生态水利工程对塔里木河荒漠河岸林植被的水文响应研究

祖力呼玛尔·艾再孜

(新疆维吾尔自治区水文局水文实验站，新疆 乌鲁木齐 830049)

干旱区绿洲荒漠生态系统的生态安全和稳定是维系其可持续发展的基础，荒漠河岸林生态系统是干旱区内陆河流域绿洲。水是维系干旱区内陆河流域生态系统结构完整和功能完善最为重要的生境因子，在与干旱区河流水文变化过程的长期适应过程中，荒漠河岸林植被繁育更新、群落演替及分布格局与河流水系变迁形成了不可分割的密切关系[1]。因此，荒漠河岸林对水文过程的响应机制成为干旱区生态保护中面临的最基础科学问题从而吸引了诸多学者的广泛关注和持续追踪研究。

在干旱区，生态水利工程通过改变河流的水文过程(如河水漫溢和地下水埋深变化)来影响植被的生长。然而如何借助生态水利工程，提出河水漫溢和地下水位的优化联合调控方案以实现生态供水与植被生长需水的过程耦合选取何种指标能够指示植物生长对水文变化(即漫溢和地下水位)的响应过程，以往的相关研究成果较少。基于此，本研究选取TINDVI(累计归一化植被指数)利用河段耗水量、生态闸引水量、地下水埋深等数据，研究了植被生长与河道耗水量、漫溢量(即生态闸放水量)、地下水埋深之间的关联性。研究成果不仅为干旱区生态水利工程的布设和运行提供理论依据，也可为促进荒漠河岸林的生态保护和恢复提供科学指导。

1 研究区域

塔里木河流域位于中国西北干旱内陆盆地，包括塔里木盆地的九大水系和塔里木河干流、塔克拉玛干沙漠及东部荒漠三大区(如图1所示)。塔里木河干流河长为1 321 km(阿拉尔至台特玛湖)，是中国最长的内陆河，流域面积达到1．76×104km2。地形为西高东低、北高南低，由于受北部天山褶皱抬升以及南部冲积物和沙丘的阻隔，塔里木河河流具有游荡性[2]。在历史上，受水量变化及河道本身运行规律的影响，塔里木河主河道自身多次南北摆动，至20世纪40年代形成了现代塔里木河河道。台特玛湖位于新疆维吾尔自治区塔里木盆地东南部、若羌县北部，是塔里木河和车尔臣河(且末河)的尾闾，是若羌县最重要的生态屏障之一。

图1 研究区概况及取样点分布图

2 研究方法

2.1 数据来源及样品采集

1)遥感数据收集及预处理：根据2016年干流土地利用/覆被数据剔除了非天然植被区(耕地、水域等)数据，之后进行栅格化、转换、镶嵌、投影转换等处理。

2)收集的水文数据主要包含：(1)断面径流数据：1957-2017年阿克苏河、叶尔羌河、和田河和干流塔里木河的逐月地表径流量，1957-2018年塔里木河干流阿拉尔、新渠满、英巴扎、乌斯曼、阿其克及恰拉各断面的逐月径流数据；(2)引水数据：2006-2017年(2006年以后开始有实测资料)源流区的实测引水量、回流水量，2000-2018年塔里木河干流上中游各生态闸及农业闸逐月引水和生态分洪数据；(3)地下水数据：2006-2019年塔里木河干流上游阿拉尔、新渠满，中游英巴扎、沙吉力克、乌斯曼、沙子河口、阿其克及恰拉，下游英苏、喀尔达依、依干不及麻、阿拉干及考干地下水监测断面的逐月地下水埋深数据。

2.2 研究方法

2.2.1 水量平衡过程

基于塔里木河源流区耗水及与干流联系，其源流区与干流区存在如下水量平衡：

W干流=W源流-W引水-W河损+W退水

(1)

式中：W干流为干流来水量，W源流、W引水、W河损及W退水分别为源流来水量、引水量(主要为国民经济引水)、河损水量(包含河道水量蒸发、下渗及漫溢跑水)及退水量(为农业退水水量)，单位均为108m3。

对于干流而言，存在如下水量平衡过程：

W干流=W国家经济+W生态+W河损

(2)

W河损=W蒸发+W渗漏+W满溢

(3)

式中：W国家经济、W生态及W河损分别为国家经济引水量、生态引水量和河道损失水量，其中生态引水量包括通过生态闸和农业闸引出用于补给天然植被的总水量(农业闸具有生态分洪的作用)，单位均为108m3。

2.2.2 Mann-Kendall趋势检验

Mann-Kendall趋势检验主要用于分析植被覆盖度的时空变化，基于单一栅格数据，首先，对时间序列(X1，X2，X3，L，Xn)依次比较，结果记为sgn(θ)：

(4)

用如下公式计算出Mann-Kendall统计值：

(5)

式中：xk、xi为要进行检验的随机变量，n为所选数据序列的长度。

则与此相关的检验统计量为：

(6)

当统计量Zc为正值，说明序列有上升趋势；Zc为负值，则表示有下降趋势。

3 结果分析

3.1 塔里木河流域水量转换及对植被覆盖的影响

3.1.1 塔里木河流域水量转换规律

本研究选取在塔里木河流域实施统一管理前后(2011年)进行对比分析。在源流区，基于保护和恢复干流河流生态系统的需要，向干流下泄水量的保障程度在统一管理实施后不断提高(图2)。

