塔里木河干流生态效应评价方法研究

2018-03-27张琴琴

地理空间信息 2018年3期

张琴琴，刘斌

（1.新疆维吾尔自治区测绘科学研究院，新疆乌鲁木齐 830002）

塔里木河是典型的干旱区内陆河，具有生态环境脆弱、自然资源丰富的双重性特征。多年来，在以水资源开发利用为核心的大强度人类活动的作用下，塔里木河干流水环境和自然生态过程发生了显著变化。由于对水资源不合理的开发利用，干流来水日益缩减，干流两岸植被不断衰败，土地沙化和盐碱化等环境问题普遍发生[1-3]。为协调流域水资源，实现生态保护与经济繁荣的良性发展，恢复塔里木河下游破败的生态廊道，自2000年开始，我国政府投资107亿元实施针对恢复下游极端生态系统的生态输水工程。当前，塔里木河已成为世界范围内生态修复的稀有案例和人为干预条件下生态修复的典型案例。

1 研究区概况

塔里木河干流由西向东横贯塔里木盆地北缘，始于阿克苏河、叶尔羌河与和田河3条源流的汇合处肖夹克，归于台特玛湖，全长1 321 km，流域面积为1.76 万 km2。塔里木河干流自身不产水，属耗散型河流，依靠源流补给维系其生态环境和河流生命[4-5]。塔里木河干流绿色植被带廊道如一道生态屏障，对阻止塔克拉玛干沙漠北移扩张、维护天山南坡经济带的健康发展具有重要的生态功能[6-7]。

2 评价指标选取

2.1 地表覆盖变化

地表覆盖变化可直观反映输水工程、人为活动等对流域地表覆被结构的整体影响[8]。本文将塔里木河干流地表覆盖分为耕地、园地、林地、草地、水域、荒漠与裸露地表、居民地及设施和道路8个大类，从而分析了2002～2014年不同地表覆盖面积的变化特征。

2.2 植被覆盖度

植被覆盖度是生态学的重要参数，是生态环境监测中最常用的监测指标之一，是植被覆盖的直接指示因子[9]。植被覆盖度是天然植被整体长势以及分布范围最直观的体现。根据塔里木河干流监测区2000～2014 年8月空间分辨率为1 000 m的NDVI产品数据，计算植被覆盖度。以塔里木河干流沿岸5 km范围内植被覆盖度为分析对象，参照表1中的分级标准，分析2000～2014年监测区植被覆盖度动态变化特征。

表1 植被覆盖度分级标准

2.3 景观格局

景观格局及其变化是自然与人为因素相互作用所产生的一定区域生态环境体系的综合反映，在一定程度上决定了生态系统的稳定性和健康水平[10-12]。本文选取最大斑块指数（LPI）、香农多样性指数（SHDI）评价生态输水后塔里木河干流景观格局变化特征。LPI是一种简单的衡量各类型优势度的指数[13]；SHDI反映景观类型的多少和景观中斑块的多度和异质性[14]。

2.4 地下水埋深

地下水是干旱区植被生长繁育最主要的水来源，保障适宜的地下水埋深是实现植被保护和修复的关键[15]。本文根据2000～2014年塔里木河干流下游英苏、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻及库尔干断面监测数据，分析了生态输水工程对塔里木河干流下游地下水埋深的影响。

3 塔里木河干流输水生态效应评价

本文使用的基础数据包括2000年、2006年、2009 年、2012年和2014年1∶25万与1∶5万序列覆盖全部塔里木河流域重点监测区数据，以及2002年、2009年和2014年1∶1万序列覆盖塔里木河干流流域序列重点监测区数据。结合资料完整性和专业性，在两个序列数据中选择使用。

3.1 技术流程

在调查摸清地表覆盖变化和地下水位等状况的基础上，根据选定的评价指标，建立系统的监测体系，动态跟踪输水过程中主要环境影响参数的变化情况，以地表水—地下水—植被恢复研究为主线，将地面监测方法与卫星监测方法相结合，对塔里木河干流的生态效应进行评价。技术流程如图1所示。

图1 塔里木河干流生态效应评价技术流程图

3.2 地表覆盖时空变化特征

随着塔里木河流域综合治理工程的实施以及社会经济的快速发展，塔里木河干流不同河段地表覆盖呈现了差异较为明显的时空变化特征。

根据图2以及相关统计数据可知，从空间尺度看，2014年塔里木河干流以林地为主，占流域总面积的52.22%；其次为耕地以及荒漠与裸露地表，面积比例分别为17.45%、14.26%；除草地占流域总面积的9.47%外，其他地表覆盖类型面积占比均在5%以下。从时间尺度看，2002～2014年，除草地以及荒漠与裸露地表面积减少外，其余地表覆盖类型面积均增加，其中林地增加面积最大，达到4 851 km2，增幅为76.5%；耕地次之，增加面积为953 km2，增幅为35.0%；园地与水域增加面积分别为252 km2、262 km2，而道路与居民地及设施增加面积均在50 km2以下。荒漠与裸露地表以及草地减少面积均较明显，分别为5 490 km2、916 km2，减少幅度分别为64.2%、31.1%。

