孔雀河流域胡楊林區(qū)生態(tài)輸水效益評(píng)估

何玉春，魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 前言

孔雀河流域生長(zhǎng)了大量的胡楊林，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)林木基因資源專家組于1993年6月召開(kāi)的例會(huì)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(diǎn)。新疆塔里木河流域的天然胡楊林分別占世界和中國(guó)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(kù)。然而近幾十年來(lái)的綠洲擴(kuò)張和水資源過(guò)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，這不僅影響到新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)穩(wěn)定，更危及我國(guó)乃至世界生態(tài)安全，引起政府部門及國(guó)內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注[1-3]。

近年來(lái)，當(dāng)?shù)卣掷m(xù)加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)力度，啟動(dòng)塔里木河流域胡楊林生態(tài)保護(hù)專項(xiàng)行動(dòng)[4-5]，但由于資金投入有限，工程較為分散，且配套引水設(shè)施缺少，近河區(qū)胡楊林得到了有效的恢復(fù)，而離河道較遠(yuǎn)區(qū)域胡楊林仍存在退化趨勢(shì)加重，甚至成片衰敗的現(xiàn)象。為全面、科學(xué)、準(zhǔn)確地評(píng)估孔雀河流域生態(tài)輸水效益，本文綜合數(shù)據(jù)收集、實(shí)地調(diào)查和遙感監(jiān)測(cè)等結(jié)果，從輸水過(guò)程和淹灌效率、地下水和土壤水響應(yīng)、植被生長(zhǎng)與群落結(jié)構(gòu)變化及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空格局4個(gè)方面開(kāi)展了孔雀河流域生態(tài)輸水效益評(píng)估，并有針對(duì)性地提出了生態(tài)輸水的對(duì)策建議。

1 研究方法

1.1 野外調(diào)查

孔雀河中下游胡楊林屬于長(zhǎng)時(shí)間輸水(3～6 a)的胡楊林退化區(qū)，調(diào)查內(nèi)容主要包括胡楊林生長(zhǎng)狀況及物種多樣性等(見(jiàn)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(jì)數(shù)據(jù)、GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)周期介于5～16 d，分辨率5～250 m，數(shù)據(jù)總量達(dá)到20 GB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(shí)間、地下水儲(chǔ)量、土壤水、植被覆蓋度、蒸散發(fā)、生態(tài)環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù)(RSEI)等結(jié)果[6]。

1.3 生態(tài)輸水效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

為科學(xué)全面地評(píng)價(jià)2021年生態(tài)輸水取得的效益，從輸水過(guò)程和淹灌效率、地下水和土壤水響應(yīng)、植被生長(zhǎng)與群落結(jié)構(gòu)變化及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空格局4個(gè)方面，構(gòu)建了生態(tài)輸水效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(見(jiàn)表2)。

2 生態(tài)輸水效益評(píng)估

2.1 生態(tài)輸水與淹灌效果

(1)生態(tài)輸水完成度。計(jì)劃通過(guò)孔雀河第一分水樞紐向孔雀河中下游生態(tài)輸水2億 m3，實(shí)際輸水2.04億 m3，完成度達(dá)到102%，生態(tài)輸水超額完成。

(2)淹灌面積?？兹负雍鷹盍州斔畢^(qū)主要在河道內(nèi)部輸水，胡楊林淹灌范圍受限。借助Google GEE 遙感大數(shù)據(jù)平臺(tái)，獲取Sentinel-1號(hào)衛(wèi)星的微波數(shù)據(jù)(重訪周期為6 d，分辨率5～20 m)及多源光學(xué)遙感時(shí)間序列數(shù)據(jù)共23期，計(jì)算孔雀河胡楊林輸水區(qū)水體指數(shù)并提取水面面積，并對(duì)23期開(kāi)都-孔雀河淹灌面積圖層進(jìn)行疊加，獲得生態(tài)輸水的最大淹灌面積，進(jìn)一步做1km緩沖區(qū)分析，獲得輸水區(qū)生態(tài)輸水的影響范圍。根據(jù)空間統(tǒng)計(jì)結(jié)果，生態(tài)輸水的最大淹灌面積和影響面積分別為4.97萬(wàn)畝和9.23萬(wàn)畝。

