摘要：水土流失是海河流域较为突出的生态环境问题之一。对比研究发现，植被覆盖度的变化会通过影响洪峰流量、土壤侵蚀量等因子，进而改变水土流失的状况。本文从提高植被覆盖度尤其是低覆盖度草地植被的角度出发，定量研究了为改善流域水土流失状况河道外生态需水的具体数额。研究得出海河流域现状年河道外生态耗水(降水)为385亿m3，为改善河道外生态环境状况将低覆盖度草地提高至中等覆盖度水平，则另需要增加生态需水12.5亿m3。

关键词：水土流失 植被覆盖度 生态需水 土地利用

长期以来，由于自然和人为因素的相互叠加影响，水土流失已成为海河流域河道外突出的生态环境问题之一。流域内水土流失总的特点可概括为面大，形式多样，类型复杂，强度高，危害严重。据统计，五十年代初期有各类水土流失面积12.6×104km2，八十年代末遥感调查时仍有11.93×104km2，约占全流域面积的1/3。其中山区水土流失面积11.06×104km2，占山区面积的59.5%，年平均土壤侵蚀总量为4.02×108t。由于严重的水土流失，导致河水浑浊，水质变坏。并且有些地方的土壤侵蚀仍存在由弱到强的演化，经济发展与生态环境的矛盾日益突出。各河系上游水土流失对下游的供水、防洪等造成的不利影响有加重的趋势。官厅水库在首都北京的防洪和供水方面起着重要作用，但永定河洪水泥沙含量不亚于黄河，目前官厅水库已淤积了30%的库容，虽然已有17个县开展了重点治理工作，但仍有山西、内蒙古的十余个县未列入重点治理范围，水土流失局面未有根本性质的改变。密云水库上游水土流失面积8397km2（80年代末遥感数据），至1998年底仅累积治理了1691km2，仍有6706km2流失面积亟待治理，占水库上游总面积的43.7%。2000年春季，首都北京出现了12次沙尘天气，与海河流域北部西部山区的水土流失关系很大，反映出这一地区生态环境的严峻性。

1.植被覆盖度与水土流失关系及实证研究

水土流失的触发因素很多，不仅与地形、坡度有关，而且与植被覆盖度也存在某种联系。良好的植被能够覆盖地面、拦截雨滴、调节地面径流、减缓流速、过滤淤泥和固结土壤，从而起到增加土壤渗透性、增加蓄水能力、涵养水源、防止水土流失、提高土壤肥力和改善生态环境等功能。当植被覆盖度大于70%时，不论土质或石质山区，不论何种地形，土壤侵蚀均极轻微。对北京市山区的研究表明，植被覆盖率与土砂流失量呈负相关，当植被覆盖率为60～80%，地面坡度为35º时，每平方公里土砂流失量为105m3；植被覆盖率为60%，坡度为30º，土砂流失量为4900m3，植被覆盖率为30%，坡度为30º，土砂流失量为15900m3。

大尺度的地形与坡度系地质年代自然界所成，一般难以改变。而植被覆盖度却可因为人类活动的影响成为非确定的变数。历史上海河流域山区植被覆盖度较高，水土流失亦较轻微，由于历代长期战乱，特别是随着社会的发展，人口的增加，对水土资源的各种不合理利用活动增多，导致海河流域的水土流失呈日益恶化之势。现今流域内天然植被大都因砍伐而遭破坏，据80年代卫星相片解译成果，海河流域山区植被覆盖度大于70%的面积为56679km2，仅占山区面积的29.9%。滦河上游植被较好，滦河中游及潮白河、蓟运河的上中游山势起伏多变，降雨量较多，海拔1000m以上山地分布有成片森林，海拔1000m以下为次生林和灌木草坡，长城以北的植被度大于长城以南。永定河上游黄土分布广，降雨量少而集中，除高山地区有零星森林分布外，植被很差，水土流失严重。大清河山区地处太行山迎风波，山高坡陡，降雨也相对较丰，原来植被较好，但大部遭砍伐破坏，多已成为荒山秃岭，新中国成立后经长期封山育林，使海拔1000m以上的天然次生林得到了保护，新植林区面积也有所扩大。

