孔雀河流域天然植被生態(tài)需水量估算

周洪華 吾買爾江·吾布力 郝興明 李衛(wèi)紅

(1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011； 2.塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

孔雀河流域天然植被生態(tài)需水量估算

周洪華1吾買爾江·吾布力2郝興明1李衛(wèi)紅1

(1.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011； 2.塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

生態(tài)需水量的正確估算是實(shí)現(xiàn)流域水資源科學(xué)管理、合理配置的關(guān)鍵前提。本文綜合多種方法計(jì)算了孔雀河流域天然植被不同保育目標(biāo)和保護(hù)范圍下的生態(tài)需水量。結(jié)果表明：若要保護(hù)流域內(nèi)的所有天然植被，每年需要最低生態(tài)需水量為4.10×108m3，其中林地需水0.4×108m3，草地需水3.7×108m3；若僅保護(hù)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)內(nèi)的天然植被，則每年需生態(tài)需水量為1.91×108m3，其中林地需水量0.37×108m3，草地需水量1.54×108m3；若實(shí)施生態(tài)輸水搶救工程，以保護(hù)“搶救”保護(hù)范圍的天然植被，則每年需生態(tài)輸水量為1.32×108m3，其中良好林地需水0.18×108m3，良好草地需水1.14×108m3。

生態(tài)需水量；潛水蒸發(fā)；灌溉定額；天然植被；孔雀河

生態(tài)需水是當(dāng)前生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，凡是涉及水資源過程的生態(tài)系統(tǒng)保育和人類活動(dòng)影響下的生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)，以及生態(tài)脆弱區(qū)水資源的開發(fā)利用等，都不可避免地要回答有關(guān)生態(tài)需水的問題[1-2]?，F(xiàn)階段，人類對(duì)干旱區(qū)流域水資源呈現(xiàn)出不同程度的掠奪式開發(fā)，生產(chǎn)、生活用水和生態(tài)需水矛盾日益激化，生態(tài)需水的忽視導(dǎo)致了流域生態(tài)系統(tǒng)的退化，加劇了生態(tài)脆弱性[3-5]。因此，生態(tài)需水量的正確估算是實(shí)現(xiàn)流域水資源合理配置、促進(jìn)流域水資源可持續(xù)開發(fā)利用的關(guān)鍵前提[6]?？兹负邮菐鞝柪?尉犁綠洲的重要水源，孔雀河流域以博斯騰湖為源頭，包括庫爾勒市、尉犁縣、農(nóng)二師5個(gè)團(tuán)場以及大型石油工礦企業(yè)，流域面積3.32萬平方公里，是塔里木河盆地北緣的重要社會(huì)、經(jīng)濟(jì)與區(qū)域政治中心，對(duì)區(qū)域穩(wěn)定、可持續(xù)、和諧發(fā)展起著決定性作用。自2000年以來，孔雀河作為重要的輸水通道承擔(dān)著向塔里木河下游輸水的重要功能，為整個(gè)區(qū)域的生態(tài)修復(fù)與治理起到了不可替代的重要作用。然而，近年來由于孔雀河源頭-博斯騰湖入湖水量銳減造成孔雀河水量急劇減少，不但不能承擔(dān)向塔里木河下游輸水的功能，而且其自身也出現(xiàn)了嚴(yán)重的水資源危機(jī)，下游河道斷流，部分河道淤塞，土地沙化嚴(yán)重，河岸植被出現(xiàn)了顯著的退化[7]?？兹负酉掠翁烊恢脖慌c塔里木河下游天然植被共同構(gòu)成了一道“綠色屏障”，保障著重要交通線的暢通，同時(shí)也阻擋沙漠?dāng)U張，保障著綠洲的生態(tài)安全。因此，孔雀河下游天然植被的保育成為了當(dāng)前亟待解決的問題。本文以孔雀河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，采用多種方法估算流域天然植被生態(tài)需水量，并提出不同保育目標(biāo)下的天然植被生態(tài)需水量，為孔雀河流域水資源科學(xué)管理、合理配置提供科學(xué)指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

