生态需水量指最大程度地改善天然生态系统和维持生态系统的完整性, 以及保证天然生境的生物多样性所需要的水量^[1-2], 是一个理论值, 它有别于生态耗水量和生态用水量。生态耗水量是指一定生态环境水平下生态环境系统所实际消耗的水量, 是人工配水和生态系统对水资源天然利用的结果; 生态用水量则是指为了维持一定的生态环境水平所需要人工配置的水资源量, 是水资源系统人工侧支循环作用的结果。国外对于生态需水的研究主要集中于水生生物生长和河流流量的关系以及河流流量与维持生态系统完整性的关系等方面^[3]。国内众多学者在20世纪90年代中期开展生态需水相关研究, 目前已开展了不同尺度和不同研究对象的生态需水研究。1997年对西北地区生态需水的研究, 提出了干旱区生态需水的计算方法, 推动了我国生态需水的研究进程^[4]5-6。随后, 国内众多学者开展了生态需水的相关研究工作, 包括生态需水的理论、分区、计算方法及其应用等方面, 使得我国生态需水研究逐步向纵深发展^{[1, 5-8]}, 并于2003年建立了全国生态用水标准, 开发了基于各区域实际状况的生态需水计算体系^[4]22-25。总的来看, 已有研究多以干旱或半干旱区域为主, 研究对象主要集中于流域或河道^[9-10]。采用GIS技术对大尺度上植被生态需水的空间模拟与预测研究成为近年来的热点。吕明权等^[11]通过对不同土地利用/覆被情景下东北沟流域植被生态需水量的研究表明, 土地利用和景观格局的改变会直接影响植被生态需水和区域的实际生态用水量。汤洁等^[12]通过研究发现, 不同时空尺度土地利用的改变破坏了区域原有的水资源供需平衡, 是影响区域生态需水量的最主要因素。周丹等^[13]利用荒漠植被面积并参考作物蒸散量, 采用潜水蒸发模型, 计算西北干旱区1982—2010年荒漠植被生态需水量, 发现近30 a间西北干旱区荒漠植被生态需水量呈减少趋势, 以0.106 3亿m³·a^-1的速率减少, 多年平均生态需水量为134.13亿m³。与此同时, 区域植被生态需水变化也会影响景观格局, 导致景观多样性升高, 优势度下降, 景观趋于破碎化等^[14]。然而类似研究还非常少, 区域生态需水与景观格局的耦合及响应机理有待进一步揭示。

广西岩溶峰丛洼地区是世界上主要的生态脆弱带之一。该区域降水丰富, 但季节分配不均, 由于没有河流补给, 地下水埋藏深, 降雨是该地区水分的唯一来源。然而, 该区域土层浅薄, 持水能力弱, 具有地上地下二元结构, 水文过程补排迅速, 季节变化剧烈, 地表径流稀少, 降水极易大量渗漏, 从而导致峰丛洼地区常存在特殊的温润气候条件下的干旱现象^[15], 生态缺水问题突出, 严重影响区域生态系统的完整和健康。笔者以广西田东县为典型峰丛洼地代表区域, 借助GIS技术, 采用空间分析和统计分析技术, 开展植被生态需水与景观格局的关系研究, 为峰丛洼地区脆弱生态系统的保护和管理提供依据, 对实现区域水资源优化配置和可持续发展具有重要意义。

1 研究方法 1.1 研究区域

研究区域位于广西百色市田东县(23°16′~24°01′ N, 106°53′~107°26′ E), 为典型喀斯特峰丛洼地景观^[16], 县域内峰丛洼地貌的区域面积为510.79 km², 占县域总面积的18.19%。该区域属南亚热带季风气候区, 年平均气温为21.9 ℃, 年降水量为1 172.3 mm, 年蒸发量为1 774.7 mm, 蒸发量大于降水量, 干热是区域主要的气候特点。区域内峰丛洼地由高低错落的连座山峰与封闭洼地组成, 相对高差通常达到200~300 m。一般石峰坡度在50°以上, 且具有封闭性, 没有明显的谷口。该区域人地矛盾突出, 人为干扰强烈, 水土流失严重, 生态环境恶化, 植被覆盖率较低, 加之土层浅薄, 土壤入渗系数大, 降水经地表快速进入地下, 难以被地表植被吸收, 生态缺水现象严重。

