新疆軍塘湖河流域生態演變及質量評估

李稚松，張 波，黃 勤，陳 濤，張 微(北斗航天衛星應用科技集團，北京 100070)

0 引 言

生態系統是地球生命支持系統的基本組成單元，它所提供的各種功能是人類生存和社會發展的基本保證[1,2]。然而隨著經濟和社會的發展，生活、生產過程對生態系統產品、服務功能的需求日益增加，生態系統質量正在逐漸下降[3]。植物作為生態系統初級生產者，不僅為生活生產提供最原始的原料，也是生態環境的指示物[4,5]。21世紀以來，隨著“千年生態系統評估”項目的啟動，圍繞生態系統評估的研究、方法層出不窮，對自然生態系統的評估則多圍繞植被來開展。

近年來，對生態系統的評估多集中在利用“3S”技術方面，其中對干旱區生態系統質量的評估多側重于草地、森林、灌叢和荒漠等生態系統[6-8]，對植被覆蓋度、NDVI與土地利用/土地覆被相結合[9-12]，可以較為準確的了解某一區域內植被的變化情況，進而對生態系統變化情況進行闡釋。

新疆軍塘湖河流域為天山北坡典型內陸河流域，雖然流域面積不大卻經常發生洪水，對流域內的水土資源造成較大影響[13]，而生態系統質量會影響到流域水土保持能力、凈初級生產力和草原載畜量等。本研究通過對生態系統質量變化分析，揭示流域生態系統演變過程，為流域產業合理規劃、防洪救災、水土保持工作提供一定參考。

1 實驗及方法

1.1 研究區概況

本研究選擇新疆自治區昌吉回族自治州呼圖壁縣境內的軍塘湖河流域(如圖1所示)作為典型研究區。軍塘湖河位于天山西段呼圖壁縣域內，發源于天山北坡的特爾斯蓋南緣三道馬場以西的特力斯喀達坂，河網在低山帶的瑪扎爾匯合，水量全部匯入到北部出山口的紅山水庫，之后由水庫泄洪渠流經呼圖壁西部的前山丘陵后進入平原，流域面積833.57 km2，海拔高度范圍為1 100～3 000 m。研究區總體地勢為南高北低，最南端有高山、亞高山草甸，向下游分布著森林、草原、灌叢、農田等生態系統類型，基本擁有較為完整的生態系統垂直帶譜，適宜用作研究生態演變。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location of research area

1.2 研究方法

本研究將借助于遙感衛星及地理信息技術，以遙感數據產品、氣象觀測數據、統計數據為研究基礎，從流域生態系統格局、生態系統質量變化及其產生的原因等3個方面進行分析。研究過程主要利用ENVI、ERDAS和ArcGIS的數據處理和空間分析功能，實現對整個流域生態系統質量變化的計算和分析。

1.3 數據來源

本研究所使用的數據主要為4類：土地利用數據、生態質量數據、氣象數據和統計數據。各類數據來源及數據精度如下。

(1)土地利用數據。主要來自中國科學院資源環境科學數據中心(http:∥www.resdc.cn)，主要有2000年、2005年和2010年三期ETM解譯數據，分辨率為30 m。

(2)生態質量數據。生態質量主要包括生物量(BD)、植被覆蓋度(VF)及葉面積指數(LAI)等，這類數據來源于美國NASA網站(http:∥modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/)MODIS數據產品，該類數據可直接下載、直接使用，分辨率為250 m。

(3)氣象數據。本研究中所獲得的氣象數據為兩部分，其一是來自流域下游紅山水庫入庫水量，主要為降水量；其二是來自國家氣象數據共享網(http:∥cdc.nmic.cn/home.do)直接下載的全國氣象基準站1956-2010年的氣象數據。

(4)統計數據。一部分來自紅山水庫的流量統計數據，另一部分來自于《新疆統計年鑒2000-2011》。

1.4 數據處理及利用

1.4.1土地利用數據處理及利用

利用ArcGIS的空間分析及統計功能，分別統計各生態系統各期面積及其變化情況，同時按照三級生態系統對整個流域進行分類，并制成空間分布圖。

1.4.2生態質量變化率數據處理

(1)數據計算。軍塘湖河流域以草地和森林生態系統占主導，灌叢生態系統明顯少于前者，其余生態系統面積比較有限。在評價流域生態系統質量變化中，采用生態系統質量變化率的方式來進行。其中主要評價草地、森林和灌叢生態系統，其余生態系統一方面由于所占比例較小，另一方面受人為干擾較強，會影響評價的客觀性，故不列為評價范圍。

