阿克蘇河流域胡楊林區(qū)生態(tài)輸水效益評估

梁新平

(新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002)

阿克蘇河是塔里木河水量最大的源流，上游有2大支流：北支庫瑪拉克河，西支托什干河。2河均發(fā)源于天山西段，河水由山地降水及冰雪融水補給。2河在溫宿附近匯合稱阿克蘇河。阿克蘇河流域生長了大量胡楊林，聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)林木基因資源專家組于1993年6月召開的例會上，確定了全世界最急需優(yōu)先保護(hù)的林木基因資源，其中胡楊是干旱和半干旱地區(qū)保護(hù)的重點。新疆塔里木河流域的天然胡楊林分別占世界和中國胡楊林總面積的54%和89%，是世界上數(shù)量最多、分布面積最廣的天然胡楊林資源基因庫。然而近幾十年來的綠洲擴張和水資源過度利用，天然胡楊林生境破碎、林地面積萎縮、生態(tài)功能退化，這不僅影響到塔里木河流域經(jīng)濟發(fā)展與社會穩(wěn)定，更危及我國乃至世界生態(tài)安全，引起政府部門及國內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注[1-3]。

為全面、科學(xué)、準(zhǔn)確地評估阿克蘇河流域生態(tài)輸水效益，本文綜合數(shù)據(jù)收集、實地調(diào)查和遙感監(jiān)測等結(jié)果，從輸水過程和淹灌效率、地下水和土壤水響應(yīng)、植被生長與群落結(jié)構(gòu)變化及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空格局4個方面開展了阿克蘇河流域生態(tài)輸水效益評估，同時，結(jié)合輸水情況、流域胡楊林退化現(xiàn)狀及生態(tài)水供給條件等因素，甄別當(dāng)前生態(tài)輸水存在的問題，有針對性地提出了生態(tài)輸水對策及建議。

1 研究方法

1.1 野外調(diào)查

共調(diào)查阿克蘇河河流域生態(tài)輸水區(qū)2個，調(diào)查內(nèi)容包括艾西曼湖水域面積、塔里木灌區(qū)邊緣胡楊林(稀疏胡楊林區(qū))生長狀況及物種多樣性，見表1。

表1 生態(tài)輸水區(qū)類別與野外調(diào)查內(nèi)容

1.2 遙感數(shù)據(jù)收集處理

收集了生態(tài)輸水前后的多源多尺度高頻次遙感數(shù)據(jù)，包括Sentinel-1微波數(shù)據(jù)、Landsat-TM光學(xué)影像數(shù)據(jù)、Modis-EVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)、Modis-LST地表溫度數(shù)據(jù)、GEWEX-SRB地表輻射數(shù)據(jù)、CMORPH降水?dāng)?shù)據(jù)、AMSR-E輻射計數(shù)據(jù)、GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)周期介于5—16d，分辨率5～250m，數(shù)據(jù)總量達(dá)到25GB以上。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，獲取輸水區(qū)內(nèi)淹灌范圍、淹灌持續(xù)時間、湖泊水面面積、地下水儲量、土壤水溫度植被干旱指數(shù)(Temperature Vegetation Dryness Index，簡稱TVDI)、植被覆蓋度、蒸散發(fā)、遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Based Ecological Index，簡稱RSEI)等結(jié)果。

1.3 生態(tài)輸水效益評價指標(biāo)體系

為科學(xué)全面地評價生態(tài)輸水取得的效益，從輸水過程和淹灌效率、地下水和土壤水響應(yīng)、植被生長與群落結(jié)構(gòu)變化及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空格局4個方面，構(gòu)建了生態(tài)輸水效益的評價指標(biāo)體系，見表2。

表2 生態(tài)輸水效益的評價指標(biāo)體系

2 生態(tài)輸水效益評估

2.1 生態(tài)輸水與淹灌效果

(1)生態(tài)輸水完成度。規(guī)劃生態(tài)輸水1.1億m3。其中：通過南干渠向第一師塔里木灌區(qū)邊緣胡楊林區(qū)輸水0.6億m3；通過勝利渠和阿瓦提第一分水閘向艾西曼湖輸水0.5億m3。阿克蘇河實際輸水1.16億m3，生態(tài)輸水超額完成6%。

