塔里木河下游生态输水条件下胡杨林生态系统恢复研究

基于文献阅读,对塔里木河下游生态输水条件下胡杨林生态系统的恢复响应进行了讨论分析。生态输水显著抬升了地下水位,降低了地下水矿化度与土壤干旱指数,有效改善了塔里木河下游胡杨林生态系统的生境;胡杨复壮明显,距河道50 m胡杨冠幅最大增长达511.20%,距河道500 m内胡杨枯枝比平均小于0.15。输水后,下游胡杨树干径向生长平均增加62.80%,以胡杨为建群种的下游荒漠河岸林植被面积从2000年的492 km~2增加到2020年的1423 km~2,其中,低、中、高覆盖度植被面积分别增加20.80%、448.00%和190.00%;下游生态环境与植被群落对输水响应敏感,随输水量变化响应波动;现有输水模式因缺乏面上水文过程而难以保障下游胡杨林的有效更新,胡杨种群历经输水20 a依然保持"倒金字塔"型的退化龄级结构,并出现显著的性比偏雄与性别空间分异;胡杨群落依然处于恢复演替的初级阶段且不稳定,下游生态系统退化态势尚未彻底扭转。基于研究综述,探讨了塔里木河下游生态恢复中存在的问题,提出"优化输水方案,扩大受水面积和采取更加积极的恢复措施"的建议。     

干旱区内陆河流域荒漠河岸林群落生态过程与水文机制研究

干旱区内陆河流域生态水文过程研究已成为当今地理学、生态学研究的焦点,是开展生态恢复研究的重要内容。塔里木河下游断流河道的生态恢复是以沿自然河道生态输水为主要形式的,因此,有必要加深对塔里木河下游荒漠河岸林群落生态过程与水文机制的认识。在对塔里木河下游荒漠河岸林植被生态退化及其退化原因分析的基础上,综述了塔里木河下游典型植物生态水位的研究进展,阐述了植物适宜生态水位、胁迫地下水位和临界地下水位研究的阶段性成果,并进一步展望了未来研究的焦点问题。指出了群落生态水位、植被群落与土壤水分、盐分异质性的关系,提出植物水分利用机制是群落生态过程与水文机制研究的核心问题。     

塔里木河下游近20 a输水的生态效益监测分析

自2000年实施以抬升地下水位、拯救塔里木河下游"绿色走廊"、遏制生态持续恶化为目的的生态输水工程以来,截至2020年,已向塔里木河下游实施生态输水21次,累计输水量达84.45×10~8m~3。近20 a的监测结果分析显示:(1)在距河道100 m处,塔里木河下游的上段、中段、下段的地下水位埋深由输水前期2000年的7.76 m、9.31 m、7.82 m抬升至2020年的3.70 m、4.48 m、2.69 m,平均抬升幅度为4.06 m、4.83 m、5.13 m;在500 m处,地下水位埋深分别由输水前的8.21 m、9.45 m、9.08 m抬升至6.61 m、5.46 m、3.82 m。生态输水对塔里木河下游的上、中、下3个区段地下水位的影响范围均达到了1050 m,分别抬升了2.69 m、1.38 m、1.59 m。(2)地表水体面积由输水前的49.00 km~2扩大到2019年的498.54 km~2,尾闾湖泊—台特玛湖"死而复活",地表水体面积达到455.27 km~2。(3)输水后,地表生态响应敏感,在距河道2000 m范围内,塔里木河下游高植被覆盖度、归一化植被指数(ND-VI)、植被净初级生产力(NPP)、植被总初级生产力(GPP)分别增加了132 km~2、0.07、7.6 g C·m~(-2)和1221 g C·m~(-2)·季~(-1)。(4)输水对塔里木河下游地表植被的影响和改善面积达到1423 km~2,生态系统服务价值和功能大幅增加,碳汇区域由2001年占研究区的1.54%增长至2020年的7.80%,生态系统健康程度和生态恢复力大幅提升,土壤碳汇能力增加。近20 a的生态输水大幅抬升了塔里木河下游地下水位,沿河两岸以胡杨为主体的荒漠河岸林植被得到拯救和复壮,地表植被覆盖度增加,塔里木河下游生态退化趋势基本得到遏制。     