尽管对于森林植被的水文效应所得结论众说纷纭，然而就植被的保土、减少水土流失的功能却没有太多异议。有许多立地条件，只有森林才能保持土壤，也有许多立地条件不宜森林生长，但适宜于该处的天然植被一般就能起到保持土壤的作用（黄秉维，1980）。换个角度可以将这句话理解为，一定覆盖度的植被就能够有效的防止表土流失。林地控制水土流失具有十分显著的作用，尽管这种作用在不同地理区域、不同树种、不同类型的人工植被群落产生一定的变化（王礼先，1998）。北京林业大学在山西吉县黄土高原的观测结果表明：沙棘与虎榛子林地土壤侵蚀量为2.59t/(km2·a)，油松刺槐混交林地为7.48t/(km2·a)，刺槐林地为19.47t/(km2·a)，油松林地为16.75t/(km2·a)，荒草地为52.75t/(km2·a)，裸地为177.8t/(km2·a)，以油松刺槐混交林地为例可减少土壤侵蚀约96%。

冯秀兰等（1998）运用观测数据和模型模拟相结合的方法，对密云县境内水源保护林水源涵养与防止土壤侵蚀效益进行了计算，其结果表明密云县境内水源保护林在50年一遇场暴雨情况下，可使土壤侵蚀量减少41099.99t，而相同面积的无林荒地的土壤侵蚀量为76358.34t，即密云县境内水源保护林可使土壤侵蚀量减少53.8%；可使年土壤侵蚀量减少165703.78t，而相同面积的无林荒地的土壤侵蚀量为197842.35t，即密云县境内水源保护林可使年土壤侵蚀量减少83.3%。并且对不同类型林地其水源涵养能力和防止土壤侵蚀能力进行了排序，由大到小为：桦树林地、落叶松林地、椴树林地、山杨林地、侧柏林地、栎树林地、刺槐林地、油松林地。

1.1永定河支流清水河东沟、西沟对比分析

1980《地理集刊》刊登了一篇关于永定河上游清水河流域植被覆盖度对于径流以及洪峰影响的文章，是一篇较早研究关于植被覆盖度影响河流泥沙含量的例子。清水河的支流东沟和西沟子流域面积相近，气候、地形相似。但在夏季，东沟覆盖度可达90%，西沟只有30%，相差悬殊，结果西沟洪峰高、历时短，一般为3～5小时，东沟洪峰历时为西沟的5倍，洪峰模数西沟为东沟的10倍。

图2. 东沟、西沟降雨、径流、含沙量年内分配对比图

三个图中蓝线表示东沟榆树林站，红线表示西沟啕唻庙站。三个图从上倒下依次为平均流量、平均降雨量、平均含沙量的月变化。可以得出以下几个结论：

1）枯季，东沟比西沟的径流量大。

2）东沟和西沟的降雨量年内分配相似。5~9月的降雨量约占全年的85%，4~9月的降雨量占全年的90%以上。

3）含沙量均以7月最高，该月含沙量西沟明显高于东沟，为东沟的5.60倍。降水比较集中的6~9月，含沙量西沟为东沟的11倍。

由此可见，植被覆盖度的差异会影响到径流的年内分配、河流的含沙量等（东沟森林面积占流域的58%，西够仅为4%；东沟草滩面积占流域面积的34%，西沟没有草滩，夏季，东沟植被覆盖度可达90%，而西沟只有30%）。因此，提高植被覆盖度可以降低河道中的沙石含量，减少水土流失。

1.2潮白河庄户沟小流域治理前后对比分析

再以位于北京市怀柔县汤河口镇的庄户沟小流域为例，通过对该流域的治理，植被覆盖率由45%提高到80%，蓄水保土削减洪峰作用明显，根据东台沟小荒沟等四条沟道六年径流泥沙观测资料计算，全流域土壤侵蚀模数由治理前的1456.4t/km2.a，减少到348t/km2.a，每年可拦蓄泥沙81192.3t。拦沙效益为76.1%，暴雨洪峰径流模数消减了71%，蓄水能力为827.4万m3。有关资料分析得出：大东沟小流域经过综合治理植被覆盖度明显提高，阳坡由30%提高到60%，阴坡由60%上升到95%，土壤侵蚀模数由治理前的1532.6吨/平方公里*年下降到126t/km2.a。

