阿克苏河生态廊道时空变化及保护对策研究

冯 娟 王光焰 徐生武

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

阿克苏河是塔里木河流域最大的水量补给来源, 承担着满足灌区用水和向塔里木河生态输水的双重重任[1]。流域地处塔克拉玛干沙漠边缘，加之以干旱为主体特征的自然条件十分严酷，生态环境脆弱。此外，作为新疆第二大灌区, 阿克苏河流域近年来人口的急剧增长和灌溉面积的不断扩大使其生态环境问题日趋突出。生态廊道是构建区域山水林田湖草完整生态系统的重要组成部分，对改善区域生态环境以及维系物种多样性具有重要意义[2]。因此，本研究将围绕阿克苏流域生态廊道的保护对生态需水量进行研究[3]，并提出一系列的措施与建议。首先分析了流域上中游和下游的土地利用/覆被和植被覆盖的空间分布特征以及所随时间变化的趋势，然后基于重点生态功能区和生态敏感区的划分确定了阿克苏河生态廊道保护的范围和目标，并结合面积定额法的多种定额指标和潜水蒸发法以及水量平衡公式求得了阿克苏河生态廊道保护所需的生态水量。随着国家“十三五”计划和“一带一路”的实施, 作为“丝绸之路经济带”建设的核心区, 本研究对南疆地区的水资源可持续开发利用有着更加深刻的意义[4-5], 这不仅与当地经济社会可持续发展息息相关, 还关系到南疆生态保护、国防安全和国家“一带一路”建设宏伟目标的实现。

1 研究区概况

阿克苏河位于天山中段西部南麓，塔里木盆地北缘，地理坐标为东经75°35′～80°59′, 北纬40°17′～42°27′，全长约224 km，流域形状呈东西长，南北宽，地势西北高东南低，自西北向东南倾斜，地形可分为山区、平原两大部分。阿克苏河是塔里木河支流中水量最多的河流，也是塔里木河干流三条主要源流之一，属于典型的温带大陆性干旱气候[6]。流域径流主要由山地降水和冰雪融水补给，丰富的水量为植被的生长提供了良好的生长条件。阿克苏河流域植被群组包括高山植被、针叶林、阔叶林、草原、草甸、灌丛、荒漠和栽培植物。阿克苏河流域的高山植被型组[7]主要为高山植被稀疏植被型，主要分布于北部天山山区高海拔地区，群系划分为雪莲-厚叶美草花稀疏植被。阿克苏河流域植被类型空间分布情况见图1。此外，阿克苏河流域属于南疆棕色荒漠土地带[8]，土壤类型有16种，包括龟裂性棕色荒漠土、棕色荒漠土、石膏棕色荒漠土、龟裂性土、残余盐土、古老绿洲耕作土、水稻土、荒漠化草甸土、吐加依土、荒漠化吐加依土、冲积性草甸盐土、扇缘草甸盐土、扇缘典型盐土、干三角洲典型盐土、次生盐土、山地灰棕色荒漠土。

图1 阿克苏河流域植被类型空间分布

2 基本数据与研究方法

2.1 数据预处理

本研究所使用的气象数据来自塔里木河干流各气象站1970—2018年逐日蒸发量数据。使用的土地利用/覆被数据来自塔里木河干流1990年、2000年、2010年及2017年Landsat-TM影像数据，分辨率为30m，之后对4个年份的影像依据解译标准进行人机交互式判读和数字化工作，通过野外实地验证和修正，生成矢量化专题图。最后根据《土地利用现状分类》(GB/T 21010-2017)与流域实际的土地利用情况，参考土地利用特征及Landsat-TM影像数据的空间分辨率，确定区分出土地利用类型。NDVI数据来自Terra和Aqua卫星搭载的MODIS传感器250m空间、16天时间分辨率，并通过研究区边界裁剪确定1990年、2000年、2010年及2017年NDVI数据集。

2.2 Mann-Kendall趋势检验

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：sign为符号函数；n为样本数量；Var(S)为方差；xk及xi为2000—2018年NDVI时间序列数据集合。当|Zc|>1.96时，则变化趋势达到显著水平；|Zc|>2.58时，则变化趋势达到极显著水平；|Zc|<1.96时，则变化趋势不显著；Zc>0，表明变化趋势为增加；Zc<0，则为下降[9]。