孔雀河流域位于新疆巴音郭楞蒙古族自治州中部，塔里本盆地東北部，地處東經(jīng)85°22′～86°48′，北緯41°14′～41°57′，北靠庫魯克塔格山，南接塔克拉瑪干沙漠，地勢由西北向東南傾斜，由綠洲生態(tài)系統(tǒng)、湖泊生態(tài)系統(tǒng)及荒漠生態(tài)系統(tǒng)等構(gòu)成?？兹负邮呛币姷臒o支流水系，其唯一源頭來自博斯湖，從湖的西部溢出，故名孔雀河。它流經(jīng)塔什市，穿越鐵門關(guān)峽谷，進(jìn)入庫爾勒市，再經(jīng)尉犁縣，沿庫魯克山東流，最后，注入羅布泊，全程942公里。孔雀河流域總面積3.32×104km2，被稱為新疆巴音郭楞蒙古自治州(以下簡稱巴州)的母親河，流經(jīng)庫爾勒市、貫穿尉犁縣全境以及兵團(tuán)農(nóng)二師的28、29、30團(tuán)場，是當(dāng)?shù)毓I(yè)、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)賴以發(fā)展的命脈。

孔雀河流域深居歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，屬于典型的大陸性干旱氣候，干旱少雨、蒸發(fā)量大、晝夜溫差大。流域內(nèi)日照時(shí)間長，光熱資源豐富，四季分明，冬夏漫長，春秋短暫，并有春季升溫快、秋季降溫迅速、風(fēng)沙較大等氣候特征?？兹负佣嗄昶骄鶜鉁?1℃，最高氣溫達(dá)26.2℃，最低氣候溫-30℃；多年平均降水量62.7mm，多年平均蒸發(fā)量高達(dá)2773mm。日照時(shí)間為2789.50h。平原區(qū)多年平均氣溫為6～12℃，無霜凍期170～226天，多年平均濕度為43%～57%。平原區(qū)最高氣溫可達(dá)40℃以上，最低氣溫-30℃左右。近十幾年，隨著孔雀河流域供需水矛盾進(jìn)一步加劇，孔雀河斷流河道逐年延長，下游植被衰敗滅亡進(jìn)程加速，下游生態(tài)系統(tǒng)重要建群種胡楊種群衰敗嚴(yán)重，1999～2012年孔雀河流域胡楊有林地持續(xù)快速減少，平均每年減少0.25km2，導(dǎo)致整個(gè)孔雀河下游荒漠河岸林生態(tài)系統(tǒng)瀕臨崩潰。

2 材料與方法

2.1 天然植被空間分布解譯

獲取研究區(qū)2010年TM影像，按照Albers Conical Equal Area投影系統(tǒng)和GCS_WGS_1984坐標(biāo)系統(tǒng)分別校正后，作為本研究的遙感數(shù)據(jù)源，其中TM影像空間分辨率30 m。土地利用分類信息提取及精度驗(yàn)證參照《土地利用現(xiàn)狀分類(GB/T21010-2007)》標(biāo)準(zhǔn)，將研究區(qū)的土地分為12類，分別為河流、湖泊/水域、有林地、灌木林、疏林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、耕地、村鎮(zhèn)、沼澤濕地和荒漠。運(yùn)用人機(jī)交互式解譯方法[8]，解譯出研究區(qū)30m空間分辨率的土地利用圖，建立空間拓?fù)潢P(guān)系，生成土地利用圖形數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫。對(duì)研究區(qū)土地利用解譯數(shù)據(jù)開展了野外驗(yàn)證，在研究區(qū)的累積調(diào)查面積約為0.05×104km2，調(diào)查面積約占研究區(qū)面積的30%，共采集了120個(gè)GPS點(diǎn)對(duì)2010年土地利用數(shù)據(jù)開展精度驗(yàn)證，解譯精度為89.8%。