塔里木河下游输水与生态保育

从2000年5月至2002年7月塔里木河向下游4次输水所引起的地表植被的变化来看,生态输水后,植被响应明显,在距离河道150m范围内,草本植被重新萌发,种类也明显增加,乔灌木植被反应更加明显,出现了胡杨实生苗。在150～350m范围内,地下水没有达到草本植被生长所需要的水位,灌木和胡杨林对这一水位反应明显。在350～750m范围内,地下水位一般抬升1～3m,只能满足成年胡杨和个别种的柽柳生长,个别洼地可以发现零星的草本植被。到750m以后,与输水前的植被几乎没有变化。因此,可以认为750m是塔里木河下游生态输水的最大影响宽度。     

塔里木河下游输水与生态恢复监测初报

根据近三年塔里木河下游生态输水前后地下水位、水质、土壤、植被等项内容的监测资料，分析了塔里木河下游输水对地下水位、水质的影响，揭示了输水与地表生态的响应过程，探讨了地下水位与天然植被生长、恢复的相互关系，阐述了植被退化过程及相关因子，确定了维系塔河下游生态安全的最低生态需水量、最佳生态水位。     

塔里木河下游断流河道应急输水与地表植被响应

通过对塔里木河下游5个断面、30个植物样地的调查和对天然植物当年生小枝的长度、当年生小枝上胡杨的叶数、50片以上叶长、宽及叶重、芦苇的高度和叶长、宽、重量等的测试分析，揭示了塔里木河下游断流河道输水后地表植被的响应范围。研究表明，随着输水后地下水位的抬升，地表植被产生了明显变化。在横向上，芦苇的反应敏感区范围在100～150m区间；对胡杨的横向影响范围在200～250m之间；在纵向上，平均叶数从下游上段至下游下段，分别较末端断面增加57％、22．2％、9．2％；河道两岸地下水位较下游下段抬升幅度大，横向上对植被的影响范围也较下游下段宽。输水历时的长短和输水量对塔里木河下游植被恢复密切相关。     

基于树轮的塔里木河下游生态输水对胡杨生长特征影响研究

采用树木年轮和稳定同位素技术,分析了2000—2015年生态输水对塔里木河下游胡杨树木轮宽指数和树轮稳定碳同位素比率(δ~(13)C)的影响,探讨了生态输水与胡杨生长的关系。研究结果表明:(1)胡杨生长与生态输水量有着密切关系。受生态输水影响,塔里木河下游上段英苏断面胡杨轮宽指数和树轮δ~(13)C经历了3个阶段:在最初前4 a(2000—2003年)的输水过程中,胡杨生长响应十分敏感,胡杨轮宽指数和树轮δ~(13)C呈增加趋势,其平均值分别为1.52和-26.70‰;但在2004—2009年,随着生态输水量的逐渐减少,胡杨轮宽指数和树轮δ~(13)C逐渐下降,分别较2000—2003年平均减少了28.83%和2.41%;当2010—2015年生态输水重新稳定后,胡杨轮宽指数和树轮δ~(13)C也逐渐增加并趋于稳定。(2)输水时间与胡杨生长有着密切关系。胡杨生长与生长年(前一年9月—当年8月)、生长季(4—8月)和前一生长年(前一年4月—当年3月)生态输水相关性最高,与自然年(1—12月)生态输水相关性不显著。其中,2008年自然年(1—12月)没有下泄生态水,2009年(1—12月)虽然有输水,但因2009年生长季、生长年和前一生长年均没有生态水补给,导致胡杨轮宽指数和树轮δ~(13)C在2009年降至2000—2015年的最低值,分别为0.76和-27.50‰,较2003年分别降低了61.18%和3.14%。(3)根据研究结果,推导出生态输水促进胡杨生长的作用机理:塔里木河下游的生态输水有效抬升了地下水位,改善了胡杨生长的水分环境,提升了胡杨水分利用效率,从而增加光合累积产物,最终促进了树木的生长。但生态输水对地下水埋深、胡杨生长的影响具有滞后效应,滞后时间约为1 a。为维持荒漠河岸林的有效恢复与重建,建议塔里木河下游生态输水最好在植物生长季实施。     

