石萬(wàn)里,劉淑娟,劉世增,袁宏波,馬劍平,劉虎俊,安富博

1 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,蘭州 730070 2 甘肅省治沙研究所&甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,蘭州 730070

人工輸水對(duì)石羊河下游青土湖區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響分析

石萬(wàn)里1,劉淑娟2,劉世增2,袁宏波2,馬劍平2,劉虎俊2,安富博2

1 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,蘭州 730070 2 甘肅省治沙研究所&甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,蘭州 730070

通過(guò)對(duì)石羊河下游青土湖人工輸水后水面形成區(qū)環(huán)境要素變化的調(diào)查研究,分析了水面形成對(duì)區(qū)域地下水位、植被、大氣溫濕度、風(fēng)速等的影響。結(jié)果表明：(1)由于輸水方式、輸水時(shí)間集中等因素影響,區(qū)域水面形成快速；且每個(gè)輸水周期完成6個(gè)月后的區(qū)域保留水面積持續(xù)增大,4a間水面積增加4.52倍,面積擴(kuò)大的疊加效應(yīng)明顯。(2)輸水作用和水面的形成,促使輸水區(qū)域地下水埋深由>6m,提升到0.6—3.2m。(3)水面形成促進(jìn)了區(qū)域以白刺為代表的單一荒漠植被群落向蘆葦草甸、鹽化草甸等多樣化群落演替。(4)水面形成的“冷島效應(yīng)”明顯,促進(jìn)了區(qū)域小氣候環(huán)境的改善；輸水區(qū)500m范圍平均溫度降低55.67%,濕度增加3倍。人工輸水對(duì)青土湖區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善產(chǎn)生了明顯的積極作用,但輸水政策的持續(xù)性、輸水策略調(diào)整等不確定性影響,以及水面形成對(duì)局部范圍風(fēng)沙活動(dòng)、植物物種多樣性等方面的負(fù)面影響值得關(guān)注和深入研究。

人工輸水；生態(tài)影響；環(huán)境要素；青土湖；石羊河下游

自然狀態(tài)下的生態(tài)逆轉(zhuǎn)是一個(gè)長(zhǎng)期的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程[1- 2],為了加快退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù),人們往往采取人工干預(yù)的方式,其中人工輸水就是其中一種重要形式,以往的研究其具有良好的生態(tài)、社會(huì)效益[3]。水資源不合理配置是干旱地區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)系統(tǒng)退化的主要原因,由上中游占用下游生態(tài)用水所引起。那么,對(duì)下游區(qū)域來(lái)講,保證其一定質(zhì)量和數(shù)量的生態(tài)用水將能夠最小程度地改變天然生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程,保護(hù)區(qū)域物種多樣性和生態(tài)整合性[4]。而向生態(tài)退化區(qū)域?qū)嵤┹斔こ?補(bǔ)償?shù)叵滤透纳扑h(huán)境是河流生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的基本行為和必然過(guò)程[5],對(duì)促進(jìn)區(qū)域環(huán)境逆轉(zhuǎn)具有積極作用。以人工干預(yù)的形式輸水恢復(fù)退化生態(tài)已經(jīng)在塔里木河成功實(shí)施[6],而且輸水對(duì)該區(qū)域地下水位[7-8]、植被、植物種[9-11]、植物生理[12]以及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了明顯的影響,證明人工干預(yù)輸水是區(qū)域退化生態(tài)恢復(fù)的一種有效方法[13-17]。

