艾克熱木·阿布拉,朱俏俏,徐海量,趙新風(fēng),李金,王月健
(1.中國科學(xué)院大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,北京100049;2.浙江省經(jīng)濟(jì)信息中心,浙江杭州310006;3.新疆維吾爾自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測總站,新疆烏魯木齊830011;4.浙江大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科博士后流動站,浙江杭州310027;5.石河子大學(xué)地理學(xué)院地理系,新疆石河子832003)
塔里木河流域綜合整治已經(jīng)進(jìn)行多年,下游生態(tài)輸水工作也開展了18年,其下游的生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了明顯好轉(zhuǎn),特別是下游尾閭臺特瑪湖出現(xiàn)了近500 km2的濕地,再次呈現(xiàn)出昔日的自然景觀[1].臺特瑪湖處于218國道與315國道銜接地,庫—格鐵路橫穿而過,曾是古“絲綢之路”的必經(jīng)要道[2].
尾閭湖易受人類活動干擾,其生態(tài)需水很容易得不到滿足,生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定很大程度上取決于水源的穩(wěn)定,特別是在干旱區(qū),濕地水源主要是地表水,而不包括降水[2].因此,整個輸水過程中湖面積與主要源流來水關(guān)系如何,是本文擬回答的第一個科學(xué)問題.植物群落變化過程一直是生態(tài)學(xué)理論的中心問題與熱點(diǎn)話題[3?5],國內(nèi)外大部分研究集中在不同演變階段群落物種組成[3,4],演變過程中植被長勢、物種多樣性等與外界水分的關(guān)系[5,6],有些提出了植被的演替模型[6,7].多數(shù)研究結(jié)果表明:植被受到干擾后,物種多樣性首先增加,隨著干擾的持續(xù),表現(xiàn)為植物多樣性下降[3?6].至2017年連續(xù)向大西海子水庫下游進(jìn)行了18次生態(tài)輸水,共有14次到達(dá)臺特瑪湖,整個過程中漫溢區(qū)植被是如何變化的及變化的原因是本文擬回答的第二個科學(xué)問題.本文利用2000―2017年臺特瑪湖面積、不同漫溢條件下的植被監(jiān)測數(shù)據(jù)、塔里木河來水量等相關(guān)數(shù)據(jù),對以上兩個科學(xué)問題進(jìn)行探討,為流域水資源管理提供基礎(chǔ)理論支撐.
圖1 臺特瑪湖區(qū)域地理位置Fig 1 The location of the Taitema lake
臺特瑪湖地理位置如圖1所示(地圖來自新疆維吾爾自治區(qū)測繪科學(xué)研究院).研究區(qū)位于若羌縣中部,是由阿爾金山山前平原和塔里木河及車爾臣河沖積平原交匯處的低地積水形成的,過去曾與羅布泊相通;1982―1998年,臺特瑪湖連續(xù)干涸了17年,使湖西岸強(qiáng)度沙漠化,湖泊沉積物以細(xì)沙為主,在強(qiáng)勁的東北風(fēng)吹蝕下,極易就地起沙[2];研究區(qū)屬暖溫帶大陸性荒漠干旱氣候,年均降水量28.5mm,年極端最大降水量118.0mm;年均蒸發(fā)量2 920.2mm,最大蒸發(fā)量3 368.1mm.植被以干旱荒漠原始天然植被為主.
2000―2017年塔里木河大西海子下泄水量、車爾臣河徑流量、臺特瑪湖面積在時間上的變化如圖2所示.在此期間,大西海子水庫每月下泄給塔里木河下游的水量數(shù)據(jù)由塔里木河流域管理局提供,經(jīng)整理后,為每年下泄水量數(shù)據(jù).
