基于直接计算法的川藏铁路沿线植被生态需水量研究

王 怡，韩 立，2，梁 洁，纪丁愈

(1.四川水利职业技术学院，四川 崇州，611230；2.成都理工大学地球科学学院，成都，610059)

0 引言

当今社会，生态环境需水已经成为了水资源以及相关领域的研究热点话题，研究内容多涉及湿地、湖泊、江河等多种类型生态系统。崔树彬等[1]将生态需水量定义为某一特定区域内整个生态系统的需水量，而不仅仅只是区域内生物体的需水量。现阶段，一般将生态需水的概念划分为广义和狭义的生态需水[2]，从广义上讲，生态需水量是指能保证维持全球范围内的生态系统水分平衡所需要用的水，一般包括了水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等，而狭义上讲的生态环境用水往往指的是为保证生态环境系统不再持续恶化并可逐步改善所需要消耗的水资源。因此，它不仅与各区域内生物群体的结构相关，同时还受生态区域内的气候、土壤、地质、水文条件等条件影响。

植被是组成生态系统的生物部分中最基本的组成部分，要想保证生态环境得以良好的维持，植物群落的保护和建设工作必不可少，植被的生长离不开水，也就构成了植被生态需水的基础。现阶段的研究普遍认为恢复植被是开展退化生态系统恢复重建的重要举措。当前国内的植被生态需水研究已经取得了一定进展，主要集中在我国北方地区，多为干旱与半干旱区域，水资源往往比较匮乏。研究过程中，按照不同的植被对象，一般可分为：水土保持生态用水、城镇绿化用水、山区植被生态用水和平原造林绿化用水[3]。同时，为了保证生态系统的优劣程度所需水量差别很大，按照水量需求不同来分，又可分为最高与最低生态用水，分别对应生态系统完整，植物生长较好的状态以及生态系统的完整性差，植被生长状况不佳，仅能基本保证生态系统完整性的状态[4]。

因此，可从两个角度来考虑生态需水量[5]，其一为生态系统角度，植被生态用水必须确保区域内的植被生态系统能正常生长，并可发挥生态系统的服务功能而必须消耗的用水；其二为恢复生态环境的角度，则需要将最终能实现不同程度的环保任务的整个植被生态系统的需水量和需水阈值考虑进来。

川藏铁路施工过程中，不可避免地会对铁路沿线一定范围内的生态系统带来持续的影响，从而引发区域内环境危机加剧、生态环境日益退化和生态安全风险提升等一系列问题。因此，完成铁路沿线植被需水量计算，并在区域现有水资源下进行优化，对实现水生态可持续发展意义极大。

1 研究区域现状和植被类型空间分布特征

川藏铁路沿线所经区域地处四川内陆，由青藏高原东南缘、云贵高原西北缘和四川盆地三大板块构成，受第四纪以来的新构造运动、青藏高原强烈抬升影响，内陆的气候加上独特的地形地貌特征，原有的地带性自然地理、生物、生态系统的格局被打破，奠定了其周围的地质地貌、气候、土壤、植被和生态系统的基本格局，塑造了独特的植被资源和生态环境。

川藏沿线四川境内主导气候以亚热带气候特征为主，表现为气候温暖湿润，年均温16℃～17℃，随着海拔升高，热量条件降低，年均温下降。降水量极为丰富，为1000mm～1400mm，日照偏低，年平均日照时数1000h左右，年平均日照率24%，无霜期283d左右。而林芝地区具有亚热带、温带及寒带气候并存的多种气候带。印度洋与太平洋暖流经年贯入，从而形成该地区特殊的热带湿润以及半湿润气候，年降雨量约650mm，年平均温度8.7℃，年平均日照时数约2022h，无霜期180d。

本次研究区域以川藏铁路线路为中心作10km的缓冲区。缓冲区内的植被大类包括：针叶林、阔叶林、灌丛、草丛、草甸、沼泽、高山植被、栽培植被、其他。将上述9类植被大类的分布进行可视化及量化分析，总面积为22153.45km2，其中灌丛面积最大，占比44.72%；其次是针叶林，占比19.30%；再其次是草甸、高山植被、阔叶林、栽培植被、其他、草丛，沼泽面积最小，占比0.09%。川藏铁路沿线植被大类面积占比概况见图1。

图1 川藏线10km缓冲区范围内植被类型

2 植被生态需水量的内容和计算方式

2.1 研究数据

本次生态需水量研究数据包括：获取开源的1∶100万植被类型覆盖数据、四川和西藏30m分辨率的DEM、全国基础地理数据、沿线气象资料、气候变化图等。研究线路如图2所示。

