艾丁湖流域綠洲變化與地下水開發利用關系分析

梁珂 徐志俠 王海軍 楊國瑞 闞光遠

摘要 由于長期以來水資源開發活動日益增強，艾丁湖生態區入湖水量不斷減少，湖面萎縮;區域土地沙化、沙漠化趨勢未根本扭轉;地下水位不斷下降，生態、生活用水風險增大;陸生、水生物種消亡趨勢加劇;干熱風等災害性天氣呈不斷增加趨勢;沙塵、鹽塵天氣爆發風險不斷累積增大，使得艾丁湖生態區生態壓力不斷增大，生態惡化趨勢明顯。基于高分辨率遙感影像、地理信息技術以及現場取樣調查，分析了艾丁湖流域土地利用與植被覆蓋度時空變化特征，探明了自然植被蓋度退化情況。結果表明，天然植被的平均覆蓋度在1976—1995年呈減小趨勢，在1995—2010年呈增大趨勢，在2010—2019年轉為減小趨勢;高蓋度植被由南向北發生遷移;天然植被退化的主要原因是地下水埋深逐漸加大，且受不到山區的地表水補充，以及由于城鄉工礦用地的擴張導致天然植被減少。

關鍵詞 水資源;地下水埋深;自然植被覆蓋度;土地利用類型

中圖分類號 P-641.8? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）22-0205-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.052

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Analysis on the Relationship between Groundwater Depth and Xerophyte Coverage in Aiding Lake Region

LIANG Ke? XU Zhi-xia WANG Hai-jun3 et al ?（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038;2.Beijing IWHR Corporation， Beijing 100048;3.Luanping Water Bureau， Luanping，Hebei 068250）

Abstract Due to the increasing disorderly activities of human beings， the amount of water entering the lake is decreasing and the lake surface is shrinking; the trend of regional land desertification and desertification has not been fundamentally reversed; the underground water level is continuously falling， the risk of ecological and domestic water use is increasing; the trend of terrestrial and aquatic biological plants is disappearing; the trend of dry hot wind and other disastrous weather is increasing; the risk of sand dust and salt dust weather outbreak is also increasing With the increasing accumulation， the ecological pressure of Aiding Lake ecological area is increasing， and the ecological deterioration trend is obvious. Based on high-resolution remote sensing images， geographic information technology and field sampling survey， the spatial and temporal variation characteristics of land use and vegetation coverage in Aiding Lake Basin were analyzed， and the statistical relationship between natural vegetation coverage change and groundwater depth was explored. The results show that the average coverage of natural vegetation decreased from 1976 to 199 ?increased from 1995 to 2010， and decreased from 2010 to 2019. The high coverage vegetation migrated from south to north. The main reasons for the degradation of natural vegetation is the gradual increase of groundwater depth and the lack of surface water supplement in mountainous areas;and the expansion of industrial and mining land in urban and rural areas led to the reduction of natural vegetation.

Key words Water resources;Groundwater depth;Natural vegetation coverage;Land use types

由于人類無序活動日益增強，艾丁湖生態區入湖水量不斷減少[1]，湖面萎縮;區域土地沙化、沙漠化趨勢未根本扭轉;地下水位[2]不斷下降，生態、生活用水風險增大;陸生與水生物種植被消亡趨勢加劇;干熱風等災害性天氣呈不斷增加趨勢;沙塵、鹽塵天氣爆發風險不斷累積增大，使得艾丁湖生態區生態壓力不斷增大，生態惡化趨勢明顯[3]。流域內地下水嚴重超采[4]、地下水取水成本大幅增加、地下水面臨枯竭的危險，導致艾丁湖環境惡化，已經影響吐魯番市經濟發展與市民的生活。

環艾丁湖周邊的地下水主要是由吐魯番北部盆地向南的地下水匯流和來自南部盆地向東的地下水匯流補給構成[5]。若這些地下水匯流在到達艾丁湖之前被人工開采截留，則環艾丁湖周邊的地下埋深將會加大。地下水埋深[6]是吐魯番南部盆地植被生態系統依存的一個重要因素[7]，地下水埋深的加大必將影響到吐魯番盆地植被生態系統的維系。因此，亟待分析艾丁湖區域土地利用[8]、自然綠洲面積[9]、植被覆蓋度[10-11]等變化，建立綠洲濕地植被蓋度與地下水埋深之間的統計學關系，服務于地下水開發利用與生態功能保護的水位和水量雙控臨界指標體系的建立。