由于生態(tài)輸水工程及塔里木河綜合治理工程,從2010年開始基本實(shí)現(xiàn)了大西海子水庫年均下泄水量3.50×108m3的預(yù)期目標(biāo),加上車爾臣河近兩年來水偏豐,加大了對臺特瑪湖的入湖水量.2003年大西海子的下泄水量為2000―2009年期間的最大值,臺特瑪湖水域面積達(dá)最高水平(190多km2)[2];2007―2009年輸水較少,有些年份來水不能到達(dá)臺特瑪湖,加之塔里木河再次斷流,2008年和2009年湖面積急劇縮減;2010年源流來水量大,塔里木河全線貫通,臺特瑪湖水域面積基本達(dá)到了300km2.
圖2 近20年臺特瑪湖面積、大西海子下泄水量、車爾臣河徑流量變化圖Fig 2 Variation of the area of Taitema lake,discharged water from Daxihaizi and runoff of the Cherchen river in recent twenty years
由于臺特瑪湖斷面兩眼監(jiān)測井近幾年被淹沒,使監(jiān)測數(shù)據(jù)缺少了連續(xù)性,所以,本文用距湖最近的監(jiān)測斷面(考干,距離原湖心20 km)的地下水位來反映臺特瑪湖周邊地下水位的變化情況.一般每年的生態(tài)輸水在11月份結(jié)束,因此本文選取了11月份的地下水埋深數(shù)據(jù)(圖3).
由圖3顯示,2000―2017年考干斷面兩口監(jiān)測井(J3、J4)的地下水埋深呈先上升后下降趨勢,最高值9.2 m,最低值0.4 m.2000―2017年以上兩口井平均地下水埋深分別為6.39 m和5.32 m,分別較生態(tài)輸水前(2000年)減少了45.53%和40.91%,說明生態(tài)輸水后臺特瑪湖周邊地下水位有所抬升.
圖3 2000―2017年臺特瑪湖區(qū)附近考干斷面地下水位Fig 3 Groundwater level of Kogan section near the Taitema lake from 2000 to 2017
(1)植被監(jiān)測樣地分布
基于多年實(shí)地調(diào)查,積累了臺特瑪湖2000―2017年連續(xù)的第一手監(jiān)測數(shù)據(jù).本研究在每個樣帶分別設(shè)置漫溢樣地和無漫溢樣地(即對照樣地),針對漫溢條件與無漫溢條件下植被變化差異開展野外調(diào)查和數(shù)據(jù)采集工作.并且鑒于道路的可行性、監(jiān)測樣地的可達(dá)性,布設(shè)監(jiān)測樣地,位置見圖4.
圖4 研究區(qū)固定監(jiān)測樣地位置示意圖Fig 4 The sketch map of fixed monitoring samples in study area
(2)野外植被和土壤調(diào)查
2001年共布置39個50m×50m的固定監(jiān)測樣地,每年植被生物量最旺季進(jìn)行植被監(jiān)測(5月中旬、7月中旬各一次);其中受河水漫溢影響的樣地有29個,不受河水漫溢干擾的樣地(非漫溢區(qū))有10個.監(jiān)測樣地的布設(shè):兩條主要的樣帶沿兩個方向布置,一個方向是以原湖心(位于目前的臺特瑪湖管理站)為中心、沿著南北方向均勻布設(shè)監(jiān)測點(diǎn),樣帶長度40 km;另一條樣帶是以214省道、218國道兩條道路的交點(diǎn)為起點(diǎn),向著214省道方向布點(diǎn),樣帶長度10km.非漫溢區(qū)一般位于以上兩個樣帶的末尾端、距湖心遠(yuǎn)的位置.自2009年,由于8個樣地長期被水淹沒,已不作為固定監(jiān)測樣地,目前只剩21個.通過多年來水實(shí)際情況,生態(tài)輸水對臺特瑪湖區(qū)的漫溢干擾方式有多種:1)多次漫溢;2)少次漫溢;3)長期漬水.豐水年里,如2011年、2016年、2017年,21個固定監(jiān)測樣地中2~3個樣地經(jīng)常完全被水淹沒,被淹沒的樣地不計(jì)入調(diào)查統(tǒng)計(jì).非漫溢區(qū)包括兩種類型:一種是距湖心超過30 km、距湖邊超過10 km,不受臺特瑪湖地下水位抬升或下降的影響;另一種是距湖心30 km以內(nèi)、距湖邊1~5 km,不受臺特瑪湖地表水漫溢干擾,但受其地下水位影響,也叫地下水位抬升區(qū)[8].
