西北內陸流域下游區(qū)天然綠洲退變主因與機制

張光輝，聶振龍,2，崔浩浩,2，王 茜,2，嚴明疆，田言亮,2，王金哲

（1.中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所, 河北 石家莊 050061；2.自然資源部地下水科學與工程重點實驗室, 河北 石家莊 050061）

自20世紀80年代初以來，我國西北內陸許多流域下游區(qū)自然濕地和天然植被分布范圍（簡稱“天然綠洲”，下同）不斷萎縮，自然生態(tài)環(huán)境嚴重退化[1-6]。為了修復和保護生態(tài)環(huán)境，亟需研究影響該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的主要因素與作用機制[1，5，7-12]。在西北內陸流域下游區(qū)，降水稀少、蒸發(fā)強烈，天然綠洲生態(tài)對地下水生態(tài)功能具有強烈的依賴性[8-21]。因此，本研究對西北內陸流域天然綠洲退化修復與生態(tài)保護具有重要意義。

有關西北內陸區(qū)天然綠洲退化問題研究較多[2-4,7-14,22-28]，但基于天然綠洲與灌溉耕地規(guī)模之間互動關系，以及依據(jù)流域水循環(huán)演變及水資源承載力探討干旱區(qū)天然綠洲退變主因與機制研究較少[2，23]。本文依托國家重點研發(fā)計劃項目“我國西部特殊地貌區(qū)地下水開發(fā)利用與生態(tài)功能保護”（2017—2021）的資料和研究基礎，以典型流域為研究區(qū)，開展相關研究。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為極度干旱的艾丁湖流域和干旱半干旱的石羊河流域，具有西北內陸主要流域的共性特點。西北內陸區(qū)多為內流盆地，包括甘肅河西走廊、新疆準噶爾盆地、塔里木盆地和青海柴達木盆地，這些盆地周圍矗立著如天山、祁連山和阿爾金山等高大山系，造成盆地內年降水量僅50～200 mm、年蒸發(fā)量高達2 000～3 500 mm。高大山系攔截了大氣流中水汽，導致上游山區(qū)年降水量達400～600 mm，由此形成自上游山區(qū)至下游平原（盆地）的半濕潤、半干旱至干旱的明顯干濕分帶性，下游區(qū)自然生態(tài)環(huán)境極為脆弱，主要依賴上、中游區(qū)下泄地表徑流水量；在上、下游之間的中游區(qū)是灌溉耕地（人工綠洲）、人口和經(jīng)濟社會主要聚集區(qū)域，該區(qū)生活、生產(chǎn)用水規(guī)模對下游區(qū)生態(tài)水源影響占主導地位，由此下游區(qū)天然綠洲生態(tài)對當?shù)氐叵滤鷳B(tài)功能（水位埋深）形成強烈依賴性。

艾丁湖流域位于新疆維吾爾自治區(qū)東部的吐魯番盆地，流域面積5.30×104km2，平原區(qū)是夏季全國最熱地區(qū)，年內最高氣溫49 °C 以上，日照達3 000 h，年降水量不足30 mm，本區(qū)為世界最大范圍的野生闊葉駱駝刺生長地。該流域年均天然水資源量為11.1×108m3、地下水資源量為5.4×108m3，年總用水量曾達14.8×108m3，其中地下水年開采量達9.7×108m3，年灌溉用水量占年總用水量的92.3%（表1）。

表1 研究區(qū)自然環(huán)境與耕地和水資源開發(fā)利用概況Table 1 Overview of natural environment and utilization of cultivated land and water resources in the study area

石羊河流域位于甘肅省河西走廊的東部、祁連山北麓，流域平原區(qū)面積為4.16×104km2，下游民勤盆地年降水量不足150 mm。該流域年均天然水資源量為16.6×108m3、年均地下水資源量為6.9×108m3，年總用水量曾達27.9×108m3，其中地下水年開采量達13.8×108m3，年灌溉用水量占年總用水量的87.2%（表1）。

