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)

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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［11］ 玉米提·哈力克，柴政，艾里西爾·庫(kù)爾班，等．胡楊部分生態(tài)指標(biāo)對(duì)塔里木河下游應(yīng)急輸水的響應(yīng)［J］．資源科學(xué)，2009，31（8）：1309－1314．

［12］ 古麗加米拉木·買(mǎi)買(mǎi)提，玉米提·哈力克，塔依爾江，等．胡楊樹(shù)冠疏失度對(duì)塔里木河下游應(yīng)急生態(tài)輸水的響應(yīng)［J］．新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，47（2）：241－245．