塔里木河(以下简称塔河)是中国最长的内流河,也是世界第五大内流河。塔河流域各种自然资源丰富,具有国家战略意义,是支撑中国21世纪经济社会可持续发展的后备资源库,发展前景广阔^[1]。塔河流域是中国少数民族集中分布的地区,也是经济发展相对滞后的地区。从20世纪50年代开始,塔河流域在以水资源开发利用为核心的大强度人类经济、社会活动的作用下,流域自然生态过程发生了显著变化^{[2, 3]},特别是以胡杨(Populus euphratica Oliv.)为主体的荒漠河岸林生态系统严重受损,区域环境恶化,河道断流,地下水位大幅度下降,大部分草本植物枯死,胡杨林大面积衰败,生物多样性尖锐,沙漠化过程加剧,沿河道人民生活、生产受到严重威胁^{[4, 5]}。为拯救塔河下游具有战略意义的"绿色走廊^[6],修复流域生态环境,自2000年5月至2014年5月向塔河下游已实施了14次人工生态输水,累计输水量达4 164 Mm^3[7]。随着输水次数、输水量的增加和河道两岸地下水位的抬升,下游荒漠河岸植被得到了不同程度的恢复^[8]。为评价塔河下游胡杨对应急输水的响应及其恢复状况、生态输水的效益,不少学者从地下水水位和质量的变化^{[9, 10]},天然植被的长势、数量、物种^{[11, 12]}及生理生态^[13]等方面对生态输水的效益进行了研究^{[14, 15, 16, 17, 18]},但是,以上对于塔河"绿色走廊"生态修复——人工输水的生态效应研究报道主要对比分析输水前和输水后的胡杨生长状况,文中以输水后的胡杨胸径生长变化趋势为主,肯定生态输水工程对塔河下游胡杨林修复过程的必要性。

选择塔河下游末端阿拉干作为研究靶区,对2004、2007、2010、2013年的胡杨地面实测数据进行对比分析,查明胡杨胸径近10 a的变化程度,力求定量评估胡杨林在人为输水干扰下的恢复状况,为塔河下游生态修复方案的优化提供依据。

塔河下游地区属于极端干旱的暖温带大陆性气候,冬冷夏热,昼夜温差大,多晴少雨,风沙较多^[19]。年平均降水量20 mm,潜在蒸发量达2 500-3 000 mm,年平均日照时间2 780-2 980 h,10 ℃以上的年积温达4 000-4 300 ℃^[20]。在干旱荒漠气候下河道两岸生长着温带性荒漠植被,种类贫乏,结构单纯。乔木主要有胡杨(Populus euphratica Oliv.)、沙枣(Elaeagnus angustifolia L.);灌木主要有多枝柽柳(Tamarix ramosissima Ledeb)、刚毛柽柳(Tamarix hispida Willd)、长穗柽柳(Tamarix elongate Ledeb)、铃铛刺[Halimodendron halodendron (Pall.) Vos]、黑刺(Lysium ruthenicum Murr.);草本植物主要有芦苇(Phragmites communis Trin.)、罗布麻[Poacynum hendersonii (Hook.F.) Woodson]、疏叶骆驼刺[Alhagi sparisifolia (B. Keller et Shap.) Shap.]、甘草(Glycyrrhiza inflate Bat.)、花花柴[Karelinia caspica (Pall.) Less]等抗逆性强的植物^{[4, 21, 22]}。

研究区阿拉干(东经86°08'42″-88°50'32″,北纬40°05'42″-40°08'50″)地处塔克拉玛干和库鲁克塔格两大沙漠之间,塔河下游的2条支流汇合在此处,故植被恢复有代表性,并且塔里木河流域管理局在此处布设了地下水监测井,为本研究提供了地下水数据。

为了长期监测人工输水后胡杨长势指标的年际变化,2004年在阿拉干断面垂直河道方向每100、200 m的距离设置了5个(A、B、C、D、E)抽样式调查样方,每个样方有1颗中心树,样方是以该树为中心往外扩展、半径为50 m的圆,共有457棵胡杨树(表1),样方内所有胡杨用号牌标注;从建立样方开始,每3 a(2004,2007,2010,2013)在胡杨生长期(6-10月)进行地面胡杨林调查,对样方内所有样树的树高、胸径、枝下高、冠幅、树冠疏失度等生长指标进行实测。

胸径(diameter at breast height,DBH)是树干粗度的度量指标,也是衡量树木生长速度和长势优劣的主要调查指标^[23]。在塔河下游人工输水条件下,胸径生长量及其增长速度反映输水对植被恢复起到促进作用,是评估人工输水生态效益的重要评价指标之一^[24]。

