揭示地下水开发利用的长期演变规律，需有较长时间序列的水文变化信息，但实际上全球大多数地区径流或地下水器测记录始于20世纪中期，连续器测记录历史最长的欧洲和美国也不超过150年(刘普幸等，2004)。因此，地下水历史数值模拟成为研究地下水各种问题的重要手段(Dogrul et al., 2016；Tapoglou et al., 2014；Herrmann et al., 2016；Singh et al., 2016；孙从军等，2013)。

在西北干旱区塔里木河流域，河道断流后，地下水成为了河岸生态系统生态过程演替、退化和恢复的关键限制因子。地下水的变化制约着塔里木河下游断流河道河岸生态系统的构成、发展和稳定，是引发和解决其生态问题的核心。详细刻画地下水位历史变化过程，解析地下水在河道断流前和断流期间的变化规律，对于塔里木河下游的生态恢复与重建、水资源规划与管理以及未来地下水预测都有着重要的意义。

然而，塔里木河下游地表径流监测数据仅可追溯到1957年，连续几十年的地下水埋深器测数据资料几乎是一片空白。另外，现有的地下水数值模拟模型涉及参数众多，数据获取难度大，参数校准过程复杂，因区域环境、地质、地理或生态因素差异，模型的应用十分受限，拟合、重建或预测结果差异很大，精准度有待完善。树木年轮作为记录区域生态环境变化的绝佳“档案”(Farrer et al., 2014; 2015)，以其定年准确、连续性强、分辨率高和易于获取复本等特点(Hans et al., 2004)，为地下水历史变化研究提供了新的数值模拟方法。Bogino等(2011)指出树木木质部生长发育与其所处地下水水位和地形、地势有关。Perez-Valdivia等(2011)分析发现树木年轮宽度与年均地下水位极显著相关，并用树木年轮重建了过去300年的地下水位历史变化。Creutzfeldt等(2015)研究认为树木年轮宽度与区域水储量变化密切相关，可有效地重建地下水储量长期历史变化。

胡杨(Populus euphratica)作为塔里木河下游荒漠河岸林的唯一乔木，见证并记录了下游生态环境变迁的全过程。研究发现塔里木河下游胡杨木质部生长与地下水埋深有密切关系(安红燕等，2011a；叶茂等，2011；刘海兰，2015)，Schilling等(2014)也提出胡杨年轮宽度可以作为构建地下水-地表水-植物互作模型的有效参数。但塔里木河下游地下水模拟、重建及预测研究十分匮乏，Modflow模型再现的地下水位变化过程也仅局限于2000—2005年(杨鹏年等，2008)。基于此，本研究采用胡杨年轮重建塔里木河下游地下水位历史变化过程，分析其变化规律，以期弥补塔里木河下游地下水埋深历史数据的不足，为干旱区内陆河流域地下水埋深重建提供一个新方法。

塔里木河全长1 321 km，是典型的内陆河，自身不产流，主要由阿克苏河、和田河、叶尔羌河和开都河汇流而成。该区属大陆性暖温带荒漠干旱气候，降水稀少，蒸发强烈，年均太阳总辐射5 692~6 360 MJ·m^-2，年均日照时数2 780~2 980 h，≥10 ℃年积温4 040~4 300 ℃，日较差13~17 ℃；年均降水量17.4~42.0 mm，年均蒸发量(潜势) 2 500~3 000 mm，是降水量的40倍。土壤类型主要为沙土，含盐量较高；天然植被主要包括胡杨(唯一的建群乔木)、柽柳(Tamarix chinensis)、黑果枸杞(Lycium ruthenicum)、骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、花花柴(Karelinia caspia)、芦苇(Phragmites communis)、罗布麻(Poacynum hendersonii)和河西苣(Hexinia polydichotoma)等。乔木和灌木沿河流带状分布，草本植物在乔灌木群落中呈聚集分布，沿河两岸以胡杨为建群种的荒漠河岸林的发生、发育主要依赖河道径流和地下水。自1970年和1972年塔里木河尾闾湖泊-罗布泊和台特玛湖分别干涸后，下游(恰拉至台特玛湖)321 km(85°42′—89°17′E，39°8′—41°45′N)长期断流，地下水位不断下降，荒漠河岸林大面积衰退，驰名中外的“绿色走廊”濒临毁灭，成为中国生态环境最脆弱的区域。为挽救岌岌可危的“绿色走廊”，遏制生态恶化，中央政府及地方政府于2000年始实施了“生态应急输水”工程，从塔里木河干流和博斯腾湖调水至塔里木河下游，以抬升下游地下水埋深，维系天然植被的生长发育。

