流域水文變化對胡楊荒漠河岸林林窗及形成木特征的影響

阿依加馬力·克然木,玉米提·哈力克,*,塔依爾江·艾山,買爾當·克依木,祖皮艷木·買買提,艾力亞爾·艾尼瓦爾

1 新疆大學資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046 2 新疆維吾爾自治區(qū)綠洲生態(tài)教育部重點實驗室,烏魯木齊 830046 3 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室,北京 100085

林窗,也稱為林隙或林冠空隙,是森林生態(tài)系統中普遍存在的小尺度干擾形式[1-2]。林窗研究作為森林循環(huán)理論的基礎之一,具有重要的理論和實際意義[3-4]。Watt首次提出林窗一詞至今[5],林窗特征及其動態(tài)研究已取得很大進展,并成為當前森林生態(tài)學研究的熱點之一[6-7]。朱教君和Hu等學者基于自然干擾過程的研究成果,建立了林窗直徑與林窗邊緣木高度的關系[2,8]。雖然,國內外學者對熱帶[9-10]、亞熱帶[11]、北溫帶[12-13]到寒溫帶[14]等不同氣候區(qū)主要森林類型林窗形成機制進行了研究,但對暖溫帶干旱區(qū)林窗方面的研究很罕見[1]。

胡楊(PopuluseuphraticaOliv.)是楊柳科(Salicaceae)楊屬中最古老的原始樹種之一,是荒漠河岸林重要的建群種,也是珍貴的抗逆種質資源[15]。它已成為抵御風沙、遏制沙化、維護區(qū)域生態(tài)平衡、保護生物多樣性和保障綠洲農牧業(yè)生產的重要屏障,在維持干旱區(qū)生態(tài)系統結構和功能方面起到關鍵作用[16]。至今,諸多學者針對塔里木河流域天然胡楊林的發(fā)生發(fā)育規(guī)律及生理生態(tài)特性做了多方面的研究,旨在力求揭示胡楊個體、種群、群落及生態(tài)系統不同尺度上的適應策略與調控機制[17-20],使得干旱區(qū)內陸河流域生態(tài)水文過程研究得以重要進展,從而提高了我國在干旱區(qū)受損生態(tài)系統相關研究領域的國際知名度[21-22]。然而,針對荒漠河岸林演替與更新的主要驅動因素——林窗干擾及其對流域水文過程響應機理的研究尚為欠缺。本文選取塔里木河中游具有代表性的6個樣點予以研究,通過地面監(jiān)測獲取林窗及其形成木特征參數,分析了不同水文條件下林窗數量及其形成木種群結構特征,探討林窗及其形成木對流域水文變化的響應,揭示胡楊種群的死亡機理,以期為塔里木河流域天然胡楊林的恢復與生態(tài)保護提供理論依據和科學參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔里木河中游輪臺縣境內國家胡楊林自然保護區(qū)英巴扎斷面(圖1),地理坐標為41°10′25″—41°16′00″N和84°15′18″—84°23′00″E,屬暖溫帶極端干旱大陸性荒漠氣候,多年平均氣溫9.7 ℃,最高氣溫43.6 ℃,最低氣溫-30.9 ℃；年平均降水量30—34 mm,年平均蒸發(fā)量卻高達2400—2900 mm[23]。年均日照時數為 2778 h,≥ 10 ℃ 年積溫為4039 ℃,多風沙、浮沉天氣,最大風速達40 m/s[24]。英巴扎斷面處于塔里木河中游的起點,河道過水情況良好,洪水季節(jié)6—8月河岸林常受到洪水漫淹[25]。該區(qū)域是我國胡楊林面積最大、受人類破壞較少的原始森林分布區(qū)[1]。然而,水熱值的極端現象限制了植物種類的多樣性,使得植物群落與生態(tài)系統的結構十分簡單[26]。研究區(qū)代表性的植物有胡楊(Populuseuphratica)、灰楊(Populuspruinosa)、多枝檉柳(Tamarixramosissima)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、羅布麻(Apocynumvenetum)、花花柴(Karelinacaspica)、疏葉駱駝刺(Alhagisparsifolia)、甘草(Glycyrrhizauralensis)等。

