孔雀河流域胡杨林区生态输水效益评估

何玉春，魏光辉

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 库尔勒 841000)

0 前言

孔雀河流域生长了大量的胡杨林，联合国粮农组织(FAO)林木基因资源专家组于1993年6月召开的例会上，确定了全世界最急需优先保护的林木基因资源，其中胡杨是干旱和半干旱地区保护的重点。新疆塔里木河流域的天然胡杨林分别占世界和中国胡杨林总面积的54%和89%，是世界上数量最多、分布面积最广的天然胡杨林资源基因库。然而近几十年来的绿洲扩张和水资源过度利用，天然胡杨林生境破碎、林地面积萎缩、生态功能退化，这不仅影响到新疆经济发展与社会稳定，更危及我国乃至世界生态安全，引起政府部门及国内外学者高度关注[1-3]。

近年来，当地政府持续加强生态保护力度，启动塔里木河流域胡杨林生态保护专项行动[4-5]，但由于资金投入有限，工程较为分散，且配套引水设施缺少，近河区胡杨林得到了有效的恢复，而离河道较远区域胡杨林仍存在退化趋势加重，甚至成片衰败的现象。为全面、科学、准确地评估孔雀河流域生态输水效益，本文综合数据收集、实地调查和遥感监测等结果，从输水过程和淹灌效率、地下水和土壤水响应、植被生长与群落结构变化及生态环境质量的时空格局4个方面开展了孔雀河流域生态输水效益评估，并有针对性地提出了生态输水的对策建议。

1 研究方法

1.1 野外调查

孔雀河中下游胡杨林属于长时间输水(3～6 a)的胡杨林退化区，调查内容主要包括胡杨林生长状况及物种多样性等(见表1)。

表1 生态输水区类别与野外调查内容

1.2 遥感数据收集处理

收集生态输水前后的多源多尺度高频次遥感数据，包括Sentinel-1微波数据、Landsat-TM光学影像数据、Modis-EVI植被指数数据、Modis-LST地表温度数据、GEWEX-SRB地表辐射数据、CMORPH降水数据、AMSR-E辐射计数据、GRACE重力卫星数据等，数据周期介于5～16 d，分辨率5～250 m，数据总量达到20 GB以上。经数据处理，获取输水区内淹灌范围、淹灌持续时间、地下水储量、土壤水、植被覆盖度、蒸散发、生态环境综合质量指数(RSEI)等结果[6]。

1.3 生态输水效益评价指标体系

为科学全面地评价2021年生态输水取得的效益，从输水过程和淹灌效率、地下水和土壤水响应、植被生长与群落结构变化及生态环境质量的时空格局4个方面，构建了生态输水效益的评价指标体系(见表2)。

2 生态输水效益评估

2.1 生态输水与淹灌效果

(1)生态输水完成度。计划通过孔雀河第一分水枢纽向孔雀河中下游生态输水2亿 m3，实际输水2.04亿 m3，完成度达到102%，生态输水超额完成。

(2)淹灌面积。孔雀河胡杨林输水区主要在河道内部输水，胡杨林淹灌范围受限。借助Google GEE 遥感大数据平台，获取Sentinel-1号卫星的微波数据(重访周期为6 d，分辨率5～20 m)及多源光学遥感时间序列数据共23期，计算孔雀河胡杨林输水区水体指数并提取水面面积，并对23期开都-孔雀河淹灌面积图层进行叠加，获得生态输水的最大淹灌面积，进一步做1km缓冲区分析，获得输水区生态输水的影响范围。根据空间统计结果，生态输水的最大淹灌面积和影响面积分别为4.97万亩和9.23万亩。

