生态水文平衡状态下宁夏地区植被承载力模拟.pdf

第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 3 资助项目:国家自然科学基金青年基金项目(3 2 2 0 1 6 2 7);宁夏区水利科技项目(S B Z Z-J-2 0 2 1-1 2,S B Z Z-J-2 0 2 1-1 3);郑州大学高层次人才科研启动基金项目(1 3 4-3 2 3 4 0 3 7 0,1 3 4-3 2 3 4 0 3 6 4)第一作者:范德政(1 9 9 7-),男,在读硕士研究生,主要从事水文与水资源研究。E-m a i l:1 7 1 9 5 2 2 2 0 2q q.c o m 通信作者:梅雪梅(1 9 9 2-),女,博士,副教授,主要从事水土保持研究。E-m a i l:m x m 0 1 1 51 2 6.c o m生态水文平衡状态下宁夏地区植被承载力模拟范德政1,3,梅雪梅1,2,李 鹏4,张晓明5,张国军6,任正龑6(1.郑州大学地热与生态地质研究中心,郑州4 5 0 0 0 1;2.郑州大学生态与环境学院,郑州4 5 0 0 0 1;3.郑州大学水利与土木工程学院,郑州4 5 0 0 0 1;4.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,西安7 1 0 0 4 8;5.中国水利水电科学研究院,北京1 0 0 0 3 8;6.宁夏回族自治区水土保持监测总站,银川7 5 0 0 0 2)摘要:基于E a g l e s o n的生态水文最优性理论,从区域尺度上,综合多种环境变量,模拟宁夏地区生态水文平衡状态下植被最优盖度,进而确定植被承载力,并研究在不过分消耗土壤水分的前提下不同植被类型的最优盖度。结果表明:(1)在研究期内(2 0 0 02 0 1 9年),基于E a g l e s o n生态最优性理论得到的平衡植被覆盖度与实际植被覆盖度相关关系为0.8 6,模型模拟良好,除去农田,宁夏地区的多年平均植被盖度为0.0 4 80.9 8 4,模拟的平衡植被覆盖度为0.1 5 30.8 4 0,植被盖度在空间上具有较好的一致性,南部地区较高,呈现由南向北逐渐降低的趋势。(2)从植被承载力空间分布来看,绝大部分区域实际植被覆盖度与模拟的平衡植被覆盖度的差值小于0.0 5,未处于超载状态,植被超载区主要位于泾源县。(3)乔灌草3种土地利用类型的模拟植被最优盖度均表现为从南到北逐渐减少,从多年平均来看,草地的模拟植被最优盖度为0.2 2 30.8 4 1,灌木林地的模拟植被最优盖度为0.1 8 60.6 5 9,而乔木林地的模拟植被最优盖度为0.1 5 30.6 3 5。研究结果有助于科学指导当地生态环境建设,为同类地区生态恢复建设提供理论支撑。关键词:植被承载力;生态水文平衡;E a g l e s o n生态最优性理论;宁夏地区中图分类号:S 7 1 5.5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 1 6 6-0 7D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 2 2S i m u l a t i o no fV e g e t a t i o nC a r r y i n gC a p a c i t y i nN i n g x i aU n d e rE c o-h y d r o l o g i c a lB a l a n c eF AND e z h e n g1,3,ME IX u e m e i1,2,L IP e n g4,Z HANGX i a o m i n g5,Z HANGG u o j u n6,R E NZ h e n g y a n6(1.G e o t h e r m a la n dE c o l o g i c a lG e o l o g yR e s e a r c hC e n t e r,Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 1;2.S c h o o l o fE c o l o g ya n dE n v i r o n m e n t,Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 1;3.S c h o o l o f W a t e rC o n s e r v a n c ya n dC i v i lE n g i n e e r i