塔里木河干流生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)方法研究

張琴琴，劉 斌

（1.新疆維吾爾自治區(qū)測繪科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830002）

塔里木河是典型的干旱區(qū)內(nèi)陸河，具有生態(tài)環(huán)境脆弱、自然資源豐富的雙重性特征。多年來，在以水資源開發(fā)利用為核心的大強(qiáng)度人類活動(dòng)的作用下，塔里木河干流水環(huán)境和自然生態(tài)過程發(fā)生了顯著變化。由于對(duì)水資源不合理的開發(fā)利用，干流來水日益縮減，干流兩岸植被不斷衰敗，土地沙化和鹽堿化等環(huán)境問題普遍發(fā)生[1-3]。為協(xié)調(diào)流域水資源，實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與經(jīng)濟(jì)繁榮的良性發(fā)展，恢復(fù)塔里木河下游破敗的生態(tài)廊道，自2000年開始，我國政府投資107億元實(shí)施針對(duì)恢復(fù)下游極端生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)輸水工程。當(dāng)前，塔里木河已成為世界范圍內(nèi)生態(tài)修復(fù)的稀有案例和人為干預(yù)條件下生態(tài)修復(fù)的典型案例。

1 研究區(qū)概況

塔里木河干流由西向東橫貫塔里木盆地北緣，始于阿克蘇河、葉爾羌河與和田河3條源流的匯合處肖夾克，歸于臺(tái)特瑪湖，全長1 321 km，流域面積為1.76 萬 km2。塔里木河干流自身不產(chǎn)水，屬耗散型河流，依靠源流補(bǔ)給維系其生態(tài)環(huán)境和河流生命[4-5]。塔里木河干流綠色植被帶廊道如一道生態(tài)屏障，對(duì)阻止塔克拉瑪干沙漠北移擴(kuò)張、維護(hù)天山南坡經(jīng)濟(jì)帶的健康發(fā)展具有重要的生態(tài)功能[6-7]。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

2.1 地表覆蓋變化

地表覆蓋變化可直觀反映輸水工程、人為活動(dòng)等對(duì)流域地表覆被結(jié)構(gòu)的整體影響[8]。本文將塔里木河干流地表覆蓋分為耕地、園地、林地、草地、水域、荒漠與裸露地表、居民地及設(shè)施和道路8個(gè)大類，從而分析了2002～2014年不同地表覆蓋面積的變化特征。

2.2 植被覆蓋度

植被覆蓋度是生態(tài)學(xué)的重要參數(shù)，是生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中最常用的監(jiān)測指標(biāo)之一，是植被覆蓋的直接指示因子[9]。植被覆蓋度是天然植被整體長勢以及分布范圍最直觀的體現(xiàn)。根據(jù)塔里木河干流監(jiān)測區(qū)2000～2014 年8月空間分辨率為1 000 m的NDVI產(chǎn)品數(shù)據(jù)，計(jì)算植被覆蓋度。以塔里木河干流沿岸5 km范圍內(nèi)植被覆蓋度為分析對(duì)象，參照表1中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分析2000～2014年監(jiān)測區(qū)植被覆蓋度動(dòng)態(tài)變化特征。

表1 植被覆蓋度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 景觀格局

景觀格局及其變化是自然與人為因素相互作用所產(chǎn)生的一定區(qū)域生態(tài)環(huán)境體系的綜合反映，在一定程度上決定了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健康水平[10-12]。本文選取最大斑塊指數(shù)（LPI）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）評(píng)價(jià)生態(tài)輸水后塔里木河干流景觀格局變化特征。LPI是一種簡單的衡量各類型優(yōu)勢度的指數(shù)[13]；SHDI反映景觀類型的多少和景觀中斑塊的多度和異質(zhì)性[14]。

2.4 地下水埋深

地下水是干旱區(qū)植被生長繁育最主要的水來源，保障適宜的地下水埋深是實(shí)現(xiàn)植被保護(hù)和修復(fù)的關(guān)鍵[15]。本文根據(jù)2000～2014年塔里木河干流下游英蘇、喀爾達(dá)依、阿拉干、依干不及麻及庫爾干斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了生態(tài)輸水工程對(duì)塔里木河干流下游地下水埋深的影響。

3 塔里木河干流輸水生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)

本文使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括2000年、2006年、2009 年、2012年和2014年1∶25萬與1∶5萬序列覆蓋全部塔里木河流域重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)數(shù)據(jù)，以及2002年、2009年和2014年1∶1萬序列覆蓋塔里木河干流流域序列重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)數(shù)據(jù)。結(jié)合資料完整性和專業(yè)性，在兩個(gè)序列數(shù)據(jù)中選擇使用。

