克里雅河尾閭沙漠腹地綠洲胡楊年輪特征分析?

安外爾·阿卜杜熱伊木，戴 岳，師慶東，張 峰

(1.新疆大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆綠洲生態(tài)自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830017；3.新疆大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院 智慧城市與環(huán)境建模自治區(qū)普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830017)

0 引言

樹木年輪以其空間分布廣、定年準(zhǔn)確、連續(xù)性好、分辨率高及重建精度好等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際上成為全球變化研究中獲取過(guò)去氣候環(huán)境演變數(shù)據(jù)的重要方法之一[1-2].樹木年輪記錄能夠反映當(dāng)?shù)亟邓?、地表徑流和地下水變化等信息[3-5].達(dá)理雅博依綠洲是位于塔克拉瑪干沙漠腹地現(xiàn)存面積最大的天然綠洲，該綠洲受人為干擾小，保持著天然綠洲最原始的狀態(tài)，在綠洲研究中極具價(jià)值[6-10].近年來(lái)，該綠洲部分地區(qū)植被退化明顯[8,11-13]，這種退化或與地下水埋深、徑流[5,14]有關(guān)，然而這類推斷卻缺少詳細(xì)、連續(xù)的地下水觀測(cè)數(shù)據(jù).塔里木河中、下游已有研究表明，胡楊年輪寬度與地下水埋深之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[15]，河道輸水后潛水埋深與胡楊枝徑向生長(zhǎng)之間存在顯著相關(guān)[16]，胡楊枝徑向生長(zhǎng)在時(shí)間序列上呈現(xiàn)出與徑流相同的變化趨勢(shì)[17].然而，此類研究主要集中在塔里木河[5,15-17]，達(dá)理雅博依綠洲開展的工作較少，即便前人對(duì)克里雅河下游洪泛事件與胡楊年輪關(guān)系進(jìn)行了研究[18]，由于達(dá)理雅博依綠洲內(nèi)部水系是網(wǎng)狀水系，且克里雅河徑流到達(dá)綠洲在一定程度上受到人為調(diào)水的影響，綠洲內(nèi)部河道改道較頻繁，影響胡楊生長(zhǎng)的因素眾多.因此，確定胡楊生長(zhǎng)的限制因子是在此綠洲開展樹木年輪學(xué)研究的前提.本文選取樹木年輪的方法測(cè)定了近十年達(dá)理雅博依綠洲胡楊的年輪寬度變化，探討了影響胡楊年輪寬度變化的可能原因，可為克里雅河下游區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 研究區(qū)概況

克里雅河是塔里木盆地南緣第二大河流，發(fā)源于昆侖山，出山后貫穿于田縣城向北流入塔克拉瑪干沙漠腹地.直線距于田縣城約250 km處，形成了樹葉狀天然尾閭綠洲[8-10,19].達(dá)理雅博依綠洲位于塔克拉瑪干沙漠腹地，屬大陸性暖溫帶極端干旱氣候區(qū)，年平均降水量?jī)H17 mm[18]，2015年綠洲平均氣溫值為11.8 ℃，平均相對(duì)濕度為40.2%[20]；流域內(nèi)年平均蒸發(fā)量為2 479.2 mm，光照資源豐富、積溫高，年積溫達(dá)到4 208 ℃，流域多塵暴、浮塵天氣[12,21]；地表植被稀疏，主要有胡楊、灰胡楊（Populus pruinosa）、檉柳（Tamarix sp.）、蘆葦（Phragmites australis）、脹果甘草（Glycyrrhiza inflate）、大葉白麻（Poacynum hendersonii）、花花柴（Karelinia caspica）、苦豆子（Sophora alopecuroides）、戟葉鵝絨藤（Cynanchum sibiricum）、駱駝刺（Alhagi sparsifolia）等.

2 研究方法

2018年7月至10月，在克里雅河下游達(dá)理雅博依綠洲的三處觀測(cè)點(diǎn)（圖1）隨機(jī)選取生長(zhǎng)健康、長(zhǎng)勢(shì)良好的16棵胡楊樹（表1），用生長(zhǎng)錐（Haglof increment borers,Haglof Inc.,Sweden）按照“十字交叉”法，在樹高約1.0～1.3 m處采集胡楊的樹芯，共采集32根.將采集的樹芯放置于提前準(zhǔn)備好的潔凈紙筒內(nèi)，并置于干燥、潔凈的箱子內(nèi)攜帶保存.

表1 克里雅河下游采樣點(diǎn)基本信息（平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差）

圖1 三處觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖及達(dá)理雅博依綠洲鳥瞰

三處觀測(cè)點(diǎn)環(huán)境特征（圖2）：W1和W3觀測(cè)點(diǎn)以胡楊群落為主，W1觀測(cè)點(diǎn)西邊河道常年有洪水漫溢，胡楊幼苗發(fā)育較好；W3觀測(cè)點(diǎn)東邊的河道是流過(guò)達(dá)理雅博依鄉(xiāng)居住地附近的主要河道之一，河道常年有水；W2觀測(cè)點(diǎn)是胡楊-檉柳群落大面積共存的區(qū)域，附近的河道有些年份會(huì)受到人工河流改道的影響，遭遇洪水，群落內(nèi)檉柳更新較好.

