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。     

干旱区内陆河流域荒漠河岸林群落生态过程与水文机制研究

干旱区内陆河流域生态水文过程研究已成为当今地理学、生态学研究的焦点,是开展生态恢复研究的重要内容。塔里木河下游断流河道的生态恢复是以沿自然河道生态输水为主要形式的,因此,有必要加深对塔里木河下游荒漠河岸林群落生态过程与水文机制的认识。在对塔里木河下游荒漠河岸林植被生态退化及其退化原因分析的基础上,综述了塔里木河下游典型植物生态水位的研究进展,阐述了植物适宜生态水位、胁迫地下水位和临界地下水位研究的阶段性成果,并进一步展望了未来研究的焦点问题。指出了群落生态水位、植被群落与土壤水分、盐分异质性的关系,提出植物水分利用机制是群落生态过程与水文机制研究的核心问题。     

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。     

塔里木河下游胡杨群落特征及种群结构分析

采用样方调查法对塔里木河下游31团、库孜来克、英苏、喀尔达依、阿拉干及依干不及麻断面河岸胡杨群落特征及胡杨种群结构进行了研究。结果表明:①塔里木河下游河岸胡杨群落物种组成简单,共发现12种植物,分属10科12属,其中乔木1种,灌木和草本植分别为4种和7种。六断面胡杨群落物种数分别为9、8、4、5、4和2种,其中共有种为胡杨和多枝柽柳。②下游胡杨群落物种多样性指数较低,31团至依干不及麻断面Simpson指数和Shanon-wiener指数呈下降趋势。③下游胡杨种群平均密度为606 ind.hm-1,平均胸高断面积为20.01m2.hm-1。胡杨种群胸径以7.5~32.5 cm个体为主,小于7.5 cm及大于32.5 cm个体较少,种群呈现为两端小中间大的结构。④输水能促进胡杨种群的更新,并主要以根蘖形式出现。     

塔里木河下游绿洲荒漠过渡带土壤异质性及对植物群落的影响

结合塔里木河下游铁干里克绿洲荒漠过渡带9个土壤剖面的81个土样分析数据,利用非参数检验、单因素方差分析和灰色关联方法,分析了塔里木河下游铁干里克绿洲荒漠过渡带土壤特性及其对植物群落的影响。结果表明,研究区土壤除全磷外,有机质等指标存在垂直分布差异,出现显著差异的土层深度为50 cm。研究区上段的土壤养分含量相对较高,下段较低;植物物种多样性指数自上段至下段的下降趋势与有机质等的变化相同,而植物群落退化则表现为从复合群落到单一群落的演变趋势,即从乔(胡杨为主)、灌(柽柳为主)、草复合群落演变到单一的柽柳灌丛群落。灰色关联分析表明,塔里木河下游铁干里克绿洲荒漠过渡带上层(0～50 cm)土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量与物种多样性的相关性较高。     

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。     

漫溢补水干扰后的天然胡杨群落波动特征

以塔里木河下游荒漠河岸林中的胡杨群落为研究对象,以群落结构特征、物种多样性和优势种为群落波动的表征值,采用固定样地法对漫溢补水干扰下胡杨群落的波动响应特点进行了研究。结果表明:①干扰后胡杨群落物种组成变化明显,群落中物种数和层次呈现增加趋势,群落结构由简单向复杂转化,群落趋于稳定;②干扰前后胡杨群落物种多样性指数波动性较大,群落物种丰富度和多样性都呈增加趋势,而物种分布均匀度略有下降趋势;③漫溢补水干扰下群落中优势种的数量及种类发生改变,其中胡杨的优势度明显增大了。综上可知,地表漫溢补水植被修复措施使流域内的胡杨群落结构趋于复杂、群落层次增加,群落多样性增加,优势种及其优势度增加,总体上胡杨群落的波动为正向波动。     

