金山南面大河流（上）——额尔齐斯河生态保护与水文过程耦合机理研究

主讲人：邓铭江

描绘阿尔泰山、额尔齐斯河的诗词，我还是最喜欢宋元之际长春真人丘处机和元代名士耶律楚材的两首诗，诗中寄托了诗人对边疆山河的无限热爱之情。

金 山

[宋]丘处机

金山南面大河流，河曲盘桓尝素秋。

秋水暮天山月上，清吟独啸夜光毬。

过金山用人韵

[元]耶律楚材

雪压山峰八月寒，羊肠樵路曲盘盘。

千岩竞秀清人思，万壑争流壮我观。

云覆云开岚色润，松巅风起雨声乾。

风光满贮诗囊去，一度思山一度看。

阿尔泰山地势总体呈西高东低，自东向西斜跨中国、哈萨克斯坦、俄罗斯和蒙古国，绵亘2000余千米。“阿尔泰”蒙语意为“金山”，阿尔泰山以盛产黄金、宝石而闻名遐迩，山里隐藏着一个和共和国命运息息相关的神秘大坑——可可托海三号矿坑。如今，那首脍炙人口的歌曲《可可托海的牧羊人》，唱响了这个闪亮的名字。

额尔齐斯河是一条跨界河流，发源于我国境内阿尔泰山南坡，在可可托海处，喀依尔特河与库依尔特河汇合后始称额尔齐斯河。河流沿着阿尔泰山南麓由东南向西北流，在新疆维吾尔自治区哈巴河县境内南湾进入哈萨克斯坦，注入斋桑泊，出湖后继续向北流，进入俄罗斯后在汉特-曼西斯克汇入鄂毕河，最终流入北冰洋。河流全长4248 km，流域面积164.3万km2，多年平均径流量约950亿m3。其中，中、哈、俄三国流域面积分别占3%、30%和67%；地表水径流量分别占11%、21%和68%。

额尔齐斯河一路向前，一路汇流，沿途源源不断地有53条支流汇入，水势越聚越大，河面越流越宽，水量丰沛，河网纵横，湖沼密布，浩浩荡荡，最后融入北冰洋。

中国境内额尔齐斯河全长633 km，地表径流量111亿m3，约75%流出境外。主要支流有喀拉额尔齐斯河、克兰河、布尔津河、哈巴河、别列则克河等。各支流呈“梳状”分布，自北向南依次汇入干流河道。河谷宽阔平坦，河道分岔漫流，两岸滩地生长着茂密的河谷次生林和优良的河谷草场，形成独特的河谷生态系统（图1）。

图1 额尔齐斯河河谷林草景观

20世纪中叶以来，毁林开垦、过度放牧、酷渔滥捕，大规模水土开发、水利水电工程建设等人类活动，对流域生态系统健康和安全构成巨大威胁。河谷林面积萎缩、林龄老化；河谷牧草退化，高度、盖度、生物量等显著降低，土著鱼类资源严重减少、珍稀鱼类濒临灭绝……

近年来，各级政府先后出台了禁止滥砍乱伐、矿山修复、草畜平衡、退牧还草、天然水域禁渔等政策措施，人为活动直接对河谷生态系统的影响得到有效遏制。

水利水电工程建设和运行，必然会改变河流的自然水文节律，这是河谷生态系统健康维系面临的最大挑战。当前，复苏额尔齐斯河生态系统，必须首先揭示三个基本的科学问题：一是科学系统地确立生态保护目标，揭示林草生态系统物候节律和生态需耗水机理；二是揭示鱼类产卵繁殖的生境条件和水文机理；三是开展乌伦古湖水生态保护与水污染防治对策研究，揭示其水循环与水平衡机理，为系统开展生态调度和生态修复提供科学依据。

