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研究區(qū)概況

蘭州市地處中國黃土高原、青藏高原和蒙新高原的過渡地帶，屬中國黃土高原的最西端，為甘肅黃土高原隴中北部黃土丘陵、河谷盆地類型區(qū)。降水稀少，氣候干旱，屬于北溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候［16］，林草覆被率低、植被稀疏、群落單純［17］，生態(tài)環(huán)境非常脆弱［18］。蘭州市年平均氣溫9．8℃，1月平均溫度－5．3℃，7月平均溫度22．4℃，多年平均降水量311．7mm，最大年降水量546．7mm，最小年降水量155．3mm，降水主要集中在7—9月，占全年降水量的60％以上，年蒸發(fā)量1446．4mm，年日照時數(shù)2424h，無霜期186d。由于深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，且不少山脈走向與來自海洋的暖濕氣流相垂直，致使暖濕氣流不易到達(dá)，降水機會稀少?？傮w氣候特點是干燥寒冷，冬季長，溫差大，降水量少且分布不均，蒸發(fā)量大，日照強［19－20］。蘭州市南北兩山地跨蘭州市轄區(qū)內(nèi)的城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)、安寧區(qū)、西固區(qū)、榆中縣、皋蘭縣和永登縣，東西長60km，南北寬5～50km。研究區(qū)范圍在35°53′18″—36°33′56″N，103°21′04″—104°00′38″E之間（圖1）。在該研究區(qū)中，經(jīng)國家發(fā)展計劃委員會批復(fù)的南北兩山綠化造林一期工程建設(shè)面積為220km2［21－22］。蘭州南北兩山環(huán)境條件分異，南部高山地區(qū)有天然森林分布，中部有大面積黃土丘陵，北部為荒漠草原區(qū)［23－25］。中國工程院專家組在其向國務(wù)院提交的《關(guān)于西北地區(qū)水資源配置、生態(tài)環(huán)境建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究匯報》中指出“年降水量在400mm以下的地區(qū)，應(yīng)明確規(guī)定以灌、草為主的植被建設(shè)方向，并充分利用草原生態(tài)系統(tǒng)的自我修復(fù)能力”。因此，南北兩山的自然條件不適宜森林的生長，也不適宜于進(jìn)行大面積的人工造林。綜合考慮經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和管理等多方面因素，通過適度灌溉和依靠天然降雨開展植樹種草，是綠化蘭州南北兩山、改善蘭州生態(tài)環(huán)境的重要途徑［26］。雖然已有研究人員提出可通過集雨、補灌和保水技術(shù)改善蘭州南北兩山的植被蓋度，但是并沒有定量地給出各種技術(shù)的使用依據(jù)和使用措施，如在哪些區(qū)域集雨、哪些區(qū)域補灌、補灌的時間和水量。針對以上問題，通過提出一種決策支持模式，為管理層提供決策依據(jù)，以解決蘭州南北兩山生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的用水措施問題。

決策支持模式

針對生態(tài)環(huán)境建設(shè)的決策支持問題，提出了構(gòu)建“決策支持系統(tǒng)＋專家知識”的模式（圖2）。研究初期先根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的地理環(huán)境特點、氣候特征、植被生態(tài)特征、區(qū)域經(jīng)濟(jì)特征等內(nèi)容構(gòu)建基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、植被生長參數(shù)數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫等，并建立生態(tài)規(guī)劃決策支持系統(tǒng)。然后根據(jù)不同的生態(tài)建設(shè)情景，通過系統(tǒng)運行，給出相應(yīng)的生態(tài)建設(shè)方案。最后，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶＜医?jīng)驗知識及經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，制定最終的決策方案。決策支持模式的基礎(chǔ)是建立自然環(huán)境數(shù)據(jù)庫和生態(tài)數(shù)據(jù)庫。自然環(huán)境數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)經(jīng)過GIS空間處理后作為模型的輸入?yún)?shù)參與計算，通過模型的運行獲取生態(tài)規(guī)劃的理論場景。模型在進(jìn)行模擬時還需要生態(tài)數(shù)據(jù)庫提供植物物理參數(shù)支持，通過建立生態(tài)數(shù)據(jù)庫，可以限定模型運行的條件和閾值，例如適宜植被生長的最低生物溫度、最高海拔以及植被最低蒸發(fā)量、需水量等條件。通過植被生態(tài)數(shù)據(jù)庫中參數(shù)的限制，模型能夠更好地模擬研究區(qū)的生態(tài)場景。相關(guān)專家或部門在制定生態(tài)建設(shè)決策方案時可以參考模型模擬出的生態(tài)規(guī)劃理論場景，并根據(jù)已有的經(jīng)驗知識，制定決策方案。生態(tài)規(guī)劃決策方案集中的決策方案也可以作為影響因素之一參與到下一階段的生態(tài)環(huán)境演替中，最終得到理想的生態(tài)建設(shè)決策方案。