2 個流域的下游區(qū)都分布有重要自然濕地，分別為艾丁湖濕地和青土湖濕地。在20世紀60年代之前，2 個濕地的水域面積都顯著大于目前水域面積（表1），并且流域下游平原大部分區(qū)域的潛水位埋深小于5 m，一些區(qū)域土壤鹽漬化嚴重。目前，2 個流域平原大部分區(qū)域的潛水位埋深大于15 m，遠大于旱區(qū)天然植被綠洲適宜生態(tài)水位（埋深2～5 m）的深度。

2 數(shù)據(jù)與方法

本次研究數(shù)據(jù)是基于國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFC0406100）的相關資料，包括灌溉耕地面積、出山地表徑流量及灌溉引用水量、地下水開采量和流入下游區(qū)地表徑流量調查統(tǒng)計、潛水埋深及包氣帶水理指標原位監(jiān)測和地下水水位統(tǒng)測，以及植被類型、分布范圍、覆蓋度和NDVI 指數(shù)等遙感解譯獲得的數(shù)據(jù)及資料。其中，生態(tài)數(shù)據(jù)是基于樣方調查、監(jiān)測和高分辨遙感解譯獲得，原始數(shù)據(jù)源為Landsat MSS/TM/ETM/OLI 數(shù)據(jù)，GF1/2、Google Earth 數(shù)據(jù)作為補充。本次研究的生態(tài)數(shù)據(jù)是采用1970年以來逐年5—10月遙感數(shù)據(jù)進行輻射校正、正射校正、圖像增強處理和數(shù)據(jù)融合等多層次篩選，輔以GIS 技術和表面能量平衡模型處理得到的（表2）。

表2 遙感解譯研究區(qū)地表生態(tài)基本分類特征Table 2 Basic characteristics of ecological remote sensing interpretation content classification in the study area

本研究主要應用流域水循環(huán)和水量均衡理論，采用時間序列分析法和地學多元相關分析方法，包括濕地水域面積、天然植被綠洲面積與灌溉耕地面積、用水量、開采量、地下水水位埋深和氣象因子之間相關性識別。

3 結果與分析

3.1 地下水開發(fā)利用與天然綠洲退變情勢

自20世紀60年代石羊河流域開始大規(guī)模開采地下水以來，隨著中游區(qū)水資源開發(fā)利用規(guī)模不斷擴大，該流域中、下游平原區(qū)地下水水位不斷下降，導致山前溢出帶泉水流量不斷衰減，造成引泉水灌區(qū)被迫不斷增加開采井和開采水量，以彌補灌溉水源不足。該流域地下水開采量由1965年的1.39×108m3，增大到1977年的6.76×108m3，至21世紀初期達13.83×108m3/a，中、下游區(qū)地下水水位年均降幅曾達1.20 m 以上。中游武威盆地的金羊、清源、環(huán)河和吳家井灌區(qū)10%～30%的固沙植被枯亡，下游區(qū)天然生長的胡楊林成片死亡，青土湖濕地水域多次干涸。重度沙化面積由329.4 km2增至419.4 km2，中度沙化面積增大1 121.5 km2。

在艾丁湖流域，20世紀50年代前人口數(shù)量不足30 萬，灌溉耕地面積不足270 km2，灌溉用水量為4×108m3/a，當時艾丁湖濕地的水域面積尚存150 km2以上。20世紀60年代該流域人口數(shù)量突破30 萬，灌溉面積擴大為600 km2以上，地表水引水量明顯增大；在1968—1985年期間，該流域人口數(shù)量達44.2 萬，灌溉面積擴大至660 km2以上，地表水開始無法滿足灌溉用水需求，由此成井3 400 多眼，年開采量1.76×108m3。1989年艾丁湖濕地的水域面積縮減至11 km2。1994—2008年期間正值西部大開發(fā)政策實施，艾丁湖流域人口數(shù)量增至57 萬以上，耕地面積大于1 200 km2，地下水開采量由 2.99×108m3/a 激增到 9.0×108m3/a 以上，取水深度由60～80 m 延深至120～150 m，由此該流域平原全區(qū)地下水水位的年均降幅達0.64 m。天然綠洲區(qū)潛水位埋深明顯大于適宜生態(tài)水位深度，造成該流域擁有的疏葉駱駝刺生長范圍由20世紀80年代的1 467 km2減至目前的1 068 km2，2010年前后艾丁湖濕地頻繁干涸。