2.3 生态需水量计算

关于生态需水量，不同的学者从不同的角度进行定义，以求得水资源平衡。本文采用胡广录等[3]在干旱半干旱区植被生态需水量计算方法中的定义，即生态需水量指在自然条件下保证生态系统中的植被能够正常生长、发育，维持生态系统不再进一步恶化并逐渐改善、健康运行所需要的地表水和地下水资源总量。首先根据面积定额法计算阿克苏河流域的生态需水量。其定额指标如下：ⓐ中科院新疆地理所计算资料为3900m3/hm2；ⓑ新疆水利厅流域规划办公室计算资料为3885m3/hm2；ⓒ清华大学塔里木河干流水均衡模型计算资料为3495m3/hm2；ⓓ根据王让会等[10]研究成果，有林地为3000m3/hm2，疏林地为450m3/hm2，高盖度草地为2340m3/hm2，低盖度草地为630m3/hm2。然后根据以上定额指标，并参考潜水蒸发与水平衡公式计算的需水量结果，确定现状条件下阿克苏河生态廊道保护所需生态需水量[11]。

3 结果与分析

3.1 阿克苏河流域土地利用/覆被时空变化特征

阿克苏河流域1990—2018年间土地利用的最显著特征就是耕地面积的大幅扩张，林地与草地的面积减少(见图1)，从卫星遥感解译图上发现，在28年间流域内耕地面积从4117.83km2扩张至8960.69km2，增加幅度为117.61%；除此之外建筑用地也增加明显，由216.21km2扩张至337.30km2，增长56.01%；水域面积与未利用地面积无明显变化；流域内原本的草地类型退化现象也很严重，根据现场调查结果发现，尤其是托什干河右岸地区大片高覆盖度草地退化为中覆盖度草地，或者被人类开垦转化为耕地。在阿克苏河两岸以及塔河灌区，在过去十几年随着人口和经济的不断增长，耕地表现为急剧扩张态势。另外，在库玛拉克河和台兰河河源区，冰川和积雪面积锐减，可能会影响未来山区来水量。

图2为阿克苏河上中游土地利用/覆被空间分布图。1990—2018年，阿克苏河上中游林地减小了26.5%，草地减少了7.5%。2000—2018年，阿克苏河上中游林地减小了18.1%，草地减少了4.5%(见图4)。阿克苏河下游土地覆被空间分布见图3，1990—2018年林地和草地面积均呈现持续减少趋势，分别减少了14.36%和19.36%，其中2000—2010年之间，林地和草地分别减少4.33%和7.09%，2010—2018年之间，林地和草地分别减少5.12%和3.23%。

图2 阿克苏河上中游土地利用/覆被空间分布

图3 阿克苏河下游土地利用/覆被空间分布

图4 阿克苏河上中游植被覆盖变化趋势空间分布

3.2 阿克苏河流域植被覆盖时空变化特征

根据2000—2018年阿克苏河上中游(沙里桂兰克与协合拉至西大桥)植被覆盖度空间分布数据，分别绘制2000—2010年和2011—2018年植被覆盖度的变化趋势曲线[见图6(a)]以及对应的植被覆盖变化趋势空间分布图(见图4)。由图6(a)可知，从2000—2018年整个时间序列来看，阿克苏河上中游植被覆盖度呈整体上升趋势，其中前时段增加趋势显著，后时段趋势不显著。2011—2018年阿克苏河上中游平均植被覆盖度和2000—2010年相比增加了19.83%。其中，2000—2010年阿克苏河上中游大部分区域呈非显著降低趋势，其比例为55.69%；2011—2018大部分区域呈非显著降低趋势，所占比例为62.45%；从整个时段来看，显著增加比例为22.34%，非显著增加比例为20.30%，呈下降趋势的比例为57.36%(见表1)。

表1 阿克苏河上中游植被覆盖变化趋势类型面积及比例

根据2000—2018年阿克苏下游植被覆盖度空间分布数据，分别绘制2000—2010年和2011—2018年植被覆盖度的变化趋势曲线[见图6(b)]以及对应的植被覆盖变化趋势空间分布图(见图5)。由图6(b)可知，2000—2010年和2011—2018均呈增加趋势，其中2000—2010年时段植被覆盖度增加达到显著水平。由图6可知，2011—2018年阿克苏河下游平均植被覆盖度和2000—2010年相比增加了48.18%，并且大部分区域呈非显著降低和非显著增加趋势，所占比例分别为41.32%和43.79%。此外，2000—2018年阿克苏河下游植被覆盖度有60.11%的区域呈非显著增加趋势，20.16%呈显著增加趋势，19.73%呈降低趋势(见表2)。