①草地生態系統質量變化率。主要采用相對覆蓋度的方式來進行，其計算公式如下：

(1)

式中：RVF為相對覆蓋度變化率；VF0為基準年草地生態系統覆蓋度；VF1為評價年草地生態系統覆蓋度。

②森林生態系統質量變化率。利用相對生物量變化率來進行評價，計算公式如下：

(2)

式中：RBD為相對生物量變化率；BD0為基準年森林生態系統生物量；BD1為評價年森林生態系統生物量。

灌叢生態系統質量變化率：采用相對葉面積指數法來評價，計算公式如下：

(3)

式中：RLAI為相對葉面積指數變化率；LAI0為基準年葉面積指數；LAI1為評價年葉面積指數。

(2)分級制圖。利用ArcGIS對各生態系統分別參照式(1)～(3)計算，對質量變化率進行分級處理，這里參照分別按照退化、改善和保持穩定三類來進行，其中退化分為極重度退化(<-60%)、重度退化([-60%，-40%))、中度退化([-40%，-20%))、輕度退化([-20%，-10%))，保持基本穩定的變化率為[-10%，10%]，改善分為大幅改善(>60%)、明顯改善((40%，60%])、中度改善((20%，40%])、輕微改善((10%，20%])，之后按照分類規則對計算結果進行重采樣，并按等級制成空間分布圖。

1.4.3其他數據處理及利用

對氣象數據和統計數據分別進行篩選，分別選擇對生態系統質量有較大影響的數據進行分析，并利用Excel、SPSS等數據統計和處理軟件對結果進行進一步分析和制圖。

2 結果與分析

2.1 生態系統分布及其結構特征

通過遙感信息提取和基于GIS平臺的統計分析表明，新疆軍塘湖河流域是較為典型的半封閉式河流流域，有明顯的植被垂直地帶性，圖2分別是2000年和2010年的三級生態系統空間分布圖。從圖上來看，該流域主要為草地、森林、灌叢和農田生態系統，其他生態系統不明顯。其中農田、居住地和交通用地則主要分布于河流中下游沿岸地帶。而草地則分布于整個流域的大部分地區，在南部的高山、中高山帶分布著高覆蓋度的草甸，出山口處分布有一塊中覆蓋度稀疏草地，其余區域則分布為中覆蓋度草地。森林則分布在草甸區的中部，而灌叢分布于河流中部東側支的源頭區域。

圖2 研究區2000年和2010年土地利用圖Fig.2 Research area land use in 2000 and 2010

從空間分布來看，2000-2010年該流域生態系統格局沒有發生較大變化，僅在局部地區有生態系統發生轉變的跡象。表1是2000-2010年各生態系統面積及其變化情況。

表1 各生態系統2000-2010年面積 km2Tab.1 Area of each eco-system during 2000-2010

從面積上來看，草地占整個流域面積的90%以上，而其中僅中覆蓋度草地就占了近80%。從各生態系統面積變化上來看，各生態系統變化均不大，其中面積縮減最為明顯的是農田(旱地)生態系統，面積縮減了2.19 km2，而這些縮減的面積一部分轉變為中覆蓋度草地，一部分轉變為居住地和交通用地。由此可見，軍塘湖河流域農業發展相對滯后，農田縮減對流域水資源的合理分配有重要意義，同時對流域生態用水不構成威脅。此外，2000-2010年落葉闊葉灌木林消失，從各年份的面積上來看，消失的時間主要為2005-2010年，這從一定意義上改變了流域的生態系統結構，生態系統多樣性有所下降。

2.2 生態系統質量變化特征分析

新疆軍塘湖河流域以草地、森林和灌叢生態系統為主，本研究將對這3個生態系統所覆蓋的區域進行分析。在研究過程中將評估時期分別按照2000-2005年、2005-2010年兩個時段來分析，同時利用2000-2010年的變化來進行總體分析。