n g,Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 1;4.X ia nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE c o-h y d r a u l i c s i nN o r t h w e s tA r i dR e g i o no fC h i n a,X ia n7 1 0 0 4 8;5.C h i n aI n s t i t u t eo f W a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o p o w e rR e s e a r c h,B e i j i n g1 0 0 0 3 8;6.N i n g x i aS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o nM o n i t o r i n gS t a t i o n,Y i n c h u a n7 5 0 0 0 2)A b s t r a c t:B a s e do nt h ee c o-h y d r o l o g i c a l o p t i m a l i t yt h e o r yo fE a g l e s o n,f r o mt h er e g i o n a l s c a l e,av a r i e t yo fe n v i r o n m e n t a l v a r i a b l e sw e r e i n t e g r a t e dt os i m u l a t et h eo p t i m a lv e g e t a t i o nc o v e r a g eu n d e rt h ee c o-h y d r o l o g i c a lb a l a n c e i nN i n g x i a,a n dt h e nd e t e r m i n et h ev e g e t a t i o nc a r r y i n gc a p a c i t ya n ds t u d yt h eo p t i m a lc o v e r a g eo fd i f f e r e n tv e g e t a t i o nt y p e su n d e r t h ep r e m i s eo fn o tc o n s u m p t i o no fs o i lm o i s t u r e.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t:(1)D u r i n g t h e s t u d yp e r i o d(2 0 0 02 0 1 9),t h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eb a l a n c e dv e g e t a t i o nc o v e r a g ea n d t h ea c t u a l v e g e t a t i o nc o v e r a g eb a s e do nE a g l e s o nse c o l o g i c a lo p t i m a l i t yt h e o r yw a s0.8 6,i n d i c a t i n gt h a tt h em o d e lw a sw e l l s i m u l a t e d.E x c l u d i n gf a r m l a n d,t h ea v e r a g ea n n u a l v e g e t a t i o nc o v e r a g e i nN i n g x i aw a s0.0 4 80.9 8 4,a n dt h e s i m u l a t e db a l a n c e dv e g e t a t i o nc o v e r a g ew a s 0.1 5 30.8 4 0.T h ev e g e t a t i o nc o v e r a g eh a dag o o ds p a t i a l c o n s i s t e n c y,a n dt h es o u t h e r nr e g i o nw a sh i g h e r,s h o w i n ga t r e n do fd e c r e a s i n gg r a d u a l l y f r o ms o u t ht on o r t h.