新疆乌恰干旱荒漠区生态水文景观类型及分区

2020-12-04王磊方维萱刘增仁鲁佳张立新

矿产勘查 2020年10期

王磊，方维萱，刘增仁，鲁佳，张立新

（1.有色金属矿产地质调查中心，北京 100012；2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093）

0 引言

新疆乌恰康苏地区为典型干旱荒漠生态脆弱区，同时也是中国重要的有色金属资源基地，实现康苏地区生态-环境-资源的协调发展，是中国生态文明建设和“一带一路”重要支撑点。如何实现生态文明建设、资源开发、找矿突破与区域经济发展共赢，是实现乌恰地区精准扶贫的现实问题。生态环境资源功能区划（杨爱民等，2008；邓铭江等，2017）在生态水文分区、生态环境分区、矿产资源开发分区和技术经济要素分区耦合的基础上优化勘查开发布局，有效实现“绿水青山就是金山银山”。

生态水文分区根据尺度不同，提取要素不同（王根绪等，2005；杨爱民等，2008）。一般中大尺度以气候变化为主，中小尺度多受地形地貌-土壤-水-植被影响（王蔚华等，2014；高瑞睿等，2017）。前人（樊自立等，2000；黄金廷等，2008，2011；唱彤，2013；陈海燕和陈亚宁，2015；李文江，2016）主要从中大尺度上以地形地貌、土地利用现状、土壤类型、气候与植被、水资源、人类活动等要素利用地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、聚类分析等综合方法划分生态水文区。干旱适生植物分区及荒漠绿洲可直接指示水文地质特征，是生态水文分区的重要依据（罗格平等，2003；万力等，2005；王朗等，2009；王强民，2016）。在生态水文分区的基础上研究新疆干旱荒漠区生态绿洲与水-岩-土-植耦合关系，可探索山地-绿洲-荒漠稳定性和变异性（肖鲁湘等，2005；刘强等，2007；陈曦和罗格平，2008；贡璐等，2009；王瑾杰等，2016）。植被类型和植物群落是生态环境变化最直接的指示剂，对新疆干旱荒漠区的水源涵养、防风固沙、环境保护具有不可替代的作用（王朗等，2009；王强民，2016；邓铭江等，2017）。该文结合前人研究，采用遥感解译、水文地质调查、地质填图、生态样方测量等方法，进行康苏地区三幅1 ∶5 万生态环境资源综合调查，研究水体-植被-土壤-基岩等景观异质性，调查研究区水文地质特征、植被类别与水资源对应关系、植被盖度与绿洲生态、耐盐植物与土壤盐碱化等，采用叠加分析划分乌恰-康苏地区生态水文区，探索水-土-植与绿洲生态关系，以期对乌恰-康苏地区生态环境保护、有色金属资源基地建设、绿洲生态稳定及生态功能区划提供科学合理的依据。

1 研究区生态景观概况

新疆乌恰-康苏地区位于乌恰县西北群山之中，东南北三面与黑孜苇乡接壤，西与吾合沙鲁乡为邻（图1）。面积14.45 km2（林地61.66 Hm2，草地88.99 Hm2），地处东经74°36′～75°01′，北纬39°29′～39°43′。该区为典型的中温带大陆性干旱气候，日照率57%～70%。气温年际变化在-24～34.6℃，平均气温7.4℃。降水量变化在87.1～326.4 mm，年平均降水量181.6 mm，年平均蒸发量为2600.5 mm，为降水量的14.3 倍。海拔1800～4200 m，属高中山干旱荒漠地貌景观区，具高中山景观-中山景观-山间冲积扇-盆地-绿洲-河谷垂直分带特征。地势北高南低，高中山区基岩裸露，稀疏草原覆盖，冲积扇-盆地多为砂砾土中高植被覆盖。康苏河、库孜拱河由北向南流入克孜勒苏河（图1），其它多为季节性河流，砂砾-泥砂等冲积物发育。地带性建群物种主要为荒漠植被，以盐生耐旱植物群落为主。优势植物主要有：胡杨（Populuseuphratica Oliv.）、沙枣（Elaeagnus angustifolia L.）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、碱蓬（Suaeda salsa）、白刺（Acanthopanax gracilistylus W.W.Smith）、红柳（Tamarix ramosissima）、盐生草（Halogeton glomeratus（Bieb.）C.A.Mey）、黑枸杞（Lycium ruthenicum Murr）、麻黄草（Ephedra sinica Stapf）、骆驼刺（Alhagi sparsifolia Shap）、沙棘（Hippophae rhamnoides Linn）、盐生假木贼（Anabasis salsa）、矮沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus（Maxim.ex Kom.）Cheng f）、芦苇（Phragmites australias Trin）、碱蓬（Suaeda glauca（Bunge）Bunge）、甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch）等。

