塔里木河下游不同斷面胡楊徑向生長對地下水變化的敏感性研究

張　蕓，葉　茂*

(1 新疆師范大學 地理科學與旅游學院,烏魯木齊 830054;2 新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室,烏魯木齊830054)

塔里木河下游不同斷面胡楊徑向生長對地下水變化的敏感性研究

張蕓1，2，葉茂1，2*

(1 新疆師范大學 地理科學與旅游學院,烏魯木齊 830054;2 新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室,烏魯木齊830054)

摘要:以塔里木河下游干旱荒漠區胡楊為研究對象，選擇英蘇、依干不及麻、阿拉干、喀爾達依4個不同斷面，通過定點監測4個典型斷面的地下水位，并測定計算胡楊的徑向生長量，對比分析4個不同斷面的胡楊徑向生長與地下水埋深之間的關系，定量研究胡楊生長的合理水位，為塔里木河下游胡楊健康生長和恢復提供理論依據。結果表明：(1)4個斷面的胡楊年輪寬度在2000年以后有明顯上升，英蘇斷面年輪寬度變化起伏最為明顯，依干不及麻斷面年輪寬度變化起伏最平緩。在2000年以前(為排除人工輸水的干擾)，胡楊年輪指數的變化有顯著差異性，起伏最明顯為依干不及麻斷面，最平緩為阿拉干斷面，喀爾達依斷面有明顯下降趨勢。(2)4個斷面的胡楊徑向生長量與地下水埋深之間呈負相關關系，建立回歸模型，擬合方程均通過0.05水平檢驗，擬合關系較好。(3)4個斷面的胡楊徑向生長量隨著地下水位的下降，其靈敏度呈先增大后減小的趨勢。靈敏度最大值對應的地下水位分別是：英蘇斷面5.38 m、喀爾達依斷面6.66 m、阿拉干斷面7.81 m、依干不及麻斷面7.84 m。說明4個斷面的胡楊徑向生長對地下水位變化響應的敏感度存在差異，胡楊生長敏感的地下水位范圍在5.4～7.8 m之間。

關鍵詞:塔里木河下游；地下水；胡楊;徑向生長量

20世紀初期，美國科學家道格拉斯(A.E.Douglass)創立樹木年輪學后，其重要性已被科學界廣泛認可，樹木年輪水文學(Dendrohydrology)也得到了長足的發展[1-4]。大量研究成果表明[5-8]，包括胡楊(Populuseuphratica)在內的樹木年輪記錄，在很大程度上能反映出地表徑流和地下水等相關信息。

由于干旱區年降水量極少，對植物的生長作用不大，因而地下水資源為植被提供了生長和存活的條件[9]。新疆作為典型的干旱、半干旱地區，在歷史資料缺乏的情況下，年輪資料對了解過去的水文變化無疑具有重要意義。新疆的天然植被在抑制荒漠化和保持生態平衡等方面有著重要的作用。地下水作為關鍵的生態因子，是綠洲生態系統構成、穩定和發展的依據和基礎[10-11]。

胡楊作為塔里木河下游唯一的天然喬木，對地下水的增加或者減少表現較為敏感[12-13]。河兩岸分布著大片的原始胡楊林，其面積占世界胡楊林總面積的54%，占中國胡楊林總面積的89%[14]，其長勢、生長量均能反映生態恢復的效應。目前，針對地下水與植被生長關系的研究，主要集中在植被生長最適地下水位的確定、生態輸水對植被生長量的影響以及對植被生長需水量的估算[15-18]等方面，樹木年輪水文學的應用也大部分集中在氣候、水文要素的重建上[19]，然而從樹木年輪的角度研究干旱區內陸河流域胡楊生長的最適合生態水位的報道較少。因此，本文以干旱荒漠區胡楊為研究對象，通過數理統計方法，對比分析不同斷面的胡楊徑向生長與地下水埋深之間的關系，定量研究胡楊生長的合理水位，可以為維持塔里木河流域生態系統的平衡和經濟生產活動建設、規劃提供理論依據。