荒漠河岸林区3种典型植物群落下土壤碳氮含量特征

以黑河下游荒漠河岸林区3种典型植物(苦豆子(Sophora alopecuroides)、胡杨(Populus euphratica)、柽柳(Tamarix ramosissima))群落下的土壤为研究对象,分析了0～280 cm土层土壤碳氮含量特征,运用Pearson相关分析、通径分析方法揭示了土壤碳氮含量与其他理化性质的关系。结果表明：(1)苦豆子、胡杨、柽柳群落下的土壤平均碳含量分别为16.35、20.23、17.23 mg·g^-1,平均氮含量分别为0.47、0.69、0.61 mg·g^-1,植被类型导致的土壤碳氮含量的差异主要表现在0～10 cm表层。(2)荒漠河岸林区0～160 cm土壤碳储量柽柳(444.64 t·hm-2)>胡杨(398.60 t·hm^-2)>苦豆子(368.95 t·hm^-2),土壤氮储量柽柳(12.46 t·hm^-2)>胡杨(11.88 t·hm^-2)>苦豆子(10.60 t·hm^-2     

绿洲-荒漠过渡带典型防护林体系环境效益及其生态功能

 在塔里木河下游绿洲-荒漠过渡带,选取乔灌草结构（胡杨-柽柳-花花柴群落）、乔灌结构（胡杨-柽柳群落）和单一乔木结构（胡杨群落）三种典型防护林为研究对象,采用野外监测和室内分析相结合的方法,探讨了不同类型防护林对空气温湿度、土壤理化特性及防护效应等的作用,并分析了产生差异的原因及生态功能。结果表明：(1）干旱区绿洲-荒漠过渡带不同结构组成的防护林均可提高群落内温湿度的稳定性,改善土壤理化性质,其中乔灌草结构防护林较其它群落更有利于增加0~50 cm土壤有机质、[WTBX]全N、全P[WTBZ]和20~100 cm土壤全[WTBX]K[WTBZ]的积累;能更有效地增加0~30 cm土壤水分、抑制0~100 cm土壤盐分、稳定0~50 cm土壤温度;(2）单一胡杨林群落的有效防护高度为2~3 m,横向有效防护距离为40 m;胡杨-柽柳群落的有效防护高度为2～4 m,横向有效防护距离为60 m;胡杨-柽柳-花花柴群落的有效防护高度分别为小于1 m和2~4 m,高度超过1 m以上的横向有效防护距离为60 m,在1 m以下其横向有效防护距离可达100 m;(3)群落结构、植物密度和覆盖度是影响防护林环境特征和生态功能的主要原因。     

基于LiDAR数据的额济纳绿洲胡杨(Populus euphratica)河岸林植被覆盖分类与植被结构参数提取

黑河下游额济纳旗气候极端干旱,生态环境十分脆弱,该区域胡杨(Populus euphratica)河岸林植被覆盖分类与植被结构参数提取是生态环境评价、植被变化分析、区域生态水文过程研究的基础。利用机载LiDAR数据,综合多种处理方法,进行植被覆盖分类与植被结构参数提取,分析了胡杨河岸林的分布和生长状况。结果表明,植被覆盖分类总体精度和Kappa系数分别为95.86%和0.91,整体分类精度高,能够有效区分额济纳绿洲中胡杨、柽柳、建筑物等,对胡杨树高、冠幅、胸径和叶面积指数等植被结构参数提取精度总体较高,能够为多尺度生态耗水研究等提供有效参数。     

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。     

塔里木河下游荒漠河岸林不同退化区胡杨种群结构和空间分布格局研究

对塔里木河下游荒漠河岸林退化程度不同的4个典型断面胡杨种群结构和空间分布格局进行了研究,结果表明:①胡杨种群密度从英苏断面的8.01株/(25 m ×25 m)下降至依干不及麻断面的0.62株/(25 m×25 m),同时伴生种数量和种类不断减少。②胡杨种群整体分布不均匀,幼苗和小树缺乏,中龄和老龄植株所占比例较高。随着退化程度的加剧,幼苗和小树所占比例不断降低,而中龄和老龄植株所占比例明显增加。③胡杨种群整体分布格局为聚集分布,聚集度Moristia指数Iδ 从英苏断面的1.67增至依干不及麻断面的4.99,并且幼苗和小树发育阶段的胡杨种群分布格局因植株数量的不断减少,逐渐由聚集分布过渡为随机分布,而中龄和老龄发育阶段的胡杨种群均为聚集分布。④影响胡杨种群结构和分布格局变化的主要因子是地下水埋深,浅层土壤含水率对其影响不大。     

