阿克蘇河生態(tài)廊道時(shí)空變化及保護(hù)對(duì)策研究

馮 娟 王光焰 徐生武

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

阿克蘇河是塔里木河流域最大的水量補(bǔ)給來(lái)源, 承擔(dān)著滿足灌區(qū)用水和向塔里木河生態(tài)輸水的雙重重任[1]。流域地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，加之以干旱為主體特征的自然條件十分嚴(yán)酷，生態(tài)環(huán)境脆弱。此外，作為新疆第二大灌區(qū), 阿克蘇河流域近年來(lái)人口的急劇增長(zhǎng)和灌溉面積的不斷擴(kuò)大使其生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日趨突出。生態(tài)廊道是構(gòu)建區(qū)域山水林田湖草完整生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境以及維系物種多樣性具有重要意義[2]。因此，本研究將圍繞阿克蘇流域生態(tài)廊道的保護(hù)對(duì)生態(tài)需水量進(jìn)行研究[3]，并提出一系列的措施與建議。首先分析了流域上中游和下游的土地利用/覆被和植被覆蓋的空間分布特征以及所隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，然后基于重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和生態(tài)敏感區(qū)的劃分確定了阿克蘇河生態(tài)廊道保護(hù)的范圍和目標(biāo)，并結(jié)合面積定額法的多種定額指標(biāo)和潛水蒸發(fā)法以及水量平衡公式求得了阿克蘇河生態(tài)廊道保護(hù)所需的生態(tài)水量。隨著國(guó)家“十三五”計(jì)劃和“一帶一路”的實(shí)施, 作為“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”建設(shè)的核心區(qū), 本研究對(duì)南疆地區(qū)的水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用有著更加深刻的意義[4-5], 這不僅與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展息息相關(guān), 還關(guān)系到南疆生態(tài)保護(hù)、國(guó)防安全和國(guó)家“一帶一路”建設(shè)宏偉目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 研究區(qū)概況

阿克蘇河位于天山中段西部南麓，塔里木盆地北緣，地理坐標(biāo)為東經(jīng)75°35′～80°59′, 北緯40°17′～42°27′，全長(zhǎng)約224 km，流域形狀呈東西長(zhǎng)，南北寬，地勢(shì)西北高東南低，自西北向東南傾斜，地形可分為山區(qū)、平原兩大部分。阿克蘇河是塔里木河支流中水量最多的河流，也是塔里木河干流三條主要源流之一，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候[6]。流域徑流主要由山地降水和冰雪融水補(bǔ)給，豐富的水量為植被的生長(zhǎng)提供了良好的生長(zhǎng)條件。阿克蘇河流域植被群組包括高山植被、針葉林、闊葉林、草原、草甸、灌叢、荒漠和栽培植物。阿克蘇河流域的高山植被型組[7]主要為高山植被稀疏植被型，主要分布于北部天山山區(qū)高海拔地區(qū)，群系劃分為雪蓮-厚葉美草花稀疏植被。阿克蘇河流域植被類(lèi)型空間分布情況見(jiàn)圖1。此外，阿克蘇河流域?qū)儆谀辖厣哪恋貛8]，土壤類(lèi)型有16種，包括龜裂性棕色荒漠土、棕色荒漠土、石膏棕色荒漠土、龜裂性土、殘余鹽土、古老綠洲耕作土、水稻土、荒漠化草甸土、吐加依土、荒漠化吐加依土、沖積性草甸鹽土、扇緣草甸鹽土、扇緣典型鹽土、干三角洲典型鹽土、次生鹽土、山地灰棕色荒漠土。

圖1 阿克蘇河流域植被類(lèi)型空間分布

2 基本數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究所使用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自塔里木河干流各氣象站1970—2018年逐日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。使用的土地利用/覆被數(shù)據(jù)來(lái)自塔里木河干流1990年、2000年、2010年及2017年Landsat-TM影像數(shù)據(jù)，分辨率為30m，之后對(duì)4個(gè)年份的影像依據(jù)解譯標(biāo)準(zhǔn)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(zhuān)題圖。最后根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類(lèi)》(GB/T 21010-2017)與流域?qū)嶋H的土地利用情況，參考土地利用特征及Landsat-TM影像數(shù)據(jù)的空間分辨率，確定區(qū)分出土地利用類(lèi)型。NDVI數(shù)據(jù)來(lái)自Terra和Aqua衛(wèi)星搭載的MODIS傳感器250m空間、16天時(shí)間分辨率，并通過(guò)研究區(qū)邊界裁剪確定1990年、2000年、2010年及2017年NDVI數(shù)據(jù)集。