2.2 天然植被生態(tài)需水計(jì)算方法

本文采用多方法估算孔雀河下游天然植被生態(tài)需水量：

(1)潛水蒸發(fā)法

根據(jù)潛水蒸發(fā)量間接計(jì)算生態(tài)需水量。該方法適用于干旱區(qū)植被生存主要依賴地下水的情況。干旱區(qū)天然植被的實(shí)際蒸散可近似地用潛水蒸發(fā)量W表示。

(1)

式中，E為潛水蒸發(fā)強(qiáng)度(mm)，A為要維持或保護(hù)的植被面積。潛水蒸發(fā)與氣象要素、土壤質(zhì)地、土壤水分儲(chǔ)量和地下水埋深等密切相關(guān)。目前潛水蒸發(fā)法常用的計(jì)算公式有：

①阿維里揚(yáng)諾夫公式：

(2)

②阿克蘇水平衡站公式：

(3)

式中，E為潛水蒸發(fā)強(qiáng)度(mm)；EΦ20為常規(guī)氣象蒸發(fā)皿觀測值(mm)；H為地下水埋深(m)，E20為20m2蒸發(fā)池水面蒸發(fā)量，使用阿克蘇水平衡站多年實(shí)測平均值1292.2mm；Hmax為地下水極限埋深(m)，按5m計(jì)算；a，b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)分別取a=0.62，b=2.8。以上公式計(jì)算結(jié)果均為裸地條件下的潛水蒸散發(fā)數(shù)值，若考慮不同植被覆蓋條件下的潛水蒸散發(fā)，需通過植被系數(shù)對(duì)裸地條件下蒸散發(fā)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。因孔雀河流域植被、土壤和地下水條件與塔里木河流域類似，故植被系數(shù)采用表1的塔里木河流域植被影響系數(shù)[3]。

(2)定額法

式中：p為植被需水保證率；Ai為i類的植被面積；mpi為相應(yīng)保證率的植被需水定額；n為植被類型數(shù)。

表1 不同潛水埋深條件下的植被系數(shù)

根據(jù)生態(tài)用水的不同特點(diǎn)，特別是孔雀河兩岸的自然植被主要依靠洪水漫溢和河道入滲補(bǔ)給地下水維持生機(jī)的特點(diǎn)，并參考潛水蒸發(fā)與水平衡公式計(jì)算的需水量結(jié)果，確定孔雀河流域現(xiàn)狀條件下：有林地需水定額為200m3/畝；灌木林需水定額為150m3/畝；疏林地需水定額為100m3/畝；高蓋度、中蓋度與低蓋度草地需水定額分別為200m3/畝，150m3/畝和100m3/畝。

3 結(jié)果與分析

3.1 天然植被空間分布及保育范圍的確定

孔雀河流域2010年土地利用變化現(xiàn)狀空間分布見圖1，上游區(qū)域土地利用類型豐富，林地、草地均有分布，中下游區(qū)域植被類型單一，主要類型為地覆蓋草地。根據(jù)流域天然植被分布現(xiàn)狀及流域生態(tài)保護(hù)遠(yuǎn)期目標(biāo)與近期目標(biāo)，并結(jié)合規(guī)劃年流域水資源供需平衡與配置情況，流域天然植被保護(hù)范圍可劃分為三個(gè)層次(表1)：

