周洪華,李衛(wèi)紅,李玉朋,王玉陽，黃 湘

中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011

基于樹木年輪技術(shù)的塔里木河下游河岸胡楊林生態(tài)需水量研究

周洪華*,李衛(wèi)紅,李玉朋,王玉陽，黃 湘

中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所,荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011

生態(tài)需水量計(jì)算是干旱脆弱生態(tài)區(qū)恢復(fù)重建的一個(gè)關(guān)鍵問題。分析了塔里木河下游荒漠河岸林關(guān)鍵種-胡楊樹木年輪近90年來的變化特征及對(duì)氣候水文過程的響應(yīng),并基于樹木年輪技術(shù)提出了維系荒漠河岸林不同恢復(fù)狀態(tài)的生態(tài)需水量。研究結(jié)果表明,塔里木河下游胡楊樹木年輪主要承載的是區(qū)域水文歷史變化信息,可以作為定量評(píng)估生態(tài)輸水工程的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)和定量計(jì)算植被生態(tài)需水量的新指標(biāo)；胡楊標(biāo)準(zhǔn)年輪寬度指數(shù)與生長年生態(tài)輸水量呈顯著正相關(guān)(P<0.05),近15年生態(tài)輸水對(duì)胡楊年輪寬度指數(shù)增加的平均貢獻(xiàn)率為42.96%；若要維持塔里木河下游英蘇段垂直河道300 m范圍內(nèi)的胡楊達(dá)到近90年來的平均生長水平,則需在生長年下泄生態(tài)需水量0.84×108m3,若要達(dá)到斷流前(1933—1974年)的平均徑向生長,則每個(gè)生長年內(nèi)生態(tài)需水量應(yīng)達(dá)到0.91×108m3。

胡楊；樹木年輪；生態(tài)輸水工程；生態(tài)需水量

生態(tài)需水量系指為了維持某一環(huán)境功能或環(huán)境目標(biāo)所需的水資源量[1]。生態(tài)需水量是水資源開發(fā)利用過程中必須考慮的一個(gè)重要水資源需求組分,尤其是在水資源極端匱乏的中國西北內(nèi)陸河流域,它是脆弱生態(tài)區(qū)恢復(fù)重建的一個(gè)關(guān)鍵問題[2- 3],但實(shí)際水資源配置中這部分水資源的供給往往被政府部門所忽視[4]。近年來,隨著可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的倡議,天然植被生態(tài)需水研究也成為了當(dāng)前生態(tài)學(xué)、環(huán)境保護(hù)和水資源管理的熱點(diǎn)問題[5- 6]。目前生態(tài)需水量模型主要基于水量平衡、水熱平衡、水鹽平衡或水沙平衡,沒有涉及生態(tài)系統(tǒng)和水文系統(tǒng)的互作機(jī)制,也未考慮水分與物種生產(chǎn)力之間的關(guān)系,同時(shí)這些水文模型采用的數(shù)據(jù)來源是相互獨(dú)立的,由于觀測和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列有限,這些水平衡模型無法詮釋水文過程和生態(tài)過程的交互作用[4],造成很多研究結(jié)果相互悖論。由此可見,尋找長時(shí)期、易獲取、可重復(fù)、同時(shí)承載植物生理過程與水文過程信息的代用資料或材料則成為了天然植被生態(tài)需水量精準(zhǔn)計(jì)算的關(guān)鍵。樹木是記錄區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的絕佳檔案[7-8],樹木年輪以定年準(zhǔn)確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高和易于獲取復(fù)本等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),已成為研究環(huán)境變化的重要代用資料[9]。塔里木河流域由于過去幾十年來生產(chǎn)用水大量擠占生態(tài)用水,下游河道長期斷流,荒漠河岸林極度衰敗,具有戰(zhàn)略意義的綠色走廊岌岌可危[10]?；哪影读值闹黧w是胡楊,它是荒漠河岸林的唯一喬木和關(guān)鍵建群種,且胡楊根系具有顯著的水力提升能力,群落中草本植物或淺根灌木生長發(fā)育的水分來源也主要依賴于胡楊根系提升的水分再分配[11],因而胡楊的存亡決定著荒漠河岸林的存亡。由此可見,在塔里木河下游要估算維持荒漠河岸林的生態(tài)需水量,關(guān)鍵在于正確計(jì)算保證胡楊正常生長發(fā)育的生態(tài)需水量?；诖?本文通過分析塔里木河下游唯一喬木——胡楊樹木年輪長期生長特征,明確生態(tài)輸水量與胡楊木質(zhì)部生長發(fā)育的量化關(guān)系,試圖采用樹木年輪技術(shù)來定量評(píng)估生態(tài)輸水對(duì)木質(zhì)部形成的貢獻(xiàn)率并計(jì)算維系塔里木河下游荒漠河岸林不同生長狀態(tài)的生態(tài)需水量,旨在為計(jì)算干旱區(qū)內(nèi)陸河流域天然植物生態(tài)需水量提供新方法。

