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.

生态需水量计算是干旱脆弱生态区恢复重建的一个关键问题.分析了塔里木河下游荒漠河岸林关键种-胡杨树木年轮近90年来的变化特征及对气候水文过程的响应,并基于树木年轮技术提出了维系荒漠河岸林不同恢复状态的生态需水量.研究结果表明,塔里木河下游胡杨树木年轮主要承载的是区域水文历史变化信息,可以作为定量评估生态输水工程的生态恢复效应和定量计算植被生态需水量的新指标;胡杨标准年轮宽度指数与生长年生态输水量呈显著正相关(P＜0.05),近15年生态输水对胡杨年轮宽度指数增加的平均贡献率为42.96％;若要维持塔里木河下游英苏段垂直河道300 m范围内的胡杨达到近90年来的平均生长水平,则需在生长年下泄生态需水量0.84× 108 m3,若要达到断流前(1933-1974年)的平均径向生长,则每个生长年内生态需水量应达到0.91×108 m3.

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.

水资源是一切生物赖以生存和不可替代的基本自然资源,生态需水在维持流域生态系统平衡和生态承载力可持续性方面扮演着极其重要的角色,干旱区内陆河流域尤为突出.以疏勒河流域和其所辖县区为不同尺度区域,利用LandsatTM/ETM+/OLI遥感数据(30 m分辨率),解译该流域近20年5期土地利用数据,同时在收集和整理流域多年水文水资源基础数据的基础上,以流域生态需水为研究主线,运用多学科方法和原理,结合遥感技术、GIS技术,通过现场调查和观测,计算了流域及其所辖县区近20年生态承载力和天然植被生态需水量.结果 表明:近20年来,伴随流域生态承载力的增加,生态需水量也呈增加趋势,两者呈非常明显的正相关关系,相关系数达0.6076;县域尺度上,生态需水与生态承载力正相关关系也较高,其中林、草地的生态需水与生态承载力拟合优度R2分别达0.8519、0.7235,说明林、草地生态承载力的变化对生态需水变化的解释能力更强,二者之间的关系更为紧密;基于空间热点分析,该流域生态承载力和生态需水的热点和冷点区域均呈现相似的空间格局,说明二者之间在空间尺度上也呈正相关关系.研究结论可为疏勒河流域生态水资源量的科学配置和调控提供重要的决策依据.

林窗作为森林生态系统得以长期维持的主要驱动力之一,能够促进森林的自然更新与演替、优化森林结构和养分循环,从而提高生物多样性及生态系统服务功能.基于塔里木河中游历年径流量、耗水量与地下水埋深等水文数据,利用回归模型、拟合优度t检验与种群结构动态定量相结合的方法,分析了研究区水文条件对胡杨荒漠河岸林林窗数量及其形成木种群结构与动态的影响.结果 表明:1)1970年前塔里木河中游水量较为充足,在一定程度上可满足胡杨生存发育的需水量.自1980年来,塔里木河中游年径流量(R2=0.785,P＜0.01)与耗水量(R2=0.524,P＜0.01)呈明显减少趋势、地下水日益匮乏,其埋深呈直线下滑趋势(R2=0.8618,P＜0.01).这导致河道两岸的胡杨林生态用水日益紧缺,从而引起胡杨林林窗现象频繁出现,尤其是在1997-2006年期间.2)随着中游年径流量与耗水量逐渐减少、地下水埋深逐渐增加,林窗内胡杨形成木数量则变为增长趋势.3)林窗形成木除1957-1966、1967-1976年属衰退型外,1977-1986、1987-1996、1997-2006和2007-2016年均呈现增长型特征.特别是林窗内胡杨形成木Ⅱ级幼龄树大幅度增加,其表现出胡杨林年龄结构的老龄化特征.4)由模型显示,林窗及其形成木数量与径流量之间存在显著性负相关,径流量降至17.81×108 m3时,林窗内的胡杨将面临高峰死亡.由此可知,在干旱区水文条件是决定胡杨生死的主导因子,也是塔里木河中游荒漠河岸林林窗形成的主要原因.

