孔雀河流域天然植被生態需水量估算

周洪華 吾買爾江·吾布力 郝興明 李衛紅

(1.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011； 2.塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

孔雀河流域天然植被生態需水量估算

周洪華1吾買爾江·吾布力2郝興明1李衛紅1

(1.中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011； 2.塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

生態需水量的正確估算是實現流域水資源科學管理、合理配置的關鍵前提。本文綜合多種方法計算了孔雀河流域天然植被不同保育目標和保護范圍下的生態需水量。結果表明：若要保護流域內的所有天然植被，每年需要最低生態需水量為4.10×108m3，其中林地需水0.4×108m3，草地需水3.7×108m3；若僅保護重點保護區內的天然植被，則每年需生態需水量為1.91×108m3，其中林地需水量0.37×108m3，草地需水量1.54×108m3；若實施生態輸水搶救工程，以保護“搶救”保護范圍的天然植被，則每年需生態輸水量為1.32×108m3，其中良好林地需水0.18×108m3，良好草地需水1.14×108m3。

生態需水量；潛水蒸發；灌溉定額；天然植被；孔雀河

生態需水是當前生態學、水文學、環境學等領域的研究熱點，凡是涉及水資源過程的生態系統保育和人類活動影響下的生態系統修復，以及生態脆弱區水資源的開發利用等，都不可避免地要回答有關生態需水的問題[1-2]。現階段，人類對干旱區流域水資源呈現出不同程度的掠奪式開發，生產、生活用水和生態需水矛盾日益激化，生態需水的忽視導致了流域生態系統的退化，加劇了生態脆弱性[3-5]。因此，生態需水量的正確估算是實現流域水資源合理配置、促進流域水資源可持續開發利用的關鍵前提[6]。孔雀河是庫爾勒-尉犁綠洲的重要水源，孔雀河流域以博斯騰湖為源頭，包括庫爾勒市、尉犁縣、農二師5個團場以及大型石油工礦企業，流域面積3.32萬平方公里，是塔里木河盆地北緣的重要社會、經濟與區域政治中心，對區域穩定、可持續、和諧發展起著決定性作用。自2000年以來，孔雀河作為重要的輸水通道承擔著向塔里木河下游輸水的重要功能，為整個區域的生態修復與治理起到了不可替代的重要作用。然而，近年來由于孔雀河源頭-博斯騰湖入湖水量銳減造成孔雀河水量急劇減少，不但不能承擔向塔里木河下游輸水的功能，而且其自身也出現了嚴重的水資源危機，下游河道斷流，部分河道淤塞，土地沙化嚴重，河岸植被出現了顯著的退化[7]。孔雀河下游天然植被與塔里木河下游天然植被共同構成了一道“綠色屏障”，保障著重要交通線的暢通，同時也阻擋沙漠擴張，保障著綠洲的生態安全。因此，孔雀河下游天然植被的保育成為了當前亟待解決的問題。本文以孔雀河流域為研究區域，采用多種方法估算流域天然植被生態需水量，并提出不同保育目標下的天然植被生態需水量，為孔雀河流域水資源科學管理、合理配置提供科學指導和數據支撐。

1 研究區概況

孔雀河流域位于新疆巴音郭楞蒙古族自治州中部，塔里本盆地東北部，地處東經85°22′～86°48′，北緯41°14′～41°57′，北靠庫魯克塔格山，南接塔克拉瑪干沙漠，地勢由西北向東南傾斜，由綠洲生態系統、湖泊生態系統及荒漠生態系統等構成。孔雀河是罕見的無支流水系，其唯一源頭來自博斯湖，從湖的西部溢出，故名孔雀河。它流經塔什市，穿越鐵門關峽谷，進入庫爾勒市，再經尉犁縣，沿庫魯克山東流，最后，注入羅布泊，全程942公里。孔雀河流域總面積3.32×104km2，被稱為新疆巴音郭楞蒙古自治州(以下簡稱巴州)的母親河，流經庫爾勒市、貫穿尉犁縣全境以及兵團農二師的28、29、30團場，是當地工業、農業、經濟賴以發展的命脈。

