陈 喜，黄日超，黄 峰，刘秀强，张阳阳，张润润

（1.天津大学地球系统科学学院, 天津 300072；2.天津大学表层地球系统科学研究院, 天津, 300072；3.天津市环渤海关键带科学与可持续发展重点实验室, 天津 300072；4.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室, 江苏 南京 210098）

西北内陆河流域深居欧亚大陆腹地，地域辽阔，总面积为2.51×106km2，约占全国土地面积的26%，是我国水资源短缺最严重的地区之一，也是生态极端脆弱区之一[1]。内陆河流域四周被高山、高原所围绕，形成了干旱地带独特的水循环系统，降水、地表径流和地下水具有显著的地带性分异规律，呈现为上游山区径流形成区、山前平原地表水与地下水转化区以及中下游绿洲平原水源消耗区[2-4]（图1）。

图1 内陆河流域上、中、下游面临的问题概化图Fig.1 Generalized map of the problems faced by the upper, middle and lower reaches of an inland river basin

西北内陆河流域上游均为高大山区，如昆仑山、天山、阿尔泰山、祁连山等，气象、水文、植被生态系统垂直分带明显。海拔4 000 m 以上的高山带发育有冰川，降水充沛，形成降水径流和季节性积雪、冰川融水径流；高海拔至低海拔的山前地带分布高山草甸带、亚高山草甸带、山前森林带、山地草原带、沟谷草甸带以及山前荒漠草原带，由此形成独特的生态水文分带特征[5]。近百年来，气候和人类活动发生了显著变化。气温的不断升高导致冰川融化加速、冰川退缩，在冰川融雪补给径流比例较大的流域径流显著增加[6]，而冰川退缩和消失也可导致山区失去冰川融水的补给作用；降水在20世纪90年代由偏枯向偏丰转变，至20世纪90年代河流出山口径流量总体呈现下降后再上升的V 型变化[7]。在气候变化和植树造林等生态恢复措施下，21世纪以来，植被由退化向显著恢复转变，由此植被蒸腾增加，产水量降低，进而影响中下游可利用水资源量。由于山区气候-下垫面（冰雪、冻土、寒漠、草地、森林等）-水文（蒸散发、径流等）变化十分复杂且存在互馈关系，虽然不同学科对气候、生态和水文演变做了大量研究，但仍缺乏对高山区“气候-下垫面（植被、土壤等）-水文”的互馈机理及其演变的水资源效应研究。

从内陆河出山口至中下游荒漠边缘，分布有人工绿洲、内陆河平原沿河岸形成的非地带性生态群落；在非地带性的绿洲生态与地带性的荒漠生态之间的过渡带，植被以中、低盖度草地为主；在盆地中心、河流尾闾部位通常分布尾闾湖，具有涵养水源、防风固沙等功能。因此，西北内陆河中下游是一个集人工绿洲、草地、林地、湖泊湿地的复合生态系统[8-9]。由于降水稀少，中下游生态系统依赖上游山前潜流和河流输送补给的地下水维持其结构和功能，称之为依赖地下水的陆面生态系统（Groundwater Dependent Terrestrial Ecosystems, GDTEs）[10]，且GDTEs 受强烈的人类活动影响。例如，在无人类干扰或干扰程度小的自然状态下，上游山区来水入渗形成范围较大的地下潜流带，潜流带GDTEs 可维持高覆盖的植被（自然绿洲）；远离潜流带，随着地下水水位逐渐下降，GDTEs 功能逐渐降低，形成中低覆盖且以耐旱性强的荒漠植被为主的荒漠过渡带。由此GDTEs 形成自然生态保护屏障。但在经历长期气候干化、人工绿洲扩张，地下水超采形成区域降落漏斗，GDTEs 维持的自然绿洲和过渡带逐步消失，生态系统退变初期呈现以植被覆盖度降低为标志的“渐变”，逐步向以植被群落退化为标志的“质变”和沙漠化等灾害的“灾变”转变，导致严重的生态环境问题（图2）。同时绿洲扩张和灌溉改变了原有土壤盐分平衡，局部地区土壤次生盐碱化[11]。因此从生态水文视角以及水资源管理需求，GDTEs 研究涉及“大气-植被-土壤-地下水”的互馈关系以及GDTEs指标（如生态地下水水位）。

