新疆軍塘湖河流域生態(tài)演變及質(zhì)量評估

李稚松，張 波，黃 勤，陳 濤，張 微(北斗航天衛(wèi)星應用科技集團，北京 100070)

0 引 言

生態(tài)系統(tǒng)是地球生命支持系統(tǒng)的基本組成單元，它所提供的各種功能是人類生存和社會發(fā)展的基本保證[1,2]。然而隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，生活、生產(chǎn)過程對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品、服務功能的需求日益增加，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量正在逐漸下降[3]。植物作為生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)者，不僅為生活生產(chǎn)提供最原始的原料，也是生態(tài)環(huán)境的指示物[4,5]。21世紀以來，隨著“千年生態(tài)系統(tǒng)評估”項目的啟動，圍繞生態(tài)系統(tǒng)評估的研究、方法層出不窮，對自然生態(tài)系統(tǒng)的評估則多圍繞植被來開展。

近年來，對生態(tài)系統(tǒng)的評估多集中在利用“3S”技術方面，其中對干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的評估多側(cè)重于草地、森林、灌叢和荒漠等生態(tài)系統(tǒng)[6-8]，對植被覆蓋度、NDVI與土地利用/土地覆被相結(jié)合[9-12]，可以較為準確的了解某一區(qū)域內(nèi)植被的變化情況，進而對生態(tài)系統(tǒng)變化情況進行闡釋。

新疆軍塘湖河流域為天山北坡典型內(nèi)陸河流域，雖然流域面積不大卻經(jīng)常發(fā)生洪水，對流域內(nèi)的水土資源造成較大影響[13]，而生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量會影響到流域水土保持能力、凈初級生產(chǎn)力和草原載畜量等。本研究通過對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化分析，揭示流域生態(tài)系統(tǒng)演變過程，為流域產(chǎn)業(yè)合理規(guī)劃、防洪救災、水土保持工作提供一定參考。

1 實驗及方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇新疆自治區(qū)昌吉回族自治州呼圖壁縣境內(nèi)的軍塘湖河流域(如圖1所示)作為典型研究區(qū)。軍塘湖河位于天山西段呼圖壁縣域內(nèi)，發(fā)源于天山北坡的特爾斯蓋南緣三道馬場以西的特力斯喀達坂，河網(wǎng)在低山帶的瑪扎爾匯合，水量全部匯入到北部出山口的紅山水庫，之后由水庫泄洪渠流經(jīng)呼圖壁西部的前山丘陵后進入平原，流域面積833.57 km2，海拔高度范圍為1 100～3 000 m。研究區(qū)總體地勢為南高北低，最南端有高山、亞高山草甸，向下游分布著森林、草原、灌叢、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)類型，基本擁有較為完整的生態(tài)系統(tǒng)垂直帶譜，適宜用作研究生態(tài)演變。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of research area

1.2 研究方法

本研究將借助于遙感衛(wèi)星及地理信息技術，以遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品、氣象觀測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)為研究基礎，從流域生態(tài)系統(tǒng)格局、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化及其產(chǎn)生的原因等3個方面進行分析。研究過程主要利用ENVI、ERDAS和ArcGIS的數(shù)據(jù)處理和空間分析功能，實現(xiàn)對整個流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的計算和分析。

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的數(shù)據(jù)主要為4類：土地利用數(shù)據(jù)、生態(tài)質(zhì)量數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)。各類數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)精度如下。

(1)土地利用數(shù)據(jù)。主要來自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)，主要有2000年、2005年和2010年三期ETM解譯數(shù)據(jù)，分辨率為30 m。

(2)生態(tài)質(zhì)量數(shù)據(jù)。生態(tài)質(zhì)量主要包括生物量(BD)、植被覆蓋度(VF)及葉面積指數(shù)(LAI)等，這類數(shù)據(jù)來源于美國NASA網(wǎng)站(http:∥modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/)MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該類數(shù)據(jù)可直接下載、直接使用，分辨率為250 m。

(3)氣象數(shù)據(jù)。本研究中所獲得的氣象數(shù)據(jù)為兩部分，其一是來自流域下游紅山水庫入庫水量，主要為降水量；其二是來自國家氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥cdc.nmic.cn/home.do)直接下載的全國氣象基準站1956-2010年的氣象數(shù)據(jù)。

(4)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。一部分來自紅山水庫的流量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，另一部分來自于《新疆統(tǒng)計年鑒2000-2011》。

1.4 數(shù)據(jù)處理及利用

1.4.1土地利用數(shù)據(jù)處理及利用

利用ArcGIS的空間分析及統(tǒng)計功能，分別統(tǒng)計各生態(tài)系統(tǒng)各期面積及其變化情況，同時按照三級生態(tài)系統(tǒng)對整個流域進行分類，并制成空間分布圖。

