生态地下水位的概念

目前，对生态环境需水的概念尚无统一的定义，有些定义为生态需水，有些定义为环境需（用）水，有些定义为生态环境（需）用水，有些将生态需水与环境需水进行区分。文献[2]对此作了如下阐述：
Covich认为，生态需水就是保证恢复和维持生态系统健康发展所需的水量。Peter H Gleick提出了基本生态需水（basic ecological water requirement）的概念，即提供一定质量和一定数量的水给天然生境，以求最大程度地改变天然生态系统的过程，并保护物种多样性和生态整合性；同时应该考虑气候、季节变化等因素对生态需水的影响，认为基本生态需水应是在一定范围内可以变动的值，而不是一个固定的值。
杨振环、崔宗培、徐乾清等将环境用水的概念定义为：“改善水质、协调生态和美化环境的用水”。汤奇成界定了干旱区的生态环境用水量概念，认为生态环境用水，一是指对一些重要（对绿洲经济的持续发展和对周围生态环境起重要作用）的湖泊进行补水，不主张对干旱区所有萎缩和干涸的湖泊进行补水，如罗布泊、台特马湖等；二是人工造林及人工草场的用水量，以土地沙漠化的面积不再扩大为原则。贾宝全等认为，生态用水就是环境用水或生态环境用水，并给出了干旱区生态用水的粗略概念：在干旱区内，凡是对绿洲景观的生存与发展及环境质量维护与改善起支撑作用的系统所消耗的水分，称之为生态用水。谢新民等认为：所谓生态需水量是指为解决生态问题（如保护湖泊、湿地、水生生物、生态防护等）所需要的水量。刘昌明根据水资源开发利用与生态用水的关系，提出了“四大平衡”的原理，即水分能量平衡、水盐平衡、水沙平衡与水量平衡（含水资源供需平衡）。钱正英等认为；“从广义上讲，维持全球生物地理生态系统水分平衡所需要的水，包括水热平衡、生物平衡、水沙平衡、水盐平衡等所需要的水都是生态环境用水”，“狭义的生态环境用水是指为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量”，其狭义概念的实质是生态环境建设用水。根据狭义观点，钱正英等从保护和恢复内陆河下游的天然植被及生态环境、水土保持和水保范围之外的林草植被建设、维持河流水沙平衡及湿地水域等生态环境的基流、回补黄淮海平原及其他地方的超采地下水等方面，估算了全国的生态用水，认为全国的生态用水低限应为800×108～1000×108m3。
综上所述，应该看到，生态需水和环境需水是有区别的：
（1）环境需水是指为保护和改善人类居住环境及其水环境所需要的水量。主要有下列几个方面：①改善用水水质。对于河流，应保证枯水期的最小流量，使其保证河流最基本的环境功能，达到一定的污径比，以改善水质。对于湖泊，主要是加强受污染水体的水量交换，提高水体自净能力和降低单位容积的纳污量，以达到湖泊功能要求和水质标准。②协调生态环境。为维持水沙平衡、水盐平衡及维护河口地区生态环境，需要保持一定的下泻水量或入海水量。③回补地下水。为遏制超采地下水所引起的地质环境问题，需要一定的回灌用水。④美化环境。主要指城市净化、绿化及公园湖泊等用水。
（2）生态需水是指维持生态系统中具有生命的生物物体水分平衡所需要的水量。主要有下列几个方面：①维护天然植被所需要的水量，如森林、草地、湿地、荒漠植被等；②水土保持及水保范围之外的林草植被建设所需要的水量，如绿洲、生态防护林等；③保护水生生物所需要的水量，如维持湖泊、河流中鱼类、浮游植物等生存的用水。
文献[3]主张“生态用水”概念，并定义为“在一定区域，支撑生态系统完整性所需用的水量”，同时指出，在操作时应根据研究区具体情况，划分生态系统类型，进而划分生态用水类型与范围，针对每一生态用水计算区进行计算，再汇总。显然，这里的完整性包含了环境的含义在内。文献中列举了生态用水计算模型和生态用水定额的确定方法，描述了生态用水量与水资源量的关系以及水资源配置中如何考虑生态水的建议。
笔者认为，“环境”与“生态”有交互重叠的部分，但只用“生态需（用）水”或只用“环境需（用）水”都难以完全涵盖用以自然生态系统中的水需用量。因此，采用“生态环境需水量”一词较为贴切。