图2 西北干旱区地下水水位下降导致的生态退变Fig.2 Ecological degradation caused by the decline in groundwater level in the arid region of northwest China

从整个流域尺度上，需要综合考虑上游产水和跨流域调水与中下游耗水之间的平衡，协调生态-水资源-社会经济之间的关系；受强烈人类活动影响的中下游GDTEs 还涉及含水层采补平衡和地表水与地下水资源量调控方式（图1）。21世纪以来，西北内陆河流域水资源管理实践取得显著成效。生态调水工程、节水、地下水压采等水资源管理措施以及退耕还林的实施，水资源格局、地下水动态和生态环境状态发生新的变化，植被覆盖率增加显著，绿洲地下水水位下降趋势得以遏制，尾闾湖水面增加[12-13]。但由于西北地区降水量稀少，水资源短缺，生产用水与生态用水之间矛盾长期存在，大范围恢复地下水水位难度极大，植被恢复的长期稳定性及演变趋势仍不明确。

为此，本文基于国家重点研发计划项目“我国西部特殊地貌区地下水开发利用与生态功能保护”课题1 研究成果（2017YFC0406101），针对内陆河流域上、中、下游水循环与生态退化的历史演变以及新形势下面临的问题，从“大气-植被-土壤-地下水”的作用机理以及水资源与生态、社会相协调的机制和平衡分析，系统总结相关研究方法和成果，并以石羊河流域等为例加以剖析和定量分析，预测气候暖湿背景下上游植被和水文演变趋势，提出中下游维持绿洲植被的生态地下水水位埋深、生态需水量和生态输水方案，以及整个流域水均衡和生态功能保障措施。

1 西北内陆河流域水循环和生态演变

1.1 上游山区大气-植被-水文互馈机理及径流演变预测

流域内不同下垫面之间水分在土壤-植被-大气之间的循环过程机制及其在水文过程中作用的定量研究面临诸多挑战[14]。在干旱缺水的西北地区，其关注重点是上述要素演变对径流演变的影响。目前研究大多采用历史统计分析方法或水文模型分析气候和下垫面变化对径流的影响。如根据降水-径流关系，得出西北地区气候暖湿化背景下出山径流量与降水变化趋势较为一致[15]；基于观测资料和水平衡模型解析干旱区内陆河植被变化对产流影响[16-17]，总体来看，草地对山区径流的贡献较森林要大得多[14]。

以往气候-水文-植被动态研究大都孤立其中某些过程或要素进行分析。例如，采用水文模型量化气候和植被对径流影响，研究中植被参数设置为静态或根据遥感数据等得出历史植被动态指数作为模型输入或状态变量。但该研究方法不足以反映气候-水文-植被动态之间相互作用机制[18-20]。丁永建等[14]研究表明，植被的蒸散可增强山区不同水文单元内的循环及不同水文单元之间的水汽输送和交换。同时，气候干湿变化会通过土壤水分状态变化影响植被动态。

近年来，耦合大气和陆表过程的地球系统模式研究取得了长足进步[21]。在大气-植被-水文互馈机理模型方面，基于碳水耦合机理建立的动态植被模型（如Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model，LPJ），增强了水文过程与植被动态之间的反馈及其对气候变化的响应机制，可应用于综合模拟和预测气候变化（大气CO2、温度升高和降水变化）对植被动态（如植被覆盖率、叶面积指数等）、水文（蒸散发和径流等）影响，并已在全球气候变化对植被水分利用效率、植被耗水以及陆地植被碳源、碳汇等方面取得了一系列新的认识[22-25]。此外，通过增强LPJ 模型中地形、水系、冻土等下垫面特征对水分、能量再分配功能，提高了该类模型对流域水文与植被动态的模拟能力[24, 26 - 28]。

