塔里木河流域生态环境承载力评价研究

赵少军

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000)

生态环境承载力决定着一个流域(或区域)经济社会发展的速度和规模[1-2]。如果在一定社会福利和经济技术水平条件下，流域(或区域)的人口和经济规模超出其生态环境所能承载的范围，将会导致生态环境的恶化和资源的匮竭，严重时会引起经济社会不可持续发展。塔里木河流域是我国重要的棉花生产基地、石油化工基地和21世纪能源战略接替区[3-4]。另外，历史上形成的天然绿洲，是阻挡塔克拉玛干沙漠的风沙侵袭、保护人类生存环境的天然屏障，生态地位不可替代[5-7]。实现该区的资源开发可持续和生态环境可持续，不仅关系其自身的生存和发展、新疆的长治久安与社会稳定，也关系到国家西部大开发和丝绸之路经济带建设的顺利实施。但是，塔里木河流域又是我国的生态极端脆弱区[8]。近60年来随着水土资源的过度开发，导致生态供水不足、天然植被衰败，下游河道断流、地下水过量开采、地下水位持续下降等生态问题日益凸显[9]。该区严重的生态环境问题已成为中国西北地区生态环境问题研究的热点之一，生态恢复与生态安全问题已引起社会各界和政府的高度关注[3]。尤其随着西部大开发工作和中央新疆经济工作座谈会精神的不断深入，塔里木河流域重大工程建设项目相继启动，生态用水与国民经济用水的博弈将呈现新的特点[10-12]。在这一背景下，定量研究塔里木河生态环境承载力的饱和程度，分析产生生态环境问题的根本原因并提出相应的治理措施，对实现流域生态系统和社会经济系统的协调发展具有重要意义。

在塔里木河流域，以往的研究利用层次分析法和模糊综合评判模型等方法对其生态系统、水资源系统进行单一的承载力分析[11，13]，而从水资源系统、土地资源系统、生态环境系统、社会经济系统4个方面综合评判该区的生态环境承载能力，在以往的研究中鲜有报道。另外，本研究利用问卷调查并借助因子分析法来确定各评价指标的权重，实现了主观上专家打分与客观上数学计算的统一，因而能够确切地反映各环境因子对该区生态环境承载能力的影响程度，保障了对该区综合评判结果的可信度。鉴于以上分析，本研究根据塔里木河的生态环境特点，构建其生态环境承载力评价指标体系；利用专家打分和模糊综合评判模型，评价生态环境承载力的现状，提出提高其生态环境承载能力的具体措施。该研究不仅为该区未来的生态环境发展规划奠定可靠的理论基础，也可为相似区域的生态环境评价提供重要的科学借鉴。

1 研究区概况与资料收集

1.1 研究区概况

塔里木河是我国最大的内陆河，位于新疆南部，塔里木河流域(N34.20°～N43.39°,E71.39°～E93.45°)由发源于塔里木盆地周边天山山脉、帕米尔高原、喀喇昆仑山、昆仑山、阿尔金山等山脉的阿克苏河、喀什噶尔河、叶尔羌河、和田河、开都-孔雀河、迪那河、渭干-库车河、克里雅河和车尔臣河等九大水系和塔里木河干流、塔克拉玛干沙漠及东部荒漠三大区组成[3,14]，其构成环状水系结构，流域总面积102×104km2，其中山地占47%，平原区占20%，沙漠面积占33%[5,15]。行政区域辖新疆南部5个地州的45个县市和生产建设兵团4个师的56个农场，人口984.9万人。塔里木河干流是典型的干旱区内陆河流，自身不产流，干流的水量主要由阿克苏河叶尔羌河、和田河三源流补给[16-17]。干流肖夹克至台特玛湖全长1 321 km，流域面积1.758×104km2。干流区年平均气温 10.5℃～11.4 ℃，多年平均降水量17.4～42.8 mm，蒸发能力为1 121～1 636 mm，属极端干旱地区。该区野生植物主要有胡杨、红柳、铃铛刺、芦苇、罗布麻、甘草、盐穗木、盐节木、梭梭等[18]。

1.2 资料收集

本研究收集了塔里木河干流2013年的水文数据，包括地表水、地下水、灌溉用水、生态用水的水量，地下水埋深等。基于遥感影像获取的数据包括水网密度、土地退化面积、耕地面积、沙化面积、人工绿洲和天然绿洲面积、植被覆盖度。基于样方调查的数据包括植被覆盖度、生物丰度指数。基于塔里木河流域管理局提供的社会经济和环境质量统计数据包括人口数量、GDP、耕地面积、水质、风沙频次等。塔里木河气温、降水数据来源于1990～2010年阿拉尔、铁干里克、若羌气象站。