图1 新疆乌恰地区地貌三维图及河流分布图

2 调查研究方法

2.1 调查方法

本次调查评价方法为三因素叠加评价方法。首先，进行调查评价区景观异质性填图和基础调查研究，对乌恰幅（乌恰-康苏地区）进行路线水文地质调查和面积性水文地质填图，基本查明区域水工环地质条件，对水体、泉水露头和基岩区进行研究和采样。在上述野外实际调查期间，进行1 ∶5 万水文地质剖面测量和典型基岩-土壤-植物剖面测量，进行地表径流、地下水露头观测。其次，采用生态样方测量进行微景观和生境测量，研究基岩-土壤-水体-温度-气候等生境关系耦合机制，植物样方统计采用1 m×1 m～5 m×5 m 规格，观测记录植物生境特征、植物物种、群落盖度、根茎叶等植物生长参数测量、土壤和基岩特征，并进行样品采集分析。第三，在水文地质调查和生态样方测量的基础上，基于DEM 分布，收集2014 年土地利用状况和2016 年8月植被覆盖度，结合克孜勒苏统计年鉴2015，乌恰县志等资料综合对比研究，进行生态水文景观类型分区研究，开展三因素叠加评价建立生态水文景观单元。

2.2 样品测试及数据处理

水体样品采集测试：水样主要采集雪融水、基岩裂隙水、泉水、矿坑涌水及农田积水，样量2×2.5 L，分析Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42+、HCO3-以及溶解性总固体、TDS 等。测试单位国土资源部乌鲁木齐矿产资源监督检测中心。

土壤样品测试：由华北有色地质勘查局燕郊中心实验室完成，采集相应植被的B-C 层土壤样品，重量＞500g，分析pH 值、水溶性盐、总硫（S）、有机碳（C）、全磷（P）、铵态氮（N）、硼（B）、铁（Fe）、钼（Mo）、锰（Mn）、镁（Mg）。

遥感数据采用Landsat7 ETM、SPOT-5（2015-07）数据结合，Landsat7 ETM 来自美国地质调查局，SPOT-5 来源AIRBUS。DEM、土地利用及植被覆盖度由遥感影像提取并处理。克孜勒苏统计年鉴2015，乌恰县志由乌恰县国土局提供。

3 生态水文单元划分及景观特征

3.1 生态水文单元划分

3.1.1 生态区划

根据生态景观异质性原理，结合地貌类型、植被类型（图2），将乌恰幅划分为高中山荒漠（植被覆盖度＜5%）、中山草原（高、中、低密度草原）、荒漠绿洲（人造绿洲与天然绿洲）、水域生态系统（雪山、康苏河、康苏水库等）。结合土地类型，增加农田生态系统、城乡-工矿-居民生态系统。

3.1.2 植被分区

根据植物种类、个体外貌结构、生境特征、景观类型和空间异质性（图3），以建群优势物种和景观异质性为主划分为：①高山区绢蒿群系；②中山-冲洪积扇区麻黄草群系、白刺群系，琵琶柴群系、圆叶盐爪爪群系，盐生假木贼群系；荒漠草原针茅群系；③河流阶地-山地区，河谷杨树林银白杨群系，山地河谷灌丛怪柳群系、沙棘群系、沙冬青群系；④低山-绿洲区盐化草甸芨芨草群系、芦苇群系、甘草群系群系、沼泽芦苇群系。

