生態(tài)水利工程對塔里木河荒漠河岸林植被的水文響應(yīng)研究

祖力呼瑪爾·艾再孜

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實驗站，新疆 烏魯木齊 830049)

干旱區(qū)綠洲荒漠生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)安全和穩(wěn)定是維系其可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，荒漠河岸林生態(tài)系統(tǒng)是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域綠洲。水是維系干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整和功能完善最為重要的生境因子，在與干旱區(qū)河流水文變化過程的長期適應(yīng)過程中，荒漠河岸林植被繁育更新、群落演替及分布格局與河流水系變遷形成了不可分割的密切關(guān)系[1]。因此，荒漠河岸林對水文過程的響應(yīng)機制成為干旱區(qū)生態(tài)保護中面臨的最基礎(chǔ)科學(xué)問題從而吸引了諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注和持續(xù)追蹤研究。

在干旱區(qū)，生態(tài)水利工程通過改變河流的水文過程(如河水漫溢和地下水埋深變化)來影響植被的生長。然而如何借助生態(tài)水利工程，提出河水漫溢和地下水位的優(yōu)化聯(lián)合調(diào)控方案以實現(xiàn)生態(tài)供水與植被生長需水的過程耦合選取何種指標(biāo)能夠指示植物生長對水文變化(即漫溢和地下水位)的響應(yīng)過程，以往的相關(guān)研究成果較少?；诖?，本研究選取TINDVI(累計歸一化植被指數(shù))利用河段耗水量、生態(tài)閘引水量、地下水埋深等數(shù)據(jù)，研究了植被生長與河道耗水量、漫溢量(即生態(tài)閘放水量)、地下水埋深之間的關(guān)聯(lián)性。研究成果不僅為干旱區(qū)生態(tài)水利工程的布設(shè)和運行提供理論依據(jù)，也可為促進荒漠河岸林的生態(tài)保護和恢復(fù)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)域

塔里木河流域位于中國西北干旱內(nèi)陸盆地，包括塔里木盆地的九大水系和塔里木河干流、塔克拉瑪干沙漠及東部荒漠三大區(qū)(如圖1所示)。塔里木河干流河長為1 321 km(阿拉爾至臺特瑪湖)，是中國最長的內(nèi)陸河，流域面積達到1．76×104km2。地形為西高東低、北高南低，由于受北部天山褶皺抬升以及南部沖積物和沙丘的阻隔，塔里木河河流具有游蕩性[2]。在歷史上，受水量變化及河道本身運行規(guī)律的影響，塔里木河主河道自身多次南北擺動，至20世紀(jì)40年代形成了現(xiàn)代塔里木河河道。臺特瑪湖位于新疆維吾爾自治區(qū)塔里木盆地東南部、若羌縣北部，是塔里木河和車爾臣河(且末河)的尾閭，是若羌縣最重要的生態(tài)屏障之一。

圖1 研究區(qū)概況及取樣點分布圖

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及樣品采集

1)遙感數(shù)據(jù)收集及預(yù)處理：根據(jù)2016年干流土地利用/覆被數(shù)據(jù)剔除了非天然植被區(qū)(耕地、水域等)數(shù)據(jù)，之后進行柵格化、轉(zhuǎn)換、鑲嵌、投影轉(zhuǎn)換等處理。

2)收集的水文數(shù)據(jù)主要包含：(1)斷面徑流數(shù)據(jù)：1957-2017年阿克蘇河、葉爾羌河、和田河和干流塔里木河的逐月地表徑流量，1957-2018年塔里木河干流阿拉爾、新渠滿、英巴扎、烏斯曼、阿其克及恰拉各斷面的逐月徑流數(shù)據(jù)；(2)引水?dāng)?shù)據(jù)：2006-2017年(2006年以后開始有實測資料)源流區(qū)的實測引水量、回流水量，2000-2018年塔里木河干流上中游各生態(tài)閘及農(nóng)業(yè)閘逐月引水和生態(tài)分洪數(shù)據(jù)；(3)地下水?dāng)?shù)據(jù)：2006-2019年塔里木河干流上游阿拉爾、新渠滿，中游英巴扎、沙吉力克、烏斯曼、沙子河口、阿其克及恰拉，下游英蘇、喀爾達依、依干不及麻、阿拉干及考干地下水監(jiān)測斷面的逐月地下水埋深數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 水量平衡過程

基于塔里木河源流區(qū)耗水及與干流聯(lián)系，其源流區(qū)與干流區(qū)存在如下水量平衡：

W干流=W源流-W引水-W河損+W退水

(1)