1 研究區(qū)概況

塔里木河下游為大陸性暖溫帶荒漠干旱氣候,降水稀少,蒸發(fā)強(qiáng)烈,年太陽總輻射5692—6360 MJ/m2,年日照時(shí)數(shù)2780—2980 h,≥10℃的年積溫為4040—4300 ℃,平均日差13—17 ℃左右；平均年降水量在17.4—42.0 mm之間,平均年蒸發(fā)量(潛勢)達(dá)2500—3000 mm[12]。沿河兩岸以胡楊為主的荒漠河岸林是馳名中外的“綠色走廊”,對(duì)阻止沙漠化進(jìn)程、降低土壤鹽漬化、保護(hù)河岸林生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展、維護(hù)綠洲的生態(tài)安全和持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展具有舉足輕重的作用[13]。然而,由于水資源利用不合理,尾閭湖泊-羅布泊和臺(tái)特瑪湖分別于1970和1972年干涸,下游從大西海子以下至臺(tái)特瑪湖共321 km河道于1972年徹底長期斷流。河道斷流使得地下水位大幅下降,由地下水維系的荒漠河岸林大面積退化[13],天然胡楊林面積從20世紀(jì)50年代的5.4×104hm2減至目前的不足0.67×104hm2,減幅高達(dá)88%,使得林間沙地活化、風(fēng)蝕沙化作用加強(qiáng),土地荒漠化過程加劇,至2000年,該區(qū)流沙地和鹽堿地面積已分別高達(dá)52.71%和12.35%,導(dǎo)致塔克拉瑪干和庫魯克兩大沙漠有合攏趨勢,具有戰(zhàn)略意義的綠色走廊岌岌可危[10]。塔里木河下游已成為了中國西部生態(tài)環(huán)境最脆弱的區(qū)域,由此相繼引發(fā)的嚴(yán)重生態(tài)問題在中國乃至世界范圍都是十分典型的,該區(qū)生態(tài)恢復(fù)與生態(tài)安全問題已引起了世界各地和社會(huì)各界及政府的高度關(guān)注。為拯救綠色走廊,恢復(fù)生態(tài)和保護(hù)環(huán)境,中國政府于2000年始斥資107億元組織實(shí)施了生態(tài)輸水工程。

2 材料與方法

2.1 胡楊樹木年輪樣芯采集

本研究的取樣區(qū)域位于英蘇,地處塔里木河下游中段(圖1),2000年始在此斷面垂直于河道布設(shè)了7眼地下水監(jiān)測井,距河道的距離分別為50、150、250、350、450、750、1050 m。由于生態(tài)輸水對(duì)地下水抬升的影響效應(yīng)隨距河道距離的增加而減小[14- 15],地下水響應(yīng)最敏感的是距離河道350 m以內(nèi)[14]。同時(shí),野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),距河道300 m內(nèi)是胡楊分布密度最高的區(qū)域。因此,2015年9月采用生長錐(Haglof increment borers,Haglof Inc.,Sweden)鉆取以垂直河道300 m為直徑的圓形取樣區(qū)內(nèi)所有胡楊樹木年輪樣芯,每一樣株在離樹干基部1—1.5 m處取2個(gè)樹芯樣品,取樣時(shí)避開樹結(jié)、分叉及蟲蛀點(diǎn),兩次取樣相互垂直。由于胡楊木質(zhì)部腐朽嚴(yán)重,對(duì)于胸徑超過50 cm而木質(zhì)部腐爛后僅余≤5 cm的過短樹芯視為無效取樣,共采集有效樹木年輪樣株29棵,合計(jì)58個(gè)樣芯。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 The sketch map of study area

2.2 胡楊樹木年輪標(biāo)準(zhǔn)年表建立

樣芯經(jīng)干燥、固定和打磨,采用骨架法(Skeleton)進(jìn)行交叉定年,經(jīng)樹木年輪分析儀(LintabTM6,Germany)測量樣芯年輪寬度,精度為0.001 mm。用Cofecha交叉定年質(zhì)量控制程序進(jìn)行交叉定年檢驗(yàn)和生長量的訂正。年表的建立采用Arstan軟件完成。采用負(fù)指數(shù)函數(shù)或線性回歸進(jìn)行去趨勢分析,對(duì)于去趨勢后與其他序列去趨勢后的趨勢差別很大的個(gè)別序列,則采用步長大于總序列長度2/3的樣條函數(shù)進(jìn)行去趨勢,剔除相關(guān)性差、序列過短或奇異點(diǎn)過多的個(gè)別序列構(gòu)建塔里木河下游英蘇斷面胡楊標(biāo)準(zhǔn)年表。利用SSS指數(shù)(Subsample Signal Strength)大于0.85來確定年表的起始年代和年表序列的可靠性。

2.3 氣候水文數(shù)據(jù)收集

氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)(1958年建站以來至2010年)來自于塔里木河下游中下段的唯一氣象站-鐵干里克氣象站(距離英蘇斷面約30 km),2000—2015年生態(tài)輸水?dāng)?shù)據(jù)來自于塔里木河流域管理局,地下水埋深數(shù)據(jù)取自2000始布設(shè)的地下水監(jiān)測井(每2—3個(gè)月測量一次),將取樣區(qū)內(nèi)的三眼地下水監(jiān)測井測得的埋深平均值視為英蘇斷面地下水埋深。鑒于環(huán)境因素對(duì)樹木年輪寬度指數(shù)可能有一定的滯后作用,本文在計(jì)算氣溫、降水量和生態(tài)輸水量時(shí)將前一年8月至當(dāng)年7月的平均值/累計(jì)值記為年均值/年累計(jì)量,將胡楊年內(nèi)主要生長期4—7月的平均值/累計(jì)值記為生長季平均值/累計(jì)值。

2.4 生態(tài)輸水對(duì)胡楊木質(zhì)部形成的貢獻(xiàn)率及生態(tài)需水量計(jì)算

生態(tài)輸水對(duì)胡楊樹木年輪寬度指數(shù)的貢獻(xiàn)率計(jì)算采用以下公式：

(1)

