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    塔里木河下游輸水恢復(fù)過(guò)程中胡楊生長(zhǎng)對(duì)地下水位的響應(yīng)

    2011-12-16 08:18:06玉米提哈力克艾爾肯艾白不拉塔依爾江艾山BerndCyffkaChristianOpp
    水土保持通報(bào) 2011年5期
    關(guān)鍵詞:塔里木河塔河胡楊

    玉米提·哈力克,柴 政,艾爾肯·艾白不拉,塔依爾江·艾山,Bernd Cyffka,Christian Opp

    (1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊830046;2.埃希施塔特—因戈?duì)柺┧卮髮W(xué) 數(shù)學(xué)與地理系,德國(guó) 埃希施塔特85071;3.新疆塔里木河流域管理局,新疆 庫(kù)爾勒841000;4.馬爾堡大學(xué) 地理系,德國(guó) 馬爾堡35032)

    胡楊(Populus euphratica Oliv.)是塔里木河(以下簡(jiǎn)稱(chēng)塔河)下游荒漠河岸林的建群樹(shù)種和應(yīng)急輸水生態(tài)恢復(fù)的目標(biāo)植物之一[1-2]。在沙漠地區(qū),胡楊林具有防風(fēng)固沙、保持水土、調(diào)節(jié)氣候等生態(tài)功能,甚至對(duì)人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著巨大作用[3]。歷史上,塔河水量充沛,胡楊等天然荒漠河岸植被茂密,下游的“綠色走廊”是“草湖彌望,蘆葦叢密”,有良好的水泛草地[4],但是由于后來(lái)塔河上、中游用水量不斷加大,下游來(lái)水量逐年減少。20世紀(jì)70年代初塔河下游開(kāi)始斷流,大西海子水庫(kù)至臺(tái)特瑪湖段天然植被大面積衰敗、死亡,沙漠化加劇,庫(kù)魯克沙漠和塔克拉瑪干沙漠已趨近合攏,致使塔河下游“綠色走廊”瀕臨毀滅,保護(hù)“綠色走廊”被列為跨世紀(jì)的重大生態(tài)工程。

    我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)實(shí)施生態(tài)環(huán)境戰(zhàn)略,開(kāi)展了以應(yīng)急生態(tài)輸水為標(biāo)志的塔河流域綜合治理工程,至2009年底,累計(jì)輸水量達(dá)2.27×109m3。為準(zhǔn)確評(píng)估輸水的生態(tài)效益,許多專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)塔河下游的胡楊恢復(fù)狀況進(jìn)行了研究。例如陳亞寧等[5-6]監(jiān)測(cè)分析了應(yīng)急輸水對(duì)胡楊各項(xiàng)生理指標(biāo)的影響;楊鵬年等[7]對(duì)胡楊的樣枝生長(zhǎng)量進(jìn)行了測(cè)定,分析輸水對(duì)胡楊個(gè)體恢復(fù)的積極作用;趙傳燕等[8]采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型,研究模擬了黑河下游胡楊和檉柳的最適宜地下水位和平均地下水位;徐海量等[9]通過(guò)在塔里木河下游開(kāi)展的土壤種子庫(kù)試驗(yàn),分析了塔里木河下游土壤種子庫(kù)的基本特征、種子庫(kù)密度及物種組成的季節(jié)差異,并從土壤種子庫(kù)的角度探討了塔河下游生態(tài)恢復(fù)的可行性;周洪華等[10]探討了不同地下水埋深下的胡楊光合作用對(duì)CO2濃度增加和溫度升高的響應(yīng)。通過(guò)幾年的監(jiān)測(cè),在前人的基礎(chǔ)上,結(jié)合塔河下游胡楊的各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定及相應(yīng)地下水動(dòng)態(tài)變化調(diào)查研究,本研究對(duì)胡楊生長(zhǎng)與地下水埋深的關(guān)系進(jìn)行揭示,從胡楊對(duì)地下水動(dòng)態(tài)變化的響應(yīng)角度探討輸水對(duì)胡楊長(zhǎng)勢(shì)的影響,可為塔河下游荒漠河岸林的恢復(fù)和重建提供科學(xué)依據(jù)。