3.1.3 水文地质分区

以乌恰幅范围内北侧高山雪山融水-降水为补给源区，康苏河硝若布拉克河为径流区，泉水为排泄区等，组成了完整的区域水文地质单元。根据区内水文地质条件、地下水空间特征、水化学特征及地下水补径排状况，结合岩层渗透性、含水介质类型，将研究区水文地质单元分为第四系松散岩类孔隙水单元、侏罗-白垩系碎屑岩类裂隙孔隙层间水单元、泥盆系基岩裂隙水单元。

根据基岩-地表沉积物和地形地貌、植被分区及水文地质分区进行叠加分析，将乌恰幅分为高中山荒漠基岩裂隙水生态水文景观、中山侵蚀山地裂隙孔隙层间水生态水文景、山前洪-冲积扇盆地孔隙水生态水文景观、河流阶地孔隙水生态水文景观4 个主要生态水文景观类型（图3）。

3.2 生态水文景观特征

3.2.1 高中山荒漠基岩裂隙水生态水文景观区

（1）景观群落

景观类型：位于康苏镇北侧，构成以高山草原、基岩裸露的山脊等为斑块，发散状冲沟为廊道的景观特征。按海拔高低依次为高山雪山-高覆盖草原-中覆盖草原-低覆盖草原的景观分带。

图2 新疆乌恰地区植被覆盖度及土地分类图

图3 新疆乌恰地区植被-生态水文单元分区

群落类型：高山草原群落分布在雪山地带，以高山绢蒿为主要建群物种，高山荒漠草原以骆驼刺、麻黄草等为主要建群物种。

（2）植被分区

高山雪山带（图4a），位于海拔4000 m 以上高山，切割深度500～1000 m，降水量240～300 mm，终年积雪。是地表水资源的主要补给区，生态条件极恶劣。

图4 新疆乌恰地区生态景观类型照片

高山草原带（图4b）。海拔3500～4000 m 分布在雪山周边。包气带岩性为泥盆系白云岩，植被类型为骆驼刺、麻黄草，伴生盐生草、盐生假木贼。植被覆盖度20%～50%。

（3）水文地质

高山区基岩裂隙水单元，水量弱，泉流量0.1～0.8L/s，矿化度1000～3000mg/L，水化学类型为Cl-+SO42-Na++Ca2+型。分布在出露的中泥盆统（D2）、下泥盆统（D1），岩性以白云岩、页岩为主，夹少量灰岩组成。深度受岩性构造影响，深度不一，裂隙宽度多为1～50 mm，密度为5～20 条/m，有的被碳酸盐、硅质等细脉充填，富水性差。受大气降水及毗邻含水层补给，水量极小，水位埋深一般为5～50 m，水化学类型为HCO3-Ca2+型和HCO3-Ca2++Mg2+型，矿化度160～370mg/L，pH 值7.4～7.7。该区为区内的主要补给源区，冰雪消融水和大气降水（图5），一部分通过各种裂隙、孔隙入渗补给地下水；另一部分汇入河流形成地表径流，河水流经各种裂隙、孔隙渗入补给地下水。

3.2.2 中山侵蚀山地裂隙孔隙层间水生态水文景观区

（1）景观群落

景观类型：位于雪山与冲积盆地之间，基岩裸露的中山草原、山间洼地等景观要素，构成半环形斑块及条带状斑块。中山草原斑块大体呈北西向展布，山间洼地呈北东向分布于沟谷及河谷中，景观分带性明显。

群落类型：中山草原群落可分为中山草原、山间洼地草原。中山草原以麻黄草、盐生草为主要建群种，伴有少量骆驼刺、盐生假木贼等；山间洼地草原以盐生草、盐生假木贼为主要建群物种，伴有少量黑枸杞、红柳。

（2）植被分区

中山草原带（图4c）。海拔2900～3500 m，切割深度200～500 m，分布在沟谷上部。大气降水量在100～200 mm，主要是地表水径流区，次为河流接受大气降水的补给。包气带岩性在康苏地区为侏罗系基岩裂隙，乌拉根地区为古近系-新近系，植被类型为骆驼刺、麻黄草、盐生草、盐生假木贼。植被覆盖率5%～20%。