基于樹木年輪的植被生態(tài)需水量估算方法：將2000—2015年間每年去趨勢后胡楊標(biāo)準(zhǔn)年表寬度指數(shù)與斷流期間去趨勢后標(biāo)準(zhǔn)年表多年平均寬度指數(shù)之差作為因變量,表征胡楊年輪寬度指數(shù)對(duì)生態(tài)輸水響應(yīng)的生態(tài)效應(yīng)量,將生長年內(nèi)有效輸水量作為自變量進(jìn)行曲線擬合,建立如下回歸方程：

y=0.232x2-0.019x+0.014 (sig.=0.004,R2=0.575)

(2)

其中,y表征生態(tài)輸水對(duì)胡楊年輪寬度指數(shù)的影響量,x為生長年內(nèi)的生態(tài)需水量(×108m3)。

2.5 統(tǒng)計(jì)分析方法

采用非參數(shù)Mann-Kendall單調(diào)趨勢和Mann-Kandall突變檢驗(yàn)方法檢驗(yàn)降水和氣溫序列變化趨勢和突變時(shí)間；采用滑動(dòng)t-檢驗(yàn)確定胡楊年輪寬度指數(shù)序列的突變時(shí)間。采用SPSS 13.0軟件的單因素方差分析、相關(guān)性分析、回歸分析、逐步回歸分析統(tǒng)計(jì)胡楊年輪寬度指數(shù)與區(qū)域氣溫、降水、地下水埋深和生態(tài)輸水量的量化關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 胡楊樹木年輪年表特征

剔除相關(guān)性差、序列過短或奇異點(diǎn)過多的10個(gè)序列構(gòu)建了塔里木河下游英蘇斷面胡楊標(biāo)準(zhǔn)年表(圖2A)。年表統(tǒng)計(jì)特征顯示(表1),胡楊標(biāo)準(zhǔn)年表的相關(guān)系數(shù)、平均敏感度和EPS都比較高,表明胡楊對(duì)外界環(huán)境的敏感度較高,年表序列包含豐富的低頻和高頻環(huán)境信息。胡楊標(biāo)準(zhǔn)年表的生長趨勢顯示,1940s胡楊樹木年輪生長較快,1950s樹木年輪寬度呈下降趨勢,1960s呈上升趨勢,1970s—1990s呈下降趨勢,2000后胡楊年輪寬度增加(圖2A)。對(duì)胡楊標(biāo)準(zhǔn)年表進(jìn)行滑動(dòng)t檢驗(yàn),子序列長度為10 a時(shí),胡楊年表有4個(gè)突變點(diǎn),突變時(shí)間分別為1957年、1967年、1975年和2000年(圖2B),表明1957—1966的10年間,區(qū)域生態(tài)環(huán)境不利于胡楊生長,1967—1974年間生態(tài)環(huán)境有好轉(zhuǎn)趨勢,而1975—1999年之間生態(tài)環(huán)境再度惡化,2000年生態(tài)環(huán)境有所改善。

圖2 塔里木河下游英蘇斷面胡楊標(biāo)準(zhǔn)年表(A)和標(biāo)準(zhǔn)年表滑動(dòng)t檢驗(yàn)(B)Fig.2 Standard chronology of Populus euphratica (A) and Moving t-test technique of standard chronology of Populus euphratica (B) in Yingsu of the Lower Tarim River

年表特征Characteristics胡楊標(biāo)準(zhǔn)年表StandardchronologiesofPopuluseuphratica(SCP)年表特征Characteristics胡楊標(biāo)準(zhǔn)年表StandardchronologiesofPopuluseuphratica(SCP)樣本量Samplingcoresinchronologies48芯/24樹自相關(guān)系數(shù)First-orderautocorrelation0.520時(shí)段Timespan1933—2015公共區(qū)間Commonperiod1955—2015相關(guān)系數(shù)Seriersintercorrelation0.643信噪比Signal-to-noiseratio(SNR)1.19平均敏感度Meansensitivity0.364總體代表性Expressedpopulationsignal(EPS)0.945標(biāo)準(zhǔn)誤Standarddeviation0.241

樣本數(shù)為最終用于年表建立的胡楊樣芯樣本量；時(shí)段、公共區(qū)間為樣本統(tǒng)計(jì)值；敏感度、相關(guān)系數(shù)、自相關(guān)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)誤為去趨勢序列的統(tǒng)計(jì)值；EPS、SNR為去趨勢序列在公共區(qū)間內(nèi)的平均統(tǒng)計(jì)值。SCP表示英蘇斷面垂直河道0—300 m胡楊標(biāo)準(zhǔn)年表;表中字母含義下同

3.2 胡楊年輪生長與區(qū)域環(huán)境因素關(guān)系

影響樹木生長的生態(tài)環(huán)境主要為氣候因素和水文過程。在氣候方面,塔里木河下游1958—2010年生長季氣溫有顯著增加趨勢,突變時(shí)間為1991年(圖3A)；生長季降水在1958—2010年間并未表現(xiàn)出明顯的突變(圖3B),溫度和降水的突變時(shí)間與胡楊標(biāo)準(zhǔn)年表的突變時(shí)間并不吻合。Pearson相關(guān)分析表明,生長年氣溫、生長季氣溫、生長年降水量和生長季降水量對(duì)胡楊年輪寬度指數(shù)的影響都不顯著(圖4)；同時(shí),氣溫和降水對(duì)地下水埋深的影響也未達(dá)到顯著水平(圖4)。這些結(jié)果表明,塔里木河下游氣候因素對(duì)地下水埋深和胡楊生長均沒有顯著影響。

