阿克蘇河生態廊道時空變化及保護對策研究

馮 娟 王光焰 徐生武

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

阿克蘇河是塔里木河流域最大的水量補給來源, 承擔著滿足灌區用水和向塔里木河生態輸水的雙重重任[1]。流域地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，加之以干旱為主體特征的自然條件十分嚴酷，生態環境脆弱。此外，作為新疆第二大灌區, 阿克蘇河流域近年來人口的急劇增長和灌溉面積的不斷擴大使其生態環境問題日趨突出。生態廊道是構建區域山水林田湖草完整生態系統的重要組成部分，對改善區域生態環境以及維系物種多樣性具有重要意義[2]。因此，本研究將圍繞阿克蘇流域生態廊道的保護對生態需水量進行研究[3]，并提出一系列的措施與建議。首先分析了流域上中游和下游的土地利用/覆被和植被覆蓋的空間分布特征以及所隨時間變化的趨勢，然后基于重點生態功能區和生態敏感區的劃分確定了阿克蘇河生態廊道保護的范圍和目標，并結合面積定額法的多種定額指標和潛水蒸發法以及水量平衡公式求得了阿克蘇河生態廊道保護所需的生態水量。隨著國家“十三五”計劃和“一帶一路”的實施, 作為“絲綢之路經濟帶”建設的核心區, 本研究對南疆地區的水資源可持續開發利用有著更加深刻的意義[4-5], 這不僅與當地經濟社會可持續發展息息相關, 還關系到南疆生態保護、國防安全和國家“一帶一路”建設宏偉目標的實現。

1 研究區概況

阿克蘇河位于天山中段西部南麓，塔里木盆地北緣，地理坐標為東經75°35′～80°59′, 北緯40°17′～42°27′，全長約224 km，流域形狀呈東西長，南北寬，地勢西北高東南低，自西北向東南傾斜，地形可分為山區、平原兩大部分。阿克蘇河是塔里木河支流中水量最多的河流，也是塔里木河干流三條主要源流之一，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候[6]。流域徑流主要由山地降水和冰雪融水補給，豐富的水量為植被的生長提供了良好的生長條件。阿克蘇河流域植被群組包括高山植被、針葉林、闊葉林、草原、草甸、灌叢、荒漠和栽培植物。阿克蘇河流域的高山植被型組[7]主要為高山植被稀疏植被型，主要分布于北部天山山區高海拔地區，群系劃分為雪蓮-厚葉美草花稀疏植被。阿克蘇河流域植被類型空間分布情況見圖1。此外，阿克蘇河流域屬于南疆棕色荒漠土地帶[8]，土壤類型有16種，包括龜裂性棕色荒漠土、棕色荒漠土、石膏棕色荒漠土、龜裂性土、殘余鹽土、古老綠洲耕作土、水稻土、荒漠化草甸土、吐加依土、荒漠化吐加依土、沖積性草甸鹽土、扇緣草甸鹽土、扇緣典型鹽土、干三角洲典型鹽土、次生鹽土、山地灰棕色荒漠土。

圖1 阿克蘇河流域植被類型空間分布

2 基本數據與研究方法

2.1 數據預處理

本研究所使用的氣象數據來自塔里木河干流各氣象站1970—2018年逐日蒸發量數據。使用的土地利用/覆被數據來自塔里木河干流1990年、2000年、2010年及2017年Landsat-TM影像數據，分辨率為30m，之后對4個年份的影像依據解譯標準進行人機交互式判讀和數字化工作，通過野外實地驗證和修正，生成矢量化專題圖。最后根據《土地利用現狀分類》(GB/T 21010-2017)與流域實際的土地利用情況，參考土地利用特征及Landsat-TM影像數據的空間分辨率，確定區分出土地利用類型。NDVI數據來自Terra和Aqua衛星搭載的MODIS傳感器250m空間、16天時間分辨率，并通過研究區邊界裁剪確定1990年、2000年、2010年及2017年NDVI數據集。

2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：sign為符號函數；n為樣本數量；Var(S)為方差；xk及xi為2000—2018年NDVI時間序列數據集合。當|Zc|>1.96時，則變化趨勢達到顯著水平；|Zc|>2.58時，則變化趨勢達到極顯著水平；|Zc|<1.96時，則變化趨勢不顯著；Zc>0，表明變化趨勢為增加；Zc<0，則為下降[9]。