石羊河下游地處騰格里沙漠西北緣、甘肅省民勤縣東北70km處,屬于石羊河干三角洲,海拔高度約為1292—1310m。石羊河尾閭青土湖區(qū)域水面積曾經(jīng)超過(guò)400km2,但在1959年完全干涸,隨著湖水干涸,濕地植被演化為荒漠[18-19],大部分地段已被流沙覆蓋[20],且區(qū)域環(huán)境持續(xù)惡化。為了改善石羊河下游區(qū)域生態(tài)環(huán)境,由政府推動(dòng)和主導(dǎo)從2010年9月開(kāi)始,以渠道輸送的形式向其下游青土湖連續(xù)注入生態(tài)用水,區(qū)域水面持續(xù)擴(kuò)大,截至2016年11月,青土湖形成了25.16km2水面[21]。青土湖注水和形成水面的預(yù)期是依靠生態(tài)注水改變區(qū)域水文環(huán)境,提高青土湖生態(tài)功能,促進(jìn)湖區(qū)植被恢復(fù)、延緩區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)退化、減緩沙漠化的不斷推進(jìn),推動(dòng)石羊河流域乃至整個(gè)區(qū)域環(huán)境整治和生態(tài)恢復(fù)。石羊河下游輸水是以快速改善石羊河尾閭區(qū)域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,防止荒漠化擴(kuò)展為目標(biāo),從而直接以渠道形式向下游注水形成面狀水域,從而對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善產(chǎn)生積極影響。青土湖水面的形成必然會(huì)對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[22-24],那么水面形成后該區(qū)生態(tài)要素響應(yīng)如何？水面形成對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)的影響究竟有多大？能否改變?cè)搮^(qū)域生態(tài)狀況？這些就成為值得研究和探討的問(wèn)題,也是社會(huì)各界所關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。本研究通過(guò)對(duì)青土湖水面形成區(qū)域地下水位、植被、以及小氣候等三個(gè)方面的要素進(jìn)行觀測(cè)研究,旨在闡明水面形成的影響,以期為定量地評(píng)價(jià)水面形成對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)影響提供依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于甘肅省民勤縣東北的騰格里沙漠西緣(39°07′7.3″—39°08′3.2″N,103 °37 ′53.0″—103°38′ 40.6″E),屬于石羊河下游干三角洲,海拔高度約為1292—1310m。該區(qū)年平均氣溫7.8℃,大于10 ℃的有效積溫3289.1℃；年降水量110mm左右,且降水多集中于7、8、9月3個(gè)月,占全年降水量73%,蒸發(fā)量達(dá)2600mm以上；無(wú)霜期168d,光照3181h,太陽(yáng)輻射630kJ/cm2；全年盛行西北、西北偏西風(fēng),夏秋季東風(fēng)也比較盛行。年均風(fēng)速4.1m/s,主要害風(fēng)為西北風(fēng)；屬典型溫帶大陸性干旱荒漠氣候。研究區(qū)主要以湖相沉積物的砂土及壤質(zhì)砂土為主；區(qū)域地形地貌以湖相沉積基質(zhì)上分布3—10m高低不等的流動(dòng)、半固定、固定沙丘與丘間低地相互交錯(cuò)分布的地貌類型。植被類型為典型的荒漠植被,白刺群落(Nitrariatangutorum)大面積連續(xù)分布,蘆葦群落(Phragmitescommunis)偶見(jiàn),伴生灌木有黑果枸杞(Lyciumruthenicum)、沙蒿(Artemisiasphaerocephala)和鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)；草本植物種類主要有：刺沙蓬(Salsolaruthenica)、駝蹄瓣(Zygophyllumfabago)、戟葉鵝絨藤(Cynanchumsibiricum),豬毛菜(Salsolacollina)、沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)、砂引草(Messerschmidiasibirica)、碟果蟲(chóng)實(shí)(Corispermumpatelliforme)、鹽生草(Halogetonglomeratus)、畫(huà)眉草(Eragrostisminor)、霧冰藜(Bassiadasyphylla)、駱駝?shì)?Peganumnigellastrum)等。

2 研究方法

2.1 定位植被觀測(cè)樣地設(shè)置

分別于2011—2014年10月下旬,以水面為中心向水面外圍延伸設(shè)置4條典型調(diào)查樣帶,進(jìn)行區(qū)域植被野外調(diào)查。每個(gè)樣帶寬100m,樣帶長(zhǎng)度以至沙漠邊緣流沙區(qū)為界。在每個(gè)樣帶中以距水面邊緣0m開(kāi)始,每隔50m分別設(shè)置植被調(diào)查樣地,每個(gè)樣地各設(shè)置1—2個(gè)灌木調(diào)查樣方、每個(gè)灌木樣方對(duì)應(yīng)5—7草本樣方,共設(shè)39個(gè)灌木樣方,260個(gè)草本樣方。喬灌木采用20m×20m樣方,草本采用1m×1m小樣方,分別調(diào)查記錄植物種名、高度、冠幅及樣方內(nèi)出現(xiàn)的各物種的個(gè)體數(shù)量。調(diào)查的同時(shí)記錄群落背景特征及經(jīng)緯度、海拔、距水面中心的距離等信息。

2.2 水面積及地下水位變化監(jiān)測(cè)

選用的水面形成后(2010—2014年)不同年份同一時(shí)間過(guò)境的高分辨衛(wèi)星影像,采用面向?qū)ο蟮哪繕?biāo)地物分類方法進(jìn)行矢量化,得到研究區(qū)水面積變化及植被分布變化動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；地下水位變化采用定位觀測(cè)水井觀測(cè)數(shù)據(jù),2013、2014年度增加水面周邊15個(gè)深度6m坑井作為臨時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)地下水位空間變化進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)調(diào)查。

2.3 小氣候要素觀測(cè)

水面周邊不同方向溫度、濕度的影響主要受大氣環(huán)流特征的影響,而本文主要探討水面形成對(duì)周邊小氣候環(huán)境的影響及其范圍。因此,本研究主要考慮風(fēng)向變化的影響,觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置中,以受影響較為明顯主風(fēng)向各要素梯度變化作為主要觀測(cè)內(nèi)容,來(lái)代表水面形成對(duì)區(qū)域小氣候要素變化的影響。分別于2014、2015年4月11、15—18日,采用Kestrel 4500手持氣象站及風(fēng)速梯度儀,設(shè)置對(duì)應(yīng)植被樣方小氣候梯度觀測(cè)點(diǎn),對(duì)水面外圍500m范圍的風(fēng)速、空氣溫濕度等小氣候要素進(jìn)行定位觀測(cè)。

2.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

應(yīng)用Excel軟件進(jìn)行野外調(diào)查、觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄分類和繪圖分析,應(yīng)用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)的顯著性檢驗(yàn)、相關(guān)分析；使用ENVI 4.8、ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行遙感影像分類和精度評(píng)價(jià)及水面積、植被變化數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

