綜合治理前后和田河流域生態(tài)環(huán)境狀況變化及原因探討

張 沛, 徐海量, 杜 清, 趙新風(fēng), 凌紅波

(1.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 烏魯木齊 830011; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3.新疆維吾爾自治區(qū)測(cè)繪科學(xué)研究院， 烏魯木齊 830002)

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綜合治理前后和田河流域生態(tài)環(huán)境狀況變化及原因探討

張 沛1,2, 徐海量1, 杜 清3, 趙新風(fēng)1, 凌紅波1

(1.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 烏魯木齊 830011; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 3.新疆維吾爾自治區(qū)測(cè)繪科學(xué)研究院， 烏魯木齊 830002)

干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)環(huán)境的變化關(guān)系到人類的生存和社會(huì)的發(fā)展。針對(duì)和田河流域在綜合治理前后生態(tài)環(huán)境變化的問(wèn)題，以1990年、2000年、2010年7—8月份三期的Landsat-TM和中巴資源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為依據(jù)，借助轉(zhuǎn)移矩陣和生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的方法，對(duì)比分析了綜合治理前后林草地面積及生態(tài)環(huán)境狀況的變化，得到如下結(jié)論：(1) 綜合治理后，天然林草地面積減少幅度加大，人工林地面積快速增加；(2) 1990—2000年和2000—2010年，生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)下降幅度分別為0.1%和1.19%；(3) 耕地大面積的擴(kuò)張是天然林草地面積減少和生態(tài)環(huán)境狀況變差的根本原因。

林草地面積; 生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù); 耕地?cái)U(kuò)張; 和田河流域

和田河流域是我國(guó)最干旱的區(qū)域之一，是唯一貫穿塔克拉瑪干沙漠腹地的河流。2001年頒布實(shí)施的《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃》將和田河作為塔里木河生態(tài)輸水工程的源流之一，承擔(dān)著每年向塔里木河干流輸水9.29億m3的任務(wù)量。由于在生態(tài)輸水工程中的作用和獨(dú)特的地理位置，和田河一直備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。諸多學(xué)者從徑流變化[1-5]、土地利用/覆被變化[6-9]、水資源承載力[10-11]、平原綠洲適宜規(guī)模[12]和植被生態(tài)價(jià)值[13-14]等方面進(jìn)行了探討。然而，在整個(gè)塔里木河流域?qū)嵤┚C合治理之后，和田河流域的生態(tài)環(huán)境狀況發(fā)生了什么變化？天然林草地作為反映生態(tài)環(huán)境狀況的重要指標(biāo)，是如何變化的？為了探清這一問(wèn)題，本文借助1990年、2000年、2010年7—8月份的三期遙感數(shù)據(jù)，通過(guò)人工目視解譯，得到了和田河流域1990—2010年的土地利用數(shù)據(jù)，利用轉(zhuǎn)移矩陣和生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的方法，對(duì)比分析綜合治理前10 a(1990—2000年)和綜合治理后10 a(2000—2010年)林草地面積及生態(tài)環(huán)境狀況的變化，并探討發(fā)生變化的原因，以期為今后塔里木河流域的進(jìn)一步治理提供決策依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

和田河流域位于新疆的西南部，南以昆侖山、喀喇昆侖山為界，西與葉爾羌河流域接壤，北接塔克拉瑪干沙漠，地理位置位于34°28′—40°28′N，77°25′—81°43′E。該區(qū)域冬季氣候干燥寒冷，夏季高溫少雨，多年平均氣溫達(dá)12.2℃，終年處于極端干旱的狀態(tài)，干燥指數(shù)10～20，是全國(guó)最干旱的地區(qū)之一[1，15]。在流域的綠洲平原區(qū)生長(zhǎng)著以灰楊(Populuspruinosa)為主的自然林和以核桃、梨、杏等為主的人工經(jīng)濟(jì)林；在綠洲與沙漠連接地帶所生長(zhǎng)的荒漠稀疏植被主要有剛毛檉柳(Tamarixramosissima)、花花柴(Kareliniacaspica)、脹果甘草(Glaycyrrhizainflata)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)等灌木和草本植物；而在河流兩岸、地下水水位很高的舊河床和地下水溢出地帶則生長(zhǎng)茂密的、郁閉度很大的以胡楊(Populuseuphratica)和灰楊為主的荒漠河岸林植被[15-16]。2010年末地區(qū)總?cè)丝?35萬(wàn)人，其中農(nóng)村人口111萬(wàn)，總?cè)丝诘?2.63%，國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值中，第一產(chǎn)業(yè)為50%以上，其中農(nóng)業(yè)產(chǎn)值達(dá)到40.5%，是該區(qū)域的主要經(jīng)濟(jì)支柱。

