基于生態(tài)修復(fù)的艾比湖流域生態(tài)需水研究

藺 卿,陳 明,王迎春,丁大發(fā),羅清麗,楊建明

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

艾比湖流域受氣候變化和人類活動(dòng)加劇雙重因素影響，入湖水量銳減導(dǎo)致湖面收縮，生物多樣性銳減，湖濱濕地沙漠化擴(kuò)張，裸露湖底鹽塵為源頭的鹽塵暴、揚(yáng)塵和浮塵天氣頻發(fā)等突出生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。艾比湖流域已成為僅次于塔里木河中下游的新疆第二大生態(tài)退化區(qū)域，對(duì)流域乃至整個(gè)北疆的社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅。學(xué)者們對(duì)艾比湖生態(tài)環(huán)境治理提出了具體而有創(chuàng)建性的措施[1-3]。本文面向艾比湖流域生態(tài)修復(fù)，從完整保留發(fā)揮野生生物物種的天然貯存庫(kù)出發(fā)，探討確定艾比湖流域生態(tài)修復(fù)目標(biāo)，識(shí)別天然林草保護(hù)范圍及修復(fù)范圍，以生態(tài)需水量滿足主要建群物種自然更新為目標(biāo)，計(jì)算維持林草生長(zhǎng)的年內(nèi)耗水過(guò)程及生態(tài)需水量，依據(jù)主要建群物種與地下水關(guān)系，提出天然林草生態(tài)保護(hù)的合理地下水位，使其實(shí)現(xiàn)自身良性循環(huán)。

1 流域主要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題

1.1 艾比湖萎縮導(dǎo)致鹽塵危害

隨著流域內(nèi)大規(guī)模的水土開(kāi)發(fā)，艾比湖水面從20世紀(jì)50年代的1200km2萎縮到2021年最小近300km2。干涸湖底正處于阿拉山口的主風(fēng)道上，因“狹管效應(yīng)”導(dǎo)致年內(nèi)大風(fēng)最多天數(shù)為188d，最大風(fēng)速55m/s，鹽塵起沙風(fēng)速為4.3～4.8m/s，年內(nèi)最大起沙風(fēng)頻次為5895次，時(shí)間主要在3—5月、10—11月。鹽塵被人畜吸入或牲畜采食被鹽塵污染的牧草后引發(fā)呼吸道疾病達(dá)16%，鹽塵造成農(nóng)作物大幅減產(chǎn)和耕地鹽漬化，同時(shí)對(duì)輸電線路和鐵路軌道有腐蝕作用，造成輸電線路停電和危及“新歐亞大陸橋”的安全運(yùn)行。

1.2 湖濱濕地退化導(dǎo)致生物多樣性受損

艾比湖湖濱濕地由入湖河流和泉水補(bǔ)給形成，一些河流被過(guò)渡開(kāi)發(fā)后無(wú)水源補(bǔ)給，濕地隨之消失。如，托托河下游濕地20世紀(jì)70年代時(shí)面積較大，隨著托托河被全部引入灌區(qū)，濕地大幅萎縮，目前剩余約1/3，依靠地下潛流補(bǔ)給維持。艾比湖東南側(cè)濕地的萎縮使天鵝等候鳥(niǎo)的中轉(zhuǎn)棲息地也遭到一定程度的破壞。

1.3 甘家湖梭梭林自然保護(hù)區(qū)植被退化嚴(yán)重

該區(qū)域因補(bǔ)給水源銳減，主要源流古爾圖河、四棵樹(shù)河、奎屯河三河已無(wú)地表徑流匯入，僅有洪水和灌區(qū)排堿水流至下游，造成河道兩側(cè)地下水位明顯下降，河谷、河岸林全部衰敗，地下水位下降導(dǎo)致天然植被大幅度減少，土地沙化問(wèn)題非常嚴(yán)重，沙漠向人工綠洲區(qū)推進(jìn)的速度加快。同時(shí)因生境變化狐貍等食鼠動(dòng)物外遷，沙土鼠、旱獺等泛濫，進(jìn)一步導(dǎo)致天然植被退化，生態(tài)格局進(jìn)一步改變，對(duì)人工綠洲的穩(wěn)定性和可持續(xù)性的保護(hù)作用減弱。

