参考作物蒸散量(ET0)是估算植被生态需水量的关键数据.气候变化背景下,不同区域的ET0变化趋势各有不同,从区域尺度研究ET0的时空变化与归因分析更有利于变化环境下区域的农业用水管理和生态需水量估算.本研究基于第六次国际耦合模式比较项目(CMIP6)发布的最新气候数据和高精度栅格数据,分析了汾渭平原年均ET0在历史时期(1985-2015年)和未来时期(2030-2060年)的变化趋势、空间分布以及气象要素对ET0变化的贡献.结果表明:CMIP6的气象数据经偏差校正后可用于预测ET0,且多模式集合方法的预测精度(R2为82.9％,均方根误差为14.9 mm)高于单个气候模式的精度.汾渭平原ET0在历史时期呈显著下降趋势;在未来时期的SSP245和SSP585情景下分别呈不显著上升和显著上升趋势.饱和水汽压差在历史和未来时期对ET0变化的贡献率均最大,是气候变化条件下影响汾渭平原ET0变化的首要气象要素,太阳净辐射和风速是历史时期影响ET0变化的重要气象要素,温度和风速是未来时期影响ET0变化的重要气象要素.这些气象要素的较大贡献是由于其具有较大的多年相对变化率,而不是对ET0有高度的敏感性.未来时期SSP245和SSP585情景下的汾渭平原ET0相比历史时期分别增加4.2％和3.1％.汾渭平原ET0的变化趋势、相对变化的空间分布差异主要表现在平原的东部与西部地区之间.本研究的高精度ET0时空分布结果可为汾渭平原地区制定应对气候变化的适应性措施提供数据参考.

生态需水是生态用水控制和区域生态环境恢复建设的基本依据.马拉河流域拥有世界著名的生态系统,植被生态需水占流域总需水量的很大一部分.基于1980-2020年ERA5气象数据、叶面积指数(LAI)与世界土壤数据库数据,采用Penman-Monteith法计算了马拉河流域四个季节(短旱季、长雨季、长旱季、短雨季)植被生态需水量的时空变化特征.在此基础上,使用支持向量机(SVM)、随机森林(RF)和卷积神经网络(CNN)3种机器学习方法与7个环境因子(气温、降水、10 m风速、LAI、太阳辐射、相对湿度、地形)建立了回归模型,分别估算了 2011-2020年逐年不同季节的植被生态需水量,并与Penman-Monteith法计算结果进行时间序列拟合度和空间相似性的比较.结果表明:马拉河流域植被生态需水量在过去40年所有季节都呈现为波动变化,植被生态需水量长雨季＞长旱季＞短雨季＞短旱季,长雨季的植被生态需水量约为短旱季的1.5倍.不同季节均呈现出上下游高、中游低的植被生态需水量空间分布格局.LAI为最大的正影响因子,风速为最大的负影响因子.就不同方法估算的植被生态需水量准确性而言,RF表现最为优异,主要体现在最值估算误差最小,时间变化序列的拟合度最高,空间分布最为相似,相对误差最小,而SVM的预测结果相对最差.RF是相对最适用于马拉河流域植被生态需水量估算的算法.使用3种不同的机器学习方法估算马拉河流域不同季节植被生态需水量,并对结果进行比较,可为生态需水的估算提供技术参考.

为探索不同阶段保护目标下的河道内生态需水量,以北京市房山区琉璃河为研究区域,基于琉璃河湿地工程的特殊性,在同一工程项目中不同阶段创新应用环境需水量和生态需水量两种方法,分别计算在截污工程完成前满足水质要求的河道内环境需水量和截污工程完成后满足以生态修复及维系为目标的河道内生态需水量.结果表明:①在考虑景观娱乐水量的情况下,二者一次生态需水量均为196.78万m3;②以消纳污水为目标的河道内,在考虑河道稀释及自净能力的情况下,利用水环境容量法计算净化需水量为30.39万m3/d,景观娱乐需水量为180.43万m3,河道内的土壤储水量为16.136万m3,水体年蒸发量为78.03万m3,日均0.21万m3,水体渗透量21.69万m3,日均渗漏量0.03万m3;③以生态修复及维系为目标的河道中,河道内的水生生物栖息地需水量为71.73万m3.④在截污工作未完成之前,琉璃河内需每日注入30.39万m3/d的湿地出水以保持水质.在不同保护目标下,如何依据河流实际情况,满足不同的需求,完善生态需水的计算方法,维持生态系统的稳定健康,将是未来关注的重点.