塔河下游生态输水以中国最大的内陆淡水湖——博斯腾湖为主要水源,调水至大西海子水库,然后由大西海子水库沿塔河下游支流——齐文阔尔河天然河道下泄^[25]。迄今已完成14次输水,累计输水量达4 164 Mm³(数据由塔里木河流域管理局提供)(表2)。

在人工输水实施前,塔河下游地下水埋深普遍下降到8-11 m^[26]。这一水位已超过大多数荒漠植被的经常生长临界水位,造成了下游地区胡杨林、盐化草甸及盐柴类灌木的大量枯死^[27]。人工输水工程实施后沿河地区地下水埋深逐步抬升。图1表示塔河下游阿拉干断面地下水监测井(G1-G6)各年段平均地下水埋深的变化。2010-2013年段,塔河下游累计输水量最大,即1 894 Mm³,与此相符,2013年地下水埋深最浅(年平均为5.95 m);相反,2007-2010年段,累计输水量最小(412 Mm³),地下水埋深最大(年平均为8.02 m),2004-2007年段,累计输水量为599 Mm³,2007年平均地下水埋深为7.57 m,2000-2004年段,输水量为1 762 Mm³,2004年平均地下水埋深为6.23 m。由此可知,地下水埋深取决于向塔河下游放行的输水量,输水量越大,则地下水埋深越浅,相反,输水量越小,地下水埋深则越深。

	图 1 胡杨胸径生长量时间变化 Fig.1 Temporal dynamics of DBH increment of P. euphratica
图选项

从时间尺度来看,不同年段,塔河下游胡杨胸径显示不同的生长量(图2)。2004-2007年,样方内整个胡杨胸径平均生长量为1.37 cm,2007-2010年为1.05 cm,2010-2013年为1.59 cm,可见,2010-2013年间胡杨胸径生长量大于前2个年段,这与各年段累计输水量相互对应,2004-2007,2007-2010和2010-2013年段,累计输水量为599,412和1 894 Mm³(表2)。2010-2013年段的输水量比其他2个年段的多,所以该年段内胡杨胸径生长量大于其他2个年段;2007-2010年段,输水量比其他2个年段的小,所以该年段内胡杨胸径生长量最小。说明胡杨胸径生长量与河道输水量、输水持续时间有密切的关系。

	图 2 胡杨胸径生长量时间变化 Fig.2 Temporal dynamics of DBH increment of P. euphratica
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不同监测年段胡杨胸径平均生长量与河道累计输水量之间的指数函数关系模型为 式中:Y为胸径生长量;x为河道累计输水量,模型拟合度为0.928。说明河道累计输水量越多,胡杨胸径生长量较大,累计输水量越小,相反,胸径生长量较小。

随着间歇性人工输水的持续,塔河下游河道两侧地下水位逐步抬升(图1),但离河道不同距离处的地下水位上升幅度有所差异。离河道越近,水位上升幅度越大,而离河道越远,水位上升幅度越小。从空间尺度来看,分布在离河道距离不同位置的样方内胡杨胸径生长量有所差异。图3显示,A、B、C、D、E样方内胡杨胸径10 a总平均生长量分别为2.03、1.80、1.45、0.85和0.53 cm。各样方地下水多年平均埋深依次为5.7、6.4、6.8、7.3和8.4 m,可见,随着离河道距离的增加地下水位逐渐下降,胡杨胸径生长量呈逐减趋势。

	图 3 胡杨胸径生长量对不同地下水埋深的空间响应 Fig.3 Spatial response of P. euphratica DBH increment to different groundwater depth
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对胡杨胸径生长量与离河道距离进行回归分析得到的线性回归模型为 式中:Y为胸径生长量;X为离河道距离,其拟合度为0.965。充分说明胡杨在离河道较近、地下水条件较好的情况下,胸径表现出良好的生长态势,生长量较大;而在离河道较远,地下水条件较差的情况下,胡杨胸径的正常生长受到抑制,生长量小。

从胡杨不同胸径级来看,胸径级为0-5 cm的胡杨10 a总平均生长量为1.33 cm,胸径级为＜5-15 cm的为1.65 cm,＜15-30 cm的为1.49 cm,＜30-50 cm的为0.87 cm(图4)。可见,胸径级小的胡杨胸径生长量大于胸径级大的胡杨胸径生长量。从河道横方向来看,分布在河道20和1 000 m处,胸径级别为＜5-15 cm的胡杨10 a总平均胸径长量分别为2.36和0.66 cm,两者相差1.70 cm,胸径级为30-50 cm的分别为1.42和0.44 cm,两者相差0.98 cm(图5)。这表明不同胸径级别胡杨胸径生长量均与地下水埋深成反比。为进一步揭示不同胸径级胡杨胸径生长量与离河道距离之间的关系,进行了回归分析,各种回归模型当中一元线性函数能够最好的揭示两者之间的关系,其拟合度和显著性都比其他模型高,得到的模型为(表3)。

