基于生態(tài)廊道時空變化格局的和田河流域治理措施研究

王亞軍

(塔里木河流域干流管理局，新疆 阿拉爾 843000)

天然植被是生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者，也是生態(tài)系統(tǒng)最基本的組成部分，天然植被的生長狀況可以反映自然生態(tài)環(huán)境狀況[1]。在生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱區(qū)，植被在維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定方面具有重要作用[2]。新疆和田河是塔里木河重要的源流之一，同時也是沙塵暴高發(fā)區(qū)之一，是典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)[3]。近年來，隨著人口的增加，導(dǎo)致耕地面積增大，建筑用地擴(kuò)張，流域生態(tài)環(huán)境遭到破壞，生態(tài)環(huán)境問題突出[3]。生態(tài)廊道作為構(gòu)建區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，維持生態(tài)系統(tǒng)以及物種多樣性穩(wěn)定具有重要作用[4]。因此，本研究圍繞和田河流域生態(tài)廊道的土地利用/覆被以及植被覆蓋的時空變化，計算得到基于保護(hù)生態(tài)廊道需求的生態(tài)需水量并提出相應(yīng)的保護(hù)對策。同時，對和田河流域的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隨時間的變化趨勢進(jìn)行了分析，根據(jù)劃分的重點生態(tài)功能區(qū)和生態(tài)敏感區(qū)確定了和田河流域生態(tài)廊道的保護(hù)范圍、保護(hù)面積以及保護(hù)目標(biāo)，并通過計算得出了保護(hù)生態(tài)廊道所需的生態(tài)水量。本研究有利于和田河流域水資源的可持續(xù)發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

和田河流域位于我國的新疆南部，塔里木盆地的南部邊緣，流域所處地理坐標(biāo)為東經(jīng)77°24′～84°55′，北緯34°20′～39°38′[3]。和田河兩支流的徑流量分別為22.3億m3、21.5億m3，出山口處多年徑流量為43.8億m3[5]。和田河縱穿塔克拉瑪干沙漠，全長319km，最終流入塔里木河，目前是塔里木河的源流之一[6]。研究區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候，降水量少，蒸發(fā)量大，年平均降水量約為35.6mm，年平均蒸發(fā)量為2159.0～3137.0mm[7]。

和田河上游由兩大支流組成，分別為玉龍喀什河和喀拉喀什河，兩條支流在闊什拉什匯合，稱為和田河，最終在阿克蘇地區(qū)的肖塔水文站匯入塔里木河。和田河的上游段以喀拉喀什河和玉龍喀什河為起點，以烏魯瓦提和玉龍喀什河水利樞紐為終點；中游段以上游河段的終點為起點，以闊什拉什(包括新疆墨玉縣拉里昆國家濕地公園)為終點；下游段即為和田河綠色走廊段，以中游終點為起點，以肖塔為終點[3]。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究使用的1970—2018年逐日蒸發(fā)量氣象數(shù)據(jù)由塔里木河干流各氣象站提供。遙感影像數(shù)據(jù)為1990年、2000年、2010年及2017年的Landsat-TM影像數(shù)據(jù)，分辨率為30m。對這4個年份的影像數(shù)據(jù)根據(jù)解譯標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行人機(jī)交互判讀和數(shù)字化，通過現(xiàn)場驗證和校正后生成矢量化專題圖。最后根據(jù)《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T 21010—2017)與流域?qū)嵉赝恋乩们闆r，參考土地利用特征及Landsat-TM影像數(shù)據(jù)的空間分辨率，確定區(qū)分出景觀格局類型。NDVI數(shù)據(jù)選取1990年、2000年、2010年及2017年Terra和Aqua衛(wèi)星搭載的MODIS傳感器數(shù)據(jù)，分辨率為250m，時間分辨率16天。NDVI表征了植被密度和生長情況,被廣泛用作植被覆蓋度的替代指標(biāo)。利用研究區(qū)邊界裁剪的方式確定了1990年、2000年、2010年及2017年的NDVI數(shù)據(jù)集。

