塔里木河流域生態環境承載力評價研究

趙少軍

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

生態環境承載力決定著一個流域(或區域)經濟社會發展的速度和規模[1-2]。如果在一定社會福利和經濟技術水平條件下，流域(或區域)的人口和經濟規模超出其生態環境所能承載的范圍，將會導致生態環境的惡化和資源的匱竭，嚴重時會引起經濟社會不可持續發展。塔里木河流域是我國重要的棉花生產基地、石油化工基地和21世紀能源戰略接替區[3-4]。另外，歷史上形成的天然綠洲，是阻擋塔克拉瑪干沙漠的風沙侵襲、保護人類生存環境的天然屏障，生態地位不可替代[5-7]。實現該區的資源開發可持續和生態環境可持續，不僅關系其自身的生存和發展、新疆的長治久安與社會穩定，也關系到國家西部大開發和絲綢之路經濟帶建設的順利實施。但是，塔里木河流域又是我國的生態極端脆弱區[8]。近60年來隨著水土資源的過度開發，導致生態供水不足、天然植被衰敗，下游河道斷流、地下水過量開采、地下水位持續下降等生態問題日益凸顯[9]。該區嚴重的生態環境問題已成為中國西北地區生態環境問題研究的熱點之一，生態恢復與生態安全問題已引起社會各界和政府的高度關注[3]。尤其隨著西部大開發工作和中央新疆經濟工作座談會精神的不斷深入，塔里木河流域重大工程建設項目相繼啟動，生態用水與國民經濟用水的博弈將呈現新的特點[10-12]。在這一背景下，定量研究塔里木河生態環境承載力的飽和程度，分析產生生態環境問題的根本原因并提出相應的治理措施，對實現流域生態系統和社會經濟系統的協調發展具有重要意義。

在塔里木河流域，以往的研究利用層次分析法和模糊綜合評判模型等方法對其生態系統、水資源系統進行單一的承載力分析[11，13]，而從水資源系統、土地資源系統、生態環境系統、社會經濟系統4個方面綜合評判該區的生態環境承載能力，在以往的研究中鮮有報道。另外，本研究利用問卷調查并借助因子分析法來確定各評價指標的權重，實現了主觀上專家打分與客觀上數學計算的統一，因而能夠確切地反映各環境因子對該區生態環境承載能力的影響程度，保障了對該區綜合評判結果的可信度。鑒于以上分析，本研究根據塔里木河的生態環境特點，構建其生態環境承載力評價指標體系；利用專家打分和模糊綜合評判模型，評價生態環境承載力的現狀，提出提高其生態環境承載能力的具體措施。該研究不僅為該區未來的生態環境發展規劃奠定可靠的理論基礎，也可為相似區域的生態環境評價提供重要的科學借鑒。

1 研究區概況與資料收集

1.1 研究區概況

塔里木河是我國最大的內陸河，位于新疆南部，塔里木河流域(N34.20°～N43.39°,E71.39°～E93.45°)由發源于塔里木盆地周邊天山山脈、帕米爾高原、喀喇昆侖山、昆侖山、阿爾金山等山脈的阿克蘇河、喀什噶爾河、葉爾羌河、和田河、開都-孔雀河、迪那河、渭干-庫車河、克里雅河和車爾臣河等九大水系和塔里木河干流、塔克拉瑪干沙漠及東部荒漠三大區組成[3,14]，其構成環狀水系結構，流域總面積102×104km2，其中山地占47%，平原區占20%，沙漠面積占33%[5,15]。行政區域轄新疆南部5個地州的45個縣市和生產建設兵團4個師的56個農場，人口984.9萬人。塔里木河干流是典型的干旱區內陸河流，自身不產流，干流的水量主要由阿克蘇河葉爾羌河、和田河三源流補給[16-17]。干流肖夾克至臺特瑪湖全長1 321 km，流域面積1.758×104km2。干流區年平均氣溫 10.5℃～11.4 ℃，多年平均降水量17.4～42.8 mm，蒸發能力為1 121～1 636 mm，屬極端干旱地區。該區野生植物主要有胡楊、紅柳、鈴鐺刺、蘆葦、羅布麻、甘草、鹽穗木、鹽節木、梭梭等[18]。

1.2 資料收集

本研究收集了塔里木河干流2013年的水文數據，包括地表水、地下水、灌溉用水、生態用水的水量，地下水埋深等。基于遙感影像獲取的數據包括水網密度、土地退化面積、耕地面積、沙化面積、人工綠洲和天然綠洲面積、植被覆蓋度。基于樣方調查的數據包括植被覆蓋度、生物豐度指數。基于塔里木河流域管理局提供的社會經濟和環境質量統計數據包括人口數量、GDP、耕地面積、水質、風沙頻次等。塔里木河氣溫、降水數據來源于1990～2010年阿拉爾、鐵干里克、若羌氣象站。

