塔里木河干流胡杨径向生长对地表径流变化的响应

以塔里木河干流荒漠河岸胡杨(Populuseuphratica)为研究对象,在塔里木河干流河道上游和中游选择帕满水库和坎白尔吾斯坦2个断面,分析胡杨径向生长的特点。根据不同断面的河道径流数据,采用小波分析和相关性分析方法研究塔里木河胡杨径向生长随径流动态变化的响应。结果表明,帕满水库-新其满断面,胡杨基部断面生长增量(BAI)与径流在15–24年时间尺度上都发生震荡,且径流震荡年份要早于基部断面生长增量震荡年份。坎白尔吾斯坦-英巴扎断面,胡杨BAI与径流在10–20年时间尺度上都发生震荡,BAI震荡周期出现时间较晚。在塔里木河干流沿岸,径流是胡杨径向生长的主要限制因素之一。上游帕满水库断面,胡杨BAI与前一年11月至当年3月的径流量呈显著相关;中游坎白尔吾斯坦断面,胡杨BAI与前一年12月至当年3月的径流量呈显著相关。塔里木河不同河段胡杨BAI对径流变化响应的敏感度存在差异。研究表明,塔里木河上游采样区胡杨生长良好,所对应的最佳径流达1.3340×10~8 m~3;塔里木河中游采样区胡杨径向生长的最合理径流量的范围为0.380 3×10~8–1.205 6×10~8 m~3。     

塔里木河中游胡杨径向生长对气温和径流量的响应

基于树木年轮学的理论与方法,运用年代际均值、相关性分析和多元线性回归方法对塔里木河中游胡杨径向生长与气温和径流量的响应关系进行探究,以明确胡杨的径向生长规律和对环境变化的响应特征,并为胡杨林的保护和管理提供理论依据。结果表明:(1)在1983～2014年期间,塔里木河中游气温最高和径流量接近最小值的时期均出现在2005～2009年,而这一时期胡杨年轮宽度也达到了最小值;出现径流量最大的2010～2014年,胡杨年轮宽度既出现了最大值,也出现了较窄的年轮。(2)沙子河口断面胡杨径向生长主要受到4～9月生长季径流量的影响,上一年秋季的径流量也有一定滞后影响,而气温影响不明显;阿其克断面胡杨径向生长受到1～3月径流量的影响比较大,当年6月和上一年11月的高温成为其径向生长的限制性因子。(3)春季和夏季,以及上一年秋季充足的径流量,是沙子河口断面胡杨径向生长的最理想条件,但在这3个季节有些月份径流量较小,其余月份径流量充足的情况下,依然有可能会形成宽轮,但在这3个季节径流量均不充足的情况下,就必然会形成窄轮;阿其克断面胡杨径向生长的理想条件是在上一年秋末径流量小的情况下,较低的气温更有利于来年胡杨径向生长。研究认为,塔里木河中游胡杨径向生长对径流量呈正相关性响应,在径流量偏小的情况下,对气温呈负相关性响应,并且二者都存在滞后响应。     

塔里木河下游不同断面胡杨径向生长对地下水变化的敏感性研究

以塔里木河下游干旱荒漠区胡杨为研究对象,选择英苏、依干不及麻、阿拉干、喀尔达依4个不同断面,通过定点监测4个典型断面的地下水位,并测定计算胡杨的径向生长量,对比分析4个不同断面的胡杨径向生长与地下水埋深之间的关系,定量研究胡杨生长的合理水位,为塔里木河下游胡杨健康生长和恢复提供理论依据。结果表明:(1)4个断面的胡杨年轮宽度在2000年以后有明显上升,英苏断面年轮宽度变化起伏最为明显,依干不及麻断面年轮宽度变化起伏最平缓。在2000年以前(为排除人工输水的干扰),胡杨年轮指数的变化有显著差异性,起伏最明显为依干不及麻断面,最平缓为阿拉干断面,喀尔达依断面有明显下降趋势。(2)4个断面的胡杨径向生长量与地下水埋深之间呈负相关关系,建立回归模型,拟合方程均通过0.05水平检验,拟合关系较好。(3)4个断面的胡杨径向生长量随着地下水位的下降,其灵敏度呈先增大后减小的趋势。灵敏度最大值对应的地下水位分别是:英苏断面5.38m、喀尔达依断面6.66m、阿拉干断面7.81m、依干不及麻断面7.84m。说明4个断面的胡杨径向生长对地下水位变化响应的敏感度存在差异,胡杨生长敏感的地下水位范围在5.4~7.8m之间。     

