荒漠化地區(qū)水化學(xué)特性及其對(duì)胡楊林生長(zhǎng)的影響

管文軻, 鐘家驊, 霍艾迪, 易 秀,侯志強(qiáng), 張 敏, 劉德林, 何曉霞

(1.新疆林業(yè)科學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830002; 2.長(zhǎng)安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710054; 3.濰坊市水文局,山東 濰坊,261000; 4.長(zhǎng)安大學(xué) 外國(guó)語(yǔ)學(xué)院, 陜西 西安 710054; 5.新疆塔里木胡楊林國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū), 新疆 庫(kù)爾勒 841000)

水作為干旱荒漠區(qū)最關(guān)鍵的生態(tài)因子,不僅是綠洲生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成、發(fā)展與穩(wěn)定的基礎(chǔ)和依據(jù),而且決定著干旱區(qū)綠洲化與荒漠化極具對(duì)立與沖突性的生態(tài)演化過(guò)程[1-2]。胡楊是綠洲生態(tài)系統(tǒng)的代表性樹種，其更新繁衍受到水量與水質(zhì)的共同制約。塔里木胡楊國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于塔里木河(簡(jiǎn)稱塔河)中游，在保護(hù)動(dòng)植物資源方面發(fā)揮了極大作用，但區(qū)內(nèi)胡楊林的種群徑級(jí)結(jié)構(gòu)呈倒金字塔型，嚴(yán)酷的環(huán)境抑制了幼苗的萌發(fā)與存活，種群維持面臨困難。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔河中游(輪臺(tái)縣英巴扎至尉犁縣恰拉)，河段長(zhǎng)約398 km，塔河在中游段橫貫天山南麓沖積、洪積平原與塔克拉瑪干沙漠北緣的交錯(cuò)地帶，地勢(shì)平坦，泥沙淤積，汛期河水泛濫形成積水沼澤，河道彎曲且時(shí)常遷徙形成一個(gè)長(zhǎng)達(dá)100 km的淤積平原[13]。該區(qū)域綠洲與沙漠交錯(cuò)，生態(tài)環(huán)境脆弱，2000—2013年年均植被覆蓋度為10.6%～12.44%，其中農(nóng)田植被覆蓋度顯著增加，上游來(lái)水量大部分被農(nóng)田利用，生態(tài)環(huán)境退化仍是主基調(diào)[14]。塔里木盆地內(nèi)部十分干旱，塔河沿岸地區(qū)年降水量?jī)H50～80 mm，塔克拉瑪干沙漠年降水量?jī)H有10 mm[15],而中游地區(qū)年均蒸發(fā)量達(dá)2 024 mm，年日照時(shí)數(shù)2 442～2 925 h，年平均氣溫10.9 ℃，極端最低溫-25.5 ℃，溫度年均日較差14.6 ℃，無(wú)霜期180～224 d，≥10 ℃積溫4 125.3 ℃。草本植物是該區(qū)植物群落的主要組成部分，有蘆葦(Phragmitescommunis)、脹果甘草(Glycyrrhizainflate)、花花柴(Kareliniacaspica)、羅布麻(Apocynumvenetum)等。喬木樹種有胡楊(Populuseuphratica)、灰葉胡楊(Populuspruinosa)；灌木有檉柳(Tamarixchinensis)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)等[16-17]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與介紹 2016年9月，時(shí)值塔河汛期，于塔里木胡楊國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，采用布設(shè)樣地、植被調(diào)查、樣品采集與試驗(yàn)分析的方法，研究在胡楊林不同生境下，區(qū)內(nèi)地表水與潛水的水化學(xué)特性。樣地均位于塔河中游南岸，編號(hào)分別為W1，W2，W3，樣地在汛期均可被向兩岸漫溢的河水浸淹，形成沿河岸的濕地景觀，采集地表水較為方便，其中W3樣地水域面積最大，W2樣地次之，W1樣地水域面積最小。在塔河中游干流尉犁大橋下設(shè)置W4采樣點(diǎn)，采集干流水樣。各樣地的胡楊長(zhǎng)勢(shì)特征詳見表1。

