河西走廊生態(tài)格局演變跟蹤分析

河西走廊生態(tài)格局演變跟蹤分析

張建永1,李揚2,趙文智3,史曉新1

(1. 水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院,北京100120; 2. 中國水利水電科學研究院,北京 100044;

3. 中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所,甘肅 蘭州 730030)

摘要：根據(jù)河西走廊區(qū)域生態(tài)特點以及水資源分布狀況,將河西走廊分為祁連山水源涵養(yǎng)區(qū)、河西走廊綠洲區(qū)、內(nèi)陸河尾閭濕地區(qū)、河西走廊荒漠區(qū)4個生態(tài)分區(qū)。綜合運用RS和GIS技術(shù),以1949年、1975年、2000年及2010年為評價節(jié)點,對河西走廊不同生態(tài)分區(qū)的結(jié)構(gòu)組成及生態(tài)指標進行了跟蹤評價,分析了河西走廊生態(tài)格局演變的主要特征。分析表明:1949年以后,河西走廊生態(tài)格局演變主要是以水資源開發(fā)利用為主線,以河流為紐帶進行的。水資源在人工綠洲和天然綠洲、流域上中下游之間重新進行分配,形成了人工綠洲與荒漠、天然綠洲之間此消彼長的關(guān)系,決定了生態(tài)格局演進的方向與進程。

關(guān)鍵詞：河西走廊;生態(tài)分區(qū);特征演變;綠洲;荒漠;內(nèi)陸河

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2015.03.002

作者簡介:張建永(1976—),男,高級工程師,主要從事水資源保護和管理工作。E-mail:zhangjianyong@giwp.org.cn

中圖分類號：TV824文獻標志碼：A

收稿日期：(2014-07-04編輯：高渭文)

Tracking analysis on changes of ecological patterns in Hexi Corridor Region

ZHANG Jianyong1, LI Yang2, ZHAO Wenzhi3, SHI Xiaoxin1

(1.GeneralInstituteofWaterResourcesandHydropowerPlanningandDesign,Beijing100120,China;

2.ChinaInstituteofWaterResourceandHydropowerResearch,Beijing100044,China;

3.ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,

Lanzhou730030,China)

Abstract：Considering the characteristics of ecosystem and distribution of water resource, Hexi Corridor Region can be divided into four ecological regions, including Qilian Mountain headwater region, Hexi Corridor oasis region, tail-end-lake & wetland and Hexi Corridor desert region. Using RS and GIS technology, taking the years 1949,1975,2000 and 2010 as the evaluation points, We tracking evaluated the structure, composition and ecological indicators of the four different ecological regions and analyzed the main characters of the changes of ecological patterns in Hexi Corridor. We concluded that the changes of ecological patterns in Hexi Corridor are taking place with utilization of water resource as its thread and rivers as its bounds. The water resource is re-distributed among artificial oasis and natural oasis, as well as the upper, middle and lower reaches of the river basin. Changing relationship among artificial oasis, dessert and natural oasis is formed, which determines the direction and process of the changes of ecological patterns.

Key words： Hexi Corridor; ecological divisions; change patterns; oasis; desert; endorheic river

河西走廊位于甘肅省西北部,地處我國西北內(nèi)陸干旱半干旱區(qū),區(qū)內(nèi)降雨稀少、荒漠廣布、生態(tài)環(huán)境脆弱,十數(shù)余條分布其間發(fā)源于祁連山的內(nèi)陸河是區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展、綠洲維持和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的根本支撐。河西走廊歷代均為中國東部通往西域的咽喉要道,是著名的“絲綢之路”的重要組成部分,也是我國西北地區(qū)重要的生態(tài)屏障,戰(zhàn)略地位十分重要。但由于深居內(nèi)陸、干旱少雨,水資源匱乏,河西走廊綠洲生態(tài)系統(tǒng)具有高度的脆弱性。長期以來,大規(guī)模、無序化的水土資源開發(fā)導致區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)嚴重退化,已經(jīng)制約了區(qū)域經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。隨著經(jīng)濟社會的進一步加快發(fā)展,區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟社會用水劇增,水資源空間格局發(fā)生了重大變化,石羊河、黑河以及疏勒河等內(nèi)陸河流域先后被過度開發(fā),導致了河道斷流、綠洲萎縮、土地沙化等一系列生態(tài)危機。分析河西走廊生態(tài)格局演變趨勢,對維護綠洲生態(tài)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1生態(tài)分區(qū)及評價時段