基于树木年轮技术的塔里木河下游河岸胡杨林生态需水量研究

生态需水量计算是干旱脆弱生态区恢复重建的一个关键问题。分析了塔里木河下游荒漠河岸林关键种-胡杨树木年轮近90年来的变化特征及对气候水文过程的响应,并基于树木年轮技术提出了维系荒漠河岸林不同恢复状态的生态需水量。研究结果表明,塔里木河下游胡杨树木年轮主要承载的是区域水文历史变化信息,可以作为定量评估生态输水工程的生态恢复效应和定量计算植被生态需水量的新指标;胡杨标准年轮宽度指数与生长年生态输水量呈显著正相关(P0.05),近15年生态输水对胡杨年轮宽度指数增加的平均贡献率为42.96%;若要维持塔里木河下游英苏段垂直河道300 m范围内的胡杨达到近90年来的平均生长水平,则需在生长年下泄生态需水量0.84×10~8m~3,若要达到断流前(1933—1974年)的平均径向生长,则每个生长年内生态需水量应达到0.91×10~8m~3。     

输水堤坝对塔里木河中游胡杨群落及种群的影响

以分布于塔里木河中游输水护堤内侧和外侧各3个天然胡杨林样地为研究对象,其中卡哈、沙子河、恰拉样地位于护堤内侧,乌斯满、阿其河、铁依孜断面样地位于护堤外侧。采用样方调查法获取各断面胡杨群落特征、胡杨种群结构,并利用胡杨侧枝生长量获取胡杨生长信息,分析塔里木河中游输水护堤对胡杨群落及种群的影响,为客观评价塔里木河中游输水护堤对胡杨的影响及加强胡杨林保护提供科学依据。结果表明:(1)塔里木河中游各断面胡杨群落结构差异较大,防护堤内侧胡杨群落物种数、多样性指数高于护堤外侧群落,各断面共有种为胡杨、多枝柽柳、芦苇和甘草。(2)护堤内侧胡杨种群DBH≤2.5cm的幼树较多,中老龄个体较少,为增长型种群;外侧胡杨种群更新能力弱,缺乏幼龄个体,但中老龄个体较多,为衰退型种群。(3)除恰拉断面外,中游各断面胡杨侧枝生长量自1998-2003年呈上升趋势,2004-2007年呈下降趋势,护堤内外侧胡杨生长量表现出明显差异。     

塔里木河中游胡杨径向生长对气候变化的响应研究

以塔里木河中游荒漠河岸林胡杨为研究对象,选择中游河道新沙吉利克、坎白吾斯坦两个断面,分析塔里木河中游胡杨径向生长量的特点,基于离断面较近的气象站长时间序列的气温数据,采用相关性分析和MannKendall突变检验方法研究塔里木河中游胡杨径向生长量对温度动态变化的响应。结果显示:(1)塔里木河中游的河流沿岸,胡杨径向生长变化与温度变化均呈增加趋势;新沙吉利克、坎白吾斯坦断面胡杨径向生长量突变分别发生在1993年和1998年以后,且该地区的胡杨径向生长量对温度具有滞后性。(2)从时段分析发现,当年6~9月的温度对胡杨径向生长量的促进作用最大,6~9月的温度可能是该地区胡杨径向生长的限制性因子。(3)当年平均温度在13~33℃时,胡杨径向生长量达到最大值;当温度超过33℃,胡杨径向生长量呈现减弱趋势。研究表明,当年平均温度过高或过低都会抑制胡杨的径向生长。     