1.4.2生態(tài)質(zhì)量變化率數(shù)據(jù)處理

(1)數(shù)據(jù)計算。軍塘湖河流域以草地和森林生態(tài)系統(tǒng)占主導，灌叢生態(tài)系統(tǒng)明顯少于前者，其余生態(tài)系統(tǒng)面積比較有限。在評價流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化中，采用生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化率的方式來進行。其中主要評價草地、森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng)，其余生態(tài)系統(tǒng)一方面由于所占比例較小，另一方面受人為干擾較強，會影響評價的客觀性，故不列為評價范圍。

①草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化率。主要采用相對覆蓋度的方式來進行，其計算公式如下：

(1)

式中：RVF為相對覆蓋度變化率；VF0為基準年草地生態(tài)系統(tǒng)覆蓋度；VF1為評價年草地生態(tài)系統(tǒng)覆蓋度。

②森林生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化率。利用相對生物量變化率來進行評價，計算公式如下：

(2)

式中：RBD為相對生物量變化率；BD0為基準年森林生態(tài)系統(tǒng)生物量；BD1為評價年森林生態(tài)系統(tǒng)生物量。

灌叢生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化率：采用相對葉面積指數(shù)法來評價，計算公式如下：

(3)

式中：RLAI為相對葉面積指數(shù)變化率；LAI0為基準年葉面積指數(shù)；LAI1為評價年葉面積指數(shù)。

(2)分級制圖。利用ArcGIS對各生態(tài)系統(tǒng)分別參照式(1)～(3)計算，對質(zhì)量變化率進行分級處理，這里參照分別按照退化、改善和保持穩(wěn)定三類來進行，其中退化分為極重度退化(<-60%)、重度退化([-60%，-40%))、中度退化([-40%，-20%))、輕度退化([-20%，-10%))，保持基本穩(wěn)定的變化率為[-10%，10%]，改善分為大幅改善(>60%)、明顯改善((40%，60%])、中度改善((20%，40%])、輕微改善((10%，20%])，之后按照分類規(guī)則對計算結(jié)果進行重采樣，并按等級制成空間分布圖。

1.4.3其他數(shù)據(jù)處理及利用

對氣象數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別進行篩選，分別選擇對生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有較大影響的數(shù)據(jù)進行分析，并利用Excel、SPSS等數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理軟件對結(jié)果進行進一步分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)分布及其結(jié)構(gòu)特征

通過遙感信息提取和基于GIS平臺的統(tǒng)計分析表明，新疆軍塘湖河流域是較為典型的半封閉式河流流域，有明顯的植被垂直地帶性，圖2分別是2000年和2010年的三級生態(tài)系統(tǒng)空間分布圖。從圖上來看，該流域主要為草地、森林、灌叢和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，其他生態(tài)系統(tǒng)不明顯。其中農(nóng)田、居住地和交通用地則主要分布于河流中下游沿岸地帶。而草地則分布于整個流域的大部分地區(qū)，在南部的高山、中高山帶分布著高覆蓋度的草甸，出山口處分布有一塊中覆蓋度稀疏草地，其余區(qū)域則分布為中覆蓋度草地。森林則分布在草甸區(qū)的中部，而灌叢分布于河流中部東側(cè)支的源頭區(qū)域。

圖2 研究區(qū)2000年和2010年土地利用圖Fig.2 Research area land use in 2000 and 2010

從空間分布來看，2000-2010年該流域生態(tài)系統(tǒng)格局沒有發(fā)生較大變化，僅在局部地區(qū)有生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生轉(zhuǎn)變的跡象。表1是2000-2010年各生態(tài)系統(tǒng)面積及其變化情況。

表1 各生態(tài)系統(tǒng)2000-2010年面積 km2Tab.1 Area of each eco-system during 2000-2010

從面積上來看，草地占整個流域面積的90%以上，而其中僅中覆蓋度草地就占了近80%。從各生態(tài)系統(tǒng)面積變化上來看，各生態(tài)系統(tǒng)變化均不大，其中面積縮減最為明顯的是農(nóng)田(旱地)生態(tài)系統(tǒng)，面積縮減了2.19 km2，而這些縮減的面積一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈采w度草地，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榫幼〉睾徒煌ㄓ玫?。由此可見，軍塘湖河流域農(nóng)業(yè)發(fā)展相對滯后，農(nóng)田縮減對流域水資源的合理分配有重要意義，同時對流域生態(tài)用水不構(gòu)成威脅。此外，2000-2010年落葉闊葉灌木林消失，從各年份的面積上來看，消失的時間主要為2005-2010年，這從一定意義上改變了流域的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，生態(tài)系統(tǒng)多樣性有所下降。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化特征分析