(1)天然植被保護(hù)總范圍

綜合考慮孔雀河流域平原區(qū)天然荒漠植被在保障綠洲生態(tài)安全、綠洲城市文明可持續(xù)發(fā)展以及區(qū)域生物多樣性保育等方面的重要功能，確定天然植被保育的范圍為流域內(nèi)自然分布的全部天然林草。根據(jù)2010年流域土地利用圖，流域內(nèi)現(xiàn)有天然植被總面積415.22×104畝，其中林地39.99×104畝，包括有林地3.97×104畝，灌木林地12.97×104畝，疏林地23.05×104畝；草地總面積375.23×104畝，包括高蓋度草地47.48×104畝，中蓋度草地83.27×104畝，低蓋度草地244.47×104畝。天然林草主要建群喬木種為胡楊；灌木物種以薔薇、黑果枸杞、忍冬等為主；草本植物主要以蘆葦、大薊、苦豆子、芨芨草等為主。從植被類型與面積來看，流域天然植被主要以草地為主，占天然植被總面積的90.37%，其中低蓋度草地面積最大，占天然植被總面積的58.88%，因此，流域內(nèi)天然植被退化嚴(yán)重，大面積低蓋度草地荒漠化趨勢明顯。

表2 孔雀河流域天然植被保護(hù)面積與植被類型 ×104畝

(2)天然植被重點(diǎn)保護(hù)范圍

在現(xiàn)狀條件下，為了逐步推進(jìn)生態(tài)保護(hù)總目標(biāo)，依據(jù)天然植被分布格局、水分來源，并考慮枯水年整個(gè)流域平原區(qū)天然植被生態(tài)需水供應(yīng)可能面臨不足的現(xiàn)實(shí)情況，流域天然植被保護(hù)范圍可優(yōu)先考慮下游具有極重要生態(tài)防護(hù)功能，同時(shí)又對(duì)水分條件響應(yīng)敏感的生態(tài)脆弱區(qū)，即灌區(qū)以下集中連片分布的天然河岸植被。流域天然植被重點(diǎn)保護(hù)區(qū)位于阿恰水利樞紐以下(灌區(qū)以下)的河道兩岸(圖1)。該區(qū)域分布的天然植被為主要由以胡楊為主的喬木林、以檉柳為主的灌木林以及大面積草地組成，為荒漠地帶特有的走廊式荒漠河岸林植被。重點(diǎn)保護(hù)區(qū)有天然植被168.21×104畝，其中林地35.61×104畝，包括有林地3.6×104畝，灌木林地10.05×104畝，疏林地21.96×104畝；草地132.6×104畝，包括高蓋度草地26.5×104畝，中蓋度草地45.6×104畝，低蓋度草地60.5×104畝。重點(diǎn)保護(hù)區(qū)仍然以草地為主，面積比例達(dá)78.83%，其中低蓋度草地占比為35.97%。重點(diǎn)保護(hù)區(qū)天然林面積占流域天然林總面積的81.26%。重點(diǎn)保護(hù)區(qū)林地面積占整個(gè)流域林地面積的90%左右，顯然，流域內(nèi)的天然林集中分布在灌區(qū)以下的河道兩岸，是生態(tài)保育需重點(diǎn)關(guān)注的地方。

圖1 孔雀河流域天然植被分布格局與保護(hù)范圍

(3)應(yīng)急輸水條件下，天然植被搶救保護(hù)范圍

在流域生態(tài)輸水規(guī)劃還未實(shí)施之前，可在豐水年或當(dāng)恰拉水庫滿足塔里木下游生態(tài)輸水且有余水的條件下，綜合調(diào)度實(shí)施向孔雀河阿恰樞紐以下地區(qū)進(jìn)行“搶救型”應(yīng)急生態(tài)輸水，主要目標(biāo)是保護(hù)阿恰樞紐以下良好(有林地、灌木林地以及中蓋度以上草地)天然植被不再退化。根據(jù)土地利用圖(圖1)及孔雀河下游天然植被分布頻率圖(圖2)，可知，若應(yīng)急輸水天然植被搶救目標(biāo)設(shè)定為保護(hù)下游區(qū)域良好天然植被，則保護(hù)范圍為距離河道橫向范圍10km以內(nèi)，自阿恰樞紐以下，沿河道縱向范圍為180km以內(nèi)，在這一范圍內(nèi)可搶救80%以上的有林地(灌木林)和全部的高(中)蓋度草地。天然植被搶救保護(hù)范圍有天然植被面積為83.26×104畝，其中林地11.16×104畝，草地72.10×104畝。

