变化环境下干旱牧区水资源草地资源及其承载力研究进展

'安徽农业科学，JournalofAnhuiAgri．Sci．2013，41(25)：10346—10348责任编辑陈玉敏责任校对卢瑶变化环境下干旱牧区水资源草地资源及其承载力研究进展郝伟罡，申军，张生(1．水利部牧区水利科学研究所，内蒙古呼和浩特0loo20；2．内蒙古水土保持工作站，内蒙古呼和浩特010018；3．内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特010018；4．英国谢菲尔德大学建筑系，英国谢菲尔德S13JD)摘要介绍了近年来国内外在环境变化对水资源、草地资源及其承载力的影响方面的研究现状及进展，阐述了研究气候变化及人类活动对水资源与草地资源及其承载能力影响的方法，指出了研究中存在的问题，分析了干旱牧区在该领域未来研究的发展趋势。关键词环境变化；水资源；草地资源；承载能力中图分类号S181．3文献标识码A文章编号0517—6611(2013)25—10346—03ResearchProgressofAridPasturingAreaWaterandGrasslandResourcesandThe．rCarryingCapacityinEnvironmentChangeHAOWei-gangetal(InstituteofWaterResourcesScienceofPasturingAreaoftheMinistryofWaterResourees，Huhhot，InnerMongolia010020AbstractEfieetsofenvironmentchangeonwaterresource，grasslandresourceandtheircarryingcapacitywereintrodueed．Themethodsforstudyingeffectsofclimatechangeandhumanactivitiesonwaterandgrasslandresourcesandtheircarryingcapacitywereelaborated．Theexist—ingproblemswerepointedout，thedevelopmenttrendofaridpasturingareainthefieldwasanalyzed．KeywordsEnvironmentchange；Waterresource；Grasslandresources；Carryingcapacity目前，气候变化及人类活动对水资源系统、草地生态系水文过程。1993年，在日本召开了第6届国际气象和大气统的影响越来越受到国内外学术界的普遍重视，尤其在水资物理科学、第4届水文科学(IAMAP—IAHS)联合大会。这源、草地资源承载能力方面开展的研究已成为学术界关注的说明随着全球能量水分循环试验(GEWEX)、IGBP等国际热点。我国干旱牧区水资源贫乏、生态环境脆弱，草原生态性合作计划的实施，水文学家开始关注环境变化中土壤一环境的严重恶化不仅降低了牧区人民生活、生产的环境条植物一水的全球性研究。2001年，在荷兰举行了IGBP的件，加剧了地区贫困化，而且严重威胁着国家的生态安全。全球变化科学大会和第6届IAMAP—IAHS大会，全球变化修复牧区草原生态系统功能、实现牧区经济社会可持续发展与人类活动影响下的水文循环及其时空演化规律研究成为的关键在于解决水资源与草地资源的合理开发利用问题。21世纪水科学研究的热点。但是，由于干旱牧区地处偏远、基础监测资料严重缺乏等原气候变化与土地利用覆被变化及生态环境方面国际上因，相关的研究还未见报道。在总结已有研究成果的基础也开展了不少的研究。TurnerBL等认为土地利用一方面是上，笔者综述了近年来环境变化对区域水资源、草地资源及物理、化学与生物系统的综合，另一方面是人类／社会过程与其承载能力影响研究方面取得的成果，以期探讨在未来环境行为。