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。     

塔里木河下游生态保护目标和措施

针对2000-2009年塔里木河下游10次生态输水后生态环境的变化情况,提出新的生态保护目标：在距河500 m以内以胡杨(Populus euphratica)为主的重点保护带,地下水埋深保持在≤4 m,植被总盖度达到0.4~0.5;500~1 000 m为基本保护带,以柽柳(Tamarix spp.)为主,地下水埋深为4~6 m,植被总覆盖度达到0.3以上;＞1 000 m为一般保护带,随着输水累积量增加,地下水埋深达到6~8 m,使现有植被不再退化;沿河两岸1 000 m的植被保护恢复总面积应达到1 028 km2;用水均衡法和潜水蒸散法重新估算的大西海子的下泄水量为2.3×108 m3 ,比原规划减少了1.2×108 m3 ,其中2.0×108 m3为维护生态所用,另外还有0.15×108~0.3×108 m3为向台特玛湖输水的水量;应保持输水连续性,大西海子以下年泄水量不小于0.36×108 m3;为了保证向下游输水,必须加强水资源调控,通过整治源流,使到达干流的水量为44.2×108 m3 ,干流严禁开荒,加强对防护堤修建后生态环境变化的监测,下游采用漫溢漂种增加植被面积。     

塔里木河下游植被和沙漠化对输水前后地下水变化的响应分析

由于近50 a来人类对水土及生物资源的不合理开发利用,导致塔里木河下游河道断流近30 a,使本来就处于干旱环境中的塔里木河下游朝着更加干旱的方向急剧发展,地下水埋深由20世纪50年代的3～5 m逐年下降至2000年的8～12 m, 由此而引起下游天然植被面积逐年减少,仅严重退化的草地面积占下游草地面积的57.5% ,沙漠化面积逐年增加,沙漠化程度也在不断增强。从2000年5月至2007年10月10日,曾9次向塔里木河下游进行生态应急输水,输水后,河道附近地下水位不同程度地得到提高,整个下游天然植被面积不断增加,在下游植被响应最明显的地区,植被覆盖度已超过90%,活植株种类从输水前的 3～4种增加到输水后的10种以上。随着生态输水的实施,原先引起沙漠化的一些环境因子出现了大的变化,由此而引起沙漠化面积的减少和程度的减轻。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

河水漫溢对塔里木河下游土壤及植被的影响

通过比较和分析塔里木河下游在输水过程中形成的漫溢干扰对土壤理化性质和天然植被的影响和分析漫溢作用下土壤理化性质的变化特点,对河水漫溢干扰对下游天然植被恢复的作用进行了探讨,为塔里木河下游的生态恢复工程提供理论依据。从漫溢区与非漫溢区土壤理化性质的对比结果看:(1)同一观测断面内漫溢区的粘粒含量大于非漫溢区,多次漫溢区粘粒含量大于漫溢次数少的区域,随着漫溢次数的增加,土壤中细沙和极细沙含量显著下降,中粉沙和粗粉砂含量增加,这主要是地表过水对土壤中的颗粒进行冲刷和沉积造成的结果。(2)漫溢增加了土壤的含水量和容重,对土壤有紧实作用。(3)漫溢后土壤的养分的淋洗与沉降作用明显,表明漫溢作用影响了土壤养分在表层的分布。这些土壤理化性质的变化从一定程度上解释了为何漫溢后地表植被的长势和种类有了明显的变化。     

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。     

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。     

塔里木河下游输水对荒漠河岸林生态系统水分利用效率的影响

水分利用效率(Water use efficiency,WUE)作为评价植物生长适宜度的综合指标之一,能很好地反映植被对生态输水的响应。通过Slope趋势分析、Pearson相关性分析及栅格时序合成等方法,利用CASA模型估算的净初级生产力(Net primary productivity,NPP)和SEBAL模型估算的实际蒸散发(ET),研究了塔里木河下游WUE的时空变化及其对生态输水的动态响应。结果表明:(1)2001—2018年,塔里木河下游WUE呈显著上升趋势(P0.05),但受NPP的影响大于ET(Cor_(NPP)=0.76Cor_(ET)=0.10),灌丛WUE(0.49 g C·mm~(-1)·m~(-2))高于胡杨(0.30 g C·mm~(-1)·m~(-2))及草本(0.24 g C·mm~(-1)·m~(-2));WUE空间变化规律为由河道向两侧及由西北向东南呈递减趋势,极显著上升面积占整个研究区的13.64%。(2)各植被WUE随着生态输水量的增加,呈显著上升趋势(P0.05),灌丛WUE平均每年上升幅度是胡杨和草本WUE上升幅度的15倍,表明灌丛WUE对生态输水的响应更为敏感;各植被WUE与生态输水量、输水持续时间均呈正相关,与输水开始时间呈负相关。年内输水次数与年内WUE、NPP及归一化植被指数(NDVI)呈正相关关系(WUE:Cor=0.407,NPP:Cor=0.605,NDVI:Cor=0.657)。(3)不同植被类型生长的最适温度有所差异,并与WUE、NPP及ET有着密切关系。胡杨年均最适温度25.62℃、灌丛27.07℃及草本23.22℃。在温度偏差值最小的时间(4—10月)进行最佳的水热组合将更有利于植被生长。(4)塔里木河下游年均WUE与地下水埋深呈较强的负相关关系(Cor=-0.81),其中草本及灌丛WUE与地下水埋深的相关性高于胡杨(|Cor_(草本及灌丛)=-0.76||Cor_(胡杨)=-0.46|);各植被年均WUE在地下水埋深4～6 m处存在峰值,超过6 m后,WUE均呈下降趋势。     

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。     

塔里木河下游断流河道输水后潜水埋深变化规律研究

通过对塔里木河下游断流河道2000-2006年8次生态输水期间9个地下水监测断面40口监测井潜水埋深变化监测数据的分析,探讨了生态输水以来潜水埋深变化的规律.结果表明:在8次输水的影响下,潜水埋深总体有显著抬升.运用SPSS统计软件对监测数据进行的回归分析表明,近年来塔里木河下游地区潜水埋深抬升是生态输水作用的直接结果,且抬升幅度与输水持续时间和输水量大小成显著正相关关系,横向和纵向上还表现出潜水埋深抬升幅度随距输水源距离改变而变化的正相关关系.塔里木河下游地区地表水是地下水的主要补给来源,且地表水补给地下水主要是以线型渗漏补给,这是输水以来潜水埋深变化呈现上述规律性的主要原因.输水对潜水埋深的影响具有累积性和滞后性,随着输水的继续进行,潜水埋深变化的规律性会越来越明显.     

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。     

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。