塔里木河下游生态输水对地下水埋深变化的影响

地下水是维系荒漠河岸植被生存、生长的关键因子,对于退化植被的恢复具有重要的意义。结合塔里木河下游生态输水过程中地下水埋深的实测数据,详尽分析了2000—2020年地下水埋深的时空变化及对生态输水的响应。监测结果显示:在生态输水条件下,塔里木河下游河道两侧地下水埋深大幅抬升。(1)在纵向上,自上游段的英苏、中游段的喀尔达依,至下游段的依干不及麻,在距河道100 m处,地下水埋深分别由输水前的7.76 m、9.31 m、7.82 m抬升至3.70 m、4.48 m和2.69 m;在距河道300 m处,地下水埋深分别由输水前的8.09 m、9.15 m、8.25 m抬升至4.53 m、5.00 m和3.29 m;在距河道500 m处,地下水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和3.82 m。(2)在垂直于河道方向上,根据地下水井监测数据,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。(3)生态输水前期(2000—2009年),上、中段地下水位抬升迅速,2009年以后,下游段依干不及麻地下水位抬升幅度明显高于英苏(0.88～4.65 m)和喀尔达依(0.53～4.07 m)。并且,70.5%监测井地下水位波动趋于稳定,说明间歇性的生态输水有助于抬高地下水埋深,是地下水补给的主要来源,对于维持地下水较高水位的动态平衡具有一定的促进作用。     

塔里木河下游生态输水对植被碳源/汇空间格局的影响

基于2000年以来塔里木河下游生态输水资料、气象数据、土地利用/覆被变化数据等,结合修正的CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型和土壤微生物呼吸模型(Heterotrophic respiration,R_H)估算了2001—2019年植被净生态系统生产力(Net ecosysterm productivity,NEP),分析了植被碳源/汇空间分布变化,探讨了塔里木河下游生态输水对植被碳源/汇变化的影响。结果表明:(1)随着2000年以来塔里木河下游生态输水,下游退化的生态系统有一定程度的恢复,植被碳汇区域呈现扩大的趋势。2001—2019年NEP以0.541 g C·m~(-2)·a~(-1)的速率呈现上升趋势,其中夏季增加速率最大,为0.406 g C·m~(-2)·a~(-1),增加的区域主要位于大西海子水库北部、英苏、博孜库勒湿地、喀尔达依湿地以及台特玛湖。碳汇面积从2001年的71 km2增加至2019年的355 km~2,增加了4倍。(2)在季节变化上,夏季碳汇面积为109 km~2,在四季中占比最大,春秋次之,冬季无明显碳汇面积。(3)塔里木河下游生态系统碳汇面积变化次序为:草地林地耕地未利用地水域建设用地。此外,林地和草地年平均变化率最高,分别为2.69 km~2·a~(-1)和3.57 km~2·a~(-1)。生态输水量与碳汇面积有很好的线性关系,碳汇面积变化存在约1 a的滞后效应。     

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。     

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。     

塔里木河下游生态输水对胡杨林生态系统碳循环的影响

2000—2020年期间向塔里木河下游的生态输水有效抬升了下游的地下水位,并对下游胡杨林生态系统的碳循环产生了重要影响。综述了生态输水对塔里木河下游胡杨林生态系统植被固碳作用可能产生的影响,分析了植被类型变化可能对胡杨林土壤有机碳含量和土壤有机碳储量产生的影响,总结了生态输水后胡杨林碳释放关键过程-土壤呼吸对生态输水的响应,解析了间歇性生态输水所致的水淹干扰对胡杨凋落叶分解的影响。综述分析表明,生态输水工程的实施对塔里木河下游荒漠河岸林生态系统的碳固定和碳释放过程均产生了作用,从而对荒漠河岸林生态系统碳循环产生了复杂的影响。总体而言,20 a的生态输水增大了塔里木河下游生态系统碳汇面积,提高了下游胡杨林生态系统植被生产力,遏制了下游胡杨林的退化,使部分裸地逐渐变为草地、林地或灌丛地,这种演变可增加土壤有机碳含量和区域土壤有机碳储量。生态输水所致的地下水位和土壤水分的变化会影响胡杨林土壤碳释放过程,其中胡杨林土壤呼吸速率与地下水位有关,而水淹干扰对胡杨凋落叶质量损失速率产生了影响。     