塔里木河干流胡杨种群结构与分布格局研究

采用样方法对塔里木河干流上、中、下游胡杨(Populus euphratica)种群按径级、高度级、长势级进行实地调查与统计,绘制径级结构图、高度结构图和长势结构图,并应用理论分布模型和聚集强度指数进行种群分布格局分析。结果表明:(1)塔里木河干流胡杨径级结构呈"纺锤型",幼苗和幼树缺乏(Ⅰ～Ⅱ级占28.83%),以Ⅲ～Ⅴ级占绝对优势(占66.62%),老龄植株所占比例最低(Ⅵ级占4.55%),从龄级结构看种群处于衰退的早期阶段,存活曲线符合DeeveyⅠ(凸)型,为稳定种群。(2)塔里木河上游胡杨种群高度级比例差异小(变幅为21.60%～31.07%),处于发展阶段;中游种群结构呈正态分布,为稳定增长型;下游种群高度级比例差异大(变幅为12.50%～51.14%),处于衰退阶段。(3)塔里木河干流胡杨种群分布格局呈聚集分布,不同离河距离的胡杨种群聚集强度有差异,不同龄级的胡杨种群聚集强度也不同,幼树的聚集程度高,Ⅵ级聚集强度较其他龄级差。     

胡杨液流对地下水埋深变化的响应

以塔里木河流域荒漠河岸林主要建群种胡杨(Populus euphratica)为研究对象, 结合中下游不同断面地下水埋深和胡杨液流变化的监测数据, 分析了胡杨茎干液流与地下水埋深变化的关系, 探讨荒漠环境下天然胡杨生长的合理生态水位。研究表明, 胡杨液流通量密度随地下水埋深即干旱胁迫程度的加大而减小, 两者呈极显著负相关, 相关系数达-0.887; 胡杨液流通量在地下水埋深位于4.5-5 m时出现异常变化, 表明此时胡杨的正常生长受到胁迫, 胡杨通过自身调节降低蒸腾耗水以适应环境; 土壤盐分不是影响塔里木河中下游各断面胡杨液流变化的主要因子; 对植物样地调查结果分析显示, 胡杨盖度、密度和频度均在地下水埋深在4-6 m梯度下开始表现为降低趋势。综合分析认为维系塔里木河中下游天然胡杨正常生长的生态水位为地下水埋深4.5 m以内。     

新疆玉龙喀什河与策勒河流域胡杨年轮对气象因子的响应研究

在树木年轮学与气候学理论基础上,以新疆和田地区玉龙喀什河与策勒河下游河岸胡杨为研究对象,基于流域对应的气象、沙尘天气日数、策勒河径流量等因子,分析了玉龙喀什河与策勒河流域胡杨年轮对气象因子的响应特征,以明确干旱荒漠区胡杨生长过程中的气候限制因子,为促进胡杨生态修复及沙尘防治提供理论依据。结果显示:(1)1976-2018年期间,两流域的气象条件基本一致,其中年均气温呈明显上升趋势,年均降水量呈波动上升趋势,大气相对湿度呈下降趋势,年均沙尘暴、扬沙、浮尘日数均呈显著下降趋势;玉龙喀什河流域的胡杨年轮指数呈先显著上升后整体平缓变化的趋势,而策勒河流域的胡杨年轮指数从1985年开始呈较显著的上升趋势。(2)策勒河流域胡杨年轮指数对年均气象要素的响应显著高于玉龙喀什河流域,且策勒河流域树木年轮指数与年均气温呈显著正相关关系(P0.01),但两流域胡杨年轮指数对年均降水量和大气相对湿度的响应均不显著。(3)玉龙喀什河流域胡杨年轮指数与2月份的大气相对湿度呈显著负相关关系(P0.05);策勒河流域胡杨年轮指数与3、4、9、10月份的气温呈显著正相关关系,与6月份的大气相对湿度呈显著负相关关系(P0.05),与2、4月份的径流量呈显著负相关关系。(4)玉龙喀什河流域胡杨年轮指数与秋冬季节的沙尘暴日数、扬沙日数均呈显著负相关关系;除1、2月份外,策勒河流域胡杨年轮指数与月沙尘(沙尘暴、扬沙、浮尘)天气日数基本均呈显著负相关关系。研究认为,玉龙喀什河与策勒河流域的降水稀少且蒸发量大,胡杨生长所需水源主要依赖于地下水和地表径流的补给,策勒河流域胡杨年轮指数受气温、径流量以及修建水库的影响比较明显。     