3 結(jié)果分析

3.1 青土湖水面形成分析

石羊河下游青土湖區(qū)域原為湖沼平原,20世紀(jì)50年代末干涸[17- 18]。由于地處騰格里沙漠與巴丹吉林沙漠之間,經(jīng)過(guò)近60a的風(fēng)沙作用,形成以原始干涸湖盆為本底,海拔高度1292—1310m,湖盆邊緣為3—10m高度流動(dòng)沙丘,有較大面積流沙覆蓋平沙地,湖盆中部間分布大量白刺沙堆。青土湖人工輸水區(qū)位于原始干涸湖盆中部,由于大量白刺沙堆分布其間,使區(qū)域地形產(chǎn)生起伏變化。根據(jù)衛(wèi)星影像分析(表1),隨著連續(xù)幾年的不斷輸水,青土湖水面急劇擴(kuò)大。2010—2014年青土湖輸水期間,形成水面面積隨輸水持續(xù)增大,輸水量與水面面積呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.894；2013年形成水面面積607.126hm2,比2010—2012年形成的水面面積總和略多,2014年形成水面約為前四年水面總和。

各年度輸水6個(gè)月后,保留水面積明顯減少,且各年度水面保留度差異較大,從2013年開(kāi)始保留水面積增長(zhǎng)明顯。2011年的入湖水量是2010年的1.67倍,但保留水面積減少了33.17%,2012年的入湖水量是2011年的1.60倍,保留水面積是2011年的1.84倍；2013年的入湖水量減少,但保留水面積增加了2.51倍,至2014年保留水面積增加了4.52倍。

表1 2010—2014年青土湖輸水量及水面積變化

“—”未監(jiān)測(cè)

總體來(lái)看,區(qū)域連續(xù)、集中的人工輸水促使石羊河下游青土湖區(qū)在短期內(nèi)形成了水面,由于水面形成區(qū)域原始地貌起伏較小,形成水面面積大小主要受白刺沙堆分布密度、大小及區(qū)域土壤入滲特征等影響,但從輸水6個(gè)月后的保留水面面積來(lái)看,人工輸水對(duì)于水域面積擴(kuò)大具有明顯疊加效應(yīng),有利于水域面積的擴(kuò)大和對(duì)原始風(fēng)沙地表的覆蓋,增強(qiáng)了輸水效應(yīng)。

3.2 區(qū)域地下水位變化

青土湖生態(tài)輸水后4a間,區(qū)域地下水位埋深明顯上升(表2,圖1),但水面形成對(duì)區(qū)域地下水的影響范圍有限。從時(shí)間序列來(lái)看(表2,圖1),青土湖區(qū)域近5a來(lái)地下水位整體表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。區(qū)域地下水位近7a持續(xù)上升,2010年輸水后水位上升明顯,其中,輸水前兩年度水位上升速度明顯加快,2012、2013年上升有所放緩,但2013—2014年上升速度明顯增大,上升達(dá)0.26m。輸水的5a時(shí)間,區(qū)域地下水位平均上升0.58m。

表2 2008—2014年青土湖區(qū)域年平均地下水埋深變化

“—”未監(jiān)測(cè)

從空間上來(lái)看(表3,圖1),水面形成區(qū)地下水埋深隨距水面距離變化呈梯級(jí)增加。水面形成對(duì)地下水的影響,主要體現(xiàn)在在0—200m范圍。輸水4a后,距水面0—50m地下水埋深達(dá)到0—0.75m,50 —100m上升到1.50m內(nèi),距水面150—200m,地下水平均埋深小于5.50m,在250m后地下水埋深>6.00m。

表3 2013,2014年青土湖岸距水面不同距離的地下水埋深

“—”未監(jiān)測(cè)

距水面0—250m范圍的地下埋深變幅超過(guò)6.0m；100—150m平均變幅達(dá)2.15m,是地下水埋深變化幅度最大的區(qū)域。200—500m范圍地下水位平均變幅為1.12m。距水面0—50m的地下水埋深的年變率為0.82m/a,變異系數(shù)達(dá)69.38%。距水面50—150m,地下水位變率是0.21m/a,變異系數(shù)為24.80%,是地下水埋深變化幅度最小的區(qū)域。距水面250m之外,地下水埋深大于區(qū)域平均地下水埋深。

圖1 2010—2014年青土湖岸距水面不同距離的地下水位 Fig.1 Changes of the water transfer quantity and groundwater table in Qingtu Lake in 2010—2014

