艾丁湖流域绿洲变化与地下水开发利用关系分析

梁珂 徐志侠 王海军 杨国瑞 阚光远

摘要 由于長期以来水资源开发活动日益增强，艾丁湖生态区入湖水量不断减少，湖面萎缩;区域土地沙化、沙漠化趋势未根本扭转;地下水位不断下降，生态、生活用水风险增大;陆生、水生物种消亡趋势加剧;干热风等灾害性天气呈不断增加趋势;沙尘、盐尘天气爆发风险不断累积增大，使得艾丁湖生态区生态压力不断增大，生态恶化趋势明显。基于高分辨率遥感影像、地理信息技术以及现场取样调查，分析了艾丁湖流域土地利用与植被覆盖度时空变化特征，探明了自然植被盖度退化情况。结果表明，天然植被的平均覆盖度在1976—1995年呈减小趋势，在1995—2010年呈增大趋势，在2010—2019年转为减小趋势;高盖度植被由南向北发生迁移;天然植被退化的主要原因是地下水埋深逐渐加大，且受不到山区的地表水补充，以及由于城乡工矿用地的扩张导致天然植被减少。

关键词 水资源;地下水埋深;自然植被覆盖度;土地利用类型

中图分类号 P-641.8  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）22-0205-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.052

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis on the Relationship between Groundwater Depth and Xerophyte Coverage in Aiding Lake Region

LIANG Ke  XU Zhi-xia WANG Hai-jun3 et al  （1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin， China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038;2.Beijing IWHR Corporation， Beijing 100048;3.Luanping Water Bureau， Luanping，Hebei 068250）

Abstract Due to the increasing disorderly activities of human beings， the amount of water entering the lake is decreasing and the lake surface is shrinking; the trend of regional land desertification and desertification has not been fundamentally reversed; the underground water level is continuously falling， the risk of ecological and domestic water use is increasing; the trend of terrestrial and aquatic biological plants is disappearing; the trend of dry hot wind and other disastrous weather is increasing; the risk of sand dust and salt dust weather outbreak is also increasing With the increasing accumulation， the ecological pressure of Aiding Lake ecological area is increasing， and the ecological deterioration trend is obvious. Based on high-resolution remote sensing images， geographic information technology and field sampling survey， the spatial and temporal variation characteristics of land use and vegetation coverage in Aiding Lake Basin were analyzed， and the statistical relationship between natural vegetation coverage change and groundwater depth was explored. The results show that the average coverage of natural vegetation decreased from 1976 to 199  increased from 1995 to 2010， and decreased from 2010 to 2019. The high coverage vegetation migrated from south to north. The main reasons for the degradation of natural vegetation is the gradual increase of groundwater depth and the lack of surface water supplement in mountainous areas;and the expansion of industrial and mining land in urban and rural areas led to the reduction of natural vegetation.

Key words Water resources;Groundwater depth;Natural vegetation coverage;Land use types

由于人类无序活动日益增强，艾丁湖生态区入湖水量不断减少[1]，湖面萎缩;区域土地沙化、沙漠化趋势未根本扭转;地下水位[2]不断下降，生态、生活用水风险增大;陆生与水生物种植被消亡趋势加劇;干热风等灾害性天气呈不断增加趋势;沙尘、盐尘天气爆发风险不断累积增大，使得艾丁湖生态区生态压力不断增大，生态恶化趋势明显[3]。流域内地下水严重超采[4]、地下水取水成本大幅增加、地下水面临枯竭的危险，导致艾丁湖环境恶化，已经影响吐鲁番市经济发展与市民的生活。

环艾丁湖周边的地下水主要是由吐鲁番北部盆地向南的地下水汇流和来自南部盆地向东的地下水汇流补给构成[5]。若这些地下水汇流在到达艾丁湖之前被人工开采截留，则环艾丁湖周边的地下埋深将会加大。地下水埋深[6]是吐鲁番南部盆地植被生态系统依存的一个重要因素[7]，地下水埋深的加大必将影响到吐鲁番盆地植被生态系统的维系。因此，亟待分析艾丁湖区域土地利用[8]、自然绿洲面积[9]、植被覆盖度[10-11]等变化，建立绿洲湿地植被盖度与地下水埋深之间的统计学关系，服务于地下水开发利用与生态功能保护的水位和水量双控临界指标体系的建立。