3.1 技術(shù)流程

在調(diào)查摸清地表覆蓋變化和地下水位等狀況的基礎(chǔ)上，根據(jù)選定的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立系統(tǒng)的監(jiān)測體系，動(dòng)態(tài)跟蹤輸水過程中主要環(huán)境影響參數(shù)的變化情況，以地表水—地下水—植被恢復(fù)研究為主線，將地面監(jiān)測方法與衛(wèi)星監(jiān)測方法相結(jié)合，對(duì)塔里木河干流的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 塔里木河干流生態(tài)效應(yīng)評(píng)價(jià)技術(shù)流程圖

3.2 地表覆蓋時(shí)空變化特征

隨著塔里木河流域綜合治理工程的實(shí)施以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，塔里木河干流不同河段地表覆蓋呈現(xiàn)了差異較為明顯的時(shí)空變化特征。

根據(jù)圖2以及相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，從空間尺度看，2014年塔里木河干流以林地為主，占流域總面積的52.22%；其次為耕地以及荒漠與裸露地表，面積比例分別為17.45%、14.26%；除草地占流域總面積的9.47%外，其他地表覆蓋類型面積占比均在5%以下。從時(shí)間尺度看，2002～2014年，除草地以及荒漠與裸露地表面積減少外，其余地表覆蓋類型面積均增加，其中林地增加面積最大，達(dá)到4 851 km2，增幅為76.5%；耕地次之，增加面積為953 km2，增幅為35.0%；園地與水域增加面積分別為252 km2、262 km2，而道路與居民地及設(shè)施增加面積均在50 km2以下?；哪c裸露地表以及草地減少面積均較明顯，分別為5 490 km2、916 km2，減少幅度分別為64.2%、31.1%。

圖2 塔里木河干流2002年、2009年、2014年地表覆蓋變化

綜上所述，2002～2014年塔里木河干流最突出的地表覆蓋變化為荒漠與裸露地表的減少以及林地的增加，這表明隨著生態(tài)輸水工程的實(shí)施，塔里木河干流生態(tài)環(huán)境趨于好轉(zhuǎn)。

3.3 植被覆蓋度變化特征

2002～2014年塔里木河干流植被（林地、草地等）面積變化顯著。為明確塔里木河干流植被具體變化特征，借助GIS空間分析功能，提取了2000年、2006年、2009年、2012年和2014年干流兩側(cè)5 km范圍植被覆蓋度信息；并結(jié)合表1分析了干流植被覆蓋度的時(shí)空變化特征。

根據(jù)圖3以及相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，塔里木河干流河道兩側(cè)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)與Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)以及Ⅴ級(jí)覆蓋度植被面積所占比例大致相等，各約占50%。從時(shí)間尺度看，2000～2014年，Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)植被面積占比逐漸上升，2014年達(dá)到30.58%；Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)植被面積占比在2000～2006年呈增加趨勢，2006年后則逐漸下降。

圖3 各年塔里木河干流植被覆蓋度變化

綜上所述，塔里木河干流河道兩側(cè)5 km范圍內(nèi)的植被覆蓋度明顯改善，隨著生態(tài)輸水工程的逐步實(shí)施，塔里木河干流沿岸植被生長條件得以改善，干流植被整體生長狀況有所好轉(zhuǎn)。

3.4 生態(tài)景觀格局變化特征

受人為干擾和自然因素影響，塔里木河干流地表覆蓋類型發(fā)生了明顯變化。根據(jù)塔里木河干流2002年、2009年和2014年地表覆蓋信息，利用LPI和SHDI分析了塔里木河干流各河段的景觀格局變化特征。

由圖4可知，2002～2014年，上游優(yōu)勢景觀由喬木林變?yōu)楹档?，在各地表覆蓋類型中，喬木林的LPI變化最為顯著，由5.13減少為1.41，而沙質(zhì)地表與鹽堿地表減少趨勢最為明顯，分別由3.10減少為0.34，由1.59減少為0.02。不同于上游景觀類型變化特點(diǎn)，中游優(yōu)勢景觀由沙質(zhì)地表變?yōu)楣嗄玖?，其LPI變化均較為明顯，其中沙質(zhì)地表由9.48減少為3.97，灌木林由3.66增加至6.59。下游優(yōu)勢景觀由沙質(zhì)地表變?yōu)槠渌值?，同時(shí)二者的LPI變化趨勢也最為顯著，沙質(zhì)地表由14.47減少為5.92，其他林地由0.17增加至12.61。

圖4 2002～2014年塔里木河干流各地類LPI變化特征

由圖5可知，2002～2014年，上游SHDI呈先增后減的趨勢，整體變化并不明顯，SHDI僅從1.96減少為1.95；中游SHDI增長趨勢顯著，由2002年的1.55增長至2014年的1.94，表明中游流域的景觀多樣性增加且各地類分布趨于均衡，景觀破碎度加?。幌掠蜸HDI呈先增后減的趨勢，2002年、2009年和2014年的SHDI分別為1.80、1.91和1.87，表明該時(shí)段內(nèi)，下游景觀多樣性減少，破碎化程度增強(qiáng)。

