西北内陆流域下游区天然绿洲退变主因与机制

张光辉，聂振龙,2，崔浩浩,2，王 茜,2，严明疆，田言亮,2，王金哲

（1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061；2.自然资源部地下水科学与工程重点实验室, 河北 石家庄 050061）

自20世纪80年代初以来，我国西北内陆许多流域下游区自然湿地和天然植被分布范围（简称“天然绿洲”，下同）不断萎缩，自然生态环境严重退化[1-6]。为了修复和保护生态环境，亟需研究影响该地区生态环境的主要因素与作用机制[1，5，7-12]。在西北内陆流域下游区，降水稀少、蒸发强烈，天然绿洲生态对地下水生态功能具有强烈的依赖性[8-21]。因此，本研究对西北内陆流域天然绿洲退化修复与生态保护具有重要意义。

有关西北内陆区天然绿洲退化问题研究较多[2-4,7-14,22-28]，但基于天然绿洲与灌溉耕地规模之间互动关系，以及依据流域水循环演变及水资源承载力探讨干旱区天然绿洲退变主因与机制研究较少[2，23]。本文依托国家重点研发计划项目“我国西部特殊地貌区地下水开发利用与生态功能保护”（2017—2021）的资料和研究基础，以典型流域为研究区，开展相关研究。

1 研究区概况

研究区为极度干旱的艾丁湖流域和干旱半干旱的石羊河流域，具有西北内陆主要流域的共性特点。西北内陆区多为内流盆地，包括甘肃河西走廊、新疆准噶尔盆地、塔里木盆地和青海柴达木盆地，这些盆地周围矗立着如天山、祁连山和阿尔金山等高大山系，造成盆地内年降水量仅50～200 mm、年蒸发量高达2 000～3 500 mm。高大山系拦截了大气流中水汽，导致上游山区年降水量达400～600 mm，由此形成自上游山区至下游平原（盆地）的半湿润、半干旱至干旱的明显干湿分带性，下游区自然生态环境极为脆弱，主要依赖上、中游区下泄地表径流水量；在上、下游之间的中游区是灌溉耕地（人工绿洲）、人口和经济社会主要聚集区域，该区生活、生产用水规模对下游区生态水源影响占主导地位，由此下游区天然绿洲生态对当地地下水生态功能（水位埋深）形成强烈依赖性。

艾丁湖流域位于新疆维吾尔自治区东部的吐鲁番盆地，流域面积5.30×104km2，平原区是夏季全国最热地区，年内最高气温49 °C 以上，日照达3 000 h，年降水量不足30 mm，本区为世界最大范围的野生阔叶骆驼刺生长地。该流域年均天然水资源量为11.1×108m3、地下水资源量为5.4×108m3，年总用水量曾达14.8×108m3，其中地下水年开采量达9.7×108m3，年灌溉用水量占年总用水量的92.3%（表1）。

表1 研究区自然环境与耕地和水资源开发利用概况Table 1 Overview of natural environment and utilization of cultivated land and water resources in the study area

石羊河流域位于甘肃省河西走廊的东部、祁连山北麓，流域平原区面积为4.16×104km2，下游民勤盆地年降水量不足150 mm。该流域年均天然水资源量为16.6×108m3、年均地下水资源量为6.9×108m3，年总用水量曾达27.9×108m3，其中地下水年开采量达13.8×108m3，年灌溉用水量占年总用水量的87.2%（表1）。

2 个流域的下游区都分布有重要自然湿地，分别为艾丁湖湿地和青土湖湿地。在20世纪60年代之前，2 个湿地的水域面积都显著大于目前水域面积（表1），并且流域下游平原大部分区域的潜水位埋深小于5 m，一些区域土壤盐渍化严重。目前，2 个流域平原大部分区域的潜水位埋深大于15 m，远大于旱区天然植被绿洲适宜生态水位（埋深2～5 m）的深度。

2 数据与方法

本次研究数据是基于国家重点研发计划项目（2017YFC0406100）的相关资料，包括灌溉耕地面积、出山地表径流量及灌溉引用水量、地下水开采量和流入下游区地表径流量调查统计、潜水埋深及包气带水理指标原位监测和地下水水位统测，以及植被类型、分布范围、覆盖度和NDVI 指数等遥感解译获得的数据及资料。其中，生态数据是基于样方调查、监测和高分辨遥感解译获得，原始数据源为Landsat MSS/TM/ETM/OLI 数据，GF1/2、Google Earth 数据作为补充。本次研究的生态数据是采用1970年以来逐年5—10月遥感数据进行辐射校正、正射校正、图像增强处理和数据融合等多层次筛选，辅以GIS 技术和表面能量平衡模型处理得到的（表2）。