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。     

塔里木河流域荒漠河岸林胡杨群落的空间格局研究

 以塔里木河流域荒漠河岸林胡杨群落为研究对象,研究优势种胡杨与灰胡杨种群径级结构、空间分布格局与空间关联性。结果表明,胡杨和灰胡杨种群径级结构均呈倒金字塔型,属衰退型种群。胡杨种群在1～25 m尺度内呈聚集分布,灰胡杨种群在2～23 m尺度内呈聚集分布,胡杨种群聚集强度大于灰胡杨。随种群生长发育,胡杨和灰胡杨聚集尺度范围及聚集规模逐渐减弱,大树趋于随机分布。灰胡杨不同生长阶段在0～25 m空间尺度上相互独立,胡杨小树与中树在5～10 m空间尺度上相互依存。胡杨中树与灰胡杨中树在大尺度空间(＞23 m)上相互排斥; 胡杨与灰胡杨种群在小尺度空间(2～3 m)上相互依存,中尺度空间上相互独立。     

民勤绿洲边缘柽柳荒漠林的时空变化及其驱动因素

柽柳属植物不仅是耐盐碱、耐干旱植物,同时也是最优良的防风固沙植物之一,曾在改善和维持民勤沙区生态环境中发挥了重要作用。在近40多年来,伴随民勤环境旱化,绿洲边缘柽柳荒漠林呈现出退化过程,并表现出旱生、超旱生植物增加,林带变窄,柽柳高度降低,柽柳种群及其群落盖度降低和防风固沙功能减弱等特征。目前,坝区、泉山区和湖区柽柳荒漠林均出现退化,其中坝区退化最为严重,残余宽度仅有30~75 m,依靠农田灌溉外溢水生存,是民勤绿洲边缘柽柳荒漠林发展的最终阶段。分析柽柳荒漠林时空变化的驱动因素,认为地表水消失是时空变化的诱导因素,地下水位下降和林地土壤水分减少是时空变化的主导因素,在地下水位下降到10 m的临界水位以下之前,地下水位起到主导作用;而下降到10 m以下之后,土壤水分起到主导作用。     

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。     

塔里木河上游胡杨群落及种群特征分析

基于样地调查方法对塔里木河上游阿拉尔、新其满、英巴扎断面河岸胡杨群落特征及胡杨种群结构与侧枝生长量进行了研究和分析。结果表明:①塔里木河上游河岸胡杨群落物种组成较简单,共有16种植物,分属10科16属,其中乔木1种、灌木和草本分别为6种和9种。3个断面发现的物种种数分别为6种、8种和12种,共有种为胡杨(Populus euphratica)、多枝柽柳(Tamarix ramosissma)和铃铛刺(Halimodendron halodendron)。②各断面胡杨群落物种多样性指数较低,物种丰富度指数、Simpson指数和Shannon-Winner指数大小顺序为英巴扎,新其满,阿拉尔。③胡杨种群主要以幼龄个体为主,种群树高、胸径为底宽上窄增长型结构。④1998—2002年各断面胡杨枝轮生长量波动较大,2003—2007年生长量呈下降趋势。     

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。     

树木年轮对塔里木河生态环境变迁的印证

树木年轮是全球变化研究中获取过去气候环境演变数据的重要载体,具有定年准确、连续性好、分辨率及重建精度高等优势。通过单调趋势检验塔里木河上中游径流量与胡杨年轮的趋势变化情况,将树木年轮与历史文献记载相结合,分析塔里木河下游树木年轮对水分供给的响应情况,印证胡杨年轮对河道改道事件响应的准确性。结果表明：（1）1957—2010年,塔里木河上中游胡杨径向生长量在时间序列上逐渐下降,与径流有着相同的变化趋势,且下降趋势显著;（2）下游年轮标本显示1913-2000年胡杨径向生长量整体下降,1973-2001年更加明显而达到近100年最低水平,拉依河的形成、改道、重归故道等与历史文献记载相同;（3）生态输水工程的开展改善了下游生态环境,这从下游胡杨年轮上得到了验证,但近15年的生态输水远未使下游胡杨年轮生长量达到1920年以前的水平,说明目前的生态输水对荒漠河岸林的恢复能力也是有限的;（4）在胡杨年轮对水资源的响应分析中,小波分析方法与历史文献记载得出了相同的结论。