2.2 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：sign為符號(hào)函數(shù)；n為樣本數(shù)量；Var(S)為方差；xk及xi為2000—2018年NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)集合。當(dāng)|Zc|>1.96時(shí)，則變化趨勢(shì)達(dá)到顯著水平；|Zc|>2.58時(shí)，則變化趨勢(shì)達(dá)到極顯著水平；|Zc|<1.96時(shí)，則變化趨勢(shì)不顯著；Zc>0，表明變化趨勢(shì)為增加；Zc<0，則為下降[9]。

2.3 生態(tài)需水量計(jì)算

關(guān)于生態(tài)需水量，不同的學(xué)者從不同的角度進(jìn)行定義，以求得水資源平衡。本文采用胡廣錄等[3]在干旱半干旱區(qū)植被生態(tài)需水量計(jì)算方法中的定義，即生態(tài)需水量指在自然條件下保證生態(tài)系統(tǒng)中的植被能夠正常生長(zhǎng)、發(fā)育，維持生態(tài)系統(tǒng)不再進(jìn)一步惡化并逐漸改善、健康運(yùn)行所需要的地表水和地下水資源總量。首先根據(jù)面積定額法計(jì)算阿克蘇河流域的生態(tài)需水量。其定額指標(biāo)如下：?中科院新疆地理所計(jì)算資料為3900m3/hm2；?新疆水利廳流域規(guī)劃辦公室計(jì)算資料為3885m3/hm2；?清華大學(xué)塔里木河干流水均衡模型計(jì)算資料為3495m3/hm2；?根據(jù)王讓會(huì)等[10]研究成果，有林地為3000m3/hm2，疏林地為450m3/hm2，高蓋度草地為2340m3/hm2，低蓋度草地為630m3/hm2。然后根據(jù)以上定額指標(biāo)，并參考潛水蒸發(fā)與水平衡公式計(jì)算的需水量結(jié)果，確定現(xiàn)狀條件下阿克蘇河生態(tài)廊道保護(hù)所需生態(tài)需水量[11]。

3 結(jié)果與分析

3.1 阿克蘇河流域土地利用/覆被時(shí)空變化特征

阿克蘇河流域1990—2018年間土地利用的最顯著特征就是耕地面積的大幅擴(kuò)張，林地與草地的面積減少(見(jiàn)圖1)，從衛(wèi)星遙感解譯圖上發(fā)現(xiàn)，在28年間流域內(nèi)耕地面積從4117.83km2擴(kuò)張至8960.69km2，增加幅度為117.61%；除此之外建筑用地也增加明顯，由216.21km2擴(kuò)張至337.30km2，增長(zhǎng)56.01%；水域面積與未利用地面積無(wú)明顯變化；流域內(nèi)原本的草地類(lèi)型退化現(xiàn)象也很?chē)?yán)重，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，尤其是托什干河右岸地區(qū)大片高覆蓋度草地退化為中覆蓋度草地，或者被人類(lèi)開(kāi)墾轉(zhuǎn)化為耕地。在阿克蘇河兩岸以及塔河灌區(qū)，在過(guò)去十幾年隨著人口和經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，耕地表現(xiàn)為急劇擴(kuò)張態(tài)勢(shì)。另外，在庫(kù)瑪拉克河和臺(tái)蘭河河源區(qū)，冰川和積雪面積銳減，可能會(huì)影響未來(lái)山區(qū)來(lái)水量。

圖2為阿克蘇河上中游土地利用/覆被空間分布圖。1990—2018年，阿克蘇河上中游林地減小了26.5%，草地減少了7.5%。2000—2018年，阿克蘇河上中游林地減小了18.1%，草地減少了4.5%(見(jiàn)圖4)。阿克蘇河下游土地覆被空間分布見(jiàn)圖3，1990—2018年林地和草地面積均呈現(xiàn)持續(xù)減少趨勢(shì)，分別減少了14.36%和19.36%，其中2000—2010年之間，林地和草地分別減少4.33%和7.09%，2010—2018年之間，林地和草地分別減少5.12%和3.23%。

