基于生态廊道时空变化格局的和田河流域治理措施研究

王亚军

(塔里木河流域干流管理局，新疆 阿拉尔 843000)

天然植被是生态系统的生产者，也是生态系统最基本的组成部分，天然植被的生长状况可以反映自然生态环境状况[1]。在生态环境脆弱的干旱区，植被在维持生态系统稳定方面具有重要作用[2]。新疆和田河是塔里木河重要的源流之一，同时也是沙尘暴高发区之一，是典型的生态环境脆弱区[3]。近年来，随着人口的增加，导致耕地面积增大，建筑用地扩张，流域生态环境遭到破坏，生态环境问题突出[3]。生态廊道作为构建区域生态系统的重要组成部分，对改善区域生态环境，维持生态系统以及物种多样性稳定具有重要作用[4]。因此，本研究围绕和田河流域生态廊道的土地利用/覆被以及植被覆盖的时空变化，计算得到基于保护生态廊道需求的生态需水量并提出相应的保护对策。同时，对和田河流域的上中游和下游的土地利用/覆被和植被覆盖的空间分布特征以及随时间的变化趋势进行了分析，根据划分的重点生态功能区和生态敏感区确定了和田河流域生态廊道的保护范围、保护面积以及保护目标，并通过计算得出了保护生态廊道所需的生态水量。本研究有利于和田河流域水资源的可持续发展。

1 研究区概况

和田河流域位于我国的新疆南部，塔里木盆地的南部边缘，流域所处地理坐标为东经77°24′～84°55′，北纬34°20′～39°38′[3]。和田河两支流的径流量分别为22.3亿m3、21.5亿m3，出山口处多年径流量为43.8亿m3[5]。和田河纵穿塔克拉玛干沙漠，全长319km，最终流入塔里木河，目前是塔里木河的源流之一[6]。研究区属暖温带大陆性气候，降水量少，蒸发量大，年平均降水量约为35.6mm，年平均蒸发量为2159.0～3137.0mm[7]。

和田河上游由两大支流组成，分别为玉龙喀什河和喀拉喀什河，两条支流在阔什拉什汇合，称为和田河，最终在阿克苏地区的肖塔水文站汇入塔里木河。和田河的上游段以喀拉喀什河和玉龙喀什河为起点，以乌鲁瓦提和玉龙喀什河水利枢纽为终点；中游段以上游河段的终点为起点，以阔什拉什(包括新疆墨玉县拉里昆国家湿地公园)为终点；下游段即为和田河绿色走廊段，以中游终点为起点，以肖塔为终点[3]。

2 基础数据与研究方法

2.1 数据预处理

本研究使用的1970—2018年逐日蒸发量气象数据由塔里木河干流各气象站提供。遥感影像数据为1990年、2000年、2010年及2017年的Landsat-TM影像数据，分辨率为30m。对这4个年份的影像数据根据解译标准进行人机交互判读和数字化，通过现场验证和校正后生成矢量化专题图。最后根据《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017)与流域实地土地利用情况，参考土地利用特征及Landsat-TM影像数据的空间分辨率，确定区分出景观格局类型。NDVI数据选取1990年、2000年、2010年及2017年Terra和Aqua卫星搭载的MODIS传感器数据，分辨率为250m，时间分辨率16天。NDVI表征了植被密度和生长情况,被广泛用作植被覆盖度的替代指标。利用研究区边界裁剪的方式确定了1990年、2000年、2010年及2017年的NDVI数据集。

2.2 Manne-Kendall趋势检验

Manne-Kendall统计检验是非参数检验[8]。依次比较时间序列X1，X2，X3，…，Xn，结果表示为sgn(θ)：

(1)

Manne-Kendall检验计算如下：

(2)

式中：xk、xi为随机变量；n为样本数量。

(3)

式中：当|Zc|≥1.96，|Zc|>2.58时，表示样本序列有明显的趋势变化，显著水平分别为P<0.05和P<0.01；当Zc>0时表示呈上升趋势；当Zc<0时表示呈下降趋势[9]。