表2 生态输水效益的评价指标体系

(3)淹灌持续时间。利用23期孔雀河流域输水区遥感影像数据，通过人工解译，提取淹灌水面不同持续时间的空间分布。根据空间分析结果(见表3)，淹灌时长0～7 d的区域，达0.96万亩，占比19.25%；淹灌时长8～14 d的区域，达0.90万亩，占比18.19%；淹灌时长15～21 d的区域，达0.86万亩，占比17.31%；淹灌时长22～28 d的区域，达0.62万亩，占比12.43%；淹灌时长29～35 d的区域，达0.71万亩，占比14.27%；淹灌时长36～42 d的区域，达0.36万亩，占比7.25%；淹灌时长43～49 d的区域，达0.16万亩，占比3.17%；淹灌时长50 d以上的区域，达0.40万亩，占比8.13%。

表3 孔雀河胡杨林淹灌时长及空间分异

2.2 地下水和土壤水响应

(1)地下水储量。2015-2021年孔雀河输水区地下水储量变化量总体呈增加趋势。输水前(2015年)孔雀河输水区南部地区地下水储量年均减小量在30 mm左右；输水后(2016-2021年)仅2016年存在地下水储量减少的情况，减小值介于0～20 mm之间。2017-2021年地下水储量以增加趋势为主，其中，2017年孔雀河输水区地下水储量总体以增加60～80 mm的变化为主；2018年和2019年输水区东地下水储量增加量以70～100 mm为主，2020年地下水储量增加值在89～142 mm；特别地，2021年流域地下水储量增加量均大于105 mm。

(2)土壤含水量。2015-2021年之间，孔雀河输水区输水后干旱程度明显减弱。输水区特旱区(TVDI>0.9)的面积占比随着生态输水水量的增加而逐步减少，2015-2021年之间，特旱区(TVDI>0.9)面积占比由51.5%减少至22.2%，重旱区(0.750.9)向重旱区(0.75

2.3 植被覆盖度

2015-2021年的植被生长旺盛期，孔雀河下游植被覆盖整体呈现明显的上升趋势，孔雀河生态输水虽未形成大范围淹灌，但生态输水显著抬升了地下水埋深，从而使得植被长势明显好转(图1)。其中，7-9月植被覆盖度均值增长率为29.7%而10月植被覆盖度增长率达到了48.9%。综上，2015-2021年，孔雀河输水区植被覆盖度呈上升趋势，表明生态输水实施以后，孔雀河输水区植被生长趋势明显好转。

图1 2015-2021年输水区月最大植被覆盖度变化

2.4 生态环境质量(RSEI)

孔雀河胡杨林输水区生态质量状况以差[0-0.25]等级为主(见表4)，面积为3.06万亩，占输水区总面积的61.57%，而生态质量状况等级为中的区域面积为1.579万亩，占比31.78%。通过对比2016年和2021年孔雀河输水区胡杨林生态环境质量变化，输水后开都-孔雀河生态环境质量得到轻度改善。RSEI均值从0.16增加至0.18，提升达12.50%。生态质量状况等级为差的区域，从3.77万亩减少至3.06万亩，减少比例为18.83%，而生态质量状况等级为中的区域增加0.68万亩，增幅为75.05%。总体看，孔雀河中下游胡杨林输水区生态质量状况等级为差的区域逐渐转化为优、良、中区域，生态输水后的生态环境质量同样呈现变好的趋势，但由于河水淹灌是促进胡杨林恢复的重要水文过程，孔雀河输水束缚于河道内使得生态输水的效益严重受限。

3 存在问题

(1)缺少生态输水监测与效益评估体系。孔雀河中下游生态输水虽然已经历经6 a，但是并没有建立长期、稳定和系统的生态监测体系，由于道路交通、经费投入和监测技术等原因，至今仍未开展系统的实地监测。孔雀河生态输水仍是以完成生态输水计划量为主要目标，胡杨林个体生长状态及群落物种多样性水平等生态指标被忽视，从而导致难以形成全面的评价反馈，给今后生态输水方案的制定带来困扰。