    1 研究區(qū)概況與生態(tài)輸水

    1.1 研究區(qū)概況

    研究區(qū)位于塔河下游大西海子水庫(kù)至臺(tái)特瑪湖區(qū)段,屬暖溫帶極干旱氣候區(qū),降水稀少,一般年降水量?jī)H20~50mm,太陽(yáng)年總輻射量為5 692~6 360 MJ/m2,年潛在蒸發(fā)量高達(dá)2 500~3 000mm。該地區(qū)地帶性植被屬暖溫帶灌木、半灌木荒漠,受河水和地下水補(bǔ)給,河漫灘及兩岸的低階地發(fā)育有一定面積的非地帶性植被,形成由喬、灌、草組成的干旱區(qū)河岸林 植 被 (Tugai vegetation)[4,11]。 喬 木 主 要 有 胡 楊(Populuseuphratica)、沙棗(Elaeagnusangustifolia),灌木主要有多枝檉柳(Tamarixramosissima)、剛毛檉柳(Tamarixhispida)、長(zhǎng)穗檉柳(Tamarix elongata)、黑刺(Lyciumruthenicum)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)、鹽 穗 木 (Halostachys caspica),草本植物主要有蘆葦(Phragmitesaustralis)、羅布麻(Poacynumhendersonii)、疏葉駱駝刺(Al-h(huán)agisparsifolia)、脹果甘草(Glyzrrhizainflata)、花花 柴 (Kareliniacaspia)、蓼 子 樸 (Inulasalsoloides)、河西菊(Hexiniapolydichotoma)等[11]。

    1972年大西海子水庫(kù)建成,攔截了塔里木河河水,使其下游320km河道斷流,下游河道得不到地表水補(bǔ)給,使沿河大部分地區(qū)地下水埋深下降到8~2m,造成植被與水分嚴(yán)重失調(diào),植被嚴(yán)重退化,以蘆葦、大花羅布麻、駱駝刺等為主的淺根植物大片死亡,檉柳、胡楊大面積衰敗,地表失去植被覆蓋,土地荒漠化過(guò)程加劇。

    1.2 生態(tài)輸水

    塔河下游生態(tài)環(huán)境日益惡化的問(wèn)題引起了政府及社會(huì)各界的廣泛關(guān)注,為了恢復(fù)塔河下游嚴(yán)重受損的生態(tài)系統(tǒng),拯救“綠色走廊”,于2000年5月啟動(dòng)了向塔河下游生態(tài)輸水工程。通過(guò)向塔河下游斷流近30a的河道輸水,采用河水自然下滲,補(bǔ)給和抬升河道附近的淺層地下水,使其升至天然植被適合生長(zhǎng)的范圍,以挽救已衰敗的天然植被,遏止下游生態(tài)系統(tǒng)繼續(xù)退化,恢復(fù)沿河區(qū)域生態(tài)植被。截至2009年底,已向塔河下游生態(tài)輸水10次,累計(jì)輸水量達(dá)2.27×109m3(表1)。

    表1 塔里木河下游10次輸水統(tǒng)計(jì)

    經(jīng)過(guò)10次輸水,已使大西海子水庫(kù)至臺(tái)特瑪湖沿河兩岸2~4km范圍某些河段地下水位抬升達(dá)3~6m。

    2 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

    2.1 調(diào)查方法

    塔里木河流域管理局在塔河下游9個(gè)斷面上布設(shè)地下水監(jiān)測(cè)井40眼,選取其中的阿克墩、阿拉干、依干不及麻3個(gè)典型斷面26眼監(jiān)測(cè)井,采用電導(dǎo)方法定期監(jiān)測(cè)地下水位,輸水期每10~15d觀測(cè)1次,停水期每月觀測(cè)1次,連續(xù)觀測(cè)3a。同時(shí),3個(gè)斷面橫向間隔100或200m處地下水監(jiān)測(cè)井附近布設(shè)植被調(diào)查樣方共18個(gè),每個(gè)樣方為有一顆中心樹(shù)的圓形(半徑為20~50m),每年植物生長(zhǎng)期對(duì)樣方內(nèi)所有的胡楊進(jìn)行生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定。由于胡楊是荒漠地區(qū)典型潛水旱生植物,生長(zhǎng)環(huán)境極為惡劣,各項(xiàng)指標(biāo)年際變化微弱。因此,在阿拉干斷面又選取了1個(gè)100hm2的固定調(diào)查樣地,樣地中共有胡楊樹(shù)5 097棵,一般情況下每隔5a對(duì)樣地進(jìn)行一次地毯式的調(diào)查。主要調(diào)查指標(biāo)有蓋度、胸徑、冠幅、高度(綠色樹(shù)高和絕對(duì)樹(shù)高)、枝下高、疏失度、基部萌生枝、樹(shù)齡以及林下植被。用數(shù)碼相機(jī)對(duì)所監(jiān)測(cè)的每顆樹(shù)拍照,并用GPS對(duì)每個(gè)樣方進(jìn)行定位,記錄其經(jīng)緯度、海拔和地下水位信息。最后用SPSS 13.0軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在分析過(guò)程中,對(duì)阿拉干斷面的胡楊的長(zhǎng)勢(shì)與地下水埋深作了回歸分析,以期揭示胡楊生長(zhǎng)狀況與地下水埋深的關(guān)系。

