研究思路与方法探析

2.2.3.1 研究思路及技术路线

在收集整理山西省水资源、气象、植被、土地利用资料的基础上，对山西省水资源数量、质量及其分布规律、水资源开发利用现状和存在的主要问题进行分析，合理界定山西生态用水类型。并根据北京林业大学在山西隰县、方山的历年试验研究资料和成果，参考其他有关山西生态用水的研究资料，拟定研究思路、计算方法、参数。系统计算和分析了山西现状生态用水及未来（2010年、2015年）生态需水量，并依据可持续发展原则，采用层次分析方法对山西省生态用水的协调性进行了评价，并就此讨论了生态用水有关问题，提出了生态用水协调利用的战略与途径，本文的研究技术思路见图2.1。

图2.1　山西省生态用水研究技术路线图

2.2.3.2 试验区概况

（1）山西隰县河沟流域试验区。本试验区为国家“七五”至“九五”攻关项目“晋西黄土残塬区综合治理与有限水分高效利用”试验区，位于吕梁山脉西南端的临汾地区隰县后堰乡（北纬36°44′22″～36°41′00″，东经110°49′55″～110°51′00″），是昕水河一级支流—卫家峪流域的一级支沟，属典型黄土残塬沟壑地貌。流域北高南低，最高海拔为1276 m，最低海拔为981m，最大相对高差295m，流域面积8.9km2。

流域属典型暖温带大陆性气候，年平均气温8.8℃，年平均无霜期163d。不小于10℃的积温3031.5℃，全年日照时数2740.9h，年辐射量5233.5MJ/m2，年平均降雨量473.6mm（1957～1981年平均566.2mm，1984～1991年平均436mm，1992～1999年平均414.2mm），年均蒸发量1832.6mm。7～9月雨量占全年60%以上，而且大部分以暴雨形式出现，水土流失十分严重，侵蚀模数达5800～7200t/（km2·a）。

河沟流域黄土层深厚，土壤母质为第四纪马兰黄土，厚度为5～20m，平均10m。土体呈灰黄色，块状无层理，土质疏松，大孔隙较多，质地均匀，偏轻，富含碳酸盐，呈微酸性反应，抗蚀性差。其下为离石黄土，厚达50～80m，抗蚀性较强，在沟坡有出露。最下面为午城黄土和第三纪保德红土，厚达25m以上，土体呈红黄色，含角料石，在沟底有出露。塬面土壤由马兰黄土发育而成，黏粒含量16%左右，为轻质黄绵土，土层较厚，密度1.2g/cm3，碳酸盐含量57g/kg土，水解氮平均含量57.5mg/kg土，速效磷平均含量6.4mg/kg土，速效钾含量113mg/kg土，土壤养分含量差异较大。

河沟流域有林地面积68.7hm2，森林覆盖率为7.7%，荒草坡覆盖度为20%～30%，植被稀少，主要草本植物有披肩草、白羊草、茜草、蒿类；灌木有沙棘、荆条、紫穗槐、扁核木、山杏、胡枝子、黄刺玫等；乔木有刺槐、山杨、油松、侧柏、落叶松、毛白杨、臭椿等。河沟流域土地利用现状见表2.1，主要流域内不同植被类型（包括作物）水分蒸散和流域水量平衡。

表2.1　河沟流域土地利用现状表

（2）山西方山土桥沟流域试验区。为北京林业大学黄土高原抗旱造林配置技术研究试验场，位于山西省吕梁山西麓的方山县峪口镇，土桥沟流域（北纬37°36′58″，东经110°02′55″），属黄河中游黄土丘陵沟壑区，地处黄河一级支流北川河的三级阶地。流域呈东西走向，无常流水，流域内最高海拔1446m，试验区平均海拔1200m左右。

本地区属暖温带大陆性季风气候，干燥度为1.3。冬春寒冷干燥，秋季凉爽少雨，夏季降雨集中，无霜期140d。该地区多年平均气温7.3℃（1975～1992年），多年平均不小于10℃的活动积温为2819.7℃，多年平均降水量416.4mm，6～9月降水占全年的55%～78%；多年平均水面蒸发量高达1857.7mm，最大蒸发出现在4～6月，明显大于同期降水，同时期大气湿度也为年内最低，表现出典型的北方严重春旱的特征。