綜合研究表明，西北內陸流域下游區(qū)天然綠洲生態(tài)情勢對地下水生態(tài)功能（水位埋深）具有強烈依賴性。根據(jù)1970年以來研究區(qū)天然綠洲類型和范圍逐月遙感解譯、2017—2021年期間的每年6—8月該區(qū)生態(tài)樣方調查和監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立6—8月期間NDVI值、植被覆蓋度和物種數(shù)量和地下水生態(tài)功能維系天然植被能力與潛水位埋深之間的關系，見表3 和圖1。研究表明，在潛水位埋深長期大于極限生態(tài)水位（深度）條件下，自然濕地和天然植被綠洲生態(tài)逐漸退化：①在水位埋深5～7 m 條件下，對地下水埋深依賴性較強的多數(shù)草本、灌木和喬木生態(tài)狀況處于“較差”、甚至凋萎，天然植被的物種數(shù)量少于5 種，且生長狀態(tài)不佳，陸表生態(tài)NDVI 指數(shù)小于0.25，植被覆蓋度低于50%；當潛水水位回升時，上述退化的天然植被生態(tài)狀態(tài)能自行逐步恢復。②在水位埋深7～10 m 條件下，大多數(shù)天然植被凋萎死亡，梭梭及白刺等旱生植被零星分布，NDVI 指數(shù)小于0.13，植被覆蓋度小于35%，物種數(shù)量小于3；當潛水水位恢復至“適宜生態(tài)水位”域（埋深2～5 m）之后，天然植被生態(tài)恢復需要人工撒種干預，否則，短期難以恢復天然植被生態(tài)景觀。③當水位埋深大于10 m 時，絕大多數(shù)荒漠植被已死亡，NDVI 指數(shù)小于0.08，植被覆蓋度不大于10%，物種數(shù)量小于2，地表多已荒漠化或沙化；在地下水生態(tài)功能已發(fā)生“災變”的區(qū)域，即使人工撒種，短時期內也難以恢復原有生態(tài)[2，29]。④當水位埋深小于2 m時，隨著潛水水位不斷上升，因土壤鹽漬化程度加重，天然植被覆蓋度不斷降低[8-10]。

表3 西北內陸干旱區(qū)地下水生態(tài)功能退變程度的識別指標體系Table 3 Identification index of degradation degree of groundwater ecological function in the northwest China inland area

圖1 干旱區(qū)下游天然植被覆蓋度、NDVI 值及地下水維系植被生態(tài)能力（A地生）與潛水位埋深之間關系Fig.1 Relationship between natural vegetation coverage, NDVI value, groundwater transmission-supply capacity to surface soil (A地生)and shallow groundwater level depth in the lower reaches of the arid area

3.2 不同干旱區(qū)天然綠洲規(guī)模退變特征

3.2.1 石羊河流域下游區(qū)天然綠洲退變特征

近40 a 來，隨著石羊河流域平原區(qū)灌溉耕地面積不斷擴大，流域下游區(qū)天然綠洲面積不斷萎縮（圖2）。根據(jù)遙感解譯結果，相對1970年，2019年該流域耕地面積增加1 200 km2，同期天然綠洲面積減少1 850 km2。通過下游區(qū)天然綠洲面積與石羊河流域中游區(qū)耕地面積、灌溉水量和地下水開采量之間相關關系可見（圖3），天然綠洲面積不斷減小與該流域中游區(qū)耕地面積、灌溉水量和地下水開采量不斷增大之間呈顯著負相關。其中灌溉水量和地下水開采量不斷增大的驅動力是灌溉面積不斷擴大。由此表明，灌溉耕地規(guī)模擴大是該流域下游區(qū)天然綠洲面積不斷萎縮的主要驅動因素，因為灌溉耕地面積不斷擴大，需要不斷增加攔用出山地表徑流水量以滿足灌溉用水（圖4）。

圖2 1970年以來石羊河流域平原區(qū)耕地面積和天然綠洲面積年際變化特征Fig.2 Variation of the cultivated land area and natural oasis area in the plain area of the Shiyang River Basin since 1970

