塔里木河下游荒漠植物多样性、地上生物量与地下水埋深的关系

样带是研究植物群落沿环境因子梯度变化的重要方法。用样带法研究了塔里木河下游荒漠植被群落物种多样性和地上生物量在垂直河道方向随地下水埋深梯度变化的关系。结果表明：（1）样带植物群落物种多样性与地下水埋深极显著负线性相关（P〈0.01）,Margalaf指数、Pielou指数、Shannon-Wiener指数和Simpson指数均随地下水埋深增大而减小,地下水埋深是影响群落组成和物种多样性的重要因素。（2）单一乔木层、灌木层、草本层地上生物量和乔灌草地上总生物量与地下水埋深均极显著负相关（P〈0.01）,地下水埋深从3 m增大到7 m时,地上总生物量由912.2 g·m^-2减少到不足30 g·m^-2,地下水埋深是制约荒漠植被地上生物量和分布的主要因素。（3）群落多样性与地上生物量之间显著正线性相关（P〈0.05）,即随多样性增加,地上生物量呈增加趋势。     

塔里木河下游绿洲-荒漠过渡带植物多样性特征及优势种群分布格局

结合10个断面的30个样地野外调查结果,采用物种丰富度指数(R)、Shannon-Wiener指数(H)、Simpson优势度指数(D)、物种均匀度指数(JSW)、Whittaker指数、Cody指数、扩散系数(C)、负二项参数(K)、平均拥挤度(m*)、丛生指标(I)、聚块性指标(PI)、Green指数(CA)、Cassie指标(GI) 综合分析了塔里木河下游绿洲-荒漠过渡带植物群落多样性及优势种群的空间分布格局。结果表明:塔里木河下游绿洲-荒漠过渡带优势种群为胡杨(Populus euphratica)、柽柳(Tamarix spp.)、黑果枸杞(Lycium ruthenicum)、盐穗木(Halostachys caspica)、花花柴(Karelinia caspica)、芦苇(Phragmites communis)、骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、甘草(Glycyrrhiza inflata)、罗布麻(Apocynum hendersonii),受生境中水分条件的影响,各种群均呈聚集分布格局;各群落α-多样性指数低,物种多样性呈梯度变化,受环境水土资源条件限制,物种丰富度变化为:绿洲内>交错区>荒漠区;受地下水埋深的影响,群落结构呈规律性变化:乔-灌-草结构—灌-草结构—单一灌木结构—灌-草结构—乔-灌-草结构;Whittaker指数、Cody指数显示群落β-多样性随着地下水埋深梯度发生变化,过渡带是绿洲和荒漠物种分布变化的分界地带。因此,地下水埋深是决定塔里木河下游绿洲-荒漠过渡带物种多样性和种群分布的决定因素。     

塔里木河中下游荒漠河岸林植被对地下水埋深变化的响应

结合塔里木河中下游74 个植被样地和74 眼地下水位监测井(2005-2007 年) 数据, 将 地下水位按不同埋深划分为0~2 m, 2~4 m, 4~6 m, 6~8 m, 8~10 m 和>10 m 6 个梯度, 对不同地下水埋深下的群落盖度、物种多样性进行了分析, 并探讨了主要植物种分布频率与地 下水埋深的关系。结果表明： 在地下水位2~4 m 时, 物种多样性最高, 其次为4~6 m, 再次为0~2 m; 当地下水位在6 m 以下时, 物种多样性锐减。塔里木河中下游主要植物最适宜水位在2~4 m 之间; 这些植物能够正常生长的地下水埋深区间为3~6 m。这表明, 塔里木河下 游植被恢复的地下水位应确保达到6 m 以上。     

策勒绿洲外围不同地下水埋深下主要优势植物的分布和群落特征

对塔克拉玛干沙漠南缘策勒绿洲外围地下水埋深与主要优势植物分布和群落特点的研究结果表明,植物的分布和群落特征受地下水埋深变化的影响。但群落的组成成分和生物多样性受到地貌特征和地下水埋深的双重影响。群落的差异性和间断性大于群落的连续性和相似性。群落分布随地下水埋深的变化与其他荒漠地区在大的空间演替规律上相一致,但在群落类型、特别是低水位地段群落演替序列上有明显不同。随着地下水埋深的变化,植物群落依次为:低水位的骆驼刺群落,较低水位的柽柳群落,中低水位的柽柳、胡杨群落,较高水位的芦苇群落,高水位的苦豆子群落,其中地下水埋深6.0 m以上地段是植物群落类型、种类组成和生物多样性都较为丰富的地区。绿洲外围植物中柽柳具有最大的环境资源利用比率,对环境的适应性最强。     

