玛纳斯河生态安全评估

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作者：张青青 徐海量 樊自立 王月健 凌洪波 单位：中国科学院新疆生态与地理研究所 中国科学院研究生院 石河子大学地理系

生态安全有广义和狭义两种理解，前者包括自然生态安全、经济生态安全和社会生态安全，后者是指自然和半自然生态系统的安全，即生态系统完整性和健康的整体水映〔1－2〕。不同学者由于研究视角和研究出发点不同，对生态安全理解的侧重点也有所不同。生态安全评价可以对同一地区生态安全发展趋势进行研究〔3〕，以此来分析研究区的生态安全发展变化的特点和规律，也可以对不同地区的生态安全状况的比较〔4－5〕，以此来了解不同区域之间的生态安全差异和各自的发展特点。这是从不同的时空角度来研究生态安全问题的。在对生态安全进行定量评价时，也可以从两个角度来研究:一是确定研究区的生态安全阈值〔6〕，把研究时期的生态安全指标数值与之相比较来判断其生态安全状况，但是生态安全阈值的确定有相当的难度;二是对各个时期的生态安全指标的数值进行相对比较，来判断其在研究期间的相对发展情况。这相对比较容易做到。本文同时采用两种方法，在玛纳斯河流域生态经济功能分区的基础上，根据玛纳斯河流域绿洲不同的生态经济功能分区的生态特征和经济发展中存在的问题，对不同分区的生态安全发展状况进行评价，为玛纳斯河流域生态经济协调发展的科学决策提供参考。玛纳斯河流域是干旱区比较典型的山地—绿洲—荒漠系统〔7〕，地处新疆天山北坡经济带，是目前新疆着重开发的农业产业化经济区之一，区位优势突出，开发潜力巨大。该区域以农业为主，经过几十年的大规模的兴修水利、引水灌溉，耕地面积迅速增加，流域的生态环境以及经济社会面貌都发生了很大的变化，绿洲面积迅速扩张，防护林体系的建立使得风沙危害减弱，气候极大改善，承载了近百万的人口，每年为国家提供大批粮食和农、牧、工、副产品，这是人类绿洲开发的典范，也是整个干早区环境变迁的缩影〔8〕。但随着该区农业开发的深入和经济的迅速发展，部分地区对水土资源利用不合理，使流域生态环境发生了剧烈的变化，粗放型经济增长模式与有限的生态环境承载力之间的矛盾不断加剧，生态安全问题突出。

1研究区概况

新疆玛纳斯河流域地理坐标为84°42'～86°33'E，43°5'～45°58'N，地处天山北坡和准噶尔盆地南緣，地处干旱区内部，属于典型的温带大陆性气候，其气候特征是降水少、蒸发大、温差大、温度小，年平均降水量100～200mm〔9〕，且时空分布不均匀。干旱区水资源在生态维护与经济发展中起着关键作用〔7〕，流域主要有玛纳斯河及其东侧的塔西河、西侧的金沟河、宁家河、八音沟河等(图1)，而水资源的形成、转化和消耗主要取决于大地貌类型，由不同的大地貌类型所决定的生态经济系统是不同的。所以按大地貌类型可将流域分为3个一级区〔13〕，在以上3个一级分区的基础上，再根据中地貌条件、生态类型、经济结构及环境保护对策等划分为9个二级分区〔10〕(图1)。玛纳斯河流域按行政位置主要在玛纳斯县和沙湾县，另有克拉玛依市和和丰县的一部分，新疆生产建设兵团的石河子市和农八师各农场插花分布其间。1949年后由于大规模水土资源开发利用，现已形成南依天山，北抵古尔班通古特沙漠的连片大绿洲，为新疆第四大灌区，以国营农场为主体，在新疆农业生产中有举足轻重的作用。从1978年改革开放以来，工业发展迅速，以石河子为中心，东向玛纳斯，西向沙湾辐射，已形成以绿色食品加工，棉纺织，现代农业装备，重化工及电力五大产业集群。据2007年统计，全流域人口106．4×104人，为1949年的15．4倍，耕地面积31．18×104hm2，为1949年的17．32倍，国内生产总值236．8×108元，人均GDP为19423元，位于全疆前列，成为天山北坡经济带的重要组成部分。

2研究方法

2．1数据来源本文采用的数据一方面来源于从1998年的美国陆地卫星TM影像和2006年的CBERS影像进行遥感影像解译所获得的两期土地利用/土地覆被图形数据和属性数据，另一方面来源于实地调查、2008年石河子市社会经济统计年鉴、2008年沙湾县领导干部手册、2008年玛纳斯县领导干部手册，2003年新疆生产建设兵团勘测规划设计院编写的《水资源保护规划报告》及《节水规划报告》等统计数据。