1.4 水環(huán)境持續(xù)惡化

艾比湖流域面源污染負(fù)荷較大，入湖河流及湖體總氮濃度較高，導(dǎo)致湖濱帶自然植被受損，珍稀物種生境破壞，農(nóng)村生活污水缺乏有效處理，城鎮(zhèn)生活污水集中處理率、畜禽養(yǎng)殖糞污資源化利用水平有待提高，這些均直接或間接影響艾比湖生態(tài)安全，同時(shí)當(dāng)?shù)鼐用癯蔀樽钪苯拥氖芎φ?，?duì)居民健康存在危害。

2 流域生態(tài)修復(fù)目標(biāo)分析

流域內(nèi)天然綠洲包括湖濱濕地、精河濕地、博爾塔拉河濕地[4]以及三河尾閭的河谷林。結(jié)合前人的研究，經(jīng)過(guò)3次野外踏勘和大量?jī)?nèi)業(yè)工作，確定了3個(gè)生態(tài)修復(fù)目標(biāo)，即：艾比湖濕地保護(hù)區(qū)、甘家湖梭梭林自然保護(hù)區(qū)、甘家湖保護(hù)區(qū)外河道生態(tài)系統(tǒng)。艾比湖濕地保護(hù)區(qū)包括艾比湖湖面、托托河下游濕地、艾比湖湖濱濕地，艾比湖湖面生態(tài)需水考慮的因素較多，將另文研究。甘家湖梭梭林自然保護(hù)區(qū)包括三河尾閭部分荒漠林。甘家湖保護(hù)區(qū)外河道生態(tài)系統(tǒng)除甘家湖保護(hù)區(qū)外三河河道生態(tài)修復(fù)目標(biāo)。如圖1所示。

圖1 艾比湖流域生態(tài)修復(fù)目標(biāo)示意圖

2.1 艾比湖流域濕地保護(hù)區(qū)

艾比湖濕地主要植物種群為沙生、鹽生、水生、濕生植物，鳥(niǎo)類較多，是野生動(dòng)物的重要棲息地和候鳥(niǎo)的主要繁殖地、中轉(zhuǎn)地和越冬地，對(duì)維系艾比湖流域生物多樣性和生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用。該湖濱濕地歷史上與甘家湖天然綠洲連接成片，共同發(fā)揮濕地的生態(tài)功能。補(bǔ)給河流曾經(jīng)有精河、托托河及烏東果勒河，現(xiàn)狀只有精河補(bǔ)給，托托河和烏東果勒河被引入灌區(qū)消耗殆盡，幾乎無(wú)水補(bǔ)給下游。

湖濱濕地恢復(fù)目標(biāo)確定為：湖南部的精河下游入湖口附近濕地、湖東的托托河和奎屯河入湖口附近濕地。通過(guò)河道向濕地補(bǔ)給修復(fù)，力爭(zhēng)濕地生態(tài)現(xiàn)狀向良性轉(zhuǎn)變，發(fā)揮功能，減少人類破壞活動(dòng)影響，保護(hù)動(dòng)植物適宜的生長(zhǎng)環(huán)境和增強(qiáng)生物多樣性。

艾比湖濕地區(qū)因湖面呈現(xiàn)縮小趨勢(shì)，裸露的湖底鹽塵對(duì)下風(fēng)向甚至整個(gè)天山北坡經(jīng)濟(jì)帶造成危害，湖濱濕地沼澤面積銳減，生物多樣性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；湖東濕地地下水位下降，天然植被退化，邊緣明顯沙化，河谷林、草甸、濕地嚴(yán)重退化。

2.2 甘家湖梭梭林國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)