研究表明，温度、太阳辐射与降水量是以直接或通变化对干旱牧区水资源、草地资源产生严重制约与影响，为过影响营养物质和水的可利用程度以及控制杂草、害虫及疾开展相关领域的研究提供参考和依据。病来决定农业产量的主要气候因素。特别在半干旱地区，农1国外研究状况业对气候变化尤其敏感，可能影响潜在的农业生产力。目前气候变化对水文水资源系统影响的研究在20世纪80俄罗斯许多自然生态系统正遭受破坏和面临绝迹，为此最近年代中期才引起国际水文界的高度重视。1977年，美国国提出有效保护俄罗斯生物和景观多样性价值的生态网络战家研究协会(UNSA)组织会议讨论了气候变化和供水的相略，其主要目标是停止非系统性建立自然保护区的方式，并互关系及影响。1985年，世界气象组织(WMO)出版了气候制定出合理的土地利用计划。变化对水文水资源影响的综述报告，推荐了一些检验和评国外学者对自然资源承载能力方面的研究主要集中在价方法，此后又出版了水文水资源系统对气候变化的敏感水资源开发利用上，主要是在社会可持续发展的框架下提出性分析报告⋯。为加快研究步伐，WMO和联合国环境规划承载能力的概念并作为水资源开发的一种宏观限制。亚洲署(UNEP)共同组建了政府间气候变化专业委员会开发银行资助的印度尼西亚21世纪议程(Agenda21一Indo．(IPCC)，专门从事气候变化的科学评估。1991年在维也nesia)提出了“对其主要自然资源进行可持续发展展望和规纳举行了第20届国际大地测量与国际地理联合(IUGG)大划的目标和手段，在其对水资源的政策和规划制订部分的内会，水文科学组的主题是探讨土壤一大气之间相互作用的容中明确提出在水污染严重地．必须在较为准确的估量地下水和地表水的基础上，从管角度实现社会经济发展与水基金项目国家自然科学基金项目(51009098，50779040)：水利部公益资源承载能力协调一致发展的建议”。经济合作与发展组性行业科研专项(201001039)；中国水利水电科学研究院科织(OECD)发展援助委员会(I)evelopmentassistancecoremit．研专项(MK2013J07)。作者简介郝伟罡(1979一)，男，内蒙古呼和浩特人，工程师，硕士，从tee，DAC)发布的湿地可持续利用指导书中，提出“对于生态事水环境质量评价及环境与资源经济研究，E．mail：hao—脆弱地区的湿地必须考虑其对未来发展累积效应的承载能weigang@163．con。收稿日期2013-07-29力，并且指出工业和社区生活污水及垃圾排放到湿地的数量 41卷25期郝伟罡等变化环境下干旱牧区水资源草地资源及其承载力研究进展10347超过其水体承载能力，湿地功能就会被削弱”。美国新泽西利用之间的关系，计算了2种不同的生态环境预期下的绿洲州莫里斯郡(MorrisCounty)在怀特镇(White，1991)和门德汗面积。贾嵘利用多目标分析核心模型使用4种不同的方姆镇(Mendham，1994)在小区域范围内进行了水资源承载能案(零方案、低方案、中方案、高方案)对比研究了陕西关中地力的研究，在结合土地利用和环境保护的前提下，提出了水区2010和2020年的水资源承载能力，该模型为总控模型，是资源利用阈值的概念-o。将各子系统模型中的主要关系提炼出来，根据变量之间的相2国内研究状况互关系对整个大系统内的各种关系进行分析协调。汪党我国自80年代起也迅速开展了气候变化对我国水文水献等从区域发展的水资源特性人手，提出了定量研究区域发资源影响的研究。“七五”期间，“中国气候与海面变化及其展的水资源承载能的指标体系和计算方法，对我国各省的水趋势和影响研究”重大项目首先设立了气候变化对西北华={E资源承载能力进行了判断。薛小杰等对西安市水资源承水资源的影响研究。“八五”国家攻关项目“全球变化预测、载能力进行了实例研究，建立了水资源承载能力多目标核心影响和对策研究”设立了“气候变化对水文水资源的影响及模型，得出了西安市2000、2010和2020年不同水平年水资源适应对策”专题。“九五”科技攻关项目“我国短期气候预测承载能力的大小和提高承载能力的策略。