圖3 塔里木河下游溫度(A)和降水(B)突變點(diǎn)檢驗(yàn)Fig.3 Mann-Kendall-Sneyers test (P>0.05) of temperature (A) and precipitation (B) in Lower Tarim RiverUf, UB為原時(shí)間序列和反序列變化趨勢曲線,|Uf, UB|>1.96表示上升趨勢明顯,|Uf, UB|< 1.96表示下降趨勢明顯

1972年后塔里木河下游321 km全面斷流,河岸胡楊林生存發(fā)育主要依賴于地下水,相關(guān)分析也證實(shí),地下水埋深與胡楊年輪寬度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)(圖4)。然而英蘇斷面胡楊年輪寬度指數(shù)在1975年才開始下降,表明胡楊生長對(duì)河道斷流有3年的響應(yīng)滯后期,這證實(shí)地下水位在斷流期間是逐漸下降的,經(jīng)過3年時(shí)間英蘇斷面的地下水位就已下降到抑制胡楊生長的水位之下。2000開始,中國政府啟動(dòng)了拯救塔里木河下游荒漠河岸林的應(yīng)急生態(tài)輸水工程,每年為下游人工泄水,以抬升地下水位。2000至2015年間共實(shí)施了22次以拯救塔里木河下游胡楊林為目標(biāo)的應(yīng)急生態(tài)輸水,其中2000、2001、2003、2005、2010、2011和2013年年內(nèi)分別實(shí)施了2次輸水,16年間累計(jì)實(shí)現(xiàn)生態(tài)輸水51.09×108m3,年內(nèi)最大輸水量8.23×108m3、最小輸水量為0.11×108m3,14次將水輸送到了-尾閭湖泊-臺(tái)特瑪湖。生長年生態(tài)輸水量與英蘇年均地下水埋深具有顯著的負(fù)相關(guān)性(圖4),表明生長年生態(tài)輸水有效地促進(jìn)了地下水埋深的抬升,顯著地改善了塔里木河下游的水環(huán)境。然而值得提出的是,自然年生態(tài)輸水量與自然年地下水埋深沒有顯著關(guān)系,而與滯后1年的地下水埋深呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(圖4),表明生態(tài)輸水的實(shí)施與地下水埋深的抬升之間存在1年的滯后效應(yīng)。但胡楊標(biāo)準(zhǔn)年輪表僅與當(dāng)年的地下水埋深呈顯著負(fù)相關(guān),與生長年有效生態(tài)輸水量呈顯著正相關(guān)(圖4,P<0.05),表明生長年有效生態(tài)輸水量通過抬升地下水埋深對(duì)胡楊木質(zhì)部徑向增加起著顯著的正向促進(jìn)效應(yīng)。

圖4 胡楊年表與生態(tài)環(huán)境指標(biāo)(A)、地下水埋深與生態(tài)環(huán)境指標(biāo)(B)及地下水埋深滯后1年與生態(tài)環(huán)境指標(biāo)(C)的相關(guān)性分析Fig.4 Pearson correlations between ecological-environmental factors and standard chronology of Populus euphraticain (A), and grondwater depths (B) as well as grondwater depths on 1-year time lag (C) in Yingsu Section of Lower Tarim Rive1:生長季氣溫 Average temperature of growth season; 2:生長年氣溫 Average temperature of growth year; 3:生長季降水Average precipitation of growth season; 4:生長年降水Average precipitation of growth year;5:地下水埋深 Average groundwater depth; 6:地下水埋深滯后1年Average groundwater depth on a 1-year time lag;7:自然年生態(tài) 輸水量Ecological water conveyance; 8:生長年生態(tài) 輸水量Ecological water conveyance of growth year.

圖5 2000—2015塔河下游生長年生態(tài)輸水量 Fig.5 Ecological water conveyance of growth year from 2000—2015 in the Lower Tarim River

由此可見,塔里木河下游胡楊的生長與區(qū)域水環(huán)境變化過程密切相關(guān),樹木年輪主要承載的是區(qū)域水文環(huán)境的歷史變化信息,可以作為定量評(píng)估生態(tài)輸水工程的生態(tài)恢復(fù)效應(yīng)和定量計(jì)算植被生態(tài)需水量的新指標(biāo)。