實例與討論

決策支持系統(tǒng)構(gòu)建在充分研究了生態(tài)環(huán)境建設(shè)的理論基礎(chǔ)和決策支持模式后，初步建立了蘭州南北兩山生態(tài)環(huán)境建設(shè)決策支持系統(tǒng)（圖3）。通過該系統(tǒng)，能夠為蘭州南北兩山地區(qū)的生態(tài)建設(shè)提供優(yōu)化的具體規(guī)劃方案，提出規(guī)劃建議，評估與展示生態(tài)建設(shè)的成果等。根據(jù)蘭州南北兩山生態(tài)環(huán)境建設(shè)決策支持系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需要，設(shè)計實現(xiàn)如下6項基本功能，分別為數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)顯示、環(huán)境要素空間處理、生態(tài)參數(shù)設(shè)置、生態(tài)規(guī)劃模擬和數(shù)據(jù)輸出功能。1）數(shù)據(jù)管理功能：建立數(shù)據(jù)庫，存儲與管理基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和植被物理參數(shù)。2）數(shù)據(jù)顯示功能：實現(xiàn)地圖的瀏覽以及屬性信息查詢與統(tǒng)計。3）環(huán)境要素空間處理功能：環(huán)境要素空間處理包括氣候要素處理、地形要素處理、土壤要素處理。4）生態(tài)參數(shù)設(shè)置功能：生態(tài)參數(shù)設(shè)置功能用于管理生態(tài)建設(shè)所需的植物種的生態(tài)物理參數(shù)。5）生態(tài)規(guī)劃模擬功能：生態(tài)規(guī)劃模擬的主要功能是利用常用的生態(tài)學(xué)模型根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行植被模擬，得出不同場景的生態(tài)規(guī)劃和規(guī)劃情景下的生態(tài)需水計算等功能。在模型庫中提供若干生態(tài)規(guī)劃模型供用戶選擇，用戶在進(jìn)行生態(tài)規(guī)劃模擬時可以選取最適合于本地區(qū)的模型。6）數(shù)據(jù)輸出功能：數(shù)據(jù)輸出功能包括輸出矢量數(shù)據(jù)、輸出柵格數(shù)據(jù)和輸出綜合地圖。