王浩等对西北地系统”中，专题之一就是“气候异常对我国水资源及水分循环区水资源承载能力进行分析研究，是通过承载力的边界条件影响的评估模型研究”。“十五”科技攻关重点项目“中国可(如各行业用水定额、农作物单位面积产量、生活用水定额、持续发展信息共享系统的开发研究”中设立了“全球环境变用水效率)、生产力水平与居民消费水平、水资源生产能力化与可持续发展信息共享”专题，建立了我国50年和100年(包括GDP规模、农产品生产能力、绿洲面积、以及水资源供的气候序列，取得了气候极端事件方面的新成果，预澳0了未需平衡状况等)分析确定的。郭中小等开展了典型干旱来可能气候变化的趋势，并得出我国陆地1993年以来整体草原区水草资源耦合承载能力计算模型研究，建立了水、草上处于碳吸收状态的结论。资源可持续利用评价计算的标准化指标体系，提出了干旱草1988年的第21届ICSU大会上叶笃正等就提出要将土原区水、草资源耦合承载能力评价计算的建模方法及基于系地利用引发的全球环境问题作为除温室气体以外的另一类统动力学的评级模型。重大问题加以重视。史培军等通过回归分析提取了影响深3研究方法及存在的不足圳市土地利用变化的内在驱动因子，并探讨了各因子对土地目前国内外对于气候变化对水文水资源影响的研究基利用变化的影响。刘纪远等开展了我国20世纪90年代后本上都遵从“未来气候情景设计一水文模拟一影响研究”的期LUCC时空过程驱动机理分析，初步揭示了我国国家尺度模式，由于人类目前还不能准确预测未来气候的变化，气候LUCC时空过程的驱动机理。摆万奇采用系统动力学方法将影响研究工作只能根据各种方法研究制定未来气候构想或土地利用变化的主要驱动因子与土地利用类型置于一个系称未来气候情景。当前气候变化对区域或流域水文水资源统中考察其长期动态趋势，并诊断出各驱动因子的贡献大系统的影响研究主要是通过研究流域气温、降水、蒸发等变小。对不同驱动因子影响作用的研究必须在人地系统耦化来预测径流可能的增减趋势及对其流域供水影响。合条件下进行。张永民等运用CLUE—S模型对内蒙古奈曼水资源、草地资源的承载能力方面的研究基本上是分开旗2000年的土地利用变化进行了模拟，并取得了理想的效研究的，常见的定量研究方法主要有综合指标法、模糊综合果。何春阳等综合自上而下的系统动力学(sD)模型和自评价法、主成分分析法等。应用数学统计方法，通过对水、草下而上的CA模型，从宏观需求和微观供给相平衡的角度建资源承载能力影响因素中不同因子的评价，对承载能力进行模模拟了我国北方13省未来20年的土地利用变化情况。判断。此类研究成果较为简捷，综合性强，但缺乏物理概念，我国对自然资源承载能力的研究主要有中国科学院地理论基础需要进一步提炼。另外，以水、草资源承载状态的理研究所的黄秉维、气象所的侯光良、自然资源综考会的陈研究为切入点，主要研究区域内在某种状态下的水、草资源百民等开展了“区域生产潜力”的研究。20世纪80年代末。承载状况，运用复杂系统的理论研究水、草资源承载能力影随着社会生产和生活水平的不断提高，人类对自然界的索取响因素中各因子的内在联系，通过输入特定的调控措施，分能力越来越强，对水资源的需求也越来越大，在一些水资源析系统的输出相应，然后对承载状况进行判断。当承载状态短缺、水环境容量低、生态脆弱的地区，为了满足经济社会发可持续时，不同阶段的系统状态就成为相应的水、草资源承展对水的需求，无节制开发利用水资源，已经产生了一系列载能力。的不良后果。水资源问题已成为制约这些地区经济社会发目前上述研究方法主要存在以下缺点：①区域水资源研展的主要制约因素之一，因此研究确定区域水资源开发利用究领域现有的水资源评价方法采用静态评价方式，只能反映与经济、社会、人口、环境的协调和可持续发展已成为水资源过去或现状条件下的水资源条件，无法适应变化环境。现有研究的热点、难点问题。陈昌毓根据经验公式计算河系的水资源评价方法无法定量评估气候变化和土地利用覆被流域地区现有水资源可支撑的绿州、农田面积，并分析了现变化对水资源的影响。GCMs的输出结果和水文模型耦合的有绿洲的稳定性和扩展能力。