2.2 Manne-Kendall趨勢檢驗

Manne-Kendall統(tǒng)計檢驗是非參數(shù)檢驗[8]。依次比較時間序列X1，X2，X3，…，Xn，結(jié)果表示為sgn(θ)：

(1)

Manne-Kendall檢驗計算如下：

(2)

式中：xk、xi為隨機(jī)變量；n為樣本數(shù)量。

(3)

式中：當(dāng)|Zc|≥1.96，|Zc|>2.58時，表示樣本序列有明顯的趨勢變化，顯著水平分別為P<0.05和P<0.01；當(dāng)Zc>0時表示呈上升趨勢；當(dāng)Zc<0時表示呈下降趨勢[9]。

2.3 生態(tài)需水量估算

和田河兩岸的植被生長所需的水分供給主要依靠地下水，天然植被的實際蒸散依靠潛水向上輸送供給[10]，在干旱區(qū)依靠潛水進(jìn)行水分補給的植被實際蒸散量近似等于潛水蒸發(fā)量[3]。因此，可以通過潛水蒸發(fā)量來估算天然植被的需水量。本研究借助潛水蒸發(fā)模型和面積定額，分別計算和田河各個河段天然植被的生態(tài)需水量。

a.目前潛水蒸發(fā)法常用的計算公式為

(4)

式中：E為潛水蒸發(fā)強度,mm；E20為20m2蒸發(fā)池的水面蒸發(fā)量,mm；H為地下水埋深,m；Hmax為地下水極限埋深,m，按5m計算[10]。

b.定額法的計算公式為

(5)

式中：Wp為植被需水保證率；Ai為i類的植被面積；mpi為相應(yīng)保證率的植被需水定額；n為植被類型數(shù)[10]。

3 結(jié)果與分析

3.1 和田河流域土地利用/覆被變化特征

和田河流域植被土地利用類型變化情況見圖1、表1。由圖1和表1可知，2017年和1990年相比，和田河流域耕地和草地面積分別增加了1440.46km2和1529.08km2，增加幅度分別為82.37%和26.41%；林地面積減少了1658.45km2，減少幅度為55.00%；水域面積較1990年基本持平，下降幅度僅0.21%；建筑用地變化明顯，呈現(xiàn)不斷增加的變化趨勢，1990—2016年間由182.21km2增加至282.74km2，增加幅度為55.17%。根據(jù)以上結(jié)果可知，整個和田河流域土地利用變化呈現(xiàn)出耕地與建筑用地面積有所增加的趨勢，主要原因是人口增加以及人類活動加劇，對耕地以及建筑用地的需求量增加，人為因素的干擾逐漸加劇。2010—2017年間未利用地面積明顯減少，同時草地面積也有所增加，這表明了在這一時期內(nèi)和田河流域天然植被有所恢復(fù)，對和田河流域的綜合治理已見成效。

圖1 和田河流域植被類型空間分布

表1 和田河流域土地利用面積與變化幅度統(tǒng)計

3.2 和田河流域植被覆被時空變化特征

基于2000—2018年和田河上中游植被覆蓋度空間分布數(shù)據(jù)，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2)以及對應(yīng)的植被覆蓋變化趨勢空間分布圖(見圖3)。由圖2可知，從2000—2018年整個時間序列來看，和田河中上游植被覆蓋度整體呈上升趨勢，其中，2000—2010年呈顯著增加趨勢，2011—2018年呈不顯著增加趨勢。相比2000—2010年，2011—2018年和田河中上游平均植被覆蓋度增加了33.17%，有56.57%和43.03%區(qū)域呈非顯著增加趨勢。此外，2000—2010年和2011—2018年分別有9.83%和42.38%的區(qū)域植被覆蓋度呈非顯著降低趨勢。和田河上中游植被覆蓋變化趨勢見表2。由表2可知，2000—2018年整體有12.54%的面積呈顯著增加趨勢，2.18%的區(qū)域呈顯著降低趨勢。