一、生态环境保护目标及需耗水量分析

额尔齐斯河作为水汽、水系通道和鱼类林草的生态廊道，其生态系统的保护目标是：保护河谷绿洲生态系统健康，乌伦古湖面积不萎缩，河谷林草生态系统不退化，改善鱼类生境，全面复苏河湖生态系统。当前，摸清生态系统物候节律、需耗水量及其关键阈值，是支撑开展大尺度生态调度的关键科学问题。

1.生态系统功能定位

额尔齐斯河流域是国家重要的生态功能区之一。流域山川林立、河流发育、林草丰茂、湖泊湿地众多，冬季河道流凌冰封，形成丰富、完整且独特的“山水林田湖草沙冰雪”生态系统，构成了生态功能的三个层次：①以横亘北部的阿尔泰山为屏障，形成“冰雪+森林+草甸”的区域生态功能系统；②以绵延南部的“梳状”河流为生境和生物通道，形成“林草+湿地+鱼藻”的流域生态功能系统；③以河谷绿洲农林牧渔矿旅为发展特色，形成“资源+生态+社会经济”的生态经济功能系统。流域生态系统的保护治理，必须统筹生态功能的层次关系和“物理层—化学层—生物层—景观层—文化层”的逻辑关系，以从全视角构建层次结构清晰、逻辑关系明确、特色优势显著的生态系统格局。

2.生态环境保护目标

额尔齐斯河河谷是大西洋水汽进入北疆的重要通道，两岸分布有234.7万亩（1亩=1/15hm2）河谷林草，被誉为“中国野生杨树基因库”，也是中国“三北”防护林的重要组成部分，在涵养水源、防止水土流失、调节区域气候、保护农牧业生产等方面起着极其重要的作用。流域分布有鱼类37（亚）种，其中土著鱼类23种，3种属于新疆维吾尔自治区一级保护鱼类，其余为移植或带入种。阿勒泰科克苏湿地被列为国家一级湿地公园，乌伦古湖、喀纳斯湖等7个国家和自治区自然资源保护区，已成为著名的旅游胜地。天然降水不足以维持湿地植被生态系统需水，漫滩洪水及河道径流下渗形成的潜流场，是河谷生态系统的健康保障。保护河谷林草生态系统不退化、乌伦古湖面积不萎缩，促进鱼类产卵繁殖，是流域生态保护的首要任务。

3.生态需耗水量分析

生态需水是指维持一个特定流（区）域生物群落稳定和可持续栖息地的环境需水量，即维系适宜生境条件需要控制性断面或控制性工程的下泄水量，而不是指生物群落机体本身的“需水量”。生态需耗水量涉及河道生态基流、河谷林草、湿地、湖泊、鱼类生境等。根据额尔齐斯河流域生态保护目标，流域生态需耗水量为18.9亿m3，其中额尔齐斯河干支流生态需耗水量为15.2亿m3。

二、揭示林草生态系统物候节律和生态需耗水机理

以杨柳科树种为建群种的河谷林草是河流生态系统的重要构成部分。摸清其生理特性、物候节律、需耗水机理，是开展生态调度、保护陆生生态系统的第一个科学问题。

1.牧草物候节律和生态需水机理

河谷牧草的生长期可分为：①生育初期，3月下旬至5月下旬，牧草处在返青—分蘖/分枝期，气温偏低，蒸散发强度弱，积雪融水补充土壤含水量，天然牧草无需灌溉。②营养生长期，5月下旬至7月上中旬，牧草处在分蘖/分枝—抽穗/现蕾期，生长旺盛，需水量大，天然降水无法满足牧草正常生长需水。③生殖生长期，7月中下旬至8月上旬，牧草逐渐进入开花—结实/结荚期，生长速度逐渐趋于缓慢，需水量较大，该阶段主要依靠5—6月形成的漫滩洪水补给抬升地下水水位，毛管上升水是牧草生长水分的重要来源。④刈割期，8月上旬开花期后，牧草品质好、产量高，是最佳收割季节（表1）。

