克里雅河尾闾绿洲胡杨种群年龄结构对地下水埋深的响应

为阐明沙漠腹地绿洲胡杨种群的生存状况与发展动态,探讨地下水埋深差异对胡杨年龄结构组成与种群更新演替的影响。该研究以塔克拉玛干沙漠腹地克里雅河尾闾达里雅布依绿洲胡杨林为研究对象,通过划分胡杨龄级与地下水埋深梯度等级,量化个体竞争能力等主要手段,对胡杨种群年龄结构特征进行了分析,并对时间序列上的更新动态进行了预测。结果表明:(1)达里雅布依绿洲胡杨林的年龄结构在整体上存在微弱的增长趋势,但不同生境之间的差异较大,多数区域的胡杨种群更新乏力。(2)胡杨个体的竞争能力与龄级之间存在幂函数关系,同时随着地下水埋深的增加,所能维持的竞争关系愈发简单,而竞争能力较低的幼龄林比例也随之降低。(3)当地下水埋深小于6 m的情况下能够保障胡杨种群正常的更新演替,而大于6 m后的地下水埋深则会使胡杨种群丧失幼龄林这一组分,呈现出明显的衰退趋势。     

黑河下游胡杨种群的点格局分析

采用空间点格局分析方法中的Ripley K函数,将宏观的地理环境与微观的点格局相结合,分析了不同尺度下黑河下游胡杨种群的空间分布格局.结果表明: 胡杨种群密度随离河距离增大而减小,且东河胡杨种群密度整体上高于西河;胡杨种群分布格局随空间尺度的变化而变化,主要在中尺度5～12 m呈聚集分布,在小尺度0～2 m和大尺度38～40 m呈随机分布,极少呈均匀分布;胡杨种群在不同离河距离主要呈聚集分布,且聚集强度随离河距离的增大呈增大趋势,而胡杨种群在离河距离较远的地段有扩散趋势,转为随机分布.表明胡杨种群内部的生态联系对空间尺度具有很强的依赖性,胡杨种群空间分布主要受表层土壤含水量和地下水埋深的影响.     

塔里木河上游灰胡杨种群生活史特征与空间分布格局

灰胡杨是荒漠地区特有的珍稀渐危植物,主要分布在塔里木河流域,是塔里木荒漠生态系统的关键种之一。在塔里木河上游选择具有代表性群落设立5 hm²研究样地,应用相邻格子法进行每木调查,从年龄结构、生命表特征、存活曲线、生存分析以及种群不同发育阶段个体空间分布格局等方面研究了灰胡杨种群生活史动态特征与空间分布规律。结果表明:塔里木河上游灰胡杨种群结构整体上呈钟型,幼树个体较少,成年个体较多,属暂时稳定型种群;不同生境种群结构不同,随河流走向种群结构由稳定型转为衰退型。种群存活曲线趋于DeeveyⅡ,生存率呈单调下降趋势,中期(Ⅵ-Ⅸ)降幅较高;危险率呈上升趋势,于Ⅸ龄级出现危险率与死亡率、消失率高峰,生命期望单调下降,反映种群生存力下降的趋势。灰胡杨种群空间分布格局总体上为聚集分布,因生境不同空间格局发生变化,这是种群适应环境压力及与环境协同进化的结果;种群空间格局随发育进程而变化,从幼龄到中、大龄,种群分布格局的聚集强度减弱并逐渐转变为随机分布,这是种内竞争强度变化的结果。环境因子与种群分布多度的相关与逐步回归分析表明地下水位是影响种群分布的主要因素。可见,塔里木河上游灰胡杨种群结构与空间分布格局随生境和时间发生变化,环境因素和生物因素是影响灰胡杨种群生态特征的两个主要原因。     

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。     

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。     

塔里木河上游天然胡杨林种群空间分布格局与动态研究

以新疆塔里木河上游阿瓦提县天然胡杨林为研究对象,采用相邻格子法进行实地调查,应用方差/均值比率法和5种聚集度指标研究了塔里木河上游天然胡杨林主要种群的空间分布格局与动态特征.结果显示:胡杨群落中除草本西北天冬种群空间分布格局呈随机分布外,其它主要种群均呈聚集分布;拟合检验表明,胡杨、灰叶胡杨种群为聚集分布.种群空间分布动态分析表明,灰叶胡杨在小树、中树与大树阶段均为聚集分布;胡杨种群在小树与中树阶段为聚集分布,但聚集强度减弱,到大树阶段为随机分布.研究表明,物种分布格局主要与物种本身的生物生态学特性和生境有关.     

