阿克苏河流域生态输水效益评估及对策探究

徐生武

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 库尔勒 841000)

0 引言

阿克苏河是塔里木河水量最大的源流，位于新疆维吾尔自治区塔里木盆地西部，长224km，由发源于天山西段的库玛拉克河(也称昆马立克河)和托什干河组成，河流径流依靠山地降水及冰雪融水补给[1]。阿克苏河流域生长着大量的胡杨林，有全世界最急需优先保护的林木基因资源[2]。近几十年来，人为活动包括绿洲扩张和水资源过度利用，导致一系列生态问题[3]。2001年以来，实施了塔里木河流域综合治理。2015年，针对阿克苏河流域退化胡杨林区开展输水，生态环境有所改善。因此，科学合理的生态输水效益评估，为制定切实可行的胡杨林输水方案提供理论指导。

研究结合水文和遥感监测数据，综合输水过程和淹灌效率，从土壤水和地下水变化、植被生长及生态环境质量的时空格局等角度，评估生态输水效益。结合既往输水量、生态环境质量，总结当前输水问题，提出生态输水的对策及建议。

1 数据及处理

本文获取生态输水前后的多源多尺度高频次遥感数据，包括Sentinel-1微波数据、Landsat-TM光学影像数据、Modis-EVI植被指数数据、Modis-LST地表温度数据、GEWEX-SRB地表辐射数据、CMORPH降水数据、AMSR-E辐射计数据等，数据周期介于5～16d，分辨率5～250m。经ENVI、ArcGIS、Python数据处理，获取输水区内淹灌范围、淹灌持续时间、土壤水、植被覆盖度、生态环境综合质量指数(RSEI)等数据[4-5]。

2 生态输水效益评估

2.1 生态输水过程及淹灌效果

2.1.1生态输水过程及淹灌面积

阿克苏河规划生态输水1.60亿m3，实际输水1.89亿m3，完成度为118%，超额完成年度输水目标。借助专业的遥感大数据平台，集合Sentinel-1号卫星的微波数据(重访周期为6d，分辨率为5～20m)，以及多源光学遥感时间序列数据。计算阿克苏河胡杨林输水区水体指数并提取水面面积。通过ArcGIS对多期阿克苏河南岸胡杨林输水区淹灌面积图层进行叠加，获得生态输水的最大淹灌面积42.59万亩。通过ArcGIS对获取的最大淹灌范围图层做1km缓冲区分析，获得输水区最大淹灌面积的影响范围78.91万亩。

2.1.2 淹灌持续时间

利用多期阿克苏胡杨林输水区遥感影像数据，通过人工解译提取淹灌水面的空间分布，据此确定生态输水最大淹灌范围、持续时长。从水与植被之间的相互关系来看，淹灌不足有碍达成较好的生态效果，而淹灌过多则可能造成植被生长受阻、水资源浪费等。根据以往研究[6]，将淹灌时间1～7d和高于28d分别识别为淹灌不足和过度淹灌，8～28d为适度淹灌。根据提取结果，淹灌时长0～7d的区域面积最大，达13.8万亩，占比32.5%(表1)。淹灌时长8～28d的区域，达18.8万亩，占比44.2%；淹灌时长28d以上的区域，达9.92万亩，占比23.3%。

表1 胡杨林淹灌时长及空间分异 单位：%

2.2 土壤水与地下水响应

2.2.1 地下水储量

根据表2，阿克苏河输水区地下水储量均呈增加变化，最高643mm，最低36mm。总体以增加200～300mm为主，占比54.3%，主要分布于输水区东北和西南部；地下水储量增加300～400mm和0～100mm的区域面积占比相当，均为20%，分别分布于输水区西部和东南部；地下水储量增加400mm以上的区域面积占比为5.7%，主要分布在输水区西部。

表2 地下水储量范围及占比

2.2.2 土壤含水量(TVDI)

根据表3，2015—2022年，阿克苏河输水区输水后干旱程度明显减弱。阿克苏河输水区无旱区和轻旱区面积比例增加，分别提升到2.0%、9.3%。中旱区由36.7%增至42.9%，重旱区由39.0%减少到32.8%，特旱区由22.7%减少到13.0%。综上，阿克苏河区域处在特旱、重旱区逐渐转化为轻旱、无旱区，土壤呈湿润化发展。

表3 输水区不同等级TVDI占比 单位：%

2.3 胡杨生长和群落结构

2.3.1 胡杨林覆盖度(NDVI)

2015—2022年的植被生长旺盛期，阿克苏河植被覆盖整体呈现明显的上升趋势(表4)，阿克苏河生态输水虽未形成大范围淹灌，但生态输水显著，抬升了地下水埋深，从而使得植被长势明显好转。其中，2015—2022年，每年7—9月，植被高覆盖度均值增长了12.4%，中覆盖度增加了2.6%，极低、低覆盖度分别减少了14.5%、0.6%。表明阿克苏河输水区植被覆盖度呈上升趋势，生态输水实施之后，阿克苏河输水区植被生长趋势明显好转。

表4 7—9月不同覆盖度胡杨林平均植被覆盖度面积占比 单位：%

2.3.2 固碳能力

净初级生产量，又称净初级生产力(NPP)，是指在初级生产中，除去其新陈代谢所消耗的能量(呼吸量)后剩余的能量。生态输水促进了胡杨林初级生产力提升，阿克苏河NPP由2015年的3.29gC/(m2·a-1)增加到2022年的3.64/(m2·a-1)，变化率增加了10.52%。

2.3.3 植被叶面积指数(LAI)