(2)淹灌面積。借助Google GEE遙感大數(shù)據(jù)平臺，集合Sentinel-1號衛(wèi)星的微波數(shù)據(jù)(重訪周期為6d，分辨率5～20m)及多源光學(xué)遙感時間序列數(shù)據(jù)共38期。計算阿克蘇河流域胡楊林輸水區(qū)水體指數(shù)并提取水面面積。通過ArcGIS對多期塔河南岸胡楊林輸水區(qū)淹灌面積圖層進(jìn)行疊加，獲得生態(tài)輸水的最大淹灌面積21.05萬畝。在已獲取生態(tài)輸水的最大淹灌范圍的基礎(chǔ)上，通過ArcGIS對獲取的最大淹灌范圍圖層做1km緩沖區(qū)分析，獲得輸水區(qū)最大淹灌面積的影響范圍60.75萬畝。

(3)淹灌持續(xù)時間。利用38期塔河南岸胡楊林輸水區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)，通過人工解疑，提取淹灌水面從小到大的增長過程及從大到小的縮小過程的空間分布，據(jù)此確定生態(tài)輸水最大淹灌范圍、持續(xù)時長的空間分布。

根據(jù)研究結(jié)果，淹灌時長0—7d的區(qū)域面積最大達(dá)5.61萬畝，占比26.67%，見表3。淹灌時間較短，處于輸水區(qū)遠(yuǎn)離供水口的邊緣地帶；淹灌時長50d以上的區(qū)域，達(dá)3.49萬畝，占比16.57%，主要集中在供水口附近，部分胡楊林存在過度淹灌。

表3 阿克蘇河胡楊林淹灌時長及空間分異

其余不同淹灌時長的區(qū)域占比統(tǒng)計如下：淹灌時長8—14d的區(qū)域，達(dá)3.67萬畝，占比17.42%；淹灌時長15—21d的區(qū)域，達(dá)2.97萬畝，占比14.12%；淹灌時長22—28d的區(qū)域，達(dá)1.79萬畝，占比8.49%；淹灌時長29—35d的區(qū)域，達(dá)1.96萬畝，占比9.31%；淹灌時長36—42d的區(qū)域，達(dá)0.69萬畝，占比3.29%；淹灌時長43—49d的區(qū)域，達(dá)0.87萬畝，占比4.13%?？赏ㄟ^完善供水工程及配套設(shè)施，增加淹灌時長15—28d的區(qū)域占比，保障胡楊正常生長的所需水量，避免過度淹灌。

(4)艾西曼湖湖面積監(jiān)測。艾西曼湖的水域面積在輸水前后變化幅度不大，總體呈現(xiàn)緩慢增大的趨勢，初始水面面積24.58km2，之后穩(wěn)步增加至28.31km2，最后湖面積為27.63km2，有所下降。

2.2 地下水和土壤水響應(yīng)

(1)地下水儲量。通過GRACE和GLDAS水文模型反演得到研究區(qū)地下水儲量變化的空間分布。在空間和時間域分析區(qū)域的質(zhì)量變化。研究得出，阿克蘇河流域地下水儲量整體好轉(zhuǎn)。

阿克蘇河輸水區(qū)(第一師塔里木灌區(qū)邊緣胡楊林)輸水后(2017—2021年)地下水儲量變化情況總體優(yōu)于輸水前(2015—2016年)。2015—2016年南部地區(qū)出現(xiàn)地下水儲量減小的情況，2017年南部地區(qū)減小情況好轉(zhuǎn)，且北部區(qū)域地下水儲量增加幅度整體提升。2018年南部地區(qū)地下水儲量轉(zhuǎn)為增加變化，其余區(qū)域地下水儲量增量介于69～112mm之間。2019年全區(qū)地下水儲量均在40mm以上，最高為113mm。2020年近一半?yún)^(qū)域的地下水儲量增量達(dá)到120mm以上，2021年區(qū)域地下水儲量最小也在60mm左右，最高可達(dá)159mm。

(2)土壤含水量。本文將TVDI指數(shù)劃分為4個等級：小于0.6、0.6～0.75、0.75～0.9、大于0.9，分別表征輕旱、中旱、重旱、特旱4個干旱等級。根據(jù)研究結(jié)果分析，見表4，2015—2021年塔河南均無輕旱區(qū)(TVDI<0.6)，特旱區(qū)(TVDI>0.9)面積比例在2016年占比最高，達(dá)到45.6%，主要位于輸水區(qū)的西南部和東北部地區(qū)；2015年特旱區(qū)(TVDI>0.9)面積占比其次，為10.1%；2018—2021年塔河南均無特旱區(qū)(TVDI>0.9)。特旱區(qū)向重旱區(qū)逐步轉(zhuǎn)化重旱區(qū)(0.75