3.3 生態(tài)輸水對(duì)胡楊年輪寬度指數(shù)的貢獻(xiàn)率及胡楊林生態(tài)需水量計(jì)算

為定量辨別生態(tài)輸水量對(duì)胡楊木質(zhì)部生長的貢獻(xiàn)率,分別統(tǒng)計(jì)了2000—2015年生長年生態(tài)輸水量(圖5),生態(tài)輸水期間(2000—2015年)多年平均年輪寬度指數(shù)(1.158)和斷流期間(1975—1999年)多年平均年輪寬度指數(shù)(0.810),經(jīng)方程(1)計(jì)算顯示,生態(tài)輸水后胡楊年輪寬度指數(shù)較斷流期間平均增加了0.348,即生態(tài)輸水對(duì)塔里木河下游英蘇斷面胡楊樹木年輪寬度增加的平均貢獻(xiàn)率為42.96%；以斷流期間多年平均年輪寬度指數(shù)為未實(shí)施生態(tài)輸水的基準(zhǔn)值,則2000—2015年間生態(tài)輸水對(duì)胡楊木質(zhì)部形成的貢獻(xiàn)率范圍在-5.56%—142.96%之間(表2),其中,負(fù)值意味著生態(tài)輸水的持續(xù)中斷可能會(huì)導(dǎo)致胡楊加速衰敗,造成生長速率快速下降,甚至低于1975—1999年斷流期間的平均水平。結(jié)合圖5和表2可知,如遇到特大洪水季或連續(xù)洪水年、豐水年,可根據(jù)地下水埋深抬升的滯后效應(yīng)和樹木年輪對(duì)河道斷流的滯后效應(yīng),采取某些生長年內(nèi)進(jìn)行1次或連續(xù)特大量的生態(tài)輸水,在接下來的一個(gè)干旱或枯水生長年內(nèi)不再進(jìn)行生態(tài)輸水,已抬升的地下水埋深足夠滿足次年的植物生長發(fā)育,如2012年的生長年內(nèi)共輸入生態(tài)水11.15×108m3后,盡管2013年生長年輸水并不多(僅0.14×108m3),但胡楊年輪寬度指數(shù)仍保持較高；再如2015年生長年內(nèi)并未進(jìn)行生態(tài)輸水(0×108m3),但因2014年生長年有較大量的水量下泄(4.78×108m3),胡楊在2015年仍保持著較快的徑向生長。然而,2008—2010年連續(xù)中斷生態(tài)輸水后,使得2009年和2010年胡楊樹木徑向生長重歸緩慢,甚至低于斷流期間的平均生長速率,表明即使在某一次或連續(xù)輸水使得地下水埋深得到了較大提升,后期生態(tài)輸水的中斷期也不能連續(xù)超過2年,否則植被生長又將嚴(yán)重受抑。

表2 生態(tài)輸水對(duì)塔里木河下游胡楊木質(zhì)部形成的貢獻(xiàn)率

以上分析結(jié)果表明生長年內(nèi)有效輸水量是保證胡楊木質(zhì)部生長的關(guān)鍵影響因素。那么,為維持胡楊正常的生長,每一生長年內(nèi)需要從大西海子下泄多少生態(tài)水量呢？通過方程(2)計(jì)算,如果要保證塔里木河下游英蘇斷面胡楊維持多年(1933—2015年)平均徑向生長(樹木年輪寬度指數(shù)0.972),則每年需下泄生態(tài)水量0.84×108m3；如果要保證塔里木河下游英蘇斷面胡楊達(dá)到斷流前(1933—1974年)的平均徑向生長(樹木年輪寬度指數(shù)0.997),則每年需下泄生態(tài)水量0.91×108m3。

4 討論與結(jié)論

4.1 塔里木河下游胡楊樹木年輪承載的環(huán)境信息

胡楊作為塔里木河下游荒漠河岸林的唯一喬木,見證了塔里木河下游生態(tài)環(huán)境變遷的全過程,是記錄生態(tài)環(huán)境變化的絕佳“檔案”,其生長發(fā)育更能直接反應(yīng)區(qū)域生態(tài)恢復(fù)的效應(yīng)[16-17]。王振錫等[16]提出塔里木河下游胡楊樹木年輪承載著區(qū)域水環(huán)境歷史變遷信息；徐海量等[12]、安紅燕等[18]、劉海蘭等[19]及Yu等[20]發(fā)現(xiàn)生態(tài)輸水與胡楊木質(zhì)部徑向生長有密切關(guān)系；Schilling等[17]也指出胡楊樹木年輪寬度可以作為構(gòu)建地下水-地表水-植物互作模型的有效參數(shù)。本文通過突變分析和相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),塔里木河下游溫度和降水突變時(shí)間與胡楊標(biāo)準(zhǔn)年表突變時(shí)間不一致(圖2,圖3),氣溫和降水與年輪寬度指數(shù)相關(guān)性并不顯著(圖4),且氣溫和降水與地下水埋深相關(guān)性也并不顯著(圖4),但地下水埋深和生態(tài)輸水量與胡楊年輪年表均呈顯著相關(guān)(圖4),這進(jìn)一步證實(shí)塔里木河下游胡楊樹木年輪并不適宜于重建和反演長時(shí)期的氣溫和降水,胡楊木質(zhì)部最主要承載的是區(qū)域水文環(huán)境的歷史變化信息,因而,胡楊樹木年輪可以作為評(píng)估塔里木河下游長時(shí)期內(nèi)地下水埋深變化和生態(tài)輸水對(duì)植被恢復(fù)的生態(tài)效應(yīng)的新指標(biāo)。

4.2 塔里木河下游胡楊年輪對(duì)生態(tài)輸水的量化響應(yīng)

生態(tài)輸水對(duì)塔里木河下游胡楊樹木年輪寬度增加有積極的促進(jìn)作用[20-22],本文研究結(jié)果也證實(shí)了這一結(jié)論?；瑒?dòng)t檢驗(yàn)顯示,塔里木河下游英蘇斷面胡楊年輪標(biāo)準(zhǔn)年表在2000年開始實(shí)施生態(tài)輸水工程后發(fā)生了突變,2000年后年輪寬度指數(shù)顯著增加。生態(tài)輸水主要是通過抬升地下水埋深、改善區(qū)域水環(huán)境來促進(jìn)胡楊木質(zhì)部生長的,但生態(tài)輸水與地下水抬升存在時(shí)滯性[14-15],本文也發(fā)現(xiàn)自然年生態(tài)輸水與地下水埋深的抬升有1年的滯后效應(yīng)(圖4),且胡楊當(dāng)年年輪寬度與當(dāng)年自然年生態(tài)輸水量關(guān)系不顯著,僅與生長年有效生態(tài)輸水量呈顯著正相關(guān)(圖4),這與Hao等[23]研究提出的塔里木河下游植被NDVI對(duì)地下水埋深的響應(yīng)有1年滯后結(jié)論是基本一致的。因此,研究認(rèn)為在分析生態(tài)輸水的植被恢復(fù)生態(tài)效應(yīng)評(píng)估時(shí)不能用自然年的生態(tài)輸水量,而要用生長年有效生態(tài)輸水量。生長年有效生態(tài)輸水的實(shí)施使得塔里木河下游英蘇斷面胡楊木質(zhì)部年均寬度指數(shù)較斷流區(qū)間增加了0.348,生長年有效生態(tài)輸水對(duì)胡楊年輪寬度指數(shù)增加的平均貢獻(xiàn)率為42.96%。