2. 海河流域河道外生态需水定量化研究

2.1海河流域现状土地利用格局

由前面的分析可以得出，植被覆盖度的提高确实会改善水土流失的严峻状况，这里我们将为改善河道外生态环境，植被覆盖度发生变化后的生态补水量称之为河道外生态需水。根据2000年我国1：10万土地利用图1（庄大方，2000）对海河流域的土地利用类型进行统计分析。我们将海河流域的土地利用类型划分为：耕地（水田和旱地）、林地（有林地、灌木林、疏林地及其他林地）、草地（高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地）、水域（河渠、湖泊、水库坑塘、永久性冰川雪地、滩涂、滩地）、城镇（城镇用地、农村居民点、其他建设用地）、未利用土地（沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地、裸岩石砾地等）。在所有统计类型中耕地所占比重最大，近整个流域的一半。这与该区域大力发展农业是分不开的。但由于农田用水属于农业范畴，在这里我们不做讨论。

图3. 土地利用情况

同时对海河流域的土地利用类型（林地和草地）进一步细化。选取植被高度、郁闭度和覆盖水平为主要划分指标，将林地（指生长乔木、灌木、竹类等）和草地（指以生长草本植物为主，覆盖度在5%以上的各类草地，包括以牧为主的灌丛草地和郁闭度在10%以下的疏林草地）划分为有林地（指郁闭度>30%的天然木和人工林。包括用材林、经济林、防护林等成片林地）、灌木林（指郁闭度>40%、高度在2米以下的矮林地和灌丛林地）、疏林地（郁闭度为10%~30%）、其它林地（未成林造林地、迹地、苗圃及各类园地（果园、桑园等）、高覆盖度草地（指覆盖度在>50%的天然草地、改良草地和割草地。此类草地一般水分条件较好，草被生长茂密）、中覆盖度草地（指覆盖度在20%~50%的天然草地和改良草地，此类草地一般水分不足，草被较稀疏）和低覆盖度草地（指覆盖度在5%~20%的天然草地。此类草地水分缺乏，草被稀疏，牧业利用条件差）七种类型。

运用ARC/INFO和SQL SERVER统计分析得出，海河流域有林地面积为24342.5km2，占总土地面积的7.7%，灌木林面积为24715.3km2，占总土地面积的7.8%，疏林地面积为15056.5km2，占总土地面积的4.7%，其它林地面积为3856.1 km2，占总土地面积的1.2%，高覆盖度草地面积为7086.3km2，占总土地面积的2.2%，中覆盖度草地面积为31488.5km2，占总土地面积的9.9%，低覆盖度草地面积为20795.4 km2，占总面积的6.5%。

2.2海河流域河道外生态需水计算

林草耗水的计算比较复杂，一般采用野外观测和理论计算相结合的方法。借鉴“九五”攻关和相关研究成果，对于海河流域不同类型的植被单元，需水量取值如下：有林地500mm，灌木林和疏林330mm，其他林地取值为350mm，高覆盖度草地取值300mm，中覆盖度草地210mm，低覆盖度草地150mm。

确定了各种林地、草地的需水量之后，乘以相应的面积，就可以得到所需求的水量，具体实施步骤为：在pat属性表中增加字段<耗水量>，赋以选择的具体参数数值，即可方便的进行计算。计算公式为：

式中 为某一植被类型的面积，为该种植被在自然条件下的生态用水定额。计算结果见表4。

海河流域林草的生态耗水总量为385亿m3。由于这部分生态需水的计算分析是基于现状的土地利用格局，该种状况下林草植被耗水主要利用天然降水和地下水，可以认为并没有消耗可利用的水资源量，不计入国民经济用水之中。