(2)F r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs p a t i a ld i s t r i b u t i o no fv e g e t a t i o nc a r r y i n gc a p a c i t y,t h ed i f f e r e n c eb e t w e e na c t u a l v e g e t a t i o nc o v e r a g ea n ds i m u l a t e de q u i l i b r i u mv e g e t a t i o nc o v e r a g ei nm o s tr e g i o n sw a sl e s st h a n0.0 5,i n d i c a t i n gt h a tt h e yw e r en o ti no v e r l o a ds t a t e,a n dt h ev e g e t a t i o no v e r l o a da r e aw a sm a i n l yl o c a t e d i nJ i n g y u a nC o u n t y.(3)T h eo p t i m a l c o v e r a g eo f s i m u l a t e dv e g e t a t i o nf o r t h e t h r e e l a n du s e t y p e so fg r a s s l a n d,s h r u b l a n da n dw o o d l a n dd e c r e a s e dg r a d u a l l y f r o ms o u t h t on o r t h.F r o mt h ep e r e n n i a l a v e r a g e,t h eo p t i m a l c o v e r a g eo f s i m u l a t e dv e g e t a t i o nw a s0.2 2 30.8 4 1f o rg r a s s l a n d,0.1 8 60.6 5 9f o rs h r u bl a n d,a n d0.1 5 3 0.6 3 5f o rw o o d l a n d.T h er e s e a r c hr e s u l t sa r eh e l p f u l t os c i e n t i f i c a l l yg u i d et h e l o c a l e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i o na n dp r o v i d e t h e o r e t i c a l s u p p o r t f o r t h e e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o nc o n s t r u c t i o n i ns i m i l a r a r e a s.K e y w o r d s:v e g e t a t i o nc a r r y i n gc a p a c i t y;e c o-h y d r o l o g i c a l b a l a n c e;E a g l e s o nsE c o l o g i c a lO p t i m a l i t yT h e o r y;N i n g x i aa r e a 水资源短缺对我国西北干旱半干旱地区林业发展有着较强的制约作用1。一方面是水资源及降水的短缺,土壤水分补给受限,而土壤蒸发以及林木蒸腾消耗土壤大量水分,造成林地土壤发生干化现象;另一方面,林地植被覆盖与水资源承载力不相匹,林水出现平衡失调,导致植被生长的衰退2。因此,对森林结构进行合理有效的调控,维持水分平衡以及植被正常生长将是西北干旱半干旱地区林业可持续发展的首要任务1。植被在陆地生态系统中占据重要位置,在气候调节、水土保持、生物化学循环及水循环方面发挥着积极作用3-4。而植被承载力在确定森林植被 恢 复 与 管 理、量 化 林 水 关 系 中 有 着 重 要 作用1,5。因此,植被承载力的确定已成为当前的热点问题。通过西北干旱半干旱地区植被承载力研究,可以指导我国北方大部分区域生态环境建设与恢复,同时满足国家生态安全的重大理论需求。