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。     

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。     

干旱胁迫条件下胡杨茎流与茎直径变化分析——以塔里木河下游英苏断面为例

应用先进的PHYTALK植物生理生态监测系统对塔里木河下游英苏断面胡杨的茎流、相关环境因子以及茎直径的日变化进行了监测。结果表明:在极端干旱区塔里木河下游的胡杨茎流日变化表现多峰值,且夜晚仍保持一定流速;茎流变化受太阳辐射、风速和大气温度影响明显,而其它环境因子如空气湿度、土壤湿度等影响则不大;同时,日变化中,不同时段起主导作用的因子不尽相同。胡杨茎直径对植株水分状况响应灵敏,夜晚植株组织含水充足,茎直径相对较大,白天植株失水,茎直径减小;胡杨随着干旱胁迫程度的增加,茎直径日最大值和最小值都显明显下降趋势。     

新疆塔里木河下游不同地下水位的胡杨水势变化分析

结合塔里木河下游英苏与阿拉干两个断面距河道50m、100m与200m处胡杨茎水势的测定资料,对胡杨茎水势进行均值比较与检验分析,结果表明：胡杨茎水势变化既与地下水位有关,表现为在一定范围的地下水位条件下,胡杨茎水势变化随着地下水位的降低而升高;同时也与气候因子有联系,表现为在两个断面相应距离处的胡杨茎水势方差都没有显著差异。胡杨自身具有较强的抗旱性与适应性,能够在较深地下水位状态下,通过生理调节维持自身的水分需要而生存。     

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。     

渗透胁迫条件下植物茎叶水势的变化——以塔里木河下游胡杨为例

通过对塔里木河下游英苏断面和阿拉干断面2003年和2004年胡杨(Populus euphratica)叶、茎水势测定结果分析表明,大部分位点的胡杨茎水势都低于叶水势,而且相差幅度也比较大,说明塔里木河下游河道附近的胡杨目前仍然处于比较严重的水分胁迫条件下;该地区胡杨叶、茎水势呈现出的与其他植物水势日变化规律不同的早晚低、中午高的反梯度现象,说明在塔里木河下游影响胡杨水势的多重因素中,气温不是主导因素;运用SAS6.12软件对胡杨叶、茎水势和地下水位、土壤盐分进行相关分析,结果表明其相关系数均未达到显著水平。2003年和2004年英苏断面和阿拉干断面胡杨叶、茎水势回归方程分别为:英苏叶水势＝42.49-4.47(地下水位)-16.94(土壤盐分),离回归标准差为16.07082,决定系数R2＝0.4946;阿拉干叶水势＝-17.38-1.04(地下水位)＋1.00(土壤盐分),离回归标准差为3.91396,决定系数R2＝0.3778;英苏茎水势＝-59.13+2.93(地下水位)+3.87(土壤盐分),离回归标准差为8.67742,决定系数R2＝0.2487;阿拉干茎水势＝-34.72-0.40(地下水位)+2.21(土壤盐分),离回归标准差为4.3210,决定系数R2＝0.5952,回归分析结果显示两断面两年内的叶、茎水势依地下水位和土壤盐分的二元线性回归方程未显著存在,偏回归系数的检验也未达显著水平,表明塔里木河下游胡杨叶、茎水势对地下水位和土壤盐分的响应不强烈,并由此分析推断出土壤含水量对胡杨水势的影响大于地下水位对其影响,这为目前一些专家建议的由“线形”输水方式逐步转向“河道输水与面上供水相结合的方式”提供了理论依据。     

塔里木河下游胡杨水分传输过程研究综述

胡杨是世界重要的林木基因资源,且具有重要的生态功能。以塔里木河下游为研究靶区,结合实地监测资料和文献阅读,对胡杨水分获取、传导和耗散等水分传输过程方面进行了综述和分析。成年胡杨主要利用地下水和深层土壤水,而幼苗由于类型和立地水土环境的不同,水分来源也不同。干旱环境下,胡杨叶片水分传输效率增加,但同时也伴随着水力失调风险的增加;成年胡杨通过下调木质部导水率减少水分蒸腾,而幼苗则通过提高导水能力以获取更多的水分。胡杨根系具有水力提升作用,提升的水量一般可为其蒸腾提供10%～39%的水量。胡杨液流通量密度一般在0.005～0.040 L·cm-2·h-1之间,且随着地下水埋深的增加而减小,胡杨林的年蒸散发量在296.7～750.0 mm之间。未来可加强胡杨根-茎-叶间水分传输互作机理的研究,进一步精确量化胡杨水分来源,将估算蒸散发的尺度扩展到胡杨林生态系统。     