2.2.1空間變化特征

將流域內的農田、居住地、交通用地以及水域等受人為活動影響大的生態系統剔除，針對流域內草地、森林和灌叢生態系統質量變化特征進行分析，圖3(a)、(b)分別是2000-2005年、2005-2010年各等級生態系統質量變化率空間分布圖。

對比兩個時間段生態系統質量變化情況，2000-2005年和2005-2010年生態系統質量變化方向截然相反，前5年整個生態系統雖然大部分保持基本穩定，但是流域下游及上游的部分區域有明顯退化的趨勢，而后5年流域中上游至下游整體表現為改善，并且從圖上來看是以改善為主。

2000-2005年，生態系統總體上保持基本穩定，但是在河流中上游、河流域西側支流的中部、下游出山口以上等部分區域，退化較為明顯，其中以河流域中下游至出山口以上區域退化最為顯著，在東西側支流有中度甚至重度退化區域。結合圖2可知發生變化的區域大部分為中覆蓋度草地和低覆蓋度草地，也有部分高覆蓋度草地，森林和灌叢的變化較小。

圖3 2000-2010年兩個時段內生態系統質量變化圖Fig.3 Changes in ecosystem quality in two period from 2000 to 2010

2005-2010年，生態系統總體上表現為改善，其次是保持基本穩定，發生退化的區域在流域內為零星分布。從圖3(b)可以看到，在流域南部上游山區，生態系統保持基本穩定，僅在局部地區有改善和退化，而中游至下游大部分區域都處于改善狀態，在流域下游的東部和西部支流的上游至中游段則是中度改善和明顯改善為主。由此可見，2005-2010年流域生態系統質量改善明顯，生態系統向更加穩定的方向發展。

圖4是2000-2010年生態系統質量總體變化空間分布圖，主要反映軍塘湖河流域2000-2010年生態系統質量變化方向及其變化程度。流域生態系統質量總體上保持基本穩定，河流中游、東側支流區域有改善的趨勢，而在河流上游的高覆蓋度草地區、下游的中低覆蓋度草地區的局部地區有零星分布的退化區。因此，總體上來說，新疆軍塘湖河流域生態系統質量在2000-2010年間總體保持基本穩定，局部地區改善與退化并存，改善較為明顯。

圖4 2000-2010年生態系統質量變化率空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of ecosystem quality change rate from 2000 to 2010

2.2.2面積變化變化特征

從以上生態系統質量變化空間分布可以看到，變化最為突出的是草地生態系統，森林和灌叢變化不明顯。分別統計不同類型草地生態系統質量變化各等級面積，結果如表2所示，主要統計內容為2000-2005年、2005-2010年兩個時間段內各等級質量變化的面積。

2000-2010年，草地生態系統質量變化共分為7個等級，而2000-2005年和2005-2010年各時段分別僅有6個等級，其中2000-2005年整個草地生態系統沒有明顯改善的區域，2005-2010年增加了明顯改善的區域，但是沒有重度退化區。

表2 各時期草地生態系統質量變化各等級面積統計結果 km2Tab.2 Area of each level change of grassland ecosystem quality in every period

從生態系統質量變化各等級的面積來看，2000-2005年是以保持基本穩定所占的比例最大，其次是發生退化的面積，大部分集中在中覆蓋度草地區，重度退化也分布于中覆蓋度草地區，是以輕度和中度退化為主。而改善的區域大部分也集中在中覆蓋度草地區，大部分為輕微改善。2005-2010年，生態系統質量變化與前者變化截然不同，所占比例最大的變化等級為輕微改善，其次是保持基本穩定；退化區域中，重度退化區消失，中度和輕度退化面積大幅度下降，而中度改善和明顯改善區域的面積明顯增加。由此可見，2005-2010年草地生態系統質量以改善為主，部分區域改善明顯。

綜上所述，軍塘湖河流域生態系統質量在2000-2005年表現為退化，其中以中覆蓋度草地的變化最為顯著；2005-2010年，流域生態系統質量以改善為主，部分區域改善明顯，其中中覆蓋度草地變化較大。

