基于生态修复的艾比湖流域生态需水研究

蔺 卿,陈 明,王迎春,丁大发,罗清丽,杨建明

(新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

艾比湖流域受气候变化和人类活动加剧双重因素影响，入湖水量锐减导致湖面收缩，生物多样性锐减，湖滨湿地沙漠化扩张，裸露湖底盐尘为源头的盐尘暴、扬尘和浮尘天气频发等突出生态环境问题。艾比湖流域已成为仅次于塔里木河中下游的新疆第二大生态退化区域，对流域乃至整个北疆的社会经济可持续发展产生了严重的威胁。学者们对艾比湖生态环境治理提出了具体而有创建性的措施[1-3]。本文面向艾比湖流域生态修复，从完整保留发挥野生生物物种的天然贮存库出发，探讨确定艾比湖流域生态修复目标，识别天然林草保护范围及修复范围，以生态需水量满足主要建群物种自然更新为目标，计算维持林草生长的年内耗水过程及生态需水量，依据主要建群物种与地下水关系，提出天然林草生态保护的合理地下水位，使其实现自身良性循环。

1 流域主要生态环境问题

1.1 艾比湖萎缩导致盐尘危害

随着流域内大规模的水土开发，艾比湖水面从20世纪50年代的1200km2萎缩到2021年最小近300km2。干涸湖底正处于阿拉山口的主风道上，因“狭管效应”导致年内大风最多天数为188d，最大风速55m/s，盐尘起沙风速为4.3～4.8m/s，年内最大起沙风频次为5895次，时间主要在3—5月、10—11月。盐尘被人畜吸入或牲畜采食被盐尘污染的牧草后引发呼吸道疾病达16%，盐尘造成农作物大幅减产和耕地盐渍化，同时对输电线路和铁路轨道有腐蚀作用，造成输电线路停电和危及“新欧亚大陆桥”的安全运行。

1.2 湖滨湿地退化导致生物多样性受损

艾比湖湖滨湿地由入湖河流和泉水补给形成，一些河流被过渡开发后无水源补给，湿地随之消失。如，托托河下游湿地20世纪70年代时面积较大，随着托托河被全部引入灌区，湿地大幅萎缩，目前剩余约1/3，依靠地下潜流补给维持。艾比湖东南侧湿地的萎缩使天鹅等候鸟的中转栖息地也遭到一定程度的破坏。

1.3 甘家湖梭梭林自然保护区植被退化严重

该区域因补给水源锐减，主要源流古尔图河、四棵树河、奎屯河三河已无地表径流汇入，仅有洪水和灌区排碱水流至下游，造成河道两侧地下水位明显下降，河谷、河岸林全部衰败，地下水位下降导致天然植被大幅度减少，土地沙化问题非常严重，沙漠向人工绿洲区推进的速度加快。同时因生境变化狐狸等食鼠动物外迁，沙土鼠、旱獭等泛滥，进一步导致天然植被退化，生态格局进一步改变，对人工绿洲的稳定性和可持续性的保护作用减弱。

1.4 水环境持续恶化

艾比湖流域面源污染负荷较大，入湖河流及湖体总氮浓度较高，导致湖滨带自然植被受损，珍稀物种生境破坏，农村生活污水缺乏有效处理，城镇生活污水集中处理率、畜禽养殖粪污资源化利用水平有待提高，这些均直接或间接影响艾比湖生态安全，同时当地居民成为最直接的受害者，对居民健康存在危害。

2 流域生态修复目标分析

流域内天然绿洲包括湖滨湿地、精河湿地、博尔塔拉河湿地[4]以及三河尾闾的河谷林。结合前人的研究，经过3次野外踏勘和大量内业工作，确定了3个生态修复目标，即：艾比湖湿地保护区、甘家湖梭梭林自然保护区、甘家湖保护区外河道生态系统。艾比湖湿地保护区包括艾比湖湖面、托托河下游湿地、艾比湖湖滨湿地，艾比湖湖面生态需水考虑的因素较多，将另文研究。甘家湖梭梭林自然保护区包括三河尾闾部分荒漠林。甘家湖保护区外河道生态系统除甘家湖保护区外三河河道生态修复目标。如图1所示。

图1 艾比湖流域生态修复目标示意图

2.1 艾比湖流域湿地保护区

艾比湖湿地主要植物种群为沙生、盐生、水生、湿生植物，鸟类较多，是野生动物的重要栖息地和候鸟的主要繁殖地、中转地和越冬地，对维系艾比湖流域生物多样性和生态环境稳定性发挥着重要作用。该湖滨湿地历史上与甘家湖天然绿洲连接成片，共同发挥湿地的生态功能。补给河流曾经有精河、托托河及乌东果勒河，现状只有精河补给，托托河和乌东果勒河被引入灌区消耗殆尽，几乎无水补给下游。