表1 额尔齐斯河河谷牧草的生育节律统计分析

综上所述，5月下旬是河谷牧草生长的关键物候期，且主要依赖洪水漫滩，该时段缺水将严重影响牧草的产量和质量。根据牧草生长需水和河道洪水发生时机的耦合规律，应在5月下旬至6月上旬，相机开展生态调度。

2.河谷林繁殖生长规律和生态需水机理

河谷林多为湿中生的杨树群落，以额河杨、苦杨、欧洲黑杨、银白杨和银灰杨为主。河谷林天然更新包括实生苗更新和萌生苗更新两种途径：①实生苗更新是主要更新方式，种子飘落所处的环境决定种子寿命和发芽率，如果处于光线直射且干燥的环境中，生命力只有6天；如果飘落到荫蔽湿润的地方，其寿命将会大幅增长至40天（图2）；②萌生苗多发于种群内部、边缘以及单株个体的周围，产生萌生苗的侧根主要分布在离地表20 cm以内的土壤中，若地下水埋深过深，熟龄杨的根系会往深处生长，不利于萌生苗萌出。

图2 河谷林不同条件种子发芽率随时间变化关系

河谷林飘种时间与河流自然洪水漫滩时间高度重叠，是河谷林天然繁殖更新的必要条件。根据相关调查，河谷林种子开裂撒播期为5月15日—7月20日，6月份最为集中，同时也是萌生苗快速生长期（表2）。6月份是河谷林繁殖需水关键期，河漫滩保持湿润环境是河谷林繁殖的重要条件。

表2 杨树飘种期、幼苗快速生长期

除洪水漫滩外，合理、稳定的地下水水位是维持河谷林正常生长的决定因素。根据对天然杨树林不同深度根系生物量的测定：林龄在40年左右的杨树，0～20 cm深度根系生物量占总量的70%左右、0～40 cm占90%以上，0～60 cm占98%以上（表3）。阿勒泰地区林业科学研究所的研究表明：河谷天然杨树林为浅根系植物，生长良好的地下水水位埋深阈值为0.4～1 m，埋深超过1～2 m生长将受到抑制，埋深3～4 m将会出现衰败死亡；对于灌木群，当地下水水位埋深大于5m时，大多数灌木将受水分胁迫枯死。

表3 额尔齐斯河天然杨树林不同深度根系生物量统计 单位：t/hm2；%

3.河谷林草生态需水计算分析

为了对河谷林草实施“靶区”灌溉、精细化供水，按干支流及河流水系，将河谷林草划分为若干分区。根据河谷林草的物候节律和需水规律，5月下旬至7月上中旬，是河谷林草生态需水主要集中时期。采用基于植物蒸散发量的生态需水量计算方法，获得了各分区河谷林草关键生态期的生态需水量约为6.5亿m3（表4）。

表4 额尔齐斯河河谷林草关键生态期需耗水量分区计算分析 单位：万m3

三、揭示鱼类产卵繁殖的生境条件和水文机理

以北冰洋-额尔齐斯河水系土著鱼类为代表的水生生物种群，也是流域生态系统的重要构成部分。摸清鱼类产卵繁殖的习性规律及其水文—生境—生物的响应机理，是开展生态调度、保护水生生态系统第二个科学问题。

1.鱼类产卵繁殖的水文水动力条件

鱼的产卵繁殖需要特殊的生境条件，包括水温、涨落水过程、流速、水深、一定面积的栖息地等，这些要素都与河流水文过程密切相关。统计分析发现，额尔齐斯河干支流23种土著鱼类分属于冷水性鱼类和亚冷水性鱼类，从冬季到夏季都有鱼类产卵繁殖，其中14种鱼集中在4月21日—5月25日产卵，水温为8～15℃（图3）。