图5 新疆乌恰地区高中山及山前冲积扇与植被分布特征

山间洼地草原带（图4d）。海拔2700～2800 m分布于沟谷及冲沟交汇处。植被类型为盐生草、盐生假木贼。植被覆盖度50%～90%。

（3）水文地质

中山区碎屑岩类裂隙孔隙层间水单元（图6）。水量弱，单井涌水量＜100m3/d；单泉流量＜5L/s。主要分布于出露的古近系渐新统克孜洛依组（E3-N1）k、始新统巴什布拉克组（E2-3b）、新近系上新统安居安组（N2a）、中新统帕卡布拉克组（N1p）。含水岩组主要由砂砾岩、砂岩组成。单位涌水量为0.000408～0.000492L/s · m，渗透系数 0.0001064～0.001146m/d。溶解性总固体8.68～14.3g/L，为盐水，水化学类型为Cl-+SO42-Na++Ca2+型。水量中等，单井涌水量100～1000m3/d；单泉流量5～10L/s。主要分布于出露的白垩系下统（K1kz）、侏罗系上统杨叶组（J2y）和侏罗系下统康苏组（J1k）（图6）。含水岩组主要由砂砾岩、砂岩组成。单位涌水量0.0018～0.0297L/s·m，渗透系数0.000567～0.000722m/d。溶解性总固体602～1082mg/L，为盐水，水化学类型为Cl-+-Na+型。

隔水岩组（隔水层）古近系始新统乌拉根组（E2w）、古近系始新统卡拉塔尔组（E2k）、古近系渐新统齐姆根组（E1-2q）、古近系古新统阿尔塔什组（E1a），岩性主要为泥岩，次为角砾岩、白云岩、泥灰岩、石膏，厚度116.21～180.25 m（图6）。其中的角砾岩、白云岩、泥灰岩、石膏岩石致密完整，裂隙孔隙不发育。该岩组属于相对的隔水岩组。

该区为径流区，区内风化、成岩和构造、孔隙接受大气降水和雪融水直接渗入补给，形成地下水，在强烈的构造断裂、节理、裂隙的控制下径流、赋存、运移。一部分在构造断裂处形成断层上升泉，汇入河流排泄；一部分在地下潜流，通过各类裂隙、孔隙以侧向地下径流的方式排泄到南部的地下水中去；另一部分通过蒸发蒸腾，排泄回大气中。

3.2.3 山前洪-冲积扇盆地孔隙水生态水文景观区

（1）景观群落

景观类型：洪积扇扇中荒漠草原、扇缘绿洲-农田构成荒漠-绿洲景观。景观类型受地形、地貌和水文地质条件控制，扇根地区呈现干旱的荒漠草原景观，扇中呈现中覆盖度草原景观，冲洪积扇扇黑孜苇农田绿洲带，原生湿地沼泽零星分布，扇中与扇缘过渡带为人工防护林带；在农田低洼处的地下水溢出带，盐渍化作用强烈。

图6 乌拉根-康苏地区水文地质特征

植被群落：荒漠草原-绿洲群落，荒漠草原主要建群种有麻黄草、白刺、芨芨草等。绿洲植被主要有苜蓿、甘草、杨树、杏树以及各种农作物。

（2）植被分区

洪积扇的顶部和中部荒漠草原区（图4e），海拔2200～2600 m，表土层很薄，岩性多为砾卵石层，为戈壁荒漠带，水分条件差，主要建群种有麻黄草、骆驼刺等植物，稀疏分布。洪积扇中下部，表土层增厚，为含砾亚砂土和亚砂土，为戈壁荒漠与绿洲的过渡带，在引水渠经过区域形成小型的天然绿洲，主要建群种有骆驼刺、白刺、麻黄、盐生草等耐旱植物。

