民勤湖區(qū)綠洲景觀格局動態(tài)變化及驅動因素分析

民勤湖區(qū)綠洲景觀格局動態(tài)變化及驅動因素分析

綠洲是干旱地區(qū)獨特的文化景觀。景觀與水生態(tài)過程已成為干旱地區(qū)景觀生態(tài)研究的熱點。在河西走廊的3個內流河流域中,石羊河流域的水、土資源開發(fā)程度最高,生態(tài)危機最大。內流河流域的綠洲開發(fā)中普遍存在著從下游向上游轉移的規(guī)律,歷史上存在過的尾閭湖幾乎全部干涸而形成今日下游之干三角洲,水源被中上游的土地開發(fā)所占用,而鹽分則在干三角洲中累積,水少鹽多成為突出矛盾。民勤綠洲特別是湖區(qū)綠洲,正是這種內流河下游干三角洲的典型,西、北、東三面被巴丹吉林沙漠與騰格里沙漠包圍,生態(tài)環(huán)境極為脆弱。尤其是近幾十年,隨著流域中游地區(qū)人口數量與經濟規(guī)模的不斷擴大,導致進入下游的地表水資源日趨減少,引發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問題。20世紀80年代以后由于地下水位的持續(xù)下降,出現大面積人工造林的衰退和死亡;20世紀90年代湖區(qū)土壤鹽堿化加重和受沙漠化威脅,棄耕移民成為生態(tài)災難。湖區(qū)作為深入兩大沙漠腹地的孤島式綠洲,也是民勤綠洲和涼州區(qū)綠洲得以健康持續(xù)發(fā)展的綠色生態(tài)屏障,是阻擋北漠風沙的“橋頭堡”,其與民勤綠洲,甚至河西走廊有著可謂唇亡齒寒的關系,所以,確保民勤湖區(qū)的生態(tài)安全是整個石羊河流域可持續(xù)發(fā)展的試金石。關于民勤湖區(qū)的研究報道雖然較多,但大多是集中在對現狀的描述上,而對景觀變化與生態(tài)過程進行深入分析的較少,本文試圖以此作為著眼點,在分析湖區(qū)景觀變化及驅動因子的基礎上,提出了生態(tài)恢復的對策與建議。1沖積-湖積沉積區(qū)民勤湖區(qū)是石羊河下游的尾閭綠洲,土地總面積9.53萬hm2,在構造上位于阿拉善地臺東南緣,南部是民勤中新斷陷(即民勤盆地),北部是青土湖新凹陷;海拔大部分在1310～1320m之間,比降在0.002以下。因地勢凹陷、海拔低,石羊河最終匯集于此;這里成為沖積物和水溶性鹽類的堆積區(qū),沉積大面積湖相地層,沿石羊河發(fā)育為扇形沖積帶,形成沖積-湖積平原。本區(qū)屬干旱荒漠區(qū),降水稀少,蒸發(fā)量大,年均氣溫7.8℃,年均降水不到100mm,而年蒸發(fā)量高達2600mm以上?，F有西渠、中渠、東湖、收成及紅沙梁5個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、87個村,總農戶16860戶,現有人口73274人,耕地面積3.35×104hm2,近年實際播種面積1.07×104～1.27×104hm2。隨著中上游農墾灌溉規(guī)模的擴大,匯入尾閭湖的河水減少,而湖水不斷蒸發(fā)損耗,湖泊干涸;但每年隨河水攜入此地的1.6×108kg鹽分卻只能永遠停留于此,無法泄出,使得土地鹽堿化日趨嚴重。2民勤街區(qū)景觀結構分析本文在土地利用及其變化研究上,依據1987年和2001年的TM影像數據進行人工目視解譯的結果為基本資料,按照綠洲土地利用特征和實際情況,把研究區(qū)景觀分為以下6個類型:耕地、林地、草地、居民地、沙地、鹽堿地;用景觀結構分析軟件FRAGSTATS計算格局指數,并用GIS方法計算了民勤湖區(qū)的景觀轉移矩陣。