表2 遥感解译研究区地表生态基本分类特征Table 2 Basic characteristics of ecological remote sensing interpretation content classification in the study area

本研究主要应用流域水循环和水量均衡理论，采用时间序列分析法和地学多元相关分析方法，包括湿地水域面积、天然植被绿洲面积与灌溉耕地面积、用水量、开采量、地下水水位埋深和气象因子之间相关性识别。

3 结果与分析

3.1 地下水开发利用与天然绿洲退变情势

自20世纪60年代石羊河流域开始大规模开采地下水以来，随着中游区水资源开发利用规模不断扩大，该流域中、下游平原区地下水水位不断下降，导致山前溢出带泉水流量不断衰减，造成引泉水灌区被迫不断增加开采井和开采水量，以弥补灌溉水源不足。该流域地下水开采量由1965年的1.39×108m3，增大到1977年的6.76×108m3，至21世纪初期达13.83×108m3/a，中、下游区地下水水位年均降幅曾达1.20 m 以上。中游武威盆地的金羊、清源、环河和吴家井灌区10%～30%的固沙植被枯亡，下游区天然生长的胡杨林成片死亡，青土湖湿地水域多次干涸。重度沙化面积由329.4 km2增至419.4 km2，中度沙化面积增大1 121.5 km2。

在艾丁湖流域，20世纪50年代前人口数量不足30 万，灌溉耕地面积不足270 km2，灌溉用水量为4×108m3/a，当时艾丁湖湿地的水域面积尚存150 km2以上。20世纪60年代该流域人口数量突破30 万，灌溉面积扩大为600 km2以上，地表水引水量明显增大；在1968—1985年期间，该流域人口数量达44.2 万，灌溉面积扩大至660 km2以上，地表水开始无法满足灌溉用水需求，由此成井3 400 多眼，年开采量1.76×108m3。1989年艾丁湖湿地的水域面积缩减至11 km2。1994—2008年期间正值西部大开发政策实施，艾丁湖流域人口数量增至57 万以上，耕地面积大于1 200 km2，地下水开采量由 2.99×108m3/a 激增到 9.0×108m3/a 以上，取水深度由60～80 m 延深至120～150 m，由此该流域平原全区地下水水位的年均降幅达0.64 m。天然绿洲区潜水位埋深明显大于适宜生态水位深度，造成该流域拥有的疏叶骆驼刺生长范围由20世纪80年代的1 467 km2减至目前的1 068 km2，2010年前后艾丁湖湿地频繁干涸。

综合研究表明，西北内陆流域下游区天然绿洲生态情势对地下水生态功能（水位埋深）具有强烈依赖性。根据1970年以来研究区天然绿洲类型和范围逐月遥感解译、2017—2021年期间的每年6—8月该区生态样方调查和监测数据，建立6—8月期间NDVI值、植被覆盖度和物种数量和地下水生态功能维系天然植被能力与潜水位埋深之间的关系，见表3 和图1。研究表明，在潜水位埋深长期大于极限生态水位（深度）条件下，自然湿地和天然植被绿洲生态逐渐退化：①在水位埋深5～7 m 条件下，对地下水埋深依赖性较强的多数草本、灌木和乔木生态状况处于“较差”、甚至凋萎，天然植被的物种数量少于5 种，且生长状态不佳，陆表生态NDVI 指数小于0.25，植被覆盖度低于50%；当潜水水位回升时，上述退化的天然植被生态状态能自行逐步恢复。②在水位埋深7～10 m 条件下，大多数天然植被凋萎死亡，梭梭及白刺等旱生植被零星分布，NDVI 指数小于0.13，植被覆盖度小于35%，物种数量小于3；当潜水水位恢复至“适宜生态水位”域（埋深2～5 m）之后，天然植被生态恢复需要人工撒种干预，否则，短期难以恢复天然植被生态景观。③当水位埋深大于10 m 时，绝大多数荒漠植被已死亡，NDVI 指数小于0.08，植被覆盖度不大于10%，物种数量小于2，地表多已荒漠化或沙化；在地下水生态功能已发生“灾变”的区域，即使人工撒种，短时期内也难以恢复原有生态[2，29]。④当水位埋深小于2 m时，随着潜水水位不断上升，因土壤盐渍化程度加重，天然植被覆盖度不断降低[8-10]。