洪积扇前缘绿洲区（图4f），海拔2100～2200 m，表土层厚，岩性为亚砂土和亚粘土，地下水位浅，主要天然建群种有麻黄、白刺等，人工植被有杨树、杏及小麦、玉米、苜蓿、土豆等作物。海拔2100 m 左右为扇缘盐碱绿洲带主要分布在黑孜苇农田南部及东部。农田东部受季节性河流影响为大面积湿地绿洲，土壤类型为亚黏土-黏土，局部龟裂盐渍壳。植被类型为盐生草甸（图4f～g），多为甘草、芨芨草、芦苇、马兰、红柳、盐爪爪等耐盐植物，植被覆盖率15%～30%，生态条件较差。

3.2.4 河流阶地孔隙水生态水文景观区

（1）景观群落

景观类型：阶地景观。景观类型受地貌和河流冲刷控制，呈现天然-人工复合的绿洲-林地-草原景观（图4h）。在1 级阶地由河流冲刷形成的天然绿洲，2 级阶地以居民区分布为主的人工复合绿洲景观，3 级阶地为人工林地景观，4～5 级阶地主要为天然草原景观。

植被群落：1 级阶地以红柳为建群物种，2～3 级阶地以人工杨树为建群物种，4～5 级以骆驼刺、麻黄草、盐生草、盐生假木贼为建群物种。

（2）植被分区

在康苏河两岸，构成五级阶段，成分基本相似，均为未胶结之砾石、砂子、淤泥组成。

一级阶地：高出现代河床1～2 m，宽10～80 m，发育在矿区北部康苏河东岸，面积很小。主要分布于康苏河河床及其他间歇性河谷中。主要为卵石、砾石、砂和少量黄土。厚数米至十余米。植被分布种类及特征：红柳、沙棘为建群物种，伴有骆驼刺，植被覆盖度50%左右，土壤类型为含砾沙土。

二级阶地：高出一级阶地3 m 左右，康苏河东岸发育较好，是主要居民区，宽50～500 m。植被分布种类及特征：人工银白杨树林为建群物种（图4i），伴有盐生假木贼、骆驼刺，其中人工杨树林覆盖度70%左右，盐生假木贼、骆驼刺植被盖度为15%～20%，土壤类型为巨砾质砂土。

三级阶地：高出二级阶地10 m 左右，两岸完整，东岸呈不连续分布。植被分布种类及特征：盐生草、盐生假木贼，植被盖度20%～30%，土壤类型为砾质砂土。

四级阶地：高出三级阶地10 m 左右，东岸分布交广，宽50～1000 m。植被分布种类及特征：盐生假木贼、盐生草为建群物种，局部伴有麻黄草、骆驼刺，植被盖度20%，土壤类型为砾质砂土。

五级阶地：高出四级阶地100 余米，为矿区内最高阶地，面积很小（300～100 m），以残留的形式分布在阿图什市煤矿矿井附近的山头上。主要分布在山坡和山脚下。多为棱角状侏罗系砂岩块及砂土组成，分布零星。厚1～5 m。植被分布种类及特征：黑枸杞、盐生假木贼为建群物种，植被盖度15%～20%。土壤类型为含砾细砂土。

（3）水文地质

第四系透水含水层。主要分布于近南北走向的康苏河谷内（图6）。其中的康苏河谷为第四系全新统冲洪积堆积物，地下水埋藏深度一般0.7～1.3 m。含水层岩性主要为砂砾卵石，含水层厚度是河床厚，向河岸逐渐变薄，厚度4～12 m，渗透系数1～10m/d。水化学类型属HCO3-+SO42--Ca2++Na++Mg2+型，TDS 含量变化范围239～596mg/L，平均值382.1mg/L，小于1g/L。

第四系透水不含水层。主要分布于康苏河谷左右岸坡、山前冲洪积盆地（图6）。主要为第四系洪积堆积层。孔隙发育，透水性良好。虽具良好的赋水空间，因其都高悬于陡峭的基岩坡顶及深切沟谷谷坡上，位于当地侵蚀基准面以上，不具储存地下水的条件，只能透水而不含水，故为透水不含水层。

