塔里木河流域胡楊林區(qū)生態(tài)輸水效益評估

張 靚，趙少軍，魏光輝

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

塔里木河流域是我國最大的內(nèi)陸河流域，也是我國面向中亞、西亞開放的“橋頭堡”和“中-巴經(jīng)濟走廊”的重要通道，位于“絲綢之路經(jīng)濟帶”建設(shè)的核心區(qū)，地理位置獨特、地緣優(yōu)勢明顯[1-2]；其因兼具鮮明的地域特色、極端脆弱的生態(tài)系統(tǒng)和突出的生態(tài)問題而聞名于世。流域分布的胡楊林面積分別占世界和中國胡楊林面積的54%和90%，擁有世界上數(shù)量最多、分布面積最廣的天然胡楊林資源基因庫，生態(tài)地位不可替代。沿河發(fā)育的以胡楊為主的荒漠河岸林、綠洲-荒漠過渡帶以及天然湖泊濕地等共同構(gòu)成的荒漠河岸生態(tài)系統(tǒng)，是我國生態(tài)安全戰(zhàn)略格局“兩屏三帶”中“北方防沙帶”和生態(tài)文明廊道的重要組成部分，是阻擋塔克拉瑪干沙漠侵襲綠洲的自然生態(tài)屏障[3-5]。

塔里木河流域總面積102.7萬km2，占新疆總面積的61.8%，水資源總量401.8億m3，具有自然資源豐富和生態(tài)環(huán)境脆弱的雙重特點。受人類活動和氣候變化影響，目前只有和田河、葉爾羌河、阿克蘇河、開都-孔雀河四條源流與塔里木河干流有地表水聯(lián)系，形成“四源一干”格局[6]。

1 研究方法

1.1 野外調(diào)查

主要調(diào)查內(nèi)容包括胡楊個體生長狀況(枝下高、冠幅、長勢)、林齡結(jié)構(gòu)、胡楊幼苗(1～3 a生)數(shù)量及物種多樣性等。根據(jù)不同輸水區(qū)輸水的景觀類別、持續(xù)輸水年限等，將其劃分為：①常態(tài)化(>6 a)或長時間輸水(3～6 a)的胡楊林保護區(qū)。②長時間輸水(3～6 a)的稀疏胡楊林區(qū)。③長時間輸水(3～6 a)或短期輸水(≤3 a)的胡楊林退化區(qū)。④湖泊濕地，具體調(diào)查內(nèi)容見表1。

1.2 遙感分析

收集生態(tài)輸水前后的多源多尺度高頻次遙感數(shù)據(jù)，包括Sentinel-1微波數(shù)據(jù)、Landsat-TM光學(xué)影像數(shù)據(jù)、Modis-EVI植被指數(shù)數(shù)據(jù)、Modis-LST地表溫度數(shù)據(jù)、GEWEX-SRB地表輻射數(shù)據(jù)、CMORPH降水?dāng)?shù)據(jù)、AMSR-E輻射計數(shù)據(jù)、GRACE重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)周期介于5～16 d，分辨率5～250 m，數(shù)據(jù)總量達到100GB以上。經(jīng)數(shù)據(jù)處理，獲取輸水區(qū)內(nèi)淹灌范圍、淹灌持續(xù)時間、湖泊水面面積、地下水儲量、土壤水、植被覆蓋度、蒸散發(fā)、生態(tài)環(huán)境綜合質(zhì)量指數(shù)等成果。

表1 生態(tài)輸水區(qū)類別與野外調(diào)查內(nèi)容

1.3 生態(tài)輸水效益評價指標(biāo)體系

為科學(xué)評價生態(tài)輸水效益，從淹灌效率、地下水和土壤水響應(yīng)、植被生長與群落結(jié)構(gòu)變化及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空格局4個方面，構(gòu)建了生態(tài)輸水效益評價指標(biāo)體系(見表2)[7-9]。