西北干旱区植被恢复和实际蒸散发量增加可能导致产水量和可利用水资源量减少，这是生态恢复措施实施十分关注的问题。以往研究大多忽略大气CO2浓度、气温升高促进植被光合作用的同时会提高植被水分利用效率，从而能够降低植被恢复增加的蒸腾消耗。在石羊河流域上游山区，通过优化LPJ 模型中植被、水平衡参数，模拟和预测历史和未来气候变化下植被-水文演变，得出1979—2018年大气CO2浓度升高（从0.033 53%增加到0.039 55%）、气候暖湿趋势下净初级生产力（NPP）显著增加，由此实际蒸散发量E增加，但植被水分利用效率（WUE）增加更为显著，因此，植被恢复增加的水分消耗对径流量影响较小。在未来气候变化（CMIP6 的3 种情景：SSP1-26、SSP2-45 和SSP5-85）条件下预测：2021—2040年气候变化下（CO2浓度增加17.8%～23.8%、气温升高1.9～2.2 °C， 降水增加-0.2%～1.6%）， 植被恢复（NPP增加 14.4%～19.5%）增加的蒸散发量（4.4%～5.3%），小于WUE显著增大（9.9%～14.3%）降低的蒸散发量， 因此径流量R还略有增加（0.5%～4.8%）；但在2041—2060年随着大气CO2浓度、气温进一步升高（分别增加22.3%～50%、2.3～3.6°C），即便降水增加（2.4%～4.1%），植被进一步恢复（NPP增加32.2%～50.2%），增加的实际蒸散发量E（7%～9.0%）大于WUE增大（23.1%～38.5%）降低的蒸散发量，将可能导致径流量减小2.7%～11.0%；且气候变化导致上游山区NPP、E和WUE高值将随海拔上移[29]。

高寒山区气候-水文-植被的相互作用及其对产流量影响还受到冰川和积雪融化、冻土冻结和消融影响。如石羊河的西营河子流域，冰川融水径流补给较大[30]，模拟时不考虑冰川消融补给和冻土的影响，径流相对误差可以达到-21%。冰川和冻土冻融还影响植被根系层水量，进而影响植被生长和蒸散发量；同时，覆被状态变化也通过改变陆表水热条件影响冰川和冻土冻融过程以及产水量。因此，在更大尺度上将气候、土壤（冻融）、水文、植被动态耦合是提高多要素相互作用机理认识以及降低模型模拟和预测结果不确定性的途径。

1.2 中下游大气-植被-土壤-地下水作用机理及GDTEs 控制阈值

解析中下游人类活动影响下大气-植被-土壤-地下水协同演变的效应，是认识生态环境演变机理的途径。在荒漠植被区、人工绿洲和湖泊区又可分别表述为“大气-（荒漠）植被-土壤-地下水”、“灌溉-作物-土壤-地下水”系统和“湖泊-（水生、旱生）植被-地下水”系统。无论哪个类型系统，地下水都对陆表植被、作物和湖泊具有重要控制作用。为此，水资源管理部门提出了地下水水位、水量“双控”指标。

从GDTEs 角度，由于降水稀少，荒漠植被区“双控”指标取决于根系层土壤（质地、水分和含盐量）、植被（类型和年龄、根系伸展深度）以及地下水动态（埋深、溶解性总固体）之间的关系，是确定维持植被生长和防止土壤盐渍化的生态地下水水位埋深的依据[31]。在人工绿洲区，由于长期超采地下水形成的大范围降落漏斗，大部分地区已失去GDTEs 功能，推进“灌溉-作物-土壤-地下水”系统向“（地表水、地下水）灌溉-作物/植物-土壤”系统演化，这就需要确定其生态耗水量和需水量。在尾闾湖区，“湖泊-（水生、旱生）植被-地下水”系统从自然河流输水演变为人工生态输水下入渗水形成的湖泊周边GDTEs 功能，由此需要确定最优的生态输水过程（输水量和输水时间）和调控方式。