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Study area

2 材料與方法

2.1 樣地設置與地面監(jiān)測

野外工作于2017年5月10日至6月10日進行,考慮到塔里木河豐水和枯水發(fā)生特點以及塔里木河流域管理局布設的地下水監(jiān)測井分布情況,依據離河道距離、胡楊分布密度以及國內外林窗判定標準,在英巴扎斷面選定50 m × 50 m柵格單元的6個地面監(jiān)測樣地。在每個樣地內均監(jiān)測了10個林窗,分別測定林窗特征參數(高度,面積,形狀)以及形成木株數、樹高(TH)、胸徑(DBH)、冠幅(CD)等樹形指標(林窗內沒有形成木的記為“0”)。同時獲取每個樣地附近的地下水監(jiān)測井地下水埋深數據。

2.2 水文數據收集

1955年建站以來至2016年的徑流量、耗水量等數據來自于塔里木河上游水流量進入中游的控制點——英巴扎水文站。1990—2016年的地下水埋深數據取自塔里木河流域管理局在研究區(qū)按水分梯度布設的49眼地下水監(jiān)測井。

2.3 數據分析

2.3.1林窗年齡的估算

林窗年齡(Gap age)系指林窗自形成以來至調查時的年數[27]。由于調查時條件的限制,以林窗內最先倒下的一株形成木(形成林窗的腐木)的腐爛程度結合保護區(qū)周圍采伐樹樁的腐朽狀況并參考當地林業(yè)工作者的實踐經驗來估算林窗年齡[28]。由此,參照前人的研究方法[29],把腐木的腐朽級別劃分為9個等級,見表1。

表1 腐木腐朽級別與林窗年齡的對應關系

2.3.2林窗形成木徑級(年齡)劃分與分布格局

采用林窗喬木形成木徑級結構代替其年齡結構的方法,將喬木形成木劃分為5個徑級：Ⅰ級幼齡樹：胸徑<5 cm,高度<4 m；Ⅱ級幼齡樹：5 cm<胸徑<10 cm,高度≥4 m；Ⅲ級中齡樹：10 cm<胸徑<15 cm；Ⅳ級中齡樹：15 cm<胸徑<20 cm；Ⅴ級大齡樹(或老齡樹)：胸徑>20 cm。按上述標準用擬合優(yōu)度t檢驗法統計各年際不同徑級林窗形成木胡楊株數,以徑級為橫坐標,林窗形成木數量出現頻率為縱坐標,做出林窗形成木胡楊徑級結構分布圖,并判定塔里木河中游不同年代的林窗形成木種群總個體數與不同徑級分布類型[30]。

2.3.3林窗形成木種群結構動態(tài)指數

采用種群結構量化分析法,對研究區(qū)林窗形成木種群動態(tài)進行定量描述。種群結構動態(tài)指數(Vpi)可反映種群結構個體數量增長、穩(wěn)定或衰退的變化趨勢。若0

(1)

式中,Sn為第n徑級形成木種群個體數,Sn+1為第n+1徑級形成木種群個體數,(…)max為選取括號中數列最大值。種群年齡結構的變化動態(tài)指數(Vpi)計算公式為：

(2)

式中,Sn與Vn式(1)中意義同上,K為林窗形成木種群年齡級數量,Vpi取負、零和正值與Vn一致。在考慮到外部干擾的情況下,經受隨機干擾和非隨機干擾的林窗形成木徑級結構動態(tài)指數(Vpi′、Vpi″)的具體計算方法見文獻[31]。

3 結果與分析

3.1 塔里木河中游水文特征

3.1.1年徑流/耗水量變化

英巴扎水文站位于塔里木河上、中游的交界處,是上游水量下泄到中游的控制點站。其水文站1955至2016年徑流/耗水量時序監(jiān)測資料表明(圖2),自20世紀80年代中期以來,塔里木河上游進入中游的年徑流量與耗水量大幅度減少,河水無法以漫溢形式補給河道兩岸的胡楊林。時間序列與年徑流、耗水量的回歸方程分別為y徑流量=-1.892x+ 24.912(R2=0.785,P<0.01)和y耗水量=-0.165x+ 346.730(R2=0.524,P<0.01)。由回歸曲線表明,中游年徑流量與耗水量先呈直線下滑趨勢,2010年后保持穩(wěn)定狀態(tài),且耗水量趨勢線先位于徑流量線下方,然后逐漸合并。這說明向塔里木河下游人工調水后中游補給地下水的水量開始減少,從而引起塔里木河中游地區(qū)生態(tài)環(huán)境的惡化勢頭。