1 研究概況

1.1 艾丁生態區概況

艾丁湖生態區生態系統由湖泊、河口濕地、鹽生草甸、入湖河流、人工綠洲、火焰山、戈壁、天山組成。湖泊有主湖區和副湖區、河口濕地、干鹽灘組成[12]。河口濕地是白楊河進入主湖區前形成的濕地。鹽生草甸是湖泊水體和人工綠洲之間的區域，現狀面積10.67萬hm 生長有以駱駝刺為主的旱生植被[13]。現狀只有白楊河徑流補給艾丁湖。自然綠洲包括自然生長的草地、林地、灌木地、濕地水域[14-15]。人工綠洲包括農田、防護林、人工草地、城市，人工綠洲現狀生態良好，在農田和山區之間是戈壁，山區基本沒有人類活動。

1.2 土地利用類型及植被覆蓋度數據

通過遙感影像獲取土地利用類型及植被覆蓋度數據。用遙感分類方法對艾丁湖流域（吐魯番地區）遙感影像進行地物分類，并以專題圖的形式展示其地域中的1976—2019年的地物變化。同時利用2018—2019年數次采樣所獲得的大量地表植被覆蓋度實測數據，采樣點個數約200個，采樣時間集中在2018年4—5月、10月及2019年5月，包括的植物種類主要有疏葉駱駝刺鹽生草甸、蘆葦鹽生草甸、黑果枸杞灌叢、檉柳灌叢、梭梭荒漠和鹽爪爪荒漠等。根據對應點位處Landsat遙感影像特征波段的光譜信息，在星地協同觀測的基礎上使用隨機森林方法構建地表植被覆蓋度遙感定量反演模型，反演艾丁湖流域1976—2019年的地表植被覆蓋度信息。

2 研究內容

2.1 地下水-包氣帶水補給天然植被的作用機理

在干旱及半干旱區，天然植被的生長依賴地下水及包氣帶水。地下水通過由土壤孔隙形成的毛管水上升形成土壤水，從而被植被根系吸收，包氣帶的厚度受地下潛水面的變動而變動。

陳敏建等[16]提出了地下水補給植被的物理機制為：只要潛水影響層與根系作用層相交，就會發生地下水補給植被。因此，潛水影響層與根系作用層只有保持接觸，植被才能持續得到水分補給。如果地下水位下降導致二者脫離接觸，則植被的水分供給中斷。因此，維持地下水補給植被的條件就是要保證潛水影響層與根系層能夠有交叉。

由張立運等[17]的研究成果可知，駱駝刺最初的發生環境是荒漠平原地區河流的河漫灘，駱駝刺主要分布在亞洲荒漠和半荒漠的平原地區。研究學者在和田河和阿克蘇河交匯處的河漫灘上，觀察到了駱駝刺種子的實生苗。目前，大多數地區的駱駝刺群落衰退的主要原因之一是由于地下水位下降、生境干燥。

艾丁湖流域現在的地貌狀況和不同植被類型分布區的地下水位并不能夠反映其植被萌發時相應的地下水位分布狀況。這些植被原先是依靠河流的地表水泛濫而發生的，依靠地下水生存。經調查分析，2017年研究區天然植被區蒸發蒸騰量ET總量為168.57 mm，而長期以來，研究區年蒸騰蒸發量遠高于多年平均降水量10 mm，在沒有地表水補充的情況下，包氣帶蓄水量變化量為負值，包氣帶由上自下土壤含水量逐漸減少，植被的根系生長深度也隨之適應性加深，植被的根系吸收包氣帶儲存的土壤水生存，因此當地下水埋深在一定范圍內時，現存的植被仍能存活;但當地下水埋深超過一定范圍內時，植被的根系只能靠吸收包氣帶儲存的土壤

水生存，隨著地下水位的下降，包氣帶中的水分逐漸減少，

因此植被可以吸收的水分越來越少，植被將逐漸衰退，以至于無法自然更新，當包氣帶水全部被耗盡，植被將無法存活。

2.2 1976—2019年植被覆蓋度時空變化

艾丁湖流域內，天然植被主要為灌木地、草地，人工植被主要為耕地、林地。由圖1可知，人工植被的平均覆蓋度高于天然植被的平均覆蓋度。

2.2.1 人工植被（耕地、林地）。1976—2019年，隨著人類對水資源開發利用效率和耕作技術水平的提升，進入21世紀后人工植被的平均覆蓋度呈明顯增長趨勢。

2.2.2 天然植被（灌木地、草地）。由圖1可以看出天然植被平均覆蓋度的變化歷程，可將其分為3個變化周期：1976—1995年，天然植被的平均覆蓋度呈減小趨勢;1995—2010年，天然植被的平均覆蓋度呈增大趨勢;2010—2019年，天然植被的平均覆蓋度又轉為減小趨勢。 2017年天然植被的平均覆蓋度為低谷值，1976、2010年天然植被的平均覆蓋度為峰值。

由圖2可如，1976—2019年艾丁湖流域天然植被覆蓋度的變化情況，1976—2019年土地利用類型均為天然植被且沒有發生變化，覆蓋度增大的區域與覆蓋度減小的區域面積相當，覆蓋度增大的區域主要分布在植被覆蓋度減小的區域的北部，1976—2019年高蓋度植被由南向北發生遷移。