本研究取样区域位于塔里木河下游中段-英苏断面。2015年9月，分别以距河道垂直距离62.2、145和246 m的地下水监测井为圆心，以50 m为半径形成圆形取样区，在取样区内采用生长锥(Haglof increment borers，Haglof Inc.，Sweden)钻取所有胡杨(除幼苗外)年轮样芯。在每株树离树干基部1~1.5 m处取2个树芯，取样时避开树结、分叉及虫蛀点。由于胡杨木质部腐朽严重，对于胸径超过50 cm而木质部腐烂后仅余≤5 cm的过短树芯视为无效取样，共采集有效树木年轮样株29棵，合计58个样芯。取样时用皮尺测量样株胸径、用GPS记录其经纬度、用SOKKIA(B30/B40)测量其与河道高程差，并测量其与河道的垂直距离。

样芯经干燥、固定和打磨，采用骨架法进行交叉定年，经树木年轮测量仪(Lintab^TM 6，Germany)测量年轮宽度，精度为0.001 mm。用Cofecha交叉定年质量控制程序对交叉定年结果进行验证，确保交叉定年的准确性，剔除测量过程中发生的随机误差，并剔除10个相关性差、序列过短或奇异点过多的个别序列，最终选用48个树芯年轮序列建立年表。年表构建采用Arstan软件完成。为保留更多信号，采用传统的负指数函数进行去趋势分析，对于去趋势后与其他序列去趋势后的趋势差别很大的个别序列，采用步长大于总序列长度2/3的样条函数再次去趋势。利用SSS指数(subsample signal strength)大于0.85来确定年表的起始年代和年表序列的可靠性。

2000—2012年每隔2~3个月于各监测井人工测量1次地下水埋深，2012年后地下水监测井内布设有HOBO水位、温度自动记录仪，每隔2 h自动监测1次地下水埋深。采用三眼地下水监测井的年均值来表征塔里木河下游英苏断面距离河道300 m范围内的地下水埋深变化。

选取1958—2010年气温和降水日变化为气候变化指标，数据源于塔里木河下游中下段唯一且距取样区最近的铁干里克气象站(距英苏断面约30 km)。鉴于气候因素对树木年轮宽度指数有一定的滞后作用，本研究气温年均值、年降水量不是由自然年(1—12月)计算得来，而是将前一年8月至当年7月的气温平均值、累计降水量记为生长年的气温与降水量年值，将胡杨年内主要生长期4—7月的气温平均值与累计降水量记为生长季气温均值和生长季降水量。生态输水数据(2000—2015年)和塔里木河干流——阿拉尔水文站月径流量(1957—1972年)数据来自于塔里木河流域管理局，将前一年8月至当年7月的平均径流量视为生长年平均径流量，将当年4—7月平均径流量视为生长季径流量。采用滑动t-检验分析胡杨年轮宽度年表在时间序列上的突变；采用M-K趋势分析和累积曲线检验重建的地下水埋深历史序列变化特征；采用频率分布分析、单因素方差分析、相关性分析、线性回归方程来分析胡杨年轮宽度指数与区域气温、降水和地下水埋深的量化关系。采用Sigmaplot 12.5软件绘图。