我国西北干旱地区主要耐旱植物种有柽柳（红柳）、胡杨、梭梭、骆驼刺和芦苇等，它们是西北地区的广布建群种，有良好的防沙、固沙能力，多属优良固沙树种。
1.柽柳种群
柽柳是我国西北干旱地区的广布种，是一种耐旱、耐盐性植物，具有十分发达的根系，有研究报道柽柳根系最长可达40m，适合在不同环境中生存。在黑河下游地区，地下水埋深3～5m最适合柽柳生长，常在植被群落中构成优势植物，地下水埋深1～3m时在植被群落中常成为伴生种群，当地下水位埋深大于5m时柽柳群落退化显著。在沙地中，柽柳的固沙作用明显，常形成丛状的柽柳沙丘，从黑河下游被风蚀作用剥开的柽柳沙丘可观察到，柽柳根系盘根错节布满沙丘内部，有很好的固沙作用，在这些地区尽管地下水埋藏深度大于5m，沙丘顶部的柽柳却能生长良好。由于各地降水量、包气带岩性和结构不同，适于柽柳生长的地下水埋深有所差别，新疆塔里木河流域，地下水埋深为1.0～8m，最适于生长的水位埋深为1.5～3m；河西走廊的石羊河下游，适于柽柳生长的水位埋深为1～7m，最适于生长的水位埋深为5～7m。
2.胡杨种群
胡杨是西北地区分布较为广泛的一种高大乔木，水平根系发达，在额济纳旗曾观察到水平根系延伸长度竟有60m以上，有一定的耐盐性，可在矿化度为1～3g/L地区正常生长。由于树冠较大，蒸腾量大，对水分需求较高，通常分布在地下水埋藏较浅的河边或古河道上。最适于胡杨生长的地下水埋藏深度为1～3m。在地下水位埋深大于3m的地区，胡杨生长不良，退化严重。胡杨对水环境变化较为敏感，河道变迁，改变了原有河道的水环境，在干涸的河道两旁，退化和死亡的胡杨随处可见，往往形成“怪树林”，成为黑河下游的额济纳旗常见景观，为摄影爱好者所青睐。石羊河下游地区，20世纪50～60年代，地下水埋深1～3m；胡杨生长良好，到70年代，地下水位下降，水位埋深为3～5m，胡杨林退化严重；80年代后，地下水埋深降至5m以下，胡杨种群基本消失。
3.梭梭种群
梭梭是我国荒漠植被的主要建群种，是一种耐旱的优良固沙树种，主要分布在降水量低于130mm的干旱荒漠区。我国荒漠地区仍保存着大量的原生梭梭林地，主要分布在准噶尔盆地的玛纳斯湖盆区，成年株往往高达4～5m。额济纳旗年降水量只有40mm，在古日乃西部的梭梭头和拐子湖周围的沙地也有大片原生梭梭林分布，梭梭高大，株高3～4m，群落盖度20%～40%，地下水埋深2～6m。在古日乃东部，由于地下水补给量减少，水位降低到6m以下，造成大片原生梭梭林死亡。在黑河中游地区，降水量大于100mm，梭梭发达的根系能从包气带中吸取水分，人工梭梭林生长主要依靠降水，对地下水位的依赖不显著。在极度干旱地区，梭梭群落发育对地下水依存度高，生态水位埋深应小于6m。新生株的发育则要依靠冬季积雪的融化或偶发的暴雨。
4.芦苇种群
芦苇是一种隐域性植物，广泛分布，是湿地植被的主要建群种，对环境变化具有较强的适应性。在西北干旱地区，芦苇主要分布在地下水排泄区形成的湿地、河湖岸边，以及由湿地和湖泊退化形成的荒漠、沙地中，常成为主要建种和伴生种。
芦苇种群特征与地下水位埋深密切相关。赵文智（2002）对河西走廊临泽县河床和湿地中的芦苇研究表明，在水分条件较好的湿地中，芦苇种群密度较大；芦苇种群密度随地下水埋深增加而逐渐降低，生长优势逐渐从地下转到地上，种群高度随地下水埋深增加而增加，当地下水位埋深大于1m时，种群高度增加迅速。
黑河下游的古日乃湿地由尾闾湖退化而来，由于地下水排泄量减少，古日乃湖已干涸，在其南部为密集芦苇草原，属单一芦苇种群，种群高20～50cm，覆盖度为40%～70%，地下水埋深1～2m。在泉水附近，包气带水分充沛，芦苇高度达3m以上，十分密集，成丛状，芦苇群落发育高度与包气带水分条件有关。在地下水位埋深2～3m的地区，为稀疏芦苇草原，有梭梭或柽柳伴生，芦苇群落密度较小，群落覆盖度20%～30%，群落高度10～20 cm。芦苇对环境的适应性强，适宜生长的生态水位埋深小于5m，最适于生长的水位埋深为1.5～3m。
5.骆驼刺群落
骆驼刺是我国西北干旱地区的广布种，根系十分发达，是一种耐旱、固沙性好的灌木。在黑河中游降水量大于150mm的荒漠地区，尽管地下水位埋深大于20m，骆驼刺靠包气带持有的水分仍能维持生长，与降水量和包气带岩性结构有关。在极度干旱地区，骆驼刺对地下水依赖程度高，地下水埋深2～3.5m最适宜骆驼刺生长。

