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1、评 述 第卷第期年 月 拼 考氏 叙 干旱区生态水文过程研究若干问题评述 赵文智程国栋 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 , 冻土工程国家重点实验室 , 兰州 。 。 一 摘要 评述了干旱区生态水文过程研究的若干进展 , 提 出了临界生态需水量 、 最适 生态需水 量和饱 和 生态需水量 的概念 , 探讨了相应 的确定方法强调了人工植被 的建设应在加 强对干旱区天然植被格局 与生态水文效应 、 具有水力提升功能植物识别 、 植物吸收的水分来源 、 生态需水量及 生态地下水位等 方面研究的基础上 , 从恢复生态学和生态水文学的角度 , 确定干旱区适宜人工植被的种类组成和格局 类键词干旱区植被格
2、局生态水文效应植物水力提升植物水分来源生态需水 占陆地面积约的干旱地区主要分布在南北 回 归线及北半球 。 一 “ 之间 , 涉及全球多个国家 , 是陆地生态 系统的重 要 组成部分 , 对区域乃 至全球 气候变化和生态功能的维持具有重要作用中国干 旱区在广义上既包括分布在以北 、 以西 的广大 内陆河流域 , 也包括分布在 北方农牧交错带 降水量介于 一 之间的半干旱地区全球和 区域尺度的气候变暖已引起了干旱区许多水文过程 变化 , 气候变 暖加 上 频繁的人类活 动也诱发了干旱 区的环境退化 , 其中生 态系统退化是干旱区的普遍 性 问题 , 主要以土地荒漠化为标志 虽然具体区域 的变化速
3、率和强度 尚未完全定论 , 但已经确定土壤 侵蚀的峰值出现在降水量 一 的地区 , 气 候变暖已经引起了中国干早区水 文过程的根本性变 化 , 例如塔里木河和黑河等内陆河的断流及流域生态 环境的恶化 , 直接威胁干旱区经济社会可持续发展 的生态基础 近年来干旱区生态过程 和格 局 的水文学机制的 研究已成为生 态 环境研究前沿和需求热点 , 如旨在 深人了解 干旱区自然和人为诱发的环境变化后果的 欧洲荒漠化威胁地区的试验研究计划 , 半 干旱 热 带 地区水 文 大 气 先 行 性研究计划 一 , 半干旱区陆 面 一 大气研究计划 以及 黑 河地区地 气相互 作用观测试验研究计划 国际地 圈生
4、物圈计划也把 “ 水循 环的生物学方面 ” 作为核心计划之一以便为 评估气候变化和土地利用 变化对 生物 圈和地球可居 住性的影 响提供有 关 陆面水 文 一 生态 过 程方面的 知识 “ 干旱区水文过程 控制植被 的生 长发育 , 天然植 被和人工植被又是水土流失和土地荒漠化的主要调 控 者 , 所以水文循环过程的改变往往是 干旱区所有 生态环境问题如水土流失 和土地荒漠 化的直接驱动 力因此 , 生态水文过程的机理是干旱区生态环境保 护和恢复重建中必须面对的基础科学 问题对其深 人研究不仅可以为天然生态 系统 的可持续维持 , 而 且 可以为退化生 态 系统的恢 复重建提 供科学依据 ,
5、从而为我 国广大干旱区经济 、 社会和生态环境协调 可持续发展提供重要 的生态水文学依据因此 , 在我 国深人开展干旱区生态水文过程若干基础理论问题 研究具有重要 的理论和现实意义干旱区生态过程 涉及范围广 , 本文仅对干旱区植被 格局及其生态水 文效应 、 干旱区植物吸收水分机理 、 干旱区生态系统 维持的水分来源 、 生态需水量和生态地下水位 、 干旱 区生 态水文模型等若干 问题的研 究进 展 予以评述 , 对我 国干旱区生态水文过程研究现状进行回顾并提 出研究的 主要方向 , 旨在推动我 国相关研究的深 人 开展 , , , , , 艾力 , 吴鑫基 , 张晋 , 等脉冲星的多波段观