流域地表大部分为新生代第四纪马兰黄土所覆盖，试验流域内耕地面积少，大部分已弃耕，主要地类为乔木（油松、侧柏、榆、刺槐等）、林地、灌木林地（柠条）、灌草坡和经济林（苹果、梨、杏）。流域土壤侵蚀模数为2500～5000t/（km2·a），试验区内有不同时期种植的树种，研究以白榆、油松、侧柏、柠条、苹果的蒸散为主。

2.2.3.3 试验研究方法

（1）河沟流域水量平衡试验研究方法。

1）气象因子观测。采用固定气象观测站观测气温、地温、风速、水面蒸发等。临时增测辐射和不同高度的水汽压和风速。直接辐射和天空散射漫射采用直接辐射仪和天空辐射仪测定，天空辐射仪翻转向下测定地面和植被的反射辐射；采用DYM1型（后采用DFY5型）净全辐射仪测定冠层和土壤表面的净辐射变化。用通风干湿表测定距地面1m高处的干、湿球温度的变化，然后查出相应的空气相对湿度和饱和差。用三杯风速仪测定离地面1m高度处的风速，每小时观测一次。逐日观测不同下垫面地表5cm、10cm、15cm、20cm的地温变化，选择典型天气条件进行24h的地温日变化观测。

2）土壤水分有关参数测定。土壤入渗采用双环积水入渗仪和针孔滴水式人工降雨设备，测定在定水头条件下的入渗情况，每个测区至少测定3次。

土壤水分特征曲线测定：低吸力范围（0～0.8bar）情况下，采用DⅠK—1000型负压计法在野外和室内用原状土进行测定，对高吸力（大于0.8bar）情况下，采用DⅠK—3480型多容量PF测定，测定范围为18～20bar。土壤非饱和土壤导水率采用瞬时剖面法田间测定非饱和导水率；土壤非饱和扩散率的测定采用水平土柱吸渗法测定；土壤饱和导水率的测定用降水头渗透仪法测定。

土壤水分的观测采用定点定位法测定不同时期不同层次土壤剖面含水量的方法。用土钻称重量法追踪监测土壤水分的变化情况，从降雨开始直至表层土壤处于较为干燥为止，以观测土壤水分的周期性变化。土壤物理性质测定采用常规方法。

利用日产KADEC－U2型自计土壤温度仪，观测土壤温度。

3）坡面地表径流测定。采用坡面径流实验场测定地表径流。分各种坡度人工径流实验场（5m2×20m2、1m2×2m2）20个和自然坡面径流实验场10个，在雨期进行人工降雨和天然降雨，对坡面产流和产流过程进行观测和记录。

4）植被生态特征调查。调查立地条件：主要内容有坡度、坡向、坡位、土壤母质、造林整地方式等。

调查人工乔木林、天然灌木林的林分特征和草本植物的各种生态特征。主要有胸径、树高、叶面积指数、郁闭度、密度、林龄、生物量、材积、植物种类、地径等，采用标准地法。

5）植物蒸发量测定。林木蒸腾速率采用LⅠ—1600气孔稳态仪测定，土壤蒸发采用ГГИ—500型原状土柱土壤蒸发器（建立裸地土壤蒸发与水面蒸发的回归模型，计算土壤蒸发）；林冠截留量通过测定干流量和林下降雨量计算得出，林外降水量采用试验区气象站观测，林内降水采用特制的槽型承雨器与自记雨量计布设测定。

农作物蒸发散试验采用盆栽试验法。

（2）土桥沟流域林分蒸发散试验研究方法。(www.xing528.com)

1）气象与土壤相关参数观测。在试验区布设了Delta—T（△T）便携式自动气象站，配备的传感器观测气温、相对湿度、降雨量、太阳辐射、风速、气压。采用ϕ20cm小型铜制蒸发皿观测水面蒸发。利用太阳辐射计观测林冠与林地反射率，利用净辐射计（DFY5型）观测林冠上净辐射和林下净辐射，利用三杯风速仪、阿斯曼通风温湿度计观测林冠上和林下风速及空气相对湿度，利用日产KADEC—U2型自计土壤温度仪观测林地土壤温度。

