阿克蘇河流域生態輸水效益評估及對策探究

徐生武

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

0 引言

阿克蘇河是塔里木河水量最大的源流，位于新疆維吾爾自治區塔里木盆地西部，長224km，由發源于天山西段的庫瑪拉克河(也稱昆馬立克河)和托什干河組成，河流徑流依靠山地降水及冰雪融水補給[1]。阿克蘇河流域生長著大量的胡楊林，有全世界最急需優先保護的林木基因資源[2]。近幾十年來，人為活動包括綠洲擴張和水資源過度利用，導致一系列生態問題[3]。2001年以來，實施了塔里木河流域綜合治理。2015年，針對阿克蘇河流域退化胡楊林區開展輸水，生態環境有所改善。因此，科學合理的生態輸水效益評估，為制定切實可行的胡楊林輸水方案提供理論指導。

研究結合水文和遙感監測數據，綜合輸水過程和淹灌效率，從土壤水和地下水變化、植被生長及生態環境質量的時空格局等角度，評估生態輸水效益。結合既往輸水量、生態環境質量，總結當前輸水問題，提出生態輸水的對策及建議。

1 數據及處理

本文獲取生態輸水前后的多源多尺度高頻次遙感數據，包括Sentinel-1微波數據、Landsat-TM光學影像數據、Modis-EVI植被指數數據、Modis-LST地表溫度數據、GEWEX-SRB地表輻射數據、CMORPH降水數據、AMSR-E輻射計數據等，數據周期介于5～16d，分辨率5～250m。經ENVI、ArcGIS、Python數據處理，獲取輸水區內淹灌范圍、淹灌持續時間、土壤水、植被覆蓋度、生態環境綜合質量指數(RSEI)等數據[4-5]。

2 生態輸水效益評估

2.1 生態輸水過程及淹灌效果

2.1.1生態輸水過程及淹灌面積

阿克蘇河規劃生態輸水1.60億m3，實際輸水1.89億m3，完成度為118%，超額完成年度輸水目標。借助專業的遙感大數據平臺，集合Sentinel-1號衛星的微波數據(重訪周期為6d，分辨率為5～20m)，以及多源光學遙感時間序列數據。計算阿克蘇河胡楊林輸水區水體指數并提取水面面積。通過ArcGIS對多期阿克蘇河南岸胡楊林輸水區淹灌面積圖層進行疊加，獲得生態輸水的最大淹灌面積42.59萬畝。通過ArcGIS對獲取的最大淹灌范圍圖層做1km緩沖區分析，獲得輸水區最大淹灌面積的影響范圍78.91萬畝。

2.1.2 淹灌持續時間

利用多期阿克蘇胡楊林輸水區遙感影像數據，通過人工解譯提取淹灌水面的空間分布，據此確定生態輸水最大淹灌范圍、持續時長。從水與植被之間的相互關系來看，淹灌不足有礙達成較好的生態效果，而淹灌過多則可能造成植被生長受阻、水資源浪費等。根據以往研究[6]，將淹灌時間1～7d和高于28d分別識別為淹灌不足和過度淹灌，8～28d為適度淹灌。根據提取結果，淹灌時長0～7d的區域面積最大，達13.8萬畝，占比32.5%(表1)。淹灌時長8～28d的區域，達18.8萬畝，占比44.2%；淹灌時長28d以上的區域，達9.92萬畝，占比23.3%。

表1 胡楊林淹灌時長及空間分異 單位：%

2.2 土壤水與地下水響應

2.2.1 地下水儲量

根據表2，阿克蘇河輸水區地下水儲量均呈增加變化，最高643mm，最低36mm?？傮w以增加200～300mm為主，占比54.3%，主要分布于輸水區東北和西南部；地下水儲量增加300～400mm和0～100mm的區域面積占比相當，均為20%，分別分布于輸水區西部和東南部；地下水儲量增加400mm以上的區域面積占比為5.7%，主要分布在輸水區西部。