圖2 孔雀河自阿恰 樞紐以下沿河道方向，隨直線距離的增加天然植被分布頻率變化情況

3.2 不同生態(tài)保育目標(biāo)下的生態(tài)需水量計(jì)算

采用潛水蒸發(fā)法和定額法分別估算了孔雀河流域天然植被最低生態(tài)需水量，其中潛水蒸發(fā)法采用了阿克蘇水平衡公式和阿維里揚(yáng)諾夫公式(表3)。根據(jù)估算結(jié)果，如果以流域內(nèi)分布的全部天然植被為保護(hù)目標(biāo)，則阿克蘇水平衡公式計(jì)算的最低生態(tài)需水量為2.31×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地生態(tài)需水量分別為0.09、0.15、0.12、1.04、0.97和1.32×108m3；阿維里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算的天然植被生態(tài)需水量為3.38×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地生態(tài)需水量分別為0.09、0.14、0.11、1.05、0.92和1.15×108m3；定額法計(jì)算的天然植被生態(tài)需水量為5.15×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地生態(tài)需水量分別為0.08、0.19、0.23、0.95、1.25和2.44×108m3。

為了避免單一計(jì)算方法的不確定性，將上述三種方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平均，最終流域天然植被最低生態(tài)需水量為4.10×108m3，其中林地需水0.4×108m3，草地需水3.7×108m3。

將阿恰樞紐以下的河岸植被作為流域天然植被重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域，則重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域內(nèi)天然植被最低生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果為：阿克蘇水平衡公式計(jì)算的生態(tài)需水量為1.76×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地生態(tài)需水量分別為0.08、0.12、0.12、0.58、0.53和0.33×108m3；阿維里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算的天然植被生態(tài)需水量為1.67×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地生態(tài)需水量分別為0.08、0.11、0.10、0.59、0.50和0.28×108m3；定額法計(jì)算的天然植被生態(tài)需水量為2.31×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地生態(tài)需水量分別為0.07、0.20、0.22、0.53、0.68和0.61×108m3。三種計(jì)算結(jié)果平均，重點(diǎn)區(qū)生態(tài)需水量為1.91×108m3，其中林地需水量0.37×108m3，草地需水量1.54×108m3。

表3 孔雀河流域不同保護(hù)范圍最低生態(tài)需水量估算

將阿恰樞紐以下沿河道縱向直線距離180km、離河岸橫向距離10-20km以內(nèi)的良好河岸植被作為應(yīng)急輸水天然植被搶救保護(hù)范圍，則搶救保護(hù)區(qū)域內(nèi)天然植被最低生態(tài)需水量計(jì)算結(jié)果為：阿克蘇水平衡公式計(jì)算的生態(tài)需水量為1.27×108m3；阿維里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算的天然植被生態(tài)需水量為1.25×108m3；定額法計(jì)算的天然植被生態(tài)需水量為1.43×108m3。三種計(jì)算結(jié)果平均，天然植被“搶救”保護(hù)范圍生態(tài)需水量為1.32×108m3，其中良好林地需水0.18×108m3，良好草地需水1.14×108m3。

4 結(jié) 論

孔雀河流域天然植被主要分布在孔雀河沿岸，林地主要聚集中在上游，中下游主要為地覆蓋草地。結(jié)合天然植被空間分布現(xiàn)狀與流域生態(tài)保護(hù)規(guī)劃，本文劃定了不同層次的孔雀河流域天然植被保育范圍：天然植被保護(hù)總范圍、天然植被重點(diǎn)保護(hù)范圍以及應(yīng)急生態(tài)輸水條件下的天然植被搶救保護(hù)范圍。