新疆塔里木河下游生态输水与胡杨叶片的生理及形态响应

选择塔里木河下游3个典型断面的15个研究样地,分析和测定了塔里木河下游2000～2002年生态输水前后不同研究样地的地下水位、地下水含盐量和胡杨(Populus euphratica Oliv.)叶片中脯氨酸、可溶性糖、植物内源激素脱落酸和细胞分裂素的含量以及胡杨叶片的形态结构变化,研究了塔里木河下游主要建群种胡杨对生态输水的生理与形态的响应和适应性.结果表明,塔里木河下游胡杨生长已受到不同程度的干旱胁迫;输水后各样地地下水位均有所上升,胡杨对浅层地下水位的变化表现出明显响应,胡杨受到的生理胁迫降低,胡杨叶片角质层厚度、维管束导管官腔直径及管壁厚度皆随地下水位的上升而减少;随着地下水位的上升,地下水含盐量分别提高1.76～2.47倍,输水效果由于盐对植物的生理胁迫作用的增加而有所减弱;在塔里木河下游极端干旱环境下,胡杨林保育恢复的合适地下水位埋深为3.15～4.12 m,地下水含盐量为67.15～72.65 mm.     

水分梯度下胡杨荒漠河岸林种内竞争及空间格局变化特征

为查明塔里木河下游不同水分梯度下胡杨种内竞争以及空间分布格局的变化规律,在塔里木河下游阿拉干断面选取3条样带,每条样带内依照水分梯度布设3个样方,采用Hegyi单木竞争模型与点格局等分析方法,探究了水分梯度下胡杨林种内竞争及空间格局变化特征。结果表明：1)塔里木河下游胡杨的最适竞争范围为10m; 2)胡杨竞争指数与胸径服从幂函数关系(P<0.001),胡杨竞争指数随对象木胸径的增加而逐渐减小,当对象木胸径达到20cm以上时,其竞争指数逐渐稳定,且维持在较低水平;3)随水分梯度的降低,胡杨林分竞争指数呈下降趋势;4)在塔里木河下游,胡杨空间格局主要为聚集分布,随空间尺度的增加,胡杨逐渐趋向于随机分布;5)随水分梯度的降低,胡杨空间格局由聚集分布逐渐转变为随机分布。水分是决定极端干旱区荒漠植被空间分布与结构的主要因子;在胡杨林分管理中,应充分考虑胡杨的种内竞争、空间格局及其与水分梯度之间关系,为塔里木河下游胡杨林的保护与更新提供科学依据。     

