黄土高原降水分布特征及水资源利用分析

黄土高原降水分布特征及水资源利用分析

黄土高原是指太行山以西、日月山-贺兰山以东、秦岭以北、阴山以南的地区，包括山西省、陕西省、甘肃省、内蒙古、青海和河南的一些地区。面积约62.4.1424公里，人口约8200人。该区位于我国中北部,具有典型的大陆性气候特征,大部分地区年降水量在400mm左右且雨季集中,年变率大,气候干燥,蒸发量大,无霜期短,加上大风、冰雹、霜冻等自然灾害频繁,使得植被生长环境条件极差。另外,由于长期的土地不合理利用,植被因掠夺式开垦而遭到大面积破坏,土壤侵蚀极为严重。全区年土壤侵蚀模数大于1000t·km-2·a-1的轻度以上面积约29.2×104km2,年流入黄河的泥沙高达16×108t。生态环境的破坏和长期大量的水土流失,造成现在千沟万壑、光山秃岭、灾害频繁、地瘠民贫的状况。为了改善水土流失、土地沙化、水资源短缺等生态恶化现状,党中央做出了实施西部大开发的战略决策,并把改善生态环境作为大开发的根本和切入点。西部地区光能资源丰富,热量资源也基本能满足植被生长需求,水资源是该地区生态恢复与重建的根本,包括退耕还林还草在内的一系列生态措施都有赖于水资源的保证。但黄土高原是一个水资源匮乏的地区,不仅是农作物产量提高的主要限制因子,而且也是林草建设和植被生态建设的主要限制因子。该地区多年平均径流深75.6mm,相当于全国平均的27%;人均占有水量585m3,只有全国人均的22%。而且这些少量的水资源主要用于河谷盆地的农田灌溉,在广大丘陵和高平原地带很少有灌溉之利,在发展林草业上直接利用的水资源量则更少。地下水资源,虽然储量达335.98×108m3,但由于河谷下切,无良好的储水条件,地下水埋藏很深,多在50m~60m左右,有的甚至达到100m以上。因此,分析黄土高原地区降水资源特征及其对植被分布的影响,充分利用自然降水资源,以便实施雨水资源化并提高雨水利用率,对黄土高原的农林草业生产、特别是当前以植被生态恢复为核心的生态环境建设有着重要意义。1洛杉矶高原降水的时空分布特征1.1降水量随地形和热力条件的变化黄土高原多年平均年降水量在130.0mm~879.0mm之间,等值线基本呈东北西南走向(图1),自东南部的550mm左右,递减至西北部不足200mm。山西中部、南部和北部五台山区,陕西中部,甘肃南部地区及中部、东部的偏南地区,宁夏南部山区等地,年降水量一般为500mm~700mm;陕西和山西两省北部,甘肃中北部,宁夏大部分地区,年降水量200mm~300mm,是黄土高原的少雨区。另外,年降水量一般随海拔升高而增加,受地形和热力条件的影响,山区的降水明显多于周围的地方。例如华山和五台山多年平均降水量分别为879.0mm和829.8mm,其周围地区都小于600mm。1.2气象变化的降水期春季生长季黄土高原位于中纬度地带的东部季风区,冬季受蒙古高压控制,天气寒冷干燥,降水稀少。春季蒙古高压衰退,而较弱的太平洋暖湿气流还难以影响黄土高原,春旱现象严重。夏季在副热带高压的影响和控制之下,盛行太平洋热带海洋气团,是降水的主要来源。秋季暖湿的海洋气团南退时受秦岭阻挡和快速南下的冷空气相遇,形成较多的锋面降水。上述大气环流特征使黄土高原降水量在年内分配极不均匀,冬干春旱,夏秋季降水集中。夏季降水明显多于其它季节,6月~8月降水量占全年降水量的42%~68%,其中,北部地区一般占年降水量的65%左右,集宁占68.1%;中西部地区一般占55%,南部一般占45%左右。秋季(9月~11月)降水量占年降水量的16%~36%,其中北部地区一般占年降水量的20%左右;西部地区一般占年雨量的24%左右,南部可占到30%左右。冬季(12月~2月)降水量少,一般只占年降水量的1.5%~5.0%;春季(3月~5月)降水量一般占年降水量的12%~24%,北部和中部一般在20%以下,南部大部分地区都大于20%。生长季(4月~9月)雨量可占全年的73%~90%,其中西北部地区一般可占到85%以上,东南部地区可占年雨量的80%左右。大部分降水都集中在夏半年,这种水热同步的气候条件有利于植物生长。1.3年降水量的空间分布黄土高原地区年降水量的年际变化很大,总变幅西北部大于东南部,降水越少的地区其年际变化也越大。年降水相对变率一般在15%~36%之间。大部分在20%以上;北部地区在30%左右,石咀山年降水量变率最大,高达36.3%;南部地区相对较低,一般在20%以下,华山只有13.0%。