西北干旱区荒漠植被的生态地下水水位埋深研究较多，主要研究方法有：直接测定法[32]、遥感解译法[33]、同位素分析法[34]、水文模型法[35]。笔者[36]通过系统收集我国西北干旱、半干旱荒漠区近30年不同荒漠植被类型的地下水水位埋深、根系土壤特征和含水率以及气象资料，采用“元分析”方法得出西北地区荒漠植被适宜和极限生态地下水水位埋深的平均值分别为2.9 m 和5.5 m，维持生态丰富度和多样性其控制范围分别为2.3～3.9 m 和4.0～7.2 m。当地下水水位埋深逐渐增大时，浅根系的草本植物生长首先受到胁迫，其次为深根系的灌木和乔木；且植被生长状况与地下水水位埋深变化速率有依存关系。通过分析石羊河尾闾青土湖生态输水渠系、湖水、土壤水和地下水水化学和同位素，得出维持水生（芦苇）和荒漠典型植被（如白刺）生长的土壤含水量分别不低于20%、10%，且表土含盐量分别不超过2 g/kg 和6 g/kg 临界指标；青土湖周边适宜地下水水位埋深：水生植物为1.15～1.40 m，远离湖边的荒漠植被区为2.37～4.55 m，在中间盐碱化严重地区控制潜水蒸发的极限埋深为1.60～1.85 m[37-38]。

在荒漠植被生态耗水量和需水量方面，干旱区单株荒漠植物蒸腾耗水量和植物群落耗水量观测和计算方法较多[39-40]。其中，单株植物蒸腾耗水量分析计算方法主要有：整容器法、快速称重法、液流法（热脉冲、热扩散、热平衡）。植物群落耗水量是特定流域内的植物在一定时间内蒸腾耗水总量，其主要计算方法有：水量平衡法、微气象法、红外遥感法[40]。近年来，通过研究植物生理特征参数（如气孔导度）与土壤水分及其受地下水水位（毛细上升带）和气象条件影响机理，发展了植物蒸腾耗水量模型，包括经验模型（如Jarvis 模型）和半经验模型（如Ball-Woodrow-Berry BWB 模型）[41]。笔者[42]采用气孔导度模型（Tardieu-Davies 模型）[43]估算出西北干旱区8 种荒漠植物（梭梭、盐节木、罗布麻、白刺、芦苇、柽柳、胡杨和红砂）生长季（4—9月）在适宜和极限生态地下水水位埋深下，平均蒸腾耗水量分别为793 mm 和611 mm。其中，芦苇生长季的蒸腾量最大，梭梭的最小。由适宜生态地下水水位埋深增大为极限埋深时，随着供水条件的下降，植物生长季耗水量平均减少27%。耐旱性强的梭梭、白刺蒸腾量减幅大（51%、35%），耐旱性弱的芦苇、柽柳蒸腾量减幅小（18%、13%）。虽然在GDTEs（适宜—极限地下水水位埋深）功能支撑下单株植被蒸腾耗水量大，但当GDTEs 功能下降或消失时，植被覆盖率将显著下降，区域植物耗水量随之减小。例如根据遥感数据估算，黑河流域2019年5—9月荒漠植被覆盖率仅为0.17，由此得出黑河流域荒漠植被区（面积为14.2×104km2）在2 种生态地下水水位埋深下总耗水量为106×108～128×108m3，转换为单位面积荒漠植被生长季蒸腾耗水量为0.08～0.10 m3/m2，其中白刺、柽柳和梭梭耗水量依次为3.6×108～5.5×108m3、11.0×108～12.6×108m3、0.7×108～1.4×108m3。该值略大于遥感数据（PML_V2 模型）估算的黑河流域荒漠植被同期蒸腾耗水量（0.07 m3/m2）以及荒漠区生长期降水量（81 mm），说明地下水对荒漠植被作用较弱，区域植被生长可能已转化为主要依赖稀少的降水。