表2 生態(tài)輸水效益的評價指標(biāo)體系

續(xù)表2

2 生態(tài)輸水效益評估

2.1 生態(tài)輸水淹灌效率

2.1.1 淹灌面積

流域胡楊林淹灌面積219 133.3 hm2，其中淹灌退化區(qū)面積179 073.3 hm2，占淹灌總面積的81.7%。淹灌影響面積452 133.3 hm2，其中淹灌影響退化區(qū)面積353 133.3 hm2，占淹灌影響總面積的78.1%。因此，淹灌和淹灌影響退化區(qū)的面積分別占胡楊林退化總面積(541 666.7 hm2)的33.1%和65.2%，表明流域生態(tài)輸水的淹灌和淹灌影響范圍還未完全涵蓋胡楊林退化區(qū)。

阿克蘇河、葉爾羌河、和田河、孔雀河及塔河干流淹灌面積分別為14 066.7 hm2、56 866.7 hm2、19 266.7 hm2、3266.7 hm2及125 666.7 hm2，影響面積分別為40 533.3 hm2、102 800 hm2、25 600.0 hm2、6133.3 hm2及277 066.7 hm2。通過由原來的每年1次遙感監(jiān)測增加到目前的2～7 d 1次，更加精細(xì)地探測出胡楊淹灌的范圍和過程；并不斷優(yōu)化輸水方案，提高了淹灌效率。

2.1.2 淹灌持續(xù)時間

淹灌時間<7 d和>29 d分別為淹灌不足和過度淹灌，8～28 d為適度淹灌，適宜胡楊林種群更新。通過對胡楊林高頻監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，淹灌不足(<7 d)的區(qū)域為39 940.0 hm2，占淹灌總面積的18.1%(見表3)；過度淹灌(>29 d)區(qū)域為87 766.7 hm2，占淹灌總面積的40.1%；適度淹灌(8～28 d)區(qū)域為91 459.9 hm2，占淹灌總面積41.8%。塔河干流適度淹灌(8～28 d)區(qū)域面積52 306.7 hm2，占比41.7%；過度淹灌(>29 d)區(qū)域占比為40.1%。葉爾羌河適度淹灌(8～28 d)區(qū)域面積25 000.0 hm2，占比44.0%；淹灌不足(<7 d)和過度淹灌(>29 d)占比分別為24.9%和31.1%。和田河適度淹灌(8～28 d)區(qū)域面積6946.7 hm2，占比36.1%；淹灌不足(<7 d)和過度淹灌(>29 d)占比分別為18.7%和45.2%?？兹负舆m度淹灌(8～28 d)區(qū)域面積1586.6 hm2，占比47.9%，淹灌不足(<7 d)和過度淹灌(>29 d)占比分別為19.3%和32.8%。阿克蘇河適度淹灌(8～28 d)區(qū)域面積5620.0 hm2，占比40.0%，淹灌不足(<7 d)和過度淹灌(>29 d)占比分別為26.7%和33.3%。

表3 塔里木河流域胡楊林不同淹灌時長面積及比例

2.2 地下水和土壤水響應(yīng)

2.2.1 地下水儲量

以2000—2003年的地下水平均值為基準(zhǔn)值進行對比分析(見表4)，2015年地下水儲量減少的區(qū)域占流域總面積的49.1%；2016年生態(tài)輸水實施后，地下水儲量減少的區(qū)域呈現(xiàn)縮減，占流域總面積的35.3%，0～50 mm的區(qū)域占流域總面積的50.6%，總體呈現(xiàn)增加；2021年，流域地下水儲量增加明顯，0～100 mm的區(qū)域占流域總面積的53.4%，100～200 mm的區(qū)域占45.9%，>300 mm的區(qū)域占流域總面積0.7%，生態(tài)輸水對地下水的補充效果顯著。