該保護(hù)區(qū)發(fā)育了以梭梭、白梭梭、胡楊等荒漠植物為主體的典型的旱生和超旱生荒漠植被類型，稀疏灌木、半灌木荒漠占優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)唯一溫帶荒漠地帶的梭梭荒漠保護(hù)區(qū)，是我國(guó)生物多樣性的重要基因庫(kù)，水資源主要作用是創(chuàng)造了多樣性的生態(tài)系統(tǒng)來(lái)支撐多樣性的生物種群，維護(hù)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定。補(bǔ)給河流曾經(jīng)有奎屯河、古爾圖河和四棵樹(shù)河，早在20世紀(jì)60—70年代就已陸續(xù)斷流。通過(guò)90年代TM影像與2020年高分辨率影像、無(wú)人機(jī)影像對(duì)比分析，梭梭林廣泛分布在沙漠、土漠、鹽漠上，以河道兩岸的胡楊林外緣、河谷階地、三角洲長(zhǎng)勢(shì)最好，遠(yuǎn)離河道的梭梭林則平均高度較低、冠幅小，抵御風(fēng)沙能力差，風(fēng)沙侵蝕加快，梭梭林進(jìn)一步退化。

2.3 河道生態(tài)修復(fù)目標(biāo)

河道生態(tài)修復(fù)目標(biāo)主要包括奎屯河、古爾圖河和四棵樹(shù)三河河岸荒漠植被，作為重要的生態(tài)廊道對(duì)沙漠化控制作用十分顯著，反之缺水退化將極易造成沙漠?dāng)U張，同時(shí)還發(fā)揮保護(hù)生物多樣性、維護(hù)生態(tài)安全、調(diào)節(jié)氣候等重要生態(tài)功能。保障奎屯河尾閭下泄水量，遏制梭梭林、胡楊林退化。

3 生態(tài)需水計(jì)算

生態(tài)需水計(jì)算國(guó)外研究較成熟，國(guó)內(nèi)已廣泛應(yīng)用[5-13]，一般都根據(jù)研究區(qū)的水文、水生態(tài)和資料情況選取合適的方法并進(jìn)行修正。

3.1 遙感數(shù)據(jù)處理

采用1990年TM、2000年ETM、2010年TM、2015年ETM和2020年1m高分辨率遙感數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)幾何糾正、拼接等預(yù)處理后使用面向?qū)ο蠼庾g方法提取生態(tài)修復(fù)目標(biāo)。采取面向?qū)ο蟮慕庾g方法設(shè)置顏色、形狀、緊實(shí)度將像元按規(guī)則分割成為對(duì)象，在對(duì)象的基礎(chǔ)上建立分類規(guī)則解譯林、灌、草等植被類型，將土地利用類型劃分為10個(gè)大類55小類，甘家湖保護(hù)區(qū)在林、灌、草的基礎(chǔ)上又細(xì)化分類到了群落。利用5期遙感數(shù)據(jù)結(jié)合GIS分析方法，分析30年來(lái)艾比湖流域平原區(qū)土地利用變化情況，探究流域平原區(qū)土地利用時(shí)空變化特征。重點(diǎn)分析2020年1m高分辨率遙感數(shù)據(jù)，與歷年土地利用變化分析結(jié)果相對(duì)比，與無(wú)人機(jī)影像相互印證，開(kāi)展2次野外實(shí)地驗(yàn)證，力求對(duì)植被類型和覆蓋度做到準(zhǔn)確分類和計(jì)算。

甘家湖保護(hù)區(qū)需水量包括奎屯河尾閭生態(tài)需水。精河尾閭濕地以草本植物蘆葦為主，托托河、博爾塔拉河濕地主要為沿河道的河谷林，灌木和草本混合的胡楊-檉柳、梭梭-蘆葦濕地。托托河位于保護(hù)區(qū)東南部，中游葦湖、阿奇克蘇濕地寬度較大，最大濕地寬度超過(guò)500m。