將每個50 m×50 m樣地(包括漫溢樣地和對照樣地)劃分成4個25 m×25 m的植被樣方,調(diào)查樣方內(nèi)所出現(xiàn)的灌木和草本植物的物種數(shù)、個體數(shù)、株高、基徑和冠幅;同時在每個樣方內(nèi)任意選取3個1 m×1 m的草本樣方,調(diào)查草本植物的物種數(shù)、個體數(shù)和株高.由于荒漠植物的生長受表層土壤性質(zhì)影響最大,因此在每個監(jiān)測樣地內(nèi)隨機(jī)挖取0~10 cm地表土壤樣品3個,取樣面積為10 cm×10 cm.將土樣裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行電導(dǎo)率、總鹽和有機(jī)質(zhì)的測定.同時,將臺特瑪湖水樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn).
(3)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
基于野外調(diào)查結(jié)果,計(jì)算對照樣地和每一個漫溢樣地中一年生草本、多年生草本和灌木的重要值,并求出同一漫溢指標(biāo)梯度的樣地中三類植被重要值的算術(shù)平均值,以作為分析三類植被對群落結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)變化的依據(jù);同時選取Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)來反映植被物種多樣性的變化情況.Simpson指數(shù)是反映群落優(yōu)勢度較好的一個指標(biāo)(用D表示);Shannon-Wiener指數(shù)的計(jì)算公式表明,群落中生物種類增多代表了群落的復(fù)雜程度增高(用H表示),H值越大,群落所含的信息量越大.計(jì)算公式如下所示[9,10]
Simpson指數(shù):
Shannon-Wiener指數(shù):
式中,S為樣方的總物種數(shù),Pi表明第i個物種的出現(xiàn)頻率,Pi=Ni/N(Ni為第i種的個體數(shù),N為樣方的總個體數(shù)).
本文植被覆蓋度提取用到的植被指數(shù)數(shù)據(jù)為MOD13Q1產(chǎn)品中的EVI數(shù)據(jù),空間分辨率為250m,時間序列為2001年1月至2016年12月.
對獲得的EVI遙感數(shù)據(jù)除進(jìn)行了數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、鑲嵌、投影轉(zhuǎn)換及研究區(qū)提取等預(yù)處理外,為降低噪音信息對數(shù)據(jù)的影響,還進(jìn)行了Savitzky-Golay濾波和MVC合成處理,獲得代表植被生長最好狀況的年EVI數(shù)據(jù).
像元二分模型是目前植被覆蓋度反演的有效方法,其計(jì)算公式如下:
Fc為植被覆蓋度,本文采用兩位小數(shù)表示,以與百分比區(qū)分,EVIsoil為研究區(qū)純裸土像元EVI值,EVIveg為純植被像元EVI值.本文分別取研究區(qū)EVI圖像直方圖5%和95%處的EVI值代表EVIsoil值和EVIveg值.
從遙感影像中提取的水域格局(圖5)可以看出,與1982年相比,自2002年以來匯入臺特瑪湖的河道位置、形狀基本一致,未發(fā)生明顯變化.2001年秋塔里木河水通過庫爾干(考干)以下的14km人工河道到達(dá)臺特瑪湖區(qū);2003年春車爾臣河穿過218國道,夏季其河水與塔里木河的河水匯合;2010年底以后,因塔里木河下游應(yīng)急輸水量多、持續(xù)時間長,故臺特瑪湖一直保持較大水域,并向湖區(qū)東北方向的洼地?cái)U(kuò)大(圖5).
