿洲健康的生态用水量为16亿t，根据阿拉善盟林业局提供的资料，得出给水量与地下水埋深的关系，见表7。

表7 不同给水量与地下水埋深的对应关系

由表7可知，1999—2010年黑河给水量虽有增加，但均不超过8亿t。根据地下水埋深与胡杨林健康的对应关系(表8)可知，2000年前胡杨林处于衰退与死亡状态，2002年较好，为亚健康状态，其他年份都处于成熟林存活状态，不能满足胡杨幼、中、近熟林健康的生态用水需要，胡杨种群接近于衰退。这一结果与卫星监测的胡杨林资源结果也较为一致。

表8 地下水埋深与胡杨林健康的对应关系

5 结论与讨论

关于生态用水不同学者有不同的计算方法，其中包括生物学、生态学及水文学中的相关内容[9，12-14]，本研究对额济纳绿洲分布的主要植被胡杨林和红柳林及主要湖泊东居延海开展了既包括生命体维持存活所需要的静态用水，也包括生命生长过程中大气、土壤和蒸散等的动态用水的核算，因而是目前生态用水较为合理的计算方法。由于植被的分布不是均匀格局，因此本次核算生态用水有一定误差，但本研究按不同林龄分层进行了计算，尽可能地消除了误差。根据卢爱刚等[12]的研究，额济纳绿洲胡杨林面积在2003年为2.94万hm2，与30年前的5.0万hm2相比减少了41.2%，胡杨林处于衰退的阶段。本次研究结果显示，1999—2010年黑河给水量虽有增加，但不超过8亿m3，2000年前绿洲处于衰退与死亡状态，2002年较好，为亚健康状态，其他年份都处于成熟林存活状态，接近于衰退。此结果符合实际情况，说明本次绿洲森林生态用水的计算是合理的。

黑河是维系额济纳绿洲生命唯一的水源，但近几年中，黑河用水现状上、中、下游分别占用水总量的1.2%、93.3%和5.5%[15]。由此可见，造成水源供求之间矛盾的主要原因是中游用水量过多，导致下游生态用水减少，进而造成绿洲面积减小，大量树木因缺水而死亡，种群出现衰退。为此，建议有关部门应合理分配整个绿洲生态用水资源，控制用水量，合理规划用水时间，减少大水漫灌和无效蒸发等浪费水资源的用水方式，以最大限度地发挥出绿洲生态用水的效益；并坚持长期持续地实施配水方案，控制人口的增长与人为破坏，科学规划城镇化建设及农牧活动，以维持绿洲生态系统的稳定发展。