然而,区域尺度的相关研究如今仍较为薄弱。空间分布情况及异质性是研究区域尺度下植被承载力所需回答的问题。已有研究6-7大都局限在中小尺度范围内,缺少区域尺度的植被承载力研究。目前对于植被承载力研究方法主要有水量平衡法和F AO法等4,8。但以上方法都存在一定缺点,如水量平衡法适用于小区域尺度,宏观性不强,F A O法不能具体反映不同复杂地形条件下的承载力情况8,国内相关研究9-1 0都将土壤水分作为限制因素,并采用林分密度、叶面积指数、生物量、植被盖度等作为对于衡量相被承载力的重要指标。就区域尺度而言,立地条件差异大,如温度、地貌等环境要素,都可能限制植被的生长。因此,急需一种能考虑各种影响因素的植被承载力的评价方法,从而得到植被承载力空间分布以及异质性。此外,研究自然环境条件下区域尺度植被承载力,必须要将其他因素的干扰排除在外。植被承载力的空间异质性,除受到不同自然环境条件影响外,还与研究时空尺度、土地利用方式、人类活动等因素有关。为使研究结果更接近自然状态,如何排除其他因素的干扰,分析乔灌草不同土地利用方式的影响是植被承载力研究的难点所在。E a g l e s o n生态最优性理论是基于理想状态的物理机制构成,无需经验参数调试,植被盖度与其他植被特征取决于土壤以及气候的平均状态,在自然条件下,会选择最适宜的植被盖度,即最优盖度。并且随着遥感技术的发展,使E a g l e s o n生态最优性理论可以有效的模拟区域尺度上植被动态与生态平衡、地表水文过程的关系。在自然条件下,实际植被盖度低于最优植被盖度,植被朝着最优状态生长;当实际植被盖度超过最优植被盖度,植物会逐渐缺水影响生长,破坏区域原有的生态平衡状态1 1。本研究运用E a g l e s o n生态最优性理论,试图综合多种环境变量,在区域尺度上模拟生态水文平衡状态下宁夏地区植被盖度,进而确定植被承载力,并研究在不过分消耗土壤水分的前提下不同植被类型的最优盖度,为同类地区生态恢复建设提供理论支撑。1 研究区概况宁夏回族自治区地处黄河中上游(1 0 4 1 7 1 0 7 3 9 E,3 5 1 4 3 9 2 3 N),全境海拔在10 0 0m以上,地势南高北低,属大陆性半湿润半干旱气候,干旱少雨,蒸发强烈1 2。根据宁夏回族自治区水土保持规划(2 0 1 62 0 3 0年),按水土保持分区可分为7个区(图1)。土壤类型主要以山地棕壤土、山地灰褐土和黑垆土为主;植物类型有禾本科、菊科、唇形科和蔷薇科植物1 3。图1 宁夏地区水土保持分区761第4期 范德政等:生态水文平衡状态下宁夏地区植被承载力模拟2 研究方法与数据处理2.1 研究方法E a g l e s o n的生态水文最优性理论刻画了在特定气候、土壤条件下,水文和生态过程达到长期均衡稳定状态时,植被为适应特定条件,使其部分特征达到均衡稳定状态1 4。主要定义2个植被状态变量,即植被盖度(M)和最优冠层导度(k*v),构建起植被状态空间,在该状态空间中构建植被水分需求曲线(需水方程)和根区土壤可供植被利用水分曲线(供水方程),表示植被对水分条件适应的过程中所达到的最优状态。最优冠层导度(k*v)定义为冠层潜在蒸腾与饱和面蒸散发之比(Ep v/Ep s),k*v也常称为植被蒸腾效率系数1 5。其计算原理1 6为:E a g l e s o n将生态水文过程引入到统计系统动力学方法中,进行模拟及分析,构建随机气象条件驱动下的一维土壤水动力学模型,用来刻画植被生长季节的平均水量平衡,揭示土壤水分在植被生长中的作用以及物理机理。其模型为:mh=h0a+M k*vvmt bEp s b+1-M()smt bEp s c+mhe-G-232 d+mhmK1()PSc0 e+mhmK1()P1+3/2m c-11()zw f-Sg(1)公式(1)的左边表示模型输入的水分,即降水,以平均降雨深度(mh,c m)表示;公式(1)的右边为降水分配的各个分量,分别表示:a为地表降水截流量;b为植被蒸腾量;c为裸土蒸发量;d为地表径流量;e为深层渗漏量;f为毛细上升量,由于黄土高原的地下水位通常较深,因此毛细上升项可以忽略不计;g为土壤水储量变化量,在多年平均尺度上可以忽略。式中:h0为生产季地下降水截流量平均值(c m);M为生产季平均植被盖度(无量纲);k*v为植被潜在冠层导度(无量纲);v为冠层蒸腾效率(无量纲);mt b为降水的平均间隔时间(天);Ep s为饱和水面潜在蒸发速率(c m/d);G为重力入渗参数(无量纲);为毛细入渗参数(无量纲);m为生长季节平均长度(天);K(1)为土壤饱和导水率(c m/d);P为生长季节总降水量(c m);Sc0为根区平均土壤水分(无量纲);m为土壤孔隙大小分布指数(无量纲);c为土壤的渗透系数(无量纲);(1)为土壤饱和基质势(c m);zw为地下水位深度(m);S为土壤水储量变化量(c m)。