输水漫溢对塔里木河中游胡杨林恢复的影响

生态输水是胡杨林保护专项行动的重要举措,分析输水漫溢对胡杨林恢复的影响是评估生态修复成效的关键。以塔里木胡杨国家级自然保护区为研究对象,采用密集时序遥感技术对2016年胡杨林保护专项行动实施以来的生态输水进行动态监测,定量分析漫溢水面和漫溢频次对胡杨林植被盖度变化的影响。结果表明：(1)漫溢水面主要存在于8—9月,年漫溢面积最大为246.7km²,最小为70.5 km²,在空间分布上呈现北多南少、下游大于上游的格局。(2)2016—2021年保护区胡杨林植被盖度从18.88%增加至19.61%,其中输水漫溢面占比65%的塔里木河北岸呈增加趋势,而南岸呈减小趋势。(3)输水漫溢区植被盖度的平均增长速率最高可达未输水区的4～5倍,当输水漫溢频次为3次时,植被盖度的增长速率显著提高。     

塔里木河下游绿色走廊生态输水对沙漠化逆转的影响

自2000年起实施向塔里木河下游应急生态输水以来,通过修建从博斯腾湖引水的第二输水系统和上、中游综合治理与灌区节水改造,5 a累计从大西海子水库输水17\^64亿m3,沿河自上至下改善生态面积达800 km2,补给地下水11亿m3,实现了下游河道季节流水和尾闾的积水,并使地下水位回升,初步恢复了塔里木河下游水流系统。这是下游绿色走廊在极端干旱荒漠生态系统中维持稳定的重要因子,为使其充分发挥生态功能,还需期待绿色走廊的生态植被复苏和扩展,为此,仍需每年继续输水,才能直接发挥防沙治沙效益。     

塔里木河下游胡杨径向生长量对生态输水的响应

 以塔里木河下游的胡杨径向生长量为研究对象,借鉴树木年轮水文学的方法,采用单因素方差分析方法,从数理统计学的角度分析了胡杨径向生长量对生态输水的响应过程。结果表明: ①距离河道300 m范围内,生态输水前后及输水期间各年份之间,胡杨的径向生长量在0.001的水平上差异极显著,胡杨对生态输水的响应非常积极; ②距离河道300 m范围外,胡杨的径向生长量在0.05的水平上差异不显著,胡杨对生态输水的响应不积极; ③线性的生态输水只是缓解了河道附近植被的衰退,改善了局部生态环境,却无法从根本上缓解整个塔里木河下游生态环境的恶化,塔里木河下游的生态环境呈现出局部改善、整体恶化的趋势。     

塔里木河下游河岸胡杨(Populus euphratica)林耗水过程模拟

选择塔里木河下游主要植物胡杨(Populus euphratica)林,以大气温度、太阳净辐射、大气相对湿度、冠层顶风速、地下水位和胡杨树茎横截面积为影响胡杨林耗水量的自变量,基于最小二乘法建立了多重线性回归模型、非线性回归模型和完全二次回归模型,并应用模型对塔里木河下游河岸胡杨林的耗水过程进行了日尺度上的模拟研究。结果表明:3个回归模型均表现出较好的模拟效果,其中完全二次回归模型的模拟精度最高,模型中大气温度、地下水位和胡杨树茎横截面积是影响胡杨耗水量的诸多环境因子中最敏感的因子;胡杨林的耗水量观测值与模拟值表现出较好的相关性,3个回归模型的模拟值与观测值的相关系数依次分别为0.6793、0.7299、0.7574,其相对误差分别为28.7%、26.1%、22.9%,其显著性水平均通过95%显著性检验;3个回归模型中完全二次回归模型具有使用简便、影响因子易测定、有一定精度等优点,能够更好刻画植被腾发量的复杂非线性特性,为干旱区自然植被耗水量估算、模拟和生态需水量计算提供了新的思路和方法。     

近20 a塔里木河下游输水对生态环境的影响

塔里木河下游是新疆生态环境问题比较突出的地区。为改善该地区恶化的生态环境,国家自2000年起向塔里木河下游实施了18次以生态建设和环境保护为目的的生态输水工程。近20 a来,塔里木河下游地下水位随输水次数增加呈不断上升趋势,生态植被不断修复,生态环境逐步好转。尤其是2017年实施第18次生态输水后,下输水量及其影响范围取得较大突破,引起社会高度关注。通过近20 a的断面来水监测资料,从水量、水质、地下水变化、植被恢复等方面,初步分析输水对生态环境的影响。同时,对前人研究的成果进行梳理和延展,使其对今后塔里木河下游的生态调度和科学管理起到指导作用。经分析得出以下结论：（1）虽然生态输水量基本都补给了生态植被和河道两侧的地下水,但持续性输水才是保证下游脆弱的生态环境稳定好转的根本途径。（2）输水使下游生态环境得到改善,现生态植被正在恢复,地下水位逐步抬升,地下水质明显好转。（3）采用汛期输水和间歇机动式调度,可使输水效益达到最大化。     