2.3 生態需水量計算

關于生態需水量，不同的學者從不同的角度進行定義，以求得水資源平衡。本文采用胡廣錄等[3]在干旱半干旱區植被生態需水量計算方法中的定義，即生態需水量指在自然條件下保證生態系統中的植被能夠正常生長、發育，維持生態系統不再進一步惡化并逐漸改善、健康運行所需要的地表水和地下水資源總量。首先根據面積定額法計算阿克蘇河流域的生態需水量。其定額指標如下：?中科院新疆地理所計算資料為3900m3/hm2；?新疆水利廳流域規劃辦公室計算資料為3885m3/hm2；?清華大學塔里木河干流水均衡模型計算資料為3495m3/hm2；?根據王讓會等[10]研究成果，有林地為3000m3/hm2，疏林地為450m3/hm2，高蓋度草地為2340m3/hm2，低蓋度草地為630m3/hm2。然后根據以上定額指標，并參考潛水蒸發與水平衡公式計算的需水量結果，確定現狀條件下阿克蘇河生態廊道保護所需生態需水量[11]。

3 結果與分析

3.1 阿克蘇河流域土地利用/覆被時空變化特征

阿克蘇河流域1990—2018年間土地利用的最顯著特征就是耕地面積的大幅擴張，林地與草地的面積減少(見圖1)，從衛星遙感解譯圖上發現，在28年間流域內耕地面積從4117.83km2擴張至8960.69km2，增加幅度為117.61%；除此之外建筑用地也增加明顯，由216.21km2擴張至337.30km2，增長56.01%；水域面積與未利用地面積無明顯變化；流域內原本的草地類型退化現象也很嚴重，根據現場調查結果發現，尤其是托什干河右岸地區大片高覆蓋度草地退化為中覆蓋度草地，或者被人類開墾轉化為耕地。在阿克蘇河兩岸以及塔河灌區，在過去十幾年隨著人口和經濟的不斷增長，耕地表現為急劇擴張態勢。另外，在庫瑪拉克河和臺蘭河河源區，冰川和積雪面積銳減，可能會影響未來山區來水量。

圖2為阿克蘇河上中游土地利用/覆被空間分布圖。1990—2018年，阿克蘇河上中游林地減小了26.5%，草地減少了7.5%。2000—2018年，阿克蘇河上中游林地減小了18.1%，草地減少了4.5%(見圖4)。阿克蘇河下游土地覆被空間分布見圖3，1990—2018年林地和草地面積均呈現持續減少趨勢，分別減少了14.36%和19.36%，其中2000—2010年之間，林地和草地分別減少4.33%和7.09%，2010—2018年之間，林地和草地分別減少5.12%和3.23%。

圖2 阿克蘇河上中游土地利用/覆被空間分布

圖3 阿克蘇河下游土地利用/覆被空間分布

圖4 阿克蘇河上中游植被覆蓋變化趨勢空間分布

3.2 阿克蘇河流域植被覆蓋時空變化特征

根據2000—2018年阿克蘇河上中游(沙里桂蘭克與協合拉至西大橋)植被覆蓋度空間分布數據，分別繪制2000—2010年和2011—2018年植被覆蓋度的變化趨勢曲線[見圖6(a)]以及對應的植被覆蓋變化趨勢空間分布圖(見圖4)。由圖6(a)可知，從2000—2018年整個時間序列來看，阿克蘇河上中游植被覆蓋度呈整體上升趨勢，其中前時段增加趨勢顯著，后時段趨勢不顯著。2011—2018年阿克蘇河上中游平均植被覆蓋度和2000—2010年相比增加了19.83%。其中，2000—2010年阿克蘇河上中游大部分區域呈非顯著降低趨勢，其比例為55.69%；2011—2018大部分區域呈非顯著降低趨勢，所占比例為62.45%；從整個時段來看，顯著增加比例為22.34%，非顯著增加比例為20.30%，呈下降趨勢的比例為57.36%(見表1)。

表1 阿克蘇河上中游植被覆蓋變化趨勢類型面積及比例

根據2000—2018年阿克蘇下游植被覆蓋度空間分布數據，分別繪制2000—2010年和2011—2018年植被覆蓋度的變化趨勢曲線[見圖6(b)]以及對應的植被覆蓋變化趨勢空間分布圖(見圖5)。由圖6(b)可知，2000—2010年和2011—2018均呈增加趨勢，其中2000—2010年時段植被覆蓋度增加達到顯著水平。由圖6可知，2011—2018年阿克蘇河下游平均植被覆蓋度和2000—2010年相比增加了48.18%，并且大部分區域呈非顯著降低和非顯著增加趨勢，所占比例分別為41.32%和43.79%。此外，2000—2018年阿克蘇河下游植被覆蓋度有60.11%的區域呈非顯著增加趨勢，20.16%呈顯著增加趨勢，19.73%呈降低趨勢(見表2)。