表1 塔里木河中游典型區(qū)域胡楊長(zhǎng)勢(shì)特征

1.2.2 樣品采集與測(cè)試方法 依據(jù)胡楊林的不同發(fā)育狀況，W1樣地胡楊生長(zhǎng)衰弱，高度6～8 m，部分已死亡；W2樣地胡楊長(zhǎng)勢(shì)良好，與灌木、草本植物種群共同構(gòu)成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的河岸林群落；W3樣地胡楊長(zhǎng)勢(shì)旺盛，種群處于穩(wěn)定增長(zhǎng)階段。

在這3個(gè)樣地中采集地表水樣，使用GPS系統(tǒng)定位，記錄采樣點(diǎn)的經(jīng)緯度及海拔高度，并在W2采樣點(diǎn)進(jìn)行挖掘，至潛水出露處，取得潛水樣；并在塔河干流尉犁大橋下取河水樣。每個(gè)水體取3份平行樣進(jìn)行水質(zhì)分析測(cè)試，結(jié)果取平均值?；瘜W(xué)指標(biāo)及試驗(yàn)方法是：pH值—酸度計(jì)法，溶解性總固體—質(zhì)量法，總堿度、碳酸根離子、重碳酸根離子—雙指示劑滴定法，硫酸鹽-EDTA二鈉容量法，氯化物—硝酸銀容量法，氨氮—納氏試劑分光光度法，游離二氧化碳—中和法，鈣離子、鎂離子、總堿度—EDTA二鈉絡(luò)合滴定法。

2 結(jié)果與分析

2.1 塔里木河中游水化學(xué)特性

對(duì)研究區(qū)各采樣點(diǎn)取得的水樣進(jìn)行化學(xué)分析(表2)，結(jié)果表明，各樣地采樣點(diǎn)的地表水樣總硬度較高，測(cè)定值在16°～43°(德國(guó)度)，屬于硬水(16°～30°)和極硬水(>30°),W2采樣點(diǎn)潛水樣硬度達(dá)170.5°,W4河水樣硬度最低，為16.9°。

表2 塔里木河中游各樣地水體水質(zhì)分析

在塔河豐水期，保護(hù)區(qū)內(nèi)干流河水及漫溢河水屬于淡水及微咸水。塔河中游尉犁大橋下水樣的TDS為615.3 mg/L，按生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 5749-2006)，溶解性固體低于1 000 mg/L可認(rèn)為是淡水。W2采樣點(diǎn)的地表水礦化度為838 mg/L；在W2樣地胡楊林下挖掘深度至65 cm時(shí)即有潛水出露，潛水樣礦化度達(dá)14 476.3 mg/L，屬于鹽水(10～50 g/L)。W3樣地地表水樣TDS為1 037.5 mg/L，屬微咸水，其TDS值較干流水體高68.6%。

地表水與潛水樣的pH值在7.32～7.82，尉犁大橋下塔河干流水樣pH值最高，為7.82，W2采樣點(diǎn)潛水的pH值最低，為7.32。各樣地地表水樣總堿度(CaCO3)在100～300 mg/L，相對(duì)于其余樣地處地表水樣，塔河干流水樣總堿度最低，為115.1 mg/L；各樣地地表水體水化學(xué)特性基本指標(biāo)對(duì)比詳見圖1。

注：W1，W2，W3，W4為4個(gè)不同樣地。

研究區(qū)內(nèi)潛水主要來(lái)源于地表水的下滲補(bǔ)給，在水質(zhì)上，W2采樣點(diǎn)潛水TDS、總硬度、總堿度分別是地表水的17.3，9.3，4.7倍。同一區(qū)域內(nèi)地表水與潛水的水質(zhì)對(duì)比詳見圖2。