3.3 區(qū)域植被變化

3.3.1 群落景觀結(jié)構(gòu)變化

青土湖水面形成后,區(qū)域典型植物群發(fā)生明顯變化。水面形成前區(qū)域?yàn)楦珊怨藕璧孛?植被總體呈現(xiàn)以白刺群落廣泛布于研究區(qū),是區(qū)域植被絕對(duì)主體。伴生鹽爪爪形成的群落,局部地段少量蘇枸杞、沙蒿等灌木物種；伴生草本植物主要有鹽生草、駝蹄瓣,蘆葦主要呈零散、形片狀分布。水面形成后則在時(shí)間、空間上均出現(xiàn)分化現(xiàn)象,主要變化體現(xiàn)在群落組成由原始白刺優(yōu)勢(shì)群落演變?yōu)榘状?、蘆葦為明顯優(yōu)勢(shì)的群落。從時(shí)間序列的變化來(lái)看,主要體現(xiàn)在白刺水淹與蘆葦擴(kuò)張的過(guò)程, 2010—2012年,白刺依然廣布于整個(gè)青土湖地區(qū),并有部分區(qū)域的白刺被水面淹沒(méi),水面周圍有大量白刺伴水分布。蘆葦分布范圍快速擴(kuò)大,主要分布于水面周邊及過(guò)水區(qū)域。2013、2014年,經(jīng)過(guò)3—4a的連續(xù)輸水,區(qū)域保留水面積明顯增加,較大范圍白刺被水淹沒(méi)。在近水區(qū)域,白刺群落的典型性受蘆葦種群迅猛發(fā)展的影響,只呈點(diǎn)狀分布于蘆葦群落之中,優(yōu)勢(shì)度明顯下降。

從空間變化來(lái)看,區(qū)域植被變化主要體現(xiàn)在近水面區(qū)域蘆葦代替白刺成為群落優(yōu)勢(shì)種(表4)。距水面邊緣0—50m范圍變?yōu)樘J葦?shù)慕^對(duì)優(yōu)勢(shì)群落,原有白刺優(yōu)勢(shì)明顯下降；距水面邊緣50—100m,蘆葦優(yōu)勢(shì)明顯增大,但形成為蘆葦+白刺構(gòu)成的共建群落；距水面100m以外范圍,則仍以白刺為群落優(yōu)勢(shì)種。其它組成群落的植物并未體現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化。

3.3.2 群落物種組成與數(shù)量變化

青土湖調(diào)查區(qū)域共有植物種22種,其中灌木和半灌木植物占總數(shù)的18.18%,分別是白刺、鹽爪爪、黑果枸杞和沙蒿；多年生草本植物有蘆葦、戟葉鵝絨藤、駱駝?shì)?、砂引草和蓼子?占總數(shù)的22.72%；1年生草本植物所占比例為40.90%,但只有駝蹄瓣頻度較大,均為伴生植物種。

圖2 青土湖岸距水面0—300m范圍的植物Cody多樣性指數(shù)及地下水位變化 Fig.2 The plant Cody index in 0—300m range of Qingtu lakeshore

植物群落Cody多樣性指數(shù)變化比較大的區(qū)域?yàn)榫嗨孑^近處(圖2),但其時(shí)間和空間變化不同。Cody多樣性指數(shù)的時(shí)間變化是：2011—2014年的Cody多樣性指數(shù)增大。在距水面0m范圍內(nèi),2014年的Cody多樣性指數(shù)是2011年的2.3倍,其中植物種減少了7種,增加了5種,年變化率為30%—50%,消失的灌木種有沙蒿和黑果枸杞,多年生草本有駱駝?shì)锖完~鵝絨藤,1年生草本植物有沙蓬等。增加的植物種均為1年生草本植物,如霧冰藜和畫(huà)眉草等。在距水面50m,植物種減少了4種,增加了1種,消失的灌木種有沙蒿,多年生草本有駱駝?shì)锖完~鵝絨藤,1年生草本植物有沙蓬。增加的植物種只有戟葉鵝絨藤,年變化率為27%—36%。在距水面50m之后的Cody多樣性指數(shù)隨時(shí)間增加而呈減小趨勢(shì),其中距水面250—300m分別減小了3.0—2.0倍,增加的植物種為沙蓬、豬毛菜和鹽生草等1年生植物種,消失的則為戟葉鵝絨藤和駱駝?shì)锏榷嗄晟参?。Cody多樣性指數(shù)的空間變化較大的區(qū)間為距水面0—50m的范圍,Cody多樣性指數(shù)分別是4.0和2.5,其次是200—250m的Cody多樣性指數(shù)為3.0。

表4 2011—2014年青土湖水面形成區(qū)周邊不同距離的群落物種重要值

“-”未監(jiān)測(cè)

3.4 小氣候變化

3.4.1 空氣溫度和濕度變化

圖3 距水面0—500m范圍的溫度、濕度變化 Fig.3 Temperature and humidity changes in 0—500m range of the Qingtu Lake

青土湖水面形成之后,距水面0—500m范圍,大氣溫、濕度與距水面間距呈指數(shù)關(guān)系,溫、濕度的空間分布形成以150—200m為界線的兩個(gè)明顯不同區(qū)域(圖3)。溫度與距水面間距呈指數(shù)關(guān)系,溫度的空間分布形成兩個(gè)明顯不同區(qū)域。距水面0—150m,空氣溫度相對(duì)較低,變化相對(duì)較小,溫差只有0.25℃；距水面150—200m之間,空氣溫度發(fā)生急劇變化。150、200m距離處,溫度相差1.79倍,變異系數(shù)達(dá)32.85%。而距水面200—500m范圍,溫差僅0.23℃,變異系數(shù)也只有1.23%。

近水區(qū)域0—150m范圍濕度較高,平均97.69%,空氣濕度在距水面150m發(fā)生變化,距水面150m之后,空氣濕度急劇減小,200m處降為73.24%,500m處降為29.45%,與區(qū)域周邊荒漠環(huán)境濕度相當(dāng)。水面外圍0—200m范圍的濕度變異系數(shù)為33.58%。在距水面200—500m范圍,濕度相差43.80%,變異系數(shù)達(dá)60.31%。