圖3 石羊河流域下游天然綠洲萎縮與中游區(qū)農(nóng)灌面積、水量和地下水開采量之間相關關系Fig.3 Correlation between the shrinkage of the natural oasis area in the lower reaches of the Shiyang River Basin and the agricultural irrigation area, water volume and groundwater exploitation in the middle reaches

圖4 石羊河流域上游大規(guī)模攔蓄出山地表徑流對中、下游區(qū)地表徑流來水量影響狀況Fig.4 Impact of large-scale storage of mountain surface runoff in the upper reaches of the Shiyang River Basin on the inflow of surface runoff in the middle and lower reaches

中游區(qū)灌溉用水主要攔引上游出山地表徑流水量，石羊河流域90%以上出山徑流水量被水庫攔蓄，導致自然流入中、下游平原區(qū)的地表徑流水量趨勢性衰減，見圖4。該流域中游區(qū)灌溉用水不僅長期大量擠占下游區(qū)天然綠洲生態(tài)水量，還大幅減少了下游區(qū)地下水補給水量，致使下游區(qū)灌溉用水逐年加大地下水開采量，造成下游區(qū)地下水水位埋深不斷增大，以及地下水生態(tài)功能長期失去維系天然綠洲作用。

20世紀60年代初，石羊河流域下游區(qū)潛水位埋深尚處于天然植被“適宜生態(tài)水位”（埋深＜5.0 m），但至2019年該區(qū)絕大部分區(qū)域潛水水位已下降至“極限生態(tài)水位”（埋深10 m）之下（圖5），地下水生態(tài)功能處于“災變”狀態(tài)（表3），下游原天然綠洲現(xiàn)已退變?yōu)樵S多成片的荒漠化景觀。

圖5 1960年和2019年石羊河流域下游區(qū)地下水水位埋深分布特征Fig.5 Characteristics of depth of groundwater levels in the lower reaches of the Shiyang River Basin in 1960 and 2019

3.2.2 艾丁湖流域平原區(qū)天然綠洲退變特征

1976年，艾丁湖流域平原區(qū)天然植被綠洲面積2 110 km2，2010年減少至1 058 km2，原因是上游的人工綠洲區(qū)地下水超采程度不斷加劇，平原區(qū)地下水水位不斷下降，同時，流入天然綠洲區(qū)的地表徑流水量不斷減少。自2010年開始治理以來，至2019年艾丁湖流域平原區(qū)天然植被綠洲面積由1 058 km2恢復至1 428 km2。

天然綠洲面積與人工綠洲面積之比值（Anf）能表征天然綠洲面積隨人工綠洲（農(nóng)田）規(guī)模增減而呈現(xiàn)的趨勢性變化特征。當Anf值由小變大時，天然綠洲面積處于不斷修復過程；當Anf值由大變小時，天然綠洲面積處于不斷萎縮和退化過程。

1976—1990 年期間，艾丁湖流域人工綠洲面積大幅擴大，Anf值由1976年的4.74 減小至1990年的1.78，同期的地下水開采量顯著增大，隨之天然綠洲面積大幅萎縮；1990—2010年期間，該流域人工綠洲面積小幅增加，Anf值由1990年的1.78 減小至2010年的1.36，同期地下水開采量由不足3×108m3/a 增大至 9×108m3/a 以上，天然綠洲面積進一步萎縮。2010—2015年期間，艾丁湖流域人工綠洲面積小幅減少，Anf值則由2010年的1.36 增大至2015年的1.49，同期地下水開采量明顯減少，天然綠洲面積增大；2015—2019年期間，該流域人工綠洲面積顯著減少，Anf值則由2015年的1.49 增大至2019年的2.23（圖6），同期地下水開采量呈趨勢性減少（圖7），天然綠洲面積明顯增大。

圖6 近40 a 來艾丁湖流域天然綠洲與人工綠洲面積比值（Anf）變化過程Fig.6 Change process of the area ratio（Anf）between the natural oasis and artificial oasis in the Aiding Lake Basin in recent 40 years

圖7 艾丁湖流域自然濕地水域面積與地下水開采量演變特征Fig.7 Evolution characteristics of water area of the natural wetland and groundwater exploitation in the Aiding Lake Basin