表4 阿克蘇河流域輸水區(qū)不同等級TVDI占比 單位：%

2.3 群落結(jié)構(gòu)和植被覆蓋度

(1)群落結(jié)構(gòu)

在該區(qū)域，將輸水區(qū)分布的植被分為胡楊、灌木、多年生草本和一年生草本4種計算其重要值。不同輸水頻次下，塔河南岸胡楊林輸水區(qū)的4種植被的重要值也顯著不同。整個輸水過程中，胡楊優(yōu)勢度無顯著變化，其他3類植被的重要值隨輸水頻次發(fā)生變化。輸水前，該區(qū)域是以灌木為主的喬灌木群落；輸水2年以后多年生和一年生植被增多，灌木呈減少趨勢；輸水4年時，以多年生草本為主形成灌草群落。結(jié)果表明輸水有效提升了該區(qū)域的植被多樣性水平。但是，長時間生態(tài)輸水會使得該區(qū)域群落結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，體現(xiàn)在植被類型發(fā)生喬灌木群落向灌草群落的演變，其群落功能的穩(wěn)定性等會有所減弱。

(2)胡楊林植被覆蓋度。在阿克蘇河流域，艾西曼湖對生態(tài)輸水的響應(yīng)主要體現(xiàn)在湖面面積變化等方面，而植被覆蓋度變化主要體現(xiàn)在塔河南岸稀疏胡楊林區(qū)。因此，對于該區(qū)域植被覆蓋度的分析，本文針對塔河南岸胡楊林區(qū)開展研究。通過比較生態(tài)輸水前后2個區(qū)域的不同等級植被覆蓋度的面積變化和月尺度植被覆蓋度變化特征，闡明生態(tài)輸水對植被覆蓋度時空變化的影響。為細(xì)致刻畫生態(tài)輸水實施后，流域植被覆蓋度的空間變化特征，將植被覆蓋度劃分為4個等級：小于5%、5%～10%、10%～20%、大于20%，分別代表極低植被覆蓋度、低植被覆蓋度、中植被覆蓋度和高植被覆蓋度，見表5。

表5 生態(tài)輸水前后不同等級植被覆蓋度面積及變化值 單位：萬畝

生態(tài)輸水對該區(qū)域植被覆蓋度有顯著的促進(jìn)作用。2016年和2021年不同等級植被覆蓋度的面積變化所示，在整個生長盛期，相比于2016年，2021年流域整體植被覆蓋度處于小于5%區(qū)間內(nèi)的面積呈減少趨勢，而植被覆蓋度大于5%區(qū)間內(nèi)的面積呈增加趨勢。2021年植被覆蓋度小于5%的區(qū)域面積減少了4.67萬畝，而處于5%～10%、10%～20%、大于20%范圍內(nèi)的區(qū)域面積分別增加了2.77萬、1.21萬、0.68萬畝，特別是植被覆蓋度小于5%的面積減少47.2%(由9.90萬畝到5.23萬畝)。因此，生態(tài)輸水對該區(qū)域植被覆蓋度有顯著的促進(jìn)作用。

2.4 遙感生態(tài)指數(shù)(RSEI)

(1)生態(tài)水利用效率。生態(tài)輸水促進(jìn)了胡楊林的生態(tài)修復(fù)，例如：幼苗大面積萌發(fā)、胡楊林齡結(jié)構(gòu)改善、胡楊林物種多樣性增加等。胡楊林的生態(tài)修復(fù)，有利于將更多的生態(tài)水用于胡楊林植被的蒸騰耗散，提高生態(tài)水的利用效率。根據(jù)監(jiān)測計算，塔河南岸輸水區(qū)，生態(tài)水利用效率較低，僅為17.4%；而在胡楊林覆蓋較高的夏瑪勒林場、下河林場、沙雅、輪臺和尉犁羅布淖爾輸水區(qū)，生態(tài)水利用效率較高，分別達(dá)到29.30%、26.6%、32.1%、43.6%、37.23%。因此，為了提高稀疏胡楊林區(qū)的生態(tài)水利用效率，需要采取工程和非工程措施，加快退化胡楊林生態(tài)修復(fù)的進(jìn)程，以減少裸地的無效蒸發(fā)。

(2)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量(RSEI)。參考2015年頒布的HJ/T 192—2006《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》，以0.25為間隔劃分生態(tài)環(huán)境質(zhì)量(RSEI)等級如下：優(yōu)[0.75～1]、良[0.5～0.75]、中[0.25～0.5]、差[0～0.25]。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為優(yōu)的胡楊林區(qū)僅滿足其生態(tài)需水量即可，避免因過度灌溉導(dǎo)致胡楊林生長受到脅迫；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為中、良的胡楊林輸水區(qū)進(jìn)行適度輸水，滿足胡楊林生長需求，逐漸改變其生長環(huán)境；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為差的胡楊林進(jìn)行重點輸水，促使胡楊林生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況呈現(xiàn)增加趨勢，徹底扭轉(zhuǎn)惡化局面。