3.4.2 風(fēng)速變化

青土湖水面形成對(duì)區(qū)域風(fēng)況產(chǎn)生較大影響。從水面前至水面后500m的風(fēng)速變化來(lái)看(圖4),經(jīng)過(guò)水面后一定距離風(fēng)速呈現(xiàn)先增大,再減小,又逐漸恢復(fù)至水面前風(fēng)速大小的波動(dòng)變化過(guò)程。本次測(cè)試中,水面前(0m)時(shí)的平均風(fēng)速3.81m/s,經(jīng)過(guò)水面后(0m)處,風(fēng)速增大到4.6m/s,約增大21.05%；隨后急劇減小,在水面后100m處恢復(fù)至水面前0m大小；之后又逐漸增加,水面后200—500m距離段,風(fēng)速持續(xù)減小,至水面后500m處,地表的風(fēng)速大小與水面前0m處相當(dāng)(圖4)。

圖4 距水面0—500m水平范圍,0—200cm垂直高度風(fēng)速變化Fig.4 Wind speed changes in 0—500m horizontal distance and 0—200 height range of the Qingtu Lake

從不同垂直高度風(fēng)速變化來(lái)看(圖4),經(jīng)過(guò)水面后(0m),垂直高度180cm以下風(fēng)速明顯大于水面前0m及水面后500m；水面后500m處,下層(80cm以下)風(fēng)速均小于水面前,但較高層風(fēng)速均大于水面前；在180cm以上高度,水面后500m風(fēng)速大于水面前和水面后0m。

綜合來(lái)看,水面對(duì)風(fēng)速影響的垂直高度主要表現(xiàn)在180cm以下,水面后風(fēng)速的變化與區(qū)域地貌的變化也有關(guān)系；水面對(duì)區(qū)域風(fēng)速的影響范圍在距水面0—200m距離段最為明顯,水面后風(fēng)速的增加,增大了水面邊緣一定范圍的風(fēng)蝕強(qiáng)度。

4 結(jié)論

青土湖人工輸水對(duì)石羊河下游尤其是水面形成區(qū)域產(chǎn)生了明顯的影響,主要體現(xiàn)在：

(1)改善了區(qū)域水文環(huán)境,區(qū)域水面外圍0—300m范圍地下水位得到了明顯提升。自2010年輸水以來(lái),石羊河下游青土湖區(qū)域形成的水面積持續(xù)增加,且隨著輸水時(shí)間增加的同時(shí),水面積擴(kuò)大的疊加效應(yīng)明顯,2014年區(qū)域保留水面積表現(xiàn)出急劇增加,接近前4a增加水面之和。同時(shí),輸水促進(jìn)了區(qū)域地下水位埋深持續(xù)上升,地下水埋深由輸水前>6m,提升到0.6—3.2m；保留水面積與地下水埋深的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.909。輸水4a后水面形成對(duì)地下水埋深的影響范圍在距水面邊緣300m范圍最為明顯。

(2)改變了區(qū)域荒漠植被格局,增加區(qū)域植物群落多樣性。水面形成后區(qū)域原有典型荒漠植被群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,水面外圍白刺種群的生長(zhǎng)狀況得以改善,蘆葦分布范圍面積顯著增加；同時(shí),區(qū)域植物群落由輸水前以單一類型的白刺群落為主,演變?yōu)橐运鏋橹行?、隨距離由蘆葦草甸-鹽化草甸-多種組成的荒漠植被等多種植物群落類型的變化趨勢(shì),增加了區(qū)域植被類型的多樣性。

(3)改善區(qū)域小氣候環(huán)境,對(duì)區(qū)域氣溫和濕度產(chǎn)生顯著影響,改變水面形成區(qū)域一定范圍的風(fēng)沙活動(dòng)狀況。水面形成后,水體及植被產(chǎn)生“冷島效應(yīng)”作用明顯；距水面0—150m范圍的溫度降低了55.67%,區(qū)域大氣濕度增加了3倍。水面形成對(duì)區(qū)域一定范圍風(fēng)速影響明顯,可能會(huì)增大區(qū)域地表風(fēng)蝕強(qiáng)度。水面對(duì)區(qū)域風(fēng)速的影響范圍在距水面0—200m距離段最為明顯,水面后風(fēng)速的增加,增大了水面邊緣一定范圍的地表風(fēng)蝕強(qiáng)度。

5 討論

通過(guò)水面形成對(duì)區(qū)域環(huán)境要素的影響分析,青土湖人工輸水對(duì)改善區(qū)域環(huán)境具有明顯的積極作用,但仍然存在多種不確定性,面臨多樣的問(wèn)題,在關(guān)注水面形成積極效應(yīng)的同時(shí),也應(yīng)該注意其負(fù)面作用及影響機(jī)理研究。

