基于遥感及GIS技术的内陆河流域脆弱生态环境研究
关键词: 塔里木河盆地 生态环境 脆弱性 遥感 地理信息系统 耦合关系
干旱区内陆河流域的脆弱生态环境是在长期的演变过程中形成的。人类对自然资源，特别是水资源的不合理利用，加剧了脆弱生态环境的演变过程，影响了干旱区的生态安全。从国内外脆弱生态环境的研究进展状况，以及以塔里木河流域为典型代表的干旱区内陆河流域自然地理特征分析中，揭示了脆弱生态环境的特征及演变规律。近一个世纪以来，人们针对内陆河流域的人与环境问题、水资源问题（包括水文地质、水资源变化特征、水环境变化特征）、气候以及自然地理学领域进行了大量的研究工作。随着国家西部发展战略的逐步实施，干旱区内陆河流域将成为我国重要的资源开发与经济发展潜力巨大的地区。
我国RS、GPS及GIS的集成技术发展很快，3S技术在自然资源、生态环境以及社会经济建设中起到了重要作用。目前，3S一体化进行资源环境信息的获取、处理和动态分析成为脆弱生态环境研究的一个重要趋势。知识经济时代为生态环境研究提出了许多新的问题，跟踪国际上Geomatics及数字地球研究的进展，结合我国科技发展水平、经济实力及环境保护政策，探索干旱区内陆河流域脆弱生态环境研究方法，研究脆弱生态环境的特征，揭示脆弱生态环境的演变规律，建立脆弱生态环境评价指标体系，构建量化评价模型，定量评价脆弱生态环境的质量等级，在此基础上，探索退化生态系统恢复与重建的原理与途径，建立脆弱生态环境信息管理系统，对拓宽生态环境定量化研究的思路，指导资源合理利用，生态环境保护措施及制订区域可持续发展战略，具有重大的理论价值和实践意义。
生态脆弱性是景观或生态系统的特定时空尺度上相对于干扰而具有的敏感反应和恢复状态，它是生态系统的固有属性在干扰作用下的表现。新疆塔里木河，是我国最长的内陆河，曾在孕育“丝绸之路”文化中起到过重要作用；目前已成为实现新疆“一白一黑”优势资源开发战略的重要基地和我国西部开发潜力巨大的地区之一。内陆河流域的气候条件，尤其是水热条件和地貌特征，是植被生态、土壤环境及水环境形成与分异最主要的控制性因素，几大环境要素之间相互联系，相互制约形成内陆河流域生态环境空间分异规律和生态系统功能在空间不同地域上的差异性，并表现出不同程度的脆弱性特点。
在分析以塔里木河为代表的内陆河流域脆弱生态环境特征的基础上，利用多平台、多时相、多波段的遥感信息源，在GRS99及IDRISI支持下，依照图象图形学的相关原理，识别合成图象的信息丰富程度，确定用于塔里木河干流典型地区脆弱生态环境与景观格局分析的基准图象。利用1959年及1983年全色片和1992年彩红外片及1996年JERS-1黑白影像等遥感信息源，在ARC/INFO及MAPGIS支持下，编制完成不同时期干流中游典型区英巴扎地区，以及下游阿拉干典型区的土地沙漠化类型图。结果表明，英巴扎地区的植被状况有所改善。1983-1992年荒漠河岸林和平原低地灌丛面积增加，其增长率分别达到4.84%及0.22%，反映了抚育管理取得了良好效果。1996年平原低地灌丛面积却比1983年及1992年分别减少了11.9 km2和13.63 km2，但耕地面积逐渐增加，这种变化是以各种植被面积的减少为代价的。同时，对土地沙漠化的研究表明，阿拉干地区的沙漠化土地面积百分率由1959年的86.98%，增长到1996年的94.78%。说明生态系统的稳定性破坏后，系统的脆弱性加强，环境退化居于主导地位。