圖2 塔里木河中游相同區(qū)域地表水與潛水水質(zhì)對(duì)比

保護(hù)區(qū)內(nèi)地表水硫酸鹽與氯化物含量分別在204.1～486.3及70.9～239.9 mg/L，塔河尉犁大橋斷面處河水樣的氯化物含量為133 mg/L，硫酸鹽含量達(dá)204.1 mg/L，均低于國(guó)家生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范中相應(yīng)的限值(250 mg/L)。W3采樣點(diǎn)地表水硫酸鹽含量為486.3 mg/L，屬于苦咸水。在W1與W3樣地的地表水中，氨氮含量超出地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)中適用于國(guó)家自然保護(hù)區(qū)的Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)(≤0.15 mg/L)，相應(yīng)的，水體中游離CO2含量較高，分別為16.5與27.5 mg/L。

2.2 塔里木河中游胡楊林生長(zhǎng)狀況

塔河中游荒漠河岸林中的胡楊在9月已開始進(jìn)入落葉期，葉片變黃。常見植被組成為旱生、鹽生植物，有胡楊、灰楊、沙棗、枸杞、鹽穗木、鈴鐺刺、駱駝刺、甘草等。依據(jù)植被種類、數(shù)量、總體蓋度等，將胡楊林群落的生境分為荒漠化區(qū)、過(guò)渡帶與河岸輻射區(qū)3種區(qū)域類型。野外調(diào)查結(jié)果顯示，該區(qū)胡楊與灰胡楊種群幼齡期個(gè)體較少，更新資源匱乏，種群徑級(jí)結(jié)構(gòu)呈倒金字塔型。

W1樣地位于塔河南岸階地，屬過(guò)渡帶，地表有鹽結(jié)晶表層，受季節(jié)性洪水影響，淹沒(méi)期較短；其植被生長(zhǎng)模式以檉柳為優(yōu)勢(shì)種，呈叢狀生長(zhǎng)，高度2～4 m，叢徑2～6 m，近地表處可固沙高度20～40 cm；胡楊生長(zhǎng)稀疏。W2樣地屬河岸輻射區(qū)，汛期有河水流經(jīng)此地，水量較大，胡楊林種群結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，樹齡多為中齡和近熟林階段；主林層高度7～10 m，每1 hm2株數(shù)170株以上，最上層樹高16 m以上，幼樹層高3～5 m，每1 hm2幼樹320株左右；檉柳呈叢狀散生或片狀分布，高2～4 m，蓋度10%～30%；草類有蘆葦、鹽生草、駱駝刺等。W3樣地位于河漫灘，具有成片胡楊林，草類較少，胡楊更新演替相對(duì)較易；新沖積物上可見胡楊種子苗和根蘗樹苗，高15～30 cm；胡楊幼樹樹齡一般在10 a以內(nèi)，高2～4 m，每100 m2面積上約20～40株，幼樹已開始分化，發(fā)生大量凋亡而自然稀疏；胡楊群落的伴生種類不穩(wěn)定，主要是檉柳幼株。

3 討 論

(1) 塔河干流區(qū)流經(jīng)的塔克拉瑪干沙漠外圍地區(qū)地下水主要補(bǔ)給方式為汛期漫溢河水的下滲，汛期過(guò)后，河水以側(cè)滲的形式補(bǔ)給河道兩側(cè)地下水[18-19]，因此地表水與地下水間水力聯(lián)系密切。本研究發(fā)現(xiàn)，在塔河中游沿岸典型的河岸林帶下，地下水TDS值遠(yuǎn)高于同區(qū)域地表水，最高可達(dá)14 g/L以上，主要是由于中游堤防的修建，使地下水沿河淡化帶范圍大幅度萎縮，主要離子含量大幅度增加[20-22]，同時(shí)，汛期地下水水位的抬升，排水不暢，土壤上層鹽類通過(guò)漫溢河水下滲而轉(zhuǎn)移至地下水中亦是重要因素。研究區(qū)地表水水質(zhì)的惡化，是自然與人為因素共同作用的結(jié)果，一方面由于地表積鹽的溶解；其次是積水沼澤中水流緩慢、蒸發(fā)強(qiáng)烈，而區(qū)內(nèi)大面積種植棉花、油葵、紅枸杞、瓜類等經(jīng)濟(jì)作物過(guò)程中，大量農(nóng)田排水的匯入已經(jīng)對(duì)該區(qū)地表水質(zhì)產(chǎn)生了不利影響。