1研究區概況

塔里木河下游河段系指從尉犁縣的恰拉至若羌的臺特瑪湖，主河道長約428 km，主要位于羅布泊微弱凹陷區，是新疆乃至全國生態環境最為脆弱的地區之一，也是綜合整治塔里木河流域生態環境、防治土地沙化的前沿地區。該區域氣候干燥，多風沙天氣，年均溫10.8 ℃，平均降水量在17～34 mm之間，而平均年蒸發量高達2 500～3 000 mm，屬大陸性暖溫帶極端干旱氣候。在塔里木河下游，喬木主要有胡楊(PopuluseuphraticaOliv.)；灌木主要有檉柳(Tamarixspp.)、黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)；草本植物主要有大葉白麻(Poacynumhendersonii (Hook.f.) Woodson)、花花柴(KareliniacaspicaLess.)、蘆葦(PhragmitescommunisTrin.ex Steud.)等。大量研究表明[20-22]，胡楊生長的水分供應主要依靠潛水或河流泛濫水。但是自1972年大西海子水庫建成，造成對塔里木河的攔截，導致下游321 km河道出現斷流，從而使地下水成為胡楊生長的生命源泉。

2研究方法

2.1樹木年輪取樣和徑向生長量的測定

2013年9～10月在塔里木河下游按胡楊退化程度選擇英蘇(A)、喀爾達依(B)、阿拉干(C)、依干不及麻(D)4個典型斷面，在永久樣地中隨機地選取生長特征相似(包括胸徑、高度和長勢)的健康胡楊5～10棵進行取樣，用生長錐按照“十字交叉”法，采集每株胡楊樹干的樹芯，將采集的胡楊樹干樣本進行晾干、鑲嵌、打磨等預處理；利用LINTABTM6型樹木年輪測定儀器測量年輪寬度，即胡楊徑向生長量。利用COFECHA交叉定年質量控制程序進行交叉定年檢驗和生長量訂正，確保交叉定年的準確性，并用ARSTAN程序建立標準年表。

2.2地下水數據獲取

為了準確掌握地下水與胡楊生長量之間的關系，自2000年起，在塔里木河下游布設了監測斷面，在每個斷面按一定間距布設地下水位觀測井。本研究選取塔里木河下游4個監測斷面，分別是英蘇斷面、喀爾達依斷面、阿拉干斷面、依干不及麻斷面，其分布見圖1。

2.3數據分析處理

為了排除樹齡對徑向生長的影響，對4個監測斷面胡楊進行年輪指數分析，標準化處理徑向生長量數據。通過比值方法求取新的指數序列。年輪指數(Ii)的求取，原年輪寬度序列實測讀數(Wi)比上從胡楊徑向生長趨勢曲線上讀出的年輪寬度值(Yi)，公式為：Ii=Wi/Yi(1)

圖1　塔里木河下游輸水河道及監測斷面分布Fig. 1　Sketch map of the lower reaches of the Tarim River

地下水數據選自2000年至2011年的年均地下水位資料，并與相同年份的胡楊徑向生長量的平均值一一對應。用SPSS19.0軟件檢驗地下水位與胡楊徑向生長量之間的相關性，并建立方程[23]。

為了反映不同地下水深埋下的胡楊徑向生長的變化速率，運用靈敏度指數公式[24]:Sk=(dy/dx)·(x/y)(2)。其中，x是地下水埋深，y是胡楊徑向生長量。Sk反映了胡楊徑向生長量對地下水埋深變化響應的敏感程度。Sk值越小，說明胡楊徑向生長變化速率對地下水埋深變化響應越遲緩，反之亦然。

3結果與分析

3.1不同斷面胡楊徑向生長差異性

圖2是塔里木河下游4個典型斷面胡楊年輪寬度變化趨勢圖。英蘇斷面胡楊年輪寬度自1987年至1999年，呈波動起伏，并在1994年出現最小值(0.097)；2000年以后，有明顯的增加，并在2003年出現最大值(0.565)。喀爾達依斷面胡楊的年輪寬度在1993年之前變化不明顯，1993年出現最小值(0.10)，1995年后開始有明顯上升趨勢，并在2013年出現最大值(0.41)；阿拉干斷面胡楊年輪寬度在2000年以后有增長的趨勢，并在2003年達到最大值(0.29)，隨后開始下降，在2010年出現最小值(0.10)；依干不及麻斷面胡楊年輪寬度整體變化差異性不大，2002年以后，有較為明顯的增長，最大值出現在2006年(0.23)，最小值出現在1993年(0.06)。