4.3 塔里木河下游英蘇荒漠河岸林生態(tài)輸水量的確定

西北干旱區(qū)荒漠植被生態(tài)需水量的確定一直是荒漠植被生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)[4]。Fu等[24]用地下水儲(chǔ)量、水平衡法結(jié)合遙感解譯的自然植被面積,計(jì)算得出黑河下游自然植被的生態(tài)需水量是3.91×108—4.05×108m3；Zhang[25]用潛水蒸散發(fā)模型和地下水平衡模型計(jì)算提出為維持黑河下游哨馬營斷面的自然植被恢復(fù)和穩(wěn)定的地下水埋深,在2020和2030年每年需要生態(tài)需水量6.35×108m3；在塔里木河下游,Ye等[26- 27]通過潛水蒸發(fā)模型,認(rèn)為2005年塔里木河下游荒漠河岸林自然植被的生態(tài)需水量是2.4×108m3,同時(shí)Ye等[28]通過模擬塔里木河下游生態(tài)輸水后地下水埋深的變化,提出維持距河道500、1000、1500、2000 m受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的需水量分別為1.61×108、2.48×108、3.19×108m3、3.82×108m3。這些生態(tài)需水的計(jì)算方法主要采用水量平衡模型,沒有涉及生態(tài)系統(tǒng)和水文系統(tǒng)的互制機(jī)制,沒有考慮水分與物種生產(chǎn)力之間的關(guān)系,缺乏兼顧植物生理、生態(tài)和水文物理過程的系統(tǒng)的定量分析方法[4]。另外,這些生態(tài)模型、水文模型或土壤水分模型采用的數(shù)據(jù)來源是相互獨(dú)立的,由于觀測和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有限,這些水平衡模型無法詮釋水文過程和生態(tài)過程的交互作用。樹木年輪同時(shí)承載著植物生理過程與水文過程信息,為正確計(jì)算植物生態(tài)需水量提供了新的指標(biāo)。胡楊是荒漠河岸林的唯一喬木和關(guān)鍵建群種,胡楊林生態(tài)需水量基本能代表荒漠河岸林的生態(tài)需水量。通過對(duì)胡楊樹木年輪在生態(tài)輸水前后的生長差異與輸水量關(guān)系的建模,計(jì)算發(fā)現(xiàn)如果要保證塔里木河下游英蘇斷面垂直河道300 m范圍內(nèi)胡楊平均徑向生長達(dá)到近90年的(1933—2015年)生長速率,每一生長年需從大西海子為下游下泄生態(tài)需水量0.84×108m3；如果要保證垂直河道300 m范圍內(nèi)胡楊達(dá)到斷流前(1933—1974年)的平均徑向生長,則每一生長年下泄生態(tài)需水量0.91×108m3。這個(gè)數(shù)值比Ye等[28]的計(jì)算結(jié)果小,除計(jì)算方法差異外,其可能原因還包括前者計(jì)算的是維持整個(gè)下游荒漠河岸林的生態(tài)需水,而我們的結(jié)果僅是維持大西海子到英蘇斷面荒漠河岸林的生態(tài)需水。

研究顯示,胡楊具有顯著的根系水力提升能力,能通過主根和側(cè)根將深層土壤水和地下水提升釋放在離胡楊主干4 m范圍內(nèi)的60—120 cm淺土層[11],這些淺土層的土壤水分正好可以供給草本植物或淺根灌木生長發(fā)育。一般而言,在塔里木河下游,胡楊生長的適宜生態(tài)水位是2—4 m,脅迫水位是6 m,限制胡楊生長的極限地下水埋深>8 m[29-31],而胡楊根系在垂直方向上主要集中在120—170 cm[32],野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)其主根系甚至可深達(dá)6 m以上。同位素研究還顯示,胡楊根系吸水主要來源于375 cm以下的地下水[33]。因而,根據(jù)胡楊根系分布特征和水分吸收特點(diǎn),研究建議在地下水埋深降至4—6 m時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行生態(tài)輸水,以抬升地下水埋深保證胡楊根系能正常吸收到水分。

綜上所述,本文提出了采用胡楊樹木年輪作為定量評(píng)估生態(tài)輸水的植被恢復(fù)效應(yīng)和生態(tài)需水量計(jì)算的新指標(biāo),為定量計(jì)算干旱區(qū)斷流河道天然植被生態(tài)需水量和未來研究植被生理——生態(tài)過程與水文過程互作機(jī)制提供了一個(gè)技術(shù)方法。但本文計(jì)算結(jié)果是基于僅保護(hù)大西海子水庫到英蘇斷面距河道300 m范圍內(nèi)胡楊林,并不是涵括整個(gè)塔里木河下游區(qū)域,因此今后還需進(jìn)一步擴(kuò)大研究區(qū)域范圍,為塔里木河流域水資源管理和生態(tài)輸水工程的科學(xué)實(shí)施提供更為詳盡和科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

[1] 王根緒, 程國棟. 干旱內(nèi)陸流域生態(tài)需水量及其估算——以黑河流域?yàn)槔? 中國沙漠, 2002, 22(2): 129- 134.