6、天体物理学报 , , 一 一 伊测 倪广仁毫秒脉冲星计时观测的研究 进展陕 西天文 台 台刊 , , 一 一 一 收稿 , 一 一 收修改稿 科 考五叙 第卷 第期年 月 评述 干旱区植被格局及其生态水文效应 植被 与其所处的生 物气候带 高度祸合植被的 大小 、 盖度和多样性与降水水文过程高度相关在连 续的干湿梯度上 , 从半荒漠区降水量 一 到荒漠区降水量不足 , 再到极端荒漠区降 水量不足 , 植被类型明显不同当降水量不 足时 , 乔木就不能生长 , 的等雨量线 是草原和荒漠植被 的界线 , 的等雨量线是盖度 不足的稀疏矮小灌木散生植被和低洼集水 地段生长的集聚植被的分界线 , “ 植被
7、 与 气候祸合的生物地带性规律是干旱区植被建设必须 遵从的生态规律 干旱区的气候 、 土壤和植物群落具有特殊性如 少 而且变异很大的降水量决定了水文和生态条件的 高度变化 , 因而植被也存在 明显 的斑块格局 , 这种 格局与降水量和潜在蒸发量马的比值高度 吻合 从凡到凡的地区 , 植被由连续覆盖 的森 林和草原 向不连续 的斑块状格局过渡 川发现干旱区植被存在明显的斑 块状格局 , 而且 随时间和空 间发生 明显 的变化 , 斑块 内植被的密度往往很大 , 有机质很高人为活动和气 候变化导致 的水文过程变化往往会引起植被和土壤 资源格局 的改变 对干早区植被的格局及其生态 水 文效应已进行了
8、广泛 的研究 一 已经认识到植 被丛周 围往往形成一个土壤养分 、 水分和微生物的富 集区 , 即植被丛的 “肥 岛 , ” , “ 它既是植被作用 的结 果 , 又促进植被斑块状格局 的形成 干旱区研究表明植被斑块状格局具有如 下生态 水文效应通过遮荫根区土壤 , 减 少土壤蒸发的 损失通过树干径流增加土壤湿度增加降水 的直接渗透 , 减少地表径流使多数叶片处于低 温高湿的环境 , 降低叶面蒸腾损失将养分保留 在土壤中从而减少养分损失减轻放牧压力 提供小 动 物遮 荫环境 , 小 动 物 的栖息 活动 又增强了 土壤的养分和水分将资源输入到根区而不是通 过根 系生长去捕获资源 , 从而降低了
9、地下 生物量的 消耗 干旱区植被 的组分和格局实质上 是 由水文过程 所控制的 , 同时 , 植被在不同尺度上对水文过程产生 反馈在区域尺度上 , 近年来关于干旱区径流形 成 和泥 沙搬运 方 面所 建立 的一 般模型 , 似乎是可用 的在较小尺度上 , 等人 研究表明斑块 状格局 的改变而引起的土壤资源异质性 的增加与荒 漠化过程有关 , 但关于植被斑块格局 、 径流形成 、 泥 沙沉积和养分侵蚀之间的 内在关系方面还有许多细 节问题的研究可以说才刚刚起步 在干早区要取得数据往往 是特别困难的 , 为 了 进一步了解干旱区的生态水文过程 , 模 拟是一种有 效方式具有高时空分辨率又能与迅速发
10、生 的过程 和长期过程相祸合的模型 , 是必要的利用模型和生 态水文实验对干旱区比较稳定的生态 系统中不 同类 型植被不同尺度斑块的生态水文效应研究有待加强 , 以便在人工植被建设中进行模拟 , 这也是退化生态 系统恢复重建的需求之所在 干旱区植物水分吸收机理和水分依赖 干旱区的水文过程特别是地下水和地表水变化 控制着生态过程 , 生态 系统的主体植物 为了适应水 文过程的变化也表现出许多适应方式例如 , 许多植 物在一部分根 系处于土壤干早条件下 , 仍可以利用 有限的土壤水分供应来维持气体交换 、 水分平衡和生 长 , 但植 物 利用 土壤 水分的量 因植物而有很大差 异 丁一” 有些植物
11、根 系可以伸展到深层湿 的土壤 中 吸收土壤水分耐旱植物比农作物具有更多的根系 从而增强 了从干旱土壤 中吸收水分的能 力 , , 例 如等人 ”报道野葛芭伍 具有 深根系而种植的葛芭 , 具有浅根系 , 当 土壤干旱 时 , 野葛芭可以吸收深层土壤水分而种植 的葛芭则不能 干旱区有些植物还具有 “ 水力提升 ” 和 “ 逆水力 提升 ” 的功能 , 深根性植物可以将深层土壤水甚 至 是浅层地下水 通过根系提升到浅根系植物的根际圈 后释放到土壤 中供浅根系植物吸收利用 一 植物 的水力提升作用将浅层地表水和植被联系起来 , 浅 层地表水的变化不仅影 响植被的生长 , 而且会影 响 植被组成的变