(2) 由于輸水堤壩生態(tài)閘在洪水期引水漫灌河岸兩側(cè)胡楊林，在塔河中游地區(qū)擴(kuò)大了水域面積，季節(jié)性洪水的沖刷使得河流沿岸的地下水淡化帶不至于過(guò)度萎縮，減緩了堤壩修建所引發(fā)的生態(tài)負(fù)效應(yīng)，維持了現(xiàn)有胡楊林的生長(zhǎng)。但生態(tài)閘對(duì)沿岸地下水的淡化范圍是有限的，僅在瀕臨河道的狹窄地帶能滿足胡楊幼苗的萌發(fā)和生長(zhǎng)。當(dāng)?shù)叵滤V化度達(dá)2.2 g/L以上，胡楊幼苗無(wú)法生存[4]，地下水礦化度10～20 g/L，耐鹽性最強(qiáng)樹種才能適應(yīng)[23-24]，地下水化學(xué)性質(zhì)的改變對(duì)生物進(jìn)行了自然選擇與淘汰，因此區(qū)內(nèi)胡楊林演替自然更新資源匱乏，多為中、老齡胡楊和檉柳、紅柳等耐鹽灌木。此外，塔河流域嚴(yán)酷的氣候條件對(duì)胡楊幼苗萌發(fā)與存活的抑制；上游高強(qiáng)度的水土資源開發(fā)導(dǎo)致中游來(lái)水量減少；過(guò)度開墾耕作、放牧等人為活動(dòng)的不利影響；土壤貧瘠、鹽堿化；種間、種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)等因素均有可能造成胡楊種群的衰退。

4 結(jié) 論

(1) 塔河中游較大的水域面積維系著沿岸天然胡楊林的生長(zhǎng)，隨著河水向河道兩側(cè)漫溢，地表水化學(xué)組分由原來(lái)的以硫酸鹽、鈣離子為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐月入x子、鈉離子為主，其礦化度、總堿度、總硬度等均有上升，同時(shí)區(qū)內(nèi)大范圍的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)亦對(duì)地表水產(chǎn)生了污染。地下水鹽分含量過(guò)高，僅能維持現(xiàn)有中老齡胡楊的存活。

(2) 研究區(qū)植被組成主要為旱生、鹽生植物，該區(qū)胡楊與灰胡楊種群幼齡期個(gè)體較少，更新資源匱乏，屬于衰退型種群，僅在瀕臨河道的狹窄地帶適宜胡楊幼苗萌發(fā)與生長(zhǎng)。

[1] 陳亞寧,李衛(wèi)紅,徐海量,等.塔里木河下游地下水位對(duì)植被的影響[J].地理學(xué)報(bào),2003,58(4):542-549.

[2] 陳亞寧,崔旺誠(chéng),李衛(wèi)紅,等.塔里木河水資源利用與生態(tài)保護(hù)[J].地理學(xué)報(bào),2003,58(2):215-177.

[3] 魏忠義.塔里木盆地地表水化學(xué)特征及在人類活動(dòng)影響下的變化[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,1994,8(2):23-30.

[4] 陳永金,陳亞寧,李衛(wèi)紅.輸水作用下的地下水水質(zhì)變化與胡楊林更新:以塔里木河下游英蘇斷面為例[J].干旱區(qū)研究,2005,22(1):101-105.