2．2生态安全评价指标体系的构建

2．2．1不同生态经济功能区的生态安全问题玛纳斯河流域大的地貌类型，决定了流域的生态系统不同，因而表现出区域的生态、经济要素的空间状况有所分异，经过几十年大规模的水土资源开发，流域不同的生态经济功能分区在环境演变和经济发展过程中所存在的生态安全问题的表现形式各不相同:Ⅰ1山地针叶林以雪岭云杉为主，由于超采过伐，破坏严重，使林区降水量比未受到破坏的塔西河林区减少20%，河流年输沙量由20世纪50年代的117×104t增加到20世纪90年代的246×104t〔11〕;该区域的草地主要是亚高山草甸和草甸草原，由于山区超载严重(估计超载约60%左右)，导致本区的草地生产力下降，同时草地植被群落物种组成中有毒和不可食植物比例不断升高。Ⅰ2本区作为低山丘陵区，降水量比Ⅰ1大幅降低，草地覆盖率和产草量明显减少;同时作为河流的出山口所在地，洪涝灾害频繁;交通不便，经济发展滞后。Ⅱ1该区属城镇绿洲与农业绿洲的结合带，有石河子、玛纳斯、沙湾三个城镇，城市化水平较高、工业化发展较快。特别是石河子市是天山北麓重要的中心城市之一，经济发展水平相对较高。随着城市化发展，城市供水成为最大的问题，地下水年超采量达110%以上，造成地下水位每年以0．5～1．0m的速度下降。另外，棉花播种面积比例较大，种植作物单一，且不能轮作倒茬，造成病虫害增加。Ⅱ2该区地处扇缘洪积扇，地下径流条件差，由于修建了夹河子、大泉沟及蘑菇湖等26座水库(总库容5．2×108m3)〔12〕，造成本区地下水位较高，土壤盐渍化比较普遍。同时，本区一些水库接纳了石河子等市县的生活和工业污水，水质污染也比较严重。Ⅱ3该区地处沙漠边缘，地表水严重不足，造成地下水利用率较高，地下水位下降和埋藏较深，同时由于土地开发等导致原生的荒漠梭梭林破坏严重，土地沙化是本区最严重的生态问题;另外，由于本区大量种植棉花，出现了因种植作物单一引起的病虫害增加的问题。Ⅱ4该区位于玛纳斯河中下段，排水条件较好，但西侧的西岸大渠没有防渗设施，造成地下水位升高，土壤盐渍化较重，加之临近沙漠，风沙灾害也较严重。土地开发造成的梭梭林面积的减少也是本区突出的生态问题。Ⅲ1作为绿洲和荒漠的过渡带，本区原有的大量天然植被成为保护绿洲的屏障，但是由于沙漠边缘30～50km范围内的梭梭和柽柳被大量砍伐，本区天然植被的保护成为各方关注的焦点，同时过度放牧和地下水下降造成的植被破坏也是本区突出的生态问题。Ⅲ2该区植被覆盖率较低，植物对牲畜的适口性不佳，加之沙漠严酷的气候和干旱缺水生境，不宜放牧家畜。且其生态系统十分脆弱，稍重的放牧压力就会导致沙漠植被退化和珍贵野生动物资源破坏。因此已建成了石西、石南和陆九三个油气田对丰富的地下油气资源的勘探开发是一个点多、线长、面广的污染和生态破坏项目，对沙漠脆弱生态环境影响很大。Ⅲ3已濒临消失的玛纳斯湖位于该区，这里植被稀疏，地表沙化严重，干涸的湖底形成的盐壳在风力作用下造成的盐尘对环境危害很大，因此保护该区生态意义重大。#p#分页标题#e#