(1)由于地處典型干旱荒漠區(qū),研究區(qū)植被長(zhǎng)期受水脅迫影響,并形成依水分梯度分布模式[25],這種植被空間分布與其他荒漠地區(qū)的湖岸植物空間分布模式相似[26]。輸水作用及水面的形成,使周圍空氣和土壤濕度增加,土壤鹽分富集[5],植被生存環(huán)境發(fā)生明顯變化。經(jīng)過(guò)多年人工輸水干預(yù),區(qū)域植被群落類型、分布格局、群落物種多樣性發(fā)生了變化,根據(jù)本研究結(jié)果來(lái)看,青土湖人工輸水僅水面形成區(qū)域的植被影響明顯,覆蓋度明顯增加,但卻使周邊0—50m范圍植物多樣性明顯減少。這一結(jié)果與塔里木河下游生態(tài)輸水恢復(fù)天然植被過(guò)程的植被覆蓋度、植物多樣性均增加的結(jié)果[5, 16， 27-28]相異,這主要與兩種輸水方式及種源有關(guān)。塔里木河輸水沿天然河道形成線形水面,水流不僅增加整個(gè)流域水量,并且促進(jìn)河流兩岸植被整體恢復(fù)。而青土湖輸水則是以人工渠直接輸入,僅在尾閭區(qū)域形成面狀水面,其影響范圍較??；同時(shí),植被多樣性變化取決于植物種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)特征,可能由于青土湖輸水作用集中,水面形成時(shí)間短,區(qū)域長(zhǎng)期適應(yīng)干旱環(huán)境的植物在短期內(nèi)尚不能適應(yīng)突然飽和甚至超飽和的土壤水分變化,而造成近水面局部范圍植物群落中部分物種退出而使群落物種多樣性減少。因此,需要加強(qiáng)區(qū)域植被變化的長(zhǎng)期觀測(cè)研究,并通過(guò)適當(dāng)人為干預(yù)措施促進(jìn)水面周邊一定范圍植被的正向演替恢復(fù)[29],充分發(fā)揮水面形成的積極作用。

(2)目前來(lái)看,青土湖水面形成后區(qū)域小氣候產(chǎn)生了明顯變化,尤其是影響區(qū)域風(fēng)沙環(huán)境變化。風(fēng)經(jīng)過(guò)水面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)勁的向岸風(fēng)[30],青土湖區(qū)域水面形成增強(qiáng)了過(guò)水面后的風(fēng)速,使水面后100m范圍地表風(fēng)蝕作用明顯增強(qiáng),因此要加強(qiáng)水面形成后局地風(fēng)況變化研究,同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)水面周圍一定范圍風(fēng)沙防治。隨著水面形成及大面積擴(kuò)大,青土湖的“冷島效應(yīng)”可能增強(qiáng),進(jìn)而影響當(dāng)?shù)貧夂驐l件[31-32]。據(jù)報(bào)道,2014年的青土湖年降水量較多年平均值增長(zhǎng)15.5mm[24],但這一變化是受全球氣候變暖大背景影響還是主要受青土湖水面形成或保留水面積大小、深度變化的影響仍需繼續(xù)關(guān)注和研究。

(3)青土湖水面形成對(duì)區(qū)域環(huán)境要素的綜合效應(yīng)及影響機(jī)理尚需更深入研究。本文針對(duì)環(huán)境要素對(duì)人工輸水的響應(yīng)進(jìn)行了初步分析,但水面形成對(duì)區(qū)域多個(gè)環(huán)境要素都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,而水體自身的面積大小、深度等變化對(duì)區(qū)域環(huán)境要素的影響程度、范圍各不相同[32],因此,需要加強(qiáng)相關(guān)深入研究,以探究其深層變化規(guī)律及機(jī)制,客觀評(píng)價(jià)區(qū)域水面形成的生態(tài)效應(yīng),為進(jìn)一步改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境提供依據(jù)。

(4)青土湖人工輸水的預(yù)期是依靠生態(tài)注水改變區(qū)域水文環(huán)境,從而促進(jìn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù)。這一措施取得了積極的作用,但通過(guò)與相關(guān)研究的比較和本研究的實(shí)地調(diào)查來(lái)看,仍存在諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)。首先,青土湖人工輸水目前以定時(shí)段渠道輸送為主要形式,以促進(jìn)水面形成為主要目標(biāo),輸水策略相對(duì)單一,而輸水方式、輸水時(shí)間、周期及輸水量調(diào)整等策略的變化對(duì)輸水效應(yīng)具有重要影響[33]。其次,青土湖人工輸水是基于石羊河流域綜合治理工程的一項(xiàng)內(nèi)容,雖然輸水產(chǎn)生了積極的作用,但作為政策性人工干預(yù)措施,其持續(xù)性、措施力度,是區(qū)域輸水效果得以保存和加強(qiáng)的重要挑戰(zhàn)。第三,為達(dá)到提高水資源利用效率和促進(jìn)生態(tài)恢復(fù)的最佳效果,需要加強(qiáng)針對(duì)輸水方式、策略,輸水效果,區(qū)域環(huán)境變化監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)以及輸水可能帶來(lái)的負(fù)面影響等方面的研究。

[1] 孫儒泳, 李博, 諸葛陽(yáng), 尚玉昌. 普通生態(tài)學(xué). 北京: 高等教育出版社, 1992: 52- 195.