孔雀河流域深居歐亞大陸腹地，遠離海洋，屬于典型的大陸性干旱氣候，干旱少雨、蒸發量大、晝夜溫差大。流域內日照時間長，光熱資源豐富，四季分明，冬夏漫長，春秋短暫，并有春季升溫快、秋季降溫迅速、風沙較大等氣候特征。孔雀河多年平均氣溫11℃，最高氣溫達26.2℃，最低氣候溫-30℃；多年平均降水量62.7mm，多年平均蒸發量高達2773mm。日照時間為2789.50h。平原區多年平均氣溫為6～12℃，無霜凍期170～226天，多年平均濕度為43%～57%。平原區最高氣溫可達40℃以上，最低氣溫-30℃左右。近十幾年，隨著孔雀河流域供需水矛盾進一步加劇，孔雀河斷流河道逐年延長，下游植被衰敗滅亡進程加速，下游生態系統重要建群種胡楊種群衰敗嚴重，1999～2012年孔雀河流域胡楊有林地持續快速減少，平均每年減少0.25km2，導致整個孔雀河下游荒漠河岸林生態系統瀕臨崩潰。

2 材料與方法

2.1 天然植被空間分布解譯

獲取研究區2010年TM影像，按照Albers Conical Equal Area投影系統和GCS_WGS_1984坐標系統分別校正后，作為本研究的遙感數據源，其中TM影像空間分辨率30 m。土地利用分類信息提取及精度驗證參照《土地利用現狀分類(GB/T21010-2007)》標準，將研究區的土地分為12類，分別為河流、湖泊/水域、有林地、灌木林、疏林地、高覆蓋度草地、中覆蓋度草地、低覆蓋度草地、耕地、村鎮、沼澤濕地和荒漠。運用人機交互式解譯方法[8]，解譯出研究區30m空間分辨率的土地利用圖，建立空間拓撲關系，生成土地利用圖形數據庫和屬性數據庫。對研究區土地利用解譯數據開展了野外驗證，在研究區的累積調查面積約為0.05×104km2，調查面積約占研究區面積的30%，共采集了120個GPS點對2010年土地利用數據開展精度驗證，解譯精度為89.8%。

2.2 天然植被生態需水計算方法

本文采用多方法估算孔雀河下游天然植被生態需水量：

(1)潛水蒸發法

根據潛水蒸發量間接計算生態需水量。該方法適用于干旱區植被生存主要依賴地下水的情況。干旱區天然植被的實際蒸散可近似地用潛水蒸發量W表示。

(1)

式中，E為潛水蒸發強度(mm)，A為要維持或保護的植被面積。潛水蒸發與氣象要素、土壤質地、土壤水分儲量和地下水埋深等密切相關。目前潛水蒸發法常用的計算公式有：

①阿維里揚諾夫公式：

(2)

②阿克蘇水平衡站公式：

(3)

式中，E為潛水蒸發強度(mm)；EΦ20為常規氣象蒸發皿觀測值(mm)；H為地下水埋深(m)，E20為20m2蒸發池水面蒸發量，使用阿克蘇水平衡站多年實測平均值1292.2mm；Hmax為地下水極限埋深(m)，按5m計算；a，b為經驗系數分別取a=0.62，b=2.8。以上公式計算結果均為裸地條件下的潛水蒸散發數值，若考慮不同植被覆蓋條件下的潛水蒸散發，需通過植被系數對裸地條件下蒸散發計算結果進行修正。因孔雀河流域植被、土壤和地下水條件與塔里木河流域類似，故植被系數采用表1的塔里木河流域植被影響系數[3]。

(2)定額法

式中：p為植被需水保證率；Ai為i類的植被面積；mpi為相應保證率的植被需水定額；n為植被類型數。

表1 不同潛水埋深條件下的植被系數

根據生態用水的不同特點，特別是孔雀河兩岸的自然植被主要依靠洪水漫溢和河道入滲補給地下水維持生機的特點，并參考潛水蒸發與水平衡公式計算的需水量結果，確定孔雀河流域現狀條件下：有林地需水定額為200m3/畝；灌木林需水定額為150m3/畝；疏林地需水定額為100m3/畝；高蓋度、中蓋度與低蓋度草地需水定額分別為200m3/畝，150m3/畝和100m3/畝。

3 結果與分析

3.1 天然植被空間分布及保育范圍的確定

孔雀河流域2010年土地利用變化現狀空間分布見圖1，上游區域土地利用類型豐富，林地、草地均有分布，中下游區域植被類型單一，主要類型為地覆蓋草地。根據流域天然植被分布現狀及流域生態保護遠期目標與近期目標，并結合規劃年流域水資源供需平衡與配置情況，流域天然植被保護范圍可劃分為三個層次(表1)：