	图 4 不同胸径级胡杨胸径10 a总平均生长量 Fig.4 Average DBH increment of P. euphratica within different DBH class in 10 yearsdepth
图选项

	图 5 不同胸径级胡杨胸径生长量 Fig.5 DBH increment of P. euphratica within different DBH class in three measuring periodsyearsdepth
图选项

从模型可得出,随着胡杨胸径级的增大,模型拟合度变小,表明胸径生长量与离河道距离(地下水埋深)的关系逐渐减弱。

近13 a来,在塔河下游人工生态输水的影响下,以胡杨为主体的荒漠河岸林得到了一定程度的恢复,胡杨的胸径生长量变化体现了输水工程对荒漠河岸林恢复过程的促进作用。总体上,随着人工输水次数的增加、输水量的不断扩大,胡杨胸径对生态输水产生了积极的响应;由此看出,稳定持续的人工生态输水对胡杨胸径的生长起刺激作用。胡杨的正常生长主要取决于林地地下水位的高低^[28]。前人研究表明,保证塔河下游胡杨群落正向演替和自然更新的合理地下水埋深以3.5-5.0 m为宜^[29]。离河道不同距离胡杨胸径生长量有所差异,胸径生长量的缩小和变慢趋势和地下水位的下降(负增长)趋势相互一致。胡杨胸径生长量与离河道距离之间建立的二次回归模型说明,在横向上地下水埋深是影响胡杨胸径生长量的关键因素。对不同胸径级胡杨而言,胸径级与胸径生长量之间有一定的关系。首先,离河道不同距离处,不同胸径级胡杨胸径生长量之间存在差异,胸径级小的胡杨胸径生长量大于胸径级大的胡杨胸径生长量,由此可以看出,胸径级小的胡杨胸径生长量与地下水埋深之间的关系比胸径级大的胡杨大;从不同胸径级胡杨的胸径生长量与离河道距离之间的回归模型分析得知,胸径级偏小的年轻胡杨胸径生长量对地下水埋深的依赖度越强;对胸径级大的老龄胡杨而言,胸径生长量与地下水埋深之间的关系不明显,说明其对地下水埋深的依赖度较弱。

通过对塔河下游阿拉干断面胡杨胸径生长量对人工输水的响应分析,在时间尺度上,2004-2007年、 2007-2010年、 2010-2013年胡杨胸径生长量存在明显差异,胸径生长大小排序为:2010-2013年>2007-2010年>2004-2007年。这与各年段累计输水量差异耦合,各监测年段河道累计输水量与胡杨胸径生长量之间的对数线性模型拟合度较高,为0.928。在空间尺度上,随着离河道距离的增加胡杨林地地下水位下降或抬升不明显。从离河道距离与胡杨胸径生长量之间的回归模型分析得知,离河道越近,胡杨胸径生长量越大;离河道越远,则胸径生长量越小。不同胸径级胡杨胸径生长量也有一定的差异,对胸径级小和大的胡杨而言,前者胸径生长量大于后者。

塔河下游人工输水的最终目标不仅是维护老龄胡杨的"疗养院",更重要的是建立幼龄胡杨的"幼儿园"。人工输水后是否发生、发育了胡杨幼苗是塔河下游河岸林生态系统可持续发展的关键。因此,给胡杨的自然繁殖提供必要的条件以及输水后发育出的幼龄胡杨的保护是极为重要。然而,在野外工作过程中发现,放牧对幼龄胡杨的破坏很大,尤其是在河道附近的幼龄胡杨受损迫害的更严重。因此,在继续实施应急输水的同时,建议加强对河道两岸幼龄胡杨的保护措施,以保证胡杨幼苗的正常生长发育。与此同时,减少该地区人类活动,以避免扩大农牧业,减少地下水的开采,降低对地下水的过度利用。为得到胡杨林的大面积恢复,一方面,要不断实施应急输水,以保证输水量,满足胡杨为主体的荒漠河岸林的正常生长发育所需的水量,另一方面,改变单一的沿河道线形输水方式,以采用封堵叉,修建生态闸,建设节制闸等工程措施,实施"双河道输水"和漫溢"面上给水"方式。