按照植被演替规律，对于条件恶劣的裸地，往往是一年生草类首先占据，然后是多年生草类和灌木，待水分和养分条件改善后，以乔本为主体的森林才能立足（黎华寿等，2001），因此草地和未利用土地应是海河流域生态环境建设的重点。目前整个流域虽然有草地59369.4km2，占全流域面积的19%，但有31488.5km2的草地属中覆盖度，即覆盖度在20~50%之间，占全流域面积的9.9%。这类草地由于缺水已经开始退化，在未来要保持这类草地不进一步退化的任务相当艰巨；还有20795.4km2的草地属低覆盖度，即覆盖度在5~20%之间，占总面积的6.5%，这类草地覆盖度低，水分缺乏，草被稀疏，生长状况差，难以发挥涵水保土之效。进一步分析海河流域的土壤侵蚀程度图和流域的草地分布图可以发现，侵蚀程度强的地区一般都是草地覆盖度较低的区域；同时考虑在相同条件下，草地的用水定额要低于林地，并且改善低覆盖度的这部分草地也能够有效的减少沙土的来源，减弱沙尘暴的危害。基于此，当前流域水土保持应以提高这类草地的覆盖度为宜。如果使这部分草地达到中覆盖度，则需增加生态需水12.5亿m3。另外考虑到草地中以中覆盖度草地面积最广，如果生态建设的目标提高，部分中覆盖度草地达到高覆盖度或是额外增加林草种植面积，实际的生态需水量要高于12.5亿m3。由于这部分的生态需水需要提供额外的水源，因此应该计入国民经济用水之中。

3.结论

实际上，制约水土流失的因子众多，坡度、地形等等都会对水土流失产生深远的影响。本文以实例为基础，从植被覆盖度的角度出发，定量研究了为改善海河流域水土流失严峻的生态环境现状，低覆盖度草地植被提高至中等覆盖度水平，河道外生态需水的具体数额。研究得出海河流域现状年河道外生态耗水为385亿m3，这部分水量是基于现状的土地利用格局，不需要额外补水，因此不计入国民经济用水之列；但如果将流域低覆盖度草地提高至中等覆盖度水平，则需要增加生态需水12.5亿m3，这部分水量需要额外的水源，因此应当计入国民经济用水之中，在规划用水时，应当予以统筹考虑。

参考文献：

1.陈丽华，王礼先 北京市生态用水分类及森林植被生态用水定额的确定 水土保持研究 8（4）：161-164，2001

2.冯秀兰等: 密云水库上游水源保护林水土保持效益的定量研究　北京林业大学学报 20（6）：71～77，1998

3.国土普查卫星资料应用研究 第一集北京：科学出版社 1988

4.江忠善，王志强等　黄土丘陵区小流域土壤侵蚀空间变化定量研究，水土保持学报，2（1）：1～9，1996

5.王礼先 植被森林覆被变化的水文生态效应研究进展，世界林业研究 6：14～23，1998

6.西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究，中国水利水电科学研究院，2000

7.杨文治 黄土高原土壤水资源与植树造林，自然资源学报，16（5）：431-438，2001

8.中国科学院地理研究所 编辑 地理集刊第12号 水文分析与实验 北京：科学出版社1980

9.黎华寿，骆世明 草类在生态环境保护中的地位和作用，生态科学，20（1，2）：125，2001

The Eco-water Demand Research on Offstream of Haihe River Basin

LI Lijuan LI Haibin WANG Juan

（The Institute Of Geographical Sciences and Natural Resources Research，The Chinese Academy of Sciences, 100101）

Abstract：The soil loss by water is one of the key environmental problems in Haihe River Basin. It was found that the change of coverage of plants would have, through affecting the factors such as peak flow and soil erosion, impact on the situation of the soil loss by water. From the aspect of improving the coverage of vegetations, especially the low coverage of grassland, this paper had quantified the water needed for ameliorating the situation of soil loss by water of Haihe River basin. It was calculated the water consumption for current offstream eco-environment was 38.5 billion m3，if improving the low coverage of grassland to middle level, another 1.25 billion m3 of water was needed, this part should be included in the national economic water use.

Keywords：Soil loss by water, Coverage, Eco-water demand, Land-use

注：1 资料来源：中国科学院地理科学与资源研究所数据中心

作者单位：中国科学院地理科学与资源研究所