孔雀河2015年、2016年地下水儲量分別減少30 mm、20 mm；2017—2021年每年分別增加70～80 mm、70～90 mm、80～100 mm、130～140 mm、140 mm以上。葉爾羌河輸水區(qū)2015年地下水儲量以減少為主，2016年以增加0～20 mm為主，2017—2019年均以增加20～40 mm為主，2020—2021年以增加40～60 mm、60～80 mm為主。塔河上中游輸水區(qū)2015—2021年地下水儲量增量依次集中在30～70 mm、80～100 mm、80～90 mm、100～120 mm、110～130 mm、130～150 mm、150～160 mm。和田河輸水區(qū)地下水儲量在2015—2018年減少幅度逐年增大，2015年減少量集中在10 mm左右，2018年減少量均超過20 mm；2019—2021年由減少逐步轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾幼兓?021年全區(qū)地下水儲量增量均在20 mm以上。阿克蘇河南部地區(qū)2015—2017年出現(xiàn)地下水儲量減少的情況，2018—2021年地下水儲量增量分別介于18～112 mm、42～113 mm、72～148 mm、56～159 mm。

表4 塔河流域不同等級地下水儲量占比 %

2.2.2 地下水埋深

塔里木河上中游和葉爾羌河生態(tài)輸水后實測地下水埋深較輸水前顯著回升。阿拉爾斷面輸水前月平均地下水埋深最淺為2.23 m，最深為3.33 m；輸水后，其地下水埋深迅速回升至1.07 m。新渠滿輸水前最淺地下水埋深為2.29 m，輸水后回升至2.01 m。英巴扎斷面輸水前平均地下水埋深最低達到4.70 m，輸水后回升了1.97 m。烏斯?jié)M監(jiān)測斷面輸水前最深地下水埋深為5.08 m，輸水后回升至3.20 m。下河林場由2月的5.06 m降至7月的5.48 m，8月份生態(tài)輸水后回升0.14 m，9月則大幅度抬升至4.49 m。鹽山月平均地下水埋深在2—7月下降了0.36 m，輸水后的8—9月平均回升了1.28 m。

2.2.3 土壤含水量

生態(tài)輸水促使輸水區(qū)土壤出現(xiàn)明顯濕潤化趨勢。輸水區(qū)土壤含水量總體均呈現(xiàn)下降趨勢，干旱化程度逐漸減弱，但未輸水區(qū)的土壤含水量總體以增加趨勢為主，表明土壤干旱化。2015—2021年輕旱區(qū)面積占比由3.6%增至11.8%，中旱區(qū)面積基本維持不變；由于特旱區(qū)向重旱轉(zhuǎn)變，重旱區(qū)面積占比由38.6%增至51.7%，特旱區(qū)面積占比由36.1%下降至15.6%(見表5)。

表5 塔河流域不同等級土壤含水量占比 %

2.3 植被生長和群落結(jié)構(gòu)

2.3.1 胡楊個體長勢與林齡結(jié)構(gòu)

生態(tài)輸水與喬、灌木的落種時間均集中在7—10月，從而為胡楊萌發(fā)提供了有利的水分條件。生態(tài)輸水后，洛浦縣生態(tài)輸水區(qū)每100 m2新生胡楊幼苗密度達到8株，未輸水區(qū)未見新發(fā)胡楊；從胡楊個體長勢來看，胡楊冠幅14.06 m，高出未輸水區(qū)500%；而枝下高(值越小長勢越好)為1.50 m，低于未輸水區(qū)28.3%；輸水區(qū)的瀕死胡楊占32.1%并開始復(fù)壯，未輸水區(qū)瀕死胡楊高達84.1%。在塔河下游，生態(tài)輸水淹灌區(qū)的幼苗庫總密度為74±30株/m2。在夏瑪勒胡楊林保護區(qū)，胡楊枝下高在輸水1 a后顯著降低而冠幅明顯增加；但在過度輸水時(輸水時間>3 a)枝下高轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾雍凸诜蕼p小，表明胡楊長勢變差。在塔河下游，生態(tài)輸水后，胡楊幼苗(胸徑<1 cm)和幼齡(胸徑<4 cm)數(shù)目最多；中齡階段胡楊(胸徑4～10 cm)數(shù)目較少；胡楊近熟林(胸徑>10 cm)每400 m2存在3～4株，因此生態(tài)輸水顯著改善了胡楊的林齡結(jié)構(gòu)，生態(tài)輸水促進了胡楊幼苗大面積萌發(fā)，激發(fā)了胡楊個體生長，改善了胡楊樹齡結(jié)構(gòu)。