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。     

塔里木河下游胡杨种群空间分布格局分析

在塔里木河下游胡杨分布集中的英苏、喀尔达依断面,设置了6条样带38块样地进行植被种类、高度、胸径、冠幅、株数等因子调查,研究了不同离河距离胡杨格局分布类型、聚集强度及其格局规模.结果表明:胡杨在不同离河距离大都表现为聚集分布,在离河最远的地方有扩散趋势,呈随机分布;不同离河距离的两断面均表现出随离河距离加大胡杨格局规模加大、聚集强度加强的趋势,同一离河距离喀尔达依断面比英苏断面胡杨格局规模小,这主要是地下水条件和当地地形不同所致.喀尔达依断面个别离河距离并未遵从随离河距离加大胡杨格局规模也随之加大的规律,则是胡杨种群对异质环境响应的表征.     

干旱区胡杨光合作用对高温和CO2浓度的响应

采用LI-6400便携式光合作用测定仪实测的塔里木河下游胡杨(Populus euphratica oliv)光合作用参数,探讨了不同地下水埋深下的胡杨光合作用对CO2浓度增加和温度升高的响应.结果表明:(1)CO2浓度升高减小了胡杨气孔导度,促进了光合速率、胞间CO2浓度和水分利用效率的增加,但不同地下水埋深下,胡杨光合作用参数对CO2浓度升高的响应不同,干旱环境(地下水埋深较深)下的响应程度大于水分适宜(地下水埋深浅)环境下的响应;(2) 高温引起胡杨气孔发生不完全关闭,导致了光合作用的光抑制发生,从而降低了胡杨光合速率,但降低程度受水分条件的影响,地下水埋深较深环境下的影响程度大于地下水埋深浅的;(3)地下水埋深是控制干旱区胡杨光合作用对CO2浓度和温度升高的根本因素,6m是胡杨生长正常的临界地下水埋深,地下水埋深>6m,胡杨即遭到水分胁迫,地下水埋深>7m,胡杨即受到了较严重的水分胁迫.     

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。     

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。     

塔里木河中游荒漠河岸林物种多样性对地下水埋深变化的响应

于塔里木河中游地区选取30个样地,并采集相应地区30眼地下水位监测井的数据。根据监测井的地下水位检测数据,将地下水位按不同埋藏深度划分为0~2 m、2~4 m、4~6 m、6~8 m、8~10 m、>10 m共6个梯度,对不同地下水埋深下的样地群落盖度、物种多样性进行分析,以探讨主要植物分布频率与地下水埋深的关系,明确塔里木河中游地区荒漠河岸林植被的合理生态水位,为塔里木河中游地区乃至全流域的生态系统恢复提供依据。结果显示:（1）塔里木河中游地区共出现植物15种,其优势种植物为胡杨。（2）随着地下水位的降低,植被的盖度逐渐减小;当地下水位介于2~4 m时,植被的盖度平均为39.14%,当地下水埋深介于6~8 m时,植被的覆盖度小于20%;当地下水位低于10 m时,植被的平均覆盖度仅为7.65%。（3）随着地下水位的降低,研究区内的各类物种多样性指数均呈先增加后降低的趋势,一般在地下水埋深2~4 m时物种的多样性最高,其次为4~6 m和0~2 m;当地下水位在6 m以下时,物种的多样性锐减,地下水位低于10 m时,物种仅存柽柳和胡杨,多样性降至很小。（4） 塔里木河中游地区植物所要求的地下水平均深度为:胡杨4.58 m、柽柳3.53 m、芦苇2.34 m、骆驼刺4.10 m、花花柴3.18 m、黑刺2.98 m,只有芦苇适宜较浅的地下水埋深（≤2.5 m）,其余的均宜在3~4 m左右。研究表明,在塔里木河中游地区,最适宜植物生长的地下水位为2~4 m,能够保证植物正常生长的合理地下水埋深区间为2~6 m。因此,要使塔里木河中游地区的植被得到恢复并确保其正常生长,区域内的地下水位应确保在6 m以上。     