3.1.2地下水埋深變化

獲取塔里木河流域管理局在研究區(qū)按水分梯度布設的49眼地下水監(jiān)測井數據。由1990至2016年塔里木河中游地下水埋深變化情況可知,1990至2003年地下水埋深保持在3 m左右；2004年開始,地下水埋深均增深至 4 m以上,并隨時間推移繼續(xù)加深(圖3)。由回歸模型表明,塔里木河中游地下水埋深隨著年度的變化先呈線性增加趨勢,2010年后保持在 5 m左右(R2= 0.862,P<0.01),與年徑流量與耗水量變化情況基本一致。這是由于塔里木盆地在40—50年前曾受到過大規(guī)模開墾的干擾,耕地面積及灌溉用水量驟然增加所引起的[32-33]。

圖2 塔里木河中游年徑流/耗水量變化Fig.2 Annual runoff/water consumption changes in the middle reaches of the Tarim River

3.2 胡楊林林窗特征

3.2.1不同年度林窗干擾狀況

本文采用腐爛等級代替林窗發(fā)生時間[28],將林窗發(fā)生時間劃分為9個等級(表1)。由60個林窗的調查結果可知,塔里木河中游河岸林林窗形成木種群組成簡單,僅有胡楊、灰楊兩種喬木。圖4得知,本次調查的林窗最大年齡約50—60 a,最小年齡約6—10 a,說明塔里木河流域荒漠河岸林的林窗是在近50 a內形成的。各樣地內以1997—2006年形成的林窗數量最多(17個),其次是2007—2011年(14個)；1957—1966年形成的林窗最少,僅有2個。在荒漠河岸林中,林窗形成木在60—70 a左右逐漸分解完畢,此年齡階段的倒木殘骸難以辨認。因此,森林中沒有60 a以上的林窗存在。塔里木河流域經過50多年大規(guī)模的水土開發(fā)和人為活動的影響,水環(huán)境發(fā)生巨大變化,從而引起該地區(qū)地表水驟減、地下水資源日益匱乏[34],致使胡楊死亡而形成的林窗現象頻繁出現。

圖3 塔里木河中游地下水埋深變化Fig.3 Ground water depth changes in the middle reaches of the Tarim River

圖4 塔里木河中游林窗數量年際變化Fig.4 Change of canopy gap numbers in the middle reaches of the Tarim River

3.2.2林窗形成木種群結構特征

塔里木河中游不同年度林窗胡楊形成木種群數量及其徑級結構差異明顯(表1),反映了不同水分條件對胡楊種群的影響。由圖5可知,除了1967—1976年代以外,塔里木河中游各年林窗形成木胡楊Ⅱ級幼齡樹大幅度增加,其中,1997—2006年最多。據統計,1967—1976年間林窗形成木Ⅳ級中齡樹缺失(株數為0),其他各徑級形成木也極度稀缺(總株數為15)。1987—2016年間各徑級林窗形成木較為豐富,尤其是2007—2016年間極為明顯(表1)。綜上所述,20世紀50年代后塔里木河流域受大尺度干擾[35],再加上2000年塔里木河中游堤防修建后,地下水維系的胡楊種群與水資源失去聯系,從而其遭遇陸續(xù)喪失或稀缺[15],表現為幼齡胡楊難以生存,種群更新能力明顯降低的特征。

圖5 胡楊林窗形成木種群徑級結構Fig.5 DBH structure of Populus euphratica gap makers population

年代Years最小值Min.最大值Max.平均值Mean數目Number方差Variance標準差Standard deviation偏度Skewness峰度Kurtosis變異系數 Variation coefficient P1957—19664.046.513.821129.25011.3701.9563.2280.8250.1471967—19762.925.7 9.215 40.075 6.3301.6372.5120.6910.1001977—19864.236.411.325 66.730 8.1702.1124.0210.7210.1001987—19963.234.310.149 47.6306.9002.1744.4240.6840.0561997—20062.850.0 9.782 49.155 7.0113.21614.0580.7260.0712007—20161.920.9 8.251 19.072 4.3671.041 0.9600.5310.134

3.2.3林窗形成木種群結構動態(tài)

