阿克蘇河流域生態(tài)輸水效益評估及對策探究

徐生武

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

阿克蘇河是塔里木河水量最大的源流，位于新疆維吾爾自治區(qū)塔里木盆地西部，長224km，由發(fā)源于天山西段的庫瑪拉克河(也稱昆馬立克河)和托什干河組成，河流徑流依靠山地降水及冰雪融水補(bǔ)給[1]。阿克蘇河流域生長著大量的胡楊林，有全世界最急需優(yōu)先保護(hù)的林木基因資源[2]。近幾十年來，人為活動包括綠洲擴(kuò)張和水資源過度利用，導(dǎo)致一系列生態(tài)問題[3]。2001年以來，實(shí)施了塔里木河流域綜合治理。2015年，針對阿克蘇河流域退化胡楊林區(qū)開展輸水，生態(tài)環(huán)境有所改善。因此，科學(xué)合理的生態(tài)輸水效益評估，為制定切實(shí)可行的胡楊林輸水方案提供理論指導(dǎo)。

研究結(jié)合水文和遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合輸水過程和淹灌效率，從土壤水和地下水變化、植被生長及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時空格局等角度，評估生態(tài)輸水效益。結(jié)合既往輸水量、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，總結(jié)當(dāng)前輸水問題，提出生態(tài)輸水的對策及建議。

1 數(shù)據(jù)及處理

本文獲取生態(tài)輸水前后的多源多尺度高頻次遙感數(shù)據(jù)，包括Sentinel-1微波數(shù)據(jù)、Landsat-TM光學(xué)影像數(shù)據(jù)、Modis-EVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)、Modis-LST地表溫度數(shù)據(jù)、GEWEX-SRB地表輻射數(shù)據(jù)、CMORPH降水?dāng)?shù)據(jù)、AMSR-E輻射計(jì)數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)周期介于5～16d，分辨率5～250m。經(jīng)ENVI、ArcGIS、Python數(shù)據(jù)處理，獲取輸水區(qū)內(nèi)淹灌范圍、淹灌持續(xù)時間、土壤水、植被覆蓋度、生態(tài)環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù)(RSEI)等數(shù)據(jù)[4-5]。

2 生態(tài)輸水效益評估

2.1 生態(tài)輸水過程及淹灌效果

2.1.1生態(tài)輸水過程及淹灌面積

阿克蘇河規(guī)劃生態(tài)輸水1.60億m3，實(shí)際輸水1.89億m3，完成度為118%，超額完成年度輸水目標(biāo)。借助專業(yè)的遙感大數(shù)據(jù)平臺，集合Sentinel-1號衛(wèi)星的微波數(shù)據(jù)(重訪周期為6d，分辨率為5～20m)，以及多源光學(xué)遙感時間序列數(shù)據(jù)。計(jì)算阿克蘇河胡楊林輸水區(qū)水體指數(shù)并提取水面面積。通過ArcGIS對多期阿克蘇河南岸胡楊林輸水區(qū)淹灌面積圖層進(jìn)行疊加，獲得生態(tài)輸水的最大淹灌面積42.59萬畝。通過ArcGIS對獲取的最大淹灌范圍圖層做1km緩沖區(qū)分析，獲得輸水區(qū)最大淹灌面積的影響范圍78.91萬畝。

2.1.2 淹灌持續(xù)時間

利用多期阿克蘇胡楊林輸水區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)，通過人工解譯提取淹灌水面的空間分布，據(jù)此確定生態(tài)輸水最大淹灌范圍、持續(xù)時長。從水與植被之間的相互關(guān)系來看，淹灌不足有礙達(dá)成較好的生態(tài)效果，而淹灌過多則可能造成植被生長受阻、水資源浪費(fèi)等。根據(jù)以往研究[6]，將淹灌時間1～7d和高于28d分別識別為淹灌不足和過度淹灌，8～28d為適度淹灌。根據(jù)提取結(jié)果，淹灌時長0～7d的區(qū)域面積最大，達(dá)13.8萬畝，占比32.5%(表1)。淹灌時長8～28d的區(qū)域，達(dá)18.8萬畝，占比44.2%；淹灌時長28d以上的區(qū)域，達(dá)9.92萬畝，占比23.3%。

表1 胡楊林淹灌時長及空間分異 單位：%

2.2 土壤水與地下水響應(yīng)

2.2.1 地下水儲量

根據(jù)表2，阿克蘇河輸水區(qū)地下水儲量均呈增加變化，最高643mm，最低36mm。總體以增加200～300mm為主，占比54.3%，主要分布于輸水區(qū)東北和西南部；地下水儲量增加300～400mm和0～100mm的區(qū)域面積占比相當(dāng)，均為20%，分別分布于輸水區(qū)西部和東南部；地下水儲量增加400mm以上的區(qū)域面積占比為5.7%，主要分布在輸水區(qū)西部。