表2 阿克苏河下游2000—2010年及2011—2018年植被覆盖变化趋势类型面积及比例

图5 阿克苏河下游2000—2018年植被覆盖变化趋势空间分布

图6 阿克苏河上中游和下游2000—2010年及2011—2018年植被覆盖度变化趋势曲线

3.3 基于生态廊道保护的生态需水量

本研究根据2017年环保部印发的《生态保护红线划定指南》(环办生态〔2017〕48号)结合阿克苏河生态实况将流域生态廊道功能区分为生态功能区、生态环境敏感区及生态脆弱区3个区域。以2016年生态廊道的总面积作为流域生态保护的总面积，结合遥感解译和现场调查结果可知，阿克苏河流域生态廊道面积为3775.30km2(见表3)。其中，协合拉和沙里桂兰克至两河汇合(西大桥)河段天然植被主要分布于近河道两侧，因此将该河段天然植被划为生态敏感区，其面积为3444.02km2；而两河汇合(西大桥)至依玛帕夏拦河闸河段天然植被主要分布于天然绿洲外围，因此被划为生态脆弱区，保护面积为331.28km2。

表3 阿克苏河流域天然植被保护范围与目标

根据不同植被类型的需水定额指标，阿克苏河重点生态功能区生态需水量为6.45亿m3；阿克苏水平衡公式计算结果为5.38亿m3；阿氏公式计算结果为4.60亿m3。对以上结果取平均值，阿克苏河重点生态功能区生态需水量为5.48亿m3。阿克苏河整个流域(重点生态功能区和两个生态敏感区)天然植被生态需水量为5.75亿m3(见表4)。生态保护是指维系现状条件下的天然植被平均覆盖度和面积，使其能够正常繁育更新。生态保护水量是保障天然植被不退化的最低水量，天然植被需水量是实现生态保护的基本水量。因此，本研究将天然植被需水量视为生态保护水量，即阿克苏河流域的生态需水量总计为5.75亿m3。

表4 阿克苏河流域需水量计算结果

4 讨 论

4.1 阿克苏河流域主要生态环境问题

近年来，由于人类活动的加剧以及国民经济发展的需要，阿克苏河流域林地退化严重[12]，耕地及建筑用地面积日益增长。研究表明在1990—2018年间，流域内耕地面积增加幅度为117.61%，建筑用地增长56.01%，阿克苏河上中游林地和草地面积分别减小了26.50%和7.50%，下游林地和草地面积分别减少了14.36%和19.36%。植被退化主要集中在平原区南部,即流域下游沿河道一带，位于喀什噶尔河、叶尔羌河地段。由于上游截流出现断流情况，使地下水位下降，河道两岸的胡杨等植被逐渐枯死。根据实地调查，在喀什噶尔河、叶尔羌河河畔部分地段(丰收三场以西)，已有将近60%的胡杨枯萎。此外，阿克苏河流域地处塔克拉玛干沙漠边缘，加之以干旱为主体特征的自然条件十分严酷，生态环境脆弱，自然和人为因素的双重影响，使其生态环境问题日趋突出。植被退化、土地沙化、土壤盐渍化、环境恶化等现象[13]均值得人们和相关流域及行政区域管理部门的注意。

4.2 生态廊道保护措施与建议

针对阿克苏河流域生态环境现状与存在的主要生态环境问题，除了纳入塔里木河流域重点生态工程内的地下水监测工程，还需针对流域特点在重点生态功能区和生态脆弱区分别建设或完善河道生态治理工程、生态保护封育工程、水土流失治理工程。此外，基于阿克苏河流域生态廊道的保护，我们还提出了一系列措施与建议[14-15]：

a.构建新型流域管理体制机制，实行最严格水资源管理制度。从流域整体的综合利益考虑，实现流域水量的科学与统一调度，落实退地减水，完善断面水量及生态用水考核。

b.积极推进重点生态水利工程和流域监测体系建设步伐。强化河湖岸线管理和保护，加快修复流域廊道水生态，提升生态廊道保护成效。

c.健全塔里木河流域生态水保障法规体系。建立生态补偿管理体制，确立流域生态水权制度，建立公正、高效、可持续的水权交易市场，优化配置水资源。

5 结 语

本研究基于Mann-Kendall检验，分析了阿克苏河土地利用和植被覆盖的时空变化特征。结果表明，阿克苏河流域整体林地退化问题严重，逐渐转移为耕地和建筑用地。张辉等[16]研究结果也表明，2000—2014年阿克苏河流域林地、灌木林地和耕地的NDVI整体呈下降趋势，与该研究结果一致。此外，综合多种生态需水量计算方法，基于生态廊道的保护区划确定了流域绿色廊道所需生态保护水量，计算结果表明流域生态需水量总计为5.75亿m3。本研究不仅对于综合治理塔里木河流域整体生态环境具有重要参考意义，还可为塔里木河流域的生态文明建设、脱贫攻坚与国家“兵团向南发展”等重大战略实施的生态安全保障提供技术支撑与服务。未来还应针对塔里木河流域整体开展相关生态廊道的保护对策研究工作，为塔里木河流域的生态保护工作提供科学指导。