其他土壤水分测定与河流域基本相同不在赘述。

2）林分蒸散量有关参数测定。与河沟流域观测方法基本相同，因专门研究蒸发散，观测项目多且精度较高。

林地的土壤蒸发采用ГГИ—500型原状土柱土壤蒸发器，利用德制BP—3400精密天平（精度0.1g，最大称重34kg）定时定位称重。为了保证数据的准确性，大雨过后重新更换土柱，一般情况每隔30d左右更换土柱。

林分蒸腾速率采用生长季逐月典型天气全天观测和关键生长发育季节重点天全天观测的方法，全天观测的观测时段为8：00～18：00，每2h观测一次。蒸腾速率的观测美制Li—1600气孔稳态仪（针叶与阔叶），测定项目主要有：蒸腾速率、气孔阻力、气孔导度、叶片生理辐射光量子强度、相对湿度、叶室温度、叶片温度等。具体观测时，选取标准木，按林冠南、北两部位，以东南西北四个方向确定标准枝。由于气孔计测定的蒸腾速率高于自然蒸腾值，利用整株称重法（BP—3400精密天平，精度0.1g，最大称重34kg）进行了校正。

林冠截留量测定方法同河沟流域。

3）其他观测项目。本试验区专门研究林分蒸发散，增加的观测项目有：

苗木光合速率采用美国Licor公司生产的Li—6400便携式光合测定系统对苗木气体交换参数因子进行了观测。测定的内容主要有净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、气温（Ta）、叶温（T）、空气相对湿度（RH）、光合有效辐射（PAR）、大气CO2浓度等环境因子以及叶片与空气之间的水蒸气压差（VPD）等。

林木叶面积采用光电求积仪法和图像处理法来测定单叶面积或单位叶重叶面积，所用仪器是美制Li—3000A型叶面积仪和扫描仪等。

4）盆栽试验设计。由于在大田条件下难以取得足够多的土壤水分梯度，为进一步研究主要造林树种的水分生理特性和校核蒸发散，布设了盆栽苗木的试验，便于在自然条件下进行不同土壤水分处理。有油松、侧柏、刺槐、山杏、白榆、元宝枫、沙棘和柠条等8个树种。还采用Micro-lysimeter微型土壤蒸发器，通过TDR水分测定仪与BP—3400精密天平人为设置土壤水分梯度（4%～20%，Δ＝2%），Micro-lysimeter表面用塑料膜覆盖，放置试验林地和空旷的无林地，使土壤水分充分下渗。在不同土壤水分条件下，生长季典型天气下定时称重，建立林地土壤蒸发（裸地土壤蒸发）与水面蒸发的回归模型。

（3）其他试验区试验研究方法。

其他试验区为试验示范区，均为常规观测项目和方法。

2.2.3.4 资料收集、整理及修正

本文主要是研究山西全省大区域的生态用水，因此，收集和整理资料是研究工作中十分重要的组成部分。收集的全省有关资料主要有：

（1）气象整编资料。1981年以前公开的气象整编资料，以及1981～2000年内部整编资料，并按生态分区进行整理。

（2）水文水资源资料。1956～1984年河川径流资料、1939～1984年降水资料，1979～2005年水资源资料。

（3）森林资源资料。1995年、2000年、2005年的森林资源清查资料，经分析比较，为防止数据交叉的误差，采用了1995年的资料，平原绿化采用2000年的资料。

（4）草地资源资料。采用1996年山西省土地资源清查资料。

（5）水土保持资料。水土流失调查资料收集了三次遥感调查的数据，经分析，采用了1991年的数据（可靠性较高）。水土保持措施采用山西省水土保持专项规划中的数据。

（6）生态建设规划资料。采用省政府批复的全省生态建设规划及相关资料。

由于收集的资料时段不同，尽量相互校证，进行修正后使用，使之误差减少。

植被生态用水是生态用水的主体，本文为了将试验区的试验数据应用到山西省不同区域上，根据分区特征，收集了山西省部分地区及相邻省份（自然条件接近）的生态用水方面的其他研究资料，采取一定的方法进行修正（在气象条件相近的条件下，采用闵庆文2004年提出的土壤水分与质地修正法）后，形成分区植物耗水与需水系数，应用于生态用水计算中。