2．2．2生态安全评价指标的选取和权重的确定针对玛纳斯河流域不同生态经济功能区所存在的生态安全问题，选择相应的指标(表1)。由于每个生态经济功能区的生态问题不同，选取的指标也不相同，但是为了便于比较，各个功能区的亚区选取的指标基本一致:山区是产流区和水源涵养区，Ⅰ1亚区选取降雨量、Ⅰ2亚区选取出山口径流量作为生态风险评估指标，而草场过牧森林破坏严重是山区存在的主要生态环境问题，其中，降雨量和出山口径流量的权重相同。绿洲是人类安身立命的场所，生存发展的空间，人类活动对生态环境的影响较大，生态问题较多较复杂。首先，水是干旱区最稀缺的资源，在干旱区生态稳定和经济发展中起着决定性作用，因此地表水保证率是必不可少的指标，这里供水保证率即地表水资源量/所用水资源量;而土地荒漠化、盐渍化〔13〕等直接由地下水位的高低决定，会直接导致水土、水盐平衡失调，对环境造成的负面影响很大，因此将地下水位作为一个重要指标;再者，Ⅱ1和Ⅱ2亚区选取盐碱地面积、Ⅱ3和Ⅱ4亚区选取沙化面积为绿洲区的生态风险评估指标，林地面积、草地面积、水质级别和年风沙日数作为共同的生态风险评估指标。其中，盐碱地面积和沙化面积的权重相同。荒漠区是绿洲的天然屏障，荒漠植被起到的良好的防风固沙作用，而荒漠抗旱植被依靠地下水来维持生存〔1〕，因此选取地下水位、植被覆盖率和沙化面积作为Ⅲ1和Ⅲ2亚区的生态风险评估指标，而Ⅲ3亚区除选取地下水位和植被覆盖率外，考虑到玛纳斯湖近几年来有水注入，且占有该区的很大面积，因此该区选取水域面积作为Ⅲ3亚区的生态风险评估指标，水域面积和沙化面积的权重相同。在确定社会经济准则层的生态风险评估指标时，山区的Ⅰ1亚区选取天然林保护资金投入、Ⅰ2亚区选取林果收入作为生态风险评估指标，绿洲区4个分区均选取人均GDP和二三产业所占三大产业比重值，荒漠区无人居住，本身也不会直接创造经济价值，按0计。指标体系的权重是用专家赋值法并参考专家意见来确定的。专家赋值法的好处是简单易行，可充分应用专家经验体现当地的实际情况，与实际的情况较为接近，这样可以避免错误的评价结果。由于生态安全评价中各个方面和各个指标的重要性和贡献率是不一样的，权重也不相同(表1);而每个分区的亚区之间所选指标基本相同，权重一致，这样便于同一生态系统中各个亚区之间的比较;另外，将生态环境指标层的权重定为0．7，社会经济指标层的权重定为0．3。

2．2．3生态安全评价模型的建立玛纳斯河流域的生态安全评价，立足于安全，从不安全的角度来进行，用“不安全指数”来表示〔14〕，即不安全指数越大，潜在的风险性就越大。为便于比较对所有原始数据均进行归一化处理，以计算各评价指标的不安全指数。如设Xij(j为9个生态经济功能亚区的第j个亚区;i为第j个亚区的第i个指标)为第j个亚区的第i个指标的原始值，Tij为Xij进行归一化处理后相对应的指标值，式中:Dj为第j个亚区的总体生态不安全指数，Mij为生态环境指标层第j个亚区的第i个指标的权重值，Nij为社会经济指标层第j个亚区的第i个指标的权重值，n为第j个亚区总的指标数。

2．2．4生态安全评价等级的划分生态不安全指数越大，区域的“生态系统安全度”就越低，反之，则越高。本文参考区域生态安全评判相关资料〔16－17〕，并考虑研究区的实际情况将玛纳斯河流域生态系统的综合评价结果进行量化分级，划分标准见表2。