林窗形成木徑級結構動態(tài)指數(Vpi)可反映形成木種群結構個體數量增長、穩(wěn)定或衰退的變化趨勢,而通過觀察Vpi′、Vpi″的取值變化,可以分析林窗喬木形成木在經受隨機與非隨機干擾時的穩(wěn)定程度。由表2可知,在無外部干擾下,塔里木河中游各年代(1957—1966、1967—1976、1977—1986、1987—1996、1997—2006和2007—2016)的Vpi值分別為：-0.073、-0.060、0.000、0.040、0.200和0.460。在考慮到外部干擾的情況下,經受隨機干擾和非隨機干擾的形成木徑級結構動態(tài)指數(Vpi′、Vpi″)分別為：-0.0040、-0.0019、0.0025、0.0071、0.0057、0.0084和-0.0180、-0.0300、0.0600、0.0970、0.0400、0.0554。由此可見,1977—1986、1987—1996、1997—2006與2007—2016年間塔里木河中游胡楊林窗形成木種群結構呈增長趨勢,1957—1966與1967—1976年間則為減少。實施生態(tài)輸水的前期與初期(1997至2004),地下水埋深保持3 m左右,可滿足各齡級胡楊生長發(fā)育的水分需求。隨后,塔里木河中游徑流量與耗水量持續(xù)減少,導致地下水埋深不斷增加,河道兩岸生態(tài)用水緊缺。林窗形成木結構動態(tài)指數增加趨勢逐步提高,這是因為胡楊種群應對外界干擾的抵抗能力持續(xù)降低(表3)。

表3 林窗形成木種群徑級結構動態(tài)分析

V1: Ⅰ—Ⅱ徑級變化動態(tài)指數 Dynamic index value of Ⅰ—Ⅱclass sizes;V2: Ⅱ—Ⅲ徑級變化動態(tài)指數 Dynamic index value of Ⅱ—Ⅲclass sizes;V3: Ⅲ—Ⅳ徑級變化動態(tài)指數 Dynamic index value of Ⅲ—Ⅳclass sizes;V4: Ⅳ—Ⅴ徑級變化動態(tài)指數 Dynamic index value of Ⅳ—Ⅴclass sizes;Vpi: 無外部干擾變化動態(tài)指數 Dynamic index value under no external disturbance;Vpi′: 完全隨機干擾變化動態(tài)指數 Dynamic index value under completely random disturbance;Vpi″: 非隨機干擾下變化動態(tài)指數 Dynamic index value of non-random disturbance;P: 完全隨機干擾下的風險極大值Maximum risk value under completely random disturbance;P′: 非隨機干擾下的風險極大值 Maximum risk value under non-random disturbance

3.3 林窗形成木結構動態(tài)與年徑流量的關系

圖6 塔里木河中游林窗形成木種群結構動態(tài)與徑流量的關系Fig.6 Relationship between structure dynamic of gap makers population and annual runoff in the middle reaches of the Tarim River

水是影響植物生存、生長發(fā)育諸多環(huán)境因子中最主要的限制因子之一[36]。地表徑流是維系干旱區(qū)地下水依賴型胡楊種群生長發(fā)育的重要水資源,Vpi′ 表示林窗胡楊形成木種群在隨機干擾下的徑級結構動態(tài)。如圖6所示,Vpi′與地表徑流量具有顯著性負相關,其回歸方程為y= 0.0005x- 0.0146 (R2= 0.8405,P<0.01)。該模型顯示,隨徑流量的增加,林窗形成木結構動態(tài)指數不斷下降。當徑流量降至25.86×108m3時,林窗形成木增長指數變?yōu)檎?林窗形成木種群出現增長型現象。這表明地表徑流量的減少是導致胡楊種群死亡的主要原因。尤其是,地下水與其重要補給來源關系被切斷,使地下水埋深逐漸加深[37],林分自然更新受制,嚴重阻礙了胡楊林的正常生長發(fā)育。

3.4 林窗及其形成木數量與徑流量的關系

由圖7可見,林窗數量與年徑流量之間存在較好的擬合負相關,其擬合方程為y=-0.0728 x2+1.6458 x + 6.1206(R2=0.624,P<0.01)。擬合曲線表明,林窗數量隨著年徑流量的增加而不斷下滑趨勢,徑流量越多,林窗數量就越少。徑流量在6.53×108—17.81×108m3范圍內林窗數量最多,說明在其范圍的徑流量很有可能對林窗的形成有著顯著的影響。相對其而言,林窗形成木數量與流域的年徑流量之間存在顯著性負相關。如圖8所示,林窗形成木數量隨著年徑流量的增加而大幅度減少趨勢,其擬合方程為y=-0.562x2+13.39x(R2=0.8137,P< 0.01)。徑流量越多林窗內死亡樹木就越少,與林窗數量隨著年徑流量的變化趨勢基本一致。這可能是由于地表水與地下水有直接的關系,間接影響到胡楊的生存生長,從而導致干旱區(qū)林窗現象的頻繁出現。