2.3.2 物種多樣性和植被覆蓋度

在塔里木河干流南岸、和田河流域洛浦縣胡楊林輸水區(qū)，物種多樣性Simpson指數(shù)和Shannon指數(shù)均顯著高于未輸水區(qū)96.5%、183.0%和48.0%、77.0%。在葉爾羌河流域和塔河干流中上游輸水區(qū)，當(dāng)輸水時間為1～2 a時，群落物種多樣性指數(shù)均顯著高于未輸水年份；當(dāng)輸水持續(xù)3 a時，物種多樣性趨于穩(wěn)定；當(dāng)輸水時間大于3 a時，物種多樣性水平有所下降。在墨玉縣輸水區(qū)和塔河下游區(qū)域，隨著輸水時間增加，物種多樣性水平均趨于穩(wěn)定。

生態(tài)輸水后，75.5%區(qū)域的植被覆蓋度增加，而24.5%區(qū)域的植被覆蓋度呈現(xiàn)減??；特別在生態(tài)輸水區(qū)，即93.0%的塔里木河干流南岸輸水區(qū)、89.0%的洛浦縣胡楊林輸水區(qū)、93.3%的墨玉縣胡楊林輸水區(qū)、80.4%的夏瑪勒林場輸水區(qū)、92.5%的下河林場輸水區(qū)以及80.0%的塔河干流胡楊林輸水區(qū)的植被覆蓋度均呈增加趨勢。從月尺度來看，流域植被覆蓋度在7—10月4個月份均明顯增加。根據(jù)植被覆蓋，將流域胡楊林分為極低覆蓋，低覆蓋，中覆蓋和高覆蓋四類(見表6)。2016—2021年，高覆蓋胡楊林面積由95 880.0 hm2增加至135 200.0 hm2。其余覆蓋等級的胡楊林面積呈減小趨勢，其中極低覆蓋(36 446.7 hm2)和低覆蓋(29 786.7 hm2)的胡楊林面積分別減小了46.24%和35.31%。

表6 塔河流域不同覆蓋度胡楊林 hm2

2.4 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量時空格局

2.4.1 生態(tài)水利用效率

根據(jù)監(jiān)測分析，在胡楊林稀疏的洛浦縣、墨玉縣、孔雀河下游和塔河南岸輸水區(qū)，生態(tài)水利用效率較低，分別僅為3.9 %、4.0%、15.4%、17.4 %；而在胡楊林覆蓋較高的夏瑪勒林場、下河林場、沙雅、輪臺和尉犁羅布淖爾輸水區(qū)，生態(tài)水利用效率較高，分別達到29.30%、26.60 %、32.10 %、43.60 %、37.23%。因此，為提高稀疏胡楊林區(qū)的生態(tài)水利用效率，需要采取工程和非工程措施，加快生態(tài)修復(fù)進程，以減少裸地?zé)o效蒸發(fā)。

2.4.2 生態(tài)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(RSEI)

