荒漠化地區水化學特性及其對胡楊林生長的影響

管文軻, 鐘家驊, 霍艾迪, 易 秀,侯志強, 張 敏, 劉德林, 何曉霞

(1.新疆林業科學院, 新疆 烏魯木齊 830002; 2.長安大學 旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室, 陜西 西安 710054; 3.濰坊市水文局,山東 濰坊,261000; 4.長安大學 外國語學院, 陜西 西安 710054; 5.新疆塔里木胡楊林國家級自然保護區, 新疆 庫爾勒 841000)

水作為干旱荒漠區最關鍵的生態因子,不僅是綠洲生態系統構成、發展與穩定的基礎和依據,而且決定著干旱區綠洲化與荒漠化極具對立與沖突性的生態演化過程[1-2]。胡楊是綠洲生態系統的代表性樹種，其更新繁衍受到水量與水質的共同制約。塔里木胡楊國家級自然保護區位于塔里木河(簡稱塔河)中游，在保護動植物資源方面發揮了極大作用，但區內胡楊林的種群徑級結構呈倒金字塔型，嚴酷的環境抑制了幼苗的萌發與存活，種群維持面臨困難。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于塔河中游(輪臺縣英巴扎至尉犁縣恰拉)，河段長約398 km，塔河在中游段橫貫天山南麓沖積、洪積平原與塔克拉瑪干沙漠北緣的交錯地帶，地勢平坦，泥沙淤積，汛期河水泛濫形成積水沼澤，河道彎曲且時常遷徙形成一個長達100 km的淤積平原[13]。該區域綠洲與沙漠交錯，生態環境脆弱，2000—2013年年均植被覆蓋度為10.6%～12.44%，其中農田植被覆蓋度顯著增加，上游來水量大部分被農田利用，生態環境退化仍是主基調[14]。塔里木盆地內部十分干旱，塔河沿岸地區年降水量僅50～80 mm，塔克拉瑪干沙漠年降水量僅有10 mm[15],而中游地區年均蒸發量達2 024 mm，年日照時數2 442～2 925 h，年平均氣溫10.9 ℃，極端最低溫-25.5 ℃，溫度年均日較差14.6 ℃，無霜期180～224 d，≥10 ℃積溫4 125.3 ℃。草本植物是該區植物群落的主要組成部分，有蘆葦(Phragmitescommunis)、脹果甘草(Glycyrrhizainflate)、花花柴(Kareliniacaspica)、羅布麻(Apocynumvenetum)等。喬木樹種有胡楊(Populuseuphratica)、灰葉胡楊(Populuspruinosa)；灌木有檉柳(Tamarixchinensis)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)等[16-17]。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設置與介紹 2016年9月，時值塔河汛期，于塔里木胡楊國家級自然保護區內，采用布設樣地、植被調查、樣品采集與試驗分析的方法，研究在胡楊林不同生境下，區內地表水與潛水的水化學特性。樣地均位于塔河中游南岸，編號分別為W1，W2，W3，樣地在汛期均可被向兩岸漫溢的河水浸淹，形成沿河岸的濕地景觀，采集地表水較為方便，其中W3樣地水域面積最大，W2樣地次之，W1樣地水域面積最小。在塔河中游干流尉犁大橋下設置W4采樣點，采集干流水樣。各樣地的胡楊長勢特征詳見表1。

表1 塔里木河中游典型區域胡楊長勢特征

1.2.2 樣品采集與測試方法 依據胡楊林的不同發育狀況，W1樣地胡楊生長衰弱，高度6～8 m，部分已死亡；W2樣地胡楊長勢良好，與灌木、草本植物種群共同構成結構穩定的河岸林群落；W3樣地胡楊長勢旺盛，種群處于穩定增長階段。