圖2 和田河上中游植被覆蓋度變化趨勢

圖3 和田河上中游植被覆蓋變化趨勢空間分布

表2 和田河上中游植被覆蓋變化趨勢

基于2000—2018年和田河下游植被覆蓋度空間分布數(shù)據(jù)，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4)以及對應(yīng)的植被覆蓋變化趨勢空間分布圖(見圖5)。和田河下游植被覆蓋變化趨勢類型面積及比例見表3，由表3可得，2000—2010年和田河下游植被覆蓋呈非顯著增加趨勢，2011—2018年呈非顯著增加趨勢。2011—2018年和田河下游平均植被覆蓋度和2000—2010年相比增加了36.12 %(見圖4)，并且2個時段大部分區(qū)域呈非顯著增加趨勢，所占比例分別為60.18%和54.23%。此外，2000—2018年和田河下游有32.04%的區(qū)域植被覆蓋度呈非顯著增加趨勢，有52.90%的區(qū)域呈顯著增加趨勢。

圖4 和田河下游2000—2010年及2011—2018年植被覆蓋度變化趨勢

圖5 和田河下游2000—2018年植被覆蓋變化趨勢空間分布

表3 和田河下游植被覆蓋變化趨勢類型面積及比例

3.3 基于生態(tài)廊道保護(hù)的生態(tài)需水量

本研究結(jié)合和田河流域?qū)嶋H生態(tài)環(huán)境狀況，根據(jù)環(huán)保部在2017年印發(fā)的《生態(tài)保護(hù)紅線劃定指南》，將人工綠洲外圍的生態(tài)廊道劃分為重點生態(tài)功能區(qū)。而以分布于近河道兩側(cè)的荒漠河岸林為基礎(chǔ)的生態(tài)廊道，對于維系河流自身生態(tài)健康，保障河流水文周期的完整性具有重要作用，但易受環(huán)境要素的影響，部分流域植被整體較為稀疏且易發(fā)生生態(tài)退化，因此被劃分為生態(tài)敏感區(qū)，具體空間分布見表4。和田河流域生態(tài)廊道面積為4968.87km2，其中重點生態(tài)功能區(qū)(喀拉喀什河與玉龍喀什河渠首至闊什拉什)保護(hù)面積為3293.09km2，生態(tài)敏感區(qū)(闊什拉什至肖塔)保護(hù)面積為1675.78km2。

表4 和田河流域天然植被保護(hù)范圍與目標(biāo)

和田河中下游綠色廊道自然體系的主要構(gòu)成是荒漠河岸林，建群種為灰楊、胡楊、檉柳等。重點生態(tài)功能區(qū)為喀拉喀什河渠首及玉龍喀什河渠首至闊什拉什河段河岸林草區(qū)，河長分別約為120km、100km；生態(tài)敏感區(qū)為和田河干流闊什拉什至肖塔河段林草區(qū)，河長約為319km。重點生態(tài)功能區(qū)和生態(tài)敏感區(qū)生態(tài)需水量見表5。由表5可知，和田河天然植被生態(tài)需水總量為8.85億m3。其中，喀河及玉河重點生態(tài)功能區(qū)生態(tài)需水量分別為2.6億m3和2.5億m3，共計5.1億m3；生態(tài)敏感區(qū)生態(tài)需水總量為3.75億m3。