    2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

    有關(guān)胡楊的各項(xiàng)指標(biāo)都是實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù),地下水埋深數(shù)據(jù)由塔里木河流域管理局提供,2005年至今,每年5—8月份赴塔河下游阿拉干斷面進(jìn)行野外調(diào)查至少2次,此時(shí)植物生長(zhǎng)比較旺盛。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 地下水的恢復(fù)特征

    塔河下游是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水資源供需矛盾最為突出的地區(qū)。在這樣極端干旱的地區(qū),地下潛水不但是土壤水分的主要補(bǔ)充來(lái)源,而且是天然植被維持其生命和自然更新的主要來(lái)源。研究表明,在干旱地區(qū),地下水的存在及其時(shí)空動(dòng)態(tài)對(duì)區(qū)域植被的生長(zhǎng)發(fā)育起著關(guān)鍵作用。

    3.1.1 地下水埋深的變化 通過(guò)10次生態(tài)輸水,向塔河下游共計(jì)輸水2.27×109m3,經(jīng)過(guò)地面下滲,各斷面的地下水位都有不同幅度的抬升。阿克墩斷面位于塔河下游的上段,對(duì)生態(tài)輸水的響應(yīng)十分明顯,河道附近的水位上升了6.23m;阿拉干和依干不及麻斷面河道附近的地下水位也分別上升了5.63和5.0m,阿克墩和阿拉干斷面的地下水埋深分別達(dá)到了3.47和7.26m(2007年7月監(jiān)測(cè))。離河道越近地下水抬升的幅度就越大,地下水埋深隨著離河道距離的增加呈下降趨勢(shì)(圖1)。阿拉干斷面距離河道150m處218國(guó)道附近為塔河舊河道,此處地下水位相對(duì)較高,所以在阿拉干斷面離河道200m范圍之內(nèi)地下水位變化并不明顯。

    圖1 塔里木河下游不同監(jiān)測(cè)斷面地下水動(dòng)態(tài)變化

    3.1.2 地下水與土壤水的關(guān)系 塔河兩岸分布的河岸林主要是非地帶性植被,它們不依賴(lài)于大氣降水,而是靠地下水供給。該地區(qū)均屬沙質(zhì)土壤,地下水通過(guò)毛細(xì)管作用上升補(bǔ)給土壤水分,使土壤沿剖面由上而下含水率逐漸增加。因此,在一定意義上說(shuō),地下水是通過(guò)改變土壤含水率來(lái)影響植被的生長(zhǎng),因此有必要分析不同地下水位梯度下土壤含水率的變化特征。

    10次輸水后阿克墩斷面20cm土層的平均土壤含水率為0.041%,而阿拉干和依干不及麻斷面該層的土壤含水率分別為0.036%和0.022%。3個(gè)斷面在100cm土層平均土壤含水率分別是0.34%,0.02%和0.007%。而在200cm土層土壤含水率平均值分別為0.367%,0.050%和0.035%??梢?jiàn)在離水源,即大西海子水庫(kù)較近的阿克墩斷面的土壤含水率明顯高于離水源遠(yuǎn)的阿拉干和依干不及麻斷面相應(yīng)土層的土壤含水率,這說(shuō)明隨著離大西海子水庫(kù)距離的增加,土壤含水率呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