在這3個樣地中采集地表水樣，使用GPS系統定位，記錄采樣點的經緯度及海拔高度，并在W2采樣點進行挖掘，至潛水出露處，取得潛水樣；并在塔河干流尉犁大橋下取河水樣。每個水體取3份平行樣進行水質分析測試，結果取平均值。化學指標及試驗方法是：pH值—酸度計法，溶解性總固體—質量法，總堿度、碳酸根離子、重碳酸根離子—雙指示劑滴定法，硫酸鹽-EDTA二鈉容量法，氯化物—硝酸銀容量法，氨氮—納氏試劑分光光度法，游離二氧化碳—中和法，鈣離子、鎂離子、總堿度—EDTA二鈉絡合滴定法。

2 結果與分析

2.1 塔里木河中游水化學特性

對研究區各采樣點取得的水樣進行化學分析(表2)，結果表明，各樣地采樣點的地表水樣總硬度較高，測定值在16°～43°(德國度)，屬于硬水(16°～30°)和極硬水(>30°),W2采樣點潛水樣硬度達170.5°,W4河水樣硬度最低，為16.9°。

表2 塔里木河中游各樣地水體水質分析

在塔河豐水期，保護區內干流河水及漫溢河水屬于淡水及微咸水。塔河中游尉犁大橋下水樣的TDS為615.3 mg/L，按生活飲用水衛生標準(GB 5749-2006)，溶解性固體低于1 000 mg/L可認為是淡水。W2采樣點的地表水礦化度為838 mg/L；在W2樣地胡楊林下挖掘深度至65 cm時即有潛水出露，潛水樣礦化度達14 476.3 mg/L，屬于鹽水(10～50 g/L)。W3樣地地表水樣TDS為1 037.5 mg/L，屬微咸水，其TDS值較干流水體高68.6%。

地表水與潛水樣的pH值在7.32～7.82，尉犁大橋下塔河干流水樣pH值最高，為7.82，W2采樣點潛水的pH值最低，為7.32。各樣地地表水樣總堿度(CaCO3)在100～300 mg/L，相對于其余樣地處地表水樣，塔河干流水樣總堿度最低，為115.1 mg/L；各樣地地表水體水化學特性基本指標對比詳見圖1。

注：W1，W2，W3，W4為4個不同樣地。

研究區內潛水主要來源于地表水的下滲補給，在水質上，W2采樣點潛水TDS、總硬度、總堿度分別是地表水的17.3，9.3，4.7倍。同一區域內地表水與潛水的水質對比詳見圖2。

圖2 塔里木河中游相同區域地表水與潛水水質對比

保護區內地表水硫酸鹽與氯化物含量分別在204.1～486.3及70.9～239.9 mg/L，塔河尉犁大橋斷面處河水樣的氯化物含量為133 mg/L，硫酸鹽含量達204.1 mg/L，均低于國家生活飲用水水質衛生規范中相應的限值(250 mg/L)。W3采樣點地表水硫酸鹽含量為486.3 mg/L，屬于苦咸水。在W1與W3樣地的地表水中，氨氮含量超出地表水環境質量標準(GB 3838-2002)中適用于國家自然保護區的Ⅰ類標準(≤0.15 mg/L)，相應的，水體中游離CO2含量較高，分別為16.5與27.5 mg/L。

2.2 塔里木河中游胡楊林生長狀況

塔河中游荒漠河岸林中的胡楊在9月已開始進入落葉期，葉片變黃。常見植被組成為旱生、鹽生植物，有胡楊、灰楊、沙棗、枸杞、鹽穗木、鈴鐺刺、駱駝刺、甘草等。依據植被種類、數量、總體蓋度等，將胡楊林群落的生境分為荒漠化區、過渡帶與河岸輻射區3種區域類型。野外調查結果顯示，該區胡楊與灰胡楊種群幼齡期個體較少，更新資源匱乏，種群徑級結構呈倒金字塔型。