2.3 生态需水量估算

和田河两岸的植被生长所需的水分供给主要依靠地下水，天然植被的实际蒸散依靠潜水向上输送供给[10]，在干旱区依靠潜水进行水分补给的植被实际蒸散量近似等于潜水蒸发量[3]。因此，可以通过潜水蒸发量来估算天然植被的需水量。本研究借助潜水蒸发模型和面积定额，分别计算和田河各个河段天然植被的生态需水量。

a.目前潜水蒸发法常用的计算公式为

(4)

式中：E为潜水蒸发强度,mm；E20为20m2蒸发池的水面蒸发量,mm；H为地下水埋深,m；Hmax为地下水极限埋深,m，按5m计算[10]。

b.定额法的计算公式为

(5)

式中：Wp为植被需水保证率；Ai为i类的植被面积；mpi为相应保证率的植被需水定额；n为植被类型数[10]。

3 结果与分析

3.1 和田河流域土地利用/覆被变化特征

和田河流域植被土地利用类型变化情况见图1、表1。由图1和表1可知，2017年和1990年相比，和田河流域耕地和草地面积分别增加了1440.46km2和1529.08km2，增加幅度分别为82.37%和26.41%；林地面积减少了1658.45km2，减少幅度为55.00%；水域面积较1990年基本持平，下降幅度仅0.21%；建筑用地变化明显，呈现不断增加的变化趋势，1990—2016年间由182.21km2增加至282.74km2，增加幅度为55.17%。根据以上结果可知，整个和田河流域土地利用变化呈现出耕地与建筑用地面积有所增加的趋势，主要原因是人口增加以及人类活动加剧，对耕地以及建筑用地的需求量增加，人为因素的干扰逐渐加剧。2010—2017年间未利用地面积明显减少，同时草地面积也有所增加，这表明了在这一时期内和田河流域天然植被有所恢复，对和田河流域的综合治理已见成效。

图1 和田河流域植被类型空间分布

表1 和田河流域土地利用面积与变化幅度统计

3.2 和田河流域植被覆被时空变化特征

基于2000—2018年和田河上中游植被覆盖度空间分布数据，分别绘制2000—2010年和2011—2018年植被覆盖度的变化趋势曲线(见图2)以及对应的植被覆盖变化趋势空间分布图(见图3)。由图2可知，从2000—2018年整个时间序列来看，和田河中上游植被覆盖度整体呈上升趋势，其中，2000—2010年呈显著增加趋势，2011—2018年呈不显著增加趋势。相比2000—2010年，2011—2018年和田河中上游平均植被覆盖度增加了33.17%，有56.57%和43.03%区域呈非显著增加趋势。此外，2000—2010年和2011—2018年分别有9.83%和42.38%的区域植被覆盖度呈非显著降低趋势。和田河上中游植被覆盖变化趋势见表2。由表2可知，2000—2018年整体有12.54%的面积呈显著增加趋势，2.18%的区域呈显著降低趋势。

图2 和田河上中游植被覆盖度变化趋势

图3 和田河上中游植被覆盖变化趋势空间分布

表2 和田河上中游植被覆盖变化趋势

基于2000—2018年和田河下游植被覆盖度空间分布数据，分别绘制2000—2010年和2011—2018年植被覆盖度的变化趋势曲线(见图4)以及对应的植被覆盖变化趋势空间分布图(见图5)。和田河下游植被覆盖变化趋势类型面积及比例见表3，由表3可得，2000—2010年和田河下游植被覆盖呈非显著增加趋势，2011—2018年呈非显著增加趋势。2011—2018年和田河下游平均植被覆盖度和2000—2010年相比增加了36.12 %(见图4)，并且2个时段大部分区域呈非显著增加趋势，所占比例分别为60.18%和54.23%。此外，2000—2018年和田河下游有32.04%的区域植被覆盖度呈非显著增加趋势，有52.90%的区域呈显著增加趋势。

图4 和田河下游2000—2010年及2011—2018年植被覆盖度变化趋势

图5 和田河下游2000—2018年植被覆盖变化趋势空间分布

表3 和田河下游植被覆盖变化趋势类型面积及比例

3.3 基于生态廊道保护的生态需水量

本研究结合和田河流域实际生态环境状况，根据环保部在2017年印发的《生态保护红线划定指南》，将人工绿洲外围的生态廊道划分为重点生态功能区。而以分布于近河道两侧的荒漠河岸林为基础的生态廊道，对于维系河流自身生态健康，保障河流水文周期的完整性具有重要作用，但易受环境要素的影响，部分流域植被整体较为稀疏且易发生生态退化，因此被划分为生态敏感区，具体空间分布见表4。和田河流域生态廊道面积为4968.87km2，其中重点生态功能区(喀拉喀什河与玉龙喀什河渠首至阔什拉什)保护面积为3293.09km2，生态敏感区(阔什拉什至肖塔)保护面积为1675.78km2。