新疆叶尔羌河流域胡杨林时空格局特征

叶尔羌河流域胡杨林对保障我国新疆南疆地区生态安全有着重要的功能,到目前对该区胡杨林时空格局特征规律的研究极少。基于1995—2015年Landsat TM/OLI长时间序列遥感监测数据,通过土地利用程度变化指数、转移矩阵以及景观指数对叶尔羌河流域胡杨林时空格局变化进行动态监测与分析。结果表明:(1)胡杨林面积从1995年的1916.15 km~2减少到2015年的1652.25 km~2,面积减少了263.90 km~2。永安坝至夏河林场段,耕地向河道扩张,胡杨林转为耕地;而夏河林场至三河口段,水资源匮乏,胡杨林被迫向河道收缩,转为未利用地。(2)胡杨林动态度和空间动态度降低,而胡杨林变化状态指数、斑块密度、最大斑块指数和散布与并列指数增加,斑块结合度指数高,胡杨林空间分布逐渐集中、破碎度降低、连通性增加。流域景观要素连接性逐渐减弱,破碎化程度较高,优势度斑块类型比例逐渐下降,景观类型向复杂化方向发展。(3)1995—2005年胡杨林受气候变化和人类活动的干扰,胡杨林面积减少较快,景观格局变化剧烈,而2005—2015年胡杨林保护措施的实施、区域产业结构的调整以及生态安全输水区域的扩大等,胡杨林面积减少速度减缓,但形势仍较为严峻。在叶尔羌河流域合理利用水资源,统筹协调生活、生产和生态用水、强化水资源管理力度,以及调整产业结构、控制人口增长速度等是该区胡杨林生态系统恢复的有效手段和途径。研究可以为叶尔羌河流域生态系统恢复以及胡杨林保护提供参考。     

流域水文变化对胡杨荒漠河岸林林窗及形成木特征的影响

林窗作为森林生态系统得以长期维持的主要驱动力之一,能够促进森林的自然更新与演替、优化森林结构和养分循环,从而提高生物多样性及生态系统服务功能。基于塔里木河中游历年径流量、耗水量与地下水埋深等水文数据,利用回归模型、拟合优度t检验与种群结构动态定量相结合的方法,分析了研究区水文条件对胡杨荒漠河岸林林窗数量及其形成木种群结构与动态的影响。结果表明：1）1970年前塔里木河中游水量较为充足,在一定程度上可满足胡杨生存发育的需水量。自1980年来,塔里木河中游年径流量（R²=0.785,P < 0.01）与耗水量（R²=0.524,P < 0.01）呈明显减少趋势、地下水日益匮乏,其埋深呈直线下滑趋势（R²=0.8618,P < 0.01）。这导致河道两岸的胡杨林生态用水日益紧缺,从而引起胡杨林林窗现象频繁出现,尤其是在1997-2006年期间。2）随着中游年径流量与耗水量逐渐减少、地下水埋深逐渐增加,林窗内胡杨形成木数量则变为增长趋势。3）林窗形成木除1957-1966、1967-1976年属衰退型外,1977-1986、1987-1996、1997-2006和2007-2016年均呈现增长型特征。特别是林窗内胡杨形成木Ⅱ级幼龄树大幅度增加,其表现出胡杨林年龄结构的老龄化特征。4）由模型显示,林窗及其形成木数量与径流量之间存在显著性负相关,径流量降至17.81×10⁸ m³时,林窗内的胡杨将面临高峰死亡。由此可知,在干旱区水文条件是决定胡杨生死的主导因子,也是塔里木河中游荒漠河岸林林窗形成的主要原因。     

塔里木河中游水文影响下的胡杨种群格局动态

在利用环境同位素技术与多年径流量数据分析塔里木河中游的水文过程基础上,采用聚集度指标与种群结构动态量化法,研究了水文条件变化下胡杨种群结构特征与时空格局动态,预测了胡杨种群未来发展趋势。结果表明:(1)自1998年以来,中游年径流耗损量逐年减少,依靠地表水补给的地下水日益匮乏,具体表现为地下水埋深呈直线下滑趋势,这导致堤防外植被生长所需的生态用水日益紧缺。(2)在分布格局上,胡杨种群借助集群分布的格局抵抗恶劣的生态环境,其聚集强度随个体发育不断减弱,并有向随机分布发展的趋势;在种群结构上,胡杨种群除2003年为稳定型,其他年份下均属衰退型,表现出结构老龄化且长期衰退的特征。(3)2002年中游水量最为充沛,由于生态对环境变化的迟滞性特征使2003年地下水位抬升,导致胡杨种群变为稳定型,且聚集强度最大,种群增长趋势最强。种群动态指数与地下水埋深的回归模型显示,随地下水埋深的下降,种群增长趋势降低,验证了胡杨种群对水文变化的响应。(4)种群动态预测表明,未来2a,仅幼树数量呈增加趋势,其余径级均为减少趋势;未来5年a大树(或老树)数量将大幅减少。可见,地表水与地下水的逐年减少影响了胡杨种群的分布格局,阻碍了种群的更新发育,水文条件是影响中游胡杨生态特征的直接因素。     