在不同地区,水量平衡方程的应用可根据实际情况对各组分项进行相应简化。对于v=1,有M与K*v的关系见公式(2),其中Ve为可供给植被蒸腾的水分:M k*v=Vemt bEp s(2)式中:k*v为植被在不受水分胁迫状态下,气孔完全张开的时候最大蒸腾潜力(无量纲),其计算公式为Ep v=k*vEp s(3)式中:Ep v为不受胁迫的潜在最大蒸腾速率(mm/d);Ep s为饱和面潜在蒸散发速率(mm/d)。公式(3)即植被的需水 方程,Ep v和Ep s分别由 公 式P e n m a n-M o n t e i t h、公式P e n m a n计算得出:k*v=1+/o1+/o+(1-M)(rcra)M0+M(rcra)M1(4)式中:(rcra)M 0和(rcra)M1分别为稀疏冠层条件下以及密闭冠层条件下的冠层阻抗和空气动力学阻抗之比。公式(4)为植被需水条件下k*v和M的关系,公式(2)为土壤供水条件下k*v和M的关系。联立公式(2)和公式(4)可以得出植被状态空间中的水分的需求和供给曲线,2条曲线中的交点可以作为理论最优的植被状态,即理论最优的M。模型中参数的含义见表1,各项的计算方法及参数取值见参考已有研究1 4,1 6-1 9。表1 E a g l e s o n的生态水文最优性理论主要输入气象和土壤参数参数含义单位取值范围mh平均降雨深度c m0.3 6 60.6 9 4ho生长季地表降水截留量的平均值c m0.1mt b降水的平均间隔时间天4.3 28.0 2气象数据mt r生长季平均降雨持续时间天0.6 10.9 6o湿度计常数P a/K0.0 6Ep s饱和水面潜在蒸发速率c m/d1.94.3m生长季节平均长度天1 5 3土壤数据KS土壤饱和导水率c m/d5.0 7 91 9 3.0 1 1m土壤孔隙分布指数无量纲0.1 0 70.3 7 5ne土壤孔隙度无量纲0.4 5s土壤饱和基质势c m-4 4.2 5 26.1 7 2 在模型中主要通过5个参数来描述不同的植被类型的植被特征,即动力消光系数()、叶面积指数(Lt)、茎部比例(树干高度/地面到树冠顶部高度)(hs/h)、水平风速相关的叶片剪切应力指数(mo)、叶片单元对风产生表面阻力的面数(no)。本研究将宁夏地区有关植被恢复的植被类型划分为阔叶林、灌木林和草地。各冠层参数赋值见表2,而mo和no在整个研究区被赋成相同的值,即mo=0.5,no=2。2.2 数据获取与处理气象数据选用位于宁夏境内1 2个国家气象台站及周边气象站逐日数据,数据来源中国气象数据网861水土保持学报 第3 7卷(h t t p:/d a t a.c m a.c n)。该数据集包括日均温度、降水、相对湿度、日照时间等。应用该数据集时,通过克里格插值法将站点数据进行插值,得到空间化气象数据。土壤参数主要来自土壤水力参数数据集2 0,该数据集是专门为中国区域地表建模而设计的,可以当作输入数据被应用于中国区域的生态水文建模。表2 模型中不同植被类型的冠层参数植被类型M=0hs/hrc/raM=1Ltrc/ra阔叶林0.50.6 00.3 14.6 80.3 7草地03.0 30.6 34.1 01.2 4灌木0.21.5 10.3 53.6 00.4 9 植被数据主要采用美国国家航空航天局(n a-t i o n a l a e r o n a u t i c s a n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n,NA S A)T e r r a卫星搭载的中分辨率成像光谱仪(m o d e r a t er e s o l u t i o ni m a g i n gs p e c t r o r a d i o m e t e r,MO D I S)的归一化植被指数(N D V I)产品。本研究采用2 0 0 02 0 1 9年MO D I S(MO D 1 3 Q 1)时间分辨率为1 6天、空间分辨率2 5 0m的N D V I数据,并运用经验公式计算观测植被盖度(F)2 1:F=N D V I-N D V IM I NN D V IMA X-N D V IM I N(5)式中:N D V IM I N和N D V IMA X分别为F=0和F=1的阈值;取累计频率为5%和9 5%的N D V I值作为N D V IM I N和N D V IMAX。