荒漠河岸植被的受损过程与受损机理分析

以塔里木河多年平均地下水位数据为依据,将地下水位划分为6个环境梯度,各梯度上6次重复采集植被样地数据。从物种多样性、植被盖度与群落类型等几方面分析了植被的受损过程,以及导致此过程的受损机理。结果表明：(1) 草本植物丰富度受损发生在地下水埋深大于4 m,而木本植物丰富度受损发生在地下水埋深大于8 m。(2) 植被盖度减少始于草本植物盖度受损,与群落多样性受损的临界地下水位相同,发生在地下水埋深大于4 m;在地下水埋深大于6 m之后,植被盖度不断减少则是由木本植物盖度的减少所引起。(3) 群落类型受损体现在芦苇群落和胡杨林群落的结构与类型变化上,芦苇群落的衰退演变出现了优势种的更替,而胡杨林群落中优势种的优势地位没有变化。(4) 此受损过程是由荒漠河岸生态系统脆弱的生态基质和外界干扰共同作用的结果,起因于人口的增加、需求的增长。植被退化是人类干扰作用于植被赖以生存的环境主导因子所致。在生态受损过程中,植物功能型差异与所承受的干扰强度差异对植被退化的程度有一定影响。     

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。     

胡杨(Populus euphratica)水分再分配与其伴生种多样性和生态位的关系

杜加依林建群种胡杨(Populus euphratica)的水分再分配现象已被广泛认知,但该现象对其伴生种多样性和生态位宽度的影响仍不清楚。基于120个样方的调查数据,通过分析比较2010年6、8、10月胡杨林冠下(林冠群落)与非胡杨林下(对照群落)在群落数量特征、物种多样性和生态位宽度上的差别,以探明水分再分配和物种多样性间的关系。结果表明:(1)林冠灌木和草本群落的郁闭度、株高和多度在6、8、10月均分别显著高于对照灌木和草本群落(P0.05);(2)在6、8、10月,林冠灌木的Margalef丰富度指数和Brillouin物种多样性指数均显著高于对照群落(P0.05),Pielou均匀度指数在两群落间未有显著性差别(P0.05);相反,林冠草本群落的Margalef丰富度指数仅在6月和10月显著高于对照群落(P0.05),其他时期,林冠草本群落的物种多样性指数均小于对照群落;(3)林冠灌木和草本群落的物种生态位宽度多高于对照灌木和草本群落。胡杨作为杜加依林的建群种,其拥有水分再分配现象能够改善森林的水分条件,对胡杨林冠下伴生种群落的数量特征、生态位宽度和物种多样性产生积极影响。     

塔里木河下游物种多样性恢复速率分析

通过塔里木河下游生态输水后植物群落及其环境因子的系统取样调查,采用β多样性指数,从时空维上分析了生境差异与物种的恢复速率差异.结果表明:物种多样性差异与环境水分条件有着密切的关系,在地下水埋深小于5 m时,物种恢复速率的发生率达100%,而在地下水埋深大干5 m时;多样性恢复的率达46%.生境异质性较高的群落,水分条件较好,其物种恢复速率相对较高,表现为河边低地、地表未起沙生境与人工灌溉生境具有较高的物种恢复速率.生态恢复过程中,人类的干预对局部生境中物种多样性恢复产生了一定的影响,但物种替代速率与恢复速率的大小最终决定于水分条件的可利用性与环境劣变程度.     