圖2 三處觀測(cè)點(diǎn)立地環(huán)境鳥瞰

樣本帶回實(shí)驗(yàn)室干燥后進(jìn)行粘貼、固定、打磨和拋光等預(yù)處理[22].使用HP LaserJet M1005 MFP掃描儀高分辨率（600 dpi）掃描樣本；采用Adobe Photoshop CS8軟件處理掃描后的圖像，并測(cè)定年輪寬度；使用Minitab 16.0和SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA）.

3 結(jié)果

由圖3可知，W1觀測(cè)點(diǎn)的胡楊年輪寬度隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)窄-寬-窄的特征.胡楊年輪寬度最大值出現(xiàn)在2014年，為4.4 mm；最小值出現(xiàn)在2010年，為1.9 mm.W2觀測(cè)點(diǎn)胡楊的年輪寬度隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)變窄的趨勢(shì).胡楊年輪寬度最大值出現(xiàn)在2012年，為5.3 mm；最小值出現(xiàn)在2018年，為2.3 mm.W3觀測(cè)點(diǎn)胡楊年輪寬度隨著時(shí)間無(wú)明顯規(guī)律.胡楊年輪寬度的最大值出現(xiàn)在2011年，為4.2 mm；年輪寬度最小值出現(xiàn)在2013年，為2.6 mm.

圖3 2010―2018年三處觀測(cè)點(diǎn)胡楊年輪寬度變化（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差）

相同年份不同觀測(cè)點(diǎn)胡楊年輪寬度隨著時(shí)間的推移整體上呈現(xiàn)變窄的趨勢(shì)；年輪寬度最大值出現(xiàn)在2011年，最小值出現(xiàn)在2018年（圖4A）.由圖4B可知，W2觀測(cè)點(diǎn)2010―2013年胡楊年輪寬度大于其余兩處觀測(cè)點(diǎn)；W1與W2觀測(cè)點(diǎn)2013―2018年胡楊年輪寬度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；W3觀測(cè)點(diǎn)2013―2015年胡楊年輪寬度呈現(xiàn)出緩慢變寬的趨勢(shì)，2016―2018年呈現(xiàn)出變窄的趨勢(shì)，變化趨勢(shì)與其余兩處有差別.

圖4 三處觀測(cè)點(diǎn)年輪寬度累積趨勢(shì)（A）和同一年份不同觀測(cè)點(diǎn)的胡楊年輪寬度（B）

4 討論

植被是綠洲在沙漠景觀中的突出表現(xiàn)，植被的擴(kuò)張和衰退決定了綠洲的發(fā)展和消亡[9].干旱區(qū)天然植被作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在荒漠生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的生態(tài)意義[14].植被的生長(zhǎng)和動(dòng)態(tài)受到多種環(huán)境因子的影響，如小氣候、土壤結(jié)構(gòu)、水分、太陽(yáng)輻射、地形等[9].分析環(huán)境因子對(duì)植物的影響，不僅能夠了解植物對(duì)環(huán)境變化的敏感性和抗性，也有助于了解不同植物對(duì)環(huán)境條件的不同適應(yīng)機(jī)制[23].植物對(duì)環(huán)境因子如溫度、濕度、光照強(qiáng)度、水條件有一個(gè)適應(yīng)和忍耐區(qū)間[24-25].在沙漠地區(qū)，降水量稀少，蒸散率高[9,26]，不足以維持非地帶性天然植被組成的生態(tài)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[27]，因而地下水和地表水成為荒漠地區(qū)天然植被維系生存和發(fā)展的最主要水分來(lái)源[28].在個(gè)體和種群尺度上，地下水主要影響植物的活力，地表水主要影響植物的更新[9].然而地下水和地表水的變化與植被演變之間有著復(fù)雜的關(guān)系，它涉及地下水、土壤、植被等相互之間的動(dòng)態(tài)平衡[14].