在内陆河尾闾湖区，“湖泊-（水生、旱生）植被-地下水”系统涉及到生态输水量和输水时间对湖泊水体、湖周边入渗水以及地下水水位和水质影响，并由此确定GDTEs 指标或目标。一种研究途径是基于历史生态输水量、陆表覆被遥感解译、湖泊面积、地下水水位和溶解性总固体等信息拟合外推，得出恢复GDTEs 及实现规划的生态恢复目标的生态输水量。另一种研究途径是建立生态输水影响区内湖泊、地下水、荒漠植被单元水量平衡模型或数值计算模型以及GDTEs 功能函数，以单位输水量的水资源利用效率、生态效益最大作为目标进行优化。针对石羊河尾闾湖—青土湖绿洲生态恢复目标，笔者[12]构建了基于途径二的生态水文模型，设置2010年以来24 种生态输水情境，计算未来20年绿洲恢复达到稳定状态下的地下水水位埋深、绿洲面积、绿洲归一化植被指数（NDVI），优化得出最理想的生态输水情形（以最小的绿洲蒸散损耗产生最大的生态用水效益），地下水水位埋深可恢复至2.34 m、绿洲面积恢复至29.16 km2、绿洲NDVI 恢复至0.41，相应地，青土湖生态输水量应提高至0.45×108m3/a。

大气-植被-土壤-地下水作用机理十分复杂且空间异质性高，目前已有荒漠植物生理特征参数、耗水量以及影响要素（土壤、地下水、大气等）的观测和分析还缺乏代表性，需要加强对不同类型植物多要素的观测和机理研究。目前，在区域尺度上建立的植被耗水、土壤水、地表水与地下水耦合模型并应用于实际，其模拟和预测结果仍存在较大不确定性。

2 流域水资源时空调控及生态功能保障

西北地区生态环境极为脆弱，生境条件相对恶劣，但在国家生态安全屏障方面承担着关键使命[44]。绿洲农业开发具有悠久历史，在保障我国西北地区政治、经济和军事安全方面具有重要作用。农业绿洲开发起到防风固沙、防治土壤盐碱化等作用，但绿洲水资源承载力较低，河流拦蓄、地下水超采导致下游河湖干枯，自然绿洲面积减少，土地沙化，进而又制约农业绿洲的发展。因此，需要研究水资源约束下人工和自然绿洲面积合理比例，形成功能不同的生态圈[45]，实现维护生态安全、促进地区经济发展的目标。

从水资源系统层面上，保障上游产水量满足中下游经济、社会发展用水和生态用水需求，涉及来水（地表水和地下水）动态模拟和预测，生态与社会经济需水计算，以及工程措施调控和非工程措施（节水等）。需要采用大系统、多目标优化方法，在宏观层面优化水资源-经济、社会-生态之间配置方案；在精细化调控层面，根据供需动态变化，以实现地下水采补平衡、河湖生态恢复和促进经济的可持续发展目标，优化具体调水方案[46]。