干旱地区，天然植被对地下水依存度很高，地下水埋深控制着植被种群的分布格局和稳定。对于某一植物种群来说，都有其相对应的地下水埋深，来维系种群的生长和繁衍，该水位埋深界定为这一植物种群的生态水位。宋郁东等（2000）将生态水位定义为，能维持非地带性自然植被生长所需水分的地下水埋藏深度所对应的地下水位（简称生态水位）。

不同植物种群具有不同的生态水位，通常是对某一种群出现的频率与相应的地下水位进行统计，然后找出与出现频率最大种群相对应的地下水位埋深区间，确定为该种群的生态水位。王芳等（2002）对塔里木盆地胡杨、柽柳、芦苇、甘草、罗布麻和骆驼刺等种群频率分布最大值进行了分析，它们相对应的地下水位埋深分别为3.2m、3.7m、1.9m、2.7m、2.9m和3.4m。荒漠植物的生态水位为2～4m。

植物根系从包气带和地下水中吸取水分，经过叶片的光合作用后，通过气孔进行蒸腾，蒸腾作用是地下水排泄的一种重要形式，不同种类的植物根系发育深度、细胞渗透负压以及叶片气孔结构等生理结构不同，对水环境和水分需求也不相同。天然条件下，生态水位是植物种群长期自然选择的结果，同时，也是地下水系统的排泄区与植被生态系统之间水质、水量交换的一种耦合平衡。

西北干旱盆地多属季节冻土区。冬季，季节冻土形成过程中，在季节冻土层内会形成冷生湿润砂层，使包气带在季节冻土深度范围内含水量增加，生态地下水位埋深较浅，有助于冷生湿润砂层的形成与发育，对植被群落的形成和生长十分有利。通常生态水位及冷生湿润砂层只能为已形成发达根系的青壮年植株生长提供必要的水分。植被的更新和新生幼株的萌生则是要依靠洪水泛滥或暂时性暴雨的浇灌。例如，2001 年笔者在黑河下游额济纳旗绿洲调查时，观察到，由于连续干旱，胡杨林和柽柳林几乎全是青壮年株，枝枯叶黄，生长状态不好，见不到幼株；2002 年5 月开始出现降雨，黑河上游洪水进入额济纳旗绿洲，凡是有洪水漫过的林地中，生机盎然，随处可见幼株，尤其是在禁牧林地中，幼株密度可达5～10株/m² ，而没有洪水漫过的林地，尽管林木生长良好，幼株却十分少见。

绿洲和周边地区的荒漠植被是维系绿洲生态安全的重要屏障，荒漠植被种群的分布与生态地下水位关联密切，只有维系生态地下水位的稳定，才能使荒漠植被种群正常生长，起到防风、固沙的作用。定期引洪灌溉和禁牧则是维系植被种群更新的必要手段。

研究和确定生态地下水位的主要目的是维护绿洲地区的生态稳定。根据绿洲及其周边地区不同植被种群相关的生态地下水位，建立地下水系统与植被生态系统之间的耦合模型，模拟不同地表水和地下水利用条件下，对生态环境的影响，制定出合理的水资源利用方案，以期提高绿洲水资源的利用率。