參考《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ 192—2015)，以0.25為間隔劃分生態(tài)環(huán)境質(zhì)量(RSEI)等級如下：優(yōu)(0.75～1.00]、良(0.50～0.75]、中(0.25～0.50]、差[0～0.25]。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為優(yōu)的胡楊林僅滿足其生態(tài)需水量即可，避免因過度灌溉導(dǎo)致胡楊林生長受到脅迫；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為中、良的胡楊林輸水區(qū)進行適度輸水，滿足胡楊林生長需求，逐漸改變其生長環(huán)境；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為差的胡楊林進行重點輸水，促使胡楊林生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況呈現(xiàn)增加趨勢，徹底扭轉(zhuǎn)惡化局面。塔里木河流域輸水區(qū)胡楊林區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況處于優(yōu)、良、中、差四個等級的占比分別為11.3%，42.1%，32.3%，14.3%(見表7)。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為優(yōu)的胡楊林主要分布于葉爾羌河、阿克蘇、和田河、開都-孔雀河源流區(qū)和塔里木河上游部分地區(qū)。生態(tài)質(zhì)量狀況處于良、中的地區(qū)達到74.4%，主要分布于塔里木河干流中游和下游的大部分地區(qū)。

表7 胡楊林輸水區(qū)生態(tài)質(zhì)量等級與面積統(tǒng)計

3 存在問題

3.1 生態(tài)輸水的水文響應(yīng)不明、靶向固化，將危及胡楊林群落穩(wěn)定

由于輸水的生態(tài)水文響應(yīng)不明，導(dǎo)致生態(tài)輸水的區(qū)域未能與胡楊林退化區(qū)相吻合，生態(tài)輸水靶向固化，胡楊林過度淹灌和淹灌不足的問題并存。根據(jù)監(jiān)測，塔河流域胡楊林淹灌的退化區(qū)面積占淹灌總面積的81.7%，表明18.3%的胡楊林無需淹灌，僅通過河道滲漏抬升地下水以滿足其生態(tài)需水量即可。退化胡楊林區(qū)的生態(tài)輸水需適時、適量、適度。根據(jù)監(jiān)測，在輸水時間超過3 a的過度淹灌區(qū)，胡楊枝下高轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾雍凸诜尸F(xiàn)減小，胡楊長勢變差；這是由于流域土壤含鹽量較高，過多的水分會加速土壤中鈉離子和氯離子在植物根部的積累，造成胡楊根系功能受損，阻礙其生長。因此在不同來水背景下，亟須開展明確流域胡楊林保護目標(biāo)、保護范圍、需水規(guī)模，以及塔河源流區(qū)實施胡楊林輸水對向塔河干流輸水任務(wù)完成的影響及干流向下游輸水任務(wù)完成產(chǎn)生的影響等工作內(nèi)容。

3.2 缺少生態(tài)輸水監(jiān)測與效益評估指標(biāo)體系

當(dāng)前胡楊林生態(tài)輸水大多以應(yīng)急為主，沒有建立長期、穩(wěn)定和系統(tǒng)的生態(tài)監(jiān)測體系。如在分析胡楊林對生態(tài)輸水的生理、生態(tài)響應(yīng)及水分轉(zhuǎn)化方面，需布設(shè)固定樣方和水文監(jiān)測斷面對其進行長期監(jiān)測，從而為今后制定合理的生態(tài)輸水方案以及開展生態(tài)輸水效益評估提供數(shù)據(jù)支撐。另外，對生態(tài)輸水效益評估，也缺少適宜于流域的、涵蓋水、土、氣、生等生態(tài)要素的綜合評估體系。

4 對策與建議

4.1 優(yōu)化塔里木河流域生態(tài)水總體調(diào)控方案

塔里木河流域作為一個有機整體，為滿足胡楊林重點保護區(qū)的生態(tài)輸水及干流下泄指標(biāo)，應(yīng)從流域角度出發(fā)，綜合生態(tài)需水、供水模式等研究成果，構(gòu)建源流“集中同步組合以實現(xiàn)干流增流”、干流“閘群聯(lián)合調(diào)度以實現(xiàn)分段耗水控制”、下游“生態(tài)輸水以實現(xiàn)地下水位調(diào)控”的生態(tài)水調(diào)控總體方案。流域內(nèi)各地州、兵團師負(fù)責(zé)本行政區(qū)生態(tài)輸水基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和生態(tài)調(diào)水的具體組織實施。在滿足水資源“三條紅線”指標(biāo)用水的基礎(chǔ)上，通過流域水量統(tǒng)一綜合調(diào)度，保障胡楊林重點保護區(qū)生態(tài)輸水及干流下游下泄指標(biāo)的完成，并統(tǒng)籌好上下游、左右岸，源流與干流生態(tài)調(diào)水[10]。