表5 和田河重點生態(tài)功能區(qū)和生態(tài)敏感區(qū)生態(tài)需水量 單位：億m3

4 討 論

4.1 和田河流域主要生態(tài)環(huán)境問題

a.綠洲外荒漠化嚴(yán)重。根據(jù)測算，近30年來和田河流域農(nóng)田沙漠化面積超過200km2，由于流沙以及人類活動導(dǎo)致的沙化土地面積達(dá)300km2[11]。自20世紀(jì)60年代以來沙地面積不斷增加，由10000.2km2增長到10650.6km2，到2005年沙地面積超過了10700.0km2，主要是由草地和水域轉(zhuǎn)變?yōu)樯车豙12]。由于人為砍伐和開采使天然林面積減少了36.0%，土地鹽漬化嚴(yán)重，鹽漬化土地占總土地面積的37.3%，沙化面積占土地面積的52.0%[13]。

b.平原區(qū)土壤沖蝕嚴(yán)重。和田河流域位于塔克拉瑪干沙漠主風(fēng)向的下風(fēng)向，屬于新疆極干旱區(qū)，土壤質(zhì)地疏松，多以砂壤土為主[14]。和田河的兩條支流匯合后進(jìn)入平原區(qū)，平原區(qū)地勢平坦、土質(zhì)疏松，水蝕嚴(yán)重，因此在汛期來臨時易發(fā)生泥石流災(zāi)害[15]。一方面河水進(jìn)入平原區(qū)之后，河水流速減慢，在河道內(nèi)由于流速減緩極易形成淤積；另一方面，在洪峰來臨時由于河道淤積，容易發(fā)生洪水漫溢現(xiàn)象，會摧毀大面積的農(nóng)田，造成巨大損失。

4.2 和田河流域生態(tài)廊道的保護(hù)措施及建議

針對和田河流域的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀與存在的主要生態(tài)環(huán)境問題，除了納入重點生態(tài)工程的流域荒漠河岸林生態(tài)保育修復(fù)工程外，建議重點采取流域水土保持生態(tài)修復(fù)治理措施以及下游荒漠河岸林保育恢復(fù)措施等。另外，基于和田河流域生態(tài)廊道保護(hù)，提出了如下措施與建議：

a.堅決實行最嚴(yán)格的水資源管理制度，堅持以水定地、以水定發(fā)展原則，嚴(yán)格按照《新疆用水總量控制方案》實施退地減水，確保按計劃實現(xiàn)退地減水目標(biāo)。堅持“人水和諧”理念[16]，完善河段生態(tài)用水考核(以生態(tài)閘引水等為主)，明確各斷面水量及河段生態(tài)用水分河段考核工作實施方案。

b.實施流域水量的科學(xué)與統(tǒng)一調(diào)度。通過實施流域水量的科學(xué)、統(tǒng)一調(diào)度，可以促進(jìn)流域與區(qū)域相結(jié)合的水資源綜合管理體制的建立和完善，可使生態(tài)環(huán)境用水得到基本保證，促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用。有利于維護(hù)各方的水權(quán)，提高用水單位以及用水戶的節(jié)水意識。

c.健全生態(tài)水保障法律法規(guī)體系，建立生態(tài)補償管理體制。通過生態(tài)水量占用補償機(jī)制，充分發(fā)揮生態(tài)資本價值的杠桿調(diào)節(jié)作用，強化流域內(nèi)節(jié)約用水意識，以保障河流生態(tài)基流。

5 結(jié) 語

本研究基于遙感影像數(shù)據(jù)以及Manne-Kendall檢驗，分析了和田河流域的土地利用以及植被覆蓋的時空變化特征。結(jié)果表明，和田河流域林地面積呈減少趨勢，林地退化嚴(yán)重，耕地以及建筑用地面積不斷增加；和田河流域植被覆蓋度整體呈上升趨勢。另外，根據(jù)生態(tài)廊道重點生態(tài)功能區(qū)和生態(tài)敏感區(qū)的保護(hù)目標(biāo)和保護(hù)范圍，確定了生態(tài)需水量。本研究結(jié)果有利于塔里木河流域綜合治理，為塔里木河流域的生態(tài)文明建設(shè)與社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供了理 論依據(jù)。