1.1生態(tài)分區(qū)

生態(tài)格局是指區(qū)域內(nèi)山地、綠洲、荒漠、內(nèi)陸河尾閭等不同生態(tài)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、空間分布格局及其生態(tài)學過程[1]。河西走廊內(nèi)陸河流均發(fā)源于祁連山北坡,走廊平原及下游地區(qū)是水資源開發(fā)利用和水資源消耗區(qū)。隨著河流從發(fā)源區(qū)流至尾閭湖泊,依次穿越了高山冰雪凍土帶、山區(qū)植被帶、綠洲帶、下游荒漠帶4個景觀帶,形成具有干旱內(nèi)陸河流域典型特征的“冰雪帶-山地森林草原-走廊綠洲-尾閭濕地-荒漠”復合生態(tài)系統(tǒng),呈現(xiàn)西部內(nèi)陸河典型的生態(tài)系統(tǒng)格局。

根據(jù)區(qū)域地理景觀差異、生態(tài)功能定位以及水資源分布狀況,將河西走廊分為祁連山水源涵養(yǎng)區(qū)、河西走廊綠洲區(qū)、內(nèi)陸河尾閭濕地區(qū)、河西走廊荒漠區(qū)4個生態(tài)分區(qū)。根據(jù)石羊河、黑河和疏勒河3大水系的流域邊界,可進一步細分為不同的生態(tài)區(qū)。各生態(tài)分區(qū)情況見表1。

表1　河西走廊地區(qū)生態(tài)分區(qū)

1.2評價時段

根據(jù)經(jīng)濟社會發(fā)展進程和區(qū)域生態(tài)格局演變的特點,本文將生態(tài)格局演變主要劃分為4個評價時段：1949年之前的2000多年、1949—1975年、1975—2000年以及2001—2010年。其中:1949—1975年為河西走廊初級開發(fā)階段,主要依靠自然水文過程進行農(nóng)業(yè)灌溉;1975—2000年是國家加快開發(fā)階段,人工綠洲擴大,天然綠洲退化,綠洲化和沙漠化同步出現(xiàn),生態(tài)問題凸顯;2000—2010年,河西走廊內(nèi)陸河流域進入水資源綜合管理階段,先后實施了黑河流域和石羊河流域重點治理工程,即將開展疏勒河流域濕地保護工程。

1.3評價方法

1949年之后的生態(tài)格局演變分析采用統(tǒng)計數(shù)據(jù)和3S技術(shù)進行。其中,1949—1975年生態(tài)格局演變采用有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析;1975年、1990年、2000年、2005和2010年(水源涵養(yǎng)區(qū)僅有2000年、2005年和2010年)生態(tài)格局演變采用Landsat TM遙感解譯數(shù)據(jù),以每年6—10月的圖像為主進行分析。鑒于研究區(qū)覆蓋面積較大，很難獲取滿足要求且覆蓋全區(qū)的同一年圖像,在進行遙感影像分析時,從鄰近年份的圖像中進行合理選取。

根據(jù)各生態(tài)分區(qū)的結(jié)構(gòu)組成和生態(tài)特征,針對不同的生態(tài)分區(qū)選取相應(yīng)的指標進行分析。祁連山水源涵養(yǎng)區(qū)主要分析冰川面積、長度以及林草植被覆蓋的變化情況;河西走廊綠洲區(qū)主要分析人工綠洲及耕地、天然綠洲的組成及變化特征;內(nèi)陸河流及尾閭濕地主要分析內(nèi)陸河流及尾閭濕地、植被面積的變化情況;河西走廊荒漠區(qū),主要分析沙漠化面積的變化特征。