表4 和田河流域天然植被保护范围与目标

和田河中下游绿色廊道自然体系的主要构成是荒漠河岸林，建群种为灰杨、胡杨、柽柳等。重点生态功能区为喀拉喀什河渠首及玉龙喀什河渠首至阔什拉什河段河岸林草区，河长分别约为120km、100km；生态敏感区为和田河干流阔什拉什至肖塔河段林草区，河长约为319km。重点生态功能区和生态敏感区生态需水量见表5。由表5可知，和田河天然植被生态需水总量为8.85亿m3。其中，喀河及玉河重点生态功能区生态需水量分别为2.6亿m3和2.5亿m3，共计5.1亿m3；生态敏感区生态需水总量为3.75亿m3。

表5 和田河重点生态功能区和生态敏感区生态需水量 单位：亿m3

4 讨 论

4.1 和田河流域主要生态环境问题

a.绿洲外荒漠化严重。根据测算，近30年来和田河流域农田沙漠化面积超过200km2，由于流沙以及人类活动导致的沙化土地面积达300km2[11]。自20世纪60年代以来沙地面积不断增加，由10000.2km2增长到10650.6km2，到2005年沙地面积超过了10700.0km2，主要是由草地和水域转变为沙地[12]。由于人为砍伐和开采使天然林面积减少了36.0%，土地盐渍化严重，盐渍化土地占总土地面积的37.3%，沙化面积占土地面积的52.0%[13]。

b.平原区土壤冲蚀严重。和田河流域位于塔克拉玛干沙漠主风向的下风向，属于新疆极干旱区，土壤质地疏松，多以砂壤土为主[14]。和田河的两条支流汇合后进入平原区，平原区地势平坦、土质疏松，水蚀严重，因此在汛期来临时易发生泥石流灾害[15]。一方面河水进入平原区之后，河水流速减慢，在河道内由于流速减缓极易形成淤积；另一方面，在洪峰来临时由于河道淤积，容易发生洪水漫溢现象，会摧毁大面积的农田，造成巨大损失。

4.2 和田河流域生态廊道的保护措施及建议

针对和田河流域的生态环境现状与存在的主要生态环境问题，除了纳入重点生态工程的流域荒漠河岸林生态保育修复工程外，建议重点采取流域水土保持生态修复治理措施以及下游荒漠河岸林保育恢复措施等。另外，基于和田河流域生态廊道保护，提出了如下措施与建议：

a.坚决实行最严格的水资源管理制度，坚持以水定地、以水定发展原则，严格按照《新疆用水总量控制方案》实施退地减水，确保按计划实现退地减水目标。坚持“人水和谐”理念[16]，完善河段生态用水考核(以生态闸引水等为主)，明确各断面水量及河段生态用水分河段考核工作实施方案。

b.实施流域水量的科学与统一调度。通过实施流域水量的科学、统一调度，可以促进流域与区域相结合的水资源综合管理体制的建立和完善，可使生态环境用水得到基本保证，促进水资源的可持续利用。有利于维护各方的水权，提高用水单位以及用水户的节水意识。

c.健全生态水保障法律法规体系，建立生态补偿管理体制。通过生态水量占用补偿机制，充分发挥生态资本价值的杠杆调节作用，强化流域内节约用水意识，以保障河流生态基流。

5 结 语

本研究基于遥感影像数据以及Manne-Kendall检验，分析了和田河流域的土地利用以及植被覆盖的时空变化特征。结果表明，和田河流域林地面积呈减少趋势，林地退化严重，耕地以及建筑用地面积不断增加；和田河流域植被覆盖度整体呈上升趋势。另外，根据生态廊道重点生态功能区和生态敏感区的保护目标和保护范围，确定了生态需水量。本研究结果有利于塔里木河流域综合治理，为塔里木河流域的生态文明建设与社会经济可持续发展提供了理 论依据。