基于生態修復的艾比湖流域生態需水研究

藺 卿,陳 明,王迎春,丁大發,羅清麗,楊建明

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

艾比湖流域受氣候變化和人類活動加劇雙重因素影響，入湖水量銳減導致湖面收縮，生物多樣性銳減，湖濱濕地沙漠化擴張，裸露湖底鹽塵為源頭的鹽塵暴、揚塵和浮塵天氣頻發等突出生態環境問題。艾比湖流域已成為僅次于塔里木河中下游的新疆第二大生態退化區域，對流域乃至整個北疆的社會經濟可持續發展產生了嚴重的威脅。學者們對艾比湖生態環境治理提出了具體而有創建性的措施[1-3]。本文面向艾比湖流域生態修復，從完整保留發揮野生生物物種的天然貯存庫出發，探討確定艾比湖流域生態修復目標，識別天然林草保護范圍及修復范圍，以生態需水量滿足主要建群物種自然更新為目標，計算維持林草生長的年內耗水過程及生態需水量，依據主要建群物種與地下水關系，提出天然林草生態保護的合理地下水位，使其實現自身良性循環。

1 流域主要生態環境問題

1.1 艾比湖萎縮導致鹽塵危害

隨著流域內大規模的水土開發，艾比湖水面從20世紀50年代的1200km2萎縮到2021年最小近300km2。干涸湖底正處于阿拉山口的主風道上，因“狹管效應”導致年內大風最多天數為188d，最大風速55m/s，鹽塵起沙風速為4.3～4.8m/s，年內最大起沙風頻次為5895次，時間主要在3—5月、10—11月。鹽塵被人畜吸入或牲畜采食被鹽塵污染的牧草后引發呼吸道疾病達16%，鹽塵造成農作物大幅減產和耕地鹽漬化，同時對輸電線路和鐵路軌道有腐蝕作用，造成輸電線路停電和危及“新歐亞大陸橋”的安全運行。

1.2 湖濱濕地退化導致生物多樣性受損

艾比湖湖濱濕地由入湖河流和泉水補給形成，一些河流被過渡開發后無水源補給，濕地隨之消失。如，托托河下游濕地20世紀70年代時面積較大，隨著托托河被全部引入灌區，濕地大幅萎縮，目前剩余約1/3，依靠地下潛流補給維持。艾比湖東南側濕地的萎縮使天鵝等候鳥的中轉棲息地也遭到一定程度的破壞。

1.3 甘家湖梭梭林自然保護區植被退化嚴重

該區域因補給水源銳減，主要源流古爾圖河、四棵樹河、奎屯河三河已無地表徑流匯入，僅有洪水和灌區排堿水流至下游，造成河道兩側地下水位明顯下降，河谷、河岸林全部衰敗，地下水位下降導致天然植被大幅度減少，土地沙化問題非常嚴重，沙漠向人工綠洲區推進的速度加快。同時因生境變化狐貍等食鼠動物外遷，沙土鼠、旱獺等泛濫，進一步導致天然植被退化，生態格局進一步改變，對人工綠洲的穩定性和可持續性的保護作用減弱。

1.4 水環境持續惡化

艾比湖流域面源污染負荷較大，入湖河流及湖體總氮濃度較高，導致湖濱帶自然植被受損，珍稀物種生境破壞，農村生活污水缺乏有效處理，城鎮生活污水集中處理率、畜禽養殖糞污資源化利用水平有待提高，這些均直接或間接影響艾比湖生態安全，同時當地居民成為最直接的受害者，對居民健康存在危害。

2 流域生態修復目標分析

流域內天然綠洲包括湖濱濕地、精河濕地、博爾塔拉河濕地[4]以及三河尾閭的河谷林。結合前人的研究，經過3次野外踏勘和大量內業工作，確定了3個生態修復目標，即：艾比湖濕地保護區、甘家湖梭梭林自然保護區、甘家湖保護區外河道生態系統。艾比湖濕地保護區包括艾比湖湖面、托托河下游濕地、艾比湖湖濱濕地，艾比湖湖面生態需水考慮的因素較多，將另文研究。甘家湖梭梭林自然保護區包括三河尾閭部分荒漠林。甘家湖保護區外河道生態系統除甘家湖保護區外三河河道生態修復目標。如圖1所示。

圖1 艾比湖流域生態修復目標示意圖

2.1 艾比湖流域濕地保護區

艾比湖濕地主要植物種群為沙生、鹽生、水生、濕生植物，鳥類較多，是野生動物的重要棲息地和候鳥的主要繁殖地、中轉地和越冬地，對維系艾比湖流域生物多樣性和生態環境穩定性發揮著重要作用。該湖濱濕地歷史上與甘家湖天然綠洲連接成片，共同發揮濕地的生態功能。補給河流曾經有精河、托托河及烏東果勒河，現狀只有精河補給，托托河和烏東果勒河被引入灌區消耗殆盡，幾乎無水補給下游。