笔者首先通过分析石羊河流域近20年水资源供、用、耗水空间格局及变化趋势，核定了农作物、牲畜、居民生活、工业生产、生态环境的用水定额及规模。然后，基于“干旱半干旱区地下水功能评价与区划理论方法”[47]确定的地下水生态功能保护区，以“生态-经济-社会”协同发展为目标，构建了水资源优化配置模型，分析不同供需情景，提出基于自然与人工调蓄于一体的林-地-水配置方案。得出实施《石羊河流域重点治理规划》以来，水资源利用效率提高显著、地下水超采状态得以遏制，民勤盆地已实现地下水采补平衡，但武威盆地地下水仍处于超采状态，基本生态面积占比距离规划目标仍有较大差距。对此需要进一步减少农业灌溉用水和调整农业、植被面积。一是采取“保田增林”，维持现状作物灌溉面积不变，降低灌溉定额（武威和民勤分别为5 700 m3/hm2和5 370 m3/hm2）；二是采取“以田换林”，压缩农业灌溉面积，减少灌溉用水量，节约的农业灌溉水量可满足增加耗水量低的荒漠植被面积。为实现石羊河流域地下水功能区划方案，宜在武威盆地东侧和腾格里沙漠交接带以及西北部荒漠过渡带增加林草面积，以增加武威盆地地下水适宜规模开采区、地下水适宜限量开采区林草面积。民勤盆地可在地下水控制开采区增加林草面积，以实现控制地下水超采、提升生态对地下水涵养功能的目的。

该研究现在还处于现状水资源宏观均衡分析和优化配置阶段，将整个流域上中游多模型模拟与多目标实时优化调控相结合，满足上游产水量预测预报、中下游水利工程调度和地下水“双控”管理实施需求，仍面临系统复杂性、预测预报不确定性以及调控指标动态性等一系列问题。

3 结论

针对我国西北内陆河流域上、中、下游水资源和生态环境演变，系统分析了大气-植被-土壤-水文（地下水）作用机理、GDTEs 控制阈值以及水资源优化调控，并在石羊河流域等加以应用和系统阐述，得出以下认识和结论：

（1）上游山区历经20世纪80年代以来气候暖湿化，植被恢复显著，蒸腾消耗水量增加，但由于降水增加和植被水分利用效率的提升，历史及未来20年对上游山区产水量影响较小，但远期持续升温和植被持续恢复，可能导致产水量下降。由于气候变化的不确定性以及大气-植被-水文互馈效应，需要在更长历史资料和大尺度上进一步研究降水、气温等周期性变化，覆被恢复增加的蒸腾水分对区域水循环的影响，以及气候、植被变化对冻土、入渗水调蓄等的影响。研究大气-植被-土壤-水文作用机理并进一步发展耦合模型，是提高上游山区水循环研究认识以及提高出山口径流模拟和预测精度的有效途径。

（2）中下游地区地下水下降趋势总体得到有效遏制，但由于水资源短缺，地下水水位难以短时段大规模恢复至生态地下水水位。通过生态输水、加大渠系和尾闾湖周边入渗，并结合人工灌溉，局部地区荒漠植被及湖泊湿地恢复显著。但由于西北地区人工和自然植被、河湖等组成的生态系统极为复杂且脆弱，历史上长期生态退化导致一系列环境要素已发生改变（如土壤沙化），目前生态恢复措施能在多大程度上改善植被生态赖以生存的条件，维持其长期演变的稳定性还存在较大不确定性。因此，需要针对不同地区、不同生态类型系统研究大气-（荒漠）植被-土壤-地下水系统相互作用机理，及其受气候和人类活动影响下的演变趋势，并在此基础上确定水量、水位动态管控指标。

（3）内陆河地区水资源在抑制需求、增加供给、改善生态环境方面取得了显著成效。但应该认识到水资源-社会经济-生态环境之间矛盾依然突出，且长期共存。在有限的水资源支撑能力下，确定农业绿洲和自然绿洲面积合理比例，拓展绿洲生态圈功能，维护生态安全、促进地区经济社会可持续发展仍然是未来需要探索的问题。在加强对气候、生态、流域水循环自然演变规律认识的同时，系统分析不同历史阶段水资源调控决策、管理实践中取得的成效和存在的问题，提出科学管理指标、调控措施和应对策略，以实现区域水资源供给能力增强、生态环境逐步改善、社会经济可持续发展的目标。