树木年轮对塔里木河生态环境变迁的印证

树木年轮是全球变化研究中获取过去气候环境演变数据的重要载体,具有定年准确、连续性好、分辨率及重建精度高等优势。通过单调趋势检验塔里木河上中游径流量与胡杨年轮的趋势变化情况,将树木年轮与历史文献记载相结合,分析塔里木河下游树木年轮对水分供给的响应情况,印证胡杨年轮对河道改道事件响应的准确性。结果表明：（1）1957—2010年,塔里木河上中游胡杨径向生长量在时间序列上逐渐下降,与径流有着相同的变化趋势,且下降趋势显著;（2）下游年轮标本显示1913-2000年胡杨径向生长量整体下降,1973-2001年更加明显而达到近100年最低水平,拉依河的形成、改道、重归故道等与历史文献记载相同;（3）生态输水工程的开展改善了下游生态环境,这从下游胡杨年轮上得到了验证,但近15年的生态输水远未使下游胡杨年轮生长量达到1920年以前的水平,说明目前的生态输水对荒漠河岸林的恢复能力也是有限的;（4）在胡杨年轮对水资源的响应分析中,小波分析方法与历史文献记载得出了相同的结论。     

塔里木河下游地下水位对植被的影响

对塔里木河下游断流河道2000~2002年9个地下水监测断面和18个植被样地的实地监测资料分析表明,地下水埋深对天然植被的组成、分布及长势有直接关系。地下水位的不断下降和土壤含水率大大丧失是引起塔里木河下游植被退化的主导因子。塔里木河下游的四次输水对其下游地下水位抬升起到了积极作用,河道附近地下水位呈逐级抬升过程,横向影响范围达1000 m左右,纵向上,表现为上段地下水抬升幅度较大 (达84%),下段抬升幅度较小 (6%)。随着地下水位的抬升,天然植被的响应范围由第一次输水后的200~250 m,扩展到第四次输水的800 m。     

塔里木河下游人工胡杨林生态恢复过程的初步研究

在以植物群落调查样地为基础,对塔里木河下游不同林龄人工胡杨林的物种丰富度、物种多样性指数、群落均匀度、生态优势度等进行了分析,同时对土壤理化性质在21a间的变化情况也作了详细分析。通过分析,表明人工胡杨群落随着发育年限的增加,群落物种丰富度,物种多样性指数和均匀度指数不断增长,而群落生态优势度逐渐降低,同时土壤理化性质不断改善。在此基础上,对塔里木河植被的演变趋势作一初步的探讨和估计,从而对塔里木河下游植被的生态恢复也具有重要意义。     

塔里木河下游生态输水对地下水补给量研究

地下水对干旱区荒漠生态系统的维持至关重要,生态输水对地下水的补给量及影响范围是评估输水成效的要素之一,对于准确理解地下水循环特征至关重要。基于2000—2020年塔里木河下游生态输水过程中的地下水监测数据,拟合输水前后地下水水面线方程,结合水均衡原理,对塔里木河下游近20 a生态输水过程中的地下水埋深时空变化、地下水补给量以及输水期地下水最大影响范围进行了估算与分析。结果表明:(1)塔里木河下游实施生态输水后,地下水位呈明显抬升趋势,抬升幅度具时空差异性,在英苏、喀尔达依和阿拉干断面分别抬升了3.01 m、2.87 m、5.75 m;前10 a输水对地下水位抬升作用明显小于后10 a;(2)塔里木河下游近20 a的输水对地下水的总补给量为30.6×10~8m~3(占输水总量的36.2%),包气带补给40.1×10~8m~3(47.5%),入台特玛湖水量为11.7×10~8m~3(13.8%);(3)塔里木河下游前10 a的输水对地下水补给量(61.6%)大于后10 a(25.2%),主要归因于输水量增大,地下水埋深减小引起土壤含水量饱和差减小;(4)塔里木河下游输水期地下水的最大影响范围具有较大的波动,与输水前地下水埋深和输水量正相关;近10 a,英苏、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻断面,输水期地下水单侧影响范围高达1075 m、2326 m、1623 m、856 m。     