圖7 林窗數量與徑流量關系Fig.7 Relationship between the number of forest gap and annual runoff

圖8 林窗數量與徑流量關系Fig.8 Relationship between the number of forest gap and annual runoff

4 討論

從年際變化來看,塔里木河中游年徑流量和耗水量均呈直線下滑趨勢,同時地下水埋深不斷加深。徐夢辰等學者借助穩(wěn)定同位素技術分析水文補給關系,證明了塔里木河中游地下水主要依靠地表徑流水來補給[15]。2000年的堤防修建和人工調水阻礙了洪水漫溢[38],地下水失去其補充水源,河道兩岸不具備植物生存的環(huán)境條件,引起無法滿足個體對水分因子的需求而種內競爭與排斥加劇。至于大齡樹(或老齡樹)階段,個體對環(huán)境的要求高,尤其是對水資源的需求。然而,河道兩岸地下水位不斷降低,個體以積累大量資源為維持生存,對水分、光照、空間及營養(yǎng)的爭奪達到頂峰,使個體面臨死亡,從而導致林窗現象的頻繁出現。

干旱區(qū)降水稀少,幾乎沒有有效降水供給胡楊生存[39-40]。洪水漫溢消失后,胡楊的生長發(fā)育主要依靠河道徑流側滲與生態(tài)輸水補給。由林窗胡楊形成木種群結構動態(tài)指數與地表徑流量的回歸模型顯示,當徑流量降至25.86×108m3時,形成木種群轉變?yōu)樵鲩L趨勢。在塔里木河中游地表水逐年減少的影響下,河道兩岸地下水位不斷降低,胡楊生長所需的生態(tài)用水日益匱乏,直接制約了胡楊種群的生存。隨地表徑流量的降低,林窗形成木種群結構動態(tài)指數不斷增加,除豐水期(1957—1966與1967—1986年代)呈衰退型以外,其余年段(1987—1996、1997—2006和2007—2016)均表現為增長型特征,這種動態(tài)指數反映了胡楊林林窗形成木種群對水文變化的響應機制。為應對干旱區(qū)環(huán)境惡化,荒漠河岸胡楊林林窗形成木在種群結構上做出了生態(tài)響應。地下水位的逐年降低使林窗形成木種群結構動態(tài)指數不斷增加并轉入增長趨勢,形成木種群具有幼化且長期增長的特征。在不同水文影響下,胡楊林已出現了長期的林窗形成木種群增加現象。由擬合模型顯示,林窗及其形成木隨徑流量的減少而大幅度增加趨勢。徑流量在6.53×108—17.81×108m3范圍內林窗形成木數量將持續(xù)增長,將面臨一次高峰死亡。由此可知,由于種群結構失調、胡楊林生存受限,若不采取適當的保育措施,胡楊種群將逐漸退化。

5 結論

1)塔里木河中游地下水只能依靠地表徑流的側滲與生態(tài)輸水補給,這不僅從影響范圍還是補充水量上都無法取代來自洪水的自然漫溢效果,與此同時,受年徑流量、耗水量逐年減少的影響,地下水補給更加受損。塔里木河中游水文條件的變化導致該地區(qū)水資源日益匱乏,河道兩岸生態(tài)用水驟減,從而導致該區(qū)域干旱、鹽堿脅迫加劇。

2)1970年前的外界干擾還沒影響到水文過程,由于1970年后的人類干擾對環(huán)境變化具有遲滯性特征,1984年開始地表徑流量大幅度減少,其滯后效應使地下水埋深2003年后持續(xù)增加,林窗胡楊形成木種群變?yōu)樵鲩L型,這驗證了林窗形成木對水文變化的響應。

3)地下水作為維系胡楊林生存繁衍的基礎,它主要依靠地表水的補給。從2000年起向塔里木河下游實施人工生態(tài)輸水工程后,雖然下游“綠色走廊”得以一定程度的恢復,生態(tài)環(huán)境日漸好轉,但對中游河段的水文過程帶來了一定的壓力乃至產生了負面影響。隨著來自洪水漫溢的地表徑流量日益匱乏,河道兩岸生態(tài)用水逐漸緊缺,地下水位逐年下降,土壤表層干旱、鹽堿脅迫加劇。因此,以中游河段犧牲生態(tài)環(huán)境來換取下游生態(tài)修復方法的利弊有待權衡。