表2 地下水儲量范圍及占比

2.2.2 土壤含水量(TVDI)

根據(jù)表3，2015—2022年，阿克蘇河輸水區(qū)輸水后干旱程度明顯減弱。阿克蘇河輸水區(qū)無旱區(qū)和輕旱區(qū)面積比例增加，分別提升到2.0%、9.3%。中旱區(qū)由36.7%增至42.9%，重旱區(qū)由39.0%減少到32.8%，特旱區(qū)由22.7%減少到13.0%。綜上，阿克蘇河區(qū)域處在特旱、重旱區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為輕旱、無旱區(qū)，土壤呈濕潤化發(fā)展。

表3 輸水區(qū)不同等級TVDI占比 單位：%

2.3 胡楊生長和群落結(jié)構(gòu)

2.3.1 胡楊林覆蓋度(NDVI)

2015—2022年的植被生長旺盛期，阿克蘇河植被覆蓋整體呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(表4)，阿克蘇河生態(tài)輸水雖未形成大范圍淹灌，但生態(tài)輸水顯著，抬升了地下水埋深，從而使得植被長勢明顯好轉(zhuǎn)。其中，2015—2022年，每年7—9月，植被高覆蓋度均值增長了12.4%，中覆蓋度增加了2.6%，極低、低覆蓋度分別減少了14.5%、0.6%。表明阿克蘇河輸水區(qū)植被覆蓋度呈上升趨勢，生態(tài)輸水實(shí)施之后，阿克蘇河輸水區(qū)植被生長趨勢明顯好轉(zhuǎn)。

表4 7—9月不同覆蓋度胡楊林平均植被覆蓋度面積占比 單位：%

2.3.2 固碳能力

凈初級生產(chǎn)量，又稱凈初級生產(chǎn)力(NPP)，是指在初級生產(chǎn)中，除去其新陳代謝所消耗的能量(呼吸量)后剩余的能量。生態(tài)輸水促進(jìn)了胡楊林初級生產(chǎn)力提升，阿克蘇河NPP由2015年的3.29gC/(m2·a-1)增加到2022年的3.64/(m2·a-1)，變化率增加了10.52%。

2.3.3 植被葉面積指數(shù)(LAI)

葉面積指數(shù)控制著生物理化過程，是干旱半干旱地區(qū)植被退化和恢復(fù)的敏感指標(biāo)。根據(jù)胡楊的葉面積指數(shù)情況，劃分為低、中，高和極高葉面積指數(shù)4類(表5)。生態(tài)輸水促進(jìn)了流域葉面積指數(shù)整體增強(qiáng)，植被長勢與固碳能力提高。2015—2022年，極高等級葉面積指數(shù)面積從2.2%增加到46.1%，低等級葉面積指數(shù)面積由31.1%減少到29.9%，中等級葉面積指數(shù)面積從24.8%減少到15.4%，高等級葉面積指數(shù)面積從41.9%減少到8.9%。整體上，生態(tài)輸水促進(jìn)了葉面積指數(shù)增加，促使流域葉面積指數(shù)由低、中、高等級向極高等級轉(zhuǎn)移。

表5 各等級葉面積指數(shù)占比

2.3.4 植被景觀指數(shù)

生態(tài)輸水促使胡楊林植被景觀由大斑塊向小斑塊分散，植被景觀的蔓延度趨勢增加(表6)。阿克蘇河流域的最大斑塊指數(shù)由18.8減少到17.9，植被小斑塊景觀數(shù)量有所增加，蔓延度指數(shù)增加，破碎化程度上升；分離度、均勻度和多樣性指數(shù)基本維持不變。

表6 植被景觀指數(shù)匯總

2.4 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量(RSEI)

2022年和阿克蘇胡楊林輸水區(qū)生態(tài)質(zhì)量狀況以良[0.4～0.6]等級為主(表7)占輸水區(qū)總面積的64.5%，而生態(tài)質(zhì)量狀況等級為優(yōu)的區(qū)域，占比3.2%。通過對比2015年和2022年阿克蘇河輸水區(qū)胡楊林生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化，輸水后和阿克蘇生態(tài)環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善。阿克蘇河流域，2015—2022年間RSEI等級為差等的面積占比由9.7%下降至1.5%，中等區(qū)面積占比由72.3%下降至30.8%，等級為良的面積占比由17.9%增加至64.5%，優(yōu)等區(qū)面積占比由0.1%增至3.2%；阿克蘇河區(qū)域RSEI由中等向優(yōu)良轉(zhuǎn)化。

表7 2015—2022年胡楊林輸水區(qū)生態(tài)質(zhì)量變化統(tǒng)計(jì)表 單位：%

3 未來生態(tài)保護(hù)與修復(fù)區(qū)及輸水建議

3.1 植被覆蓋度漸變模式

阿克蘇河流域植被覆蓋度變化模式為邏輯增長型。2001年，開始發(fā)生明顯變化，至2010年，變化趨于穩(wěn)定(圖1)。流域植被覆蓋度未來整體將保持高水平穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 2000—2020年植被覆蓋度整體漸變模式