圖2　4個斷面胡楊年輪寬度變化特點Fig. 2　The characteristics of the ring width of P. euphratica in the four sections

圖3　4個斷面胡楊年輪指數變化特點Fig. 3　The characteristics of the ring index of P. euphratica in the four sections

為排除人工輸水對塔里木河下游植被生長的影響，選用2000年以前的年輪指數進行分析(圖3)。英蘇斷面的胡楊年輪指數有兩個非常明顯的高峰期和低谷期，高分期發生在1991年和1996年，低谷期發生在1989年和1995年。與英蘇斷面不同，喀爾達依斷面胡楊年輪指數整體呈大幅下降趨勢；阿拉干斷面的胡楊年輪指數與英蘇和喀爾達依斷面相比整體起伏變化不大；依干不及麻斷面胡楊年輪指數在1982年之前變化不明顯，在1982年之后年際間變化幅度非常大。

從以上4個斷面胡楊變化趨勢可以看出，英蘇斷面年輪寬度變化起伏最為明顯，在1994出現最小值(0.097)，2003年出現最大值(0.565)；依干不及麻斷面年輪寬度起伏變化最平緩,在1993年出現最小值(0.06),2006年出現最大值(0.23)。喀爾達依斷面胡楊年輪指數有明顯下降的趨勢，年輪指數變化起伏最明顯的斷面為依干不及麻，在1985年出現最大值(1.53)，1993年出現最小值(0.77)；變化最平緩的是阿拉干斷面，1994年出現最大值(1.14)，1987年出現最小值(0.91)。沿河道自上而下4個斷面中，英蘇斷面年輪寬度平均值最大(0.242)，依次逐漸遞減，依干不及麻斷面年輪寬度平均值最小(0.109)。由此推斷，胡楊徑向生長量的變化可能與地下水位有關。

3.2不同斷面胡楊徑向生長量與地下水位的關系

為了進一步定量分析胡楊徑向生長量與地下水埋深之間的相互關系，在兩者之間建立相關模型(圖4)。英蘇(A)、喀爾達依(B)、阿拉干(C)、依干不及麻(D)4個斷面的胡楊徑向生長量隨著地下水埋深的變化而有所不同。利用統計學的方法，計算相關系數，對不同斷面的胡楊徑向生長量與地下水埋深進行回歸分析。

結果表明：4個斷面胡楊徑向生長量與其地下水埋深的關系呈負相關。其中，英蘇(A)斷面的胡楊徑向生長量隨地下水埋深的不斷下降常有波動起伏，整體呈下降趨勢，擬合方程為：y=0.003x4- 0.065x3+0.404x2- 0.943x+0.974(R2=0.307)(3)，擬合方程通過0.05水平檢驗，擬合的回歸方程關系效果很好；喀爾達依(B)斷面的胡楊徑向生長量隨地下水埋深的下降呈緩慢下降趨勢，擬合方程為：y=0.006x3- 0.138x2+0.959x-1.980(R2=0.066)(4)，擬合方程通過0.05水平檢驗，擬合關系較好；阿拉干(C)斷面胡楊徑向生長量隨地下水埋深的下降呈緩慢下降趨勢，擬合方程為：y=0.009x3- 0.229x2+1.744x-4.087(R2=0.220)(5)擬合方程通過0.05水平檢驗，擬合的回歸關系效果較好；依干不及麻(D)斷面的胡楊徑向生長量隨地下水埋深的下降呈下降趨勢，擬合方程為：y=0.003x4-0.077x3+0.711x2-2.776x+3.995(R2=0.081)(6)擬合方程通過0.05水平檢驗，擬合的回歸關系效果很好。

3.3不同斷面胡楊徑向生長對地下水位變化的靈敏度分析

胡楊徑向生長量變化速率是指：每一年胡楊年輪寬度變化的值，即年際間年輪寬度差值比上對應的年份。胡楊徑向生長量變化速率為負值，說明胡楊年輪寬度的變化率是減小的。為了準確反映地下水埋深變化對胡楊徑向生長率的影響，利用不同斷面地下水埋深與胡楊徑向生長關系的擬合方程(3～6)，根據靈敏度計算公式(2)，可得出Sk的基本變化特征曲線。