2 研究方法

本研究利用调查问卷和因子分析的方法确定塔里木河各评价指标的权重，借助模糊综合评判模型[19-21]评价该区的生态环境承载能力。由于因子分析法可利用SPSS统计软件计算，因此本文主要介绍模糊综合评判模型。具体步骤为，设2个有限论域U={u1，u2,…,um}、V={v1,v2, …vn}，其中U代表所有评判因素组成的集合，V代表所有的评价等级组成的集合。对评价因素ui进行单因素评判，确定对评价等级vj的隶属度rij，则m个评价因素的评价集构造出评判矩阵R：

(1)

式中：rmn为第m个评价因素在第n等级时的隶属度值；R为U到V上的模糊隶属度值组成的矩阵。

(2)

(3)

(4)

式中：rij为因子ui对j级生态环境的隶属度;Ci为因子Ui的实测值;Uij为因子Ui第j级生态环境承载力标准;m为m级评价标准，这里为5。计算得到评价矩阵R。

塔里木河流域生态环境评价总得分可根据不同评价等级的重要度值ti以及矩阵B中各等级的隶属度值(bi)利用下式计算得到：

(5)

式中:a为综合评分值。

本研究将生态环境承载力的计算指数值可分：完全可载(0.8

3 结果与分析

3.1 评价指标体系构建及权重设定

塔里木河流域生态系统是一个水土资源-生态环境-社会经济复合系统相互影响的复杂系统。流域的生态环境承载力主要是针对与水相关的生态环境问题提出的，其生态环境承载力可称为与水相关的生态环境承载力，它是水资源、土地资源及与水相关的环境构成的生态环境支持系统对由社会系统和经济系统构成的社会经济系统在一定约束条件下的承载能力。因此，针对塔里木河流域目前存在的生态环境问题，依据评价过程中所遵循的定性与定量、可比性、科学性、实用性和可操作性、独立性及动态性与稳定性相统一等原则，提出以水资源为主，结合土地资源及植被资源和社会经济状况，选取水资源指标、土地资源指标、生态环境指标、社会经济水平指标4个方面建立该区的生态环境承载力评价的指标体系；进而根据调查问卷并利用因子分析得到各指标的权重值(表1)。

表1 塔里木河生态环境评价指标体系及权重

在塔里木河生态环境承载力评价中，将结果分为完全可载、可载、饱和承载、超载、严重超载5级。具体地，严重超载是指生态环境己受到严重破坏或生态环境要素对干扰的调控能力很弱，自动恢复很难甚至已无自动恢复能力，部分生态环境功能已丧失。超载是指生态环境己受到破坏或生态环境要素对干扰的调控能力弱，自动恢复难。饱和承载是指生态环境己处于污染与破坏的临界点，生态环境生产力已被全部利用，生态环境要素对干扰的调控能力一般，自动恢复能力不佳。可载是指生态环境受人为不合理影响较小，生态环境要素对干扰的调控能力较强，自动恢复能力较快。完全可载是指生态环境受人为不合理影响很小，生态环境要素对干扰的调控能力强，自动恢复能力快，生态环境生产支持力强。

3.2 评价等级设定及综合评价

根据专家打分并结合相关成果，本研究确定不同评价等级的标准值(表2)。

表2 不同评价等级的标准值设定

根据表2，塔里木河生态环境承载力评价各个因素的模糊矩阵(R)计算如下：

水资源承载力因素评价矩阵为：

土地资源承载力因素评价矩阵为：

生态环境承载力因素评价矩阵为：

社会经济承载力因素评价矩阵为：

结合表1，塔里木河生态环境承载力因素的评估等级计算如下：

水资源承载力因素综合评价为：

=[0.4020，0.2111，0.1758，0.0000，0.2120]

同理，可计算土地资源承载力因素评价C2=U2×R2=[0.0000，0.0378，0.2123，0.0000，0.7500]；生态环境承载力因素评价C3=U3×R3=[0.0000，0.3330，0.3666，0.2994，0.0000]；社会经济承载力因素评价C4=U4×R4=[0.4878，0.1889，0.0313，0.0000，0.2920]。基于单要素模糊综合评判结果C，对评价结果归一化处理，可以得到一级评估因素U中各子集的综合评判决策矩阵R。