关于模型计算所需的降水参数mt r以及mt b,利用M a t l a b语言编写程序,统计每个站点2 0 0 02 0 1 9年生长季的平均降雨深(mh)、单次暴雨持续时间(mt r)和暴雨间隔(mt b)。由于降水数据时间分辨率为天,统计时认为降水量大于0即记为降水1天,假设每天降水时长为6h,则计算所用的mt r和mt b转换公式:mt r=mt r o6/2 4(6)mt b=mt b o+mt r1 8/2 4(7)式中:mt r o和mt b o分别为统计的原始值(天)。3 结果与分析3.1 植被特征由图2可知,在银川平原的潜在风蚀区和六盘山水蚀区多年平均N D V I值较高,植被覆盖度整体较高,多年平均的最大N D V I值可达0.8 7 1。在贺兰山水蚀区和丘陵台地干旱平原水蚀交错区多年平均N D V I值较小。从N D V I空间变化趋势来看,2 0 0 02 0 1 9年,宁夏南部地区N D V I有所增加,主要集中在六盘山水蚀区、黄土丘陵沟壑残塬水蚀区和黄土丘陵沟壑水蚀区;北部地区N D V I有所减少,主要集中在贺兰山水蚀区、银川平原潜在风蚀区和丘陵台地干旱草原风水蚀交错区的北部;中部变化不明显,主要集中在黄土丘陵沟壑水蚀风蚀交错区。总体上,呈上升趋势的区域面积占宁夏面积的9 5.4 7%。表明在近些年来宁夏地区宏观的植被盖度、密度有明显增长,在生态治理植被恢复方面效果显著。在研究区的北部以及南部地区的植被盖度较高,植被覆盖较密,植被盖度接近于1,且主要集中在银川平原潜在风蚀区和南部的六盘山水蚀区。南部的黄土丘陵沟壑残塬水蚀区和黄土丘陵沟壑水蚀区的植被盖度次之。丘陵台地干旱草原风水蚀交错区植被覆盖最为稀疏。图2 宁夏地区多年平均生长季N D V I及植被盖度分布3.2 气候特征由图3可知,宁夏地区多年生长季次降雨平均深度存在明显的条带状空间分布特征,呈现由南向北递减的趋势。南部地区最高,为6.9 4mm;西北部次降雨平均深度最低,为3.6 6mm。由宁夏地区生长季多年平均降雨持续时间可以看出,单次降水持续0.6 10.9 6天,并自北向南逐渐增加。宁夏地区生长季2次降水之间的间隔为4.3 28.0 2天,并自北向南逐渐缩短。结果表明,北部地区降水周期长、持续时间短;南部地区降水周期短、持续时间长。从宁夏地区多年平均生长季气温的空间(图4 a)分布可以看出,北部地区气温偏高,南部地区气温偏低。从宁961第4期 范德政等:生态水文平衡状态下宁夏地区植被承载力模拟夏地区生长季日均潜在蒸散发空间分布(图4 b)可以看出,宁夏地区多年生长季日均潜在蒸散发与降水、气温表现出显著的差异,条带状分布不明显,表现为东北部地区潜在蒸散发较高,西南部地区潜在蒸散发偏低。图3 宁夏地区生长季降雨特征图4 宁夏地区生长季多年平均气温的空间分布和潜在蒸散发速率3.3 植被承载力模拟将多年平均模拟植被覆盖度(M e p)与多年平均实际植被覆盖度(M o b s)对应点绘制在x-y坐标轴中(图5),并用回归分析计算其相关关系,得到多年平均相关系数(R)为0.8 4,说明E a g l e s o n生态水文模型模拟良好。由图6和图7可知,多年平均平衡植被覆盖度与遥感卫星观测的多年平均实际植被覆盖度,在空间分布上具有较好的一致性,均为南部地区较高,从南向北逐渐降低。除去农田,宁夏地区的多年平均植被盖度在0.0 4 80.9 8 4,而模拟的平衡植被覆盖度为0.1 5 30.8 4 0。在平衡植被覆盖度下,当地气候-植被-水文之间作用关系处于稳定状态,植被生长消耗的水分和大气向土壤中补给的水分保持着动态平衡。当实际植被覆盖度大于平衡植被覆盖度时,则有可能对生态系统造成额外的水分压力。因此,将实际植被覆盖度与平衡植被覆盖度之差大于0.0 5(考虑模型估算结果存在一定的不确定性)的地区,定义为植被超载区1 8。绝大部分区域实际植被覆盖度与模拟的平衡植被覆盖度的差值小于0.0 5。植被超载区主要集中在泾源县。在A r c g i s中对土地利用类型进行重分类,将林地和疏林地重分类为乔木林地,计算得到乔灌草在多年平均的最优植被盖度(图7)。生态水文平衡状态下草地的模拟植被盖度为0.2 2 3 0.8 4 1,灌木林地的模拟植被盖度为0.1 8 6 0.6 5 9,而乔木林地的模拟植被盖度为0.1 5 3 0.6 3 5。3种土地利用类型的模拟植被盖度均表现为从南到北逐渐减少。4 讨 论在本研究中,植被超载区(即植被承载力处于超071水土保持学报 第3 7卷载状态)由基于遥感卫星观测得到的实际植被覆盖度和基于E a g l e s o n生态最优性理论估算得到的平衡植被覆盖度的差值来表示,即实际植被覆盖度与平衡植被覆盖度之差大于0.0 5的地区,定义为植被超载区。