表2 生態(tài)輸水效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(3)淹灌持續(xù)時(shí)間。利用23期孔雀河流域輸水區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)，通過(guò)人工解譯，提取淹灌水面不同持續(xù)時(shí)間的空間分布。根據(jù)空間分析結(jié)果(見(jiàn)表3)，淹灌時(shí)長(zhǎng)0～7 d的區(qū)域，達(dá)0.96萬(wàn)畝，占比19.25%；淹灌時(shí)長(zhǎng)8～14 d的區(qū)域，達(dá)0.90萬(wàn)畝，占比18.19%；淹灌時(shí)長(zhǎng)15～21 d的區(qū)域，達(dá)0.86萬(wàn)畝，占比17.31%；淹灌時(shí)長(zhǎng)22～28 d的區(qū)域，達(dá)0.62萬(wàn)畝，占比12.43%；淹灌時(shí)長(zhǎng)29～35 d的區(qū)域，達(dá)0.71萬(wàn)畝，占比14.27%；淹灌時(shí)長(zhǎng)36～42 d的區(qū)域，達(dá)0.36萬(wàn)畝，占比7.25%；淹灌時(shí)長(zhǎng)43～49 d的區(qū)域，達(dá)0.16萬(wàn)畝，占比3.17%；淹灌時(shí)長(zhǎng)50 d以上的區(qū)域，達(dá)0.40萬(wàn)畝，占比8.13%。

表3 孔雀河胡楊林淹灌時(shí)長(zhǎng)及空間分異

2.2 地下水和土壤水響應(yīng)

(1)地下水儲(chǔ)量。2015-2021年孔雀河輸水區(qū)地下水儲(chǔ)量變化量總體呈增加趨勢(shì)。輸水前(2015年)孔雀河輸水區(qū)南部地區(qū)地下水儲(chǔ)量年均減小量在30 mm左右；輸水后(2016-2021年)僅2016年存在地下水儲(chǔ)量減少的情況，減小值介于0～20 mm之間。2017-2021年地下水儲(chǔ)量以增加趨勢(shì)為主，其中，2017年孔雀河輸水區(qū)地下水儲(chǔ)量總體以增加60～80 mm的變化為主；2018年和2019年輸水區(qū)東地下水儲(chǔ)量增加量以70～100 mm為主，2020年地下水儲(chǔ)量增加值在89～142 mm；特別地，2021年流域地下水儲(chǔ)量增加量均大于105 mm。

(2)土壤含水量。2015-2021年之間，孔雀河輸水區(qū)輸水后干旱程度明顯減弱。輸水區(qū)特旱區(qū)(TVDI>0.9)的面積占比隨著生態(tài)輸水水量的增加而逐步減少，2015-2021年之間，特旱區(qū)(TVDI>0.9)面積占比由51.5%減少至22.2%，重旱區(qū)(0.750.9)向重旱區(qū)(0.75

2.3 植被覆蓋度

2015-2021年的植被生長(zhǎng)旺盛期，孔雀河下游植被覆蓋整體呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，孔雀河生態(tài)輸水雖未形成大范圍淹灌，但生態(tài)輸水顯著抬升了地下水埋深，從而使得植被長(zhǎng)勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)(圖1)。其中，7-9月植被覆蓋度均值增長(zhǎng)率為29.7%而10月植被覆蓋度增長(zhǎng)率達(dá)到了48.9%。綜上，2015-2021年，孔雀河輸水區(qū)植被覆蓋度呈上升趨勢(shì)，表明生態(tài)輸水實(shí)施以后，孔雀河輸水區(qū)植被生長(zhǎng)趨勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)。

圖1 2015-2021年輸水區(qū)月最大植被覆蓋度變化

2.4 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量(RSEI)