新疆軍塘湖河流域以草地、森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng)為主，本研究將對這3個生態(tài)系統(tǒng)所覆蓋的區(qū)域進行分析。在研究過程中將評估時期分別按照2000-2005年、2005-2010年兩個時段來分析，同時利用2000-2010年的變化來進行總體分析。

2.2.1空間變化特征

將流域內(nèi)的農(nóng)田、居住地、交通用地以及水域等受人為活動影響大的生態(tài)系統(tǒng)剔除，針對流域內(nèi)草地、森林和灌叢生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化特征進行分析，圖3(a)、(b)分別是2000-2005年、2005-2010年各等級生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化率空間分布圖。

對比兩個時間段生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化情況，2000-2005年和2005-2010年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化方向截然相反，前5年整個生態(tài)系統(tǒng)雖然大部分保持基本穩(wěn)定，但是流域下游及上游的部分區(qū)域有明顯退化的趨勢，而后5年流域中上游至下游整體表現(xiàn)為改善，并且從圖上來看是以改善為主。

2000-2005年，生態(tài)系統(tǒng)總體上保持基本穩(wěn)定，但是在河流中上游、河流域西側(cè)支流的中部、下游出山口以上等部分區(qū)域，退化較為明顯，其中以河流域中下游至出山口以上區(qū)域退化最為顯著，在東西側(cè)支流有中度甚至重度退化區(qū)域。結(jié)合圖2可知發(fā)生變化的區(qū)域大部分為中覆蓋度草地和低覆蓋度草地，也有部分高覆蓋度草地，森林和灌叢的變化較小。

圖3 2000-2010年兩個時段內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化圖Fig.3 Changes in ecosystem quality in two period from 2000 to 2010

2005-2010年，生態(tài)系統(tǒng)總體上表現(xiàn)為改善，其次是保持基本穩(wěn)定，發(fā)生退化的區(qū)域在流域內(nèi)為零星分布。從圖3(b)可以看到，在流域南部上游山區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)保持基本穩(wěn)定，僅在局部地區(qū)有改善和退化，而中游至下游大部分區(qū)域都處于改善狀態(tài)，在流域下游的東部和西部支流的上游至中游段則是中度改善和明顯改善為主。由此可見，2005-2010年流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量改善明顯，生態(tài)系統(tǒng)向更加穩(wěn)定的方向發(fā)展。

圖4是2000-2010年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體變化空間分布圖，主要反映軍塘湖河流域2000-2010年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化方向及其變化程度。流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量總體上保持基本穩(wěn)定，河流中游、東側(cè)支流區(qū)域有改善的趨勢，而在河流上游的高覆蓋度草地區(qū)、下游的中低覆蓋度草地區(qū)的局部地區(qū)有零星分布的退化區(qū)。因此，總體上來說，新疆軍塘湖河流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量在2000-2010年間總體保持基本穩(wěn)定，局部地區(qū)改善與退化并存，改善較為明顯。

圖4 2000-2010年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化率空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of ecosystem quality change rate from 2000 to 2010

2.2.2面積變化變化特征

從以上生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化空間分布可以看到，變化最為突出的是草地生態(tài)系統(tǒng)，森林和灌叢變化不明顯。分別統(tǒng)計不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化各等級面積，結(jié)果如表2所示，主要統(tǒng)計內(nèi)容為2000-2005年、2005-2010年兩個時間段內(nèi)各等級質(zhì)量變化的面積。

2000-2010年，草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化共分為7個等級，而2000-2005年和2005-2010年各時段分別僅有6個等級，其中2000-2005年整個草地生態(tài)系統(tǒng)沒有明顯改善的區(qū)域，2005-2010年增加了明顯改善的區(qū)域，但是沒有重度退化區(qū)。

表2 各時期草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化各等級面積統(tǒng)計結(jié)果 km2Tab.2 Area of each level change of grassland ecosystem quality in every period

從生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化各等級的面積來看，2000-2005年是以保持基本穩(wěn)定所占的比例最大，其次是發(fā)生退化的面積，大部分集中在中覆蓋度草地區(qū)，重度退化也分布于中覆蓋度草地區(qū)，是以輕度和中度退化為主。而改善的區(qū)域大部分也集中在中覆蓋度草地區(qū)，大部分為輕微改善。2005-2010年，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化與前者變化截然不同，所占比例最大的變化等級為輕微改善，其次是保持基本穩(wěn)定；退化區(qū)域中，重度退化區(qū)消失，中度和輕度退化面積大幅度下降，而中度改善和明顯改善區(qū)域的面積明顯增加。由此可見，2005-2010年草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量以改善為主，部分區(qū)域改善明顯。

綜上所述，軍塘湖河流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量在2000-2005年表現(xiàn)為退化，其中以中覆蓋度草地的變化最為顯著；2005-2010年，流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量以改善為主，部分區(qū)域改善明顯，其中中覆蓋度草地變化較大。