圖5 不同時期臺特瑪湖水域格局Fig 5 Water pattern of Taitema lake in different periods
利用2000―2017年車爾臣河且末水文站徑流量、塔里木河大西海子下泄水量、臺特瑪湖面積數(shù)據(jù)建立湖面積與來水量間的關(guān)系(圖6).通過皮爾遜相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式得到湖面積與塔里木河下泄水量相關(guān)系數(shù)為0.72,湖面積與車爾臣河來水量間的相關(guān)系數(shù)為0.67(圖6中r2是相關(guān)系數(shù)的平方)說明前者關(guān)系大于后者.
圖6 臺特瑪湖面積與且末水文站徑流量、塔里木河下泄水量的關(guān)系Fig 6 Relationships of the area of the Taitema lake with the runoff of Qiemo hydrologic station and the discharge of the Tarim river
前期(2000―2010年)是間歇性輸水,期間幾年的枯水年份里,沒有水下泄;后期(2011年至今)是連續(xù)性輸水,自國家規(guī)定三條紅線和塔里木河統(tǒng)一管理以來,除了2014年的特枯水年以外,其余年份大西海子下泄水量均達(dá)到或超過國家規(guī)定輸水量(3.50×108m3).因此,形成了圖2中的情況,即2001―2010年初湖面積較小且不穩(wěn)定,2010年夏至今,臺特瑪湖水域面積逐步擴(kuò)張.
圖7 臺特瑪湖各種離子變化特征Fig 7 Variation characteristics of various ions in Taitema lake
從圖7可以看出湖水礦化度、Ka+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl?、中,除了Ca2+以外,其他離子濃度值在時間序列上均表現(xiàn)為相同的趨勢,即2002―2005年礦化度及離子濃度值均較低,2006―2009年較高,而2010―2014年又下降為低值.可能主要是由于水中各離子濃度的變化趨勢與塔里木河輸水量有關(guān),一般輸水量越大、臺特瑪湖形成的湖面積越大,湖水量多必然對臺特瑪湖鹽分產(chǎn)生稀釋作用.
表1是臺特瑪湖各離子濃度與來水量間的相關(guān)關(guān)系.從表1可以看出,2001―2017年臺特瑪湖離子濃度與臺特瑪湖面積、塔里木河下泄水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.
表1 湖水水質(zhì)與塔里木河下泄水量、臺特瑪湖面積相關(guān)系數(shù)值(2001―2017年)Tab 1 Correlation coefficient of water quality with the discharge of Tarim river and the area of Taitema lake in 2001-2017
臺特瑪湖在2000―2002年(生態(tài)輸水前期),植被覆蓋度幾乎沒有變化,甚至減少(紅色范圍幾乎未擴(kuò)大).隨著時間的推移,到了生態(tài)輸水時期臺特瑪湖植被覆蓋度增加(紅色區(qū)域增多):生態(tài)輸水前10年,植被蓋度增加的區(qū)域主要發(fā)生在臺特瑪湖以北,在后期,特別是自2014年開始,臺特瑪湖以北植被蓋度繼續(xù)增加,以南出現(xiàn)了大范圍的植被(圖8).
圖8 臺特瑪湖區(qū)域植被蓋度Fig 8 Vegetation coverage of Taitema lake
利用連續(xù)18年(2000―2017年)地表樣方監(jiān)測數(shù)據(jù),得到整個生態(tài)輸水期間臺特瑪湖地表植被多樣性變化情況(圖9).漫溢區(qū)情況表現(xiàn)為:生態(tài)輸水前,研究區(qū)植被多樣性指數(shù)非常低,2001年植被Simpson 指數(shù)、Shannon-Whiere指數(shù)值僅為0.07和0.12,隨著輸水的進(jìn)行,2000―2005年植被Simpson指數(shù)、Shannon-Whiere指數(shù)呈顯著增加趨勢,2005年以上兩個指數(shù)值分別達(dá)到了0.79與1.67.說明在初期,生態(tài)輸水增加了地表植被的多樣性.但在后期,隨著生態(tài)輸水的持續(xù)進(jìn)行,Simpson指數(shù)、Shannon-Whiere指數(shù)逐漸下降,通過Mann-kendall單調(diào)趨勢檢驗(yàn),2005―2017年以上兩個指數(shù)呈極顯著下降趨勢,其統(tǒng)計(jì)量Z值分別為-3.36和-3.48,其絕對值大于2.58,說明隨著輸水的進(jìn)行物種組成逐漸趨于簡單化.從圖9可以看出2009―2012年植物多樣性指數(shù)呈反增趨勢,主要是由于2009―2010年是特枯年份,生態(tài)輸水未到達(dá)臺特瑪湖,植被多樣性隨著周圍水分條件的變化也發(fā)生了變化.從圖9還可以看出地下水抬升區(qū)植被多樣性始終保持較低的態(tài)勢,說明地下水抬升區(qū)沒有新物種出現(xiàn).