Analysis of dominant factors influencing moisture change of broad-ovate leaves of <Emphasis Type="Italic">Populus euphratica</Emphasis> Oliv. in extremely arid region

We studied the dominant environmental factors that affect the gas-exchange characteristics and water potential (ψ) of broad-ovate leaves of Populus euphratica Oliv. in extreme arid area of Tarim River, China, and their correlation to water status of P. euphratica by analyzing on-field monitored meteorological data, soil moisture and salinity, P. euphratica leaf gas exchange and ψ, and revealed the indicative threshold of environmental factors for P. euphratica leaf water changes and growth. The results indicated that meteorological factors such as air relative humidity (RH), air temperature (T _air), etc. are the dominant factors. The threshold value of RH is (48.19 ± 1.06)% for P. euphratica growth, i.e. RH from 10.69% to 48.19% is suitable for P. euphratica growth in extremely arid region of Tarim River. This study provides a theoretical basis for reducing drought damage to P. euphratica and maintaining normal growth of P. euphratica by in-time watering.     

基于生物量的塔里木河下游胡杨(Populus euphratica)生态服务价值评估

胡杨是塔里木河下游荒漠河岸林的重要组成部分,研究塔里木河下游胡杨生物量及生态服务价值变化特征,可以为塔里木河下游生态输水的效益评估提供科学依据。以塔里木河下游胡杨为研究对象,采用实地调查采样与遥感解译分析相结合的方法,评估了不同年份胡杨地上生物量特征,并结合遥感方法提取不同年份胡杨面积,估算了不同年份胡杨的生态服务价值。结果表明:(1)胡杨主要分布在离河道0—700 m的范围内,此范围内的生物量占总生物量的90%以上;在离河道700 m以外,胡杨的生物量不足10%。英苏断面胡杨平均生物量最高,阿拉干断面次之,依干不及麻与喀尔达依断面胡杨生物量较低。(2)2000年,胡杨单位面积平均生态服务价值为78.96元/hm~2,2010年为177.14元/hm~2,2016年为313.55元/hm~2;胡杨总服务价值在2000年为43.24×10~4元,2010年为93.00×10~4元,2016年为184.27×10~4元。(3)2016年胡杨的有形服务价值为22.74×10~4元,无形服务价值为161.53×10~4元,胡杨的无形生态服务价值为有形生态服务价值的7.1倍。生态输水对胡杨生物量与服务价值具有显著的影响,输水效益十分显著。     

塔里木河流域生态系统健康评价

通过收集2000 年以来塔里木河流域的生态、经济和社会状况资料,分析影响该流域生态系统健康的因素,采用指标体系分析法和专家咨询法,确立塔里木河流域生态系统健康评价指标体系和评价标准,计算得出流域生态健康评价指标权重,并对流域生态健康状况进行了评价.结果表明:塔里木河源流的阿克苏河、叶尔羌河和开都河-孔雀河流域的山区生态系统的健康状态处于"中等"级别,和田河流域的山区生态处于"优"级别;阿克苏河、叶尔羌河和和田河流域的平原绿洲区生态处于"优"级别,开都河-孔雀河流域的平原绿洲区生态处于"中等"级别;四源流的荒漠区生态处于"差"级别;塔里木河干流上游生态处于"优"级别,中游生态处于"中等"级别,下游生态处于"差"级别.评价结果基本与实际相符,说明使用的评价方法是切实可行的.该研究结论将为流域生态环境的综合治理提供科学依据.