根據(jù)不同的保護(hù)目標(biāo)和保護(hù)范圍，采用多種方法綜合計(jì)算了天然植被的生態(tài)需水量。如果要保護(hù)流域內(nèi)的所有天然植被，需要最低生態(tài)需水量為4.10×108m3，其中林地需水0.4×108m3，草地需水3.7×108m3；如果僅保護(hù)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)內(nèi)的天然植被，則需生態(tài)需水量為1.91×108m3，其中林地需水量0.37×108m3，草地需水量1.54×108m3；如果實(shí)施生態(tài)輸水搶救工程，以保護(hù)“搶救”保護(hù)范圍的天然植被，則需生態(tài)需水量為1.32×108m3，其中良好林地需水0.18×108m3，良好草地需水1.14×108m3。

[1]劉新華，徐海量，凌紅波，等.塔里木河下游生態(tài)需水估算.中國沙漠，2013，33(4)：1198-1205.

[2]Wang GX，Chen GD.Water demand of eco-system and estimate method in arid inland river basins.Journal of Desert Research，2000，20(2)：129-134.

[3]Ye Z，Chen Y，Li W.Ecological water demand of natural vegetation in the lower Tarim River.J.Geogr.Sci.2010，20(2)：261-272.

[4]Zhang L.Ecological water requirement based on ecological protection and restoration targets in the lower reaches of the Heihe River，northern China.Frontiers of Forestry in China，2009，4(3)：263-270.

[5]Fu X，He H，Jiang X，Yang S，Wang G.Natural ecological water demand in the lower Heihe River.Frontiers of Environmental Science & Engineering in China.2008，1(2)：63-68.

[6]Chen Y，Xu C，Chen Y，Liu Y，Li W.Progress，challenges and prospects of eco-hydrological studies in the Tarim River Basin of Xinjiang，China.Environmental Management，2013，51：138-153.

[7]劉亞琦，劉加珍，陳永金，等.孔雀河下游斷流河道的環(huán)境特征及物種間關(guān)系.生態(tài)學(xué)報(bào)，2016，DOI：10.5846/STXB201511302400.

[8]楊勝天，朱啟疆.人機(jī)交互式解譯在大尺度土壤侵蝕遙感調(diào)查中的作用.水土保持學(xué)報(bào)，2000，14(3)：88-91.

Estimation of Ecological Water Demand of Natural Vegetation in Konqi River Basin

ZHOU Honghua1WUBULI Wumaierjiang2HAO Xingming1LI Weihong1

(1.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology，Xinjiang Institute of Ecology and Geography， Chinese Academy of Sciences，Xinjiang 830011 China； 2. Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau，Korla 841000，China)

Ecological water demand is the key for the water resources management. In this paper，the ecological water demands of natural vegetation for different conservation objectives and conservation areas in the Konqi River Basin were calculated by a variety of methods. The results showed：The lowest ecological water demand is 4.10×108m3per year for protecting all the natural vegetation in the Konqi River Basin，in which ecological water demand is 0.4×108m3for forest and it is 3.7×108m3for grass；The ecological water demand is 1.91×108m3per year if only protecting the priority protection zone，in which ecological water demand is 0.37×108m3for forest and it is 1.54×108m3for grass；The ecological water demand is 1.32×108m3per year if rescuing the natural vegetation under the ecological water transportation project，in which ecological water demand is 0.18×108m3for forest and it is 1.14×108m3for grass.

ecological water demand；diving evaporation；irrigation quota；natural vegetation；Konqi River

項(xiàng)目資助：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAC15B02)和中國科學(xué)院“率先行動(dòng)”計(jì)劃課題(TSS-2015-014-FW-2-3)

周洪華，博士，副研究員，從事干旱區(qū)生態(tài)水文過程研究

X21

A

1673-288X(2017)02-0140-05

引用文獻(xiàn)格式：周洪華 等.孔雀河流域天然植被生態(tài)需水量估算[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(2)：140-144.