2　研究方法

2.1資料來(lái)源

本文采用的土地利用/覆被數(shù)據(jù)為和田河流域內(nèi)的Landsat-TM影像數(shù)據(jù)和中巴資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)，成像時(shí)間分別為1990年、2000年與2010年。三期數(shù)據(jù)均采用7—9月份Landsat-TM數(shù)據(jù)，圖像分辨率為30 m，每景覆蓋度范圍為185 km×185 km，解譯主要采用2，3，4三個(gè)波段。流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《新疆統(tǒng)計(jì)年鑒》，水資源量數(shù)據(jù)來(lái)源于塔里木河流域管理局(簡(jiǎn)稱塔管局)，河長(zhǎng)數(shù)據(jù)與土壤侵蝕面積(輕度、中度、重度)均來(lái)源于遙感數(shù)據(jù)提取。

2.2遙感解譯標(biāo)準(zhǔn)

在遙感信息提取過(guò)程中，參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(HJ 192—2015)》，將全區(qū)景觀分為水田、旱地、有林地、灌木林地、疏林地、其他林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、河流(渠)、湖泊(庫(kù))、灘涂濕地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地、農(nóng)村居民點(diǎn)、其他建設(shè)用地、沙地、鹽堿地、裸土地、裸巖石礫地和其他未利用地。

2.3數(shù)據(jù)處理

2.3.1遙感影像處理

(1) 室內(nèi)解譯：在ArcGIS 軟件Arc-MAP 環(huán)境中，根據(jù)解譯標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土地利用變化進(jìn)行人機(jī)交互式判讀和數(shù)字化工作，通過(guò)野外實(shí)地驗(yàn)證和修正，生成矢量化專題圖，獲得不同時(shí)期(1990年，2000年，2010年)土地利用類型的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

(2) 野外驗(yàn)證：根據(jù)解譯得到的和田河流域土地利用/覆被圖，通過(guò)野外定點(diǎn)實(shí)地拍照，現(xiàn)場(chǎng)記錄對(duì)分類結(jié)果校正，得到和田河流域典型時(shí)期土地利用覆被數(shù)據(jù)。

(3) 精度驗(yàn)證：通過(guò)大量野外實(shí)地校驗(yàn)并與分類結(jié)果對(duì)比分析，構(gòu)建三期遙感圖像土地利用/覆被信息的評(píng)估誤差矩陣，計(jì)算得出三期影像的Kappa系數(shù)分別為0.891，0.903，0.911。

2.3.2轉(zhuǎn)移矩陣計(jì)算利用ArcGIS 的intersect 模塊和Excel的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，將解譯得到的流域1990年、2000年、2010年三期遙感影像，在ArcGIS中進(jìn)行疊加運(yùn)算，得到其1990—2000年和2000—2010年土地利用轉(zhuǎn)移矩陣，進(jìn)而對(duì)研究區(qū)1990—2010年各土地利用類型的相互轉(zhuǎn)化情況進(jìn)行分析。

2.3.3生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)計(jì)算生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的計(jì)算參考《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(HJ 192—2015)》標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)計(jì)算公式為：生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)=0.35×生物豐度指數(shù)+0.25×植被覆蓋指數(shù)+0.15×水網(wǎng)密度指數(shù)+0.15×(100-土地脅迫指數(shù))+0.10×(100-污染負(fù)荷指數(shù))+環(huán)境限制指數(shù)。根據(jù)新疆的實(shí)際情況，經(jīng)濟(jì)發(fā)展主要以農(nóng)業(yè)為主，工業(yè)發(fā)展較落后，環(huán)境污染小且缺少環(huán)境監(jiān)測(cè)站，而水資源變化和土地退化情況對(duì)流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會(huì)穩(wěn)定極其重要，因此本研究在計(jì)算生態(tài)環(huán)境狀況的時(shí)候，通過(guò)專家訪談去除了污染負(fù)荷和環(huán)境限制兩個(gè)指標(biāo)，調(diào)整水網(wǎng)密度指數(shù)和土地脅迫指數(shù)的系數(shù)，將計(jì)算公式定為：生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)=0.35×生物豐度指數(shù)+0.25×植被覆蓋指數(shù)+0.2×水網(wǎng)密度指數(shù)+0.2×(100-土地脅迫指數(shù))。再根據(jù)生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)的計(jì)算結(jié)果，將生態(tài)環(huán)境狀況分為5級(jí)，即優(yōu)、良、一般、較差、差(表1)。