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.

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.

保障农业用水安全和生态安全是流域水资源管理的重点,针对黄河口和山东引黄灌区的用水矛盾,采用阈值分析与地统计学方法,考虑作物蒸散发和有效降雨计算山东省引黄灌区灌溉需水量,在优先保障黄河口不同等级生态需水条件下分析灌区(划分为不同调控区)可用水量的响应特征,以地理信息系统(GIS)为平台计算具有时空差异的山东省引黄灌区农业用水安全压力指数,进而评价多时空尺度下的山东省引黄灌区农业用水安全.结果 表明,在平水年,保障适宜等级的生态需水后大概有33％的年份农业用水安全存在压力,保障最低等级的生态需水约有27％的农业用水面临短缺,但是大部分情况下农业用水安全压力指数都在30％之下,然而保障最高等级生态需水后,有50％以上的年份存在农业用水安全压力,这种压力无论是从出现频次还是在指数强度上都有明显增加.在空间尺度上,以打渔张、刘春家、麻湾和簸箕李等灌区为代表的调控区2、11、13、14和17的农业用水压力显著,代表年内保障最低等级的生态需水后调控区的农业用水安全压力指数超过了20％,保障适宜等级的生态需水后,大部分调控区的农业用水安全压力指数超过了20％,调控区2和13的压力指数超过了30％,保障最高等级的生态需水后大部分调控区的农业用水安全压力指数超过了60％.在引黄水量调配过程中,应该按照水文年的不同保障合理的生态水量,同时充分考虑水文气象因子的空间差异性,在不同调控区细化分配方案,平水年份保障适宜等级生态需水后农业用水短缺由55.28降低到18.25亿m3.该评价方法反映了优先保障生态需水后灌区农业水资源保障情况,并能有效降低农业和生态用水之间的矛盾,为管理部门进行“精细配水”提供依据.

地表蒸散发量是影响湿地水热平衡的主要因素,也是水分损失的主要途径,对湿地生态需水量的合理确定和水资源的有效管理具有重要意义.借助遥感和GIS技术,利用2002、2010、2016年34景Landsat影像,基于时序NDVI数据对湿地下垫面物候特征的定量表征,准确获取了扎龙湿地保护区3个时期土地利用/覆被的动态变化信息.选用物理基础较好且应用广泛的SEBAL模型,估算了湿地的瞬时蒸散发量,并结合站点气象数据,实现了湿地蒸散发量在时间尺度上的扩展,分别得到日、月、年尺度的湿地蒸散发量,深入探究了扎龙湿地蒸散发的时空分布特征;最后从湿地湖泡需水量、植物需水量及生物栖息地需水量3个方面,定量估算出扎龙湿地3个时期的现状生态需水量.研究发现:扎龙湿地的土地覆被类型主要以芦苇沼泽、草地和耕地为主,其中芦苇沼泽分布占绝对优势,且2002-2016年持续增加了205.82 km2;草地、耕地呈持续减少态势,分别减少了119.35 km2和95.96km2,表明2002-2016年扎龙湿地生态系统呈恢复态势;湿地保护区蒸散发量年内均大致呈单峰型分布,符合夏季＞春季＞秋季＞冬季的规律,在年际上呈现明显的递增趋势,年蒸散发量由2002年的518.87mm增加到2016年的625.98mm,增加了20.64％.为满足湿地内的生态消耗,总体上2002-2016年湿地的生态需水量也相应的增加,保护区适宜生态需水量的变动范围为5.40亿-7.08亿m3,可以维持湿地湖泊、植被、动植物栖息地的健康态势.维持核心区健康状态的最小生态需水量变化范围为2.71亿-3.32亿m3.随着遥感数据时空分辨率的提高,基于蒸散发量反演的湿地生态需水量估算将更加实用和准确,为湿地保护区制定科学合理的补水方案提供有效的技术支撑.