湖滨湿地恢复目标确定为：湖南部的精河下游入湖口附近湿地、湖东的托托河和奎屯河入湖口附近湿地。通过河道向湿地补给修复，力争湿地生态现状向良性转变，发挥功能，减少人类破坏活动影响，保护动植物适宜的生长环境和增强生物多样性。

艾比湖湿地区因湖面呈现缩小趋势，裸露的湖底盐尘对下风向甚至整个天山北坡经济带造成危害，湖滨湿地沼泽面积锐减，生物多样性呈现下降趋势；湖东湿地地下水位下降，天然植被退化，边缘明显沙化，河谷林、草甸、湿地严重退化。

2.2 甘家湖梭梭林国家级自然保护区

该保护区发育了以梭梭、白梭梭、胡杨等荒漠植物为主体的典型的旱生和超旱生荒漠植被类型，稀疏灌木、半灌木荒漠占优势，是我国唯一温带荒漠地带的梭梭荒漠保护区，是我国生物多样性的重要基因库，水资源主要作用是创造了多样性的生态系统来支撑多样性的生物种群，维护系统的整体稳定。补给河流曾经有奎屯河、古尔图河和四棵树河，早在20世纪60—70年代就已陆续断流。通过90年代TM影像与2020年高分辨率影像、无人机影像对比分析，梭梭林广泛分布在沙漠、土漠、盐漠上，以河道两岸的胡杨林外缘、河谷阶地、三角洲长势最好，远离河道的梭梭林则平均高度较低、冠幅小，抵御风沙能力差，风沙侵蚀加快，梭梭林进一步退化。

2.3 河道生态修复目标

河道生态修复目标主要包括奎屯河、古尔图河和四棵树三河河岸荒漠植被，作为重要的生态廊道对沙漠化控制作用十分显著，反之缺水退化将极易造成沙漠扩张，同时还发挥保护生物多样性、维护生态安全、调节气候等重要生态功能。保障奎屯河尾闾下泄水量，遏制梭梭林、胡杨林退化。

3 生态需水计算

生态需水计算国外研究较成熟，国内已广泛应用[5-13]，一般都根据研究区的水文、水生态和资料情况选取合适的方法并进行修正。

3.1 遥感数据处理

采用1990年TM、2000年ETM、2010年TM、2015年ETM和2020年1m高分辨率遥感数据，经过几何纠正、拼接等预处理后使用面向对象解译方法提取生态修复目标。采取面向对象的解译方法设置颜色、形状、紧实度将像元按规则分割成为对象，在对象的基础上建立分类规则解译林、灌、草等植被类型，将土地利用类型划分为10个大类55小类，甘家湖保护区在林、灌、草的基础上又细化分类到了群落。利用5期遥感数据结合GIS分析方法，分析30年来艾比湖流域平原区土地利用变化情况，探究流域平原区土地利用时空变化特征。重点分析2020年1m高分辨率遥感数据，与历年土地利用变化分析结果相对比，与无人机影像相互印证，开展2次野外实地验证，力求对植被类型和覆盖度做到准确分类和计算。

甘家湖保护区需水量包括奎屯河尾闾生态需水。精河尾闾湿地以草本植物芦苇为主，托托河、博尔塔拉河湿地主要为沿河道的河谷林，灌木和草本混合的胡杨-柽柳、梭梭-芦苇湿地。托托河位于保护区东南部，中游苇湖、阿奇克苏湿地宽度较大，最大湿地宽度超过500m。

3.2 生态需水计算

本次采用联合国粮食及农业组织(FAO)推荐的需水量计算方法:①以精河的水面蒸发计算出作物参考蒸腾发量ET0；②确定草本湿地的各月的需水系数Kt，计算出草本湿地月蒸腾量；③净需水定额是月蒸腾量与有效降水的差值；④生态需水量是定额与面积的积。

利用GIS软件中的Kringing插值，得到研究区降雨、蒸发的面状数据，同时可得到每个栅格的降雨和蒸发量。降雨插值图显示降水由四周向中部递减，生态修复区月降水小于30mm，且降水量月变化很小，而山区降雨的月变化较大。月蒸发量阿拉山口最大，年蒸发能力可达到2000mm，与阿拉山口风速大关系密切；精河和乌苏的年蒸发能力也分别达到850mm和1148mm，生态修复区各站点降雨量本身很小，蒸发能力又远大于降雨量，自然降水不能满足植被生长，需要依靠地表水资源和地下水。

ETi，t=ET0×Kt

(1)