塔里木河下游生态输水效应北大核心CSCD

分析塔里木河下游生态输水效应可为优化生态输水调配策略提供科学指导。基于Landsat系列影像、气象数据和现场钻探数据,解译土地利用类型及植被覆盖度,确定植被耗水量及地下水埋深演变趋势,以探讨生态输水的多重效应。结果显示:(1)2000—2020年,塔里木河下游林草地面积、覆盖度增长显著,1亿m^(3)生态水分别对应5.40 km^(2)天然植被面积及0.14%植被覆盖度增长。(2)2000—2015年植被耗水量重心沿塔里木河干流方向迁移,2015—2020年向自然漫溢区迁移,共向东南迁移4 359 m。(3)自然漫溢区内地下水埋深增幅高达5 m,主河道沿线2 km范围增加1~3 m,河道以外2~5 km区域地下水埋深增加0~1 m。(4)天然植被适宜耗水量约为200 mm·a^(-1),生态输水前期仅在主河道沿线局部区域存在低效耗散,后期大量集中于自然漫溢区。21年生态输水实践表明,天然植被明显改善,地下水位明显回升,生态输水效应显著;但受既有输水方式固化的制约,生态水量空间分布不均衡和低效耗散增大,生态输水方式仍存在优化的必要性。     

塔里木河下游生态输水对地表水体面积变化的影响

以河湖为主体的塔里木河下游地表水体的面积受到输水工程的影响,在区域水循环、调节水平衡中扮演着重要角色。基于近20 a塔里木河下游Landsat 5、Landsat 7和Landsat 8影像资料和生态输水数据,综合采用Google Earth Engine(GEE)计算平台和多元统计分析方法,对地表水体面积变化及其对生态输水的响应进行了系统分析。结果表明:(1)2000—2019年,塔里木河下游区域的地表水体、季节性水体和永久性水体的面积均呈现波动上升趋势,速率分别为15.54 km~2·a~(-1)、7.12 km~2·a~(-1)和8.41 km~2·a~(-1);塔里木河下游上段(大西海子水库—英苏,不包括大西海子水库)、中段(英苏—阿拉干)和下段(阿拉干—台特玛湖)区域的季节性水体和永久水体面积也均呈现波动增加趋势,其中下段区域的增加速率最大,其值分别为5.23 km~2·a~(-1)和8.24 km~2·a~(-1)。(2)生态输水引起的地表水体面积增加主要表现在台特玛湖湖区,2019年台特玛湖湖区的地表永久水体和季节性水体面积分别约为267.27 km~2和188.00 km~2,总体水面积约为455.27 km~2,相比2000年(约38.19 km~2)增加了417.08 km~2(约10.92倍)。(3)近20 a来,研究区域地表水体面积,尤其是永久水体面积变化与塔里木河下游生态输水量密切相关;2007—2009年输水量下泄水量较少,直接导致研究区域在2009年地表水体和季节性水体的面积均减少到最低点。研究结果有助于全面理解塔里木河下游生态输水对地表水体变化的影响,为区域水生态保护提供科学依据。     