[2] Chen Y N, Li W H, Deng H J, Fang G H, Li Z. Changes in central Asia′s water tower: Past, present and future. Scientific Reports, 2016, 6: 35458.

[3] Chen Y N, Li B F, Li Z, Li W H. Water resource formation and conversion and water security in arid region of Northwest China. Journal of Geographical Sciences, 2016, 26(7): 939- 952.

[4] Chen Y N, Xu C C, Chen Y P, Liu Y B, Li W H. Progress, challenges and prospects of eco-hydrological studies in the Tarim River Basin of Xinjiang, China. Environmental Management, 2013, 51(1): 138- 153.

[5] Ling H B, Zhang P, Xu H L, Zhang G P. Determining the ecological water allocation in a hyper-arid catchment with increasing competition for water resources. Global and Planetary Change, 2016, 145: 143- 152.

[6] Amr A I, Kamel S, El Gohary G, Hamhaber J. Water as an ecological factor for a sustainable campus landscape. Procedia-Social and Behavioral Sciences, 2016, 6: 181- 193.

[7] Farrer E C, Ashton I W, Spasojevic M J, Fu S Y, Gonzalez D J X, Suding K N. Indirect effects of global change accumulate to alter plant diversity but not ecosystem function in alpine tundra. Journal of Ecology, 2015, 103(2): 351- 360.

[8] Farrer E C, Ashton I W, Knape J, Suding K N. Separating direct and indirect effects of global change: a population dynamic modeling approach using readily available field data. Global Change Biology, 2014, 20(4): 1238- 1250.

[9] Linderholm H W, Niklasson M, Molin T. Summer moisture variability in east central Sweden since the mid-eighteenth century recorded in tree rings. Geografiska Annaler, Series A: Physical Geography, 2004, 86(3): 277- 287.

[10] 李衛(wèi)紅, 郝興明, 覃新聞, 陳亞寧, 黃湘. 干旱區(qū)內(nèi)陸河流域荒漠河岸林群落生態(tài)過程與水文機(jī)制研究. 中國沙漠, 2008, 28(6): 1113- 1117.

[11] Hao X M, Chen Y N, Li W H, Guo B, Zhao R F. Hydraulic lift inPopuluseuphraticaOliv. from the desert riparian vegetation of the Tarim River Basin. Journal of Arid Environments, 2010, 74(8): 905- 911.

[12] 徐海量, 鄧曉雅, 趙新風(fēng). 河道斷流對(duì)胡楊(Populuseuphratica)徑向生長量的影響. 中國沙漠, 2013, 33(3): 731- 736.

[13] Chen Y N, Li W H, Xu C C, Ye Z X, Chen Y P. Desert riparian vegetation and groundwater in the lower reaches of the Tarim River basin. Environmental Earth Sciences, 2015, 73(2): 547- 558.

[14] 鄧正波. 塔里木河下游應(yīng)急輸水的地下水響應(yīng)與生態(tài)需水研究[D]. 南京: 河海大學(xué), 2005.

[15] 白元, 徐海量, 張青青, 葉茂. 基于地下水恢復(fù)的塔里木河下游生態(tài)需水量估算. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(3): 630- 640.

[16] 王振錫, 潘存德, 石鑫鑫. 胡楊年輪記錄的塔里木河下游54年來區(qū)域水環(huán)境歷史變遷. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2010, 19(3): 637- 645.

[17] Schilling O S, Doherty J, Kinzelbach W, Wang H, Yang P N, Brunner P. Using tree ring data as a proxy for transpiration to reduce predictive uncertainty of a model simulating groundwater-surface water-vegetation interactions. Journal of Hydrology, 2014, 519: 2258- 2271.

[18] 安紅燕, 徐海量, 葉茂, 禹樸家, 龔君君. 塔里木河下游生態(tài)輸水后胡楊徑向生長量的時(shí)空變化. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22(1): 29- 34.

[19] 劉海蘭. 塔里木河不同斷面胡楊徑向生長對(duì)水分響應(yīng)的研究[D]. 烏魯木齊: 新疆師范大學(xué), 2015.

[20] Yu P J, Xu H L, Ye M, Liu S W, Gong J J, An H Y, Fu J Y. Effects of ecological water conveyance on the ring increments ofPopuluseuphraticain the lower reaches of Tarim River. Journal of Forest Research, 2012, 17(5): 413- 420.

[21] 孫衛(wèi), 侯平, 李霞. 胡楊枝直徑生長對(duì)塔里木河下游應(yīng)急輸水的響應(yīng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 26(9): 2913- 2917.

[22] Deng X Y, Xu H L, Ye M, Li B L, Fu J Y, Yang Z F. Impact of long-term zero-flow and ecological water conveyance on the radial increment ofPopuluseuphraticain the lower reaches of the Tarim River, Xinjiang, China. Regional Environmental Change, 2015, 15(1): 13- 23.

[23] Hao X M, Li W H. Impacts of ecological water conveyance on groundwater dynamics and vegetation recovery in the lower reaches of the Tarim River in northwest China. Environmental Monitoring and Assessment, 2014, 186(11): 7605- 7616.