表2 地下水儲量范圍及占比

2.2.2 土壤含水量(TVDI)

根據表3，2015—2022年，阿克蘇河輸水區輸水后干旱程度明顯減弱。阿克蘇河輸水區無旱區和輕旱區面積比例增加，分別提升到2.0%、9.3%。中旱區由36.7%增至42.9%，重旱區由39.0%減少到32.8%，特旱區由22.7%減少到13.0%。綜上，阿克蘇河區域處在特旱、重旱區逐漸轉化為輕旱、無旱區，土壤呈濕潤化發展。

表3 輸水區不同等級TVDI占比 單位：%

2.3 胡楊生長和群落結構

2.3.1 胡楊林覆蓋度(NDVI)

2015—2022年的植被生長旺盛期，阿克蘇河植被覆蓋整體呈現明顯的上升趨勢(表4)，阿克蘇河生態輸水雖未形成大范圍淹灌，但生態輸水顯著，抬升了地下水埋深，從而使得植被長勢明顯好轉。其中，2015—2022年，每年7—9月，植被高覆蓋度均值增長了12.4%，中覆蓋度增加了2.6%，極低、低覆蓋度分別減少了14.5%、0.6%。表明阿克蘇河輸水區植被覆蓋度呈上升趨勢，生態輸水實施之后，阿克蘇河輸水區植被生長趨勢明顯好轉。

表4 7—9月不同覆蓋度胡楊林平均植被覆蓋度面積占比 單位：%

2.3.2 固碳能力

凈初級生產量，又稱凈初級生產力(NPP)，是指在初級生產中，除去其新陳代謝所消耗的能量(呼吸量)后剩余的能量。生態輸水促進了胡楊林初級生產力提升，阿克蘇河NPP由2015年的3.29gC/(m2·a-1)增加到2022年的3.64/(m2·a-1)，變化率增加了10.52%。

2.3.3 植被葉面積指數(LAI)

葉面積指數控制著生物理化過程，是干旱半干旱地區植被退化和恢復的敏感指標。根據胡楊的葉面積指數情況，劃分為低、中，高和極高葉面積指數4類(表5)。生態輸水促進了流域葉面積指數整體增強，植被長勢與固碳能力提高。2015—2022年，極高等級葉面積指數面積從2.2%增加到46.1%，低等級葉面積指數面積由31.1%減少到29.9%，中等級葉面積指數面積從24.8%減少到15.4%，高等級葉面積指數面積從41.9%減少到8.9%。整體上，生態輸水促進了葉面積指數增加，促使流域葉面積指數由低、中、高等級向極高等級轉移。

表5 各等級葉面積指數占比

2.3.4 植被景觀指數

生態輸水促使胡楊林植被景觀由大斑塊向小斑塊分散，植被景觀的蔓延度趨勢增加(表6)。阿克蘇河流域的最大斑塊指數由18.8減少到17.9，植被小斑塊景觀數量有所增加，蔓延度指數增加，破碎化程度上升；分離度、均勻度和多樣性指數基本維持不變。

表6 植被景觀指數匯總

2.4 生態環境質量(RSEI)

2022年和阿克蘇胡楊林輸水區生態質量狀況以良[0.4～0.6]等級為主(表7)占輸水區總面積的64.5%，而生態質量狀況等級為優的區域，占比3.2%。通過對比2015年和2022年阿克蘇河輸水區胡楊林生態環境質量變化，輸水后和阿克蘇生態環境質量得到明顯改善。阿克蘇河流域，2015—2022年間RSEI等級為差等的面積占比由9.7%下降至1.5%，中等區面積占比由72.3%下降至30.8%，等級為良的面積占比由17.9%增加至64.5%，優等區面積占比由0.1%增至3.2%；阿克蘇河區域RSEI由中等向優良轉化。