塔里木河下游取样区内胡杨胸径(DBH)为35.83~124.20 cm，平均为64.79 cm，DBH超过80 cm的胡杨仅占20%左右，DBH为50~80 cm的胡杨约占52.70%，DBH小于50 cm的约占27.30%。塔里木河下游英苏断面胡杨年轮集中在40~80年，占87.50%，低于40年的所占比例为8.33%，高于80年的所占比例为4.17%，表明塔里木河下游现存成年胡杨都是在河道断流前萌发的。英苏断面现存胡杨木质部存在严重的心腐现象，树龄超过60年的胡杨基本都存在心腐，29棵样株中木质部未见明显心腐的只有11棵；木质部保留完整的年轮均在90年以内，未发现超过百年的木质部完好样本。塔里木河下游英苏胡杨年轮序列在定年过程中未见缺轮，但伪轮较多。去趋势后的标准年表统计分析显示，共有样芯48个，序列平均长度为53.0年，年表时间序列为1933—2015年，平均敏感度为0.364，相关系数为0.643，标准误为0.241，公共区间为1955—2015年，一阶自相关为0.520，样本总体代表性0.945，SSS>85%起始年和样芯数分别为1933年和1935个，信噪比为1.19，表明胡杨年表保存有较多的环境信息，胡杨年表具有可靠性。胡杨年轮宽度指数显示，1940s胡杨轮宽指数较高，生长较快；1950s年轮宽度指数呈下降趋势；1960s轮宽呈上升趋势；1970s-1990s年轮宽度指数呈下降趋势；2000年后胡杨年轮宽度指数增加(图 1)。子序列长度为10年的滑动t检验显示，胡杨年表有4个突变点，分别为1957、1967、1975和2000年。

图 1 塔里木河下游英苏胡杨轮宽标准年表 Figure 1 Standard chronology of P.euphratica in Yingsu section of the Lower Tarim River

自然植被生长发育受气候、水文因素的共同影响(Farrer et al., 2015；2014; Zhang, 2015)。1958—2010年区域温度和降水与胡杨年表相关性未达到显著水平，表明温度和降水对塔里木河下游胡杨木质部生长的影响较小。地下水埋深与气温和降水的相关性也不显著，表明地下水埋深受气候变化的影响也较小。但胡杨年表与1957—1972年年径流量和生长季径流量均显著正相关(P < 0.05)，表明塔里木河径流量的增加使得进入下游的水量增加，促进了胡杨木质部的生长。胡杨标准年表与塔里木河下游的年均地下水埋深显著负相关(P < 0.05)。

将2000—2015年间英苏断面距河道垂直距离300 m内的平均地下水埋深与相应范围内相应年胡杨年轮宽度进行线性回归方程拟合，建立方程y=6.889－0.511x (R²=0.365，F=8.041，P < 0.05)，对塔里木河下游英苏自1930年以来的地下水埋深进行了重建(图 2)。由图 3可知，模型模拟值与实测值基本一致。对重建结果进行M-K趋势检验发现，Z值为4.778(P < 0.01)，时间序列上的变化趋势显著。累积曲线进一步表明，地下水埋深发生突变的时间点分别为1952、1975和2000年。

图 2 塔里木河下游英苏地下水埋深变化重建 Figure 2 Reconstruction of groundwater depth in Yingsu section of the Lower Tarim River

图 3 塔里木河下游英苏地下水埋深模拟值与实测值 Figure 3 Simulated and measured values of groundwater depth in Yingsu section of the Lower Tarim River

塔里木河下游英苏胡杨轮宽标准年表相关系数和敏感系数均高于王振锡等(2010)已构建的塔里木河下游胡杨年表，这可能是因为本研究取样区域更为集中，胡杨生长的环境因素变化相对一致，因此对外界环境变化的敏感度较高；但胡杨标准年表的信噪比为1.19，明显低于黑河(彭小梅等，2016)、秦岭(王婷等，2016)、小兴安岭和长白山(刘敏等，2016)等地的树木年轮年表，这可能是因为在塔里木河下游气候变化对胡杨径向生长的影响不大。相关分析也表明，气温和降水对胡杨年轮和地下水埋深均没有显著影响。胡杨轮宽年表滑动t检验显示其突变时间分别为1957、1967、1975和2000年，表明1957—1966年年间，区域生态环境不利于胡杨生长，1967—1974年间区域生态环境有好转趋势，而1975—1999年间区域生态环境再度恶化，2000年后区域生态环境有所改善。这与王振锡等(2010)通过分析塔里木河下游胡杨1953—2009年的年轮表特征提出塔里木河下游54年来区域水环境状况最好的时期出现在20世纪60年代和21世纪初，水环境最差时期集中在20世纪90年代的研究结论基本吻合。