圖2 阿克蘇河上中游土地利用/覆被空間分布

圖3 阿克蘇河下游土地利用/覆被空間分布

圖4 阿克蘇河上中游植被覆蓋變化趨勢(shì)空間分布

3.2 阿克蘇河流域植被覆蓋時(shí)空變化特征

根據(jù)2000—2018年阿克蘇河上中游(沙里桂蘭克與協(xié)合拉至西大橋)植被覆蓋度空間分布數(shù)據(jù)，分別繪制2000—2010年和2011—2018年植被覆蓋度的變化趨勢(shì)曲線[見(jiàn)圖6(a)]以及對(duì)應(yīng)的植被覆蓋變化趨勢(shì)空間分布圖(見(jiàn)圖4)。由圖6(a)可知，從2000—2018年整個(gè)時(shí)間序列來(lái)看，阿克蘇河上中游植被覆蓋度呈整體上升趨勢(shì)，其中前時(shí)段增加趨勢(shì)顯著，后時(shí)段趨勢(shì)不顯著。2011—2018年阿克蘇河上中游平均植被覆蓋度和2000—2010年相比增加了19.83%。其中，2000—2010年阿克蘇河上中游大部分區(qū)域呈非顯著降低趨勢(shì)，其比例為55.69%；2011—2018大部分區(qū)域呈非顯著降低趨勢(shì)，所占比例為62.45%；從整個(gè)時(shí)段來(lái)看，顯著增加比例為22.34%，非顯著增加比例為20.30%，呈下降趨勢(shì)的比例為57.36%(見(jiàn)表1)。

表1 阿克蘇河上中游植被覆蓋變化趨勢(shì)類(lèi)型面積及比例

根據(jù)2000—2018年阿克蘇下游植被覆蓋度空間分布數(shù)據(jù)，分別繪制2000—2010年和2011—2018年植被覆蓋度的變化趨勢(shì)曲線[見(jiàn)圖6(b)]以及對(duì)應(yīng)的植被覆蓋變化趨勢(shì)空間分布圖(見(jiàn)圖5)。由圖6(b)可知，2000—2010年和2011—2018均呈增加趨勢(shì)，其中2000—2010年時(shí)段植被覆蓋度增加達(dá)到顯著水平。由圖6可知，2011—2018年阿克蘇河下游平均植被覆蓋度和2000—2010年相比增加了48.18%，并且大部分區(qū)域呈非顯著降低和非顯著增加趨勢(shì)，所占比例分別為41.32%和43.79%。此外，2000—2018年阿克蘇河下游植被覆蓋度有60.11%的區(qū)域呈非顯著增加趨勢(shì)，20.16%呈顯著增加趨勢(shì)，19.73%呈降低趨勢(shì)(見(jiàn)表2)。

表2 阿克蘇河下游2000—2010年及2011—2018年植被覆蓋變化趨勢(shì)類(lèi)型面積及比例

圖5 阿克蘇河下游2000—2018年植被覆蓋變化趨勢(shì)空間分布

圖6 阿克蘇河上中游和下游2000—2010年及2011—2018年植被覆蓋度變化趨勢(shì)曲線

3.3 基于生態(tài)廊道保護(hù)的生態(tài)需水量

本研究根據(jù)2017年環(huán)保部印發(fā)的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》(環(huán)辦生態(tài)〔2017〕48號(hào))結(jié)合阿克蘇河生態(tài)實(shí)況將流域生態(tài)廊道功能區(qū)分為生態(tài)功能區(qū)、生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)及生態(tài)脆弱區(qū)3個(gè)區(qū)域。以2016年生態(tài)廊道的總面積作為流域生態(tài)保護(hù)的總面積，結(jié)合遙感解譯和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果可知，阿克蘇河流域生態(tài)廊道面積為3775.30km2(見(jiàn)表3)。其中，協(xié)合拉和沙里桂蘭克至兩河匯合(西大橋)河段天然植被主要分布于近河道兩側(cè)，因此將該河段天然植被劃為生態(tài)敏感區(qū)，其面積為3444.02km2；而兩河匯合(西大橋)至依瑪帕夏攔河閘河段天然植被主要分布于天然綠洲外圍，因此被劃為生態(tài)脆弱區(qū)，保護(hù)面積為331.28km2。

表3 阿克蘇河流域天然植被保護(hù)范圍與目標(biāo)

根據(jù)不同植被類(lèi)型的需水定額指標(biāo)，阿克蘇河重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)需水量為6.45億m3；阿克蘇水平衡公式計(jì)算結(jié)果為5.38億m3；阿氏公式計(jì)算結(jié)果為4.60億m3。對(duì)以上結(jié)果取平均值，阿克蘇河重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)生態(tài)需水量為5.48億m3。阿克蘇河整個(gè)流域(重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和兩個(gè)生態(tài)敏感區(qū))天然植被生態(tài)需水量為5.75億m3(見(jiàn)表4)。生態(tài)保護(hù)是指維系現(xiàn)狀條件下的天然植被平均覆蓋度和面積，使其能夠正常繁育更新。生態(tài)保護(hù)水量是保障天然植被不退化的最低水量，天然植被需水量是實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)的基本水量。因此，本研究將天然植被需水量視為生態(tài)保護(hù)水量，即阿克蘇河流域的生態(tài)需水量總計(jì)為5.75億m3。