最后，根据一级因子的权重U和综合评价决策矩阵R的模糊变换的合成运算，得到生态环境承载力一级评估因素综合评价结果A=U×R=[0.2094，0.2108，0.2259，0.0899，0.2639]。最后求取塔里木河生态环境承载力的综合评定值a=0.5976<0.6，处于饱和承载水平，表明该区的生态环境资产已饱和利用，进一步的生态环境负担将引发严重的生态破坏甚至灾难。对于塔里木河的生态环境受损区，需要采取以自然修复为主、人工修复为辅的综合措施实现生态系统的好转。

3.3 评价结果的原因分析

塔里木河生态环境的承载能力主要受气候因素和人类活动的综合影响，因此本文从以下两方面进行分析。

3.3.1 气候因素的影响

利用塔里木河干流1990～2010年的气温、降雨量统计数据，得到二者的变化趋势(图1)。

图1 塔里木河干流气候变化趋势图

从图2来看，塔里木河降水量在近20年处于波动变化中，但总体呈不显著的增加趋势(P>0.05)。与降水增加同步，气温总体呈显著的上升趋势(P<0.05), 在20年中平均气温升高了0.41℃。因此，塔里木河干流在近20年时间内气候总体上没有恶化，反而表现为气候转暖、降水量略微上升的好转趋势。

3.3.2 人类活动的影响

根据统计资料可知，从20世纪50年代至90年代，塔里木河各断面的来水在逐年减少，其趋势是下游的减少量远远大于上游，特别是90年代以来，三源流的来水比50年代多19.0×108m3，增加了10.9%，但干流的阿拉尔、新其满、英巴扎和恰拉断面的来水分别比50年代少15.9%、24.7%、38.3%和80.3%。因此，源流区耗水增加导致汇入干流的水量减少，这是导致塔里木河生态环境承载能力趋于饱和的一个重要原因。

此外，对于塔里木河自身来讲，该区人口增加和耕地面积扩大也是危及其生态环境安全的又一重要因素。以农业经济为主的塔里木河，在1990～2013年人口增加了49%，导致耕地面积增加了182%。此外，根据2013年的统计资料计算，塔里木河水资源可承载的最大灌溉面积为6.08×104hm2，比现状超出64.6%。耕地扩张一方面以占用林草为基础，该时段 15%的草地和9%的林地被耕地占用，区域生物丰度指数和植被覆盖度指数不断下降。

另一方面大量耕地开垦后，由于农业用水量显著增加，要拦截河水，修建水库，致使塔里木河部分区域的地下水埋深降到8 m以下，引发天然植被因得不到水分充分补给而逐渐退化。此外，当胡杨的种子落在地表后，也因水分不足，造成种子萌发不能实现。因此，影响塔里木河生态环境承载力降低的根本原因为人口的增加和耕地面积的不断扩大，由此造成流域水资源大量被占用，中下游来水量日益减少，地下水位不断下降，天然植被生长受到抑制、繁殖更新能力受到破坏，土地逐渐沙化。见表3。

表3 塔里木河耕地面积超载百分比

4 结 语

根据计算，塔里木河生态环境承载力的综合评定值为0.597 6，处于饱和承载水平，表明该区的生态环境资产已饱和利用，进一步的生态环境负担将引发严重的生态破坏甚至灾难。而导致其生态环境承载力降低的主要因素是该区耕地面积的快速扩大，农业用水大量挤占生态水量。因此，为提高塔里木河的生态环境承载力，本文从流域整体的角度提出3条建议。首先，强化塔里木河流域统一管理职能，深化体制改革，落实三条红线。将流域内诸水系纳入统一管理；加强塔里木河流域管理局的监管、执法能力，加大对非法开荒、擅自引水等违法行为的打击力度；严格落实用水总量和用水效率控制红线，促进经济结构调整和发展方式转变，全面节约和合理配置水资源，防污治污，防患于未然。其次，严格控制灌溉面积，循序渐进地推行流域的退地减水。积极稳妥地进行流域的经济结构调整，转变过去主要依靠耕地面积扩张带动经济增长的发展模式，严厉打击非法开荒。最后，尽快启动塔里木河流域综合治理二期工程，努力推进流域综合治理持续发展。通过实施堤防建设、河河联通、河道治理等工程及相关生态治理的项目，提高水资源的利用效率和管理效能，逐步压缩对生态用水的挤占空间，缓解国民经济用水与生态用水之间的矛盾。