2000年开始，政府开始了拯救塔里木河下游荒漠河岸林的应急生态输水工程，以抬升地下水位。2000—2015年，累计向塔里木河下游下泄生态输水51.09亿m³。安红燕等(2011a; 2011b)和叶茂等(2011)提出生态输水显著抬升了塔里木河下游地下水位，改善了塔里木河下游的水环境，有效促进了胡杨木质部生长发育。

地下水埋深变化是个长期而缓慢的过程，短时期的数据分析结果并不能揭示其长期的变化规律。如何寻找一个有效地、可以表征长时间系列的生理生态指标来反演长期的地下水埋深变化，成了水文学研究的重要环节(Dogrul, et al., 2016; Tapoglou et al., 2014)。本研究表明，塔里木河下游胡杨年表对气候因素的响应不显著，其主要包含的是区域水环境变化信息。鉴于此，本研究尝试采用胡杨年轮宽度重建了塔里木河下游英苏断面近83年来的地下水埋深历史变化。重建的地下水历史变化显示(图 2)，1933—1961年间地下水埋深逐渐增加，1961—1974年间地下水埋深有降低趋势，1975—1999年间地下水埋深又开始显著增加，2000年后地下水埋深开始逐渐抬升。王振锡等(2010)通过分析胡杨树木年轮表指出塔里木河英苏断面1953—2007年以来水环境在20世纪90年代最差，表征了塔里木河下游地区长达30年断流区域水环境变干的累计效应；水环境在21世纪初最好，是对21世纪初间歇性生态输水的显著响应，这与本研究的重建结果基本一致。有学者(樊自立等，2009；樊自立，1979)通过历史文献资料发现，1921—1952年塔里木河与孔雀河汇流，部分河道径流从北面进入罗布泊，1952年后兵团建立，在拉伊河上筑了大坝，河水又重归塔里木河下游，重新灌入台特玛湖，1958年原农二师在铁干里克修了大西海子水库，拦蓄了塔里木河中游下泄水量，此后铁干里克以下的塔里木河逐渐干涸。1972年塔里木河下游开始断流，地下水逐渐下降，2000年始，间断性的生态输水工程开始启动。本研究的重建结果基本证实了这些历史水文变化过程，表明将胡杨年轮作为重建区域地下水埋深历史变化的一个新生态指标是可行的。但回归方程的R²相对较低，这可能是因为本研究的取样围绕3眼地下水监测井进行，由于距河道的距离不同，各监测井地下水埋深有差异，而回归拟合时采用的是平均值，这可能在一定程度上影响了重建精度。另外，值得指出的是，河道断流对地下水埋深变化及胡杨生长是有滞后效应的，如1972年后塔里木河下游全面持续断流，但英苏断面的胡杨年轮和地下水埋深在1975年才开始明显下降。而河道径流的补给对当年两岸地下水埋深有显著正向抬升作用，如1952年拉伊河上筑的大坝使河水又重归塔里木河下游，当年地下水埋深即发生了显著抬升，又如2000年生态输水工程的实施，使得当年地下水埋深也得到了显著改善(杨鹏年等，2008)。

塔里木河下游英苏断面的胡杨胸径集中在50~80 cm，树龄集中在40~80年，超过60年的树木均有不同程度的心腐现象。木质部保留完整的极限年限在90年以内，未发现超过百年的长时间序列木质部保留完好的样本。

采用胡杨年轮宽度重建了塔里木河下游英苏断面近83年来的地下水埋深历史变化趋势，重建结果与区域历史水文事件记载一致。因此，胡杨年轮可以作为研究区域地下水历史变化的一个新指标。

本研究仅采用胡杨轮宽构建了塔里木河下游英苏断面年均地下水埋深历史变化，旨在为干旱区内陆河流域地下水埋深重建提供一个新方法和指标。未来还需利用胡杨年轮深入研究距河道不同距离的地下水埋深变化及年内地下水埋深的季节变化，以期不断提高重建结果的精度并构建地下水埋深历史变化的时空分布图。