達(dá)理雅博依綠洲位于塔克拉瑪干沙漠腹地，是典型的大陸性氣候環(huán)境.該綠洲年降水量?jī)H17 mm，對(duì)胡楊的生長(zhǎng)幾乎無(wú)意義，克里雅河瀉入綠洲水量的變化可能是胡楊生長(zhǎng)的決定性因子[7,18].儲(chǔ)國(guó)強(qiáng)等[18]認(rèn)為達(dá)理雅博依綠洲位于河流末端，只有特大洪汛期才有洪水瀉入下游尾閭地帶，胡楊的生長(zhǎng)與洪汛期的洪水密切相關(guān).根據(jù)2010―2018年不同觀測(cè)點(diǎn)胡楊年輪寬度整體呈下降的趨勢(shì)（圖4A），也可認(rèn)為這個(gè)時(shí)期克里雅河下游水量逐漸減少，河道供水不如從前.W3觀測(cè)點(diǎn)位于綠洲中部河道西岸（圖2），2012―2018年間W3觀測(cè)井地下水埋深總體上呈緩慢上升趨勢(shì)，由于人工壩對(duì)洪水的控制和分流[29]，或者地表水和地下水埋深對(duì)改善胡楊水分利用效率和生物量積累之間的滯后效應(yīng)[30]，導(dǎo)致W3觀測(cè)點(diǎn)胡楊年輪寬度之間差異顯著（圖3）.克里雅河尾閭洪水的瀉入量受到上游徑流量的影響，而中游地段水資源的過(guò)度開發(fā)利用、沙漠區(qū)河道的擺動(dòng)和遷移，也可能影響注入尾閭水量的多寡[18].此外，克里雅河上游帶來(lái)的泥沙堆積會(huì)使下游河床升高，最終導(dǎo)致沙漠區(qū)河道擺動(dòng)或遷移[7]，從而使綠洲水文狀況發(fā)生變化.

荒漠河岸植物總是對(duì)于洪水頻率、量級(jí)、持續(xù)時(shí)間和季節(jié)性流量變化相關(guān)的地下水位波動(dòng)敏感[31-32].然而，洪水通過(guò)漫溢、側(cè)滲的方式濕潤(rùn)地表到地下水位之間的厚層干土，為現(xiàn)存胡楊林地補(bǔ)充水分[33]，當(dāng)年地下水埋深在一定程度上可影響次年植物的生長(zhǎng)[28].地下水位的埋深或?yàn)闆Q定天然植被繁茂程度的關(guān)鍵因素.在地下水條件良好的情況下，水分交替及洪水和地下水埋深的上升是影響植物水分利用效率變化的主要因素[34].胡楊幼苗期，因植株生長(zhǎng)需要，立地的淺層土壤水可能被幼苗吸收利用的較多，因而當(dāng)?shù)氐叵滤豢赡芙档洼^快[33]，W1地下水位觀測(cè)點(diǎn)附近洪水頻發(fā)，胡楊更新較好（圖2），因此或?qū)е潞鷹顦颖灸贻唽挾鹊哪觌H顯著差異（圖3）.

在生長(zhǎng)季的不同月份（個(gè)別月份除外），胡楊（成年和幼齡）和檉柳之間存在著激烈的水分競(jìng)爭(zhēng)[35]，檉柳在水分利用方面傾向于靈活的策略，胡楊則傾向保守[36]，胡楊和檉柳對(duì)土壤水分的吸收利用深度隨林齡增加而下移，而檉柳適應(yīng)不同水分條件的能力優(yōu)于胡楊[37].干旱條件下，隨著地下水埋深的增加，胡楊不斷降低生長(zhǎng)速率以維持水分利用效率，而檉柳先提高水分利用效率，再降低生長(zhǎng)速率[34].地下水埋深和pH值是控制胡楊生長(zhǎng)發(fā)育的主要變量，水環(huán)境的空間異質(zhì)性導(dǎo)致胡楊形態(tài)和生理特征的變化.地下水因素誘發(fā)胡楊與檉柳的競(jìng)爭(zhēng)[10].因此，干旱荒漠區(qū)胡楊和檉柳并存的區(qū)域，胡楊可能受到檉柳的競(jìng)爭(zhēng)排擠.W2觀測(cè)點(diǎn)的胡楊年輪序列，顯現(xiàn)出非氣候信息的長(zhǎng)期變化[38]，或受附近檉柳競(jìng)爭(zhēng)的影響（圖2）.

5 結(jié)論

塔克拉瑪干沙漠腹地克里雅河尾閭達(dá)理雅博依綠洲三處觀測(cè)點(diǎn)的16個(gè)胡楊樣本年輪寬度的分析結(jié)果表明：

（1）總體上，2010―2018年胡楊年輪寬度隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)變窄的趨勢(shì).

（2）該綠洲西部胡楊群落（W1觀測(cè)點(diǎn)），胡楊年輪寬度隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)窄-寬-窄的特征，年際差異極顯著（P=0.006<0.05）；該綠洲中部胡楊群落（W3觀測(cè)點(diǎn)），胡楊年輪寬度隨著時(shí)間的推移變化起伏無(wú)明顯規(guī)律，年際差異極顯著（P=0.005<0.05）.胡楊-檉柳群落（W2觀測(cè)點(diǎn)），胡楊年輪寬度隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)變窄的趨勢(shì)，年際差異不顯著（P=0.746>0.05）.

（3）胡楊群落中，洪水與地下水埋深的變化、種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)及河流水量的變化均有可能影響胡楊的年輪寬度變化；胡楊-檉柳群落中，胡楊與檉柳存在的種間競(jìng)爭(zhēng)可能影響胡楊的年輪寬度變化.