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。     

塔里木河下游输水20 a的生态响应

为了补给塔里木河下游断流的河道和挽救濒死的荒漠群落,自2001年塔里木河实施了生态输水工程,流域生态环境得到初步改善,实现了流域经济社会发展与生态环境保护的双赢。在生态输水20 a之际,为了评估输水的生态效应,基于多源遥感数据MOD13Q1和MCD12Q1数据,通过数学统计方法调查了塔里木河下游归一化植被指数(NDVI)和植被覆盖度的时空变化。结果表明:经过近20 a的生态输水,塔里木河下游的NDVI从2000年的0.14增大到2020年的0.21,增幅达33.3%,植被面积从2000年492 km~2扩大到2020年的1423 km~2;其中,低、中、高植被覆盖度的面积相较于2000年分别增多了277 km~2,537 km~2和132 km~2,增幅分别达到20.8%,448.0%和190.0%,中段的植被面积和植被覆盖度的增幅均高于上、下段区域的增幅。NDVI和植被覆盖度均表现为距离河道2 km范围内的值较大,且增幅也较大,2 km以外NDVI和植被覆盖度逐渐变小,且增幅也较小。空间上来看,约有57.1%的区域NDVI和植被覆盖度呈现显著增加趋势,显著减小的区域都不超过2.0%。Hurst指数表明超过75.0%以上的区域这种变绿的趋势会在未来继续保持,仅有6.1%的区域生态会继续恶化。综合评估塔里木河输水工程的生态效应,对于干旱区荒漠的保育恢复治理、生态水资源管理等方面具有重要的科学意义。     

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。     

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。     

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。     

塔里木河下游地下水抬升的地表植被恢复价值初探

基于塔里木河下游生态输水前后地下水动态变化和地表植被响应的长期监测资料,以输水后地下水动态变化引起的地表植被生物量差异为出发点,借鉴国内外生态经济价值量化的计算方法,从地表植被响应的生态经济价值和地下水抬升的潜在恢复价值来计算生态输水后植被恢复的地表生态经济价值。目的是为量化生态输水工程的恢复效益提供理论依据。结果显示:在塔里木河下游典型的考干断面,垂直河道方向为长的2 000 m、平行河道方向为宽的100 m的样带内,地下水位出现了明显的抬升,水位抬升幅度以河道为中心由近到远逐渐降低,这点突出地反映在以柽柳灌丛为主的地表生物量的明显变化上。根据5年的河道区间耗水量资料,计算出该区间100 m宽的样带因输水而投入的水资源价值为0.65×104元,而输水后从地表植被生物量变化引起的地表生态响应价值为1.119×104元,投入产出比为1?1.72;地下水抬升的潜在经济价值是3.741×104元,总的投入产出比为:1?7.477,表明输水有显著的生态效益。     

近20 a塔里木河生态输水对植被总初级生产力变化的影响

植被总初级生产力(Gross primary productivity,GPP)是陆地生态系统碳循环的关键环节,对维持全球碳平衡至关重要。基于Google Earth Engine平台,利用NASA LP DAAC发布的MOD17A2H产品,研究分析了塔里木河生态输水期间陆地生态系统生长季的GPP变化。结果表明:(1)生态输水后,塔里木河生态环境整体得到改善。输水前期,塔里木河生长季GPP平均为3675.51 g C·m~(-2)·季~(-1),输水中期,生长季GPP增加到4024.09 g C·m~(-2)·季~(-1),输水后期,该值跃升为4896.61 g C·m~(-2)·季~(-1)。2000—2020年塔里木河生长季GPP表现出明显的增加趋势,增长幅度约为每个生长季增加90.25 g C·m~(-2)。2010年后,上、中、下游日GPP增加幅度亦更明显,分别为每10 a增加2.54 g C·m~(-2)、2.17 g C·m~(-2)和1.74 g C·m~(-2)。(2)塔里木河陆地生态系统生长季(5—10月)的日GPP变化在不同区域存在明显差异。上游区日GPP变化总体上表现出先增加后减小的单峰趋势,下游区则以双峰变化趋势为主。(3)塔里木河生态输水工程有益于生长季GPP的变化,其中对6、8月的GPP变化影响更显著。     