式中：W干流為干流來水量，W源流、W引水、W河損及W退水分別為源流來水量、引水量(主要為國民經(jīng)濟引水)、河損水量(包含河道水量蒸發(fā)、下滲及漫溢跑水)及退水量(為農(nóng)業(yè)退水水量)，單位均為108m3。

對于干流而言，存在如下水量平衡過程：

W干流=W國家經(jīng)濟+W生態(tài)+W河損

(2)

W河損=W蒸發(fā)+W滲漏+W滿溢

(3)

式中：W國家經(jīng)濟、W生態(tài)及W河損分別為國家經(jīng)濟引水量、生態(tài)引水量和河道損失水量，其中生態(tài)引水量包括通過生態(tài)閘和農(nóng)業(yè)閘引出用于補給天然植被的總水量(農(nóng)業(yè)閘具有生態(tài)分洪的作用)，單位均為108m3。

2.2.2 Mann-Kendall趨勢檢驗

Mann-Kendall趨勢檢驗主要用于分析植被覆蓋度的時空變化，基于單一柵格數(shù)據(jù)，首先，對時間序列(X1，X2，X3，L，Xn)依次比較，結(jié)果記為sgn(θ)：

(4)

用如下公式計算出Mann-Kendall統(tǒng)計值：

(5)

式中：xk、xi為要進行檢驗的隨機變量，n為所選數(shù)據(jù)序列的長度。

則與此相關(guān)的檢驗統(tǒng)計量為：

(6)

當(dāng)統(tǒng)計量Zc為正值，說明序列有上升趨勢；Zc為負值，則表示有下降趨勢。

3 結(jié)果分析

3.1 塔里木河流域水量轉(zhuǎn)換及對植被覆蓋的影響

3.1.1 塔里木河流域水量轉(zhuǎn)換規(guī)律

本研究選取在塔里木河流域?qū)嵤┙y(tǒng)一管理前后(2011年)進行對比分析。在源流區(qū)，基于保護和恢復(fù)干流河流生態(tài)系統(tǒng)的需要，向干流下泄水量的保障程度在統(tǒng)一管理實施后不斷提高(圖2)。

圖2 源流各用水項占源流來水量的比例以及源流、干流徑流量的距平百分比

在統(tǒng)一管理實施的2011年，源流徑流量的距平百分比(即徑流量與其多年平均值的差值占多年平均值的百分比)為-4.1%，干流徑流量的距平百分比為12.6%；而在2008年源流徑流量的距平百分比為-1.8%，干流徑流量的距平百分比為-37.5%。在不同時段(表1)，統(tǒng)一管理實施前(2006-2010年)，源流流入干流的徑流量占源流徑流量的18.0%，而實施后(2011-2017年)增加到22.3%。源流區(qū)的河道損耗(包括河道滲漏、水面蒸發(fā)和漫溢三項)主要用于補給兩側(cè)天然植被系統(tǒng)的生態(tài)需水量(河道水面蒸發(fā)僅占河損量的1.1%)。在統(tǒng)一管理實施前后，源流區(qū)河道損耗平均增加了6.8%(表1)。綜合以上分析，在統(tǒng)一管理實施前后，塔里木河源流區(qū)補給河流兩岸天然植被系統(tǒng)生態(tài)用水的河損量和干流徑流量呈現(xiàn)增加。

表1 統(tǒng)一管理前后塔里木河源流區(qū)水量變化特點

圖3 塔里木河各耗水項的距平百分比(A)和生態(tài)與國民經(jīng)濟用水的占比(B)

在塔里木河干流(圖3A)，來水量的距平百分比在2006-2010年主要為負值，而在2011-2017年，僅在2014年的流域特枯年份出現(xiàn)負值，從而為干流天然植被生態(tài)保護提供了重要水源。從生態(tài)供水(即滲漏量與生態(tài)閘引水量)和國民經(jīng)濟供水過程分析(圖3B)，在豐水年塔里木河國民經(jīng)濟引水的占比低于枯水年，而生態(tài)供水的占比高于枯水年。例如2010年和2017年(豐水年)，生態(tài)供水的占比分別為86.3%和86.5%，而在2009和2014年(枯水年)，生態(tài)供水的占比下降至75.2%和64.8%。這是由于在枯水年，首要保障塔里木河的國民經(jīng)濟剛性用水(即生產(chǎn)和生活用水)需求，而該區(qū)天然植被在生態(tài)需水虧缺3 a后才會出現(xiàn)明顯退化(即天然植被對生態(tài)水的需求存在彈性空間)，因此在枯水年可適當(dāng)減少生態(tài)供水量。對于生態(tài)供水方式，枯水年主要依靠河道滲漏補給地下水供給植被蒸騰耗散(如在2009年，滲漏水和生態(tài)閘引水量分別占50.6%和24.6%)；而在豐水年，河流地下水在被大量補給的同時，主要通過生態(tài)閘引水漫溢補給生態(tài)水(如在2017年，滲漏水和生態(tài)閘引水量分別占20.1%和66.4%) (圖3B)。