1.2 植被生态需水定额

植被生态需水定额受植被类型、气候及土壤水分等的综合影响^[17]。采用国际通用的Penman-Monteith公式^[18]来计算植被生态需水定额。

$ {T_{{\text{e, q}}}} = {K_{\text{s}}} \times {K_{\text{t}}} \times {T_{{\text{e, 0}}}}。$

(1)

式(1) 中, T_e，q为植被生态需水定额, mm; K_s为土壤水分调节系数; K_t为植被生态耗水系数, 即植被最大需水量与潜在耗水量的比例系数; T_e，0为植被潜在蒸散量, mm。

1.3 植被潜在蒸散量

根据联合国粮农组织(FAO)的定义, 植被潜在蒸散量是指从表面开阔、高度一致、生长旺盛、供水充足、完全遮盖地面、8~15 cm高的绿色草地上所蒸发、腾发的速率^[19], 它主要与当地的气候条件有关。根据研究区域多年气象资料, 采用FAO推荐的Penman-Monteith公式进行计算:

$ {T_{{\text{e, 0}}}} = \frac{{0.408 \times \Delta \times \left( {{R_{\text{n}}} - G} \right) + \gamma \times \frac{{900}}{{T + 273}} \times {U_2} \times \left( {{e_{\text{s}}} - {e_{\text{a}}}} \right)}}{{\Delta + \gamma \times \left( {1 + 0.34{U_2}} \right)}}。$

(2)

式(2) 中, T_e，0为植被潜在蒸散量, mm; Δ为饱和水汽压对温度曲线的斜率, kPa·℃^-1; R_n为参考作物表面净辐射, MJ·m^-2· d^-1; G为土壤热通量, MJ·m^-2· d^-1; γ为干湿表常数, kPa· ℃^-1; 植被实测蒸腾量，mm; U₂为地表2 m高处的平均风速, m·s^-1；e_s为饱和水汽压, kPa; e_a为实际水汽压, kPa。

1.4 植被生态耗水系数

植被生态耗水系数(K_t)的计算公式^[20-21]为

$ {K_{\text{t}}} = {I_{{\text{MDV}}}} \times k。$

(3)

式(3) 中, I_MDV为植被覆盖度, %; k为植被生态耗水校正系数。

1.5 土壤水分限制系数

土壤水分限制系数与土壤含水量及土壤质地有关, 反映了土壤水分条件对植物腾发量的影响, 采用Jensen公式计算土壤水分调节系数(K_s)^[16]:

$ {K_{\text{s}}} = {\text{ln}}\left[{\frac{{S-{S_{\text{w}}}}}{{{S^*}-{S_{\text{w}}}}} \times 100 + 1} \right]/{\text{ln}}\;{\text{101}}。$

(4)

式(4) 中, S为土壤实际含水量, g·kg^-1; S_w为土壤凋萎含水量, g·kg^-1; S^*为土壤临界含水量, g·kg^-1, 一般为田间持水量的70%~80%。

$ {S_{\text{w}}} = f \times {K_{\text{z}}}。$

(5)

式(5) 中, f为土壤吸湿系数, %；K_z为凋萎系数，一般取值为1.34~1.5。土壤吸湿系数及田间持水量均需现场采集原状土样后进行测定。

1.6 景观格局指数

采用2015年8月的Landsat 8遥感影像(http://www.cresda.com/CN/), 空间分辨率为30 m, 借助Erdas 9.2软件, 经解译后获取田东县土地利用/土地覆盖数据, 解译精度为92%。采用Fragstats 3.4软件计算得到景观多样性指数、景观破碎度指数和景观连通性指数空间分布的栅格图。