表1　生態(tài)環(huán)境狀況分級(jí)

生物豐度指數(shù)=Abio(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域濕地+0.11×耕地+0.04×建設(shè)用地+0.01×未利用地)/區(qū)域面積

(1)

式中：Abio表示生物豐度指數(shù)的歸一化系數(shù)，參考值為511.264 213 106 7。

(2)

式中：Pi為5—9月像元NDVI月最大值的均值；n表示區(qū)域像元數(shù)；Aveg表示植被覆蓋指數(shù)的歸一化系數(shù)，參考值為0.012 116 512 4。

水網(wǎng)密度指數(shù)=(Ariv×河流長(zhǎng)度/區(qū)域面積+Alak×水域面積(湖泊、水庫(kù)、河渠和近海)/區(qū)域面積+Ares×水資源量/區(qū)域面積)/3

(3)

式中：Ariv表示河流長(zhǎng)度的歸一化系數(shù)，參考值為84.370 408 398 1；Alak表示湖庫(kù)面積的歸一化系數(shù)，參考值為591.790 864 200 5；Ares表示水資源量的歸一化系數(shù)，參考值為86.386 954 828 1。

土地脅迫指數(shù)=Aero×(0.4×重度侵蝕面積+0.2×中度侵蝕面積+0.2×建設(shè)用地面積+0.2×其他土地脅迫)/區(qū)域面積

(4)

式中：Aero表示土地脅迫指數(shù)的歸一化系數(shù)，參考值為263.043 567 794 8。

3　結(jié)果與分析

3.1林地面積的變化

1990—2010年20 a間，林地總面積增加了29.33%，在1990—2000年林地面積稍有減少，減少量為48.28萬(wàn)hm2，而在后十年間面積增加了932.43萬(wàn)hm2。20 a內(nèi)面積變化較小的是有林地和疏林地，其中，有林地面積略有增加，增幅為0.29%，疏林地面積略有減少，減少了1.42%(圖1)。

綜合治理前后面積變化最大的是灌木林地和其他林地。灌木林地在前10 a間變化不大，僅僅減少了13.05萬(wàn)hm2，而2000—2010年，灌木林地的面積減少了21.97%；其他林地的面積在1990—2000年僅增加了1 054 hm2，而在2000—2010年增加了1.00億hm2，這是由于在2000—2010年，和田地區(qū)種植了大量的核桃、大棗、巴旦木等人工經(jīng)濟(jì)林，其種植模式為在成林之前，將糧食作物等與經(jīng)濟(jì)林混種，即林下套種。由于這種類型的土地利用方式介于耕地和林地，在遙感解譯過(guò)程當(dāng)中將這一部分判讀為其他林地。

3.2草地面積的變化

草地總面積在過(guò)去20 a內(nèi)一直處于下降的趨勢(shì)，總幅度下降了7.42%，前10 a和后10 a分別減少了3.80%和3.77%。其中，高覆蓋度草地在1990—2000年下降較快，10 a內(nèi)降幅15.43%，而在2000—2010年減少了5.06%；在綜合治理前后中覆蓋度草地面積減少量差別較小，分別為3.88%和3.92%，低覆蓋度草地在前10 a內(nèi)減少了1.06%，后10 a內(nèi)減少了3.46%(表2)。

圖1　綜合治理前后林地面積變化表2　1990-2010年不同類型草地面積

3.3林草地的動(dòng)態(tài)特征

至此，不禁要問(wèn)，面積急速擴(kuò)張的其他林地主要來(lái)自于那種土地類型？面積減少的灌木林地、疏林地和草地轉(zhuǎn)化成了哪種土地類型？針對(duì)這一問(wèn)題，本文利用和田河流域1990年、2000年、2010年遙感影像進(jìn)行疊加運(yùn)算得到和田河流域1990—2000年，2000—2010年的林草地的轉(zhuǎn)移矩陣(表3和表4)，分析林草地的時(shí)空變化情況。