孔雀河胡楊林輸水區(qū)生態(tài)質(zhì)量狀況以差[0-0.25]等級(jí)為主(見(jiàn)表4)，面積為3.06萬(wàn)畝，占輸水區(qū)總面積的61.57%，而生態(tài)質(zhì)量狀況等級(jí)為中的區(qū)域面積為1.579萬(wàn)畝，占比31.78%。通過(guò)對(duì)比2016年和2021年孔雀河輸水區(qū)胡楊林生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化，輸水后開(kāi)都-孔雀河生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到輕度改善。RSEI均值從0.16增加至0.18，提升達(dá)12.50%。生態(tài)質(zhì)量狀況等級(jí)為差的區(qū)域，從3.77萬(wàn)畝減少至3.06萬(wàn)畝，減少比例為18.83%，而生態(tài)質(zhì)量狀況等級(jí)為中的區(qū)域增加0.68萬(wàn)畝，增幅為75.05%?？傮w看，孔雀河中下游胡楊林輸水區(qū)生態(tài)質(zhì)量狀況等級(jí)為差的區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)化為優(yōu)、良、中區(qū)域，生態(tài)輸水后的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量同樣呈現(xiàn)變好的趨勢(shì)，但由于河水淹灌是促進(jìn)胡楊林恢復(fù)的重要水文過(guò)程，孔雀河輸水束縛于河道內(nèi)使得生態(tài)輸水的效益嚴(yán)重受限。

3 存在問(wèn)題

(1)缺少生態(tài)輸水監(jiān)測(cè)與效益評(píng)估體系?？兹负又邢掠紊鷳B(tài)輸水雖然已經(jīng)歷經(jīng)6 a，但是并沒(méi)有建立長(zhǎng)期、穩(wěn)定和系統(tǒng)的生態(tài)監(jiān)測(cè)體系，由于道路交通、經(jīng)費(fèi)投入和監(jiān)測(cè)技術(shù)等原因，至今仍未開(kāi)展系統(tǒng)的實(shí)地監(jiān)測(cè)?？兹负由鷳B(tài)輸水仍是以完成生態(tài)輸水計(jì)劃量為主要目標(biāo)，胡楊林個(gè)體生長(zhǎng)狀態(tài)及群落物種多樣性水平等生態(tài)指標(biāo)被忽視，從而導(dǎo)致難以形成全面的評(píng)價(jià)反饋，給今后生態(tài)輸水方案的制定帶來(lái)困擾。

(2)區(qū)域退化嚴(yán)重，當(dāng)前采取的輸水方式難以有效地促進(jìn)胡楊林生態(tài)恢復(fù)。近20 a，孔雀河中下游植被退化十分嚴(yán)重，但當(dāng)前生態(tài)輸水影響范圍受限，很難完全逆轉(zhuǎn)退化趨勢(shì)。根據(jù)孔雀河下游覆蓋度的空間趨勢(shì)分析結(jié)果(見(jiàn)表5)，其超過(guò)60萬(wàn)畝的天然植被呈退化趨勢(shì)，其中嚴(yán)重退化區(qū)超過(guò)15萬(wàn)畝，而當(dāng)前生態(tài)輸水影響范圍僅為9.23萬(wàn)畝。若以胡楊林生態(tài)修復(fù)水量定額計(jì)算，2021年理論淹灌面積應(yīng)為45.22萬(wàn)畝，實(shí)際淹灌面積僅為理論淹灌面積的20.4%。究其原因，生態(tài)輸水的方式限制了胡楊林生態(tài)恢復(fù)面積的擴(kuò)大。目前，孔雀河生態(tài)輸水后，徑流主要在河道內(nèi)行徑耗散，河道及汊流入滲補(bǔ)給抬升地下水水位來(lái)改善胡楊林生境狀況，因此，使得近河道區(qū)域的胡楊林生境有效改善，但是遠(yuǎn)河道的胡楊林并未因此明顯受益。