通過對湖區(qū)典型農戶種植面積、種植結構、地表、地下水利用量、種植成本以及純收入等各個方面實地綜合調查的基礎上,根據民勤縣水利局提供的水資源開發(fā)利用資料,民勤縣1980～2003年的國民經濟和社會發(fā)展統(tǒng)計資料以及湖區(qū)生態(tài)建設規(guī)劃資料,分析了湖區(qū)土地利用變化驅動力及其與水資源利用和種植結構等的關系。3結果與分析3.1不同類型的格局變化在不同時期的比通過對民勤湖區(qū)1987年和2001年景觀格局變化的比較(圖1),分別在類型水平和景觀水平上計算了研究區(qū)不同時期的格局指數(表1,表2)和景觀轉移矩陣(表3)。3.1.1斑塊面積、密度及鄰接類型從湖區(qū)類型水平上景觀格局指數的變化可以看出(表1),不同景觀類型所占比例PLAND,湖區(qū)綠洲耕地比例最大,從1987年的36.34%增加到2001年的42.97%;草地次之,15a來減少了6.34%。鹽堿地也占有較大比例,由14.01%降到了11.83%;而沙地增加了3.39%。斑塊個數居民地最多,草地次之,且兩者變化都不大,但草地平均斑塊面積縮小了15.82hm2;雖然耕地斑塊數量有所減少,但平均斑塊面積卻增加了45hm2,充分說明湖區(qū)耕地的盲目開墾現象特別嚴重。同樣,沙地斑塊數減少明顯,但平均斑塊面積達1987年的2.55倍,表明湖區(qū)沙地不但面積上不斷擴大,而且空間上連片趨勢急劇發(fā)展,沙漠化趨勢日益加劇。斑塊密度居民地最大,其次為草地和耕地,沙地最小,說明沙地破碎化程度最小,而居民地分布最為分散。邊緣密度耕地最大,其次為草地和居民地,沙地最小,說明耕地邊緣形狀最為復雜,破碎化嚴重,而且這種趨勢更為突出,而沙地形狀簡單。聚集度沙地最大,居民地最小,而且沙地聚集度增加趨勢明顯,說明湖區(qū)綠洲沙地分布最為集中,并且聚集程度仍在增大,而居民地最為分散。散布與并列指數取值越小,說明與某一斑塊類型相鄰接的其他斑塊類型越少;湖區(qū)鹽堿地該值最小,沙地較大,表明鹽堿地的鄰接類型單一,而沙地的鄰接類型較多;鹽堿地主要與沙地相鄰,而沙地則與包括耕地在內的其它各類景觀類型都有較大的鄰接邊界?？傊?在類型水平上,湖區(qū)耕地和沙地這2種完全不同的景觀類型都表現為面積上不斷擴大,空間上呈連片發(fā)展趨勢,聚集度增加。3.1.2景觀形態(tài)、多樣性湖區(qū)近15a來景觀水平上格局指數的變化表明(表2),綠洲斑塊數目減少了199個,斑塊密度降低了0.26個/100hm2;平均斑塊面積增大了6.45hm2。這些充分說明湖區(qū)綠洲景觀整體上具有連片結合的發(fā)展趨勢,主要表現在沙地的面積增加和空間連片上。景觀形狀指數有所降低,說明湖區(qū)綠洲景觀斑塊形狀的復雜性降低。相似鄰接比和聚集度有所增加。另外,蔓延度指數也是一個反映斑塊分布狀態(tài)的常用指標,只適用于景觀水平,它與斑塊邊緣密度成反比;當該值為0時,說明景觀以最大的程度分離(每一個斑塊都為一種不同的類型)和散布(所有斑塊都以相同比例相鄰接),而當其值為100時,則表明整個景觀僅由一個斑塊構成。湖區(qū)綠洲的蔓延度指數增加表明空間上聚集連片,邊緣密度降低趨勢更為明顯。香農多樣性指數是群落生態(tài)學中普遍應用的多樣性度量指標,其在景觀生態(tài)學領域也被廣泛應用。