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。     

塔里木河下游胡杨径向生长量对生态输水的响应

 以塔里木河下游的胡杨径向生长量为研究对象,借鉴树木年轮水文学的方法,采用单因素方差分析方法,从数理统计学的角度分析了胡杨径向生长量对生态输水的响应过程。结果表明: ①距离河道300 m范围内,生态输水前后及输水期间各年份之间,胡杨的径向生长量在0.001的水平上差异极显著,胡杨对生态输水的响应非常积极; ②距离河道300 m范围外,胡杨的径向生长量在0.05的水平上差异不显著,胡杨对生态输水的响应不积极; ③线性的生态输水只是缓解了河道附近植被的衰退,改善了局部生态环境,却无法从根本上缓解整个塔里木河下游生态环境的恶化,塔里木河下游的生态环境呈现出局部改善、整体恶化的趋势。     

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。     

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。     

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。     

塔里木河干流输水运行对河流生态功效的分析

塔里木河干流在2005年阿拉尔站的年径流量为57.18×108 m3,属丰水年,上、中、下游耗水量分别为31.63×108m3、18.93×108 m3、7.206×108 m3.1960-2004年新渠满站水文断面河床总淤积厚度达120 cm,由于河床淤积,洪水漫溢不断增大,导致上游段耗水量呈不断增加趋势.2005年实施了第七次生态输水,向下游"绿色走廊"输水2.80×108m3.从2000-2005年向塔里木河下游绿色走廊应急输水,共七次累计输水时间900天,前期主要利用开都-孔雀河处在丰水期的有利时机,后期靠塔里木河流域综合治理成果和上游三源流的水量增加.总计从博斯腾湖和干流调水25.06×108m3,自大西海子水库泄洪闸向塔里木河最下游河道输水量达20.40×108m3.2005年水头连续五次到达台特玛湖,不仅使塔里木河下游绿色走廊生态条件得到了改善,而且也使干流两侧胡杨林生态林草得到较快的恢复,并使塔里木河干流全程流水的受损河流生态系统得到了修复.塔里木河干流区域林草面积142.1×104hm2,其中上游段46.8×104hm2,约占干流林草总面积的33.0%,位居第二,中游段81.1×104hm2,占总面积的57.1%,位居第一,而下游段14.1×104hm2,占总面积的9.9%,位居第三.结果显示,塔里木河干流上游、中游的植被面积与水量消耗极不协调.2001-2005年上游消耗水量均超过了塔里木河干流初始水权比例下的分配额度.为了保障塔里木河干流实现永久输水和维护其区域生态功能,建议急需对上游河段采取河道整治和疏浚等工程措施,进一步调整干流上、中、下游区水量泄放比例,才能使得塔里木河的综合治理实现生态河流目标.     

塔里木河下游生态输水对植被碳源/汇空间格局的影响

基于2000年以来塔里木河下游生态输水资料、气象数据、土地利用/覆被变化数据等,结合修正的CASA(Carnegie-Ames-Stanford approach)模型和土壤微生物呼吸模型(Heterotrophic respiration,R_H)估算了2001—2019年植被净生态系统生产力(Net ecosysterm productivity,NEP),分析了植被碳源/汇空间分布变化,探讨了塔里木河下游生态输水对植被碳源/汇变化的影响。结果表明:(1)随着2000年以来塔里木河下游生态输水,下游退化的生态系统有一定程度的恢复,植被碳汇区域呈现扩大的趋势。2001—2019年NEP以0.541 g C·m~(-2)·a~(-1)的速率呈现上升趋势,其中夏季增加速率最大,为0.406 g C·m~(-2)·a~(-1),增加的区域主要位于大西海子水库北部、英苏、博孜库勒湿地、喀尔达依湿地以及台特玛湖。碳汇面积从2001年的71 km2增加至2019年的355 km~2,增加了4倍。(2)在季节变化上,夏季碳汇面积为109 km~2,在四季中占比最大,春秋次之,冬季无明显碳汇面积。(3)塔里木河下游生态系统碳汇面积变化次序为:草地林地耕地未利用地水域建设用地。此外,林地和草地年平均变化率最高,分别为2.69 km~2·a~(-1)和3.57 km~2·a~(-1)。生态输水量与碳汇面积有很好的线性关系,碳汇面积变化存在约1 a的滞后效应。     

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。     

塔里木河下游胡杨(Populus euphratica)种群结构

种群结构特征能够很好地反映种群生存状况与发展动态。以塔里木河下游胡杨(Populus euphratica)种群为研究对象,对多年生态输水恢复后胡杨种群的密度、年龄结构、性比结构及空间结构进行了分析。结果表明:塔里木河下游胡杨种群的龄级结构整体上呈倒金字塔型,种群动态指数和种群密度等指标与时间序列分析结果一致,即胡杨种群老化且衰退趋势尚未扭转并仍将继续;胡杨种群性比显著偏雄,偏离程度随生境条件恶化而增大;胡杨种群分布格局表现为显著的集群分布,且聚集强度无太大差异。经过近18年的生态输水恢复,虽然塔里木河下游沿河附近的生态有所好转,但在远离河道的更大范围的胡杨种群退化衰败趋势仍未彻底扭转,单一沿自然河道的线性生态输水因缺乏面上水文过程而难以改善种群更新。建议在生态输水的过程中,通过人工措施,扩大浸淹范围和受水面积,为胡杨种群繁殖与更新提供条件。     

塔里木河下游绿色走廊生态输水对沙漠化逆转的影响

自2000年起实施向塔里木河下游应急生态输水以来,通过修建从博斯腾湖引水的第二输水系统和上、中游综合治理与灌区节水改造,5 a累计从大西海子水库输水17\^64亿m3,沿河自上至下改善生态面积达800 km2,补给地下水11亿m3,实现了下游河道季节流水和尾闾的积水,并使地下水位回升,初步恢复了塔里木河下游水流系统。这是下游绿色走廊在极端干旱荒漠生态系统中维持稳定的重要因子,为使其充分发挥生态功能,还需期待绿色走廊的生态植被复苏和扩展,为此,仍需每年继续输水,才能直接发挥防沙治沙效益。     

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。     

塔里木河下游人工胡杨林生态恢复过程的初步研究

在以植物群落调查样地为基础,对塔里木河下游不同林龄人工胡杨林的物种丰富度、物种多样性指数、群落均匀度、生态优势度等进行了分析,同时对土壤理化性质在21a间的变化情况也作了详细分析。通过分析,表明人工胡杨群落随着发育年限的增加,群落物种丰富度,物种多样性指数和均匀度指数不断增长,而群落生态优势度逐渐降低,同时土壤理化性质不断改善。在此基础上,对塔里木河植被的演变趋势作一初步的探讨和估计,从而对塔里木河下游植被的生态恢复也具有重要意义。     

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。