相對1976年，至2019年艾丁湖流域人工綠洲面積增加196 km2，天然綠洲面積減少682 km2，呈現(xiàn)每增加1.0 km2人工綠洲面積，天然綠洲面積減少1.57～3.83 km2的相關特征。2010年為轉折點，呈現(xiàn)出人工綠洲面積開始減少、天然綠洲面積呈恢復性擴大的特征。

艾丁湖流域下游區(qū)自然濕地的水域面積呈現(xiàn)出類似Anf值演變特征，見圖7（b），其中2005—2010年期間該濕地的水域面積進一步萎縮，年均水域面積僅4.2 km2；2010年以來艾丁湖流域實施了退地和高效節(jié)水灌溉等治理措施，灌溉用水總量逐年減少，濕地的水域面積呈現(xiàn)波動恢復過程，由2011—2015年的年均2.8 km2恢復至2016—2018年的年均8.4 km2，期間的地下水開采量也呈現(xiàn)逐年減少趨勢，見圖7（a）。

3.3 旱區(qū)天然綠洲退變機制與主導因素

研究區(qū)天然綠洲退化與灌溉耕地規(guī)模過大、水資源長期大規(guī)模超用和地下水嚴重超采等人類活動密切相關。由于西北內陸獨特的地理環(huán)境和氣候條件，決定了“沒有灌溉，就沒有農(nóng)業(yè)”。隨著灌溉耕地面積不斷擴大，西北內陸流域上游出山地表徑流水量被上游區(qū)水庫大規(guī)模攔蓄和供給中游區(qū)灌溉，有限的天然地表水資源難以滿足不斷擴大的灌區(qū)需用水量，唯有不斷加大地下水開采，緩解灌溉水源不足的問題。與此同時，由于出山地表徑流水量被大規(guī)模攔蓄和直接引入中游灌區(qū)，加之農(nóng)田灌溉利用系數(shù)不斷提高，致使中、下游平原區(qū)地下水補給水量不斷減少，諸多因素疊加影響下，中、下游平原區(qū)地下水水位不斷大幅下降，造成潛水位埋深長期大于天然綠洲的“適宜生態(tài)水位”，甚至大于“極限生態(tài)水位”深度（10 m），進而引發(fā)下游區(qū)地下水生態(tài)功能嚴重退變，導致自然濕地干涸、天然植被消亡和土地荒漠化加劇。因此，灌溉耕地面積不斷擴大是西北內陸流域下游區(qū)天然綠洲退變的主要驅動因素，見圖8。

西北內陸流域氣候干旱、天然水資源匱乏是根本原因。在有限天然水資源背景下，西北內陸各流域人口數(shù)量不斷增長，必然促使糧蔬生產(chǎn)所必需的農(nóng)田規(guī)模不斷擴大，由此超過當?shù)厮Y源承載力的人口所必需的用水量只能擠占原屬下游區(qū)生態(tài)水（圖8）。李相虎[29]研究認為，石羊河流域多年平均水資源量的適宜承載人口數(shù)為30 萬人，但凡超過30 萬人的歷史時期該流域下游區(qū)天然綠洲規(guī)模都出現(xiàn)不同程度萎縮。目前，該流域人口數(shù)量已超過200 萬人。

圖8 西北內陸流域下游區(qū)天然綠洲退變形成與演變機制Fig.8 Evolution mechanism of the natural oasis degeneration in the lower reaches of northwest inland basins

天然水資源匱乏限制著西北內陸各流域人口數(shù)量和灌溉耕地規(guī)模不宜過大，否則，不僅灌溉用水大規(guī)模擠占下游區(qū)天然綠洲生態(tài)水量，導致天然綠洲面積大幅萎縮，而且，還會出現(xiàn)枯水年灌溉用水沒有足夠出山地表水供給保障，唯有大規(guī)模抽取平原區(qū)地下水儲存資源，加劇地下水水位下降，導使地下水生態(tài)功能較長時期處于災變狀態(tài)，以及天然綠洲生態(tài)退化進一步加劇。