圖9 臺特瑪湖植被Simpson指數(shù)(A)與Shannon-Whiere指數(shù)(B)年際變化Fig 9 Interannual variations of Simpson index(A)and Shannon-Whiere index(B)in Taitema lake
利用2000―2017年臺特瑪湖面積、車爾臣河徑流量、塔里木河大西海子水庫下泄水量數(shù)據(jù),得出湖區(qū)面積與大西海子下泄水量關(guān)系更顯著于與車爾臣河來水量間的關(guān)系,臺特瑪湖面積與大西海子下泄水量、車爾臣河流域且末水文站徑流量間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別是0.72和0.67,考慮到這兩種情況的輸水距離均是250km左右,以及沿程地質(zhì)均具有很大相似性[11],可以說臺特瑪湖湖面積受車爾臣河來水的影響,但更依賴于塔里木河的生態(tài)輸水.
未受到塔里木河下游輸水影響時,2000年臺特瑪湖原始植被主要是鹽穗木(Halostachyscaspica)、鹽節(jié)木(Halocnermumstr)、鹽爪爪(Kalidiunfoliatum)等原始鹽生植物;受到自2000年塔里木河生態(tài)輸水工程的影響,研究區(qū)土壤含水量發(fā)生了改變,從生態(tài)輸水開始到2005年,當(dāng)?shù)刂饕脖活愋褪且荒晟荼竞投嗄晟荼救郝?初期植物多樣性出現(xiàn)了明顯的增加,主要由以下四點(diǎn)來解釋:(1)由于本區(qū)長期缺水造成植物群落嚴(yán)重退化,作為最重要的限制因子,水分條件的變化對植物群落的影響十分突出,植物種子隨著外界水分條件的改善而萌發(fā);(2)過去植被茂密、動植物種類繁多的臺特瑪湖[12],雖然經(jīng)歷了長期的干涸造成生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重退化,但是許多干旱區(qū)植物種子具有的休眠和耐受能力使得它們能夠長期存活,例如本區(qū)內(nèi)鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)、脹果甘草(Glycyrrhizainflata)等豆科植物的種子被認(rèn)為是干旱區(qū)的“持久土壤種子庫”,種子壽命甚至可達(dá)幾十年、上百年之久,待有了萌發(fā)的環(huán)境條件、時機(jī)成熟后便可萌發(fā)[13];(3)輸水過程中,因頭幾次生態(tài)輸水大西海子以下沿途河損量大,水頭未達(dá)臺特瑪湖,但沿河植被生長早于臺特瑪湖,植被在一年內(nèi)很快完成生殖生長,多數(shù)植物的種子具有獨(dú)特的形態(tài)特征,如檉柳(Tamarixsp.)、蘆葦(P.australis)、鹿角草(Hexiniapolydichotoma)、花花柴(Kareliniacaspica)等植物的種子可以在風(fēng)、水等媒介的作用下傳播到很遠(yuǎn)的區(qū)域,當(dāng)遇見合適的環(huán)境條件時它們可以很快繁殖和生長,水頭到達(dá)臺特瑪湖后,由于地面潮濕又能夠使這些具有萌發(fā)潛力的種子停留而不易被風(fēng)吹走,從而使漫溢區(qū)植被無論在密度、長勢和蓋度等方面與輸水前相比均發(fā)生了很大變化;(4)生態(tài)輸水過程中,河水本身有可能為漫溢區(qū)帶來新種子,因?yàn)樗[(Scirpustabernaemontani)、扁稈藨草(Scirpusplaniculmis)等均是生活在水分條件較好的區(qū)域,而水路經(jīng)博斯騰湖(前期輸水中部分來自博湖)、大西海子水庫,滿足上述條件.