湖區(qū)多樣性指數有降低趨勢,證明湖區(qū)綠洲土地利用向單一化方向發(fā)展。景觀異質性和生物生境的多樣性降低,導致湖區(qū)生態(tài)環(huán)境質量惡化。3.1.3土地利用格局單一化從民勤湖區(qū)景觀轉移矩陣(表3)和各景觀類型的面積變化情況(圖1,圖2)可以看出,民勤湖區(qū)沙地和耕地的面積增加最大,變化率分別達其面積的34.51%和23.25%,各增加了5171.85hm2和2640.33hm2,而它們的增加是以犧牲草地和林地為代價的。2001年的耕地面積有14.76%(4943.60hm2)來自草地,4.32%(1447.02hm2)來自林地,而沙地則有18.16%來自草地,7.92%來自林地;而同期從耕地轉化為林、草地的面積不到它們轉化為耕地面積的30%,來自沙地的林草地面積也只有它們轉化為沙地面積的11.9%。15a來林地和草地面積分別減少1520.46hm2和4941.27hm2。從以上分析可以看出,湖區(qū)綠洲在整個景觀水平上聚集度增加,空間連片趨勢加劇,斑塊形狀簡單化,景觀多樣性降低,土地利用格局日趨單一化;以犧牲林、草地為代價的開荒現象與日趨加劇的綠洲荒漠化趨勢同時并存,造成了湖區(qū)土地向耕地和沙地兩個極端方向發(fā)展的惡性循環(huán)。3.2土地棄耕數量增加耕地的大量增加導致了湖區(qū)有限的淡水資源的緊缺,由于地下水超采引起的水位下降加劇了水質惡化,使得大面積耕地被迫棄耕,近年來實際播種耕地面積僅有耕地總面積的1/3左右;而大量的棄耕地又成為了沙漠化發(fā)展的主要誘因,從而造成了生態(tài)環(huán)境急劇退化的惡性循環(huán)。同時,由于受市場經濟的影響,湖區(qū)耕地的棄耕撂荒和復墾與農產品價格有著很大的關系,在農產品價格較高的年份耕地棄耕數量減少,并且對撂荒地的復墾增多。因此,水資源狀況和市場經濟與政策因素成了民勤湖區(qū)景觀變化的主要驅動因素。3.2.1地下水開采量、利用量、凈需水差額據民勤縣水利局調查,湖區(qū)的平均田間凈用水量為7200m3/hm2,渠系水利用系數地表水為0.42,地下水為0.74。根據湖區(qū)近15a來的耕地種植面積,計算了湖區(qū)的凈需水量,在此基礎上,依據紅崖山水庫每年向湖區(qū)的輸水量和渠系水利用系數得出了湖區(qū)每年地表水凈用水量和需水差額(圖3)。湖區(qū)近15a來的耕地平均凈需水量為0.83×108m3,而地表水凈利用量逐年減小,從20世紀80年代后期的0.45×108m3,降到20世紀90年代后期的0.22×108m3,降幅達50%。由于實際種植面積并未減少,使得湖區(qū)用水差額不斷擴大,從80年代后期的0.37×108m3,擴大到2000年以來的0.67×108m3;只能靠開采有限的地下水補充,形成了生態(tài)環(huán)境退化的惡性循環(huán)(圖3)。根據湖區(qū)1991年以來的農業(yè)灌溉用電量計算了湖區(qū)逐年地下水開采量,按每度電提水3.5m3計算,再乘以湖區(qū)地下水的渠系水利用系數0.74,得到湖區(qū)每年的地下水凈利用量,近5a來平均每年高達0.80×108m3(圖3)?？梢钥闯?得到的地下水凈利用量與凈需水差額變化趨勢基本一致,但地下水利用量大于凈需水差額;這主要是由于湖區(qū)棄耕和復墾現象嚴重,在農產品市場價格上漲的年份,許多當年棄耕的農田又被復墾種植,未被當地政府部門所統(tǒng)計。