1.7 气象数据获取及处理

采用研究区及周边9个气象站点的数据, 从中国气象服务网(http://data.cma.cn)下载获得, 时间为1990年1月1日至2015年12月31日, 数据包括各站点的经纬度，海拔，逐日的气温、降水和风速等。将上述气象数据求多年平均值, 借助ArcGIS 10.2软件的空间插值功能实现其空间模拟。

2 结果与分析 2.1 植被生态需水空间模拟

采用上述方法计算得到田东县植被生态需水的空间分布(图 1), 植被年度生态需水定额介于85.91~339.27 mm之间。从空间分布特征来看, 北部和南部山区植被生态需水定额相对较大, 中部、西部和东南部区域生态需水定额相对较小。从总量上来看, 基于田东县植被生态需水年度定额的模拟, 估算出田东县年度植被生态需水总量为68 167.4万m³。

2.2 田东县景观格局特征

景观多样性指数反映了景观要素的多少和各景观要素所占比例的变化。基于田东县土地利用/土地覆盖数据, 利用Fragstats 3.4软件计算得到景观多样性指数、景观破碎度指数和景观连通性指数空间分布的栅格图(图 2)。田东县东部、南部和西部区域景观多样性指数较大, 最大值为0.88, 说明这些区域景观由多种类型构成; 中部和中北部的局部区域景观多样性指数较小, 这些区域的景观类型普遍较少或仅有1种景观类型。

景观破碎度指数反映了景观被分割的破碎程度, 在一定程度上也反映了人类对景观的干扰程度。由图 2可知, 田东县南部、东南部和西南部景观破碎度指数较大, 最大值达43.21, 说明这些区域景观破碎程度较大, 人为干扰较强; 中部和北部的局部区域景观破碎度指数较小, 最小值仅为1.39, 说明这些区域景观破碎度较低, 受人为干扰较小。

景观连通性指数是对景观空间结构单元相互间连续性的度量。景观连通性指数越大, 说明景观连通性越大, 更有利于景观斑块间的物质循环、能量流动和信息传递。田东县中部和中北部景观连通性指数较大, 最大值为100, 说明这些区域景观连通性较好; 东部、南部和西部的局部区域景观连通性指数较小, 最小值为87, 说明这些区域景观连通性较差。

2.3 景观格局与植被生态需水的空间耦合关系

为弄清空间上植被生态需水与景观格局之间的关系, 分析景观格局对植被生态需水的响应特征, 利用景观格局指数空间分布的栅格数据和植被生态需水定额空间分布图, 应用ArcGIS 10.2软件随机取1 000个点, 用空间分析工具提取数据进行统计分析并制作散点图(图 3)。

如图 3所示, 随着景观多样性指数和景观破碎度指数的增加, 植被生态需水定额呈现下降趋势; 而随着景观连通性指数的增加, 植被生态需水定额则呈现上升趋势。

采用SPSS 19.0统计软件分析景观格局指数与植被生态需水定额之间的相关性, 结果见表 1。植被生态需水定额与景观多样性、景观破碎度及景观连通性之间均存在极显著相关性(P < 0.01)。植被生态需水定额与景观多样性、景观破碎度呈极显著负相关(P < 0.01), 相关系数分别为-0.198和-0.186, 说明植被生态需水定额增加将导致景观多样性和景观破碎度下降; 植被生态需水定额与景观连通性呈极显著正相关(P < 0.01), 相关系数为0.221, 说明植被生态需水定额增加将使景观连通性上升。此外, 景观多样性、景观破碎度和景观连通性彼此间也均呈极显著相关性(P < 0.01)。