表2 阿克蘇河下游2000—2010年及2011—2018年植被覆蓋變化趨勢類型面積及比例

圖5 阿克蘇河下游2000—2018年植被覆蓋變化趨勢空間分布

圖6 阿克蘇河上中游和下游2000—2010年及2011—2018年植被覆蓋度變化趨勢曲線

3.3 基于生態廊道保護的生態需水量

本研究根據2017年環保部印發的《生態保護紅線劃定指南》(環辦生態〔2017〕48號)結合阿克蘇河生態實況將流域生態廊道功能區分為生態功能區、生態環境敏感區及生態脆弱區3個區域。以2016年生態廊道的總面積作為流域生態保護的總面積，結合遙感解譯和現場調查結果可知，阿克蘇河流域生態廊道面積為3775.30km2(見表3)。其中，協合拉和沙里桂蘭克至兩河匯合(西大橋)河段天然植被主要分布于近河道兩側，因此將該河段天然植被劃為生態敏感區，其面積為3444.02km2；而兩河匯合(西大橋)至依瑪帕夏攔河閘河段天然植被主要分布于天然綠洲外圍，因此被劃為生態脆弱區，保護面積為331.28km2。

表3 阿克蘇河流域天然植被保護范圍與目標

根據不同植被類型的需水定額指標，阿克蘇河重點生態功能區生態需水量為6.45億m3；阿克蘇水平衡公式計算結果為5.38億m3；阿氏公式計算結果為4.60億m3。對以上結果取平均值，阿克蘇河重點生態功能區生態需水量為5.48億m3。阿克蘇河整個流域(重點生態功能區和兩個生態敏感區)天然植被生態需水量為5.75億m3(見表4)。生態保護是指維系現狀條件下的天然植被平均覆蓋度和面積，使其能夠正常繁育更新。生態保護水量是保障天然植被不退化的最低水量，天然植被需水量是實現生態保護的基本水量。因此，本研究將天然植被需水量視為生態保護水量，即阿克蘇河流域的生態需水量總計為5.75億m3。

表4 阿克蘇河流域需水量計算結果

4 討 論

4.1 阿克蘇河流域主要生態環境問題

近年來，由于人類活動的加劇以及國民經濟發展的需要，阿克蘇河流域林地退化嚴重[12]，耕地及建筑用地面積日益增長。研究表明在1990—2018年間，流域內耕地面積增加幅度為117.61%，建筑用地增長56.01%，阿克蘇河上中游林地和草地面積分別減小了26.50%和7.50%，下游林地和草地面積分別減少了14.36%和19.36%。植被退化主要集中在平原區南部,即流域下游沿河道一帶，位于喀什噶爾河、葉爾羌河地段。由于上游截流出現斷流情況，使地下水位下降，河道兩岸的胡楊等植被逐漸枯死。根據實地調查，在喀什噶爾河、葉爾羌河河畔部分地段(豐收三場以西)，已有將近60%的胡楊枯萎。此外，阿克蘇河流域地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，加之以干旱為主體特征的自然條件十分嚴酷，生態環境脆弱，自然和人為因素的雙重影響，使其生態環境問題日趨突出。植被退化、土地沙化、土壤鹽漬化、環境惡化等現象[13]均值得人們和相關流域及行政區域管理部門的注意。

4.2 生態廊道保護措施與建議

針對阿克蘇河流域生態環境現狀與存在的主要生態環境問題，除了納入塔里木河流域重點生態工程內的地下水監測工程，還需針對流域特點在重點生態功能區和生態脆弱區分別建設或完善河道生態治理工程、生態保護封育工程、水土流失治理工程。此外，基于阿克蘇河流域生態廊道的保護，我們還提出了一系列措施與建議[14-15]：

a.構建新型流域管理體制機制，實行最嚴格水資源管理制度。從流域整體的綜合利益考慮，實現流域水量的科學與統一調度，落實退地減水，完善斷面水量及生態用水考核。

b.積極推進重點生態水利工程和流域監測體系建設步伐。強化河湖岸線管理和保護，加快修復流域廊道水生態，提升生態廊道保護成效。

c.健全塔里木河流域生態水保障法規體系。建立生態補償管理體制，確立流域生態水權制度，建立公正、高效、可持續的水權交易市場，優化配置水資源。

5 結 語

本研究基于Mann-Kendall檢驗，分析了阿克蘇河土地利用和植被覆蓋的時空變化特征。結果表明，阿克蘇河流域整體林地退化問題嚴重，逐漸轉移為耕地和建筑用地。張輝等[16]研究結果也表明，2000—2014年阿克蘇河流域林地、灌木林地和耕地的NDVI整體呈下降趨勢，與該研究結果一致。此外，綜合多種生態需水量計算方法，基于生態廊道的保護區劃確定了流域綠色廊道所需生態保護水量，計算結果表明流域生態需水量總計為5.75億m3。本研究不僅對于綜合治理塔里木河流域整體生態環境具有重要參考意義，還可為塔里木河流域的生態文明建設、脫貧攻堅與國家“兵團向南發展”等重大戰略實施的生態安全保障提供技術支撐與服務。未來還應針對塔里木河流域整體開展相關生態廊道的保護對策研究工作，為塔里木河流域的生態保護工作提供科學指導。