生態(tài)輸水前期,隨著水分條件的好轉(zhuǎn)植物多樣性增加,這一點(diǎn)比較容易理解.在后期十余年內(nèi)植被對生態(tài)輸水的響應(yīng)如表2所示,2005年漫溢區(qū)植被主要由一年生草本、多年生草本與灌木組成,其中一年生草本植物的IV(important value)值最大(0.54),其次是灌木(0.32),然后是多年生草本(0.28),說明樣地內(nèi)一年生植物占主要優(yōu)勢,次優(yōu)勢為灌木,其中灌木主要由原生植被,如鹽穗木(Halostachyscaspica)、鹽節(jié)木(Halocnermumstr)及檉柳(Tamarixsp.)的幼苗構(gòu)成.2007年灌木IV值增大(由2005年的0.32增加至2007年的0.54)、一年生草本植物IV值下降(由2005年的0.54下降到2007年的0.23)、多年生草本IV值略有增長.2009年,灌木IV值達(dá)到最高(0.83)、多年生草本IV值變化不大,而一年生草本植物基本消失.
表2 不同年份漫溢區(qū)臺特瑪湖植被重要值構(gòu)成Tab 2 Important values composition of vegetation of Taitema lake in different years
2012年多年生草本IV值增大(0.75)、灌木IV值減小,而多年生草本中的主要物種是蘆葦,蘆葦蓋度占總蓋度的90%以上.從以上可以看出,在2007―2009年的枯水年份里,灌木、多年生草本占優(yōu)勢;但隨著漫溢次數(shù)的增加、過水時間的持續(xù),2010年以后,物種又以多年生草本占優(yōu)勢(表2).由于蘆葦在耐鹽性、耐淹性方面都較強(qiáng)[14,15],從而成為該區(qū)頂級群落.
(1)臺特瑪湖湖面積與塔里木河下泄水量相關(guān)系數(shù)為0.72、湖面積與車爾臣河來水量間的相關(guān)系數(shù)為0.67,前者大于后者,臺特瑪湖湖面積受車爾臣河來水的影響,但更依賴于塔里木河的生態(tài)輸水.
(2)臺特瑪湖湖水礦化度、Ka+、Na+、Mg2+、Cl?、離子濃度值與湖面積、塔里木河下泄水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到-0.639~-0.353、-0.645~-0.427).
(3)隨著生態(tài)輸水的進(jìn)行,臺特瑪湖周邊地下水位呈抬升趨勢,臺特瑪湖漫溢區(qū)、地下水位抬升區(qū)植被覆蓋度呈增加趨勢.從時間上來看,臺特瑪湖在輸水初期(2000―2002年)植被覆蓋度增加不明顯,隨著時間的推移植被覆蓋度逐漸增大.從空間上來看,生態(tài)輸水頭10年左右,植被覆蓋度增加的區(qū)域主要發(fā)生在臺特瑪湖以北,后期(特別是2014年以來),臺特瑪湖以北植被覆蓋度繼續(xù)增加、以南裸地開始出現(xiàn)大范圍的植被.
(4)生態(tài)輸水前,研究區(qū)植被多樣性指數(shù)非常低,2001年植被Simpson 指數(shù)、Shannon-Whiere指數(shù)值僅為0.07和0.12,隨著輸水的進(jìn)行,漫溢區(qū)植物多樣性指數(shù)逐漸增大,2005年以上兩個指數(shù)值分別達(dá)到了0.79與1.67.隨著時間的推移,物種組成又趨于簡單化;2011―2017年,蘆葦成為漫溢區(qū)的優(yōu)勢物種,該時段植物多樣性保持著較低的水平.