3 讨论 3.1 生态需水特征

张远等^[5]认为, 针对地下水现状或一定植被覆盖条件下生态系统的水量计算属于生态耗水或用水的范畴, 而生态需水则指未来一段时间内生态系统所需求的水量。虽然也有学者将生态耗水、生态用水等同于生态需水^[22], 但大多数学者认为生态耗水多指生态系统现状条件下的生物和无机环境实际消耗的水量; 生态用水与生产、生活用水的概念相类似, 指客观实际用于整个生态系统的水量^[23]。生态耗水可能大于、等于或小于生态用水, 当生态系统消耗的水量大于实际用于生态的水量时, 会造成生态系统水量亏损; 当耗水量与用水量相当时, 则生态系统水量保持平衡; 当耗水量小于用水量时, 生态系统会存在一定水量蓄存。与生态耗水和生态用水不同, 生态需水是指生态系统处于某种期望的水平并且维持这种平衡状态所需水量, 是一种主观的期望值^[1]。鉴于此, 笔者采用的模拟方法计算得出的结果是生态需水, 是基于田东县自然地理、土地利用、植被分布以及区域气候条件、植被蒸腾等特征计算得到的区域年度生态需水量。

3.2 植被生态需水与景观格局的关系

植被生态系统对维护区域生态系统稳定性与生态安全具有重要贡献, 尤其是生态脆弱区域。广西岩溶峰丛洼地区域分布的天然植被, 对于这一区域缺水、土壤贫瘠等恶劣环境具有较强的适应能力。因此, 以生态保育为主, 维护好现有天然植被生态格局, 逐步改善并恢复人类活动干扰较为严重区域的天然植被, 是维护岩溶峰丛洼地区域生态系统稳定性的重要途径。天然植被生存的重要条件就是有充足的水分供给。笔者研究结果表明, 植被生态需水与区域景观格局之间存在显著的响应与反馈关系, 植被生态需水与景观多样性、景观破碎度呈极显著负相关; 植被生态需水与景观连通性呈极显著正相关。景观多样性增加, 景观类型复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体增加, 导致景观破碎度增加。就研究区域来看, 灌丛的分布面积较小(面积为279.04 km², 占研究区总面积的9.94%), 然而灌丛的生态需水量低于乔木和草本, 灌丛的年度生态需水量平均约为201 mm。因此, 适当增加灌丛面积将使得区域生态需水总量得到缓解, 也符合峰丛洼地区域特殊地形地貌特征下的植被恢复需求。基于上述成果, 在广西岩溶峰丛洼地区的生态保育与生态管理过程中, 可结合生态与景观规划原理, 增加景观多样性丰富景观要素在空间上的构成与配置, 以降低区域植被的生态需水量。

3.3 “3S”技术在植被生态需水研究中的应用

岩溶峰丛洼地区自然条件复杂, 生境类型繁多, 采用传统的人工方法观测和研究植被生态需水耗时费力。笔者基于遥感和GIS技术, 结合多年气象数据, 模拟了田东县植被生态需水在空间上的分布情况, 分析了广西峰丛洼地区域植被生态需水空间分布特征及其与景观格局指数的相关性, 研究结果有助于管理决策部门直观地了解区域层面上的植被生态需水特征及生态需水热点区域。采用“3S”技术, 借助定位观测站的监测数据来研究区域的植被生态需水, 可以使研究过程动态化, 研究结果定位化、定量化, 将为区域的水资源管理与可持续发展决策提供更加直观、快速、准确的科学依据。

4 结论

(1) 田东县植被生态需水定额介于85.91~339.27 mm之间, 北部和南部山区相对较大, 中部、西部和东南部区域相对较小, 县域范围年度植被生态需水总量为68 167.4万m³。

(2) 田东县东部、南部和西部区域景观多样性指数较大, 最大值为0.88, 中部和中北部的局部区域较小; 南部、东南部和西南部的景观破碎度指数较大, 最大值为43.21;而景观连通性指数则以中部和中北部为较大, 最大值为100。

(3) 植被生态需水与区域景观格局之间存在显著的响应与反馈关系, 植被生态需水与景观多样性、景观破碎度之间呈极显著负相关; 植被生态需水与景观连通性之间呈极显著正相关。在广西岩溶峰丛洼地区, 可通过增加景观多样性和丰富景观要素在空间上的构成与配置, 以降低区域植被的生态需水量, 优化区域的水资源配置。