[5] 陳永金,陳亞寧,李衛(wèi)紅,等.塔里木河下游輸水條件下淺層地下水化學(xué)特征變化與合理生態(tài)水位探討[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2006,16(9):1130-1137.

[6] 李衛(wèi)紅,陳永金,張保華,等.塔里木河中游地下水化學(xué)變化及其影響因素[J].環(huán)境化學(xué),2011,30(2):439-465.

[7] 陳永金,陳亞寧,劉加珍.堤防修建對(duì)塔里木河中游濕地地下水化學(xué)特征及水鹽運(yùn)移的影響[J].聊城大學(xué)學(xué)報(bào),2009,22(4):79-85.

[8] 朱海勇,陳永金,劉加珍.塔里木河中游水鹽梯度下的物種多樣性研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2011,20(8/9):1226-1234.

[9] 鄭潮州,張希明,吳俊俠,等.輸水堤防對(duì)塔里木河中游胡楊群落及種群的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(5):1356-1366.

[10] 趙楓,金海龍.艾比湖濕地自然保護(hù)區(qū)阿其克蘇河地下水特征與胡楊生長(zhǎng)關(guān)系研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2011,25(8):156-160.

[11] 喬云峰,王曉紅,沈冰,等.和田綠洲地下水特征及其對(duì)生態(tài)植被的影響分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2004,21(4):28-31.

[12] 張光輝,石迎新,聶振龍.黑河流域生態(tài)環(huán)境的脆弱性及其對(duì)地下水的依賴性[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2002,2(3):31-33.

[13] 王亮,王夏楠,周正立,等.塔里木河中游典型樣地土壤主要理化性質(zhì)比較研究[J].北方園藝,2014(23):148-151.

[14] 郭輝,黃粵,李向義,等.基于多尺度遙感數(shù)據(jù)的塔里木河干流地區(qū)植被覆蓋動(dòng)態(tài)[J].中國(guó)沙漠,2016,36(5):1472-1480.

[15] Chen Ya’ning, Xu Changchun, Hao Xingming, et al. Fifty-year climate change and its effect on annual runoff in the Tarim River Basin, China[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2008,30(6):921-929.

[16] 張海濤,梁繼業(yè),周正立,等.塔里木河中游荒漠河岸林土壤理化性質(zhì)分布特征與植被關(guān)系[J].水土保持研究,2016,23(2):6-12.

[17] 霍艾迪,康相武,王國(guó)梁,等.基于MODIS的沙漠化地區(qū)植被覆蓋度提取模型的研究[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2008,26(6):217-223.

[18] 陳永金,陳亞寧,李衛(wèi)紅,等.塔里木河下游輸水條件下淺層地下水化學(xué)特征變化與合理生態(tài)水位探討[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2006,16(9):1130-1137.

[19] Huo Aidi, Dang Jian, Song Jinxi, et al. Simulation modeling for water governance in basins based on surface water and groundwater[J]. Agricultural Water Management, 2016,174:22-29.

[20] 陳永金,李衛(wèi)紅,劉加珍,等.輸水堤防工程對(duì)塔里木河中游荒漠河岸林生態(tài)系統(tǒng)的影響[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2009,19(5):505-511.

[21] Huo Aidi, Chen Xunhong, Li Hua, et al. Development and testing of a remote sensing-based model for estimating groundwater levels in aeolian desert areas of China[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2011,91(1):29-37.

[22] Huo Aidi, Peng Jianbing, Chen Xunhong, et al. Groundwater storage and depletion trends in the Loess areas of China[J]. Environmental Earth Sciences, 2016,75(16):1167.

[23] 孫保平.荒漠化防治工程學(xué)[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,2000.

[24] 霍艾迪,張廣軍,武蘇里,等.利用MODIS-NDVI進(jìn)行沙化土地評(píng)價(jià)研究;以陜西省北部地區(qū)為例[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2008,26 (2):154-158.