塔里木河下游胡杨气体交换特性及其环境解释

结合塔里木河下游不同地下水埋深下胡杨的气体交换参数及其环境因子的实测结果,探讨地下水位及环境因子对胡杨光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(gs)、水分利用效率(WUE)等气体交换参数的影响规律。研究表明:随着地下水位下降,胡杨净光合速率和蒸腾速率日变化最大值提前,地下水埋深越深,净光合速率“双峰”曲线趋势越明显,地下水位4.37 m以上时,蒸腾速率呈“双峰”曲线,当地下水位下降到5.91 m时,蒸腾速率呈“单峰”曲线;低地下水埋深下,光合作用受抑制的主要原因是气孔限制;随着地下水位下降,光合抑制的主要原因则是非气孔限制;适度水分胁迫有利于提高胡杨水分利用效率\.同时,结果显示: 4 m为胡杨的合理生态水位,地下水位为4~5 m时,胡杨受到轻度水分胁迫,低于6 m,胡杨受水分胁迫加剧。     

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。     

塔里木河下游胡杨(Populus euphratica)地上生物量估测

根据塔里木河下游英苏至喀尔达依区段距离河流50～300 m的80个胡杨(Populus euphratica)一级枝生物量实测数据,采用数理统计方法构建胡杨一级枝和树冠生物量估测模型,在精度检验基础上筛选出最佳模型,并对其估测值与实测值进行卡方检验.结果表明:使用以胡杨一级枝条的基部直径(D)和枝条长度(L)派生因子D2L为自变量估测生物量(Sb)的模型Sb=125.546(D2L)0.654最优,使用以冠幅面积(A)为自变量估测树冠生物量(Sc)的模型Sc=0.016A2+2.291A+11.084最优,在离河300 m内,两模型平均估测精度分别为93.75％和87.01％;在离河600～1 500m进行估测时需根据修正因子进行修正,修正后平均估测精度分别为86.04％和84.32％.根据全收获法得到的胡杨树干平均材积密度(748.43 kg·m-3)和样地每木检尺数据,使用树干材积计算式和树冠生物量估测模型,计算胡杨平均标准木的树干和树冠生物量,从而得到样地胡杨地上生物量数据.这一研究将为塔里木河流域胡杨生物量的遥感估测和胡杨林碳汇功能研究提供直接依据.     

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。     

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。     

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。     

塔里木河干流植被遥感监测时空多尺度协同分析方法

利用遥感植被指数、典型植被样方和地面观测信息进行塔里木河干流植被监测是目前的主要方法。由于塔里木河干流具有流域下垫面均匀性差,自然植被随机分布的特点,使得现有研究方法局限在特定的时间和空间尺度,很难使用地面的观测数据和不同尺度的遥感数据进行植被生长状态的协同分析。针对这些问题,本文提出了利用不同分辨率遥感数据和地面观测数据进行多尺度协同分析的方法MSSA(Multiple Scale Synergy Analysis)。该方法包括以下几个步骤:①通过低空间分辨率的遥感数据构建时间序列的塔里木河干流植被指数分布图像,在分析图像特征的基础上划分塔里木河遥感监测单元;②对监测单元内部不同组分的时间和空间状态参数进行量化与率定;③根据几何光学模型原理和植被随机分布特性,采用线性混合模型模拟单元植被指数;④根据模拟结果和遥感数据的对比分析,获得地面植被参量的可靠估计。该方法将地面组分的状态参量和遥感数据通过模拟模型相关联,实现了不同时空尺度遥感数据以及地面样方或者点观测数据的协同分析,为塔里木河干流植被监测进行长期、细致的研究建立了海量数据综合分析的方法体系。     

塔里木河下游生态输水后衰败胡杨林更新能力与条件分析

对塔里木河下游3个样区生态输水后不同样地0—100 cm深土层中胡杨水平根系分布、繁殖更新能力、地下水位变化及成片胡杨林更新所具备的条件调查分析,结果表明：长期断流后,在低地下水位胁迫下胡杨0—100 cm的浅层水平根系发育严重受阻或萎缩消失,萌蘖能力微弱或消失。在距河道边50 m区域内,土层50—100 cm以下有较多的水平根系分布,生态输水后浅层根系具备萌蘖能力;距河道边50～150 m的范围胡杨浅层根系数量减少,分布深度下移,活力降低,实施萌蘖更新有一定的风险,而且随着与断流源区（大西海子水库）距离的增加,风险增大;距河道边250 m以上的区域胡杨水平根系很少,现阶段已基本上失去萌蘖更新的基础条件。胡杨集中分布区地表微地形复杂,大面积地表引流灌溉难度大,使得依靠种子和断根萌蘖实现更新十分困难。     

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。     

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。