3.2 生態(tài)需水計(jì)算

本次采用聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的需水量計(jì)算方法:①以精河的水面蒸發(fā)計(jì)算出作物參考蒸騰發(fā)量ET0；②確定草本濕地的各月的需水系數(shù)Kt，計(jì)算出草本濕地月蒸騰量；③凈需水定額是月蒸騰量與有效降水的差值；④生態(tài)需水量是定額與面積的積。

利用GIS軟件中的Kringing插值，得到研究區(qū)降雨、蒸發(fā)的面狀數(shù)據(jù)，同時(shí)可得到每個(gè)柵格的降雨和蒸發(fā)量。降雨插值圖顯示降水由四周向中部遞減，生態(tài)修復(fù)區(qū)月降水小于30mm，且降水量月變化很小，而山區(qū)降雨的月變化較大。月蒸發(fā)量阿拉山口最大，年蒸發(fā)能力可達(dá)到2000mm，與阿拉山口風(fēng)速大關(guān)系密切；精河和烏蘇的年蒸發(fā)能力也分別達(dá)到850mm和1148mm，生態(tài)修復(fù)區(qū)各站點(diǎn)降雨量本身很小，蒸發(fā)能力又遠(yuǎn)大于降雨量，自然降水不能滿足植被生長(zhǎng)，需要依靠地表水資源和地下水。

ETi，t=ET0×Kt

(1)

需水系數(shù)是植被生長(zhǎng)狀況和土壤供水條件的函數(shù)，考慮到荒漠植被在冬季(11月—次年3月)基本停止生長(zhǎng)，小灌木甚至為積雪覆蓋，蒸發(fā)較小，故冬季需水本研究未做考慮。

根據(jù)遙感解譯的各分區(qū)地類面積，計(jì)算得到了各分區(qū)荒漠植被需水量：

W=∑(ETi,t-Pe,t)A

(2)

式中，W—生態(tài)需水量；ETi，t—蒸發(fā)量；Pe，t—有效降雨量；A—面積。

根據(jù)前文確定的生態(tài)修復(fù)目標(biāo)，計(jì)算各地類需水定額和各分區(qū)生態(tài)需水量見(jiàn)表1。

表1 湖濱濕地及甘家湖梭梭林保護(hù)區(qū)生態(tài)需水匯總表

生態(tài)需水計(jì)算結(jié)果顯示，濕地生態(tài)修復(fù)目標(biāo)現(xiàn)狀共有54.27km2，共需水0.59億m3，其中精河濕地31.45km2，需水0.34億m3；湖東濕地3.42km2，需水0.04億m3；托托河濕地19.4km2，需水0.21億m3。甘家湖保護(hù)區(qū)現(xiàn)狀需水2.32億m3，其中有林地55.19km2，需水0.39億m3；灌木498.93km2，需水1.93億m3。以上生態(tài)需水量?jī)H為維持各修復(fù)目標(biāo)的需水量，不包括在生態(tài)補(bǔ)水過(guò)程中的河道滲漏損失。