圖5 2002～2014年塔里木河干流各地類SHDI變化特征

綜上所述，塔里木河干流荒漠及裸露地表類型景觀優(yōu)勢度下降，植被地表類型景觀優(yōu)勢度上升，干流尤其是下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境趨于好轉(zhuǎn)。

3.5 下游地下水埋深變化特征

隨著輸水工程的實(shí)施，塔里木河干流下游各斷面的地下水埋深均呈逐漸上升趨勢，如英蘇斷面，地下水埋深由2000年剛開始輸水的-7.85 m升高到2014 年的-5.20 m。由于2000年是首次向下游進(jìn)行生態(tài)輸水，地下水埋深仍較低，至2006年已出現(xiàn)明顯抬升；但由于2009年為極端枯水年，下游生態(tài)輸水量僅為0.11 億 m3，下游地下水埋深出現(xiàn)明顯下降，這也表明了生態(tài)輸水的持續(xù)性對(duì)下游地下水埋深變化的重要性。此后，隨著輸水次數(shù)的增加，2012年和2014年地下水位有效抬升。

4 結(jié) 語

自2000年向塔里木河輸水以來，塔里木河干流植被面積增加，荒漠與裸露地表面積減少。干流各河段均呈高覆蓋度植被面積增加、低覆蓋植被面積減少的趨勢，總體來看，Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)植被面積占比逐漸上升，至2014年達(dá)到30.58%。景觀多樣性指數(shù)總體增加，生態(tài)環(huán)境總體呈良性發(fā)展趨勢。下游各斷面的地下水埋深隨輸水次數(shù)的增加呈逐漸上升趨勢，說明生態(tài)輸水工程對(duì)塔里木河干流生態(tài)恢復(fù)具有重要作用。

[1] 彭茹燕,王讓會(huì),孫寶生.基于NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)的景觀格局分析:以塔里木河干流區(qū)域?yàn)槔齕J].遙感技術(shù)與應(yīng)用,2001,16(1):28-31

[2] 薛英,王讓會(huì),張慧芝,等.塔里木河干流生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].干旱區(qū)研究,2008,25(4):562-567

[3] 白元,徐海量,劉新華,等.塔里木河干流荒漠河岸林的空間分布與生態(tài)保護(hù)[J].自然資源學(xué)報(bào),2013,28(5):776-785

[4] 馮娟.淺析實(shí)施塔里木河干流下游生態(tài)輸水工程的重要意義[J].中國水運(yùn),2015,15(2):138-139

[5] 毛煒嶧,高前兆,秦莉,等.塔里木河干流輸水運(yùn)行對(duì)河流生態(tài)功效的分析[J].干旱區(qū)地理,2008,31(4):604-614

[6] 白元,徐海量,凌紅波,等.塔里木河干流區(qū)土地利用與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的變化[J].中國沙漠,2013,33(6):1 912-1 920

[7] 陳海燕,陳亞寧.新疆塔里木河干流荒漠河岸林植被帶變化[J].生態(tài)學(xué)雜志,2015,34(11):3 166-3 173

[8] 朱自娟,張懷清,凌成星.庫姆塔格沙漠及周邊地表覆被變化監(jiān)測[J].水土保持通報(bào),2015,35(2):131-135

[9] 姚國慧,陳冬花,楊芳,等.植被覆蓋度時(shí)空變化遙感監(jiān)測:以博爾塔拉蒙古自治州為例[J].遙感信息,2015,30(5):116-122

[10] 侯鈺榮,安沙舟.塔里木河干流景觀格局的時(shí)空變化分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2010,24(3):44-50

[11] 侯偉,張繼賢,魯學(xué)軍,等.景觀監(jiān)測指標(biāo)體系構(gòu)建研究[J].測繪科學(xué),2015,40(11):71-78

[12] Walz U. Indicators to Monitor the Structural Diversity of Landscapes[J].Ecological Modelling,2015,295(1):88-106

[13] 董玉紅,劉世梁,安南南,等.基于景觀指數(shù)和空間自相關(guān)的吉林大安市景觀格局動(dòng)態(tài)研究[J].自然資源學(xué)報(bào),2015,30(11):1 860-1 871

[14] 張麗,趙丹丹,劉吉平,等.近30年吉林市景觀格局變化及氣候效應(yīng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版),2015,45(1):265-272

[15] 王希義,徐海量,潘存德,等.塔里木河下游地下水埋深與建群植物蓋度之間的耦合模型研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2015,29(12):104-108