[24] Fu X F, He H M, Jiang X H, Yang S T, Wang G Q. Natural ecological water demand in the lower Heihe River. Frontiers of Environmental Science & Engineering in China, 2008, 2(1): 63- 68.

[25] Zhang Z H. Tree-rings, a key ecological indicator of environment and climate change. Ecological Indicators, 2015, 51: 107- 116.

[26] Ye Z X, Chen Y N, Li W H. Ecological water demand of natural vegetation in the lower Tarim River. Journal of Geographical Sciences, 2010, 20(2): 261- 272.

[27] Ye Z X, Chen Y N, Li W H, Yan Y, Wan J H. Groundwater fluctuations induced by ecological water conveyance in the lower Tarim River, Xinjiang, China. Journal of Arid Environments, 2009, 73(2): 726- 732.

[28] Ye Z X, Chen Y N, Li W H, Yan Y. Effect of the ecological water conveyance project on environment in the Lower Tarim River, Xinjiang, China. Environmental Monitoring and Assessment, 2009, 149(1/4): 9- 17.

[29] Chen Y N, Wang Q, Li W H, Ruan X, Chen Y P, Zhang L H. Rational groundwater table indicated by the eco-physiological parameters of the vegetation: a case study of ecological restoration in the lower reaches of the Tarim River. Chinese Science Bulletin, 2006, 51(S1): 8- 15.

[30] Chen Y P, Chen Y N, Xu C C, Li W H. Groundwater depth affects the daily course of gas exchange parameters of Populus euphratica in arid areas. Environmental Earth Sciences, 2012, 66(2): 433- 440.

[31] 郝興明, 李衛(wèi)紅, 陳亞寧. 新疆塔里木河下游荒漠河岸(林)植被合理生態(tài)水位. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2008, 32(4): 838- 847.

[32] 葉茂, 徐海量, 王曉峰, 申瑞新. 塔里木河下游阿拉干斷面胡楊根系空間分布規(guī)律研究. 西北植物學(xué)報(bào), 2011, 31(4): 801- 807.

[33] Chen Y P, Chen Y N, Xu C C, Li W H. The effects of groundwater depth on water uptake ofPopuluseuphraticaandTamarixramosissimain the hyperarid region of Northwestern China. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(17): 17404- 17412.

EstimationofecologicalwaterdemandofadesertriparianforestusingtreeringsofPopuluseuphraticaintheLowerTarimRiver

ZHOU Honghua*, LI Weihong, LI Yupeng, WANG Yuyang, HUANG Xiang

StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China

Estimation of the ecological water demand of natural plants is a key issue for the restoration and reconstruction of a fragile ecological region in arid areas. Tree rings ofPopuluseuphraticain the Yingsu section of the lower reaches of the Tarim River and their responses to climate change and hydrological conditions were analyzed using the nonparametric Mann-Kendall trend test, Mann-Kendall-Sneyers test, moving t-test, one-way ANOVA, and Pearson correlation. The ecological water demand of a desert riparian forest in the Yingsu section was then estimated based on the tree ring characteristics using regression and stepwise regression models. The results showed that the abrupt temporal changes of temperature and precipitation were different from that of the standard chronology ofP.euphraticain the lower reaches of the Tarim River. Moreover, there was no significant relationship between temperature and standard chronology ofP.euphraticaor between precipitation and standard chronology ofP.euphraticain the lower reaches of the Tarim River. The Pearson correlation analysis also revealed no significant relationship between temperature and groundwater depth or between precipitation and groundwater depth in the lower reaches of the Tarim River. However, the width indexes of tree rings ofP.euphraticawere significantly and negatively related to the groundwater depth, and they were significantly and positively related to the amount of ecologically conveyed water from August to July in the Yingsu section of the lower reaches of the Tarim River. These results proved that historical information regarding water conditions could be accurately reproduced by the tree rings ofP.euphraticain the lower reaches of the Tarim River. Therefore, the tree rings ofP.euphraticacould be used for quantitatively assessing the restoration effects of ecological water conveyance to desert riparian forests and calculating the ecological water demand for natural vegetation in the lower reaches of the Tarim River. The average contribution of ecological water conveyance to the increased tree ring width index was 42.96% in the Yingsu section of the lower reaches of the Tarim River. Estimated from the equation of the tree rings ofP.euphraticaand the amount of ecologically conveyed water, an annual ecological water conveyance of 0.84 × 108m3was expected to maintain the average growth (i.e., average tree ring index of 0.997 during 1933—2015) ofP.euphraticain the Yingsu section within a distance of 300 m to the river channel in the lower reaches of the Tarim River. Furthermore, an annual water conveyance of 0.91 × 108m3was estimated to keepP.euphraticaat an average radial growth rate of 0.972 during the period of 1933—1974 (i.e., before the main channel of the Tarim river near Yingsu section dried up).

Populuseuphratica; chronology; ecological water conveyance; ecological water demand

新疆青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)工程( 201472035)；國家自然科學(xué)基金(41271006)；國家支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAC15B02)

2016- 09- 21; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 07- 12

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhouhh@ms.xjb.ac.cn

10.5846/stxb201609211901

周洪華,李衛(wèi)紅,李玉朋,王玉陽,黃湘.基于樹木年輪技術(shù)的塔里木河下游河岸胡楊林生態(tài)需水量研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(22):7576- 7584.

Zhou H H, Li W H, Li Y P, Wang Y Y, Huang X.Estimation of ecological water demand of a desert riparian forest using tree rings ofPopuluseuphraticain the Lower Tarim River.Acta Ecologica Sinica,2017,37(22):7576- 7584.