(1)天然植被保護總范圍

綜合考慮孔雀河流域平原區天然荒漠植被在保障綠洲生態安全、綠洲城市文明可持續發展以及區域生物多樣性保育等方面的重要功能，確定天然植被保育的范圍為流域內自然分布的全部天然林草。根據2010年流域土地利用圖，流域內現有天然植被總面積415.22×104畝，其中林地39.99×104畝，包括有林地3.97×104畝，灌木林地12.97×104畝，疏林地23.05×104畝；草地總面積375.23×104畝，包括高蓋度草地47.48×104畝，中蓋度草地83.27×104畝，低蓋度草地244.47×104畝。天然林草主要建群喬木種為胡楊；灌木物種以薔薇、黑果枸杞、忍冬等為主；草本植物主要以蘆葦、大薊、苦豆子、芨芨草等為主。從植被類型與面積來看，流域天然植被主要以草地為主，占天然植被總面積的90.37%，其中低蓋度草地面積最大，占天然植被總面積的58.88%，因此，流域內天然植被退化嚴重，大面積低蓋度草地荒漠化趨勢明顯。

表2 孔雀河流域天然植被保護面積與植被類型 ×104畝

(2)天然植被重點保護范圍

在現狀條件下，為了逐步推進生態保護總目標，依據天然植被分布格局、水分來源，并考慮枯水年整個流域平原區天然植被生態需水供應可能面臨不足的現實情況，流域天然植被保護范圍可優先考慮下游具有極重要生態防護功能，同時又對水分條件響應敏感的生態脆弱區，即灌區以下集中連片分布的天然河岸植被。流域天然植被重點保護區位于阿恰水利樞紐以下(灌區以下)的河道兩岸(圖1)。該區域分布的天然植被為主要由以胡楊為主的喬木林、以檉柳為主的灌木林以及大面積草地組成，為荒漠地帶特有的走廊式荒漠河岸林植被。重點保護區有天然植被168.21×104畝，其中林地35.61×104畝，包括有林地3.6×104畝，灌木林地10.05×104畝，疏林地21.96×104畝；草地132.6×104畝，包括高蓋度草地26.5×104畝，中蓋度草地45.6×104畝，低蓋度草地60.5×104畝。重點保護區仍然以草地為主，面積比例達78.83%，其中低蓋度草地占比為35.97%。重點保護區天然林面積占流域天然林總面積的81.26%。重點保護區林地面積占整個流域林地面積的90%左右，顯然，流域內的天然林集中分布在灌區以下的河道兩岸，是生態保育需重點關注的地方。

圖1 孔雀河流域天然植被分布格局與保護范圍

(3)應急輸水條件下，天然植被搶救保護范圍

在流域生態輸水規劃還未實施之前，可在豐水年或當恰拉水庫滿足塔里木下游生態輸水且有余水的條件下，綜合調度實施向孔雀河阿恰樞紐以下地區進行“搶救型”應急生態輸水，主要目標是保護阿恰樞紐以下良好(有林地、灌木林地以及中蓋度以上草地)天然植被不再退化。根據土地利用圖(圖1)及孔雀河下游天然植被分布頻率圖(圖2)，可知，若應急輸水天然植被搶救目標設定為保護下游區域良好天然植被，則保護范圍為距離河道橫向范圍10km以內，自阿恰樞紐以下，沿河道縱向范圍為180km以內，在這一范圍內可搶救80%以上的有林地(灌木林)和全部的高(中)蓋度草地。天然植被搶救保護范圍有天然植被面積為83.26×104畝，其中林地11.16×104畝，草地72.10×104畝。

圖2 孔雀河自阿恰 樞紐以下沿河道方向，隨直線距離的增加天然植被分布頻率變化情況

3.2 不同生態保育目標下的生態需水量計算

采用潛水蒸發法和定額法分別估算了孔雀河流域天然植被最低生態需水量，其中潛水蒸發法采用了阿克蘇水平衡公式和阿維里揚諾夫公式(表3)。根據估算結果，如果以流域內分布的全部天然植被為保護目標，則阿克蘇水平衡公式計算的最低生態需水量為2.31×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地生態需水量分別為0.09、0.15、0.12、1.04、0.97和1.32×108m3；阿維里揚諾夫公式計算的天然植被生態需水量為3.38×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地生態需水量分別為0.09、0.14、0.11、1.05、0.92和1.15×108m3；定額法計算的天然植被生態需水量為5.15×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地生態需水量分別為0.08、0.19、0.23、0.95、1.25和2.44×108m3。