表4 阿克蘇河流域需水量計(jì)算結(jié)果

4 討 論

4.1 阿克蘇河流域主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題

近年來(lái)，由于人類(lèi)活動(dòng)的加劇以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，阿克蘇河流域林地退化嚴(yán)重[12]，耕地及建筑用地面積日益增長(zhǎng)。研究表明在1990—2018年間，流域內(nèi)耕地面積增加幅度為117.61%，建筑用地增長(zhǎng)56.01%，阿克蘇河上中游林地和草地面積分別減小了26.50%和7.50%，下游林地和草地面積分別減少了14.36%和19.36%。植被退化主要集中在平原區(qū)南部,即流域下游沿河道一帶，位于喀什噶爾河、葉爾羌河地段。由于上游截流出現(xiàn)斷流情況，使地下水位下降，河道兩岸的胡楊等植被逐漸枯死。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，在喀什噶爾河、葉爾羌河河畔部分地段(豐收三場(chǎng)以西)，已有將近60%的胡楊枯萎。此外，阿克蘇河流域地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，加之以干旱為主體特征的自然條件十分嚴(yán)酷，生態(tài)環(huán)境脆弱，自然和人為因素的雙重影響，使其生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日趨突出。植被退化、土地沙化、土壤鹽漬化、環(huán)境惡化等現(xiàn)象[13]均值得人們和相關(guān)流域及行政區(qū)域管理部門(mén)的注意。

4.2 生態(tài)廊道保護(hù)措施與建議

針對(duì)阿克蘇河流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀與存在的主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，除了納入塔里木河流域重點(diǎn)生態(tài)工程內(nèi)的地下水監(jiān)測(cè)工程，還需針對(duì)流域特點(diǎn)在重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)分別建設(shè)或完善河道生態(tài)治理工程、生態(tài)保護(hù)封育工程、水土流失治理工程。此外，基于阿克蘇河流域生態(tài)廊道的保護(hù)，我們還提出了一系列措施與建議[14-15]：

a.構(gòu)建新型流域管理體制機(jī)制，實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度。從流域整體的綜合利益考慮，實(shí)現(xiàn)流域水量的科學(xué)與統(tǒng)一調(diào)度，落實(shí)退地減水，完善斷面水量及生態(tài)用水考核。

b.積極推進(jìn)重點(diǎn)生態(tài)水利工程和流域監(jiān)測(cè)體系建設(shè)步伐。強(qiáng)化河湖岸線管理和保護(hù)，加快修復(fù)流域廊道水生態(tài)，提升生態(tài)廊道保護(hù)成效。

c.健全塔里木河流域生態(tài)水保障法規(guī)體系。建立生態(tài)補(bǔ)償管理體制，確立流域生態(tài)水權(quán)制度，建立公正、高效、可持續(xù)的水權(quán)交易市場(chǎng)，優(yōu)化配置水資源。

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究基于Mann-Kendall檢驗(yàn)，分析了阿克蘇河土地利用和植被覆蓋的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明，阿克蘇河流域整體林地退化問(wèn)題嚴(yán)重，逐漸轉(zhuǎn)移為耕地和建筑用地。張輝等[16]研究結(jié)果也表明，2000—2014年阿克蘇河流域林地、灌木林地和耕地的NDVI整體呈下降趨勢(shì)，與該研究結(jié)果一致。此外，綜合多種生態(tài)需水量計(jì)算方法，基于生態(tài)廊道的保護(hù)區(qū)劃確定了流域綠色廊道所需生態(tài)保護(hù)水量，計(jì)算結(jié)果表明流域生態(tài)需水量總計(jì)為5.75億m3。本研究不僅對(duì)于綜合治理塔里木河流域整體生態(tài)環(huán)境具有重要參考意義，還可為塔里木河流域的生態(tài)文明建設(shè)、脫貧攻堅(jiān)與國(guó)家“兵團(tuán)向南發(fā)展”等重大戰(zhàn)略實(shí)施的生態(tài)安全保障提供技術(shù)支撐與服務(wù)。未來(lái)還應(yīng)針對(duì)塔里木河流域整體開(kāi)展相關(guān)生態(tài)廊道的保護(hù)對(duì)策研究工作，為塔里木河流域的生態(tài)保護(hù)工作提供科學(xué)指導(dǎo)。