图3 额尔齐斯河干支流土著鱼类产卵繁殖时间分布

生态调度无法做到面向所有鱼类产卵繁殖。遵循“先濒危、再重要经济，兼顾大中型鱼类”的原则，选择哲罗鱼、细鳞鲑、高体雅罗鱼、东方欧鳊、额河银鲫、白斑狗鱼等6种鱼类作为生态调度的主要保护目标（表5）。

表5 额尔齐斯河生态调度主要保护鱼类特性统计

综上所述，适当的流速能刺激鱼类产卵，洪水脉冲过程是额尔齐斯河鱼类产卵繁殖的基本条件，持续的涨水过程和洪水出槽漫滩，促进了河岸与河道物质交换，为鱼类产卵繁殖提供丰富食物，扩大了鱼类产卵的空间，有助于鱼类产卵繁殖。参考松花江、黑龙江等高纬度河流鱼类产卵繁殖的相关研究成果，冷水或亚冷水鱼产黏性卵鱼类产卵繁殖的适宜水深为1～2 m，适宜流速在1 m/s以下，流速过大会影响黏性、沉性鱼卵的受精及在河底的分布和黏附。

2.鱼类产卵繁殖的“三场”生境条件保护与营造

保护性鱼类的产卵场分布在支流布尔津河、哈巴河与额尔齐斯河干流的两处汇合口（图4）。根据现场调查，每年洪水漫滩时有大量的亲鱼(也叫种鱼)游到额尔齐斯河干流两岸的滩地产卵。高体雅罗鱼、东方欧鳊、额河银鲫等从胚胎发育至稚鱼时间约为10～15天；若涨水后水位快速回落，一是可能导致鱼卵或仔鱼干死，二是稚鱼较小，游泳能力较差，不能及时随退水入河湖，导致搁浅死亡。

图4 额尔齐斯河干支流土著鱼类生境“三场”分布

涨水过程是大多数鱼类洄游产卵的信号。为了给鱼类产卵繁殖创造更好的条件，根据鱼类的生物习性和产卵场、索饵场和越冬场“三场”的位置，通过水库生态调度营造适宜于鱼类产卵繁殖、洄游索饵、迁徙越冬的流量脉冲和涨水过程，保护鱼类的三大生境场，实现丰富水生生物多样性的保护与修复目标。

四、乌伦古湖生态保护及水量平衡分析

乌伦古河先流入吉力湖，再转入乌伦古湖。乌伦古湖和吉力湖合称大小湖，面积1036 km2，两湖间由库依尔尕河连通，鱼类资源十分丰富。揭示水循环与水平衡机理，改善湖水水质，是开展生态调度、保护湖泊生态系统第三个科学问题。

1.乌伦古湖生态系统构成

乌伦古湖位于阿勒泰山绿洲与古尔班通古特沙漠之间，在控制沙漠北侵、防止荒漠化、承载珍稀濒危鱼类等方面具有重要的生态功能，也是新疆最大的天然渔业基地，鱼产量占全疆的30%以上。湖区及其周边区域有19种国家重点保护动物，其中一类5种，二类14种。主要保护4种土著鱼类，即贝加尔雅罗鱼、河鲈、丁鱥和银鲫，其他保护对象有高体雅罗鱼、金鲫、湖拟鲤、江鳕、粘鲈、尖鳍鮈、北方花鳅、北方须鳅等。湖泊周边区域植物种类丰富，有维管束植物41科102属205种，浮游植物8门115种属，水生植物10科15种。

20世纪中叶以来，乌伦古湖两岸大规模水土开发导致入湖水量急剧减少，蓄水量和面积锐减，使本为淡水—微咸水湖的吉力湖矿化度上升到3.80 g/L。为了遏制水域面积持续萎缩，1987年修建了“引额济海”工程，从额尔齐斯河干流向乌伦古湖补水。平均每年补湖水量3亿m3，水位持续上涨（如图5）。乌伦古湖倒灌吉力湖，改变了原有水循环规律，吉力湖生态系统由淡水系统向咸水系统转化。