W1樣地位于塔河南岸階地，屬過渡帶，地表有鹽結晶表層，受季節性洪水影響，淹沒期較短；其植被生長模式以檉柳為優勢種，呈叢狀生長，高度2～4 m，叢徑2～6 m，近地表處可固沙高度20～40 cm；胡楊生長稀疏。W2樣地屬河岸輻射區，汛期有河水流經此地，水量較大，胡楊林種群結構相對穩定，樹齡多為中齡和近熟林階段；主林層高度7～10 m，每1 hm2株數170株以上，最上層樹高16 m以上，幼樹層高3～5 m，每1 hm2幼樹320株左右；檉柳呈叢狀散生或片狀分布，高2～4 m，蓋度10%～30%；草類有蘆葦、鹽生草、駱駝刺等。W3樣地位于河漫灘，具有成片胡楊林，草類較少，胡楊更新演替相對較易；新沖積物上可見胡楊種子苗和根蘗樹苗，高15～30 cm；胡楊幼樹樹齡一般在10 a以內，高2～4 m，每100 m2面積上約20～40株，幼樹已開始分化，發生大量凋亡而自然稀疏；胡楊群落的伴生種類不穩定，主要是檉柳幼株。

3 討 論

(1) 塔河干流區流經的塔克拉瑪干沙漠外圍地區地下水主要補給方式為汛期漫溢河水的下滲，汛期過后，河水以側滲的形式補給河道兩側地下水[18-19]，因此地表水與地下水間水力聯系密切。本研究發現，在塔河中游沿岸典型的河岸林帶下，地下水TDS值遠高于同區域地表水，最高可達14 g/L以上，主要是由于中游堤防的修建，使地下水沿河淡化帶范圍大幅度萎縮，主要離子含量大幅度增加[20-22]，同時，汛期地下水水位的抬升，排水不暢，土壤上層鹽類通過漫溢河水下滲而轉移至地下水中亦是重要因素。研究區地表水水質的惡化，是自然與人為因素共同作用的結果，一方面由于地表積鹽的溶解；其次是積水沼澤中水流緩慢、蒸發強烈，而區內大面積種植棉花、油葵、紅枸杞、瓜類等經濟作物過程中，大量農田排水的匯入已經對該區地表水質產生了不利影響。

(2) 由于輸水堤壩生態閘在洪水期引水漫灌河岸兩側胡楊林，在塔河中游地區擴大了水域面積，季節性洪水的沖刷使得河流沿岸的地下水淡化帶不至于過度萎縮，減緩了堤壩修建所引發的生態負效應，維持了現有胡楊林的生長。但生態閘對沿岸地下水的淡化范圍是有限的，僅在瀕臨河道的狹窄地帶能滿足胡楊幼苗的萌發和生長。當地下水礦化度達2.2 g/L以上，胡楊幼苗無法生存[4]，地下水礦化度10～20 g/L，耐鹽性最強樹種才能適應[23-24]，地下水化學性質的改變對生物進行了自然選擇與淘汰，因此區內胡楊林演替自然更新資源匱乏，多為中、老齡胡楊和檉柳、紅柳等耐鹽灌木。此外，塔河流域嚴酷的氣候條件對胡楊幼苗萌發與存活的抑制；上游高強度的水土資源開發導致中游來水量減少；過度開墾耕作、放牧等人為活動的不利影響；土壤貧瘠、鹽堿化；種間、種內競爭等因素均有可能造成胡楊種群的衰退。

4 結 論

(1) 塔河中游較大的水域面積維系著沿岸天然胡楊林的生長，隨著河水向河道兩側漫溢，地表水化學組分由原來的以硫酸鹽、鈣離子為主逐漸轉變為以氯離子、鈉離子為主，其礦化度、總堿度、總硬度等均有上升，同時區內大范圍的農業生產活動亦對地表水產生了污染。地下水鹽分含量過高，僅能維持現有中老齡胡楊的存活。

(2) 研究區植被組成主要為旱生、鹽生植物，該區胡楊與灰胡楊種群幼齡期個體較少，更新資源匱乏，屬于衰退型種群，僅在瀕臨河道的狹窄地帶適宜胡楊幼苗萌發與生長。

[1] 陳亞寧,李衛紅,徐海量,等.塔里木河下游地下水位對植被的影響[J].地理學報,2003,58(4):542-549.

[2] 陳亞寧,崔旺誠,李衛紅,等.塔里木河水資源利用與生態保護[J].地理學報,2003,58(2):215-177.