表4 2016-2021年開(kāi)孔河胡楊林輸水區(qū)生態(tài)質(zhì)量變化統(tǒng)計(jì)表

表5 孔雀河下游2000-2010年及2011-2018年植被覆蓋變化趨勢(shì)類型比例

(3)生態(tài)輸水目標(biāo)不明確，未形成“孔雀河中下游-塔里木河下游”的生態(tài)安全保障體系。十九大報(bào)告指出，要優(yōu)化生態(tài)安全屏障體系，提升生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性。2021年10月，水利部黨組書記、部長(zhǎng)李國(guó)英在視察塔河流域工作時(shí)指出，要回答建設(shè)怎樣的塔河生態(tài)系統(tǒng)，統(tǒng)籌生態(tài)安全屏障體系面積、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的關(guān)系。目前，孔雀河生態(tài)輸水雖有效地改善了胡楊林生境條件(地下水抬升和土壤濕潤(rùn)化)，促進(jìn)了局部區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的改善，但是孔雀河輸水具體目標(biāo)并未明確，即并未統(tǒng)籌指出以恢復(fù)一定范圍的植被構(gòu)建完整的生態(tài)安全保障體系的完整目標(biāo)，孔雀河生態(tài)輸水的目標(biāo)區(qū)域和截止點(diǎn)也不得而知。

4 對(duì)策與建議

(1)加快實(shí)施塔里木河下游水系連通工程，提升區(qū)域整體生態(tài)功能。孔雀河在歷史上與塔里木河是自然連通、可以互為補(bǔ)給的，具有河-河連通的自然條件。自2015年以來(lái)，由于來(lái)水偏豐，應(yīng)充分利用豐水年的有利形勢(shì)，充分發(fā)揮大西海子水庫(kù)的生態(tài)調(diào)節(jié)功能，打通孔雀河-喀然其河-納胂河向塔里木河干流的生態(tài)輸水通道，擴(kuò)大生態(tài)受水面積和生態(tài)修復(fù)范圍。利用孔雀河支流喀然其河，新建人工通道，將孔雀河生態(tài)水輸入納胂河；其次利用大西海子水庫(kù)總干渠及新建連通渠，將大西海子水庫(kù)生態(tài)水輸入納胂河，最終在英蘇注入其文闊爾河，繼而流入臺(tái)特瑪湖。

(2)健全供水配套設(shè)施，擴(kuò)大退化區(qū)胡楊林的淹灌面積。對(duì)生態(tài)輸水區(qū)的供水工程進(jìn)行宏觀調(diào)控，確保輸水通道順暢，避免胡楊林過(guò)度淹灌及生態(tài)水推進(jìn)速度緩慢?？蛇m度擴(kuò)大胡楊林的淹灌面積，疏通供水通道，使遠(yuǎn)離河道的退化區(qū)胡楊林能獲取到生態(tài)水的補(bǔ)給，確保生態(tài)輸水的精準(zhǔn)性和靶向性，避免胡楊生長(zhǎng)受到干旱脅迫[7]。

(3)建立生態(tài)輸水監(jiān)測(cè)與效益評(píng)估體系，優(yōu)化胡楊林生態(tài)輸水實(shí)施方案。在生態(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(gè)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(cè)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(píng)估指標(biāo)體系。建立胡楊林生態(tài)輸水監(jiān)測(cè)體系，在胡楊林重點(diǎn)補(bǔ)水區(qū)，設(shè)置垂直河道方向的固定監(jiān)測(cè)樣帶，開(kāi)展長(zhǎng)期系統(tǒng)的對(duì)比監(jiān)測(cè)研究。利用監(jiān)測(cè)資料和輸水效益評(píng)估結(jié)果，明確胡楊林重點(diǎn)保護(hù)與修復(fù)的目標(biāo)、范圍、需水量，植物的落種時(shí)間，適宜的河水漫溢干擾頻度、水量、持續(xù)時(shí)間，以及地下水埋深閾值等要素，提出生態(tài)輸水的原則，制定針對(duì)胡楊保護(hù)與修復(fù)的生態(tài)輸水方案。