表7 2015—2022年胡楊林輸水區生態質量變化統計表 單位：%

3 未來生態保護與修復區及輸水建議

3.1 植被覆蓋度漸變模式

阿克蘇河流域植被覆蓋度變化模式為邏輯增長型。2001年，開始發生明顯變化，至2010年，變化趨于穩定(圖1)。流域植被覆蓋度未來整體將保持高水平穩定狀態。

圖1 2000—2020年植被覆蓋度整體漸變模式

整體而言，阿克蘇河流域植被覆蓋度變化模式呈增長模式；增長模式占比(94.9%)遠高于減少模式(5.1%)。下降模式主要分布在流域的東北區域。

阿克蘇河流域植被覆蓋度未來整體將處于或趨向良性狀態。未來變化趨勢(表8)，為持續改善和處于高水平穩定狀態(94.9%)的面積比例，遠高于持續惡化和處于低水平穩定狀態(5.1%)的面積比例。

表8 植被變化模式統計結果

阿克蘇河流域植被達到穩定的時間主要集中在2012年之后，占比為83.3%。將15個持續變化的年數分為4類(表9)：2年以內，3—4年，5—7年，8年以上。阿克蘇河流域植被覆蓋度變化持續時間為8年以上的占比最高達55.5%，5—7年以上占比次之，為20.9%，2年以內占比為12.4%，3—4年占比最低，為11.2%。植被變化持續時間為1—2年的，一般為草本植物，這類植物的恢復或者退化所需時間較短；變化持續時間為8年以上的，一般為喬灌木，恢復過程較為緩慢。從生態學角度出發，干旱內陸河流域的喬灌木植被對群落的重要性優于草本植物。由此可以看出，阿克蘇河流域生態系統植被群落結構相對穩定。

表9 植被蓋度變化持續時間統計結果

3.2 生態保護及修復范圍劃定

基于阿克蘇河流域現狀下植被覆蓋度及其漸變模式的判定結果，劃定阿克蘇河的生態保護范圍(表10)，流域生態保護及修復總面積為1094.22km2，保護區和修復區面積分別為426.69、667.54km2，分別占總面積的39.0%、61.0%，其中，修復區中又以一般修復區為主，約占阿克蘇河流域總面積的35.1%。

表10 生態保護與修復區面積統計表

3.3 未來輸水建議

基于輸水效益和生態要素變化，未來輸水建議[7-8]：①對烏什縣沙棘林湖泊濕地及第一師三團生態林區繼續輸水，對持續輸水3年，荒漠灌木整體生長狀態較好，無明顯退化現象的第一師塔里木灌區沙漠邊緣野生胡楊林區，建議實施輪灌。②胡楊林面積擴大與質量提升權衡分析表明，阿克蘇河流域重點質量提升區(重點修復區)主要分布在：托什干河與庫瑪拉克河河岸植被帶、西大橋-阿拉爾河岸胡楊林分布區、第一師3團荒漠綠洲過渡帶等區域。來水偏枯情景(來水頻率75%～50%)時，合計0.5億m3。平水年與豐水年情景時，以完全保障重點胡楊林區為目標，生態輸水量不小于1.56億m3。

4 結語

生態輸水以后，流域水文、土壤、植被等變化對生態輸水的響應較為明顯。研究確定生態輸水可以有效地促進地下水儲量總體增加；特旱、重旱區逐漸轉化為輕旱、無旱區；胡楊林植被覆蓋度和生物量增大；景觀均勻度增加，斑塊離散程度減小。未來以托什干河與庫瑪拉克河河岸植被帶、西大橋-阿拉爾河岸胡楊林分布區、第一師3團荒漠綠洲過渡帶等區域為未來重點修復區，建議枯水年輸水量為0.5億m3，平水和豐水期不小于1.56億m3。本研究基于植被變化模式提出未來輸水建議。今后，結合實況，進一步優化輸水方案，使之更加科學而合理，為流域管理積累經驗。