通過地下水利用量與按耕地統(tǒng)計面積計算的凈需水差額的比較,估算了湖區(qū)每年未被統(tǒng)計的耕地面積,20世紀90年代以來的平均值為1350hm2,最高年份2002年高達3500hm2,最少年份2000年也要達330hm2。可見湖區(qū)濫墾現象嚴重,地下水過度開采,使得本身礦化度就較高的水質嚴重惡化。由于水質惡化,也使得棄耕現象在湖區(qū)特別嚴重,1987～1994年間平均每年棄耕130hm2,1994～1998年的棄耕速率為263hm2/a,而1998～2001年的棄耕速度驚人增加,達到了1419hm2/a;此外,還使得湖區(qū)49個村的3.8萬人、8萬頭牲畜存在著非常嚴重的飲水危機,不得不到10km以外的300m深井集中供水點取水,水質惡化對湖區(qū)群眾帶來災難性后果。3.2.2農業(yè)產業(yè)化程度加大,水庫消費率高湖區(qū)大部分面積因地下水質惡化,土壤鹽堿化程度加重,農作物產量普遍偏低;以至無法種植小麥、玉米等糧食作物,種植比例從1985年的75%降到了2003年的25%,形成了以棉花、茴香、瓜類等耐鹽性較強的經濟作物占絕對優(yōu)勢的單一經濟結構,對市場風險的抵御能力降低。隨著生產成本的不斷上升,農戶由于信息閉塞,種植結構調整滯后,農產品價格波動較大等原因,收入急劇下降(圖4)。2001年以來農產品價格猛跌,湖區(qū)人均純收入僅有800元左右,群眾基本生產活動難以維持,人口被迫外流,因而使得耕地撂荒趨勢加劇,形成了生態(tài)環(huán)境嚴重退化的惡性循環(huán)。盡管民勤地表水資源奇缺,但近幾年卻出現寶貴的水資源滯留于水庫而耗于蒸發(fā)的現象。從1995年到2001年的7a間,水庫來水量與出庫量之差累計達到2.0×108m3,平均每年水庫余存量達0.3×108m3。主要原因是由于地表水和地下水的使用成本差異較大,群眾對利用地表水的積極性不高,從而造成了地下水資源的嚴重超采,由此產生了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。4生態(tài)恢復的路徑和措施(1)調整黨的產業(yè)結構,進一步降低農業(yè)企業(yè)對農業(yè)的認識從圖5可以看出,由于地下水質的嚴重惡化,湖區(qū)糧食作物種植面積減少明顯,經濟作物所占比例不斷上升,糧、經、草比例從20世紀80年代后期的73∶17∶10降低到2000年以來的33∶49∶18,種植結構以市場風險較大的經濟作物為主,這對于生態(tài)環(huán)境特別脆弱的湖區(qū)來說明顯不合理。為了遏制生態(tài)環(huán)境的進一步惡化,增加農產品的市場風險抵御能力,湖區(qū)必須大力調整種植業(yè)結構;從長遠考慮,進一步壓縮糧食作物種植面積,大力減少經濟作物比例,努力提高青飼料、綠肥等飼草種植比例,提高畜牧養(yǎng)殖業(yè)在農業(yè)經濟中所占比重。糧食作物的種植以保證群眾自身生活需要為宜,全面縮減商品糧的種植,使糧、經、草比例達到15∶30∶65,實現以畜牧業(yè)為主的農業(yè)生產格局。此外,湖區(qū)現有耕地面積達3.35×104hm2,近年實際播種面積1.07×104～1.27×104hm2,為了維持湖區(qū)綠洲的穩(wěn)定,必須最大限度壓縮耕地面積,以人均耕地面積0.1～0.133hm2計算,湖區(qū)維持耕地面積0.7×104～1.0×104hm2即可,實現封井退耕,因地制宜還林還草(補種紅柳、梭梭等超旱生植物等),或還其自然面貌,這點與石玉林考察民勤綠洲得出的結論相一致1。