為了避免單一計算方法的不確定性，將上述三種方法計算結果進行平均，最終流域天然植被最低生態需水量為4.10×108m3，其中林地需水0.4×108m3，草地需水3.7×108m3。

將阿恰樞紐以下的河岸植被作為流域天然植被重點保護區域，則重點保護區域內天然植被最低生態需水量計算結果為：阿克蘇水平衡公式計算的生態需水量為1.76×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地生態需水量分別為0.08、0.12、0.12、0.58、0.53和0.33×108m3；阿維里揚諾夫公式計算的天然植被生態需水量為1.67×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地生態需水量分別為0.08、0.11、0.10、0.59、0.50和0.28×108m3；定額法計算的天然植被生態需水量為2.31×108m3，其中有林地、灌木林地、疏林地、高蓋度草地、中蓋度草地和低蓋度草地生態需水量分別為0.07、0.20、0.22、0.53、0.68和0.61×108m3。三種計算結果平均，重點區生態需水量為1.91×108m3，其中林地需水量0.37×108m3，草地需水量1.54×108m3。

表3 孔雀河流域不同保護范圍最低生態需水量估算

將阿恰樞紐以下沿河道縱向直線距離180km、離河岸橫向距離10-20km以內的良好河岸植被作為應急輸水天然植被搶救保護范圍，則搶救保護區域內天然植被最低生態需水量計算結果為：阿克蘇水平衡公式計算的生態需水量為1.27×108m3；阿維里揚諾夫公式計算的天然植被生態需水量為1.25×108m3；定額法計算的天然植被生態需水量為1.43×108m3。三種計算結果平均，天然植被“搶救”保護范圍生態需水量為1.32×108m3，其中良好林地需水0.18×108m3，良好草地需水1.14×108m3。

4 結 論

孔雀河流域天然植被主要分布在孔雀河沿岸，林地主要聚集中在上游，中下游主要為地覆蓋草地。結合天然植被空間分布現狀與流域生態保護規劃，本文劃定了不同層次的孔雀河流域天然植被保育范圍：天然植被保護總范圍、天然植被重點保護范圍以及應急生態輸水條件下的天然植被搶救保護范圍。

根據不同的保護目標和保護范圍，采用多種方法綜合計算了天然植被的生態需水量。如果要保護流域內的所有天然植被，需要最低生態需水量為4.10×108m3，其中林地需水0.4×108m3，草地需水3.7×108m3；如果僅保護重點保護區內的天然植被，則需生態需水量為1.91×108m3，其中林地需水量0.37×108m3，草地需水量1.54×108m3；如果實施生態輸水搶救工程，以保護“搶救”保護范圍的天然植被，則需生態需水量為1.32×108m3，其中良好林地需水0.18×108m3，良好草地需水1.14×108m3。

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Estimation of Ecological Water Demand of Natural Vegetation in Konqi River Basin

ZHOU Honghua1WUBULI Wumaierjiang2HAO Xingming1LI Weihong1

(1.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology，Xinjiang Institute of Ecology and Geography， Chinese Academy of Sciences，Xinjiang 830011 China； 2. Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau，Korla 841000，China)

Ecological water demand is the key for the water resources management. In this paper，the ecological water demands of natural vegetation for different conservation objectives and conservation areas in the Konqi River Basin were calculated by a variety of methods. The results showed：The lowest ecological water demand is 4.10×108m3per year for protecting all the natural vegetation in the Konqi River Basin，in which ecological water demand is 0.4×108m3for forest and it is 3.7×108m3for grass；The ecological water demand is 1.91×108m3per year if only protecting the priority protection zone，in which ecological water demand is 0.37×108m3for forest and it is 1.54×108m3for grass；The ecological water demand is 1.32×108m3per year if rescuing the natural vegetation under the ecological water transportation project，in which ecological water demand is 0.18×108m3for forest and it is 1.14×108m3for grass.

ecological water demand；diving evaporation；irrigation quota；natural vegetation；Konqi River

項目資助：國家科技支撐計劃項目(2014BAC15B02)和中國科學院“率先行動”計劃課題(TSS-2015-014-FW-2-3)

周洪華，博士，副研究員，從事干旱區生態水文過程研究

X21

A

1673-288X(2017)02-0140-05

引用文獻格式：周洪華 等.孔雀河流域天然植被生態需水量估算[J].環境與可持續發展，2017，42(2)：140-144.