3结果与分析

区域生态环境的恶化和问题的增多将对经济建设、社会发展、大气水环境、交通运输及人类的生命财产和健康带来严重不利影响〔18－19〕，区域生态安全设计的内容很多，本文是针对玛纳斯河流域各个生态经济功能区不同的生态问题，用生态环境指标和社会经济指标来综合反映流域生态安全程度，通过2．2．3中方程(1)～(5)的计算，可以基本反映玛纳斯河流域不同生态经济功能区生态安全问题的状况:玛纳斯河流域山区为南部天山草原森林牧林矿产区，从该区的生态安全评价结果图(图2)可以看出，Ⅰ1和Ⅰ2亚区的生态不安全指数均存在波动，Ⅰ1亚区生态不安全指数的大致趋势是先增加，即该区的生态系统安全程度先变差，2003年生态不安全指数达到最高为0．4985，生态系统安全程度最低，生态问题最突出，然后生态安全程度有所好转，原因可能是该区森林纳入国家天然林保护工程，近几年天然林保护资金的投入越来越多，环境保护的力度在不断加大，森林的破坏有所控制，逐渐恢复，但是该区近10a的生态安全程度一直处于较不安全状态，因此需要加大保护力度。Ⅰ2亚区生态不安全指数的大致趋势是先减少后增加，即该区的生态系统安全程度先好转，生态安全程度由较不安全转为稍不安全，而从2005年开始又有所恶化，但还是处于稍不安全状态，原因可能是近几年山区开发矿产和进行水电工程项目建设引起植被破坏，甚至造成山体滑坡。因此必须加快森林和草地的恢复，对采伐迹地和宜林地进行人工定植，建立苗圃，对草场进行围栏封育，并可在低山丘陵区的塔西河东湾和西戈壁乡种植玉米为主等作物作为牲畜的饲料，来补偿冬春草场不足，限制畜牧业发展。从中部玛纳斯河平原农业绿洲与城镇绿洲区的生态安全评价结果(图3)可以看出，除Ⅱ4亚区的生态不安全指数从1998年到2007年大致呈上升趋势，说明生态不安全程度越来越高，其它3个亚区均存在波动。从平均值来看，绿洲内部4亚区的生态安全评价指数排序结果为Ⅱ2＞Ⅱ1＞Ⅱ4＞Ⅱ3，说明Ⅱ2亚区的生态不安全程度最高，Ⅱ1和Ⅱ4亚区次之，Ⅱ3亚区最低。而从1998年到2007年，Ⅱ1和Ⅱ2亚区的生态不安全程度均处于较不安全状态，且Ⅱ1和Ⅱ2亚区的平均生态安全指数是Ⅱ3和Ⅱ4亚区的1．24倍，原因可能是Ⅱ1和Ⅱ2亚区处于山前玛纳斯等河冲积扇群，尽管受到沙漠威胁以及风沙等灾害性天气的危害比距离沙漠较近的Ⅱ3和Ⅱ4亚区小，但Ⅱ1和Ⅱ2亚区属城镇绿洲与农业绿洲的结合带，有石河子、玛纳斯、沙湾三个城镇，城市化水平较高、工业化发展较快，而该区经济的增长模式仍很粗放，对自然资源的消耗量大，生态问题越来越多，对人类生存的大气、水等环境带来的不利影响也越来越大，因此生态不安全指数较高。Ⅱ4亚区由稍不安全转为较不安全，且Ⅱ4亚区的平均生态不安全程度高于Ⅱ3亚区，原因可能是近些年来打井开荒严重，不仅破坏了原有的荒漠植被，且地下水位持续下降，防护林带因此而大片死亡，如果不加强封育，人为破坏对荒漠生态系统的影响就会越来越重，生态不安全程度越来越高。而Ⅱ3亚区的生态不安全程度由较不安全转为稍不安全，尽管Ⅱ3亚区与Ⅱ4亚区存在类似的生态问题，但Ⅱ3亚区莫索湾灌区的150团是全国重点荒漠林保护示范基地，围栏保护植被已初见成效，据调查，该团的重点公益林面积是Ⅱ4亚区136团的6倍多，且人工补植力度大，仅2007年150团对公益林补植梭梭造林280hm2，这可能是Ⅱ3亚区的生态不安全程度有所降低的主要原因，因此，必须采取严格的保护措施，加大人工造林和公益林补植的力度。#p#分页标题#e#

北部古尔班通古特沙漠封沙育草油气勘探开发区，从图4可以看出，1998年到2007年Ⅲ3亚区的生态不安全指数逐渐下降，生态不安全程度降低，可能是由于近些年来玛纳斯湖重新有水注入，水域面积逐年扩大，改善了区域的生态环境质量状况。除Ⅲ3亚区外，荒漠区其余两个亚区的生态不安全指数逐渐增大，其中Ⅲ1亚区生态不安全指数增长的最快，斜率为0．0152，Ⅲ2亚区生态不安全指数增长率为0．0145，说明荒漠区的生态问题潜在的风险性均在增大，且越靠近绿洲区的亚区，生态不安全程度越高，因为靠近绿洲区的区域受到人类活动的影响越多，地下油气资源的勘探开发所造成的污染和生态破坏对沙漠脆弱生态环境影响也很大。因此必须采取严格的保护措施，通过建立自然保护区，进行整体性的就地保护〔20〕。图4玛纳斯河流域荒漠区生态安全评价结果图Fig．4EcologicalsecurityassessmentresultofthedesertofManasRiverbasin4结论(1)根据生态经济功能分区的结果，玛纳斯河流域分为3个一级区和9个二级分区，每个亚区由于自身的生态和经济发展特点，存在不同的生态安全问题，为此针对不同的生态安全问题Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区分别选取了3个、7个和3个生态环境指标以及1个、2个和1个社会经济指标，共13个生态环境指标和4个社会经济指标。(2)从评价结果看，Ⅱ4、Ⅲ1和Ⅲ2亚区的生态不安全指数呈上升趋势，Ⅲ3亚区逐渐下降，Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2和Ⅱ3亚区存在波动，而对于同一个大区的不同亚区，由于评价指标是相同的，因此评价结果具有可比性，从绿洲区看，Ⅱ2亚区生态不安全指数最大，生态不安全程度最大，主要是因为本区的生态安全问题最多，例如水库的修建造成本区地下水位较高，土壤次生盐渍化比较普遍，城市的生活和工业污水造成的水质污染较严重等;而Ⅱ3亚区虽然地处沙漠边缘，但由于近十多年国家投入大量资金用于生态建设，且该灌区越来越多的天然公益林进入了农八师中央森林生态效益补偿范围，目前生态不安全程度相对最低，且本区所存在的地下水位大幅下降，种植结构单一等问题仍然需要高度关注。因此，生态不安全指数高的区域需要高度重视，不高的区域由于生态问题会带来诸多不利影响，也需要重视。