高海东等4研究认为,黄土高原的北方风沙区以及西部丘陵沟壑区有植被恢复潜力;赵广举等2 2研究表明,黄土高原的西北部(如宁蒙)的部分地区具有较高的植被恢复潜力,在丘陵沟壑及风沙区仍然有部分区域有一定恢复潜力。在本文研究中,从植被承载力空间分布来看,绝大部分地区未处于超载状态,植被超载区主要集中 在泾源县,尽 管泾 源 县 位 于 宁 夏 最南部,六盘山东麓,气候湿润,适宜林木的生长,植被覆盖度高。但泾源县实施退耕还林(草)、植树造林及封山育林等政策使其植被覆盖度加大2 2。植被覆盖度的变化受气候条件、人类活动、地理条件等影响2 3。图5 多年平均植被覆盖度M o b s与M e p回归 注:(a)基于E a g l e s o n生态最优性理论估算得到的多年平均平衡植被覆盖度;(b)基于遥感卫星观测得到的多年平均实际植被覆盖度;(c)实际的植被覆盖度与模拟的多年平均平衡状态植被覆盖度之间的差。图6 理论估算多年平均平衡植被覆盖度与遥感卫星观测的多年平均实际植被覆盖度比较图7 乔灌草的多年平均最优盖度空间分布 在干旱半干旱地区,降水是影响植被生长的主要因子,特别在黄土高原地区,缺水严重,土壤保水能力差,土壤含水量低,植物生长所需的水分主要来自于降水2 4。温度是影响植被覆盖增加的限制因素,温度上升加快地表蒸散发过程,导致土壤干化,并抑制植被生长及降低植被覆盖度2 5-2 6。草地、灌木林、乔木林3种土地利用类型的最优盖度均表现为从南到北逐渐减少,从本研究对气候特征的描述可以看出,宁夏地区植被的最优盖度可能与其降雨特征及蒸发的空间分布有关,即降雨南多北少,蒸发南少北多。李沁书1 7在研究东北植被最优覆盖度时同样发现,在草地以及林地的最优植被覆盖度随着降雨的增加171第4期 范德政等:生态水文平衡状态下宁夏地区植被承载力模拟而增加,随着气温的升高而减少。通过对植被承载力进行研究,可以对承载力情况进行分区,对不同区域的植被格局进行调控,在这个过程中可以降低对水资源的消耗,从而达到水资源的合理利用。5 结 论(1)研究期内,基于E a g l e s o n生态最优性理论得到的多年平衡植被覆盖度与实际植被覆盖度相关系数(R)为0.8 6,模型模拟良好,除去农田,宁夏地区的多年平均植被盖度为0.0 4 80.9 8 4,模拟的平衡植被覆盖度为0.1 5 30.8 4 0,植被盖度空间上具有较好的一致性,南部地区较高,呈由南向北逐渐降低的趋势。(2)从植被承载力空间分布来看,绝大部分区域实际植被覆盖度与模拟的平衡植被覆盖度的差值小于0.0 5,未处于超载状态,植被超载区主要位于泾源县。(3)乔灌草3种土地利用类型的模拟最优植被盖度均表现为从南到北逐渐减少,从多年平均来看,草地的模拟植被最优盖度为0.2 2 30.8 4 1,灌木林地的模拟植被最优盖度为0.1 8 60.6 5 9,而乔木林地的模拟植被最优盖度为0.1 5 30.6 3 5。参考文献:1 樊亚鹏,张军,扈花,等.宁夏六盘山叠叠沟小流域典型华北落叶松林植被承载力研究J.宁夏农林科技,2 0 1 9,6 0(6):4 2-4 6,6 3.2 王延平,邵明安.陕北黄土丘陵沟壑区杏林地土壤水分植被承载力J.林业科学,2 0 0 9,4 5(1 2):1-7.3 李小燕,任志远,张翀,等.中国植被覆盖气候限制性分区及时空变化J.陕西师范大学学报(自然科学版),2 0 1 3,4 1(3):7 6-8 1.4 高海东,庞国伟,李占斌,等.黄土高原植被恢复潜力研究J.地理学报,2 0 1 7,7 2(5):8 6 3-8 7 4.5 韩新生,王彦辉,邓莉兰,等.六盘山叠叠沟华北落叶松林不同生长特征的土壤水分植被承载力 的指 示作 用J.中国水土保持科学,2 0 1 5,1 3(5):4 3-5 1.6 曹恭祥,王彦辉,熊伟,等.基于土壤水分承载力的林分密度计算与调控:以六盘山华北落叶松人工林为例J.林业科学研究,2 0 1 4,2 7(2):1 3 3-1 4 1.7 徐军,牛健植,许陈韩,等.华北土石山区基于水分承载力的植被结构配置分析J.西北林学院学报,2 0 1 6,3 1(3):1 5-2 2.8 王延平,邵明安.陕北黄土丘陵沟壑区人工草地的土壤水分植被承载力J.农业工程学报,2 0 1 2,2 8(1 8):1 3 4-1 4 1.9 茹豪,张建军,李玉婷,等.晋西黄土高原水资源植被承载力分析及对策建议J.环境科学研究,2 0 1 5,2 8(6):9 2 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