图2 川藏铁路需水量研究技术路线

2.2 需水量计算方法的选择

发达林地植被系统中，蒸腾和蒸发作用往往是维系植物自身的生理功能的重要方式[6]，同时也是主要的植物耗水途径，一般将其用作评价植被生态需水量的一个重要指标。而在实际情况下，植被的生态需水量还和植物自身的种类、生长区域的土壤质地以及土壤含水量情况有着密切关系。一般来说，植物通过其根系吸取土壤的水分作为需水量，而植物吸收土壤中有效水分的范围通常指土壤田间持水量和凋萎系数间的那部分土壤水分含量[7]。

因此，往往可将植被生态需水量理解成植被为保证植被自身生理功能，如蒸腾作用、光合作用等正常的条件下应该需要具备的水量。因此本文所研究需水量其实为植被在主要生长季的适宜生态需水量。在此基础上，结合前期对铁路沿线植被种类解译结果，在掌握了大量可参考的基础数据前提下，选择直接计算法[8]计算川藏铁路沿线植被需水量。这种方法往往是将研究区域内不同类型植被所占面积与该植被的生态需水定额相乘，从而计算得到该类型植被的生态需水量，再将本区域范围内不同植被的生态需水量相加求和得出区域内的植被生态需水量。计算方法如下：

(1)

式(1)中：W为本区域内的植被生态需水总量，Wi指某一植被类型i的生态需水量；Ai为某类植被类型i所占面积；ri为该种植被类型i的生态需水定额；n是本区域内的植被类型总数。

对于不同类型植被生态需水定额的确定，现阶段主要有以下方法：方法一主要是根据实测的不同植物类型灌溉用水量和蒸散量，并参考不同区域植被系数从而确定各类植物的需水定额；方法二为理论计算法，需要结合影响因子完成植被蒸散量的计算[9]，一般可用下式计算：

r=KsKcPE

(2)

式(2)中：PE是根据区域内气候条件所决定的潜在水分蒸散量，一般可根据Penman公式计算得出[10]；Ks代表的是土壤的水分修正系数值，和土壤质地以及含水量相关；Kc为植物系数，该值大小一般与植物类别以及环境状况等相关，一般可根据试验获取。当Sw≤S≤S*时：

Ks=ln[(S-Sw)/(S*-Sw)×100+1]/ln101

(3)

式(3)中：S为土壤本身的实际含水量；Sw为土壤的凋萎含水量值；S*为土壤的临界含水量值则。

直接计算法是目前需水量计算使用频率最高的方法，多适用于基础工作开展较为理想的区域及区域内植被类型。

2.3 植被生态需水量估算

通过对川藏铁路雅林段沿线19个县(市)内各植被种类结合植被分布图进行分析统计，针叶林面积约为4273.15km2，高山植被面积约为2414.08km2，栽培植被为565.22km2，阔叶林为1384.47km2，灌木丛为9905.92km2，草丛为25.61km2，草甸为3273.49km2，沼泽为20.78km2，其他植被类型面积为287.71km2。

根据该区域中上述类型植物的灌溉用水量和蒸散量实际数据，同时参考区域内植被系数，从而确定沿线区域内各类型植被的需水定额(见表1)

表1 川藏铁路沿线植被需水定额

按照植被需水量直接计算方法，将各类型植被的面积与各自类型植被的生态需水定额进行求积从而计算得出各类型植被的生态需水量，并计算出川藏铁路修建沿线各种植被生态需水量之和(见表2)。

表2 川藏铁路沿线各区县植被需水量统计 单位：m3

3 结论

川藏铁路沿线需水量计算研究要以当前沿线影响范围内的生态环境状况为出发点，在此基础上对植被信息与水文、气象等资料进行收集，并选择合适的需水量计算方法，为区域内生态需水的量化研究奠定基础。本文采用直接计算法，结合铁路沿线各县市气候、气象、植被等综合数据基础上得出西南地区不同类型植被潜在需水定额，使得计算结果更加合理。根据植被种类差异，从而计算出不同植被类型的生态需水量，根据计算结果得出该区域植被生态系统进行生态修复的效果以及该区域植被生态系统的需求。为及时有效地评估铁路修建对沿线植被的影响，并为实现人与环境的协调发展提供参考数据。研究结果对提高区域内水资源利用效率、生态环境的恢复与改善有着一定的指导意义。但川藏铁路沿线区域地区地形复杂，土壤类型复杂，无法从微观角度精确分类出植被亚类，仅粗略地将植被分为九大类，收集数据能涵盖的范围和样本数量尚显不足，更加详尽的分析还需持续深化。