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。     

基于生态水文过程的塔里木河下游 植被生态需水量研究

根据2005年塔里木河下游8个断面25眼地下水位观测井和25个植物样地野外采集的数据,运用DPS统计软件计算植被物种多样性指数,进而对地下水、土壤水与植被的关系进行了分析,结果表明地下水位、土壤含水量与植被多样性之间都有极强的相关性,在此基础上确定出塔里木河下游潜水蒸发的极限埋深是5 m。并采用阿维里扬诺夫公式和群克水均衡场公式对塔里木河下游天然植被的月潜水蒸发量进行计算,将两者计算结果加以算术平均得到塔里木河下游不同埋深对应的潜水蒸发量;采用两种方法对植被面积进行分类,在此分类基础上计算生态需水量,将两个结果再次平均,得到天然植被全年最低需水量约为3.2×10⁸ m³。通过对月生态需水量的分析发现4月到9月的生态需水量占全年的81%,尤其是5、6、7三个月占全年总需水量的47%,是生态需水的主要时期。     

塔里木河下游地下水变化动态分析

由十塔里木河下游地下水位不断下降,而来水量却连年减少,与20世纪50年代相比平均下降了4～6m。随着大面积发展灌溉农业,排水洗盐改良土壤进程加快,相应地排入塔里木河的咸水也大大增加,塔河下游地下水水质也发生相应的变化。通过对塔里木河下游地下水变化动态以及来水量、农业灌溉对地下水的分析,也对沙漠化发展和分布对地下水的响应关系进行了探讨。     

Ecological water demand of natural vegetation in the lower Tarim River

We have appraised the relationships between soil moisture, groundwater depth, and plant species diversity in the lower reaches of the Tarim River in western China, by analyzing field data from 25 monitoring wells across eight study sites and 25 permanent vegetation survey plots. It is noted that groundwater depth, soil moisture and plant species diversity are closely related. It has been proven that the critical phreatic water depth is five meters in the lower reaches of the Tarim River. We acquired the mean phreatic evaporation of different groundwater levels every month by averaging the two results of phreatic evaporation using the Qunk and Averyanov formulas. Based on different vegetation types and acreage with different groundwater depth, the total ecological water demand (EWD) of natural vegetation in 2005 was 2.4×108 m3 in the lower reaches of the Tarim River. Analyzing the monthly EWD, we found that the EWD in the growth season (from April to September) is 81% of the year’s total EWD. The EWD in May, June and July was 47% of the year’s total EWD, which indicates the best time for dispensing artificial water. This research aims at realizing the sustainable development of water resources and provides a scientific basis for water resource management and sound collocation of the Tarim River Basin.     

塔里木河下游典型荒漠河岸植物水分来源

通过对塔里木河下游典型荒漠植物河岸胡杨（Populus euphratica,成年和幼龄）、柽柳（Tamarix ramosissima）、甘草（Glycyrrhiza inflata）、骆驼刺（Alhagi sparfolia）木质部水及不同潜在水源的稳定性氧同位素值的测定,并利用多源线性混合模型（IsoSource）和相似性比例指数（PS指数）分别分析了各潜在水源对不同植物的贡献率以及各月份不同植物间的水分利用关系。结果表明：（1）在塔里木河下游,成年胡杨、幼龄胡杨、柽柳几乎都不利用0~50 cm的表层土壤水,而主要利用200 cm以下的深层土壤水和地下水,而甘草、骆驼刺主要吸收50~200 cm的土壤水。（2）在生长季的不同月份里,除个别月份外,胡杨（成年和幼龄）、柽柳之间存在激烈水分竞争;甘草、骆驼刺在生长旺季和末期对各水源都存在较强的竞争关系,而成年或幼龄胡杨、柽柳和甘草、骆驼刺之间水分竞争关系较弱。（3）在塔里木河下游,为了适应极端干旱,无论是乔木胡杨、还是灌木柽柳,水分来源主要是较稳定的深层水源,且对各水源的利用比例在不同月份波动不大。     

塔里木河下游生态输水河道两侧区域地下水运动规律研究

根据塔里木河下游断流区域含水层水文地质特征及其实际输水过程中河水对浅层地下水的补给规律,建立了塔里木河下游绿色走廊生态输水河道附近区域地下水运动的一维非稳定流模型,并通过在整个输水过程中流量与水位两种边界条件相互转换的一种方法求解模型。最后应用上述模型分析了间歇性输水条件下塔里本河下游断流河段河道两侧地下水位恢复状况,为输水生态效益的定量评价及其今后输水工作的决策提供理论基础。     