    3.1.3 植被類(lèi)型與地下水的關(guān)系 塔河下游植被的生長(zhǎng)和分布與地下水有密切的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)地下水是制約塔河下游植被生長(zhǎng)的最重要的因子,從下游上段至下段,植被群落由喬、灌、草群落逐漸演變?yōu)閱我坏墓嗄救郝?。喬木主要是胡楊,偶?jiàn)沙棗;灌木有多枝檉柳、剛毛檉柳、長(zhǎng)穗檉柳,還有黑刺、鈴鐺刺、鹽穗木等半灌木;草本植物有蘆葦、羅布麻、疏葉駱駝刺、脹果甘草、花花柴、蓼子樸、河西菊。從縱向看,阿克墩至卡爾達(dá)依地下水埋深較淺的地帶有連續(xù)分布的草本植物;卡爾達(dá)依至依干不及麻,草本植物零星分布在河道附近,植被群落主要有喬灌木組成;依干不及麻至臺(tái)特瑪湖,草本植物全部枯死,逐漸變成單一的灌木群落。

    3.2 地下水埋深與植被蓋度的關(guān)系

    塔河下游植物種類(lèi)貧乏,群落結(jié)構(gòu)單一,胡楊是該地區(qū)的優(yōu)勢(shì)種和建群種,研究胡楊蓋度隨地下水位的變化規(guī)律,對(duì)下游植被的整體恢復(fù)評(píng)估有重要的參考意義。由圖2可以看出,隨著離河距離與地下水埋深的增加,胡楊的蓋度呈遞減趨勢(shì),而且離河距離越遠(yuǎn),地下水位越深,胡楊蓋度遞減的程度就越大。

    圖2 離河道距離與胡楊蓋度的關(guān)系

    3.3 地下水埋深與胡楊冠幅的關(guān)系

    塔河下游胡楊等天然植被主要依賴(lài)地下水和土壤水維系其生存,因此,淺層地下水位的變化對(duì)胡楊的長(zhǎng)勢(shì)產(chǎn)生直接影響。隨著人工輸水工程的進(jìn)一步實(shí)施和下游地下水位的抬升,胡楊的響應(yīng)越來(lái)越明顯。第1次輸水后,反應(yīng)的敏感區(qū)橫向范圍為100m左右,隨著生態(tài)輸水的繼續(xù)和加大,橫向影響范圍也不斷擴(kuò)大。通過(guò)對(duì)2004和2007年所測(cè)數(shù)據(jù)的分析,胡楊的冠幅和郁閉度在河道附近一定范圍內(nèi)都發(fā)生了明顯的變化(圖3),離河道越近,胡楊的冠幅的變化就越明顯,而離河道800m以上的胡楊冠幅3a來(lái)幾乎沒(méi)有變化,直觀反映了在橫向上輸水的影響范圍。

    圖3 胡楊的冠幅對(duì)不同地下水位的響應(yīng)

    3.4 地下水埋深與胡楊樹(shù)冠疏失度的關(guān)系

    樹(shù)冠疏失度指樹(shù)冠葉子的飽滿(mǎn)程度,1984年最早用于德國(guó)森林監(jiān)測(cè)方面的研究。疏失度在理想狀態(tài)下(樹(shù)冠完全飽滿(mǎn))下為0,完全枯萎時(shí)為100,疏失度需要至少2個(gè)人肉眼觀察,取其平均值,以5%的比例上下浮動(dòng)。疏失度是評(píng)價(jià)胡楊長(zhǎng)勢(shì)的一個(gè)重要指標(biāo),疏失度越小胡楊的長(zhǎng)勢(shì)越好[12]。

    通過(guò)對(duì)近幾年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,在離河道不同距離的各樣方隨機(jī)抽取50棵胡楊,對(duì)其疏失度進(jìn)行分析(圖4)。結(jié)果顯示,胡楊疏失度隨著離河道距離的增加逐漸增大,而且離河道越遠(yuǎn),疏失度增加幅度就越大,間接地反映了地下水位與胡楊樹(shù)冠疏失度的密切關(guān)系。

    圖4 離河道距離與樹(shù)冠疏失度的關(guān)系

    3.5 胡楊長(zhǎng)勢(shì)隨離河距離的變化分析

    通過(guò)對(duì)塔河下游3個(gè)斷面18個(gè)樣方及阿拉干1個(gè)100hm2永久性樣方內(nèi)5 097棵胡楊樹(shù)調(diào)查及各項(xiàng)指標(biāo)分析,將胡楊的長(zhǎng)勢(shì)分為7個(gè)等級(jí)(表2):7為長(zhǎng)勢(shì)旺盛,無(wú)枝條枯死,疏失度小于10%;6為長(zhǎng)勢(shì)相當(dāng)好,1/4以下的側(cè)枝枯死;5為長(zhǎng)勢(shì)中等,即1/4~1/3的側(cè)枝枯死;4為衰弱木,1/2~3/4的側(cè)枝、主干枯死;3為瀕死木,主干枯死;2為枯立木;1為倒木或樹(shù)樁??萘⒛竞偷鼓净驑?shù)樁同為死樹(shù),但是其距離河道的分布范圍是不同的。表2表示對(duì)100hm2永久性樣方內(nèi)5 097棵胡楊的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。