3.1.2 塔里木河水量轉(zhuǎn)換對植被蓋度的影響

根據(jù)Mann-Kendall趨勢檢驗，2000-2017年，塔里木河干流天然植被覆蓋度的平均值呈顯著的增加趨勢。根據(jù)塔里木河天然植被覆蓋度變化趨勢的空間分析得到65.4%面積的天然植被覆蓋度呈增加趨勢，其中33.7%面積的天然植被覆蓋度呈顯著的增加趨勢，主要分布在距離河道較近、水分條件較好的區(qū)域。此外，14.3%面積的天然植被覆蓋度呈顯著的下降趨勢，主要分布在距離河道較遠、水分條件較差的區(qū)域。

3.2 水文變化對荒漠河岸植被生長的影響

在2000年修建了生態(tài)水利工程(生態(tài)輸水堤防和生態(tài)閘)以后，塔里木河中游河段的水文過程發(fā)生了明顯變化。從河段耗水量占上斷面來水量的比例來看(即耗水量占比)，在生態(tài)水利工程修建前(圖4A)，耗水量占比以1.12%的速率呈顯著的增加趨勢；具體在年際變化上，耗水量占比分別為33.6%、39.4%、51．O%和66．0%；與耗水量占比相似，耗水量也呈現(xiàn)增加趨勢但不顯著(圖4C)。在生態(tài)水利工程修建后(圖4B和4D)，雖然耗水量表現(xiàn)為不顯著的增加趨勢，而耗水量占比卻以-0.37%的速率呈不顯著的減少趨勢。在2001-2009和2010-2016年兩個時段，耗水量占比從53.0%減小至49.1%。以上分析表明，生態(tài)水利工程修建以后(圖4)，塔里木河中游河段生態(tài)輸水效率得到提高(即耗水量占比減小)，耗水量出現(xiàn)減少(比生態(tài)水利工程修建前平均減少了12．4%)，從而保證了一定的水量流入下游以挽救瀕臨崩潰的下游生態(tài)系統(tǒng)。此外，根據(jù)中游河段耗水量的年內(nèi)占比來看，7-9月耗水量占年耗水量的81.1%～86.5%，為主要耗水時段。尤其在8月份，耗水量占年耗水量的49.0%～51.1%。

從生態(tài)閘放水量和地下水埋深的逐月變化來看(圖5A)，在2006-2010年，塔里木河中游地下水埋深由3.33 m下降至4.43 m，呈逐步下降趨勢。結(jié)合耗水量變化過程可知(圖5B)，2006-2009年年耗水量減少了87.4%。但在2010-2013年，塔里木河干流進入豐水年，平均年耗水量比2009年增加了12.9倍。由于持續(xù)、大量的水量補給地下水，2010-2013年地下水埋深恢復(fù)至2．09 m，抬升了2．34 m。2014年塔里木河干流處于枯水年，年耗水量比2013年減少了78.4%；相應(yīng)地下水埋深下降了0.49 m。在2016年，年耗水量比20l5年增加了28.3%，地下水埋深抬升了0.52 m。此外，生態(tài)閘主要集中在地下水埋深較低的8月份開始大劑量放水；同時耗水量與生態(tài)閘放水峰值的出現(xiàn)時段保持了一致性(圖5)。

圖4 河段耗水量占比的變化特點

圖5 中游生態(tài)閘放水量、地下水埋深(A)以及年耗水量和逐月耗水量(B)

4 結(jié)語

本文科學(xué)量化了生態(tài)水利工程對荒漠河岸林植被生長的影響，生態(tài)水利工程修建后，塔里木河的生態(tài)供水量等呈明顯的增加趨勢。塔里木河河道耗水量和生態(tài)閘放水量的峰值與地下水埋深的谷值存在一致性，生態(tài)閘放水有效促進地下水埋深的抬升。生態(tài)水利工程促進了植物生長需水與供水[3](即生態(tài)閘放水和地下水埋深變化)的過程耦合，提高了植物生長對水資源的利用效率。為相關(guān)科學(xué)研究提供一定的研究參考。