2祁連山水源涵養(yǎng)區(qū)生態(tài)格局演變

2.1冰川變化

祁連山東西段冰川發(fā)育的地形和氣候條件差別特別大,導致冰川特征與冰川規(guī)模各不相同。從小冰期以來,特別是20世紀以來,祁連山冰川一直處于退縮狀態(tài)。根據(jù)有關(guān)研究資料,小冰期(盛)至新中國成立初期,冰川面積平均減少了21.5%,其中東段冰川面積減少了46.1%,中段冰川面積減少了22.3%,西段冰川面積減少了13.2%。

1949年以后,祁連山冰雪消融加快,冰川萎縮程度趨于嚴重,呈現(xiàn)出長度縮短、面積縮小和冰儲量減少的趨勢,特別是近10年來祁連山冰川呈現(xiàn)加速退縮狀態(tài)。分析表明,祁連山冰川東段變化最大,自冰川編目時期(1980年前后)至2009年,該段冰川面積減少了52.4%,其中1990年代減少了26.5%,是冰雪消融加快、冰川萎縮程度是有記錄以來最嚴重的時段。與祁連山東段相比,祁連山中段冰川退化趨勢相對較弱,與1980年代相比減少了33.8%,冰川面積基本是每10年減少11%以上。祁連山西段的冰川數(shù)十年的變化量、幅度及其變率較東段小,但近年加速退縮趨勢明顯。

冰川長度減小是冰川退縮的主要標志。選取祁連山東部的水管河4號冰川和羊龍河冰川、祁連山中部的“七一”冰川和祁連山西部的老虎溝12號冰川作為典型代表性冰川,進行冰川末端變化分析表明,總體上各代表性冰川末端退縮較為明顯,部分冰川呈加速退縮趨勢[2-3],見圖1所示。

圖1　祁連山代表性冰川末端年均縮短長度變化示意圖

2.2林草植被覆蓋變化

由于水汽來源不同,祁連山區(qū)的降水量自西向東遞增,造成了祁連山林草植被覆蓋空間分布整體上呈現(xiàn)東多西少的格局。受人類活動影響,祁連山區(qū)森林覆蓋率不斷下降。據(jù)歷史記載,距今約2500年左右,祁連山區(qū)森林面積約6.0萬km2,森林覆蓋率約80%以上。到1950年,祁連山區(qū)林線后移,森林面積減至1.5萬km2,森林覆蓋率降到24.5%,天然草場退化嚴重,水源涵養(yǎng)能力降低。至2010年,祁連山森林面積已較1949年減少了1/4,其中1949—1975年,森林面積銳減;1975—2000年,森林覆蓋率有所回升,但草地面積大幅下降。

近10年來,河西走廊林草覆蓋面積略有減少,但減少幅度減弱。至2010年,祁連山區(qū)林草覆蓋率維持在79%左右,疏勒河上游山區(qū)林草覆蓋率呈增加趨勢,但絕大多數(shù)林草面積為草地。石羊河和黑河的林草覆蓋率呈降低趨勢,其中石羊河上游山區(qū)林草覆蓋率最低,為63.7%,森林和草地各占一半左右;黑河上游山區(qū)林草覆蓋率為68%,林草面積中草地占2/3以上。

3河西走廊平原綠洲區(qū)生態(tài)格局演變

3.1綠洲總面積及組成變化

河西走廊綠洲主要分布在平原區(qū)的河流沿岸,呈斑塊鑲嵌于荒漠中,主要有武威綠洲、民勤綠洲、張掖綠洲、酒泉綠洲和敦煌綠洲。根據(jù)遙感解譯數(shù)據(jù),自1975年以來,河西走廊綠洲總面積以平均70.8km2/a的速度遞增,其中1975—2005年綠洲總面積呈加速增長趨勢,其在2000—2005年間平均增長195.1km2/a;2005年以后綠洲總面積增速有所下降,平均為63.8km2/a,見表2所示。至2010年,河西走廊綠洲總面積19233km2,較1975年增加了14.8%。