12、化有些植物的浅层根 系吸收 的水分 通过延伸的根 系输送到深层后再释放 到土壤中保存 起来供其他深根性植物利用 , 这样就会提高降水 的 利用率水力提升植物改善了其伴生植物 的蒸腾作 用 , 缓解了水分亏缺目前已发现具有水力提升 功能的植物主要有野牛结缕草 咤 之 、 、 麦 耶 氏结缕草 沁 ,夕、 , 、 三齿 篙 , , 、 百慕大草 和 评 述 第卷第期年 月 科 考五叙 梨果仙人掌刀 一 、 。 等人 , , 报道在干旱的沙地上植物存在逆水力提升 现象在 干旱区具有水力提升功能的植 物肯定还有 , 加强对这类植物的识别研究是植被重建的需求热点 干早区土壤水分具有 较强 的异质性 ,
13、, 干旱 区植物往往通过改变水分吸收 的空间格局来 响应根 区土壤水分的异质性 处在土壤湿度高的环境 中的 根系吸收较多 的水分以补偿土壤湿度低的环境 中的 根 系吸 收水分的不 足当一部分根区的土壤水分有 效性降低而另一部分根区的土壤水分有效性正常时 , 水分有 效性正常的根区吸收水分的能力增加 一, 等人研究表明给橘子树的部分根系灌溉 供水 , 而一部分根系处于干旱状态 , 则从部分灌溉土 壤根系吸收的水分 占整个生长季蒸腾水分的 , 而 剩余来源于干旱土壤中等人报道桃 幼苗只要 一半的根系得 到灌溉就可满足整个 幼苗的需水量干 旱区植物吸 收水分对土壤水分异 质性的这种响应方式也是植物适
14、应干旱生境的主要 机理 , 但目前对多数植物这方面 的了解较少 干旱区植物的水力提升功能及水分利用方式可 能是生 态系统维持稳 定的关键 , 这也是干旱区人工 植被建设 中植物种选 择值得模拟之处目前的研究 仅局 限 于少数典型植物 , 但对生 长在干旱区的大部 分植物 , 特别是组成天然植被的植物来说是否都具 有上述水分利 用机理 尚待研究 , 这方面 的理论攻关 和知识基础对干旱区生 态系统 的恢 复重建有重要指 导意义 此外 , 有 些 学者还利用建立数学模型 的方法来 研究 根 系 的吸收水分特点 , 例如 邵 明安在对植物 根 系吸水物理过程定量分析 的基础 上 , 提出了一个 能反
15、映根 系吸水机理的宏 观 数 学模型康绍 忠等 人根据冬小麦根系伸展深度 、 重量根密度以及土 壤含水量分布的实测资料 , 对冬小麦根系吸水分布 进行了动态模拟 , 建立了冬小麦根系吸水模型这些 研究开创了定 量研究根系 吸 收水分研究的领域但 类似的研究主要集中在农作物方面 , 而对天然植 被 和农林复合系统的研究较少 干旱区生态系统维持的水分来源 组成 干旱区生态 系统的植物特别是非地带性中 旱生植物吸收的水分除来源 于降水 外 , 还 可能来源 于地表水 、 土壤水和地下水环境管理者和政策制定 者希望了解植被吸收 的水分来源 的比例及其时间变 化规律以制定环境管理的政策世纪年代同位 素技
16、术被广泛应用 于生态学和水文学研究领域 , 并 迅速成为该领域研究的有效手段之一 环境同位素技术在确定植物水分来源 和利用方 面得 到了广泛 的应用 一,“ 应用 稳定氧氢 同位素技 术对澳 大利亚河岸按树 。 生长季节蒸 腾的水分来源 的研究表明 , 按树蒸腾 消耗的水分来 自地下水 、 降水转化的土壤水和河流 的地表水 科 加里福尼亚山区常年河沿岸 , 树木生长 季节早期蒸 腾的水分主要来源 于土壤 中 , 而在大部分土壤干燥 季节则来 自地下水在亚利桑那西部的常年和 季 节性河流沿岸 , 弗里芒 氏杨 “ 和古 丁 氏柳 口口 在生长季节蒸腾的水分均来 自地下水犹它州械树林 。 蒸腾的水 分来 自地下水而不是降水和地表水 , 但在亚利 桑 那这 种树木 蒸 腾 的水分却来源 于河流水和降水 亚利桑那河流沿岸弗里芒 氏杨夏季雨季蒸 腾 的水分 一 来自降水转化的土壤水 , 而古丁 氏柳蒸腾 的水分却来源于地下水上述研究说明 , 干旱区植物吸收的水分来源 因植物种 和时间的不同 而不同 干旱区本身的降水不足以