阿克蘇河胡楊林輸水區(qū)生態(tài)質(zhì)量狀況整體為差，生態(tài)質(zhì)量狀況等級為優(yōu)的區(qū)域達(dá)0.040萬畝，占比僅為0.192%，生態(tài)質(zhì)量狀況等級為良的區(qū)域達(dá)0.501萬畝，占比達(dá)2.380%，均主要分布于南干渠放水口附近。生態(tài)質(zhì)量狀況等級為優(yōu)、良的區(qū)域占比低于5%，生態(tài)質(zhì)量狀況亟需扭轉(zhuǎn)。生態(tài)質(zhì)量狀況等級為中、差的區(qū)域分別為6.543萬、13.966萬畝，占比31.083%、66.345%?？傉急瘸^90%，需進(jìn)行重點輸水和分區(qū)輪灌，避免胡楊在受到嚴(yán)重的干旱脅迫后，胡楊自身的滲透調(diào)節(jié)能力、抗氧化能力及光合作用性能降低或喪失，以致生長受到極大抑制。在人工干預(yù)的情況下，促使胡楊林生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況呈現(xiàn)變好趨勢，扭轉(zhuǎn)惡化局面，以此提升整個阿克蘇河流域胡楊林輸水區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況。

通過2016年和2021年阿克蘇河流域輸水區(qū)胡楊林生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況的對比，輸水后阿克蘇河生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善。RSEI均值從0.11增加至0.23，提升占比達(dá)109.09%，見表6。生態(tài)質(zhì)量狀況等級為優(yōu)的區(qū)域，從0.004萬畝增加至0.040萬畝，增加0.036萬畝，提升占比948.00%；生態(tài)質(zhì)量狀況等級為良的區(qū)域，從0.325萬畝增加至0.501萬畝，增加0.176萬畝，提升占比54.39%；生態(tài)質(zhì)量狀況等級為中的區(qū)域，從6.179萬畝增加至6.543萬畝，增加0.364萬畝，提升占比5.89%；生態(tài)質(zhì)量狀況等級為差的區(qū)域，從14.543萬畝減少至13.966萬畝，減少0.577萬畝，下降占比3.97%；生態(tài)質(zhì)量狀況等級為差的區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)化為優(yōu)、良、中區(qū)域，遠(yuǎn)離南干渠輸水口的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量等級也在悄然發(fā)生改變，整個胡楊林輸水區(qū)經(jīng)歷生態(tài)輸水后的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量呈現(xiàn)變好趨勢，輸水效益比較顯著。

表6 生態(tài)輸水前后胡楊林輸水區(qū)生態(tài)質(zhì)量變化統(tǒng)計表

3 存在問題

(1)生態(tài)輸水的靶向固化，局部區(qū)域存在水淹。根據(jù)胡楊林淹灌時長統(tǒng)計，塔河南胡楊林淹灌時長50d以上的區(qū)域，達(dá)3.49萬畝，占比16.57%，主要集中在南干渠補水口附近。該區(qū)域胡楊林覆蓋度較高，但存在過度淹灌，胡楊林生長受到一定脅迫。水量長期聚集在輸水口附近，不利于水面的推進(jìn)及改善整個區(qū)域胡楊林的生境狀況。輸水區(qū)生態(tài)需水與供水工程現(xiàn)狀不匹配、輸水通道不明確、配套工程不完善等，難以確保生態(tài)輸水的精準(zhǔn)性和靶向性，阻礙了生態(tài)輸水效率的提高。

(2)生態(tài)輸水監(jiān)測體系不完善。缺少生態(tài)輸水監(jiān)測與效益評估體系。當(dāng)前胡楊林生態(tài)輸水大多以應(yīng)急為主，沒有建立長期、穩(wěn)定和系統(tǒng)的生態(tài)監(jiān)測體系。雖然當(dāng)?shù)氐牧謽I(yè)部門對第一師塔里木灌區(qū)胡楊林的輸水淹灌范圍進(jìn)行了實地勘測，但若分析胡楊林對生態(tài)輸水的生理、生態(tài)響應(yīng)及水分轉(zhuǎn)化方面，需布設(shè)固定樣方和水文監(jiān)測斷面對其進(jìn)行長期監(jiān)測，從而為今后制定合理的生態(tài)輸水方案以及開展生態(tài)輸水效益評估提供數(shù)據(jù)支撐[4-5]。