湖濱濕地恢復目標確定為：湖南部的精河下游入湖口附近濕地、湖東的托托河和奎屯河入湖口附近濕地。通過河道向濕地補給修復，力爭濕地生態現狀向良性轉變，發揮功能，減少人類破壞活動影響，保護動植物適宜的生長環境和增強生物多樣性。

艾比湖濕地區因湖面呈現縮小趨勢，裸露的湖底鹽塵對下風向甚至整個天山北坡經濟帶造成危害，湖濱濕地沼澤面積銳減，生物多樣性呈現下降趨勢；湖東濕地地下水位下降，天然植被退化，邊緣明顯沙化，河谷林、草甸、濕地嚴重退化。

2.2 甘家湖梭梭林國家級自然保護區

該保護區發育了以梭梭、白梭梭、胡楊等荒漠植物為主體的典型的旱生和超旱生荒漠植被類型，稀疏灌木、半灌木荒漠占優勢，是我國唯一溫帶荒漠地帶的梭梭荒漠保護區，是我國生物多樣性的重要基因庫，水資源主要作用是創造了多樣性的生態系統來支撐多樣性的生物種群，維護系統的整體穩定。補給河流曾經有奎屯河、古爾圖河和四棵樹河，早在20世紀60—70年代就已陸續斷流。通過90年代TM影像與2020年高分辨率影像、無人機影像對比分析，梭梭林廣泛分布在沙漠、土漠、鹽漠上，以河道兩岸的胡楊林外緣、河谷階地、三角洲長勢最好，遠離河道的梭梭林則平均高度較低、冠幅小，抵御風沙能力差，風沙侵蝕加快，梭梭林進一步退化。

2.3 河道生態修復目標

河道生態修復目標主要包括奎屯河、古爾圖河和四棵樹三河河岸荒漠植被，作為重要的生態廊道對沙漠化控制作用十分顯著，反之缺水退化將極易造成沙漠擴張，同時還發揮保護生物多樣性、維護生態安全、調節氣候等重要生態功能。保障奎屯河尾閭下泄水量，遏制梭梭林、胡楊林退化。

3 生態需水計算

生態需水計算國外研究較成熟，國內已廣泛應用[5-13]，一般都根據研究區的水文、水生態和資料情況選取合適的方法并進行修正。

3.1 遙感數據處理

采用1990年TM、2000年ETM、2010年TM、2015年ETM和2020年1m高分辨率遙感數據，經過幾何糾正、拼接等預處理后使用面向對象解譯方法提取生態修復目標。采取面向對象的解譯方法設置顏色、形狀、緊實度將像元按規則分割成為對象，在對象的基礎上建立分類規則解譯林、灌、草等植被類型，將土地利用類型劃分為10個大類55小類，甘家湖保護區在林、灌、草的基礎上又細化分類到了群落。利用5期遙感數據結合GIS分析方法，分析30年來艾比湖流域平原區土地利用變化情況，探究流域平原區土地利用時空變化特征。重點分析2020年1m高分辨率遙感數據，與歷年土地利用變化分析結果相對比，與無人機影像相互印證，開展2次野外實地驗證，力求對植被類型和覆蓋度做到準確分類和計算。

甘家湖保護區需水量包括奎屯河尾閭生態需水。精河尾閭濕地以草本植物蘆葦為主，托托河、博爾塔拉河濕地主要為沿河道的河谷林，灌木和草本混合的胡楊-檉柳、梭梭-蘆葦濕地。托托河位于保護區東南部，中游葦湖、阿奇克蘇濕地寬度較大，最大濕地寬度超過500m。

3.2 生態需水計算

本次采用聯合國糧食及農業組織(FAO)推薦的需水量計算方法:①以精河的水面蒸發計算出作物參考蒸騰發量ET0；②確定草本濕地的各月的需水系數Kt，計算出草本濕地月蒸騰量；③凈需水定額是月蒸騰量與有效降水的差值；④生態需水量是定額與面積的積。

利用GIS軟件中的Kringing插值，得到研究區降雨、蒸發的面狀數據，同時可得到每個柵格的降雨和蒸發量。降雨插值圖顯示降水由四周向中部遞減，生態修復區月降水小于30mm，且降水量月變化很小，而山區降雨的月變化較大。月蒸發量阿拉山口最大，年蒸發能力可達到2000mm，與阿拉山口風速大關系密切；精河和烏蘇的年蒸發能力也分別達到850mm和1148mm，生態修復區各站點降雨量本身很小，蒸發能力又遠大于降雨量，自然降水不能滿足植被生長，需要依靠地表水資源和地下水。

ETi，t=ET0×Kt

(1)