2.3 生態系統質量變化因素分析

從上面的變化特征分析可知，軍塘湖河流域兩個時間段內生態系統質量變化差別較大，中覆蓋度草地變化最為顯著，而通常引起草地發生退化或改善的原因有人為原因也有自然原因。

2.3.1人類經濟活動的影響

軍塘湖河流域是呼圖壁縣優良的牧區，擁有豐富的草地資源，這里以哈薩克族和回族為主，牧業發展較快；同時在河流中上游山區有豐富的煤炭資源，礦業發展迅速，也是運輸較為頻繁的區域。煤炭資源開采對地表、運輸沿線生態系統會造成較大影響，但是對其影響范圍有限，不會造成整個流域生態系統質量變化，因此2000-2010年兩個時段生態質量的變化趨勢受煤炭資源開采的影響較小。

對草地生態系統質量有較大影響的是牧業發展，如果牧業無序發展，不考慮草場的載畜量，則會造成草場的草畜平衡被打破，草地受到嚴重影響。圖5是呼圖壁縣2000-2010年年末的牲畜存欄數，而雀爾溝鎮大部分以牧業為主，牲畜量變化趨勢和呼圖壁縣類似，可以由此來說明整個流域牲畜量變化趨勢。從統計的結果來看，2000-2005年牲畜數量呈近似直線上升的趨勢，平均年增長牲畜量約2.6萬頭；而2005年以后，牲畜數量有較大程度的縮減，到2008年前后基本維持在一定水平。

圖5 呼圖壁縣2000-2010年年末牲畜存欄數(萬綿羊單位)Fig.5 Amount of livestock in Hu Tubi County in 2000-2010(Ten thousand sheep units)

牲畜數量變化一方面受到經濟利益的刺激而有所變化，另一方面受政策影響較大。2005年以前，整個新疆乃至全國則是將經濟發展放在第一位，耕地擴張、牧業規模增加現象在新疆較為普遍，從而導致地表水縮減、地下水位下降、草場破壞等生態問題。而2005年以后，生態問題日益暴露，對生態安全和生態保護的考慮逐漸增加，各地區逐步出臺草原保護條例、實施草畜平衡等系列措施，逐步控制了牲畜數量，逐漸緩解草場的生態壓力。

2.3.2氣候變化對草地生態系統的影響

進入21世紀，氣候變化較為明顯，氣候變化對各個方面均造成了較大影響。草地生態系統尤其是中覆蓋度和低覆蓋度草地受降水資源和外界擾動的影響最為敏感，而草地的變化則主要體現在其植被覆蓋度上。分別統計了2000-2010年植被覆蓋度和流域4-9月降水總量，二者關系如圖6所示。

圖6 流域草地植被覆蓋度變化與4-9月降水量關系圖Fig.6 Relation between Grassland VF changes and rainfall from April to September

從二者的變化趨勢來看，二者的變化趨勢表現為一定的正相關關系。4-9月份降水資源豐富的年份，植被覆蓋度較高，而降水量下降的年份植被覆蓋度也隨之下降，但是這種變化影響在有些年份存在一定的滯后性，這種滯后性一般是4-9月份降水總量年際變化較小的時段。草地生態系統多為一年生短命植物，對水資源的依賴程度較大，植物生長季降水量發生變化，草地在植被覆蓋度上也存在一定的響應。

3 結 語

通過對新疆軍塘湖河流域生態系統格局和質量變化的定量研究，分析出影響生態系統質量變化的主要因素，由此可以得到以下結論。

(1)新疆軍塘湖河流域草地生態系統所占比例在80%以上，其中大部分為中覆蓋度草地，生態系統格局沒有發生大的變化。

(2)各生態系統中草地生態系統質量變化最為明顯，尤其是中覆蓋度草地，在2000-2005年、2005-2010年發生了顛覆性變化，前者生態系統以退化為主要特征，而后者則是以改善和較大程度改善為主要特征，生態系統質量變化活躍。

(3)流域內牲畜量和4-9月降水總量是引起草地生態系統質量變化的主要因素，而產業政策和人類活動也是導致區域內生態系統質量變化的重要誘因。因此在草地區實施草畜平衡、加強草地監測對草地生態系統質量恢復與保護至關重要。

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