2.3 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化因素分析

從上面的變化特征分析可知，軍塘湖河流域兩個時間段內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化差別較大，中覆蓋度草地變化最為顯著，而通常引起草地發(fā)生退化或改善的原因有人為原因也有自然原因。

2.3.1人類經(jīng)濟活動的影響

軍塘湖河流域是呼圖壁縣優(yōu)良的牧區(qū)，擁有豐富的草地資源，這里以哈薩克族和回族為主，牧業(yè)發(fā)展較快；同時在河流中上游山區(qū)有豐富的煤炭資源，礦業(yè)發(fā)展迅速，也是運輸較為頻繁的區(qū)域。煤炭資源開采對地表、運輸沿線生態(tài)系統(tǒng)會造成較大影響，但是對其影響范圍有限，不會造成整個流域生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化，因此2000-2010年兩個時段生態(tài)質(zhì)量的變化趨勢受煤炭資源開采的影響較小。

對草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有較大影響的是牧業(yè)發(fā)展，如果牧業(yè)無序發(fā)展，不考慮草場的載畜量，則會造成草場的草畜平衡被打破，草地受到嚴重影響。圖5是呼圖壁縣2000-2010年年末的牲畜存欄數(shù)，而雀爾溝鎮(zhèn)大部分以牧業(yè)為主，牲畜量變化趨勢和呼圖壁縣類似，可以由此來說明整個流域牲畜量變化趨勢。從統(tǒng)計的結(jié)果來看，2000-2005年牲畜數(shù)量呈近似直線上升的趨勢，平均年增長牲畜量約2.6萬頭；而2005年以后，牲畜數(shù)量有較大程度的縮減，到2008年前后基本維持在一定水平。

圖5 呼圖壁縣2000-2010年年末牲畜存欄數(shù)(萬綿羊單位)Fig.5 Amount of livestock in Hu Tubi County in 2000-2010(Ten thousand sheep units)

牲畜數(shù)量變化一方面受到經(jīng)濟利益的刺激而有所變化，另一方面受政策影響較大。2005年以前，整個新疆乃至全國則是將經(jīng)濟發(fā)展放在第一位，耕地擴張、牧業(yè)規(guī)模增加現(xiàn)象在新疆較為普遍，從而導致地表水縮減、地下水位下降、草場破壞等生態(tài)問題。而2005年以后，生態(tài)問題日益暴露，對生態(tài)安全和生態(tài)保護的考慮逐漸增加，各地區(qū)逐步出臺草原保護條例、實施草畜平衡等系列措施，逐步控制了牲畜數(shù)量，逐漸緩解草場的生態(tài)壓力。

2.3.2氣候變化對草地生態(tài)系統(tǒng)的影響

進入21世紀，氣候變化較為明顯，氣候變化對各個方面均造成了較大影響。草地生態(tài)系統(tǒng)尤其是中覆蓋度和低覆蓋度草地受降水資源和外界擾動的影響最為敏感，而草地的變化則主要體現(xiàn)在其植被覆蓋度上。分別統(tǒng)計了2000-2010年植被覆蓋度和流域4-9月降水總量，二者關系如圖6所示。

圖6 流域草地植被覆蓋度變化與4-9月降水量關系圖Fig.6 Relation between Grassland VF changes and rainfall from April to September

從二者的變化趨勢來看，二者的變化趨勢表現(xiàn)為一定的正相關關系。4-9月份降水資源豐富的年份，植被覆蓋度較高，而降水量下降的年份植被覆蓋度也隨之下降，但是這種變化影響在有些年份存在一定的滯后性，這種滯后性一般是4-9月份降水總量年際變化較小的時段。草地生態(tài)系統(tǒng)多為一年生短命植物，對水資源的依賴程度較大，植物生長季降水量發(fā)生變化，草地在植被覆蓋度上也存在一定的響應。

3 結(jié) 語

通過對新疆軍塘湖河流域生態(tài)系統(tǒng)格局和質(zhì)量變化的定量研究，分析出影響生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的主要因素，由此可以得到以下結(jié)論。

(1)新疆軍塘湖河流域草地生態(tài)系統(tǒng)所占比例在80%以上，其中大部分為中覆蓋度草地，生態(tài)系統(tǒng)格局沒有發(fā)生大的變化。

(2)各生態(tài)系統(tǒng)中草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化最為明顯，尤其是中覆蓋度草地，在2000-2005年、2005-2010年發(fā)生了顛覆性變化，前者生態(tài)系統(tǒng)以退化為主要特征，而后者則是以改善和較大程度改善為主要特征，生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化活躍。

(3)流域內(nèi)牲畜量和4-9月降水總量是引起草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的主要因素，而產(chǎn)業(yè)政策和人類活動也是導致區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化的重要誘因。因此在草地區(qū)實施草畜平衡、加強草地監(jiān)測對草地生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量恢復與保護至關重要。

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