年降水离差系数一般在0.20~0.46之间,其区域分布特征和年降水变率的分布特征基本一致,也是由东南向西北增大,南部的华山为0.16,而北部的鄂托克旗达到0.46。最大年降水量一般为多年平均值的1.4倍~2.0倍,其中东南部地区一般在1.5倍左右,西北部在2.0倍左右(鄂托克旗2.1倍,盐池2.0倍)。最大年降水量一般为最小年降水量的2.0倍~6.5倍,华山最小只有1.8倍,靖远最大达6.8倍。2降水对植被分布的影响2.1森林、草原分布关于植被分布与年降水量的关系,我国许多学者已做了大量的研究工作,得到了不同植被类型与年降水量的关系指标(表1)。根据这些指标和黄土高原生态植被区划,可以大致确定黄土高原植被分布的年降水量指标为:>550mm为森林地带;450mm~550mm为森林草原过渡带;300mm~450mm为草原地带;200mm~300mm为荒漠草原带;<200mm为荒漠带。森林主要分布在多年平均降水量>550mm的东南部地区,其北界始于蒲县,向西南经过吉县,过黄河进入陕西省,穿过黄龙县北部,沿陇县北部折向西南,止于天水南部,植被以落叶阔叶林为主;森林草原地带分布在年降水量在450mm~550mm之间的地区,其北界由兴县南部起,向西过黄河,经绥德、固原、西吉向西南,一直到定西南部终止,是黄土高原的主要植被类型分布区,且以草原植被占据较大优势,森林主要发育在较高的山地丘陵及阴湿的沟谷中;典型草原分布在多年平均降水量300mm~450mm的地区,其南界与森林草原地带相毗邻,北界始于内蒙古的包头,向南穿过鄂托克旗的东部,经陕西定边于宁夏盐池之间,折向西南,穿过同心,终止于兰州以南,植被以多种草原植被占优势,尤以长芒草草原分布最广;荒漠草原分布在多年平均年降水量200mm~300mm的地区,位于黄土高原西北部,其南界与典型草原地带相接,各类短花针茅草原广为分布;多年平均降水量200mm以下的地区为荒漠地区,分布于本区西北端,范围较小。另外,在黄河中游的一些山地(如子午岭、黄龙山、阴山山脉等)也有森林分布,这些山地的森林植被分散地分布在温带草原区中,其分布形式是非地带性的,属于温带草原区的山地森林。2.2土壤水分资源补充料年降水量在大环境上界定了黄土高原地区不同植被类型的生长区,但降水量的季节分布对自然植被生长的影响有时比年降水量的影响更大。如刺槐,其安全生长的气候条件是年降水量400mm~900mm,年平均气温>5℃。在年降水量大于400mm的右玉(426.1mm)、兴县(491.6mm)等地,从年降水量来说满足了刺槐的安全生长条件,但由于降水量年际之间和季节之间的分配不均,降水资源的供应期和植被的需水期不能有效协调,普遍存在着生长缓慢,个体矮小,过早老化的刺槐林。在黄土高原无灌溉条件下,天然降水是植被消耗水分的唯一来源。一般说来,春末夏初降水较少而植被蒸腾和土壤蒸发强烈,不足以满足植被的消耗量,土壤含水量下降。随着雨季的到来,一般降水量大于消耗量,土壤水分处于补充和恢复期。秋季降水量减少,但同时温度降低,植被耗水量也随之下降,收支基本相抵;冬季耗水量最少,水分处于稳定期。所以植被能否正常生长,关键是雨季的降水对土壤水分的恢复程度。因此,从降水资源对土壤水分的补给程度,可以分析其对植被分布的影响情况。在雨季土壤水分可以得到均衡补偿的地区,水分条件能够满足乔木生长需要,该地区为森林的潜在分布区,主要包括晋中东部丘陵山地、汾渭河谷盆地、子午岭-黄龙-乔山林区,及豫西黄土丘陵区;土壤水分在多数年份得不到补偿,常常处于亏缺状态,只有在个别丰水年份才能得以恢复的地区,乔木大面积生长受到限制,属于森林向森林草原的过渡区,包括晋西黄土丘陵、陕北黄土丘陵、甘肃陇中黄土丘陵等地;土壤水分经常处于亏缺状态,难以通过降水补充,限制了林木的正常生长,属于草原地带,包括内蒙黄土丘陵区、鄂尔多斯草原东部、宁夏盐池、甘肃白银-皋兰-兰州一线;土壤水分由于降水稀少而处于强烈干旱状态,属于荒漠草原带或荒漠带,主要包括宁蒙黄河沿岸、鄂尔多斯草原西部以及甘肃靖远一带。3不同立地条件下人工造林植被的恢复目前在黄土高原地区植被生态建设存中存在不同的观点和争议主要表现在:黄土高原地区适合不适合森林?退耕还林和退耕还草的适宜区域在哪里?对于不同的地区应当采取什么措施,如何协调经济发展与生态建设的关系?