(2)加強農地灌草、灌溉、雨水資源開發(fā)利用湖區(qū)境內躍進總干渠長36.50km,仍然有16.79km(46%)至今未能襯砌,年輸水損失在0.1×108m3以上,而長70.765km的湖區(qū)四大干渠只襯砌了24.23km(襯砌率僅有34.2%),干、支、斗、農渠襯砌僅占總長度的10%,使得河水利用率僅有42%;井渠襯砌只有48%,井水利用率為74%。可見,薄弱的基礎設施使得大量的淡水資源因渠系滲漏而與湖區(qū)的淺層苦咸水混合,造成了有限的淡水資源的嚴重浪費。若湖區(qū)地表水按近年來的平均量0.6×108m3計算,渠系水利用率提高到70%,則可節(jié)約水資源0.17×108m3。因此,加大渠系襯砌力度,提高渠系水利用率,在民勤湖區(qū)具有較大的節(jié)水潛力。此外,發(fā)展管灌、小畦灌、膜上灌等科學合理的灌溉制度,也應該成為建立節(jié)水社會的主要內容,據王祺等在民勤對紫花苜蓿節(jié)水灌溉效益的研究表明,小畦灌溉的耗水系數僅為漫灌的71.6%。而且,民勤綠洲灌溉定額普遍偏高,現狀農作物平均毛用水定額為670m3/666.7m2,如果實現666.7m2均毛用水定額降低100m3,則僅湖區(qū)可節(jié)約用水0.2×108m3。由于地表水嚴重不足,湖區(qū)地下水超采現象突出,湖區(qū)現有水井2448眼,平均每眼井的年取水量為3.3×104m3,近5a來的年均開采量高達0.8×108m3,使得地下水位下降加速,從20世紀80年代以前的<5m,發(fā)展到現在的15m,甚至更深,年平均降幅達0.5m以上。地下水礦化度也迅速升高,平均達6.0g/L以上,最高的地方高達16.0g/L以上;每年增加約0.29g/L,使得湖區(qū)平均每年因灌溉滯留在土壤耕作層的鹽分數量高達3.3×105t,耕地鹽漬化趨勢加劇。因此,為了防止湖區(qū)水質的進一步惡化,必須嚴格控制地下水開采量,減少井數,封井節(jié)水,或降低水井的年開采量。(3)民法移民的分布由于生態(tài)環(huán)境,特別是地下水質的日益惡化,湖區(qū)部分村社即使在300m以下也找不到淡水,人畜飲水難以解決,喪失了基本的生存條件,生態(tài)難民大量涌現,人口外流嚴重。據統(tǒng)計,湖區(qū)近20a來累計有7959戶、31929人為了生存,不得不背井離鄉(xiāng)(表4),其中20622人移民到省外,占移民總數的65%,8901人(28%)移民到省內的其它地區(qū),約7%(2406人)在民勤縣內搬遷。而移民數量在湖區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中以中渠鄉(xiāng)和東湖鎮(zhèn)最多,分別占移民總數的38%和45%。而由于人畜飲水困難,沙漠逼近,人均純收入僅有600～800元,不具備基本生存條件而需要生態(tài)移民的群眾仍然達32385人,占到2003年湖區(qū)人口總數的41%。為了做好移民的有序搬遷工作,在政府聯系和群眾自愿相結合的基礎上,采取了縣外、縣內搬遷和內部調整3種方式。