王根绪应用单目标规划方研究方法存在以下问题：首先是精度问题。路面水文的降水法简单构造了黑河流域额济纳绿洲经济社会发展和水资源与径流过程都存在较强的次网格不均匀性，而GCMs的空间 10348安徽农业科学2013盎分辨率低，且大多数GCMs都假定气候模型网格内植被和土究有待加强：①定量评估气候变化和土地利用覆被变化对水壤在水平方向上是均匀的，对水文和陆地表面过程的参数定资源的影响；②开展变化环境下草地生态水文学研究；③干量较为简单。其次是不确定性问题。由于缺乏对水文物理旱牧区地表水资源匮乏，生活、生产用水多以开发利用地下过程和大气系统内部变化等的深刻认识，气候情景的生成、水为主。目前，气候变化及人类活动对地下水资源影响的研水文模型的结构和GCMs与水文模型在不同空间尺度的转究成果相对较少，有必要深入开展这方面的研究；④未来环化等方面的不确定性因素都将导致预测结果的可信度降低。境变化对干旱牧区水资源、草地资源产生严重制约与影响条②气候变化与土地利用覆被变化及生态环境方面，不少国件下，针对不同气候情景下有限的水与草资源高效利用、优家、区域与局域尺度开展的LUCC时空过程动态监测与研究化配置，开展变化环境下干旱牧区动态的水、草资源耦合承工作，偏重以遥感、GIS为技术依托，缺少地面验证工作。因载能力研究；⑤建立环境变化对干旱牧区水、草资源影响定此，基于相关研究工作建立起来的数据集不可避免地存在系量评价体系，估算影响的经济社会后果，确定响应机制与应统性或试验性误差。许多基于不同学科背景的研究对同一对措施，为各级决策部门提供咨询。尺度下LUCC时空过程作出的评价和预测往往不同，甚至相参考文献互抵触。③水、草资源承载能力研究方面主要有以下问题：『1]ARNEuNw．Hydmlogyandclimatechange『M]／／CALOWP，PETISGE．TheRiveFsHandbook，v01．2．Oxford。UK：Blackwell，1994：173—186．首先，没有形成清晰的理论体系。虽然研究越来越深入，共『21IPCC．IPCCFouahAssessmentReport(AR4)『M]．Cambridge：Cam—识越来越多，但还是各自为战的局面，实践的发展和理论的bridgeUniversityPress．2O町．『3]HOSTETLERSW．Hydroloocandatmosphericmodels：thepmblemofdis．深入客观上要求形成公认的概念，在此基础上才能建立完善cordantSCalesIJ1．ClimateChange，1994，27：345—350．的理论框架。同时，概念理解上的错误和偏差还较多。例『41TURNERBL，DAVIDSKOLE．LanduseandIandcoverchange(LUCC)：Seienee／ResearehP1anlR1．IGBPReportNo．35，1995．如，混淆承载能力的主体和客体及其相互关系、忽视承载水15JJOARDARSD．CarryingCapacitiesandStandardsasBasestowardsUrban平变化的影响、水资源配置、水草资源的有机耦合对承载能InfrastructurePlanninginIndia：ACaseofUrbanWaterSupplyandSani-tation[J]．UrbanInf穗tmcturePlanninginIndia，1998，22(3)：327—337．力的影响认识不清等问题。对水、草资源承载能力的研究必[6]HARRISJM，KENNEDYS．CarryingCapacityinAculture：Globaland须建立在坚实的理论基础之上。水、草资源承载能力的研究Re~onalIssueslJ1．EcologicalEconomiCS，1998，29：443—461．[7]刘春蓁等．“气候变化对水文水资源影响及适应对策研究”85-913-03属于典型的交叉学科范围，从宏观领域复杂大系统到微观领—03专题技术报告”[R]．