表3 西北内陆干旱区地下水生态功能退变程度的识别指标体系Table 3 Identification index of degradation degree of groundwater ecological function in the northwest China inland area

图1 干旱区下游天然植被覆盖度、NDVI 值及地下水维系植被生态能力（A地生）与潜水位埋深之间关系Fig.1 Relationship between natural vegetation coverage, NDVI value, groundwater transmission-supply capacity to surface soil (A地生)and shallow groundwater level depth in the lower reaches of the arid area

3.2 不同干旱区天然绿洲规模退变特征

3.2.1 石羊河流域下游区天然绿洲退变特征

近40 a 来，随着石羊河流域平原区灌溉耕地面积不断扩大，流域下游区天然绿洲面积不断萎缩（图2）。根据遥感解译结果，相对1970年，2019年该流域耕地面积增加1 200 km2，同期天然绿洲面积减少1 850 km2。通过下游区天然绿洲面积与石羊河流域中游区耕地面积、灌溉水量和地下水开采量之间相关关系可见（图3），天然绿洲面积不断减小与该流域中游区耕地面积、灌溉水量和地下水开采量不断增大之间呈显著负相关。其中灌溉水量和地下水开采量不断增大的驱动力是灌溉面积不断扩大。由此表明，灌溉耕地规模扩大是该流域下游区天然绿洲面积不断萎缩的主要驱动因素，因为灌溉耕地面积不断扩大，需要不断增加拦用出山地表径流水量以满足灌溉用水（图4）。

图2 1970年以来石羊河流域平原区耕地面积和天然绿洲面积年际变化特征Fig.2 Variation of the cultivated land area and natural oasis area in the plain area of the Shiyang River Basin since 1970

图3 石羊河流域下游天然绿洲萎缩与中游区农灌面积、水量和地下水开采量之间相关关系Fig.3 Correlation between the shrinkage of the natural oasis area in the lower reaches of the Shiyang River Basin and the agricultural irrigation area, water volume and groundwater exploitation in the middle reaches

图4 石羊河流域上游大规模拦蓄出山地表径流对中、下游区地表径流来水量影响状况Fig.4 Impact of large-scale storage of mountain surface runoff in the upper reaches of the Shiyang River Basin on the inflow of surface runoff in the middle and lower reaches

中游区灌溉用水主要拦引上游出山地表径流水量，石羊河流域90%以上出山径流水量被水库拦蓄，导致自然流入中、下游平原区的地表径流水量趋势性衰减，见图4。该流域中游区灌溉用水不仅长期大量挤占下游区天然绿洲生态水量，还大幅减少了下游区地下水补给水量，致使下游区灌溉用水逐年加大地下水开采量，造成下游区地下水水位埋深不断增大，以及地下水生态功能长期失去维系天然绿洲作用。

20世纪60年代初，石羊河流域下游区潜水位埋深尚处于天然植被“适宜生态水位”（埋深＜5.0 m），但至2019年该区绝大部分区域潜水水位已下降至“极限生态水位”（埋深10 m）之下（图5），地下水生态功能处于“灾变”状态（表3），下游原天然绿洲现已退变为许多成片的荒漠化景观。

图5 1960年和2019年石羊河流域下游区地下水水位埋深分布特征Fig.5 Characteristics of depth of groundwater levels in the lower reaches of the Shiyang River Basin in 1960 and 2019

3.2.2 艾丁湖流域平原区天然绿洲退变特征

1976年，艾丁湖流域平原区天然植被绿洲面积2 110 km2，2010年减少至1 058 km2，原因是上游的人工绿洲区地下水超采程度不断加剧，平原区地下水水位不断下降，同时，流入天然绿洲区的地表径流水量不断减少。自2010年开始治理以来，至2019年艾丁湖流域平原区天然植被绿洲面积由1 058 km2恢复至1 428 km2。