需水系數是植被生長狀況和土壤供水條件的函數，考慮到荒漠植被在冬季(11月—次年3月)基本停止生長，小灌木甚至為積雪覆蓋，蒸發較小，故冬季需水本研究未做考慮。

根據遙感解譯的各分區地類面積，計算得到了各分區荒漠植被需水量：

W=∑(ETi,t-Pe,t)A

(2)

式中，W—生態需水量；ETi，t—蒸發量；Pe，t—有效降雨量；A—面積。

根據前文確定的生態修復目標，計算各地類需水定額和各分區生態需水量見表1。

表1 湖濱濕地及甘家湖梭梭林保護區生態需水匯總表

生態需水計算結果顯示，濕地生態修復目標現狀共有54.27km2，共需水0.59億m3，其中精河濕地31.45km2，需水0.34億m3；湖東濕地3.42km2，需水0.04億m3；托托河濕地19.4km2，需水0.21億m3。甘家湖保護區現狀需水2.32億m3，其中有林地55.19km2，需水0.39億m3；灌木498.93km2，需水1.93億m3。以上生態需水量僅為維持各修復目標的需水量，不包括在生態補水過程中的河道滲漏損失。

3.3 抬升淺層地下水位的生態需水

淺層地下水是干旱區荒漠植被的生命線。甘家湖保護區內遠離河道的天然植被明顯衰敗，其主要原因是地下水位下降太多，天然植被已不能通過根系獲得充足的水分。國內外的研究也表明胡楊、梭梭等荒漠植被生長主要依賴于地下水補給。在古爾班通古特沙漠研究表明地下水埋深5m處梭梭和白梭梭種群密度均處于較高水平[14]。當地下水位加深時，梭梭種群密度均有不同程度的下降，且出現種群內幼苗補充不足、更新受阻現象。在地下水埋深5m處，梭梭和白梭梭的結實密度、結實概率都很高，種群內有大量的幼樹參與到種子生產中。地下水位下降時，梭梭和白梭梭種群的結實能力明顯降低，表現為種群以老枝葉為主，罕有新枝葉和幼苗生長。梭梭和白梭梭對地下水的依賴程度不同，梭梭種群對地下水的依賴程度強，白梭梭種群受地下水位下降的影響相對較弱，胡楊種群對地下水的依賴也較強。綜合上述，結合其他區域研究確定了甘家湖保護區天然植被的適宜地下水位：白梭梭、梭梭、檉柳-梭梭群落為5m，檉柳-梭梭-胡楊、胡楊群落為4.7m。因甘家湖保護區缺乏地下水資料，在參考歷史地下水位資料的基礎上，采用多通道地下水找水儀探測地下水位，同時采用現狀年遙感影像數據提取植被指數，與需抬升的地下水位建立回歸關系，通過植被狀況推斷地下水位需抬升情況，即推斷理想狀態地下水位與實際地下水位的差值。結果顯示，甘家湖梭梭林自然保護區淺層地下水位需要平均抬升2m，給水度參照以往該區域的研究取0.17，則補給淺層地下水的需水量為1.88億m3。

綜上所述，在未考慮河道滲漏和工程損耗的情況下，艾比湖流域天然生態修復生態需水量為2.91億m3。其中甘家湖保護區為2.32億m3，湖濱濕地為0.58億m3。甘家湖保護區需補給地下水的為1.88億m3。

其中甘家湖保護區需水為2.32億m3；恢復湖濱濕地的需水為0.58億m3。甘家湖保護區抬升淺層地下水的需水量為1.88億m3。補給水源依靠各源流落實用水總量紅線和退地減水等方式解決。補給方式以河道下泄為主，還可考慮規劃設計一些簡易的生態補水工程，對遠離河道的保護目標進行補水灌溉。另外，建議減少各源流尤其是三河等源流中游農業灌溉區的農業高效節水面積，恢復溝畦灌溉，以增加灌溉回歸水對灌區下游天然生態的補給。同時，加大奎屯河流域的節約用水力度，保障生態基流下泄，恢復與艾比湖的水力聯系，對于甘家湖梭梭林自然保護區和湖東濕地的恢復都具有至關重要的意義。

4 結語

本文計算了艾比湖流域生態修復目標的生態需水量，包括恢復和維持天然植被和抬升淺層地下水位兩部分生態需水量。定額法是現狀情況下的不同植被類型的需水量，未考慮同一類型下不同生長狀態的需水。抬升淺層地下水位則是保障天然植被結構合理，能正常更新。參考了古爾班通古特沙漠區域內的類似研究，用歷史地下水位和植被生長指數建立的地下水關系確定了各種植被類型的需抬升水位。由于采用了1m高分辨率遙感數據，植被分類更為準確，相應的生態需水測算也更準確。存在的不足是未考慮抬升淺層地下水位對鹽分的影響。