圖4　不同斷面胡楊徑向生長量與地下水位的關系Fig. 4　The relationship between variations of P.euphratica’s radial increment and groundwater level in different sections

如圖5所示，英蘇斷面的胡楊徑向生長率隨著地下水埋深的下降，其降低的幅度也不斷增加，當地下水埋深在5.38 m時，其降低速率到了最大值，為134%。當地下水埋深深度大于5.38 m時，胡楊徑向生長率的降低幅度逐漸減小，說明地下水埋深大于5.38 m后，地下水埋深的變化對胡楊徑向生長的影響不大。因此，可以認為，英蘇斷面的胡楊徑向生長變化最敏感的地下水埋深為5.38 m。

喀爾達依斷面胡楊徑向生長率變化對地下水埋深變化的響應表現為：隨著地下水埋深的下降，其降低幅度呈現先增加后減少的趨勢。當地下水埋深到達6.66 m時，其降低速率達到最大值為247%。當埋深大于6.66 m時，胡楊徑向生長率變化幅度逐漸減少，說明地下水埋深大于6.66 m后，地下水埋深的變化對徑向生長的影響不大，喀爾達依斷面的胡楊徑向生長變化最敏感地下水位為6.66 m。

圖5　4個斷面不同地下水埋深胡楊徑向生長量變化靈敏度曲線Fig. 5　Radial increment sensitivity curves of P. euphratica in different groundwater depths in four sections

與喀爾達依斷面相比，阿拉干斷面的胡楊徑向生長率隨地下水埋深變化的響應較為遲緩。當地下水埋深下降至7.81 m時，其降低速率到達最大值為301%。當地下水埋深大于7.81 m時，胡楊徑向生長率降低幅度逐漸減少，說明當地下水埋深大于7.81 m后，地下水位的變化對胡楊徑向生長率的影響不大。即地下水埋深位于7.81 m時，阿拉干斷面胡楊徑向生長對地下水埋深變化響應最為敏感。

依干不及麻斷面的胡楊徑向生長率隨著地下水埋深下降，其降低的幅度也快速增加，當地下水位位于7.84 m時，其降低速率達到了最大值為298%。當地下水埋深的下降大于7.84 m時，胡楊徑向生長率降低幅度逐漸減小，說明地下水埋深大于7.84 m后，地下水埋深的變化對胡楊徑向生長變化影響不大。因此，本研究認為依干不及麻斷面胡楊徑向生長率變化最為敏感的地下水埋深位于7.84 m處。

通過上述分析得知，地下水埋深不同，胡楊徑向生長變化率對地下水埋深變化的響應程度也不相同。隨著地下水埋深增大，胡楊徑向生長對其變化的響應程度表現為先增大，當地下水埋深到達一定深度時，胡楊徑向生長對地下水埋深變化的響應最敏感，在地下水埋深超過一定深度時，胡楊徑向生長的變化率開始減少并逐漸趨向零。

4結論

本研究結果表明，在2000年以后，塔里木河下游4個斷面胡楊徑向生長量均呈明顯的上升趨勢，這與塔里木河下游人工輸水使胡楊在整體上有明顯的梯度變化，胡楊徑向生長量出現明顯響應的結果相一致[13]。而在2000年之前，排除人工輸水的影響，4個斷面胡楊年輪指數的變化趨勢不同。除喀爾達依斷面外，其他3個斷面胡楊年輪指數均呈波動起伏，且有緩慢增長的趨勢，其原因可能與“中國西北地區1897～2000年的年均降水量增加顯著”[25]有關。

在胡楊徑向生長量與地下水埋深之間建立回歸模型。4個斷面的胡楊徑向生長量與地下水埋深之間均呈負相關，且擬合方程均通過0.05水平檢驗。隨著地下水埋深的下降胡楊徑向生長量的變化處于波動狀態。這可能是因為胡楊的生長存在合理水位區間和脅迫水位區間。當地下水埋深達到胡楊生長的合理水位區間時，胡楊生長狀態最好，擬合曲線呈現上升趨勢；當地下水波動范圍在脅迫水位區間時，胡楊生長受到脅迫作用，胡楊徑向生長量減少，則呈下降趨勢。這與安紅燕等[20]在分析塔里木河下游胡楊徑向生長與地下水的關系得到的結論相一致。