叶面积指数控制着生物理化过程，是干旱半干旱地区植被退化和恢复的敏感指标。根据胡杨的叶面积指数情况，划分为低、中，高和极高叶面积指数4类(表5)。生态输水促进了流域叶面积指数整体增强，植被长势与固碳能力提高。2015—2022年，极高等级叶面积指数面积从2.2%增加到46.1%，低等级叶面积指数面积由31.1%减少到29.9%，中等级叶面积指数面积从24.8%减少到15.4%，高等级叶面积指数面积从41.9%减少到8.9%。整体上，生态输水促进了叶面积指数增加，促使流域叶面积指数由低、中、高等级向极高等级转移。

表5 各等级叶面积指数占比

2.3.4 植被景观指数

生态输水促使胡杨林植被景观由大斑块向小斑块分散，植被景观的蔓延度趋势增加(表6)。阿克苏河流域的最大斑块指数由18.8减少到17.9，植被小斑块景观数量有所增加，蔓延度指数增加，破碎化程度上升；分离度、均匀度和多样性指数基本维持不变。

表6 植被景观指数汇总

2.4 生态环境质量(RSEI)

2022年和阿克苏胡杨林输水区生态质量状况以良[0.4～0.6]等级为主(表7)占输水区总面积的64.5%，而生态质量状况等级为优的区域，占比3.2%。通过对比2015年和2022年阿克苏河输水区胡杨林生态环境质量变化，输水后和阿克苏生态环境质量得到明显改善。阿克苏河流域，2015—2022年间RSEI等级为差等的面积占比由9.7%下降至1.5%，中等区面积占比由72.3%下降至30.8%，等级为良的面积占比由17.9%增加至64.5%，优等区面积占比由0.1%增至3.2%；阿克苏河区域RSEI由中等向优良转化。

表7 2015—2022年胡杨林输水区生态质量变化统计表 单位：%

3 未来生态保护与修复区及输水建议

3.1 植被覆盖度渐变模式

阿克苏河流域植被覆盖度变化模式为逻辑增长型。2001年，开始发生明显变化，至2010年，变化趋于稳定(图1)。流域植被覆盖度未来整体将保持高水平稳定状态。

图1 2000—2020年植被覆盖度整体渐变模式

整体而言，阿克苏河流域植被覆盖度变化模式呈增长模式；增长模式占比(94.9%)远高于减少模式(5.1%)。下降模式主要分布在流域的东北区域。

阿克苏河流域植被覆盖度未来整体将处于或趋向良性状态。未来变化趋势(表8)，为持续改善和处于高水平稳定状态(94.9%)的面积比例，远高于持续恶化和处于低水平稳定状态(5.1%)的面积比例。

表8 植被变化模式统计结果

阿克苏河流域植被达到稳定的时间主要集中在2012年之后，占比为83.3%。将15个持续变化的年数分为4类(表9)：2年以内，3—4年，5—7年，8年以上。阿克苏河流域植被覆盖度变化持续时间为8年以上的占比最高达55.5%，5—7年以上占比次之，为20.9%，2年以内占比为12.4%，3—4年占比最低，为11.2%。植被变化持续时间为1—2年的，一般为草本植物，这类植物的恢复或者退化所需时间较短；变化持续时间为8年以上的，一般为乔灌木，恢复过程较为缓慢。从生态学角度出发，干旱内陆河流域的乔灌木植被对群落的重要性优于草本植物。由此可以看出，阿克苏河流域生态系统植被群落结构相对稳定。

表9 植被盖度变化持续时间统计结果

3.2 生态保护及修复范围划定

基于阿克苏河流域现状下植被覆盖度及其渐变模式的判定结果，划定阿克苏河的生态保护范围(表10)，流域生态保护及修复总面积为1094.22km2，保护区和修复区面积分别为426.69、667.54km2，分别占总面积的39.0%、61.0%，其中，修复区中又以一般修复区为主，约占阿克苏河流域总面积的35.1%。

表10 生态保护与修复区面积统计表

3.3 未来输水建议

基于输水效益和生态要素变化，未来输水建议[7-8]：①对乌什县沙棘林湖泊湿地及第一师三团生态林区继续输水，对持续输水3年，荒漠灌木整体生长状态较好，无明显退化现象的第一师塔里木灌区沙漠边缘野生胡杨林区，建议实施轮灌。②胡杨林面积扩大与质量提升权衡分析表明，阿克苏河流域重点质量提升区(重点修复区)主要分布在：托什干河与库玛拉克河河岸植被带、西大桥-阿拉尔河岸胡杨林分布区、第一师3团荒漠绿洲过渡带等区域。来水偏枯情景(来水频率75%～50%)时，合计0.5亿m3。平水年与丰水年情景时，以完全保障重点胡杨林区为目标，生态输水量不小于1.56亿m3。

4 结语

生态输水以后，流域水文、土壤、植被等变化对生态输水的响应较为明显。研究确定生态输水可以有效地促进地下水储量总体增加；特旱、重旱区逐渐转化为轻旱、无旱区；胡杨林植被覆盖度和生物量增大；景观均匀度增加，斑块离散程度减小。未来以托什干河与库玛拉克河河岸植被带、西大桥-阿拉尔河岸胡杨林分布区、第一师3团荒漠绿洲过渡带等区域为未来重点修复区，建议枯水年输水量为0.5亿m3，平水和丰水期不小于1.56亿m3。本研究基于植被变化模式提出未来输水建议。今后，结合实况，进一步优化输水方案，使之更加科学而合理，为流域管理积累经验。