特別是內部調整,通過建立移民收縮點,將湖區(qū)沿邊沿沙、居住分散、無深井淡水資源的村社收縮集中,可在一定程度上緩解湖區(qū)群眾的人畜飲水壓力。湖區(qū)移民搬遷工作任重道遠,還需做大量工作,才能保障移民的基本利益。此外,為了減緩沙漠前沿綠洲陣地的不斷喪失,防止村社整體棄耕,大片農田被風沙吞噬現象的不斷發(fā)生,對移民搬遷后留下的耕地必須要做到統(tǒng)一規(guī)劃,合理利用,還林還草,做好生態(tài)防護。(4)苦咸水系統(tǒng)的利用由于地下水礦化度的不斷上升,湖區(qū)一方面可利用淡水資源日益減少,另一方面0.3×108m3以上的苦咸水資源難以利用或利用效率不高,13340hm2耕地被迫棄耕,使得人民生活極度困難?？嘞趟Y源的合理科學開發(fā)利用,對于緩解湖區(qū)水資源危急、增加人民收入具有非常重要的意義。在湖區(qū)發(fā)展棉花種植,不僅適合當地的干旱氣候,又可以在有限水資源的條件下穩(wěn)定、高效地發(fā)展農業(yè)生產,同時使高礦化度的地下水得到合理利用。據石培澤等的研究表明,棉花種植在1次河水泡地(1500m3/hm2)的前提下,苗期灌溉“一淡三苦”或2次苦咸水(5g/L),不但棉花產量和品質都有所保證,而且土壤鹽分可保持多年平衡狀態(tài)。這一試驗成果為適度利用苦咸水提供了很好的思路和途徑,值得進一步深入研究和推廣應用。(5)石羊河流域下游水資源的科學配置,逐步恢復下游來水量石羊河流域盡管上游8條支流的年出山徑流量20世紀60年代為12.59×108m3/a,到90年代仍為12.12×108m3/a,未發(fā)生顯著減少;但下游紅崖山水庫的年入庫量從60年代的4.086×108m3/a,降到80年代的2.29×108m3/a,到90年代僅有1.51×108m3/a,40a來降幅達63.1%;可見,石羊河流域中下游綠洲的徑流用水分配嚴重失調,2004年7月紅崖山水庫首次干沽斷流,更加喚起人們對民勤綠洲的關注與憂慮。為了保障下游綠洲生產和生態(tài)用水的基本需求,必須實現流域內部水資源的科學合理配置,做到統(tǒng)一管理,統(tǒng)籌調度?？稍诿袂诓唐旎蛳慵覟吃O立測水控制斷面,以固定比例分水,逐步恢復下游來水量至20世紀80年代初期占總徑流量18%的水平(約2.5×108m3/a)。此外,景電二期工程、引硫濟金工程等跨流域調水項目仍存在著不少問題,雖然從2001年開始景電二期工程每年可向民勤調水0.61×108m3(設計調水量),但已完成的工程末端尚在涼州區(qū)長城鄉(xiāng)境內,距民勤紅崖山水庫61km,此段天然河床蒸滲損失率高達25.6%,按年調水量0.61×108m3計,年損失水量達0.15×108m3,而已建成的99.04km的渠道輸水損失僅為2%。(6)按薄弱水、低水、優(yōu)水質,科學制定調度標準外調水介入前,民勤縣水利局對紅崖山灌區(qū)供水價格進行的核算,單方斗口水成本價為0.20元/m3,但實際僅征收0.09元/m3。2001年外調水介入后,民調工程渠首水價0.21元/m3,經實測民調工程渠首至紅崖山水庫灌區(qū)斗口利用率為47%,到斗口的水價達0.447元/m3。這樣,外調水只征收購水水費,與石羊河徑流(0.09元/m3)混合后,經計算斗口混合水價為0.25元/m3。民勤縣考慮到農民的實際承受能力,2001年執(zhí)行混合水價0.21元/m3,調水0.61×108m3的情況下,因水價差形成虧損水費270萬