1 研究概况

1.1 艾丁生态区概况

艾丁湖生态区生态系统由湖泊、河口湿地、盐生草甸、入湖河流、人工绿洲、火焰山、戈壁、天山组成。湖泊有主湖区和副湖区、河口湿地、干盐滩组成[12]。河口湿地是白杨河进入主湖区前形成的湿地。盐生草甸是湖泊水体和人工绿洲之间的区域，现状面积10.67万hm 生长有以骆驼刺为主的旱生植被[13]。现状只有白杨河径流补给艾丁湖。自然绿洲包括自然生长的草地、林地、灌木地、湿地水域[14-15]。人工绿洲包括农田、防护林、人工草地、城市，人工绿洲现状生态良好，在农田和山区之间是戈壁，山区基本没有人类活动。

1.2 土地利用类型及植被覆盖度数据

通过遥感影像获取土地利用类型及植被覆盖度数据。用遥感分类方法对艾丁湖流域（吐鲁番地区）遥感影像进行地物分类，并以专题图的形式展示其地域中的1976—2019年的地物变化。同时利用2018—2019年数次采样所获得的大量地表植被覆盖度实测数据，采样点个数约200个，采样时间集中在2018年4—5月、10月及2019年5月，包括的植物种类主要有疏叶骆驼刺盐生草甸、芦苇盐生草甸、黑果枸杞灌丛、柽柳灌丛、梭梭荒漠和盐爪爪荒漠等。根据对应点位处Landsat遥感影像特征波段的光谱信息，在星地协同观测的基础上使用随机森林方法构建地表植被覆盖度遥感定量反演模型，反演艾丁湖流域1976—2019年的地表植被覆盖度信息。

2 研究内容

2.1 地下水-包气带水补给天然植被的作用机理

在干旱及半干旱区，天然植被的生长依赖地下水及包气带水。地下水通过由土壤孔隙形成的毛管水上升形成土壤水，从而被植被根系吸收，包气带的厚度受地下潜水面的变动而变动。

陈敏建等[16]提出了地下水补给植被的物理机制为：只要潜水影响层与根系作用层相交，就会发生地下水补给植被。因此，潜水影响层与根系作用层只有保持接触，植被才能持续得到水分补给。如果地下水位下降导致二者脱离接触，则植被的水分供给中断。因此，维持地下水补给植被的条件就是要保证潜水影响层与根系层能够有交叉。

由张立运等[17]的研究成果可知，骆驼刺最初的发生环境是荒漠平原地区河流的河漫滩，骆驼刺主要分布在亚洲荒漠和半荒漠的平原地区。研究学者在和田河和阿克苏河交汇处的河漫滩上，观察到了骆驼刺种子的实生苗。目前，大多数地区的骆驼刺群落衰退的主要原因之一是由于地下水位下降、生境干燥。

艾丁湖流域现在的地貌状况和不同植被类型分布区的地下水位并不能够反映其植被萌发时相应的地下水位分布状况。这些植被原先是依靠河流的地表水泛滥而发生的，依靠地下水生存。经调查分析，2017年研究区天然植被区蒸发蒸腾量ET总量为168.57 mm，而长期以来，研究区年蒸腾蒸发量远高于多年平均降水量10 mm，在没有地表水补充的情况下，包气带蓄水量变化量为负值，包气带由上自下土壤含水量逐渐减少，植被的根系生长深度也随之适应性加深，植被的根系吸收包气带储存的土壤水生存，因此当地下水埋深在一定范围内时，现存的植被仍能存活;但当地下水埋深超过一定范围内时，植被的根系只能靠吸收包气带储存的土壤

水生存，随着地下水位的下降，包气带中的水分逐渐减少，

因此植被可以吸收的水分越来越少，植被将逐渐衰退，以至于无法自然更新，当包气带水全部被耗尽，植被将无法存活。

2.2 1976—2019年植被覆盖度时空变化

艾丁湖流域内，天然植被主要为灌木地、草地，人工植被主要为耕地、林地。由图1可知，人工植被的平均覆盖度高于天然植被的平均覆盖度。

2.2.1 人工植被（耕地、林地）。1976—2019年，随着人类对水资源开发利用效率和耕作技术水平的提升，进入21世纪后人工植被的平均覆盖度呈明显增长趋势。

2.2.2 天然植被（灌木地、草地）。由图1可以看出天然植被平均覆盖度的变化历程，可将其分为3个变化周期：1976—1995年，天然植被的平均覆盖度呈减小趋势;1995—2010年，天然植被的平均覆盖度呈增大趋势;2010—2019年，天然植被的平均覆盖度又转为减小趋势。 2017年天然植被的平均覆盖度为低谷值，1976、2010年天然植被的平均覆盖度为峰值。

由图2可如，1976—2019年艾丁湖流域天然植被覆盖度的变化情况，1976—2019年土地利用类型均为天然植被且没有发生变化，覆盖度增大的区域与覆盖度减小的区域面积相当，覆盖度增大的区域主要分布在植被覆盖度减小的区域的北部，1976—2019年高盖度植被由南向北发生迁移。