樊自立等[26]根據潛水蒸發與土壤鹽漬化及荒漠化的關系，把適宜生態水位確定在2～4 m；徐海量等[18]根據多年塔河下游地區植被的監測結果，并結合胡楊的生理指標，得出塔里木河下游草本植被生態恢復的最低水位為3.5 m，引起胡楊水分脅迫的地下水位出現在5.0 m；陳亞寧等[12]通過分析塔里木河下游胡楊在不同地下水埋深條件下的生理響應和適應性，推測出塔河下游胡楊合理的生態水位在4～9 m；葉茂等[24]通過分析胡楊不同等級胸徑得出，不同生長階段下，胡楊生長的合理水位在3.3～7.9 m。本研究的塔里木河下游4個斷面的胡楊徑向生長量隨著地下水埋深的下降，其靈敏度呈先增大、后減小的趨勢；靈敏度最大值對應的地下水位分別是：英蘇斷面5.38 m、喀爾達依斷面6.66 m、阿拉干斷面7.81 m、依干不及麻斷面7.84 m。這說明4個斷面的胡楊徑向生長對地下水埋深變化響應的敏感度存在差異，胡楊生長敏感的地下水位范圍在5.4～7.8 m之間，與前人研究得出的合理生態水位差別不大。

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(編輯:潘新社)

Sensitivity Analysis ofP.euphraticaRadial Growth to Groundwater Changes in the Different Transects of the Lower Reaches of Tarim River

ZHANG Yun1,2YE Mao1,2*

(1 College of Geography and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China;2 Key Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone，Urumqi 830054，China)

Abstract:In the arid desert region downstream of the Tarim River, we selected Yingsu, Kaerdayi, Alagan, Yiganbujima four different sections. Through the four typical sections of the underground water level monitoring and calculation, determination of radial growth of Populus euphratica, with the method of mathematical statistics, comparative analysis of different cross section of the radial growth of P. euphratica and the relationship between the groundwater depth, quantitative study of P. euphratica growth reasonable levels, we provided a theoretical basis for the healthy growth and lower Tarim River Populus recovery. The results are as follow: (1) After 2000, the four sections of Populus ring width has increased significantly. Yingsu section has the most obvious changes in tree ring width. Yiganbujima section has the most gentle ring width changes. Before 2000 (to exclude the interference of artificial water), Populus ring index changes are significant differences, the most obvious ups and downs for the Yiganbujima section. Alagan section is the most gentle, Kaerdayi section has a clear downward trend.(2)In four radial sections, Populus growth and significant negative correlation with groundwater level. A regression model of radial growth of Populus and groundwater level found: four sections fit through the 0.05 level to test the equation, fitting better relationship. (3) Populus radial growth decrease with the decline in the four sections of the groundwater level. The sensitivity was first increased, then decreased. Groundwater level corresponding to the maximum sensitivity are: Yingsu section 5.38 m, Kaerdayi section 6.66 m, Alagan section 7.81 m and Yiganbujima section 7.84 m. Populus radial growth in four sections differ in response to the sensitivity of groundwater level changes. Populus growth sensitive groundwater level range is between 5.4-7.8 m.

Key words:the lower reaches of Tarim River; groundwater level; Populus euphratica; radial increment

文章編號:1000-4025(2016)04-0818-07

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.04.0818

收稿日期:2015-10-12;修改稿收到日期:2016-04-22

基金項目:新疆師范大學地理學博士點支撐學科開放課題基金項目(XJNU-DL-201509)；國家自然科學基金(41461045)；自治區青年科技創新人才培養工程(2013721032)資助

作者簡介:張蕓(1990-)，女，碩士研究生，主要從事干旱區水文過程研究。E-mail：zhangyun0221@sina.com *通信作者:葉茂，教授，碩士生導師，主要從事干旱區水文研究過程。E-mail：yamao1111@163.com

中圖分類號:Q948.1

文獻標志碼:A