[3] 魏忠義.塔里木盆地地表水化學特征及在人類活動影響下的變化[J].干旱區資源與環境,1994,8(2):23-30.

[4] 陳永金,陳亞寧,李衛紅.輸水作用下的地下水水質變化與胡楊林更新:以塔里木河下游英蘇斷面為例[J].干旱區研究,2005,22(1):101-105.

[5] 陳永金,陳亞寧,李衛紅,等.塔里木河下游輸水條件下淺層地下水化學特征變化與合理生態水位探討[J].自然科學進展,2006,16(9):1130-1137.

[6] 李衛紅,陳永金,張保華,等.塔里木河中游地下水化學變化及其影響因素[J].環境化學,2011,30(2):439-465.

[7] 陳永金,陳亞寧,劉加珍.堤防修建對塔里木河中游濕地地下水化學特征及水鹽運移的影響[J].聊城大學學報,2009,22(4):79-85.

[8] 朱海勇,陳永金,劉加珍.塔里木河中游水鹽梯度下的物種多樣性研究[J].生態環境學報,2011,20(8/9):1226-1234.

[9] 鄭潮州,張希明,吳俊俠,等.輸水堤防對塔里木河中游胡楊群落及種群的影響[J].生態學報,2010,30(5):1356-1366.

[10] 趙楓,金海龍.艾比湖濕地自然保護區阿其克蘇河地下水特征與胡楊生長關系研究[J].干旱區資源與環境,2011,25(8):156-160.

[11] 喬云峰,王曉紅,沈冰,等.和田綠洲地下水特征及其對生態植被的影響分析[J].長江科學院院報,2004,21(4):28-31.

[12] 張光輝,石迎新,聶振龍.黑河流域生態環境的脆弱性及其對地下水的依賴性[J].安全與環境學報,2002,2(3):31-33.

[13] 王亮,王夏楠,周正立,等.塔里木河中游典型樣地土壤主要理化性質比較研究[J].北方園藝,2014(23):148-151.

[14] 郭輝,黃粵,李向義,等.基于多尺度遙感數據的塔里木河干流地區植被覆蓋動態[J].中國沙漠,2016,36(5):1472-1480.

[15] Chen Ya’ning, Xu Changchun, Hao Xingming, et al. Fifty-year climate change and its effect on annual runoff in the Tarim River Basin, China[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2008,30(6):921-929.

[16] 張海濤,梁繼業,周正立,等.塔里木河中游荒漠河岸林土壤理化性質分布特征與植被關系[J].水土保持研究,2016,23(2):6-12.

[17] 霍艾迪,康相武,王國梁,等.基于MODIS的沙漠化地區植被覆蓋度提取模型的研究[J].干旱地區農業研究,2008,26(6):217-223.

[18] 陳永金,陳亞寧,李衛紅,等.塔里木河下游輸水條件下淺層地下水化學特征變化與合理生態水位探討[J].自然科學進展,2006,16(9):1130-1137.

[19] Huo Aidi, Dang Jian, Song Jinxi, et al. Simulation modeling for water governance in basins based on surface water and groundwater[J]. Agricultural Water Management, 2016,174:22-29.

[20] 陳永金,李衛紅,劉加珍,等.輸水堤防工程對塔里木河中游荒漠河岸林生態系統的影響[J].自然科學進展,2009,19(5):505-511.

[21] Huo Aidi, Chen Xunhong, Li Hua, et al. Development and testing of a remote sensing-based model for estimating groundwater levels in aeolian desert areas of China[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2011,91(1):29-37.

[22] Huo Aidi, Peng Jianbing, Chen Xunhong, et al. Groundwater storage and depletion trends in the Loess areas of China[J]. Environmental Earth Sciences, 2016,75(16):1167.

[23] 孫保平.荒漠化防治工程學[M].北京:中國林業出版社,2000.

[24] 霍艾迪,張廣軍,武蘇里,等.利用MODIS-NDVI進行沙化土地評價研究;以陜西省北部地區為例[J].干旱地區農業研究,2008,26 (2):154-158.