[2] Schlesinger W H, Reynolds J F, Cunningham G L, Huenneke L F, Jarrell W M, Virginia R A, Whitford W G. Biological feedbacks in global desertification. Science, 1990, 247(4946): 1043- 1048.

[3] 徐海量, 王小平, 葉茂, 艾合買提·那由甫, 吾買爾江·吾布力. 塔里木河下游生態(tài)輸水效益的民意調(diào)查. 地理研究, 2007, 26(2): 346- 354.

[4] Gleick P H. Water in crisis: paths to sustainable water use. Ecological Applications, 1998, 8(3): 571- 579.

[5] 鄧銘江. 塔里木河下游應(yīng)急輸水植被恢復(fù)響應(yīng)及生態(tài)修復(fù)研究. 中國(guó)水利, 2004, (14): 15- 18.

[6] 石麗, 吐?tīng)栠d·哈斯木, 韓桂紅. 塔里木河下游生態(tài)輸水的背景、效益和存在的問(wèn)題. 水土保持通報(bào), 2008, 28(1): 176- 180.

[7] 徐海量, 陳亞寧, 李衛(wèi)紅. 塔里木河下游生態(tài)輸水后地下水的響應(yīng)研究. 環(huán)境科學(xué)研究, 2003, 16(2): 19- 22.

[8] 陳亞寧,李衛(wèi)紅,陳亞鵬,徐長(zhǎng)春,張麗華. 新疆塔里木河下游斷流河道輸水與生態(tài)恢復(fù).生態(tài)學(xué)報(bào), 2007,27(2):538- 545.

[9] 陳永金, 陳亞寧, 劉加珍. 塔里木河下游植被覆蓋度變化與地下水質(zhì)關(guān)系. 環(huán)境科學(xué), 2010, 31(3): 612- 617.

[10] 沙代提·木沙, 玉米提·哈力克, 托乎提·艾合買提, Cyffka B, 柴政. 塔里木河下游生態(tài)輸水過(guò)程中荒漠河岸林活力恢復(fù)監(jiān)測(cè). 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2009, 18(5): 1898- 1902.

[11] 鄧銘江. 塔里木河下游生態(tài)輸水及植被恢復(fù)遙感監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià). 冰川凍土, 2007, 29(3): 380- 386.

[12] 阮曉,王強(qiáng),陳亞寧,李衛(wèi)紅,許寧一.塔里木河流域荒漠河岸植物對(duì)應(yīng)急輸水的生理響應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào), 2005,25(8):1966- 1973

[13] 崔旺誠(chéng). 塔里木河下游輸水后生態(tài)效應(yīng)研究[D]. 烏魯木齊: 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué), 2004.

[14] 李衛(wèi)紅, 楊玉海, 覃新聞, 周海鷹. 塔里木河下游斷流河道輸水的生態(tài)變化分析. 中國(guó)水土保持, 2009, (6): 10- 12, 19- 19.

[15] 桂東偉. 塔里木河下游應(yīng)急輸水后的生態(tài)響應(yīng)及生態(tài)用水保障研究[D]. 烏魯木齊: 新疆大學(xué), 2007.

[16] 陳亞寧, 張小雷, 祝向民, 李衛(wèi)紅, 張?jiān)? 徐海量, 張宏鋒, 陳亞鵬. 新疆塔里木河下游斷流河道輸水的生態(tài)效應(yīng)分析. 中國(guó)科學(xué) D輯 地球科學(xué), 2004, 34(5): 475- 482.

[17] 徐海量, 陳亞寧, 雷加強(qiáng). 塔里木河下游生態(tài)輸水對(duì)沙漠化逆轉(zhuǎn)的影響. 中國(guó)沙漠, 2004, 24(2): 173- 176.

[18] 趙強(qiáng), 王乃昂, 程弘毅, 諶永生, 郭劍英. 青土湖沉積物粒度特征及其古環(huán)境意義. 干旱區(qū)地理, 2003, 26(1): 1- 5.

[19] 趙強(qiáng), 王乃昂, 薛翔燕, 李秀梅, 胡剛, 諶永生. 民勤盆地12kaBP以來(lái)的沉積旋回. 蘭州大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2004, 40(1): 90- 95.

[20] 李佳佳. 石羊河流域青土湖全新世植被與環(huán)境變化[D]. 蘭州: 蘭州大學(xué), 2006.

[21] 樊醒民. 民勤青土湖水面持續(xù)擴(kuò)大. 甘肅經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào), (2016- 11- 23)[2016- 11- 26]. http://ww.gansudaily.com.cn/system/2016/11/23/016519463.shtml.

[22] 劉淑娟, 袁宏波, 劉世增, 劉虎俊, 李發(fā)明, 郭樹(shù)江, 王琪, 郭春秀, 李菁菁. 石羊河尾閭水面形成區(qū)土壤顆粒的分形特征. 水土保持通報(bào), 2013, 33(6): 285- 289.

[23] 董志玲, 徐先英, 金紅喜, 劉淑娟, 張進(jìn)虎, 唐衛(wèi)東, 柴成武, 趙鵬, 王旭虎. 生態(tài)輸水對(duì)石羊河尾閭湖區(qū)植被的影響. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2015, 29(7): 101- 106.