實例討論采用位于研究區(qū)內(nèi)的常規(guī)氣象站及氣象部門增設(shè)的氣象站共70多個站的多年觀測資料（主要是氣溫、降水），結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦螝夂虻忍卣?，通過空間插值構(gòu)建高空間分辨率、高精度的降水、氣溫、生物溫度的多年平均值的空間分布數(shù)據(jù)（圖4A，B）。DEM數(shù)據(jù)采用美國國家航空航天局（NASA）的AS－TERGDEM數(shù)據(jù)，空間分辨率為30m。在此基礎(chǔ)上，將構(gòu)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入模型，在本實例中選取模型庫中的Holdridge生命地帶模型［27］，模擬長期氣候條件下的植被類型分布格局（圖4C）。從圖4C中可以看出，在無人類活動干擾的長期氣候條件下蘭州市南部地區(qū)具備出現(xiàn)常綠針葉林、稀疏林地、灌木林等森林環(huán)境的條件，但是研究區(qū)內(nèi)的其他大部分地區(qū)只適合存在典型的干旱、半干旱草原。所以，人工生態(tài)環(huán)境建設(shè)要結(jié)合不同區(qū)域的氣候特點分而治之。在氣候條件中，水分是植被生存、生長的首要條件，對地處黃土高原西端較干旱的蘭州地區(qū)來說，水分條件顯得尤為重要，而降水是該地區(qū)天然植被生長所需水分的惟一來源。因此，增大降水的利用效率以及在降水少的地區(qū)施行人工灌溉成為半干旱區(qū)人工生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要措施。南部山區(qū)多年平均降雨量大于400mm，可以達(dá)到生長森林環(huán)境的條件。但是，由于該地區(qū)山高坡陡和黃土高原的特殊土質(zhì)等原因?qū)е掠晁畼O易流失，天然灌溉水量大大減少。針對此，提出在南部山區(qū)施行人工集雨，集雨措施主要有魚鱗坑、水平溝、梯田等，通過集水保水使雨水不出山。模擬結(jié)果顯示施行集雨措施后南部山區(qū)常綠針葉林和稀疏林地面積增大（圖4D）。在集雨措施基礎(chǔ)上實行人工封育保護(hù)，禁止砍伐、破壞，排除人類活動的干擾，使南部山區(qū)森林環(huán)境逐步步入良性發(fā)展的演替過程。如圖4A和C所示，降雨量小于400mm的地區(qū)在長期氣候條件下植被覆蓋類型為典型草原，而不會出現(xiàn)林地景觀類型。所以，若想達(dá)到綠化效果必須采取人工灌溉。在施行人工適當(dāng)灌溉的同時，配合選取合適的耐旱樹種。圖4E、F、G所示為灌溉量分別為150mm、200mm、250mm時模型模擬的植被類型。從圖中可以看出，當(dāng)灌溉量為150mm時兩山綠化范圍內(nèi)北部區(qū)域仍然達(dá)不到生長稀疏林地的要求，當(dāng)灌溉量為200mm時兩山綠化范圍內(nèi)全部達(dá)到生長常綠針葉林和稀疏林地的要求，當(dāng)灌溉量繼續(xù)增加至250mm時兩山綠化范圍內(nèi)的植被覆蓋類型與灌溉量為200mm時的植被覆蓋類型一致?？紤]經(jīng)濟(jì)因素和節(jié)約用水因素，提出兩山綠化范圍內(nèi)人工灌溉量控制在200mm時即可達(dá)到綠化要求，兩山綠化范圍內(nèi)可出現(xiàn)常綠針葉林和稀疏林地的森林景觀類型，如圖4F所示。在進(jìn)行大量研究之后，提出如下兩項生態(tài)環(huán)境建設(shè)措施：①在年平均降雨量大于400mm的地區(qū)進(jìn)行人工集雨。②在平均降雨量小于400mm的地區(qū)進(jìn)行人工灌溉，灌溉水量相當(dāng)于200mm降雨。綜上所述，兼顧當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)、經(jīng)濟(jì)、人文因素，在多方面參考專家經(jīng)驗知識的基礎(chǔ)上，最終提出了蘭州市南北兩山生態(tài)環(huán)境建設(shè)植被分布格局規(guī)劃（圖4H），供決策者參考。

結(jié)語

干旱、半干旱地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)一直都備受重視，該文針對生態(tài)環(huán)境建設(shè)的決策困境，探索生態(tài)環(huán)境建設(shè)的決策支持模式。在蘭州市南北兩山生態(tài)環(huán)境建設(shè)決策的應(yīng)用中，通過決策支持模式支持系統(tǒng)的運行模擬，提出了蘭州市南北兩山生態(tài)環(huán)境建設(shè)的主要用水措施，形成了蘭州市南北兩山生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃圖，從而證實了干旱、半干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)決策支持模式的可行性。

作者：尹振良肖洪浪鄒松兵陸志翔許寶榮王萬鵬鐘芳單位：中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點實驗室蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院蘭州市南北兩山環(huán)境綠化指揮部