4.2 建立生態(tài)輸水監(jiān)測與效益評估體系，優(yōu)化胡楊林生態(tài)輸水實施方案

在胡楊林生態(tài)輸水區(qū)，構(gòu)建“多維度”(縱向水流演進-橫向水量轉(zhuǎn)化-豎向植被響應(yīng))、“多尺度”(胡楊個體-群落結(jié)構(gòu)和功能-生態(tài)系統(tǒng)面積、質(zhì)量和穩(wěn)定性變化等)、“多生態(tài)要素”(水、土、氣、生要素)、多技術(shù)手段(空-天-地一體化)的綜合監(jiān)測系統(tǒng)，確立胡楊林生態(tài)輸水效益科學(xué)、精準(zhǔn)、完整的評估指標(biāo)體系。利用監(jiān)測資料和輸水效益評估結(jié)果，明確胡楊林重點保護與修復(fù)目標(biāo)、范圍、需水量，植物落種時間，適宜的河水漫溢干擾頻度、水量、持續(xù)時間，以及地下水埋深閾值等要素，提出生態(tài)輸水原則，制定針對胡楊保護與修復(fù)的生態(tài)輸水方案。重點在對生境狀況優(yōu)良的胡楊林提供滿足正常生存的水源后，優(yōu)先對退化區(qū)胡楊林進行生態(tài)輸水，保障生態(tài)淹灌面積和退化區(qū)胡楊林面積相吻合，在提高生態(tài)水利用效率的同時，實施洪水漫溢以激活土壤種子庫和胡楊根蘗萌新，孕育胡楊幼苗生長。

5 結(jié) 論

(1)流域胡楊林淹灌面積1.46萬hm2，其中淹灌退化區(qū)面積1.19萬hm2，占淹灌總面積的81.7%。淹灌影響面積3.01萬hm2，其中淹灌影響退化區(qū)面積2.35萬hm2，占淹灌影響總面積的78.1%。淹灌和淹灌影響退化區(qū)的面積分別占胡楊林退化總面積(3.61萬hm2)的33.1%和65.2%，表明生態(tài)輸水淹灌和淹灌影響范圍還未完全涵蓋胡楊林退化區(qū)。

(2)生態(tài)輸水后，流域地下水儲量減少區(qū)域呈現(xiàn)縮減，占流域總面積的35.3%，上升0～100 mm的區(qū)域占流域總面積的53.4%，上升100～200 mm的區(qū)域占45.9%，上升大于200 mm的區(qū)域占流域總面積0.7%，生態(tài)輸水對地下水的補充效果顯著。

(3)生態(tài)輸水后，75.5%的區(qū)域植被覆蓋度增加，而24.5%的區(qū)域植被覆蓋度呈現(xiàn)減?。辉谏鷳B(tài)輸水區(qū)，即93.0%的塔里木河干流南岸輸水區(qū)、89.0%的洛浦縣胡楊林輸水區(qū)、93.3%的墨玉縣胡楊林輸水區(qū)、80.4%的夏瑪勒林場輸水區(qū)、92.5%的下河林場輸水區(qū)以及80.0%的塔河干流胡楊林輸水區(qū)的植被覆蓋度均呈增加趨勢。

(4)流域胡楊林區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量狀況處于優(yōu)、良、中、差四個等級的占比分別為11.3%，42.1%，32.3%，14.3%。生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等級為優(yōu)的胡楊林主要分布于葉爾羌河、阿克蘇、和田河、開都-孔雀河源流區(qū)和塔里木河上游部分地區(qū)。生態(tài)質(zhì)量狀況處于良、中的地區(qū)達到74.4%，主要分布于塔里木河干流中游和下游的大部分地區(qū)。