一个新的荒漠河岸林需水量估算方法及其在塔里木河下游的应用

通过检验一个使用气象数据和植被参数实现逐日计算不同植物种需水量,并能反映其空间变化的荒漠河岸林需水量估算模型,并基于2013年的气象和遥感数据,分析了塔里木河下游荒漠河岸林需水量的时空动态特征。结果表明:在现有植被分布和盖度下,塔里木河下游河岸林年总需水量为1.035×10~8m~3,其中柽柳群落需水4.499×10~7m~3,胡杨群落需水5.855×10~7m~3;单位面积河岸林平均需水量为139.6 mm,胡杨群落需水量比柽柳群落多63.0 mm;河岸林展叶期和落叶期需水量较少,而生长盛期每天大约需水75×10~4m~3。模型强调植被空间分布对需水量的影响,能够动态描述需水量的时空变化,为内陆河水资源管理提供更丰富的信息和准确的结果。     

塔里木河下游生态输水对沙漠化逆转的影响

塔里木河下游是我国沙漠化最严重的地区之一。由于人类不合理的资源开发, 导致320km河道断流、大面积湿地消失、地下水位大幅度下降、天然植被全面衰败, 沙漠化程度加重。作者结合塔里木河下游生态输水和近3a的实地监测资料, 分析输水前后塔里木河下游典型地区沙漠化程度的变化, 并就生态输水对塔里木河下游沙漠化逆转的影响进行了讨论。结果表明, 生态输水后, 河道附近地下水位大幅度抬升, 植被种类和盖度明显增加, 部分地区沙漠化得到逆转。从实现逆转的沙漠化土地的空间分布看, 在纵横两个方向上表现出明显的变化规律, 在纵向上表现为上游土地沙漠化逆转的强度和范围较下游大; 在横向上, 表现为距输水河道越近变化越明显的特点。考虑到输水影响范围较小, 建议对现行的输水方式和输水规模进行适当调整。     

荒漠河岸林区3种典型植物群落下土壤碳氮含量特征

以黑河下游荒漠河岸林区3种典型植物(苦豆子(Sophora alopecuroides)、胡杨(Populus euphratica)、柽柳(Tamarix ramosissima))群落下的土壤为研究对象,分析了0～280 cm土层土壤碳氮含量特征,运用Pearson相关分析、通径分析方法揭示了土壤碳氮含量与其他理化性质的关系。结果表明：(1)苦豆子、胡杨、柽柳群落下的土壤平均碳含量分别为16.35、20.23、17.23 mg·g^-1,平均氮含量分别为0.47、0.69、0.61 mg·g^-1,植被类型导致的土壤碳氮含量的差异主要表现在0～10 cm表层。(2)荒漠河岸林区0～160 cm土壤碳储量柽柳(444.64 t·hm-2)>胡杨(398.60 t·hm^-2)>苦豆子(368.95 t·hm^-2),土壤氮储量柽柳(12.46 t·hm^-2)>胡杨(11.88 t·hm^-2)>苦豆子(10.60 t·hm^-2     

地下变水位条件下塔里木河下游河岸胡杨林蒸腾模型

选择在塔里木河下游普遍生长的胡杨林(Populus euphratica)为供试植被(3种不同大小胡杨),以大气温度、太阳净辐射、大气相对湿度、冠层顶风速、地下水位和胡杨树茎横截面积等6个影响因子作为影响胡杨林蒸腾量的自变量,基于最小二乘法建立了多元线性回归模型与非线性模型相结合的多元非线性回归耦合模型,并应用模型对地下变水位条件下塔里木河下游河岸胡杨林的耗水过程分别进行了时尺度和日尺度上的模拟研究。结果表明:在日内变化(时尺度)方面,大气温度、相对湿度、辐射、地下水位和树茎横截面积等5个因子是影响胡杨林蒸腾量的主要因素,在不同地下水位条件(Hg=1.0 m、1.2 m、2.5 m、3.0 m)条件下,胡杨蒸腾量观测与模拟的平均确定系数分别为0.69、0.87、0.82和0.88;而在日均变化(日尺度)方面,大气温度、地下水位和树茎横截面积等3个因子是影响胡杨林蒸腾量的主要因素,胡杨林的蒸腾量观测值与模拟值表现出较好的相关性,其确定系数与决定系数分别为R=0.73、R2=0.532,平均相对误差为19.6%,其显著性水平均通过p=0.05,表现出较好的拟合性。总之,模拟结果与试验观测结果比较吻合,该回归耦合模型具有使用简便、影响因子易测定,能够更好刻画植被腾发量的复杂非线性特性,为干旱区自然植被耗水量的估算提供了计算方法和科学依据。