塔里木河中游主要植物种群的生态特征分析

根据新疆塔里木河中游植物样地的监测数据,计算了19种主要植物在土壤含水率与土壤盐分资源维上的生态位宽度及生态位重叠值,作出了反映它们相似程度的最小生成树图;探讨了19种植物的生态位特征及各物种在二维环境因子上的相似关系。结果表明:建群种对环境变化的生态适应性较强,在二维生态因子上的生态位宽度值较大,乔灌植物普遍具有较大的生态位宽度(个别物种除外),草本植物除建群种外生态位宽度相应较小,并对个别物种生态位的变化进行了分析。由于环境条件的影响和胁迫,塔里木河中游物种间的生态位重叠值普遍较低。根据最小生成树图分析了19种植物在二维环境因子上的生态相似关系     

2013—2020年塔里木河流域胡杨林生态恢复成效评估

生态输水是塔里木河流域退化胡杨林生态恢复的主要措施,及时监测和准确评估其恢复成效是优化输水策略、完善胡杨林修复体系的关键。以2013年以来8个胡杨林区为研究对象,基于中高分辨率遥感数据监测不同胡杨林区生态输水前后植被面积、长势及植被覆盖度的时序变化,探讨胡杨林恢复与生态输水的关系。结果表明：（1） 2016年以来整个流域累计漫溢水面为2172.96 km²,占林区总面积的4.39%,主要分布在输水通道两侧及末端10 km范围内。（2） 输水前后林区植被整体呈现由退化到恢复的转变,林区生态恢复水平与年最大漫溢面积显著正相关。（3） 生态恢复成效评估表明,生态恢复最显著的区域是塔里木河中上游和叶尔羌河下游的夏马勒林场,但整个流域远离输水通道的胡杨林仍有退化趋势。合理规划输水通道建设,扩大胡杨林区的受水范围是退化胡杨林生态恢复的关键。     

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。     

塔里木河下游植被生态需水量(英文)

We have appraised the relationships between soil moisture,groundwater depth, and plant species diversity in the lower reaches of the Tarim River in western China,by analyzing field data from 25 monitoring wells across eight study sites and 25 permanent vegetation survey plots.It is noted that groundwater depth,soil moisture and plant species diversity are closely related.It has been proven that the critical phreatic water depth is five meters in the lower reaches of the Tarim River.We acquired the mean phreatic evaporation of different groundwater levels every month by averaging the two results of phreatic evaporation using the Qunk and Averyanov formulas.Based on different vegetation types and acreage with different groundwater depth,the total ecological water demand(EWD)of natural vegetation in 2005 was 2.4×108m 3in the lower reaches of the Tarim River.Analyzing the monthly EWD,we found that the EWD in the growth season(from April to September)is 81%of the year's total EWD.The EWD in May,June and July was 47%of the year's total EWD,which indicates the best time for dispensing artificial water.This research aims at realizing the sustainable development of water resources and provides a scientific basis for water resource management and sound collocation of the Tarim River Basin.     

干旱区间歇性生态输水对地下水位与植被的影响机理研究

塔里木河下游生态系统作为典型的干旱区生态系统,对水分具有较强的依赖性。为了解塔里木河下游间歇性生态输水对地下水埋深变化、植被生长的关系,得出地下水埋深、植被生长变化及间歇性生态输水过程之间的相互影响机理,以塔里木河下游英苏断面为研究区,基于达西定律、植物根系吸水速率计算方法,以及2009-2015年生态输水-地下水位变化-NDVI变化相互耦合关系,对三者之间相互影响过程及影响机理进行定性与定量分析。结果表明：（1）输水效益的显现是一个漫长的过程,地下水的响应和下游植被的生态响应均在一个大的空间和时间尺度上将逐步显现,另外由于植物生长具有季节性,当年地下水埋深值在一定程度上可影响次年植物生长。（2）多年研究表明,当地下水埋深低于7 m时,满足乔、灌木植物生长需求;低于6 m时,满足草本植物生长需求。（3）在年总输水量为固定情况下,一年两次是利于河岸植被恢复的最适宜输水次数。由于生态输水-地下水位变化-NDVI变化存在一定的滞后期,建议每年春季4~5月份和夏季7~8月份作为输水期。