天然绿洲面积与人工绿洲面积之比值（Anf）能表征天然绿洲面积随人工绿洲（农田）规模增减而呈现的趋势性变化特征。当Anf值由小变大时，天然绿洲面积处于不断修复过程；当Anf值由大变小时，天然绿洲面积处于不断萎缩和退化过程。

1976—1990 年期间，艾丁湖流域人工绿洲面积大幅扩大，Anf值由1976年的4.74 减小至1990年的1.78，同期的地下水开采量显著增大，随之天然绿洲面积大幅萎缩；1990—2010年期间，该流域人工绿洲面积小幅增加，Anf值由1990年的1.78 减小至2010年的1.36，同期地下水开采量由不足3×108m3/a 增大至 9×108m3/a 以上，天然绿洲面积进一步萎缩。2010—2015年期间，艾丁湖流域人工绿洲面积小幅减少，Anf值则由2010年的1.36 增大至2015年的1.49，同期地下水开采量明显减少，天然绿洲面积增大；2015—2019年期间，该流域人工绿洲面积显著减少，Anf值则由2015年的1.49 增大至2019年的2.23（图6），同期地下水开采量呈趋势性减少（图7），天然绿洲面积明显增大。

图6 近40 a 来艾丁湖流域天然绿洲与人工绿洲面积比值（Anf）变化过程Fig.6 Change process of the area ratio（Anf）between the natural oasis and artificial oasis in the Aiding Lake Basin in recent 40 years

图7 艾丁湖流域自然湿地水域面积与地下水开采量演变特征Fig.7 Evolution characteristics of water area of the natural wetland and groundwater exploitation in the Aiding Lake Basin

相对1976年，至2019年艾丁湖流域人工绿洲面积增加196 km2，天然绿洲面积减少682 km2，呈现每增加1.0 km2人工绿洲面积，天然绿洲面积减少1.57～3.83 km2的相关特征。2010年为转折点，呈现出人工绿洲面积开始减少、天然绿洲面积呈恢复性扩大的特征。

艾丁湖流域下游区自然湿地的水域面积呈现出类似Anf值演变特征，见图7（b），其中2005—2010年期间该湿地的水域面积进一步萎缩，年均水域面积仅4.2 km2；2010年以来艾丁湖流域实施了退地和高效节水灌溉等治理措施，灌溉用水总量逐年减少，湿地的水域面积呈现波动恢复过程，由2011—2015年的年均2.8 km2恢复至2016—2018年的年均8.4 km2，期间的地下水开采量也呈现逐年减少趋势，见图7（a）。

3.3 旱区天然绿洲退变机制与主导因素

研究区天然绿洲退化与灌溉耕地规模过大、水资源长期大规模超用和地下水严重超采等人类活动密切相关。由于西北内陆独特的地理环境和气候条件，决定了“没有灌溉，就没有农业”。随着灌溉耕地面积不断扩大，西北内陆流域上游出山地表径流水量被上游区水库大规模拦蓄和供给中游区灌溉，有限的天然地表水资源难以满足不断扩大的灌区需用水量，唯有不断加大地下水开采，缓解灌溉水源不足的问题。与此同时，由于出山地表径流水量被大规模拦蓄和直接引入中游灌区，加之农田灌溉利用系数不断提高，致使中、下游平原区地下水补给水量不断减少，诸多因素叠加影响下，中、下游平原区地下水水位不断大幅下降，造成潜水位埋深长期大于天然绿洲的“适宜生态水位”，甚至大于“极限生态水位”深度（10 m），进而引发下游区地下水生态功能严重退变，导致自然湿地干涸、天然植被消亡和土地荒漠化加剧。因此，灌溉耕地面积不断扩大是西北内陆流域下游区天然绿洲退变的主要驱动因素，见图8。

西北内陆流域气候干旱、天然水资源匮乏是根本原因。在有限天然水资源背景下，西北内陆各流域人口数量不断增长，必然促使粮蔬生产所必需的农田规模不断扩大，由此超过当地水资源承载力的人口所必需的用水量只能挤占原属下游区生态水（图8）。李相虎[29]研究认为，石羊河流域多年平均水资源量的适宜承载人口数为30 万人，但凡超过30 万人的历史时期该流域下游区天然绿洲规模都出现不同程度萎缩。目前，该流域人口数量已超过200 万人。

图8 西北内陆流域下游区天然绿洲退变形成与演变机制Fig.8 Evolution mechanism of the natural oasis degeneration in the lower reaches of northwest inland basins