2 研究方法

本研究利用調查問卷和因子分析的方法確定塔里木河各評價指標的權重，借助模糊綜合評判模型[19-21]評價該區的生態環境承載能力。由于因子分析法可利用SPSS統計軟件計算，因此本文主要介紹模糊綜合評判模型。具體步驟為，設2個有限論域U={u1，u2,…,um}、V={v1,v2, …vn}，其中U代表所有評判因素組成的集合，V代表所有的評價等級組成的集合。對評價因素ui進行單因素評判，確定對評價等級vj的隸屬度rij，則m個評價因素的評價集構造出評判矩陣R：

(1)

式中：rmn為第m個評價因素在第n等級時的隸屬度值；R為U到V上的模糊隸屬度值組成的矩陣。

(2)

(3)

(4)

式中：rij為因子ui對j級生態環境的隸屬度;Ci為因子Ui的實測值;Uij為因子Ui第j級生態環境承載力標準;m為m級評價標準，這里為5。計算得到評價矩陣R。

塔里木河流域生態環境評價總得分可根據不同評價等級的重要度值ti以及矩陣B中各等級的隸屬度值(bi)利用下式計算得到：

(5)

式中:a為綜合評分值。

本研究將生態環境承載力的計算指數值可分：完全可載(0.8

3 結果與分析

3.1 評價指標體系構建及權重設定

塔里木河流域生態系統是一個水土資源-生態環境-社會經濟復合系統相互影響的復雜系統。流域的生態環境承載力主要是針對與水相關的生態環境問題提出的，其生態環境承載力可稱為與水相關的生態環境承載力，它是水資源、土地資源及與水相關的環境構成的生態環境支持系統對由社會系統和經濟系統構成的社會經濟系統在一定約束條件下的承載能力。因此，針對塔里木河流域目前存在的生態環境問題，依據評價過程中所遵循的定性與定量、可比性、科學性、實用性和可操作性、獨立性及動態性與穩定性相統一等原則，提出以水資源為主，結合土地資源及植被資源和社會經濟狀況，選取水資源指標、土地資源指標、生態環境指標、社會經濟水平指標4個方面建立該區的生態環境承載力評價的指標體系；進而根據調查問卷并利用因子分析得到各指標的權重值(表1)。

表1 塔里木河生態環境評價指標體系及權重

在塔里木河生態環境承載力評價中，將結果分為完全可載、可載、飽和承載、超載、嚴重超載5級。具體地，嚴重超載是指生態環境己受到嚴重破壞或生態環境要素對干擾的調控能力很弱，自動恢復很難甚至已無自動恢復能力，部分生態環境功能已喪失。超載是指生態環境己受到破壞或生態環境要素對干擾的調控能力弱，自動恢復難。飽和承載是指生態環境己處于污染與破壞的臨界點，生態環境生產力已被全部利用，生態環境要素對干擾的調控能力一般，自動恢復能力不佳。可載是指生態環境受人為不合理影響較小，生態環境要素對干擾的調控能力較強，自動恢復能力較快。完全可載是指生態環境受人為不合理影響很小，生態環境要素對干擾的調控能力強，自動恢復能力快，生態環境生產支持力強。

3.2 評價等級設定及綜合評價

根據專家打分并結合相關成果，本研究確定不同評價等級的標準值(表2)。

表2 不同評價等級的標準值設定

根據表2，塔里木河生態環境承載力評價各個因素的模糊矩陣(R)計算如下：

水資源承載力因素評價矩陣為：

土地資源承載力因素評價矩陣為：

生態環境承載力因素評價矩陣為：

社會經濟承載力因素評價矩陣為：

結合表1，塔里木河生態環境承載力因素的評估等級計算如下：

水資源承載力因素綜合評價為：

=[0.4020，0.2111，0.1758，0.0000，0.2120]

同理，可計算土地資源承載力因素評價C2=U2×R2=[0.0000，0.0378，0.2123，0.0000，0.7500]；生態環境承載力因素評價C3=U3×R3=[0.0000，0.3330，0.3666，0.2994，0.0000]；社會經濟承載力因素評價C4=U4×R4=[0.4878，0.1889，0.0313，0.0000，0.2920]。基于單要素模糊綜合評判結果C，對評價結果歸一化處理，可以得到一級評估因素U中各子集的綜合評判決策矩陣R。