    表2 塔河下游不同長(zhǎng)勢(shì)等級(jí)的胡楊分布與離河道距離的關(guān)系

    由表2可以得出,離河道越近,長(zhǎng)勢(shì)好(7~5級(jí))的胡楊所占的比例就越大。在離河道50m范圍之內(nèi),數(shù)量最多的是第6,5等級(jí)的胡楊,隨著離河道距離的增加,第5,4,3等級(jí)的胡楊所占的比例越來(lái)越大。最明顯的是距河道600~800m范圍,枯立木、倒木和樹(shù)樁占該樣方胡楊總數(shù)的1/2以上,由圖1可以看出,在該范圍內(nèi)地下水埋深一般在7m左右,因此,可以認(rèn)為埋深7m達(dá)到了胡楊的臨界生理脅迫。隨著地下水位的下降,胡楊的數(shù)量越來(lái)越少,由離河道50m范圍內(nèi)的2 700棵逐漸減少,在離河道1 000m以上的范圍胡楊的數(shù)量已經(jīng)非常稀少(14棵),植被蓋度不足3%。

    3.6 地下水埋深與胡楊長(zhǎng)勢(shì)相關(guān)性分析

    根據(jù)阿拉干斷面樣方調(diào)查,將塔河下游各斷面相同離河道距離的胡楊長(zhǎng)勢(shì)均值與相應(yīng)的地下水埋深均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出胡楊長(zhǎng)勢(shì)與地下水埋深的關(guān)系:

    式中:y——胡楊長(zhǎng)勢(shì)等級(jí);x——地下水埋深。

    對(duì)回歸模型的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn),F(xiàn)≥Fα=0.01,在α=0.01水平上高度顯著(表3)。

    表3 地下水埋深與胡楊長(zhǎng)勢(shì)方差分析

    4 結(jié) 論

    (1)塔河下游胡楊林受損生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)主要受制于區(qū)域水分條件的變化,水分是影響植物生長(zhǎng)的主導(dǎo)因素通過(guò)人為生態(tài)輸水補(bǔ)充地下水,可使天然植被生存得到水源保障。橫向上,隨著遠(yuǎn)離河道,植物種類(lèi)減少并趨于簡(jiǎn)單,胡楊個(gè)體長(zhǎng)勢(shì)逐漸下降并趨弱,胡楊明顯恢復(fù)只在距離河岸200m的范圍內(nèi);縱向上,愈向下游植物種類(lèi)愈減少,群落結(jié)構(gòu)愈趨向簡(jiǎn)單,生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)愈遲緩,反映了干旱脅迫對(duì)荒漠河岸林植被的強(qiáng)烈影響。

    (2)盡管生態(tài)輸水對(duì)胡楊生長(zhǎng)有積極作用,但塔河下游由于長(zhǎng)期斷流,植被大面積衰敗,受損生態(tài)系統(tǒng)的活力、自我調(diào)節(jié)能力和恢復(fù)能力較弱,恢復(fù)較慢,因此生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的任務(wù)依舊任重道遠(yuǎn)。

    (3)雖然目前已經(jīng)采取了“線(xiàn)形”輸水和雙河道輸水方式,塔河下游河道附近的地下水位有不同程度的抬升,天然植被有不同程度的恢復(fù),但是這種輸水方式只能對(duì)原有的、老齡的植被恢復(fù)起作用,而不能實(shí)現(xiàn)胡楊等植物的大面積更新,還難以實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域的生態(tài)改觀,而且,下游中、下段河道附近的地下水埋深依然在6.0m以下,還未達(dá)到維持植被生長(zhǎng)發(fā)育的適宜生態(tài)水位。為了更好地恢復(fù)下游嚴(yán)重受損的生態(tài)系統(tǒng),形成“綠色走廊”,遏制沙漠化,應(yīng)該更加優(yōu)化水資源的合理配置,繼續(xù)實(shí)施生態(tài)輸水,實(shí)現(xiàn)塔河治理目標(biāo)。

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