3.3 抬升淺層地下水位的生態(tài)需水

淺層地下水是干旱區(qū)荒漠植被的生命線。甘家湖保護(hù)區(qū)內(nèi)遠(yuǎn)離河道的天然植被明顯衰敗，其主要原因是地下水位下降太多，天然植被已不能通過(guò)根系獲得充足的水分。國(guó)內(nèi)外的研究也表明胡楊、梭梭等荒漠植被生長(zhǎng)主要依賴于地下水補(bǔ)給。在古爾班通古特沙漠研究表明地下水埋深5m處梭梭和白梭梭種群密度均處于較高水平[14]。當(dāng)?shù)叵滤患由顣r(shí)，梭梭種群密度均有不同程度的下降，且出現(xiàn)種群內(nèi)幼苗補(bǔ)充不足、更新受阻現(xiàn)象。在地下水埋深5m處，梭梭和白梭梭的結(jié)實(shí)密度、結(jié)實(shí)概率都很高，種群內(nèi)有大量的幼樹(shù)參與到種子生產(chǎn)中。地下水位下降時(shí)，梭梭和白梭梭種群的結(jié)實(shí)能力明顯降低，表現(xiàn)為種群以老枝葉為主，罕有新枝葉和幼苗生長(zhǎng)。梭梭和白梭梭對(duì)地下水的依賴程度不同，梭梭種群對(duì)地下水的依賴程度強(qiáng)，白梭梭種群受地下水位下降的影響相對(duì)較弱，胡楊種群對(duì)地下水的依賴也較強(qiáng)。綜合上述，結(jié)合其他區(qū)域研究確定了甘家湖保護(hù)區(qū)天然植被的適宜地下水位：白梭梭、梭梭、檉柳-梭梭群落為5m，檉柳-梭梭-胡楊、胡楊群落為4.7m。因甘家湖保護(hù)區(qū)缺乏地下水資料，在參考?xì)v史地下水位資料的基礎(chǔ)上，采用多通道地下水找水儀探測(cè)地下水位，同時(shí)采用現(xiàn)狀年遙感影像數(shù)據(jù)提取植被指數(shù)，與需抬升的地下水位建立回歸關(guān)系，通過(guò)植被狀況推斷地下水位需抬升情況，即推斷理想狀態(tài)地下水位與實(shí)際地下水位的差值。結(jié)果顯示，甘家湖梭梭林自然保護(hù)區(qū)淺層地下水位需要平均抬升2m，給水度參照以往該區(qū)域的研究取0.17，則補(bǔ)給淺層地下水的需水量為1.88億m3。

綜上所述，在未考慮河道滲漏和工程損耗的情況下，艾比湖流域天然生態(tài)修復(fù)生態(tài)需水量為2.91億m3。其中甘家湖保護(hù)區(qū)為2.32億m3，湖濱濕地為0.58億m3。甘家湖保護(hù)區(qū)需補(bǔ)給地下水的為1.88億m3。

其中甘家湖保護(hù)區(qū)需水為2.32億m3；恢復(fù)湖濱濕地的需水為0.58億m3。甘家湖保護(hù)區(qū)抬升淺層地下水的需水量為1.88億m3。補(bǔ)給水源依靠各源流落實(shí)用水總量紅線和退地減水等方式解決。補(bǔ)給方式以河道下泄為主，還可考慮規(guī)劃設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)易的生態(tài)補(bǔ)水工程，對(duì)遠(yuǎn)離河道的保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)水灌溉。另外，建議減少各源流尤其是三河等源流中游農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)的農(nóng)業(yè)高效節(jié)水面積，恢復(fù)溝畦灌溉，以增加灌溉回歸水對(duì)灌區(qū)下游天然生態(tài)的補(bǔ)給。同時(shí)，加大奎屯河流域的節(jié)約用水力度，保障生態(tài)基流下泄，恢復(fù)與艾比湖的水力聯(lián)系，對(duì)于甘家湖梭梭林自然保護(hù)區(qū)和湖東濕地的恢復(fù)都具有至關(guān)重要的意義。

4 結(jié)語(yǔ)

本文計(jì)算了艾比湖流域生態(tài)修復(fù)目標(biāo)的生態(tài)需水量，包括恢復(fù)和維持天然植被和抬升淺層地下水位兩部分生態(tài)需水量。定額法是現(xiàn)狀情況下的不同植被類型的需水量，未考慮同一類型下不同生長(zhǎng)狀態(tài)的需水。抬升淺層地下水位則是保障天然植被結(jié)構(gòu)合理，能正常更新。參考了古爾班通古特沙漠區(qū)域內(nèi)的類似研究，用歷史地下水位和植被生長(zhǎng)指數(shù)建立的地下水關(guān)系確定了各種植被類型的需抬升水位。由于采用了1m高分辨率遙感數(shù)據(jù)，植被分類更為準(zhǔn)確，相應(yīng)的生態(tài)需水測(cè)算也更準(zhǔn)確。存在的不足是未考慮抬升淺層地下水位對(duì)鹽分的影響。