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。     

间歇性输水影响下的2001-2011 年塔里木河下游生态环境变化

采用2001-2011 年野外调查资料和卫星遥感影像数据,对生态输水影响下的塔里木河下游地下水、植被变化特征进行分析,并探讨了典型断面植被对地下水埋深变化的响应关系。结果表明:(1) 各断面地下水位变化过程与河道来水过程密切相关,近10 年来经历了显著抬升(2000-2005 年)—缓慢降低(2006-2009 年)—小幅抬升(2010 至今) 的过程,主要表现为随生态输水量的改变呈波动变化;地下水位抬升幅度与生态放水量的相关系数达0.78,与生态放水持续时间的相关系数为0.70。(2) 2001-2011 年塔河下游植被覆盖面积总体上呈增加趋势,其中灌木林地和草地变化显著,林地和耕地面积呈小幅度变化;植被覆盖度的变化主要表现为2001-2006 年显著提高和2006-2011 年小幅变化。(3) 植被覆盖度随地下水位的抬升呈现出增加的趋势;垂直河道的方向上,同时期植被覆盖度与地下水埋深空间分布特征一致,均以输水河道为轴向两侧植被覆盖度(地下水埋深) 逐渐降低(增大);平行河道的方向,植被覆盖度对地下水埋深的响应幅度随着离大西海子水库距离的增加而减小。     

塔里木河下游长期输水条件下河流剖面地下水埋深估算

准确估计输水条件下河岸地下水埋深的动态变化,可以量化生态输水量与地下水埋深的响应关系,并由此估计自然河道所需输水量及持续时间,这对于干旱区水资源管理的可持续发展具有重要的科学意义。结合塔里木河下游20 a生态输水监测数据,用发展的包含地下水和土壤水的拟二维地下水模型,对输水条件下塔里木河下游上、中、下段3个断面(英苏、阿拉干和依干不及麻)的地下水埋深变化进行20 a长期模拟。通过率定期和后11 a(2010—2020年)的地下水埋深模拟结果与站点数据比较,发现两者较一致,证明该模型在塔里木河下游河岸断面地下水长期模拟上的合理性和适用性。然后根据3个断面20 a的模拟结果分析输水条件下地下水埋深和土壤水的长期变化及其对生态输水的响应。结果表明:经过20 a的生态输水,英苏、阿拉干和依干不及麻3个断面上的地下水位和土壤湿度都有明显的上升,地下水位埋深从输水前的8 m左右抬升到输水后的4 m左右,土壤湿度从最初的0.20上升到0.35以上,特别是自2009年以来,随年输水量增加,地下水位和土壤湿度增加幅度明显。生态输水与地下水的年际变化有一定的滞后性,由于土壤湿度和地下水位表现为正相关关系,这使得土壤湿度对输水量也有滞后性的特点。相比于河水流量,地下水水平传导率的取值对断面地下水埋深变化起着更重要的作用。另外,输水量与地下水的年际变化表明塔里木河下游河岸要想获得持续的生态效益,需要对河道提供间歇性的生态输水。     

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。     

塔里木河生态输水条件下土地利用/覆被变化对生态系统服务价值的影响

基于2000—2020年土地利用数据,采用修正后的单位面积价值当量法、生态系统服务变化指数与探索性空间分析手段,分析了塔里木河下游自生态输水以来生态系统服务功能的时空变化特征。结果表明:(1)自2000年生态输水以来,塔里木河下游耕地、林地和草地面积分别增长了18.6 km~2、54.7 km~2和76.7 km~2,裸地面积减少了104.0 km~2;其中耕地和林地增长面积主要分布在大西海子水库—英苏段,草地增长面积主要分布在英苏—阿拉干段和阿拉干—台特玛湖段。(2)塔里木河下游生态系统服务价值由2000年的42.66×10~9元增长到了2020年的45.86×10~9元,增长了3.20×10~9元,且生态系统服务价值低值土地利用类型向高值土地利用类型转化频繁。(3)塔里木河下游生态系统服务价值Global Moran’s I由2000年的0.7552增长到2020年的0.7639,该地区生态系统服务价值存在明显的正向空间自相关关系,且增值区主要集中分布在大西海子水库—英苏段,损失区主要分布在英苏—阿拉干段和阿拉干—台特玛湖段。塔里木河下游生态输水对该地区生态环境修复起到了积极的作用,有效提升了该区域的生态系统服务价值。