1990—2010年，減少的灌木林地主要轉(zhuǎn)化為耕地、其他林地和退化成的疏林地，而疏林地主要轉(zhuǎn)化為耕地和戈壁。2000—2010年，其他林地的面積迅速增加，主要是由耕地轉(zhuǎn)化而來(lái)，這是由于在2000年后和田河流域大量種植經(jīng)濟(jì)林，人們?cè)谠懈鼗A(chǔ)上種植果林等經(jīng)濟(jì)作物，使林地總面積增加耕地面積減少。草地面積的減少最主要的原因是被耕地?cái)D占，其中高、中、低覆蓋度草地分別被擠占了19.05%，9.98%和5.38%。與此同時(shí)，草地出現(xiàn)了退化的現(xiàn)象，表現(xiàn)為3.17%的灌木林地退化成疏林地，4.42%的高覆蓋度草地退化成中覆蓋度草地，1.73%的中覆蓋度草地退化成低覆蓋度草地。

3.4生態(tài)環(huán)境狀況變化

目前，國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布的《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ/T 192—2006)及《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(HJ192—2015)》是國(guó)內(nèi)最流行的生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)體系，額濟(jì)納河[17]和新疆特克斯河[18]流域的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)均據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文選取了《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(HJ192—2015)》中的指標(biāo)和方法，計(jì)算得出了和田河流域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(圖2)。

表3　1990-2000年和田河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

表4　2000-2010年和田河流域土地利用轉(zhuǎn)移矩陣

從圖2可知，和田河流域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)均處于20與35之間，表明其生態(tài)環(huán)境較差，即植被覆蓋度較差，嚴(yán)重干旱少雨，物種較少，存在明顯的限制人類生存的因素。從變化速率上分析，在1990—2000年，和田河流域生物豐度指數(shù)及植被覆蓋度指數(shù)均呈略微增加趨勢(shì)，但水網(wǎng)密度指數(shù)有所下降，流域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)幾乎不變；在2000—2010年雖然和田河流域水網(wǎng)密度指數(shù)呈上升趨勢(shì)，但由于流域生物豐度指數(shù)、植被覆蓋度指數(shù)降低，土地脅迫指數(shù)上升，共同導(dǎo)致流域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)減少了0.77%；在綜合治理前后的20 a里和田河流域的水網(wǎng)密度指數(shù)升高了10.33%，但是流域生物豐度指數(shù)和植被覆蓋度指數(shù)不斷減少，分別降低了1.42%和3.66%，土地脅迫指數(shù)增加了11.57%，最終使得流域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)共降低了0.76%，表明流域近20 a來(lái)生態(tài)環(huán)境有惡化趨勢(shì)。

4　討 論

流域人口數(shù)不斷上升，耕地面積不斷擴(kuò)張是天然林草地面積的減少根本原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)(圖3)，和田河流域人口在近20 a里增加了51.84%，耕地面積增加了44.12%(含林下套種情況，林下套種這種土地利用方式雖然從遙感解譯上將其劃分為其他林地，但是單位面積毛灌溉定額與耕地?zé)o異)，對(duì)水資源的需求有增無(wú)減，人口與資源、環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾越來(lái)越突出。一方面由于流域人們生活文化水平較低缺乏環(huán)境保護(hù)意識(shí)，只注重從環(huán)境中索取，而忽視生態(tài)價(jià)值，使流域生態(tài)環(huán)境日益惡化，土地沙漠化、植被退化、水質(zhì)惡化和土地鹽漬化問(wèn)題日益突出。

圖2和田河流域1990-2010生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)

圖31990-2010年和田河流域耕地面積與人口數(shù)量變化情況

另一方面，人們掠奪式利用水土資源和粗放型的生產(chǎn)方式是造成生態(tài)環(huán)境退化的直接根源。在水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中，用戶只關(guān)注生產(chǎn)生活用水，不考慮生態(tài)用水，雖然流域管理部門(mén)規(guī)定了限額用水量，但是由于執(zhí)法和監(jiān)管能力受限，實(shí)際用水量遠(yuǎn)超限額用水量，致使用水平衡受到影響(表5)。和田河流域沒(méi)有生態(tài)引水閘，全部生態(tài)用水均來(lái)自于河道滲漏與漫溢，河損量的減少就意味著生態(tài)用水量的縮減。2000年以來(lái)，由于氣溫持續(xù)上升，和田河徑流量增加了7.88%[19]，流域處于豐水期，平均來(lái)水頻率小于25%，來(lái)水量48億，植被面積和長(zhǎng)勢(shì)本應(yīng)好轉(zhuǎn)，但是由于人口和耕地面積的增加，年均實(shí)際用水量比限額用水量多2.98億m3，導(dǎo)致了河道滲漏量的減少，進(jìn)而影響到了天然植被的生態(tài)用水。一旦時(shí)逢平枯水期，在保證生活生產(chǎn)用水量和10億m3下泄水量不變的情況下，河損量將進(jìn)一步減少，情況更為嚴(yán)重。