天然水资源匮乏限制着西北内陆各流域人口数量和灌溉耕地规模不宜过大，否则，不仅灌溉用水大规模挤占下游区天然绿洲生态水量，导致天然绿洲面积大幅萎缩，而且，还会出现枯水年灌溉用水没有足够出山地表水供给保障，唯有大规模抽取平原区地下水储存资源，加剧地下水水位下降，导使地下水生态功能较长时期处于灾变状态，以及天然绿洲生态退化进一步加剧。

在西北内陆流域，上游水资源形成区降水丰-平-枯的年际变化直接影响出山地表径流水量的多寡，对灌溉耕地面积扩大挤占下游生态水量的程度具有直接影响。该背景下天然绿洲面积（Soa）与灌溉耕地面积（Sfs）及人口数量（Np）和上游区年均降水量（P）的关系为：

式中：Sn—没有灌溉耕地背景下研究区天然绿洲面积/km2；

ωPR—研究区年均降水量与人口数量耦合对灌溉耕地面积扩大导致天然绿洲面积减少的影响系数。

由式（1）可见，西北内陆流域平原区灌溉耕地面积不断扩大，主导下游区天然绿洲退化的程度，与气候干旱程度和人口数量多少相关：上游区年降水量越小、流域人均天然水资源量越少， ωPR值越大，即每增加1.0 km2的灌溉耕地面积导致天然绿洲减少面积越大，见表4 和图9（a）。在流域年降水量较大的石羊河流域平原区，每增加1.0 km2灌溉耕地，天然绿洲面积减少1.35～2.07 km2，其中降水偏丰水期的ωPR趋于1.35、偏枯水期的 ωPR值趋于2.07，见图9（b）；在年降水量不足30 mm 的艾丁湖流域平原区，每增加1.0 km2灌溉耕地，天然绿洲面积减少1.57～3.83 km2，其中上游区降水偏丰水期的 ωPR值趋于1.57、偏枯水期的ωPR值趋于3.83。因为气候越干旱、上游年降水量越小，出山地表径流水量越少，由此增加单位面积灌溉耕地用水挤占生态水量的比率越高。年降水量较大的石羊河流域耕地的年灌溉水量为64.5×104～77.4×104m3/km2，极度干旱的艾丁湖流域平原区年灌溉水量为102.0×104～118.2×104m3/km2，是石羊河流域单位面积灌溉用水定额的1.55 倍。因此，艾丁湖流域的ωPR值明显大于石羊河流域的 ωPR值，见表4 和图9（a）。

图9 西北内陆典型流域平原区天然绿洲面积与耕地面积之间相关性特征Fig.9 Relationship between the natural oasis area and cultivated land area in the typical inland plain areas of northwest China

表4 不同干旱程度下西北内陆典型流域平原区天然绿洲随灌溉耕地面积增减的变化幅度Table 4 Variation range of the natural oases in the plain areas of the typical inland basins in northwest China with the increase or decrease of the irrigated farmland under different drought degrees

4 结论

（1）灌溉耕地面积不断扩大是西北内陆流域下游区天然绿洲萎缩的主要驱动因素，通过大规模拦用上游出山地表径流水量，挤占下游区天然绿洲生态水量和地下水补给水量，加剧下游区地下水生态功能退变和天然绿洲退化情势。

（2）近50 a 来不断增加的人口数量和干旱的气候是驱动西北内陆流域灌溉耕地影响下游区天然绿洲萎缩的不可忽视因素。灌溉耕地增加，上游区年降水量和出山地表径流量越少，天然绿洲减少的面积越大。每增加1.0 km2灌溉耕地，丰水年石羊河流域下游、艾丁湖流域平原区的天然绿洲减少面积分别为1.35，1.57 km2；枯水年2 个流域天然绿洲减少面积分别为2.07，3.83 km2。

（3）西北内陆流域下游区天然绿洲退化可控、但具有限性。在水资源匮乏和现状人口数量背景下，继续大幅调减粮蔬生产所必需的用水规模具有较大难控性，只能分阶段、有序促进经济社会用水规模与天然绿洲修复供水规模之间和谐度并使其逐渐提高，且天然绿洲修复规模应以必需、极小需水量为规划基点，逐步实现生态文明与安全优先的建设目标。