利用2000年CBERS-1 CCD 4,3,2波段及NOAA/AVHRR CH1,CH2,CH4通道数据，在GRS99及IDRISI支持下,根据典型区的地物特征及遥感图象上丰富的信息，进行景观格局制图。利用遥感和景观生态学的原理和方法，分析景观格局相关要素的耦合关系及其数量特征。受自然及人为因素的干扰影响，特别是水文状况的变化，原有的自然生态格局发生了很大的改变。塔里木河上游的人工绿洲已是该区的主要景观。但就整个干流而言，景观的破碎度和多样性仅分别为0.0035和1.276，景观的均匀度为0.1856,反映出景观较完整，破碎程度低；但景观类型相对较简单，且景观的优势度高达3.068，反映了几种少数的景观类型占据着整个景观格局的主导地位。这种状况不利于物质、能量以及信息的交流，是干旱区内陆河流域一种典型的脆弱生态环境景观。塔里木河流域中游英巴扎地区沙漠石油公路和塔里木河两大廊道呈十字形位于该区域的中部，它们决定了整个系统物质、能量及信息的传播途径。中游地区零星分布的油井所组成的小斑块以及连接它们的线路所组成的廊道，代表了石油勘探及开发在该区的发展轨迹；位于主河道两侧的河岸林使河流廊道更富有生态意义；远离主河道的天然植被形成了条形、椭圆形等不规则形状的群落，多以斑块的形式丰富了景观的内容。该区域的沙丘及其南部和东北部的沙漠，是该区域特色明显的基质，决定了英巴扎地区生态环境的严酷性和脆弱性。人类活动是土地分割、景观破碎化的主要原因，生态景观建设的理论及实践必须用遥感、GIS等现代科学技术的成果作指导。和田河流域上中下游，分别处于山地、绿洲及荒漠系统中，它们又以水资源的形成、转化、消耗和物质、能量及信息的传递为纽带，把三者联系起来，在同一流域体现了三大系统的耦合关系，是干旱区典型的系统耦合范例。
近50年来，塔里木河流域的生态环境发生了明显变化，并表现出一系列不稳定特征。针对塔里木河流域自然资源及生态环境的地域差异，以及流域的自然条件及人为干扰状况，选取水资源系统、土地资源系统、生物资源系统和环境系统(以沙漠化为主)的20个敏感性指标，对生态脆弱性程度进行综合分析。目前，对生态脆弱性的分级尚没有统一的标准，也没有普遍适用的评价依据。根据国内外研究现状，结合塔里木河全流域自然地理状况及生态环境脆弱性表现特征及变化规律，把生态脆弱性程度分为四级，并用生态脆弱性指数与之相对应。通过建立流域生态脆弱性评价指标体系及分级标准，在算术对数插值的基础上，构建生态脆弱性指数(EFI)。评价结果表明，阿克苏河流域EFI为0.08，属于轻微脆弱区，叶尔羌河流域及塔里木河上游EFI分别为0.23和0.25，属于一般脆弱区，和田河流域及塔里木河中游EFI分别为0.32和0.49，属于中等脆弱区，而塔里木河下游EFI为0.87，属于严重脆弱区。
人们对环境资源的过度使用和破坏，使生态系统的退化已成为普遍现象，退化生态系统是系统内生物要素与非生物要素不相匹配，在物质循环、能量转换及信息传递过程中，出现了一系列不相协调的状况。在西部干旱区，水是生态系统中最为重要的生态要素之一，水资源的消长变化直接制约着水域生态系统及相关生态系统的发育过程及演变趋势。不管是湿地生态系统，还是荒漠或自然绿洲生态系统，它们的退化一般表现为生物多样性降低、层次结构简单化、物质循环减弱、能量流动发生障碍，并且通过系统生产力下降、稳定性变差等得以明显反映。在生态系统退化特征及稳态研究的基础上，人们可以采取合理的恢复与重建的措施。
在塔里木河流域，水热、水土及水盐平衡失调，导致了系统的能量转换、物质循环及信息传输过程的受阻，是造成生态环境具有脆弱性的主要原因。目前，在系统论、信息论、控制论的指导下，以保护生物多样性为核心，以水资源的合理利用为出发点，保证生态用水，遵循生态学原理，特别是群落演替规律，以实现生态环境良性循环以及人地关系的和谐发展为最终目标，进行绿洲系统的生态建设。同时，在增强公众的生态保护及可持续发展意识的前提下，重点进行脆弱生态环境退化机理及恢复模式研究，为优化脆弱生态环境的结构和增强其功能提供科学依据。
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