对于黄土高原地区造林种草,一种看法认为黄土高原自然环境不适宜生长森林,历史上也没有大片的连续森林;而另一种看法是黄土高原80%以上的地区年降水量大于400mm,完全适宜林木生长。韦省民先生从自然地理学角度对黄土高原的森林变迁进行了研究,他认为不能把黄土高原山地曾经(或仍然)有森林分布作为今后在黄土高原面上大范围植树造林,恢复森林植被的宏观依据;也不能因为其东南部有森林分布,而作为在黄土高原中或西北部植树造林、恢复森林植被的依据。山仑先生也认为:在年降水量300mm~500mm的半干旱气候条件下,人工造林受环境限制,只宜在水分条件较好的沟道和阴坡适当发展,同时还必须加大人工措施。因此,应倡导乔灌草相结合,一些地方还必须明确以草灌为主。另外,在大面积人工造林时,要以适合当地条件的旱中生优势种为主,过多引进高耗水的树(草)种一个时期内也许可繁茂生长形成较大生物量,但因失去水分平衡难以持续利用。梁一民先生依据植被群落结构原理,对“适地适树”和“草灌先行”的提法提出了置疑。他认为“适地适树”并不等于“适地适林”,作为植树造林,应当强调“适地适林”;另外,从人工草地土壤水分动态看,在半干旱地区,先恢复草灌植被,再建造乔木林的造林途径行不通,而应该乔、灌、草一次建植。从这些观点可以看出:黄土高原存在森林分布,但只在水热条件较好的东南部和一些立地条件好的山地,大部分地区是森林草原和典型草原景观。植被生态恢复应该按照植被区划“量水而行”,根据水资源条件和植被群落结构原理合理配置乔、草、灌比例。根据前面对黄土高原地区降水资源的分析,并参照前人的研究成功,可以得出黄土高原植被生态建设的区域分布,以及相应的措施。(1)经济关系区域该地区位于黄土高原东南部,其西北界东起大同盆地南缘的广灵、向西南经宁武、方山、延长、甘泉、正宁、平凉至于临夏。南止秦岭北麓,东止太行;包括汾渭盆地、豫西、陇东广大黄土丘陵和塬区。境内山地有太行山南端、吕梁山南端、中条山、秦岭和关中的北山。这一地区年降水量>550mm,在植被区划上属于森林地带和森林草原的南部地区,土壤水分能够均衡补偿,是黄土高原发展林业的重点区。该区种树成林、宜林地段的局限性不严格,阴坡和阳坡都有适宜的树种。杨、柳、榆、刺槐等树种广泛分布,另外还可能引种更多的经济植物,如分布在秦岭北坡一带中华猕猴桃、刺五加、刺梨、山楂等,可兼收水土保持和经济双重效益。但一些经济价值较高却不耐寒的树种,如板栗、核桃、泡桐、香椿、柿子、花椒等只限于本区东南部。在植被群落结构上以该地带森林植被的优势种作为主要造林树种,辅以乔木伴生生树种和灌木,组成复层、针阔混交林。水分条件稍差的地段可采取乔、灌混交模式。(2)植被空间改造这一地区位于森林地区以西,偏关、神木、榆林、靖边、吴旗、环县、固原、定西、临洮以东。区内山地主要有六盘山、白于山、吕梁山北部和子午岭等。年降水量450mm~550mm,土壤年内存在水分周期性亏缺,乔木大面积生长受限制,只能生长在水分条件较好的沟坡。植被建设应以灌木为主,形成沟谷以乔灌混交为主,梁峁坡以灌木为主的森林草原景观。乔木可以选择油松、辽东栎、白桦、山杨等,灌木可以选择沙棘、山桃、胡枝子、连翘等。(3)mm干草原区这一地区位于造林局部适宜区以西,包头、鄂托克前旗、盐池、海原、兰州以东。年降水量300mm~450mm,土壤水分处于失调状态,是草原的适宜地带。本区长芒草原、茭蒿草原、大针茅草原、小灌木百里香草原等多种草原植被占优势,植被恢复以旱生和旱中生牧草带为主。本区也适于沙蒿、柠条、小叶锦鸡儿等灌木生长,在植被群落上可以形成灌从草原景观。适宜草种有沙打旺、苜蓿、草木樨等。(4)人工植被建设模式该区处于黄土高原的西北边缘,银川、中卫、景泰荒漠线以东,相当于银川灌区、贺兰山和鄂尔多斯高原西缘地区。其降水量小于300mm,土壤水分严重亏缺,种草植灌地成功率也受到一定影响,属于荒漠草原区。人工植被建设只能以耐旱的沙柳、柠条、沙打旺等草灌类型为主,而且不适宜大面积种植。由于植灌种草存在一定难度,植被应以自然恢复为主。4立地条件类型的原则黄土高原地跨森林、森林草原和草原3个植被地带,且地形和生态条件复杂多样。其东南部自然条件较好,适于森林生长,但它在整个黄土高原地区区域中只是其中的一小部分,不具有主体代表性,不能作为在黄土高原中西部或西北部植树造林,恢复森林植被的依据。另外,在黄河中游地区的山地(如阴山山脉、吕梁山、子午岭、黄龙山、横山等)存在森林,但这只是一定山地条件的反