在西北內陸流域，上游水資源形成區(qū)降水豐-平-枯的年際變化直接影響出山地表徑流水量的多寡，對灌溉耕地面積擴大擠占下游生態(tài)水量的程度具有直接影響。該背景下天然綠洲面積（Soa）與灌溉耕地面積（Sfs）及人口數(shù)量（Np）和上游區(qū)年均降水量（P）的關系為：

式中：Sn—沒有灌溉耕地背景下研究區(qū)天然綠洲面積/km2；

ωPR—研究區(qū)年均降水量與人口數(shù)量耦合對灌溉耕地面積擴大導致天然綠洲面積減少的影響系數(shù)。

由式（1）可見，西北內陸流域平原區(qū)灌溉耕地面積不斷擴大，主導下游區(qū)天然綠洲退化的程度，與氣候干旱程度和人口數(shù)量多少相關：上游區(qū)年降水量越小、流域人均天然水資源量越少， ωPR值越大，即每增加1.0 km2的灌溉耕地面積導致天然綠洲減少面積越大，見表4 和圖9（a）。在流域年降水量較大的石羊河流域平原區(qū)，每增加1.0 km2灌溉耕地，天然綠洲面積減少1.35～2.07 km2，其中降水偏豐水期的ωPR趨于1.35、偏枯水期的 ωPR值趨于2.07，見圖9（b）；在年降水量不足30 mm 的艾丁湖流域平原區(qū)，每增加1.0 km2灌溉耕地，天然綠洲面積減少1.57～3.83 km2，其中上游區(qū)降水偏豐水期的 ωPR值趨于1.57、偏枯水期的ωPR值趨于3.83。因為氣候越干旱、上游年降水量越小，出山地表徑流水量越少，由此增加單位面積灌溉耕地用水擠占生態(tài)水量的比率越高。年降水量較大的石羊河流域耕地的年灌溉水量為64.5×104～77.4×104m3/km2，極度干旱的艾丁湖流域平原區(qū)年灌溉水量為102.0×104～118.2×104m3/km2，是石羊河流域單位面積灌溉用水定額的1.55 倍。因此，艾丁湖流域的ωPR值明顯大于石羊河流域的 ωPR值，見表4 和圖9（a）。

圖9 西北內陸典型流域平原區(qū)天然綠洲面積與耕地面積之間相關性特征Fig.9 Relationship between the natural oasis area and cultivated land area in the typical inland plain areas of northwest China

表4 不同干旱程度下西北內陸典型流域平原區(qū)天然綠洲隨灌溉耕地面積增減的變化幅度Table 4 Variation range of the natural oases in the plain areas of the typical inland basins in northwest China with the increase or decrease of the irrigated farmland under different drought degrees

4 結論

（1）灌溉耕地面積不斷擴大是西北內陸流域下游區(qū)天然綠洲萎縮的主要驅動因素，通過大規(guī)模攔用上游出山地表徑流水量，擠占下游區(qū)天然綠洲生態(tài)水量和地下水補給水量，加劇下游區(qū)地下水生態(tài)功能退變和天然綠洲退化情勢。

（2）近50 a 來不斷增加的人口數(shù)量和干旱的氣候是驅動西北內陸流域灌溉耕地影響下游區(qū)天然綠洲萎縮的不可忽視因素。灌溉耕地增加，上游區(qū)年降水量和出山地表徑流量越少，天然綠洲減少的面積越大。每增加1.0 km2灌溉耕地，豐水年石羊河流域下游、艾丁湖流域平原區(qū)的天然綠洲減少面積分別為1.35，1.57 km2；枯水年2 個流域天然綠洲減少面積分別為2.07，3.83 km2。

（3）西北內陸流域下游區(qū)天然綠洲退化可控、但具有限性。在水資源匱乏和現(xiàn)狀人口數(shù)量背景下，繼續(xù)大幅調減糧蔬生產(chǎn)所必需的用水規(guī)模具有較大難控性，只能分階段、有序促進經(jīng)濟社會用水規(guī)模與天然綠洲修復供水規(guī)模之間和諧度并使其逐漸提高，且天然綠洲修復規(guī)模應以必需、極小需水量為規(guī)劃基點，逐步實現(xiàn)生態(tài)文明與安全優(yōu)先的建設目標。