图2 塔里木河干流2002年、2009年、2014年地表覆盖变化

综上所述，2002～2014年塔里木河干流最突出的地表覆盖变化为荒漠与裸露地表的减少以及林地的增加，这表明随着生态输水工程的实施，塔里木河干流生态环境趋于好转。

3.3 植被覆盖度变化特征

2002～2014年塔里木河干流植被（林地、草地等）面积变化显著。为明确塔里木河干流植被具体变化特征，借助GIS空间分析功能，提取了2000年、2006年、2009年、2012年和2014年干流两侧5 km范围植被覆盖度信息；并结合表1分析了干流植被覆盖度的时空变化特征。

根据图3以及相关统计数据可知，塔里木河干流河道两侧Ⅰ级、Ⅱ级与Ⅲ级、Ⅳ级以及Ⅴ级覆盖度植被面积所占比例大致相等，各约占50%。从时间尺度看，2000～2014年，Ⅳ级和Ⅴ级植被面积占比逐渐上升，2014年达到30.58%；Ⅰ级与Ⅱ级植被面积占比在2000～2006年呈增加趋势，2006年后则逐渐下降。

图3 各年塔里木河干流植被覆盖度变化

综上所述，塔里木河干流河道两侧5 km范围内的植被覆盖度明显改善，随着生态输水工程的逐步实施，塔里木河干流沿岸植被生长条件得以改善，干流植被整体生长状况有所好转。

3.4 生态景观格局变化特征

受人为干扰和自然因素影响，塔里木河干流地表覆盖类型发生了明显变化。根据塔里木河干流2002年、2009年和2014年地表覆盖信息，利用LPI和SHDI分析了塔里木河干流各河段的景观格局变化特征。

由图4可知，2002～2014年，上游优势景观由乔木林变为旱地，在各地表覆盖类型中，乔木林的LPI变化最为显著，由5.13减少为1.41，而沙质地表与盐碱地表减少趋势最为明显，分别由3.10减少为0.34，由1.59减少为0.02。不同于上游景观类型变化特点，中游优势景观由沙质地表变为灌木林，其LPI变化均较为明显，其中沙质地表由9.48减少为3.97，灌木林由3.66增加至6.59。下游优势景观由沙质地表变为其他林地，同时二者的LPI变化趋势也最为显著，沙质地表由14.47减少为5.92，其他林地由0.17增加至12.61。

图4 2002～2014年塔里木河干流各地类LPI变化特征

由图5可知，2002～2014年，上游SHDI呈先增后减的趋势，整体变化并不明显，SHDI仅从1.96减少为1.95；中游SHDI增长趋势显著，由2002年的1.55增长至2014年的1.94，表明中游流域的景观多样性增加且各地类分布趋于均衡，景观破碎度加剧；下游SHDI呈先增后减的趋势，2002年、2009年和2014年的SHDI分别为1.80、1.91和1.87，表明该时段内，下游景观多样性减少，破碎化程度增强。

图5 2002～2014年塔里木河干流各地类SHDI变化特征

综上所述，塔里木河干流荒漠及裸露地表类型景观优势度下降，植被地表类型景观优势度上升，干流尤其是下游地区生态环境趋于好转。

3.5 下游地下水埋深变化特征

随着输水工程的实施，塔里木河干流下游各断面的地下水埋深均呈逐渐上升趋势，如英苏断面，地下水埋深由2000年刚开始输水的-7.85 m升高到2014 年的-5.20 m。由于2000年是首次向下游进行生态输水，地下水埋深仍较低，至2006年已出现明显抬升；但由于2009年为极端枯水年，下游生态输水量仅为0.11 亿 m3，下游地下水埋深出现明显下降，这也表明了生态输水的持续性对下游地下水埋深变化的重要性。此后，随着输水次数的增加，2012年和2014年地下水位有效抬升。

4 结语

自2000年向塔里木河输水以来，塔里木河干流植被面积增加，荒漠与裸露地表面积减少。干流各河段均呈高覆盖度植被面积增加、低覆盖植被面积减少的趋势，总体来看，Ⅳ级和Ⅴ级植被面积占比逐渐上升，至2014年达到30.58%。景观多样性指数总体增加，生态环境总体呈良性发展趋势。下游各断面的地下水埋深随输水次数的增加呈逐渐上升趋势，说明生态输水工程对塔里木河干流生态恢复具有重要作用。

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