表2　河西走廊綠洲面積及其變化情況

3.2人工綠洲及組成變化

至2010年,河西走廊人工綠洲面積為1.66萬km2,占綠洲總面積的86.5%。1975—2010年人工綠洲面積增長66.9km2/a,增速最快的時間段為2000—2005年,面積增加主要以耕地為主。不同流域人工綠洲的主要組分比例雖有一定差異,但其主要組成部分仍是耕地、草地和建設(shè)用地。2010年,人工綠洲內(nèi)部的耕地、林草地和建設(shè)用地面積所占比例分別為76%、12%和5%。建設(shè)用地主要分布在耕地的周邊,屬于綠洲的核心地區(qū);林地分布在耕地斑塊周圍,多為防風固沙林和農(nóng)田防護林。

與1975年相比,2010年人工綠洲內(nèi)部水域及濕地、耕地、建設(shè)用地面積分別增加了5%、28%和39%,而林草地及其他用地則分別減少了7%和41%。其中,耕地面積以年均增長0.79%的速度高速增長,2000—2005年間增速達到最大,年均增長2.13%;2005年以后有所下降,為年均增長0.41%,其中石羊河流域出現(xiàn)負增長。

3.3天然綠洲及組成變化

2010年,河西走廊天然綠洲面積為2606km2,占綠洲總面積的13.5%。總體來看,天然綠洲面積在1975—1990年間為增加趨勢,主要是草地以及水域濕地的面積增加導致;1990年以后天然綠洲面積持續(xù)下降,減少速度為19.25km2/a,其中1990—2000年間減少速度最大達32.5km2/a,2000年以后減少速度有所緩,為6.0km2/a。天然綠洲內(nèi)部主要以草地和水域及濕地為主,2010年所占比例分別為73%和11%,這兩種主要植被覆蓋類型的面積變化趨勢與天然綠洲總面積的變化趨勢一致。

其中,石羊河流域天然綠洲面積在2000年以后持續(xù)減少,其中水域及濕地面積在2000—2005年間減少了75%,但2005年以后水域及濕地面積呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢。黑河流域天然綠洲面積在20世紀90年代減幅顯著;2000年以后快速增加,主要以草地、水域及濕地面積增加為主。疏勒河流域天然綠洲面積在2000年前呈增加趨勢,2000年之后呈遞減趨勢,主要以草地、水域及濕地面積減少為主。

圖2　河西走廊人工綠洲與非人工綠洲轉(zhuǎn)化示意圖

3.4綠洲不同土地利用和植被覆蓋類型的轉(zhuǎn)換

從1975—2010年,河西走廊人工綠洲與非人工綠洲(主要指天然綠洲、戈壁、荒漠等)用地之間相互轉(zhuǎn)化明顯,主要是非人工綠洲向人工綠洲轉(zhuǎn)換的過程。其中1990—2005年間共有2799km2的非人工綠洲轉(zhuǎn)換為人工綠洲,大部分轉(zhuǎn)換為耕地;2005年以后,非人工綠洲轉(zhuǎn)換為耕地的面積有所減少,人工綠洲內(nèi)部的轉(zhuǎn)換主要表現(xiàn)為耕地的退耕還林和棄耕。從空間分布分析,發(fā)生綠洲土地變化的區(qū)域主要分布在黨河下游的敦煌境內(nèi)、疏勒河下游瓜州境內(nèi)、黑河中下游和石羊河中下游,見圖2所示。分析表明,河西走廊1975年有76%的人工綠洲面積分布在河流兩側(cè)10km以內(nèi),1975—1990年間增加的人工綠洲大部分在河流10km以外,2000年以后增加的人工綠洲是在上一階段的基礎(chǔ)上繼續(xù)向外緣增加。

其中,1975—1990年發(fā)生變化的區(qū)域主要分布在黨河下游的敦煌境內(nèi),主要是非人工綠洲向人工綠洲轉(zhuǎn)換;疏勒河下游瓜州境內(nèi),主要是草地和非人工綠洲的相互轉(zhuǎn)換;黑河中下游各個縣的河流兩側(cè),主要為耕地與其他類型的轉(zhuǎn)化;石羊河中下游的武威、金昌和民勤以及古浪東部,主要是非人工綠洲向耕地和草地的轉(zhuǎn)換。