整體而言，阿克蘇河流域植被覆蓋度變化模式呈增長模式；增長模式占比(94.9%)遠(yuǎn)高于減少模式(5.1%)。下降模式主要分布在流域的東北區(qū)域。

阿克蘇河流域植被覆蓋度未來整體將處于或趨向良性狀態(tài)。未來變化趨勢(表8)，為持續(xù)改善和處于高水平穩(wěn)定狀態(tài)(94.9%)的面積比例，遠(yuǎn)高于持續(xù)惡化和處于低水平穩(wěn)定狀態(tài)(5.1%)的面積比例。

表8 植被變化模式統(tǒng)計(jì)結(jié)果

阿克蘇河流域植被達(dá)到穩(wěn)定的時間主要集中在2012年之后，占比為83.3%。將15個持續(xù)變化的年數(shù)分為4類(表9)：2年以內(nèi)，3—4年，5—7年，8年以上。阿克蘇河流域植被覆蓋度變化持續(xù)時間為8年以上的占比最高達(dá)55.5%，5—7年以上占比次之，為20.9%，2年以內(nèi)占比為12.4%，3—4年占比最低，為11.2%。植被變化持續(xù)時間為1—2年的，一般為草本植物，這類植物的恢復(fù)或者退化所需時間較短；變化持續(xù)時間為8年以上的，一般為喬灌木，恢復(fù)過程較為緩慢。從生態(tài)學(xué)角度出發(fā)，干旱內(nèi)陸河流域的喬灌木植被對群落的重要性優(yōu)于草本植物。由此可以看出，阿克蘇河流域生態(tài)系統(tǒng)植被群落結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。

表9 植被蓋度變化持續(xù)時間統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 生態(tài)保護(hù)及修復(fù)范圍劃定

基于阿克蘇河流域現(xiàn)狀下植被覆蓋度及其漸變模式的判定結(jié)果，劃定阿克蘇河的生態(tài)保護(hù)范圍(表10)，流域生態(tài)保護(hù)及修復(fù)總面積為1094.22km2，保護(hù)區(qū)和修復(fù)區(qū)面積分別為426.69、667.54km2，分別占總面積的39.0%、61.0%，其中，修復(fù)區(qū)中又以一般修復(fù)區(qū)為主，約占阿克蘇河流域總面積的35.1%。

表10 生態(tài)保護(hù)與修復(fù)區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表

3.3 未來輸水建議

基于輸水效益和生態(tài)要素變化，未來輸水建議[7-8]：①對烏什縣沙棘林湖泊濕地及第一師三團(tuán)生態(tài)林區(qū)繼續(xù)輸水，對持續(xù)輸水3年，荒漠灌木整體生長狀態(tài)較好，無明顯退化現(xiàn)象的第一師塔里木灌區(qū)沙漠邊緣野生胡楊林區(qū)，建議實(shí)施輪灌。②胡楊林面積擴(kuò)大與質(zhì)量提升權(quán)衡分析表明，阿克蘇河流域重點(diǎn)質(zhì)量提升區(qū)(重點(diǎn)修復(fù)區(qū))主要分布在：托什干河與庫瑪拉克河河岸植被帶、西大橋-阿拉爾河岸胡楊林分布區(qū)、第一師3團(tuán)荒漠綠洲過渡帶等區(qū)域。來水偏枯情景(來水頻率75%～50%)時，合計(jì)0.5億m3。平水年與豐水年情景時，以完全保障重點(diǎn)胡楊林區(qū)為目標(biāo)，生態(tài)輸水量不小于1.56億m3。

4 結(jié)語

生態(tài)輸水以后，流域水文、土壤、植被等變化對生態(tài)輸水的響應(yīng)較為明顯。研究確定生態(tài)輸水可以有效地促進(jìn)地下水儲量總體增加；特旱、重旱區(qū)逐漸轉(zhuǎn)化為輕旱、無旱區(qū)；胡楊林植被覆蓋度和生物量增大；景觀均勻度增加，斑塊離散程度減小。未來以托什干河與庫瑪拉克河河岸植被帶、西大橋-阿拉爾河岸胡楊林分布區(qū)、第一師3團(tuán)荒漠綠洲過渡帶等區(qū)域?yàn)槲磥碇攸c(diǎn)修復(fù)區(qū)，建議枯水年輸水量為0.5億m3，平水和豐水期不小于1.56億m3。本研究基于植被變化模式提出未來輸水建議。今后，結(jié)合實(shí)況，進(jìn)一步優(yōu)化輸水方案，使之更加科學(xué)而合理，為流域管理積累經(jīng)驗(yàn)。