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。     

塔里木河下游荒漠生态系统退化机制分析

近几十年来,塔里木河下游河道断流,地下水水位剧烈下降,天然植被衰退,土地的沙质荒漠化问题十分严峻。通过对下游退化荒漠生态系统的脆弱性和不稳定性以及干扰体驱动力的分析,阐述了该系统退化的机制,并在此基础上,提出了退化荒漠生态系统的恢复对策。系统的内在脆弱性特征决定了其抗干扰的能力差,退化后恢复的弹性小;强烈的人为干扰体是系统退化的重要驱动力。下游荒漠生态系统的退化是系统内在特性和外在干扰体综合作用的结果。在干旱区严酷的生态环境下,荒漠生态系统的人为干扰结果值得重视。2000年5月以来的塔里木河下游生态输水,使系统的退化形式得到了一定程度的遏制,但系统的恢复是有限的。植被的恢复,必须遵循干旱区植物的生态学性质,密切结合植物发生所需的环境条件,特别是干旱区植被分布格局与地下水的关系。     

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。     

新疆塔里木河下游植物群落逆向演替分析

通过对塔里木河中下游沿河植物群落的调查分析及地下水位下降对地表植被生态过程影响的研究，探讨塔里木河下游近几十年来植被的逆向演替过程，并划分出不同的演替阶段。根据草、灌、乔植被对地下水位具有不同的适应能力，塔里木河下游植物群落退化顺序也不相同，首先是草本退化，其次是灌木退化，再者是乔木退化。经调查分析表明，塔里木河下游植物群落的逆向演替顺序为：矫灌草群落阶段→乔灌群落阶段→乔木或灌木少阶段，在逆向演替过程中，各阶段有规律地进行，群落结构特征、种类组成也都发生了明显的变化。     

科技支撑新疆塔里木河流域生态修复及可持续管理

塔里木河流域地处我国西北新疆,面积约102×10⁴ km²,是我国丝绸之路经济带建设的核心区。在过去50 a里,塔里木河流域经历了大规模的水土资源开发,经济社会发展的同时,河道断流,湖泊干涸,沙漠化加剧,生物多样性受损,生态隐忧日益加剧,已威胁塔里木河流域绿洲经济发展和社会稳定,严重影响国家"丝绸之路经济带"建设。荒漠与绿洲生态国家重点实验室针对塔里木河流域的生态环境问题,开展了长期的生态监测与科学研究,基于多年监测调查数据,解析了塔里木河荒漠河岸林植被与地下水的关系,揭示了生态系统退化过程和机理,提出了塔里木河下游合理/胁迫/临界地下水位与流域生态需水量,研发提出的退化生态系统修复重建关键技术得到推广应用;提出的重点生态工程建设方案,被纳入《南疆水利规划》;提出的流域水资源管理建议被国家采纳并实施。科技支撑塔里木河流域生态修复及可持续管理,为丝绸之路经济带生态文明建设提供了重要科学依据和示范样板。     

塔里木河下游断流河道整治引发的生态问题与重建对策分析

长期断流导致塔里木河下游主河道发育受阻,自然生态系统萎缩。河道治理措施保障了主河道输水的顺畅和水文生态的完整性,实现了上下游补偿性生态大转移(生态回归),但却抑制了河道自然发生规律,改变了原生种繁殖更新环境,河道两侧自然生态过程受阻,可持续维持的生命带变窄,人类需借助外力才能实现生态修复。塔里木河下游断流区生态恢复重建需要尊重客观历史,依托区域原有植被自然发生规律,应选择以柽柳灌丛为主要恢复种类,辅助人工引水渠系设施建设、断根萌蘖、人工补植等辅助手段,逐步实现对退化生态系统修复。     

塔里木河干流区天然植被的空间分布及生态需水

塔里木河流域荒漠河岸林具有重要的生态、经济和社会效益。本文以塔里木河干流的荒漠河岸林系统为对象,借助于卫星遥感、GIS等技术,研究塔里木河干流区各河段天然植被分布特征,应用缓冲区梯度分析方法对林地分布结构和生态需水进行分析。结果表明： （1）塔里木河干流区天然植被面积为146.1×10⁴ hm²,占研究区总面积的35.18%;北岸天然植被面积较南岸多46.34×10⁴ hm²。（2）塔里木河干流区荒漠河岸林分布随距离河道的增加呈波动下降趋势。在影响保护带、基本保护带和重点保护带下,天然植被保护范围分别为4.7～30.1 km、2.2～24.2 km和0.8～12.3 km。（3） 塔里木河干流区天然植被总的生态需水量为21.932×10⁸ m³,在重点保护带、基本保护带和影响保护带下,生态需水量分别为9.56×10⁸ m³、14.97×10⁸ m³和19.08×10⁸ m³。根据荒漠河岸林的分布特征和保护目标,对塔里木河干流用水作统一规划和协调是符合实际的生态治理措施。     

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。     

塔里木河下游生态需水估算

量化生态需水是流域水权分配的重要依据。以塔里木河下游大西海子水库至尾闾台特玛湖段为研究区,借助湿周法计算了该段河道内最小生态需水量,并基于2009年和2010年河段地下水分布特征,计算沿线河道两岸各1 km范围地下水恢复至目标埋深(5～4 m)的地下水恢复量,采用潜水蒸发法和面积定额法估算了沿线天然植被生态需水量。结果表明：（1）塔里木河下游大西海子-台特玛湖河道内年最小生态需水量为1.455×108 m3;（2）以5年为恢复期限,确定该河段地下水埋深恢复至5～4 m的年恢复需水量为0.608×108～1.466×108 m3;（3）取潜水蒸发法和面积定额法计算结果均值,确定研究区天然植被生态需水量为1.042×108 m3;（4）综合考虑,塔里木河下游大西海子-台特玛湖年生态需水总量为3.105×108～3.963×108 m3。     

