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，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系[1]。因此，荒漠河岸林對水文過程的響應機制成為干旱區(qū)生態(tài)保護中面臨的最基礎科學問題從而吸引了諸多學者的廣泛關注和持續(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能夠指示植物生長對水文變化(即漫溢和地下水位)的響應過程，以往的相關研究成果較少?；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聯(lián)性。研究成果不僅為干旱區(qū)生態(tài)水利工程的布設和運行提供理論依據(jù)，也可為促進荒漠河岸林的生態(tài)保護和恢復提供科學指導。

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)引水數(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)地下水數(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。

則與此相關的檢驗統(tǒng)計量為：

(6)

當統(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。為相關科學研究提供一定的研究參考。