4 讨论

4.1 水-土壤-植被耦合作用与绿洲生态

水资源是荒漠绿洲的生命线。大气降水、河流径流、地下水露头、引水渠等为绿洲的主要水源补给，不同水体类型、土壤类型对绿洲植物具有决定性作用。在研究区形成以吐伊高速北侧扇缘天然绿洲、吐伊高速南侧扇缘人工绿洲（黑孜苇农田）以及康苏河两岸阶地人工绿洲（人工林及天然乔灌木）3种类型。

冲洪积扇中-扇缘绿洲地下水露头泉水pH 值在6.75～8.04 之间，属于中偏弱碱性水，TDS 含量变化范围1171～13929mg/L，平均值3391mg/L，1 g/L＜TDS＜5 g/L，属于微咸水-咸水。水化学类型为SO42-+Cl--Na+型、SO42-+Cl--Na++Ca2+型。在泉水出露区主要分布在吐伊高速北侧扇缘绿洲、黑孜苇农田积水盐碱地，黑孜苇农田东侧盐沼地及衡东纵横尾矿库下游季节性泉水，植被主要以芦苇为主。吐伊高速北侧扇缘天然绿洲，土壤类型为砾质砂土，pH 值7.76～8.01，水溶性盐度23.66～41.24mg/g，为盐碱土。黑孜苇农田积水盐碱地为芦苇，pH 值8.78 左右，水溶性盐度13.20～13.26mg/g，为中盐度碱土。黑孜苇农田东侧盐沼地主要以芦苇、甘草、马莲、芨芨草为主，盐沼土pH 值7.96～8.14，水溶性盐度47.90～68.89mg/g，为高盐度碱土。而扇缘天然绿洲北侧砾质砂土，pH 值7.96～8.27，水溶性盐度2.04～2.68mg/g，为碱土；黑孜苇农田耕地黏土-灌淤土pH 值8.25～8.36，水溶性盐度1.29～1.35mg/g，为高碱土；总体由北向南扇中-扇缘天然绿洲-扇缘农田-扇缘混合绿洲，碱度总体为7.76～8.78，盐度总体呈“低-中高-低-高”的变化趋势。由西向东在农田与尾矿库过渡部位由于海拔上升，地表以龟裂的盐碱壳为主，植被则主要为麻黄草、白刺为主。推测冲洪积扇缘部位植被分布主要受控地下水水化学类型，其次为地下水水位变化。

康苏河两岸阶地下渗水pH 值8.02～8.34，属于弱碱性水，TDS 含量变化范围239～596mg/L，平均值382.1mg/L，TDS＜1 g/L，属于淡水河。水化学类型为HCO3-+SO42--Ca2++Na++Mg2+型。岸基植物主要受河流两侧地表水下渗补给，在含水透水层淡水充沛，出露少量泉水。土壤类型为含砾沙土-亚砂土，pH 值7.71～87.83，水溶性盐度0.68～2.00mg/g，植被类型以红柳、沙棘、人工银白杨树等灌木-乔木为主。

高中山区地下水水位低，包气带含水性极差，故主要受大气降水的地表径流和蒸发作用影响，主要分布麻黄草、骆驼刺、盐生假木贼、盐爪爪、盐生草等耐旱耐盐植被。推测高、中山区及河流阶地植被分布主要受控于大气降水及地面蒸发作用。

4.2 景观类型-生态功能区划

综合调查和填图表明乌恰幅地质-景观生态系统具有显著地垂向（-水平）分带性，从相对高海拔地区（＞3500 m）到克孜勒苏河流区域（1800 m），从北部中高山区到南部山前冲积扇和河流区域生态功能系统分带为雪山积雪山区（水源涵养源区）→中高山荒漠草原生态系统→高中山荒漠生态系统→工矿-城镇区系统→农业生态系统→河流生态系统。结合生态水文景观单元将乌恰幅分为人类-绿洲生态功能区（复合人类-生态水文单元，人类居住+农业区旅游区）、人类-工矿生态功能区（复合人类-生态水文单元，人类居住+工业区）、季节性河流-河流-湿地生态功能区（生态保护区-可修复的耕地）、河谷阶地-冲积扇生态功能区（草地、可恢复生态系统、可规划用地）、中山-高山区生态功能区（草地-裸地）、高山生态功能区（雪线-积雪水源涵养区）。