需水系数是植被生长状况和土壤供水条件的函数，考虑到荒漠植被在冬季(11月—次年3月)基本停止生长，小灌木甚至为积雪覆盖，蒸发较小，故冬季需水本研究未做考虑。

根据遥感解译的各分区地类面积，计算得到了各分区荒漠植被需水量：

W=∑(ETi,t-Pe,t)A

(2)

式中，W—生态需水量；ETi，t—蒸发量；Pe，t—有效降雨量；A—面积。

根据前文确定的生态修复目标，计算各地类需水定额和各分区生态需水量见表1。

表1 湖滨湿地及甘家湖梭梭林保护区生态需水汇总表

生态需水计算结果显示，湿地生态修复目标现状共有54.27km2，共需水0.59亿m3，其中精河湿地31.45km2，需水0.34亿m3；湖东湿地3.42km2，需水0.04亿m3；托托河湿地19.4km2，需水0.21亿m3。甘家湖保护区现状需水2.32亿m3，其中有林地55.19km2，需水0.39亿m3；灌木498.93km2，需水1.93亿m3。以上生态需水量仅为维持各修复目标的需水量，不包括在生态补水过程中的河道渗漏损失。

3.3 抬升浅层地下水位的生态需水

浅层地下水是干旱区荒漠植被的生命线。甘家湖保护区内远离河道的天然植被明显衰败，其主要原因是地下水位下降太多，天然植被已不能通过根系获得充足的水分。国内外的研究也表明胡杨、梭梭等荒漠植被生长主要依赖于地下水补给。在古尔班通古特沙漠研究表明地下水埋深5m处梭梭和白梭梭种群密度均处于较高水平[14]。当地下水位加深时，梭梭种群密度均有不同程度的下降，且出现种群内幼苗补充不足、更新受阻现象。在地下水埋深5m处，梭梭和白梭梭的结实密度、结实概率都很高，种群内有大量的幼树参与到种子生产中。地下水位下降时，梭梭和白梭梭种群的结实能力明显降低，表现为种群以老枝叶为主，罕有新枝叶和幼苗生长。梭梭和白梭梭对地下水的依赖程度不同，梭梭种群对地下水的依赖程度强，白梭梭种群受地下水位下降的影响相对较弱，胡杨种群对地下水的依赖也较强。综合上述，结合其他区域研究确定了甘家湖保护区天然植被的适宜地下水位：白梭梭、梭梭、柽柳-梭梭群落为5m，柽柳-梭梭-胡杨、胡杨群落为4.7m。因甘家湖保护区缺乏地下水资料，在参考历史地下水位资料的基础上，采用多通道地下水找水仪探测地下水位，同时采用现状年遥感影像数据提取植被指数，与需抬升的地下水位建立回归关系，通过植被状况推断地下水位需抬升情况，即推断理想状态地下水位与实际地下水位的差值。结果显示，甘家湖梭梭林自然保护区浅层地下水位需要平均抬升2m，给水度参照以往该区域的研究取0.17，则补给浅层地下水的需水量为1.88亿m3。

综上所述，在未考虑河道渗漏和工程损耗的情况下，艾比湖流域天然生态修复生态需水量为2.91亿m3。其中甘家湖保护区为2.32亿m3，湖滨湿地为0.58亿m3。甘家湖保护区需补给地下水的为1.88亿m3。

其中甘家湖保护区需水为2.32亿m3；恢复湖滨湿地的需水为0.58亿m3。甘家湖保护区抬升浅层地下水的需水量为1.88亿m3。补给水源依靠各源流落实用水总量红线和退地减水等方式解决。补给方式以河道下泄为主，还可考虑规划设计一些简易的生态补水工程，对远离河道的保护目标进行补水灌溉。另外，建议减少各源流尤其是三河等源流中游农业灌溉区的农业高效节水面积，恢复沟畦灌溉，以增加灌溉回归水对灌区下游天然生态的补给。同时，加大奎屯河流域的节约用水力度，保障生态基流下泄，恢复与艾比湖的水力联系，对于甘家湖梭梭林自然保护区和湖东湿地的恢复都具有至关重要的意义。

4 结语

本文计算了艾比湖流域生态修复目标的生态需水量，包括恢复和维持天然植被和抬升浅层地下水位两部分生态需水量。定额法是现状情况下的不同植被类型的需水量，未考虑同一类型下不同生长状态的需水。抬升浅层地下水位则是保障天然植被结构合理，能正常更新。参考了古尔班通古特沙漠区域内的类似研究，用历史地下水位和植被生长指数建立的地下水关系确定了各种植被类型的需抬升水位。由于采用了1m高分辨率遥感数据，植被分类更为准确，相应的生态需水测算也更准确。存在的不足是未考虑抬升浅层地下水位对盐分的影响。