1990—2000年主要是在1975—1990年的基礎(chǔ)上進一步擴展,其中黑河和石羊河中下游的綠洲土地變化更為顯著。黑河流域主要表現(xiàn)在高臺、臨澤、張掖、酒泉和金塔的耕地和建設(shè)用地的增加;石羊河流域主要表現(xiàn)在中下游非綠洲土地的開發(fā)和耕地的棄耕以及水域濕地的減少。

2000—2005年人工綠洲土地利用類型轉(zhuǎn)換明顯。其中,黨河下游的敦煌和疏勒河下游的瓜州,主要表現(xiàn)在耕地面積增大;黑河中游縣區(qū)有少量的退耕還林現(xiàn)象;石羊河流域綠洲土地變化較前略有緩慢,主要表現(xiàn)在綠洲區(qū)擴張。

2006—2010年發(fā)生變化的區(qū)域都在距離河流較遠處,其中黨河下游變化很小;疏勒河下游變化明顯,主要是非人工綠洲轉(zhuǎn)化成耕地;黑河流域發(fā)生變化的區(qū)域比較零散,主要為非綠洲向耕地和建設(shè)用地轉(zhuǎn)化;石羊河發(fā)生變化的區(qū)域特點跟黑河相似,但變化類型主要以耕地棄耕和退耕還林為主。

4河西走廊荒漠區(qū)生態(tài)格局演變

隨著人類大規(guī)模開荒以及水資源空間上的重新分配,人工綠洲面積大幅擴大,天然綠洲面積逐漸縮小,部分荒漠區(qū)也逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぞG洲。河西走廊荒漠區(qū)面積與綠洲總面積呈現(xiàn)此消彼長的關(guān)系,綠洲總面積的增長主要是荒漠區(qū)轉(zhuǎn)變而來,從綠洲總面積的增長上,可以看出荒漠區(qū)面積的縮減趨勢。

河西走廊歷史時期的土地沙漠化面積約為9719km2。1950年以來,河西走廊沙漠化面積逐步增加,在1990年前后達到頂峰,為1.2萬km2,主要是重度和中度沙漠化面積的增長導致的。1980年代后期至1990年代,土地沙漠化過程出現(xiàn)明顯的減緩甚至出現(xiàn)局部逆轉(zhuǎn)[4],至2010年降至1.14萬km2,輕度、中度、重度和嚴重的沙漠化面積所占比例分別為16%、22%、30%和32%。其中嚴重、重度和中度的沙漠化面積均大幅減少,輕度沙漠化面積持續(xù)增加,但以嚴重和重度為主的沙漠化格局沒有改變?；哪途G洲交錯帶以及位于內(nèi)陸河流尾閭的綠洲、濕地受沙漠化影響嚴重,以石羊河下游的民勤地區(qū)最為嚴重[5]。

5內(nèi)陸河流及尾閭綠洲區(qū)生態(tài)格局演變

5.1河流及其尾閭濕地總體狀況

在內(nèi)陸河流域的開發(fā)歷史上,人工綠洲的無節(jié)制擴張與全流域有限的水資源之間產(chǎn)生了尖銳的矛盾,普遍出現(xiàn)了下游天然綠洲萎縮、消亡的現(xiàn)象,這標志著綠洲進入不穩(wěn)定狀態(tài)。

a. 石羊河流域尾閭濕地總體狀況。自20世紀中葉以來,隨著上中游農(nóng)業(yè)開發(fā)大量用水,流入下游民勤的水量逐年減少加之過量開采地下水,導致地下水位急劇下降,生態(tài)環(huán)境惡化。1958年,紅崖山水庫建成后,石羊河尾閭青土湖在1959年后完全干涸。2007年,通過實施石羊河流域重點治理工程,地下水位逐年回升,植被蓋度有所增加,出現(xiàn)了一定面積的水面和旱區(qū)濕地,2010年通過專用渠道正式向青土湖區(qū)注水后,才使湖區(qū)有3km2的湖面。