How changes of groundwater level affect the desert riparian forest ecosystem in the Ejina Oasis,Northwest China

Groundwater is a key factor controlling the growth of vegetation in desert riparian systems. It is important to recognise how groundwater changes affect the riparian forest ecosystem. This information will not only help us to understand the ecological and hydrological process of the riparian forest but also provide support for ecological recovery of riparian forests and water-resources management of arid inland river basins. This study aims to estimate the suitability of the Water Vegetation Energy and Solute Modelling(WAVES) model to simulate the Ejina Desert riparian forest ecosystem changes,China, to assess effects of groundwater-depth change on the canopy leaf area index(LAI) and water budgets, and to ascertain the suitable groundwater depth for preserving the stability and structure of desert riparian forest. Results demonstrated that the WAVES model can simulate changes to ecological and hydrological processes. The annual mean water consumption of a Tamarix chinensis riparian forest was less than that of a Populus euphratica riparian forest, and the canopy LAI of the desert riparian forest should increase as groundwater depth decreases. Groundwater changes could significantly influence water budgets for T. chinensis and P. euphratica riparian forests and show the positive and negative effects on vegetation growth and water budgets of riparian forests. Maintaining the annual mean groundwater depth at around 1.7-2.7 m is critical for healthy riparian forest growth. This study highlights the importance of considering groundwater-change impacts on desert riparian vegetation and water-balance applications in ecological restoration and efficient water-resource management in the Heihe River Basin.     

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。     

塔里木河下游植物群落分布格局及其环境解释

研究表明,塔里木河下游地区共有植物18种,分别隶属于9科、15属。其中藜科 (Chenopodiaceae)、柽柳科 (Tamaricaceae)、豆科 (Leguminosae) 3个科有10种,约占所有种数的56%,反映了干旱区旱生耐盐种类占优势的特点。样地排序结果表明,沿样地CA第一排序轴,所有18个调查样地可划分为3种类型,分别对应3种不同地下水位,即浅地下水位区 (<3 m)、中地下水位区 (3~5 m) 和深地下水位区 (>5 m),不同的植被类型组合亦分别对应不同类型的地下水位。CCA排序表明,影响该地区植物群落分布格局的环境因子主要是地下水位、土壤含水量、土壤pH值。CCA排序分析可将18种植物分为4个组,分别对应于不同的环境因子变化梯度。从管理的角度出发,在塔里木河流域下游地区进行受损生态系统的恢复与重建过程中,要重点考虑到上述提及的主要环境因子,尤其是重视水资源的合理开发与利用,采用适宜的灌溉方式,防止地下水位下降和土壤盐渍化的发生。     

河道输水对塔里木河下游胡杨生长状况的影响

通过树木年轮变化指示植物对其生境条件变化响应的生态信息,对塔里木河下游胡杨侧枝年轮样本进行了调查,并探讨塔里木河河道输水对下游胡杨个体生长的影响,通过样本反映群体的方式,评价河道输水对下游胡杨种群恢复的作用及效果。由于目前主要依靠地下水来复苏胡杨,下游潜水位受输水量及输水距离的影响,并在不同空间范围上升幅度不同,使胡杨生长响应有差异。研究结果表明:①河道输水后潜水埋深与胡杨枝径生长之间存在显著相关,在依干不及麻断面拟合方程为y=0.0443x2-0.703x+3.5869,R=0.935,P=0.009;表现为水位越浅,胡杨枝径生长量越高;但当水位上升到4 m以上时,胡杨生长量趋于稳定。②胡杨对输水作用的响应表现出明显的时空差异,各断面依过水时间长短顺序为英苏、喀尔达依、阿拉干、依干不及麻,但经8次输水后,2002—2007年胡杨枝径生长量响应大小顺序为喀尔达依、英苏、阿拉干、依干不及麻。其中下游末端依干不及麻区段胡杨枝径生长增加不明显。③河道输水具有明显的时效性,在胡杨生长季输水更有利于胡杨的生长。     

塔里木河下游河岸带地下水埋深对生态输水的响应过程

为了解塔里木河下游生态输水量与地下水埋深多年响应变化过程,得出地下水埋深对生态输水的响应变化规律,以塔里木河下游英苏断面为研究区,运用定性与定量分析方法,综合考虑不同输水差异（包括零输水年即2008年、输水极少年即2009年、输水较多年2011年等）,对2000-2015年英苏断面1 050 m范围内地下水埋深数据进行了分析。结果表明：研究断面内地下水埋深在各年份总体呈现比较平稳的递减趋势,年内个别月具有较大的增幅,另外由于冻土消融等因素影响,地下水埋深在2~3月有一定的增幅;离河较近区域的地下水埋深变化对生态输水的响应具有时间同步性,而离河道较远地区的地下水埋深在响应时间上存在滞后性,本研究断面1 050 m范围内地下水埋深响应时间维持在1 a内;经过多年生态输水过程,英苏监测断面距离河道约750 m范围内地下水平均埋深维持在2~6 m范围内,基本达到植物生长所需地下水埋深水平;另外,综合分析研究断面多年输水引起的地下水位响应过程,为获得生态输水过程所带来的最大生态效益,生态输水不仅要保持一定的输水量,还要保持输水年周期的连续性。