北京：水利部水利信息中心，1996．域人和生态的耗水机理、草地资源承载力对水资源依赖性及[8]张建云，王金星，李岩，等．近5o年我国主要江河径流变化[J]．中国水相互耦合的最佳机制，从水文学科到社会管理、规划学科，从利，2008(2)：55—58．[9]江涛，陈永勤，陈俊和，等．未来气候变化对我国水文水资源影响的研经济社会、生态环境的综合研究到基础数学模型的专门研究究[J]．中山大学学报，2002，39(2)：151—157．等，相关知识都会广泛触及。其次，缺乏实用的计算方法。[1O]李秀彬．全球环境变化研究的核【域一土地利甩／土地覆被变化的国际研究动向[J]．地理学报，1996，51(6)：553—558．水、草资源承载能力的量化计算方法很多，虽然宏观经济水[n]李晓兵，陈云浩，张云霞，等．气候变化对中国北方荒漠草原植被的影资源多目标优化方法较为科学、客观，但实用性较差，系统庞响[J]．地球科学进展，20O2，17(2)：254—261．[12]张丽，董增川，张伟．水资源承载能力研究进展与展望[J]．水利水电大，需要的数据繁多，尚不具备全国普遍推广的可能性。如技术，20O3，34(4)：2—5．何在系统、客观的理论基础上总结归纳出简单、易行的指标[13]陈昌毓．河西走廊实际水资源及其确定的适宜绿洲和农田面积[J]．干旱区资源与环境，1995，9(3)：122—128．体系及计算方法，分析不同区域水、草资源的承载的水平，尚[14]王根绪．黑河流域额济纳绿洲区水资源合理利用分析[J]．兰州大学有待进一步研究和突破。学报：自然科学版，1997，33(3)：115—120．[15]贾嵘，薛惠峰，解建仓，等．区域水资源承载力研究[J]，西安理工大学4小结学报，1998，14(4)：54—59．环境变化对水资源、草地资源及其承载能力影响的研究[16]汪党献，王浩，马静．中国区域发展的水资源支撑能力[J]．水利学报，200o(11)：22—27．已取得了不少的成果，但主要集中在黄河流域、海河流域、淮[17]王浩，陈敏建，秦大庸，等．西北地区水资源合理配置和承载能力研究河流域以及华北平原等地区，而在水资源、草地资源承载能[M]．郑州：黄河水利出版社，2O03．[18]傅湘，纪昌明．区域水资源承载能力综合评价一主成分分析法的应用力有限、生态环境脆弱的干旱牧区，相关领域的研究还十分[J]．长江流域资源与环境，1999(5)：168—173．滞后，许多科学问题还未解决，今后在该区域以下方面的研(上接第10324页)『7]RAsHEKARC，GUSTALV，BuRKEMJ．Membranestructuraltransi—tion：probablerelationtofrostdamageinhardyheibaceousspecies[M]／／[3]缴丽莉．两种园林树木耐睛陛与抗寒}生的研究[D]．保定：河北农业大LYS0NSJM；GRAHAMD，RAISONJK，eta1．Lowtempemturestressin学，2006．cropplantstheroleofmembrane．NewYork：AcademicPress，1979：255—[4]时朝，王亚芝，刘国杰．应用Logistic方程确定五种苹果枝条的半致274．温度的研究[J]．北方园艺，2013(2)：36—38．[8]周水学，龚月桦，樊军锋．4种完剥生的比较[J]．西北林学院学报，[5]SUKUMARANNP，WEISERCJ．Methodofdeterminingcoldhardinessby2o11．26(5)：69—71．electricalconductivityinpotato[J]．HortScience，1972(7)：467—468．[9]李小琴，彭明俊，段安安，等．低温晰自对8个核[6]缴丽莉，路丙社，白志英，等．四种园林树木抗寒性的比较分析[J]．园的影响[J]．西北林学院学报，2012，27(6)：12—15艺学报，2O36，33(3)：667—670．'