[24] 馬順龍. 民勤湖區(qū)降雨增多表明什么. 甘肅日?qǐng)?bào), (2013-06-02)[2016- 12-01]. http://gsrb.gansudaily.com.cn/system/2013/06/02/014139862.shtml.

[25] 劉虎俊, 劉世增, 李毅, 楊自輝, 李銀科, 張瑩花, 郭春秀, 劉淑娟. 石羊河中下游河岸帶植被對(duì)地下水位變化的響應(yīng). 干旱區(qū)研究, 2012, 29(2): 335- 341.

[26] 杜泉瀅, 李智, 劉書(shū)潤(rùn), 劉鴻雁. 干旱、半干旱區(qū)湖泊周圍鹽生植物群落的多樣性格局及特點(diǎn). 生物多樣性, 2007, 15(3): 271- 281.

[27] 郭英杰, 許英勤, 馬彥華. 新疆塔里木河下游應(yīng)急輸水的生態(tài)效益. 干旱區(qū)地理, 2002, 25(3): 237- 240.

[28] 陳永金,劉加珍,陳亞寧,李新功,朱海勇. 輸水前后塔里木河下游物種多樣性與水因子的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013,33(7):2212- 2224.

[29] 楊戈, 郭永平. 塔里木河下游末端實(shí)施生態(tài)輸水后植被變化與展望. 中國(guó)沙漠, 2004, 24(2): 167- 172.

[30] 宋春暉, 方小敏, 師永民, 王新民. 青海湖西岸風(fēng)成沙丘特征及成因. 中國(guó)沙漠, 2000, 20(4): 443- 446.

[31] 馬勇剛, 塔西甫拉塔·特依拜, 丁建麗, 徐成波. 塔里木南緣綠洲“冷島”效應(yīng)及與植被覆蓋相關(guān)分析——以于田綠洲為例. 干旱區(qū)地理, 2007, 30(6): 865- 870.

[32] 王浩. 深淺水體不同氣候效應(yīng)的初步研究. 南京大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué), 1993, 29(3): 517- 522.

[33] 楊鵬年, 吳文強(qiáng), 買合木提·巴拉提, 魏光輝. 塔里木河下游生態(tài)輸水策略分析. 干旱區(qū)研究, 2014, 31(5): 785- 791.

InfluenceanalysisofartificialwatertransferontheregionalecologicalenvironmentofQingtuLakeinthelowerreachesoftheShiyangRiver

SHI Wanli1, LIU Shujuan2, LIU Shizeng2, YUAN Hongbo2, MA Jianping2,LIU Hujun2, AN Fubo2

1ForestryCollege,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China2GansuDesertControlResearchInstitute&StateKeyLaboratoryBreedingBaseofdesertificationandAeolianSandDisasterCombating,Lanzhou730070,China

This paper uses sample collection and position observation to survey and study changes of environmental elements in the aspect of 2010—2014 subterranean stage, vegetation, and narrow-scope climate of water-surface formation area for sake of making a quantitative assessment towards the effects of the regional ecological environment supplied water manually from Qingtu Lake off Shiyang River. In addition, the paper also analyzes the situation of water surface, depth of ground water at different time intervals, landscape structure of vegetation, species composition of vegetation community, and changes of quantity, air temperature, moisture, and wind speed. Some ecological factors were explored to respond to water surface formation. The findings show that (1) water surface becomes fast due to different delivery patterns and the duration of water delivery. Regional reserved water area increases to 6 months after each delivery, 4a water area increases by 4.52 times, the superimposed effect of area enlargement were apparent. (2) Water surface area increase and water delivery enlarges the regional ground water from 0.6 to 3.2m. The coefficient of association of reserved water area and ground water depth is 0.909. (3) The structure of original typical desert vegetation changed significantly after water body formation. Water body changes the regional plant community from a simple desert vegetation type before the water delivery, primarily dominated byNitrariatangutorumBobr, into reed meadows and salinized meadows around water surface. (4) Because of the formation of a water body and regional vegetation, a cold-island effect was evident during the present study, which improved the regional climate. The mean temperature 500m around water body decreased by 55.67%, and the humidity tripled. The influence of the water surface formation on wind speed was evident, which strengthened the surface erosion of the water surface. Artificial water delivery greatly improved the regional ecological environment of Qingtu Lake; however, due to the uncertainty of water delivery policy and its adjustment strategy, the relevant negative effects of blown sand and regional diversity of species should be addressed in future research.

artificial water transfer; ecological influence; environmental elements; Qingtu Lake; Shiyang River

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31460134,31260129)；甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)盛彤笙科技創(chuàng)新基金(GSAU-STS- 1528)

2017- 01- 18; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 20

*通訊作者Corresponding author.E-mail: shiwl@gsau.edu.cn

10.5846/stxb201701180154

石萬(wàn)里,劉淑娟,劉世增,袁宏波,馬劍平,劉虎俊,安富博.人工輸水對(duì)石羊河下游青土湖區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響分析.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(18):5951- 5960.

Shi W L, Liu S J, Liu S Z, Yuan H B, Ma J P,Liu H J, An F B.Influence analysis of artificial water transfer on the regional ecological environment of Qingtu Lake in the lower reaches of the Shiyang River.Acta Ecologica Sinica,2017,37(18):5951- 5960.