最后，根據一級因子的權重U和綜合評價決策矩陣R的模糊變換的合成運算，得到生態環境承載力一級評估因素綜合評價結果A=U×R=[0.2094，0.2108，0.2259，0.0899，0.2639]。最后求取塔里木河生態環境承載力的綜合評定值a=0.5976<0.6，處于飽和承載水平，表明該區的生態環境資產已飽和利用，進一步的生態環境負擔將引發嚴重的生態破壞甚至災難。對于塔里木河的生態環境受損區，需要采取以自然修復為主、人工修復為輔的綜合措施實現生態系統的好轉。

3.3 評價結果的原因分析

塔里木河生態環境的承載能力主要受氣候因素和人類活動的綜合影響，因此本文從以下兩方面進行分析。

3.3.1 氣候因素的影響

利用塔里木河干流1990～2010年的氣溫、降雨量統計數據，得到二者的變化趨勢(圖1)。

圖1 塔里木河干流氣候變化趨勢圖

從圖2來看，塔里木河降水量在近20年處于波動變化中，但總體呈不顯著的增加趨勢(P>0.05)。與降水增加同步，氣溫總體呈顯著的上升趨勢(P<0.05), 在20年中平均氣溫升高了0.41℃。因此，塔里木河干流在近20年時間內氣候總體上沒有惡化，反而表現為氣候轉暖、降水量略微上升的好轉趨勢。

3.3.2 人類活動的影響

根據統計資料可知，從20世紀50年代至90年代，塔里木河各斷面的來水在逐年減少，其趨勢是下游的減少量遠遠大于上游，特別是90年代以來，三源流的來水比50年代多19.0×108m3，增加了10.9%，但干流的阿拉爾、新其滿、英巴扎和恰拉斷面的來水分別比50年代少15.9%、24.7%、38.3%和80.3%。因此，源流區耗水增加導致匯入干流的水量減少，這是導致塔里木河生態環境承載能力趨于飽和的一個重要原因。

此外，對于塔里木河自身來講，該區人口增加和耕地面積擴大也是危及其生態環境安全的又一重要因素。以農業經濟為主的塔里木河，在1990～2013年人口增加了49%，導致耕地面積增加了182%。此外，根據2013年的統計資料計算，塔里木河水資源可承載的最大灌溉面積為6.08×104hm2，比現狀超出64.6%。耕地擴張一方面以占用林草為基礎，該時段 15%的草地和9%的林地被耕地占用，區域生物豐度指數和植被覆蓋度指數不斷下降。

另一方面大量耕地開墾后，由于農業用水量顯著增加，要攔截河水，修建水庫，致使塔里木河部分區域的地下水埋深降到8 m以下，引發天然植被因得不到水分充分補給而逐漸退化。此外，當胡楊的種子落在地表后，也因水分不足，造成種子萌發不能實現。因此，影響塔里木河生態環境承載力降低的根本原因為人口的增加和耕地面積的不斷擴大，由此造成流域水資源大量被占用，中下游來水量日益減少，地下水位不斷下降，天然植被生長受到抑制、繁殖更新能力受到破壞，土地逐漸沙化。見表3。

表3 塔里木河耕地面積超載百分比

4 結 語

根據計算，塔里木河生態環境承載力的綜合評定值為0.597 6，處于飽和承載水平，表明該區的生態環境資產已飽和利用，進一步的生態環境負擔將引發嚴重的生態破壞甚至災難。而導致其生態環境承載力降低的主要因素是該區耕地面積的快速擴大，農業用水大量擠占生態水量。因此，為提高塔里木河的生態環境承載力，本文從流域整體的角度提出3條建議。首先，強化塔里木河流域統一管理職能，深化體制改革，落實三條紅線。將流域內諸水系納入統一管理；加強塔里木河流域管理局的監管、執法能力，加大對非法開荒、擅自引水等違法行為的打擊力度；嚴格落實用水總量和用水效率控制紅線，促進經濟結構調整和發展方式轉變，全面節約和合理配置水資源，防污治污，防患于未然。其次，嚴格控制灌溉面積，循序漸進地推行流域的退地減水。積極穩妥地進行流域的經濟結構調整，轉變過去主要依靠耕地面積擴張帶動經濟增長的發展模式，嚴厲打擊非法開荒。最后，盡快啟動塔里木河流域綜合治理二期工程，努力推進流域綜合治理持續發展。通過實施堤防建設、河河聯通、河道治理等工程及相關生態治理的項目，提高水資源的利用效率和管理效能，逐步壓縮對生態用水的擠占空間，緩解國民經濟用水與生態用水之間的矛盾。