表5　綜合治理前后和田河流域的用水平衡　108 m3

注:2001—2010年來(lái)水量、下泄水量為多年實(shí)測(cè)平均值；(1) 河損量=來(lái)水量—實(shí)際生活生產(chǎn)用水量—下泄水量;(2) 數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[20]。

5　結(jié)論與建議

(1) 整個(gè)流域的林地面積在輸水前后有著較大變化，輸水后，總面積增加了29.33%，增加的主要類型為其他林地，即林下套種的土地類型，面積增加1.00億hm2；而天然灌木林地面積在輸水后減少了21.97%，減少速率最快；草地面積不斷減少，綜合治理實(shí)施前后分別減少了3.80%和3.77%。

(2) 利用轉(zhuǎn)移矩陣進(jìn)行土地利用類型的變化分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，林草地面積的減少主要是被耕地占用，其中20 a內(nèi)被耕地?cái)D占的天然林草地面積達(dá)到511.3萬(wàn)hm2；同時(shí)，也存在著林草地質(zhì)量退化的情況，例如，3.17%的灌木林地退化成疏林地，4.42%的高覆蓋度草地退化成中覆蓋度草地，1.73%的中覆蓋度草地退化成低覆蓋度草地。

(3) 和田河流域生態(tài)環(huán)境狀況整體處于較差的級(jí)別。通過(guò)對(duì)比綜合治理前后整個(gè)流域的生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，發(fā)現(xiàn)流域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)(EI)在綜合治理前的10 a內(nèi)僅僅降低了0.1%，而在2000—2010年減少了1.19%。

(4) 耕地的擴(kuò)張是和田河天然林草地面積減少和生態(tài)環(huán)境狀況下降的根本原因。耕地?cái)U(kuò)張導(dǎo)致灌溉引水量增大，同時(shí)流域執(zhí)法部門(mén)監(jiān)管能力有限，使得實(shí)際生活生產(chǎn)用水量遠(yuǎn)超過(guò)限額用水，植被生態(tài)用水被大量擠占，因此，限制耕地大面積擴(kuò)張才是解決流域林草地面積減少及生態(tài)退化的根本出路。

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Discussion on Ecological Condition Change of Khotan River Basin in 1990-2010

ZHANG Pei1,2, XU Hailiang1, DU Qing3, ZHAO Xinfeng1， LING Hongbo1

(1.XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.XinjiangAcademyofSurveying&Mapping,Urumqi830002,China)

The change of the eco-environment in arid continental river basin is related to human survival and development of the society. In order to discuss the eco-environment change in Khotan River basin during the period from 1990 to 2010, variation of forest and grassland area and ecological condition are analyzed based on Landsat-TM and CBERS images in 1990, 2000 and 2010, and combining with transition matrix and ecological index methods. It is revealed that: (1) amplitude of natural forest and grassland area declines significantly, while artificial forest increases rapidly during the period from 2000 to 2010; (2) the ecological index in 1990—2000 and 2000—2010 decreased by 0.1% and 1.19%, respectively； (3) the farmland expansion is the fundamental reason for natural forest and grassland area shrinking as well as the environment condition degradation.

forest and grassland area; ecological index (EI); farmland expansion; Khotan River basin

2015-07-15

2015-08-03

中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃“西部博士資助項(xiàng)目”(XBBS-2014-13);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41471099，31370551，41171427，31400466)

張沛(1988—),男,河北滄州人,在讀碩士,主要從事干旱區(qū)恢復(fù)生態(tài)研究。E-mail:zhangpei-cool@163.com

凌紅波(1983—)，男,河南商丘人,助理研究員,主要從事干旱區(qū)生態(tài)水文研究。E-mail：linghongbo0823@163.com

K903； X22

A

1005-3409(2016)04-0174-05