图5 乌伦古湖水位变化趋势

2.乌伦古湖生态水位阈值

综合考虑矿化度对鱼类产卵繁殖的影响，以及乌伦古湖倒灌吉力湖等因素，合理确定大小湖生态水位十分重要。

（1）乌伦古湖最低水位

相关研究表明，多数淡水生物的耐盐上限为5～8 g/L，一旦超过这个范围，一些淡水生物将由于渗透压平衡破坏而死亡。根据2015年新疆水文局与黄委水文局湖泊测量成果，绘制乌伦古湖矿化度与湖泊蓄水量变化趋势（图6）和水位-面积-容积关系曲线（图7），矿化度5 g/L，对应容积40亿m3，相应水位为474.87 m。根据现场和遥感调查，骆驼脖子、73 km小海子、莫合台后泡子、中海子等区域为主要鱼类产卵栖息场所，水位过低将造成与乌伦古湖水体分离。因此，综合考虑湖泊矿化度和鱼类产卵繁殖等因素，乌伦古湖最低生态水位宜为478.7 m，面积772.25 km2。

图6 乌伦古湖蓄水量与矿化度关系

图7 乌伦古湖水位-面积-容积关系曲线

（2）大小湖合理水位差

2000年之前，吉力湖水位比乌伦古湖水位高2～4.9 m，水质矿化度最高0.7 g/ L，始终保持淡水湖的性质。由于“引额济海”补湖水量持续增加，2005年乌伦古湖开始倒灌吉力湖。因此，大小湖水位差不应低于2 m。

（3）大小湖最高水位调控

由于2010年为特丰水年、2016—2017年连续2年为丰水年，通过“引额济海”向大湖补水，湖水位持续上升。2017年达到历史最高水位，吉力湖为485.0 m，乌伦古湖为484.3 m。大小湖水面几乎与两岸地面齐平，湖滨大部分设施被淹。鉴于此，吉力湖最高水位不超484.5 m，乌伦古湖最高水位不超482.5 m。

3.乌伦古湖水量平衡分析

根据研究，乌伦古湖生态需耗水量为8.0亿m3，其中额尔齐斯河补湖6.5亿m3，乌伦古河补湖1.5亿m3。由大小湖生态水位调控阈值可知，乌伦古湖平均湖水位为481.6 m，对应蓄水量为90亿m3，湖面面积846 km2。按水面平均蒸发量1152.5 mm、扣除平均降水130 mm计算，平均水位下降至480.6 m，对应的蓄水量为82亿m3。通过水量平衡分析，补充蒸发损失水量，需补湖水量8亿m3，与规划总需耗水量基本一致。

五、小 结

额尔齐斯河天然河谷林是我国重要的“野生杨树基因库”，也是我国“三北”防护林的重要组成部分和新疆“三屏两环多廊”生态系统的重要构成。金山银水，一河翠绿，一重冰封，天然铸就了一条耀眼的生态廊道，孕育了丰富多彩的生态系统，形成了“山水林田湖草沙冰雪”多元融合的生命共同体。

揭示河谷林草物候节律和需耗水机理、鱼类产卵繁殖的生境条件和水文机理、乌伦古湖水量平衡和水循环机理，是额尔齐斯河生态修复最基本的三个科学问题。确立生态保护目标，明晰生态需水量及其水文过程，开展大尺度生态调度，复苏河湖生态系统，则是主要的关键技术措施。而对于水文—生境—生物耦合、响应机理的探索研究，则应贯穿过程始终。

生态退化、林低草疏、鱼鸟零落。众多的水利水电工程建设，大规模水土开发和人类活动，势必会改变流域的原生状态。

碧水草浪、亭亭白桦，鱼翔清溪。保护与修复河湖生态，既是人类永续发展的必由选择，也是作为子孙反哺山河的道义责任。