(2)区域退化严重，当前采取的输水方式难以有效地促进胡杨林生态恢复。近20 a，孔雀河中下游植被退化十分严重，但当前生态输水影响范围受限，很难完全逆转退化趋势。根据孔雀河下游覆盖度的空间趋势分析结果(见表5)，其超过60万亩的天然植被呈退化趋势，其中严重退化区超过15万亩，而当前生态输水影响范围仅为9.23万亩。若以胡杨林生态修复水量定额计算，2021年理论淹灌面积应为45.22万亩，实际淹灌面积仅为理论淹灌面积的20.4%。究其原因，生态输水的方式限制了胡杨林生态恢复面积的扩大。目前，孔雀河生态输水后，径流主要在河道内行径耗散，河道及汊流入渗补给抬升地下水水位来改善胡杨林生境状况，因此，使得近河道区域的胡杨林生境有效改善，但是远河道的胡杨林并未因此明显受益。

表4 2016-2021年开孔河胡杨林输水区生态质量变化统计表

表5 孔雀河下游2000-2010年及2011-2018年植被覆盖变化趋势类型比例

(3)生态输水目标不明确，未形成“孔雀河中下游-塔里木河下游”的生态安全保障体系。十九大报告指出，要优化生态安全屏障体系，提升生态系统质量和稳定性。2021年10月，水利部党组书记、部长李国英在视察塔河流域工作时指出，要回答建设怎样的塔河生态系统，统筹生态安全屏障体系面积、结构和质量的关系。目前，孔雀河生态输水虽有效地改善了胡杨林生境条件(地下水抬升和土壤湿润化)，促进了局部区域生态环境质量的改善，但是孔雀河输水具体目标并未明确，即并未统筹指出以恢复一定范围的植被构建完整的生态安全保障体系的完整目标，孔雀河生态输水的目标区域和截止点也不得而知。

4 对策与建议

(1)加快实施塔里木河下游水系连通工程，提升区域整体生态功能。孔雀河在历史上与塔里木河是自然连通、可以互为补给的，具有河-河连通的自然条件。自2015年以来，由于来水偏丰，应充分利用丰水年的有利形势，充分发挥大西海子水库的生态调节功能，打通孔雀河-喀然其河-纳胂河向塔里木河干流的生态输水通道，扩大生态受水面积和生态修复范围。利用孔雀河支流喀然其河，新建人工通道，将孔雀河生态水输入纳胂河；其次利用大西海子水库总干渠及新建连通渠，将大西海子水库生态水输入纳胂河，最终在英苏注入其文阔尔河，继而流入台特玛湖。

(2)健全供水配套设施，扩大退化区胡杨林的淹灌面积。对生态输水区的供水工程进行宏观调控，确保输水通道顺畅，避免胡杨林过度淹灌及生态水推进速度缓慢。可适度扩大胡杨林的淹灌面积，疏通供水通道，使远离河道的退化区胡杨林能获取到生态水的补给，确保生态输水的精准性和靶向性，避免胡杨生长受到干旱胁迫[7]。

(3)建立生态输水监测与效益评估体系，优化胡杨林生态输水实施方案。在生态输水区，构建“多维度”(纵向水流演进-横向水量转化-竖向植被响应)、“多尺度”(胡杨个体-群落结构和功能-生态系统面积、质量和稳定性变化等)、“多生态要素”(水、土、气、生要素)、多技术手段(空-天-地一体化)的综合监测系统，确立胡杨林生态输水效益科学、精准、完整的评估指标体系。建立胡杨林生态输水监测体系，在胡杨林重点补水区，设置垂直河道方向的固定监测样带，开展长期系统的对比监测研究。利用监测资料和输水效益评估结果，明确胡杨林重点保护与修复的目标、范围、需水量，植物的落种时间，适宜的河水漫溢干扰频度、水量、持续时间，以及地下水埋深阈值等要素，提出生态输水的原则，制定针对胡杨保护与修复的生态输水方案。