2.3 1976—2019年绿洲面积变化与地下水开发利用关系

由图3可知，随着艾丁湖流域社会经济的发展，艾丁湖流域平原区土地利用变化表现为：天然绿洲面积在1976—2010年呈减少的趋势，在2010—2019年呈增大的趋势;人工绿洲面积在1976—2019年呈增大的趋势;天然绿洲与人工绿洲面积比值整体上呈先下降后上升趋势;在2010年左右比值最小。

2010年以前，该区域经济发展较为粗放，再加上人口的增长增加了粮食的需求量，促使耕地面积扩张，使得人工绿洲面积呈现递增趋势。2010年以后，当地政府提出并采取了生态保护的政策和科学的治理方略，推进了约束地下水资源开采、地下水回灌等地下水合理开发利用方案的实施，近年来艾丁湖生态区开展的生态保护主要是针对盐生草甸即骆驼刺的保护，在重点地区建设围栏工程，适当调整载畜量，使天然绿洲的面积开始回升。

由图4可知，1976—2019年艾丁湖流域天然植被分布，主要分为不变范围、扩张范围及衰退范围。总体来说，1976—2019年天然植被的衰退范围为1 181 km2、扩张范围为379 km 衰退范围远大于扩张范围，从分布面积上看呈整体退化趋势。天然植被的衰退范围主要分布在西区郭勒布依乡西部、吐托公路南侧、中区艾丁湖的北部以及东区达朗坎乡和迪坎乡南部。

天然植被范围分布发生变化的原因主要是由于长期以来艾丁湖生态区人类活动、水资源开发利用强度不断增强，局部地区地下水超采程度日益严峻，进入湖泊的水量逐渐减少，艾丁湖生态系统明显恶化，尽管近年来艾丁湖生态区在重点地区开展了盐生草甸即骆驼刺的保护、建设围栏工程、适当调整载畜量等举措，但是1976—2019年天然植被分布仍然呈明显退化趋势。

1976—2018年艾丁湖流域水资源利用量、地下水开采量、人类总耗水量与天然绿洲、人工绿洲的面积比的变化过程见图5。

由图5可知，在1976—2018年，人工绿洲面积随着地下水开采量的先增加后减少呈现先增大后保持稳定的趋势;而天然绿洲面积则随着地下水开采量的先增大又逐渐减小呈现出先减小后增大的趋势。由此可见，天然绿洲面积与地下水开采量呈相反变化趋势。

3 结论

（1）天然绿洲面积在1976—2010年呈减少的趋势，在2010—2019年呈增大的趋势;人工绿洲面积在1976—2019年呈增大的趋势。天然绿洲与人工绿洲面积比值整体上呈先下降后上升趋势，在2010年左右比值最小。（2）天然植被范围分布发生变化的原因主要是长期以来艾丁湖生态区人类活动、水资源开发利用强度不断增强，局部地区地下水超采程度日益严峻，进入湖泊的水量逐渐减少，艾丁湖生态系统明显恶化。尽管近年来艾丁湖生态区在重点地区开展了盐生草甸即骆驼刺的保护、建设围栏工程、适当调整载畜量等举措，但是1976—2019年天然植被分布面积仍然呈明显退化趋势。

（3）天然植被的平均覆盖度在1976—1995年呈减小趋势，在1995～2010年呈增大趨势，在2010—2019年又转为减小趋势。1976—2019年期间植被覆盖度增大的区域主要分布在覆盖度减小区域的北部，说明1976—2019年高盖度植被由南向北发生迁移。天然植被退化的主要原因是地下水埋深逐渐加大，且受不到山区的地表水补充;以及由于城乡工矿用地的扩张导致天然植被减少。

（4）在1976—2012年，艾丁湖流域的社会经济进入了一个迅速发展的时期，随着流域内人口对水资源以及粮食的需求不断地增大，地下水资源的开采量、人工绿洲面积及人工植被覆盖度均呈现明显的增大趋势。由于多年平均降水量呈轻微减少的趋势，且地下水开采量的明显增大，是导致此期间天然植被面积及天然植被覆盖度呈减小趋势的原因。到了2012年左右，地下水开采量达到极大值，随后在2012—2018年，由于当地政府提出并采取了生态保护的政策和科学的治理方略，推进了约束地下水资源开采、地下水合理开发利用、退耕还林、退牧还草的方案，地下水开采量呈现明显的下降趋势，尽管人工绿洲面积仍保持稳定，但人工植被覆盖度明显开始回落，天然绿洲的面积及天然植被覆盖度均开始回升，生态环境逐渐改善。

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