2.3 1976—2019年綠洲面積變化與地下水開發利用關系

由圖3可知，隨著艾丁湖流域社會經濟的發展，艾丁湖流域平原區土地利用變化表現為：天然綠洲面積在1976—2010年呈減少的趨勢，在2010—2019年呈增大的趨勢;人工綠洲面積在1976—2019年呈增大的趨勢;天然綠洲與人工綠洲面積比值整體上呈先下降后上升趨勢;在2010年左右比值最小。

2010年以前，該區域經濟發展較為粗放，再加上人口的增長增加了糧食的需求量，促使耕地面積擴張，使得人工綠洲面積呈現遞增趨勢。2010年以后，當地政府提出并采取了生態保護的政策和科學的治理方略，推進了約束地下水資源開采、地下水回灌等地下水合理開發利用方案的實施，近年來艾丁湖生態區開展的生態保護主要是針對鹽生草甸即駱駝刺的保護，在重點地區建設圍欄工程，適當調整載畜量，使天然綠洲的面積開始回升。

由圖4可知，1976—2019年艾丁湖流域天然植被分布，主要分為不變范圍、擴張范圍及衰退范圍。總體來說，1976—2019年天然植被的衰退范圍為1 181 km2、擴張范圍為379 km 衰退范圍遠大于擴張范圍，從分布面積上看呈整體退化趨勢。天然植被的衰退范圍主要分布在西區郭勒布依鄉西部、吐托公路南側、中區艾丁湖的北部以及東區達朗坎鄉和迪坎鄉南部。

天然植被范圍分布發生變化的原因主要是由于長期以來艾丁湖生態區人類活動、水資源開發利用強度不斷增強，局部地區地下水超采程度日益嚴峻，進入湖泊的水量逐漸減少，艾丁湖生態系統明顯惡化，盡管近年來艾丁湖生態區在重點地區開展了鹽生草甸即駱駝刺的保護、建設圍欄工程、適當調整載畜量等舉措，但是1976—2019年天然植被分布仍然呈明顯退化趨勢。

1976—2018年艾丁湖流域水資源利用量、地下水開采量、人類總耗水量與天然綠洲、人工綠洲的面積比的變化過程見圖5。

由圖5可知，在1976—2018年，人工綠洲面積隨著地下水開采量的先增加后減少呈現先增大后保持穩定的趨勢;而天然綠洲面積則隨著地下水開采量的先增大又逐漸減小呈現出先減小后增大的趨勢。由此可見，天然綠洲面積與地下水開采量呈相反變化趨勢。

3 結論

（1）天然綠洲面積在1976—2010年呈減少的趨勢，在2010—2019年呈增大的趨勢;人工綠洲面積在1976—2019年呈增大的趨勢。天然綠洲與人工綠洲面積比值整體上呈先下降后上升趨勢，在2010年左右比值最小。（2）天然植被范圍分布發生變化的原因主要是長期以來艾丁湖生態區人類活動、水資源開發利用強度不斷增強，局部地區地下水超采程度日益嚴峻，進入湖泊的水量逐漸減少，艾丁湖生態系統明顯惡化。盡管近年來艾丁湖生態區在重點地區開展了鹽生草甸即駱駝刺的保護、建設圍欄工程、適當調整載畜量等舉措，但是1976—2019年天然植被分布面積仍然呈明顯退化趨勢。

（3）天然植被的平均覆蓋度在1976—1995年呈減小趨勢，在1995～2010年呈增大趨勢，在2010—2019年又轉為減小趨勢。1976—2019年期間植被覆蓋度增大的區域主要分布在覆蓋度減小區域的北部，說明1976—2019年高蓋度植被由南向北發生遷移。天然植被退化的主要原因是地下水埋深逐漸加大，且受不到山區的地表水補充;以及由于城鄉工礦用地的擴張導致天然植被減少。

（4）在1976—2012年，艾丁湖流域的社會經濟進入了一個迅速發展的時期，隨著流域內人口對水資源以及糧食的需求不斷地增大，地下水資源的開采量、人工綠洲面積及人工植被覆蓋度均呈現明顯的增大趨勢。由于多年平均降水量呈輕微減少的趨勢，且地下水開采量的明顯增大，是導致此期間天然植被面積及天然植被覆蓋度呈減小趨勢的原因。到了2012年左右，地下水開采量達到極大值，隨后在2012—2018年，由于當地政府提出并采取了生態保護的政策和科學的治理方略，推進了約束地下水資源開采、地下水合理開發利用、退耕還林、退牧還草的方案，地下水開采量呈現明顯的下降趨勢，盡管人工綠洲面積仍保持穩定，但人工植被覆蓋度明顯開始回落，天然綠洲的面積及天然植被覆蓋度均開始回升，生態環境逐漸改善。

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