b. 黑河流域尾閭濕地總體狀況。1940年代和1950年代,鴛鴦池水庫和解放村水庫分別建成蓄水后,致使討賴河下游斷流,與黑河脫離了地表水力聯(lián)系。1960年代以來,區(qū)內(nèi)多處泉眼和沼澤地先后消失,1961年下游尾閭湖泊東居延海干涸沙化,西居延海于1961年和1992年干涸沙化,與周邊沙漠連成一片。從2001年開始實施黑河近期治理工程,已連續(xù)8年21次調(diào)水進入東居延海,累計進水量4.30億m3,河道斷流天數(shù)減少,有效緩解了生態(tài)惡化趨勢。2010年實現(xiàn)了東居延海已實現(xiàn)連續(xù)6年多不干涸,額濟納綠洲區(qū)內(nèi)的19條支流總長約1105km的河道實現(xiàn)過流[6]。

c. 疏勒河流域尾閭濕地總體狀況。1958年昌馬總干渠、雙塔水庫以及1975年黨河水庫等一系列水利工程建成后,河水大部分被引入渠系,人工綠洲面積不斷擴大,而下游河道來水逐漸減少直至斷流。雙塔水庫和黨河水庫建成后,黨河脫離了疏勒河水系,疏勒河在西湖以西斷流,導致水生態(tài)不斷惡化、濕地不斷萎縮。1950年以來,敦煌西湖濕地面積以13km2/a的速度遞減,原有的永久性濕地大部分已轉(zhuǎn)為季節(jié)性濕地。

5.2尾閭天然綠洲區(qū)林草及水域濕地面積變化

河西走廊內(nèi)陸河流域尾閭天然綠洲區(qū)中與水資源關(guān)系最為密切的是河岸林、草地以及水域濕地等生態(tài)景觀。河西走廊這3類生態(tài)景觀面積隨流域水資源空間分布的變化而發(fā)生明顯的變化。其中河西走廊這3類生態(tài)景觀總面積在1975—1990年間呈增加狀態(tài),面積增加了121km2。1990年代減幅較大,達到205km2,減幅最大的是黑河和石羊河尾閭天然綠洲。2000年以后河西走廊尾閭區(qū)天然綠洲面積有所增加,主要位于黑河尾閭區(qū),而石羊河和疏勒河流域呈減少趨勢。

草地面積與河岸林、水域濕地面積的變化趨勢一致,在1975—1990年間均呈增加趨勢,1990—2000年間面積則大幅減少,2000年以后逐漸回升。2010年尾閭區(qū)天然綠洲區(qū)林草及水域濕地面積為1920km2,其中草地占86%,總體上尾閭天然綠洲的面積變化主要取決于草地面積的變化。

6結(jié)論

河西走廊生態(tài)系統(tǒng)是具有鑲嵌結(jié)構(gòu)和異質(zhì)性陸域空間的復合生態(tài)系統(tǒng),其生態(tài)格局的復合性表現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能以及時空分布的同質(zhì)性和異質(zhì)性,同時在自然因素驅(qū)動與人類活動干預下,也形成了原有自然組分與人類創(chuàng)建組分之間的深度交叉與替代。1949年以后,河西走廊生態(tài)格局演變主要是以水資源開發(fā)利用為主線,以河流為紐帶進行的。在自然條件與人類活動的共同驅(qū)動下,共同作用于水循環(huán)系統(tǒng),進而驅(qū)動河西走廊不同生態(tài)分區(qū)生態(tài)格局的演變。水資源在人工綠洲和天然綠洲、流域上中下游之間重新進行分配,形成了人工綠洲與荒漠、天然綠洲之間此消彼長的關(guān)系,決定了生態(tài)格局演進的方向與進程。

作為對區(qū)域生態(tài)格局演變的響應(yīng),為維護河西走廊區(qū)域生態(tài)安全格局,亟須優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局和結(jié)構(gòu)、改變水資源開發(fā)利用方式,減輕水土資源開發(fā)對生態(tài)系統(tǒng)的壓力,加大脆弱生態(tài)系統(tǒng)的保護力度,實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)保護雙贏。

參考文獻：

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