图2 源流各用水项占源流来水量的比例以及源流、干流径流量的距平百分比

在统一管理实施的2011年，源流径流量的距平百分比(即径流量与其多年平均值的差值占多年平均值的百分比)为-4.1%，干流径流量的距平百分比为12.6%；而在2008年源流径流量的距平百分比为-1.8%，干流径流量的距平百分比为-37.5%。在不同时段(表1)，统一管理实施前(2006-2010年)，源流流入干流的径流量占源流径流量的18.0%，而实施后(2011-2017年)增加到22.3%。源流区的河道损耗(包括河道渗漏、水面蒸发和漫溢三项)主要用于补给两侧天然植被系统的生态需水量(河道水面蒸发仅占河损量的1.1%)。在统一管理实施前后，源流区河道损耗平均增加了6.8%(表1)。综合以上分析，在统一管理实施前后，塔里木河源流区补给河流两岸天然植被系统生态用水的河损量和干流径流量呈现增加。

表1 统一管理前后塔里木河源流区水量变化特点

图3 塔里木河各耗水项的距平百分比(A)和生态与国民经济用水的占比(B)

在塔里木河干流(图3A)，来水量的距平百分比在2006-2010年主要为负值，而在2011-2017年，仅在2014年的流域特枯年份出现负值，从而为干流天然植被生态保护提供了重要水源。从生态供水(即渗漏量与生态闸引水量)和国民经济供水过程分析(图3B)，在丰水年塔里木河国民经济引水的占比低于枯水年，而生态供水的占比高于枯水年。例如2010年和2017年(丰水年)，生态供水的占比分别为86.3%和86.5%，而在2009和2014年(枯水年)，生态供水的占比下降至75.2%和64.8%。这是由于在枯水年，首要保障塔里木河的国民经济刚性用水(即生产和生活用水)需求，而该区天然植被在生态需水亏缺3 a后才会出现明显退化(即天然植被对生态水的需求存在弹性空间)，因此在枯水年可适当减少生态供水量。对于生态供水方式，枯水年主要依靠河道渗漏补给地下水供给植被蒸腾耗散(如在2009年，渗漏水和生态闸引水量分别占50.6%和24.6%)；而在丰水年，河流地下水在被大量补给的同时，主要通过生态闸引水漫溢补给生态水(如在2017年，渗漏水和生态闸引水量分别占20.1%和66.4%) (图3B)。

3.1.2 塔里木河水量转换对植被盖度的影响

根据Mann-Kendall趋势检验，2000-2017年，塔里木河干流天然植被覆盖度的平均值呈显著的增加趋势。根据塔里木河天然植被覆盖度变化趋势的空间分析得到65.4%面积的天然植被覆盖度呈增加趋势，其中33.7%面积的天然植被覆盖度呈显著的增加趋势，主要分布在距离河道较近、水分条件较好的区域。此外，14.3%面积的天然植被覆盖度呈显著的下降趋势，主要分布在距离河道较远、水分条件较差的区域。

3.2 水文变化对荒漠河岸植被生长的影响

在2000年修建了生态水利工程(生态输水堤防和生态闸)以后，塔里木河中游河段的水文过程发生了明显变化。从河段耗水量占上断面来水量的比例来看(即耗水量占比)，在生态水利工程修建前(图4A)，耗水量占比以1.12%的速率呈显著的增加趋势；具体在年际变化上，耗水量占比分别为33.6%、39.4%、51．O%和66．0%；与耗水量占比相似，耗水量也呈现增加趋势但不显著(图4C)。在生态水利工程修建后(图4B和4D)，虽然耗水量表现为不显著的增加趋势，而耗水量占比却以-0.37%的速率呈不显著的减少趋势。在2001-2009和2010-2016年两个时段，耗水量占比从53.0%减小至49.1%。以上分析表明，生态水利工程修建以后(图4)，塔里木河中游河段生态输水效率得到提高(即耗水量占比减小)，耗水量出现减少(比生态水利工程修建前平均减少了12．4%)，从而保证了一定的水量流入下游以挽救濒临崩溃的下游生态系统。此外，根据中游河段耗水量的年内占比来看，7-9月耗水量占年耗水量的81.1%～86.5%，为主要耗水时段。尤其在8月份，耗水量占年耗水量的49.0%～51.1%。

从生态闸放水量和地下水埋深的逐月变化来看(图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，呈逐步下降趋势。结合耗水量变化过程可知(图5B)，2006-2009年年耗水量减少了87.4%。但在2010-2013年，塔里木河干流进入丰水年，平均年耗水量比2009年增加了12.9倍。由于持续、大量的水量补给地下水，2010-2013年地下水埋深恢复至2．09 m，抬升了2．34 m。2014年塔里木河干流处于枯水年，年耗水量比2013年减少了78.4%；相应地下水埋深下降了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，生态闸主要集中在地下水埋深较低的8月份开始大剂量放水；同时耗水量与生态闸放水峰值的出现时段保持了一致性(图5)。

图4 河段耗水量占比的变化特点

图5 中游生态闸放水量、地下水埋深(A)以及年耗水量和逐月耗水量(B)

4 结语

本文科学量化了生态水利工程对荒漠河岸林植被生长的影响，生态水利工程修建后，塔里木河的生态供水量等呈明显的增加趋势。塔里木河河道耗水量和生态闸放水量的峰值与地下水埋深的谷值存在一致性，生态闸放水有效促进地下水埋深的抬升。生态水利工程促进了植物生长需水与供水[3](即生态闸放水和地下水埋深变化)的过程耦合，提高了植物生长对水资源的利用效率。为相关科学研究提供一定的研究参考。