生态水文学是一个可定义和发展的学科,是在不同时空尺度和一系列环境条件下探讨生态水文过程.山地的生态格局和水文过程对下游景观有重大的影响.针对山区干旱缺水、水生态退化以及水灾害等一系列生态问题,从林草地水文生态效应角度,探讨山地生态水文过程的研究进展,山地降水资源调控技术措施和山地生态水文过程与降水资源调控的相关关系.结果表明:植被生态需水量的计算方法包括面积定额法、潜水蒸发法、植物蒸散发量法、水量平衡法、生物量法、基于遥感技术的计算法等,各种方面在不同区域的适用性不同;生态水文模型有SWAT模型、SWIN模型、EcoHAT模型等,不同的模型应用领域不一;降水资源的高效利用措施包括降水资源的就地利用—入渗水利用,如坡改梯工程、集水造林种草工程以及适时深耕技术等;降水资源的叠加利用—径流水利用,如淤地坝工程和坡面集水造林种草工程等;以及降水资源的间接利用—蒸发水利用三个方面,如黑色覆盖技术、砾石覆盖技术和土壤覆盖技术等.以河北太行山区为例,分析得出造林坡地的径流系数明显低于裸岩坡地.山地水旱灾害形成机制与水资源调控利用技术的研究、坡地与流域的降雨径流关系研究等方面应是未来山地生态水文过程的研究重点.

蒸腾作用是植物的重要生理过程,精细模拟与预测蒸腾速率有助于植株需水量的确定.本文使用茎流计和气象站监测柑橘树蒸腾速率及周边气象因子,基于人工神经网络,构建10 min尺度的柑橘树日间蒸腾速率预测模型.以环境温度、环境湿度、太阳净辐射、风速四种气象因子组合,构建的4-7-1网络结构的柑橘树蒸腾速率预测模型精度最高,与实测数据的Pearson相关系数高于0.8;与FAO作物系数模型和经验公式模型相比,神经网络模型对10 min间隔的柑橘树蒸腾速率预测更加准确,建模所需数据量更少,在“午休”现象的预测上符合实际规律.结果 表明以气象因子作为输入的神经网络模型,能够对10 min间隔的柑橘树蒸腾速率进行更加精细的模拟与预测.

新疆白杨河流域地跨上游乌鲁木齐市达坂城及下游吐鲁番市托克逊县两个行政区,上游达坂城区位于天山博格达峰山前冲击、洪积山间盆地干旱区,源于天山多支源流汇集于盆地南端峡口,基于峡口形成下游并由有多支流沿程补给白杨河干流,穿越极端干旱戈壁荒漠区的托克逊县直至末端吐鲁番市境内尾闾—艾丁湖,是我国典型少有的跨越干旱与极端干旱叠加型流域灌区,水资源有效利用及水生态环境保护具有重要作用.遵循流域各河流水系形成的自然生态环境属性及河道取水工程节点,采用Penman-Monteith法生态需水定额和卫星遥感面积识别及水文年内展布方法,分析评估流域内上下游绿洲生态环境植被需水量和河流生态基流及其调控断面.结果 表明,上游达坂城区黑沟河年生态需水量、生态基流、年均径流占比和控制断面,分别为921万m3、0.29m3/s、18％和黑沟渠首;阿克苏河为1048万m3、0.33m3/s、12％和阿克苏渠首;高崖子河为862万m3、0.27m3/s、12％和高崖子渠首;下游托克逊境内由白杨河干流调节,艾丁湖等生态需水量分别为4256万m3、1.35m3/s、32％和小草湖渠首.白杨河流域年生态需水7880万m3,生态基流2.50m3/s,生态水占年均径流量17％,分析结果为流域生态环境管理保护提供依据.

通过回顾黄河干流和河口湿地生态需水相关研究的发展历程及主要研究成果,从生态需水研究的研究对象及目标、研究内容、研究方法及应用等方面归纳总结了黄河干流和河口生态需水的研究现状和面临挑战.目前,有关黄河干流和河口湿地的生态需水方面的研究已取得一定的成果,对黄河流域生态需水基础理论基本规律的认识相对清晰,但对黄河干流和河口湿地生态系统认识的不足导致目前生态需水计算方法不统一,计算结果存在一定的误差,从而导致黄河生态需水在流域水资源配置与管理实践中难以达到预期结果.今后仍需在逐步积累的实测资料的基础上进行细化的生态需水研究,重点开展基于河流和湿地生态系统完整性的生态需水研究;基于生态-水文响应关系并综合其他保护目标的生态水文过程研究;还要考虑经济、社会、环境"三赢"的权衡以及未来水沙条件等因素的不确定性,寻求合理的能应用到实际水量配置方案中的生态需水量等.并将生态需水成果与黄河水量生态调度有效结合起来,在水量调度实践中予以论证.

为查清可鲁克湖流域生态环境质量及其演化特征,依据环境生态学相关理论,运用综合调查、遥感解译与反演、统计分析等技术手段,选取自然地理、气象、土地利用/覆盖和社会经济4个方面的15个因子,采用因子分析和熵值法计算指标权重,建立流域土壤质量模型和生态环境质量诊断模型,分析2000、2005、2010和2015年可鲁克湖流域土壤与生态环境质量的变化特征.结果 表明:2000、2005、2010和2015年,可鲁克湖流域生态环境质量均值依次为21、47、54和72,呈稳定上升趋势,生态环境质量等级由较差转为良好,土壤质量整体处于中等水平;空间上,北部山区和流域下游湿地及河流周边区域的生态环境质量明显转好.流域生态环境质量变化是人类活动与自然因素共同作用的结果,土壤质量与湖泊面积是指示流域生态环境的关键因子,可鲁克湖最小生态需水量是维持流域生态环境良性发展的基本保障.