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。     

胡杨叶功能性状特征及其对地下水埋深的响应

叶片性状反映了植物对环境的适应能力及其自我调控能力。以塔里木干旱荒漠区建群种胡杨（Populus euphratica）为研究对象,通过分析自然生长状况下胡杨叶功能性状对地下水埋深（GWD）的响应及功能性状间的权衡关系,揭示胡杨对极端干旱荒漠环境的生态适应策略。结果表明：胡杨7个叶功能性状种内变异程度不同（9.20%-40.02%）,叶面积（LA）变异程度最大,叶干物质含量（LDMC）与叶片含水量（LWC）变异程度较低,GWD梯度上表现出较大的分化变异特征。叶性状在不同GWD之间差异显著（P<0.05）,与GWD呈极显著相关（P<0.01）。比叶面积（SLA）、LA、LWC与叶干重（LDM）呈极显著正相关（P<0.01）,与叶厚度（LT）、叶组织密度（LTD）、LDMC呈极显著的负相关（P<0.01）;LDMC与LT、LTD,LWC与LA、SLA呈极显著正相关（P<0.01）,反映胡杨通过叶性状间的相互调节与权衡来适应干旱荒漠环境。逐步回归分析表明LA、LT对GWD变化最敏感,可间接借助这2个性状来预测干旱荒漠区地下水埋深变化。随GWD降低,胡杨SLA、LA、LDM、LWC减小,而LT、LTD、LDMC增大,其由高生长速率、资源利用能力的开拓型策略转变为以增强自身养分储存、防御能力的保守型策略,拓宽了生态幅和增强其在干旱逆境的适合度。可见,极端干旱荒漠区胡杨形成了小的LA、SLA、LDM,大的LT、LDMC、LTD等一系列有利于减少水分散失、储存养分和增强耐旱能力的干旱性状组合,这可能是其适应干旱贫瘠环境的生态策略。     

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。     

塔里木河上游胡杨种群结构与动态

采用样带调查法对塔里木河上游3个断面8.5 hm2天然胡杨林进行野外调查,绘制了胡杨种群年龄结构图和存活曲线,结合种群动态量化方法与时间序列预测,分析种群结构与动态特征。结果表明:塔里木河上游胡杨种群密度随径级增大而减小,自疏指数接近-3/2,个体胸径达24 cm后种群密度保持相对稳定。中、下段胡杨种群年龄结构呈金字塔型,幼龄级所占比例较大、林分年轻;存活曲线为Deevey C型,且动态指数0,为增长种群。受所处生境条件影响,上段不同生境胡杨种群年龄结构差异明显。阿瓦提县胡杨种群结构呈金字塔型,幼龄级比例高达77.2%,存活曲线属Deevey C型,为增长种群;南口镇与托海乡胡杨种群结构呈壶型,幼龄级比例极低、中大龄级比例高达84.7%,存活曲线属Deevey A型,为衰退种群;沙黑里克镇胡杨种群结构呈钟型,存活曲线属Deevey A型,为暂时稳定种群。种群数量动态与时间序列分析表明,中、下段胡杨更新资源丰富,未来种群能够稳定增长;上段南口镇、托海乡与沙黑里克镇幼龄级数量随时间推移减少,种群向大老龄级发展,未来种群将走向衰退。总之,上段胡杨种群因更新资源不足而趋于衰退,未来保持适当的人工辅助恢复措施和加强保护现有植株及其生境是保持胡杨种群自然更新和进行种群恢复的关键。     

塔里木河下游胡杨径向生长与地下水的关系

本文通过分析塔里木河下游地区地下水位与胡杨径向生长量的相互关系,建立胡杨径向生长量随地下水位变化的函数模型,并从数理统计学的角度验证了胡杨生长的胁迫水位和临界水位。结果表明：1）随着地下水位的下降,胡杨径向生长量的均值逐渐减小。2）胡杨径向生长量与地下水位之间存在极显著的回归关系,其最佳回归模拟函数为四次多项式Y=0.003X4-0.080X3 0.731X2-3.060X 6.934,判定系数R2为0.857,P值为0.0001。3）通过分析可知：胡杨生长的胁迫水位是4.71 m,临界水位是8.62 m。胡杨正常生长的水位区间为0.5—4.71 m,受到胁迫的水位区间为4.71 m—8.62 m,当地下水位大于8.62 m时,胡杨将会呈现出衰败景象,此时,胡杨径向生长量的变化率逐渐向0接近,表明胡杨径向生长趋向停止。