4 對策與建議

(1)健全供水配套設(shè)施，擴大退化區(qū)胡楊林的淹灌面積。對生態(tài)輸水區(qū)的供水工程進(jìn)行宏觀調(diào)控，確保核心區(qū)生態(tài)輸水通道順暢，避免胡楊林過度淹灌及生態(tài)水推進(jìn)速度緩慢。完善南干渠輸水口到核心區(qū)及次要輸水區(qū)的供水通道，確保生態(tài)輸水的精準(zhǔn)性和靶向性，使遠(yuǎn)離輸水口的胡楊林，獲取足夠的生態(tài)水補給，避免胡楊生長受到干旱脅迫。

(2)建立生態(tài)輸水監(jiān)測與效益評估體系，優(yōu)化胡楊林生態(tài)輸水實施方案。在流域胡楊林生態(tài)輸水區(qū)，構(gòu)建“多維度”(縱向水流演進(jìn)-橫向水量轉(zhuǎn)化-豎向植被響應(yīng))、“多尺度”(胡楊個體-群落結(jié)構(gòu)和功能-生態(tài)系統(tǒng)面積、質(zhì)量和穩(wěn)定性變化等)、“多生態(tài)要素”(水、土、氣、生要素)、多技術(shù)手段(空-天-地一體化)的綜合監(jiān)測系統(tǒng)，確立胡楊林生態(tài)輸水效益科學(xué)、精準(zhǔn)、完整的評估指標(biāo)體系[6-7]。

(3)建立分區(qū)輪灌體系。將流域生態(tài)輸水化為3個等級：重點輸水區(qū)(河湖濕地以及生態(tài)環(huán)境指數(shù)減小、植被覆蓋度較高、距離河道近15～20km以內(nèi)的胡楊林區(qū))、次要輸水區(qū)(生態(tài)環(huán)境指數(shù)減小、中和低等植被覆蓋、距離河道15～20km以外區(qū)域)和無需輸水區(qū)。阿克蘇河流域重點輸水區(qū)包括艾西曼湖以及分布在第一師塔里木灌區(qū)邊緣胡楊林附近，艾西曼湖維持多年平均生態(tài)輸水量0.5億m3；胡楊林重點輸水區(qū)共計23.67萬畝，修復(fù)需水量0.71億m3；次要輸水區(qū)共計4.05萬畝，生態(tài)修復(fù)需水量0.16億m3。

5 結(jié)論

本文基于水文數(shù)據(jù)、實地植被調(diào)查和遙感監(jiān)測等結(jié)果，構(gòu)建了胡楊林生態(tài)輸水效益評估體系，結(jié)果表明：

(1)生態(tài)輸水淹灌面積達(dá)到21.05萬畝，影響面積60.75萬畝。其中，73.3%的淹灌區(qū)域得到8d以上的有效淹灌。

(2)地下水狀況明顯改善，土壤濕潤化發(fā)展。流域總面積的81.8%地下水儲量呈+50～+150mm變化，連續(xù)輸水使得流域土壤濕潤化，2015—2021年特旱區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為重旱區(qū)，特旱區(qū)面積占比由10.1%下降至0，重旱區(qū)面積占比由83.8%增加至92.7%。

(3)生態(tài)輸水提升了胡楊林群落穩(wěn)定性，增加了植被覆蓋度。群落物種多樣性水平顯著提升，Simpson指數(shù)和Shannon指數(shù)在輸水區(qū)分別為1.04和0.36，相較于未輸水區(qū)的0.65、0.33，2指數(shù)分別增加了96.5%和183%。

(4)輸水區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況整體好轉(zhuǎn)。遙感生態(tài)指數(shù)RSEI均值提升了9.1%，生態(tài)質(zhì)量狀況等級為良的區(qū)域從0.325萬畝增加至0.501萬畝，提升54.39%；生態(tài)質(zhì)量狀況等級為差的區(qū)域從14.543萬畝減少至13.966萬畝，下降3.97%。

(5)針對生態(tài)輸水過程中存在的局部區(qū)域水淹、生態(tài)輸水監(jiān)測體系不完善等問題，應(yīng)當(dāng)采取健全供水配套設(shè)施、優(yōu)化生態(tài)輸水實施方案、建立分區(qū)輪灌體系等措施，不斷實現(xiàn)生態(tài)輸水效益的鞏固提升。