以塔里木河下游胡楊生長變化評價臺特瑪湖適宜面積

馬曉磊，池苗苗，張 鵬，趙新風(fēng)

（1.塔里木河干流管理局，新疆庫爾勒 841000；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830001）

生態(tài)輸水工程（The ecological water convey project，簡稱EWCP）是塔里木河下游“綠色走廊”保護(hù)的重要舉措，分析生態(tài)輸水對“綠色走廊”建群種胡楊（Populus euphratica）生長的影響是評估生態(tài)修復(fù)成效的關(guān)鍵。塔里木河下游生態(tài)輸水后，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)，在生態(tài)指標(biāo)方面，如地下水位抬升［1，2］、植物多樣性增加［3］、胡楊與檉柳生物量增加［4］、根際土壤細(xì)菌多樣性［5］以及基于ABA、脫落酸等指標(biāo)為主的植物生理指標(biāo)方面均有所好轉(zhuǎn)［6］。但絕大部分研究是通過對比生態(tài)輸水前后的測定指標(biāo)或者通過問卷調(diào)查方法獲得民意輸水方向，評估了生態(tài)輸水工程帶來的生態(tài)效益與社會效益，而對塔里木河下游生態(tài)輸水效益在好轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上可否持續(xù)增長、輸水方式是否需要調(diào)整等科學(xué)問題鮮見報道。

2001 年新疆維吾爾自治區(qū)人民政府出臺了《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃》［7］，提出“水流到達(dá)臺特瑪湖”的目標(biāo)，但是對形成多大湖面沒有明確規(guī)定。在相關(guān)部門努力下，水流于2001 年首次到達(dá)臺特瑪湖，隨著治理成效不斷地顯現(xiàn)，臺特瑪湖的湖面面積穩(wěn)中有增。生態(tài)輸水工程已開展20 余年，實現(xiàn)了大西海子水庫年均下泄3.5 億m3的輸水目標(biāo)，生態(tài)輸水已有19 次到達(dá)臺特瑪湖，湖面逐步擴(kuò)大，至2017 年形成近百年來歷史最大湖面511 km2。面對生態(tài)水高效利用新的局勢下，塔里木河下游生態(tài)輸水的重要性越來越凸顯。本研究基于密集時序遙感技術(shù)對自2000 年生態(tài)輸水工程實施以來的生態(tài)輸水進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，定量分析漫溢區(qū)植被面積和植被覆蓋度的變化規(guī)律，以期為塔里木河下游生態(tài)輸水的發(fā)展提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

塔里木河下游位于羅布泊微弱拗陷區(qū)，構(gòu)造穩(wěn)定，地形平坦，屬于典型的大陸性干旱氣候，年均降水量僅30 mm 左右，年蒸發(fā)潛勢力高達(dá)2 500～2 800 mm，生態(tài)環(huán)境脆弱［8］。由于有河流和地下水補給，沿河兩岸生長了大片荒漠河岸林，阻止著兩大沙漠的合攏，因此，被譽為“綠色走廊”。塔里木河下游尾閭——臺特瑪湖具有重要的生態(tài)作用，臺特瑪湖是鳥類遷徙過程中重要的落腳點，彌補了塔克拉瑪干大沙漠周邊鳥類遷徙通道不足和繁殖區(qū)缺乏的困境，與塔里木河下游共同構(gòu)成了完整的生態(tài)屏障；隨著生態(tài)輸水的進(jìn)行，保障了作為出疆第二個戰(zhàn)略通道的218 國道和格-庫鐵路的暢通安全；湖區(qū)天然植被的恢復(fù)顯著地降低了湖區(qū)及周邊鹽塵和沙塵的危害（圖1）。

圖1 研究區(qū)示意

1.2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.2.1 胡楊年輪樣地選擇 在塔里木河下游，選取胡楊集中生長的2 個監(jiān)測斷面，即英蘇（C）和依干不及麻（H）進(jìn)行取樣。首先，在每個監(jiān)測斷面上布設(shè)1條監(jiān)測樣帶，樣帶長2 000 m，寬100 m；其次，將樣帶平均分成20 個100 m×100 m 的大樣方。自開展生態(tài)輸水以來，在每年的7—8 月對胡楊的生態(tài)特征進(jìn)行監(jiān)測。在監(jiān)測前，對各樣地內(nèi)的胡楊進(jìn)行編號，然后對胡楊的生態(tài)因子進(jìn)行測量，包括胸徑、樹高、冠幅、長勢等因子。

針對每個100 m×100 m 的大樣方，運用十字交叉法對樣方內(nèi)全部胡楊（胸徑＞5 cm）用生長錐進(jìn)行鉆芯取樣，鉆芯方向分別為南北向和東西向。鉆芯至樹干髓心處即可，并裝于自制的紙筒軟管中，記錄胡楊的胸徑、樣芯質(zhì)量等信息。2 條樣帶內(nèi)共選取胡楊290 棵，其中英蘇斷面141 株，依干不及麻斷面149 株。

1.2.2 胡楊年輪取樣及處理 為了分析環(huán)境突變對胡楊樹輪標(biāo)準(zhǔn)年表的影響，滿足取樣要求，圍繞各斷面地下水監(jiān)測井選取胸徑介于30～50 cm 的成年胡楊進(jìn)行取樣，共選取胡楊53 棵，且每棵樹以十字交叉法獲取樣芯，共104 個。將胡楊樹芯樣本帶回實驗室進(jìn)行粘貼、固定、打磨等預(yù)處理，以滿足交叉定年需求。為確保交叉定年的準(zhǔn)確性，利用德國產(chǎn)LINTABTM6型樹木年輪測定儀（精度0.001 mm）進(jìn)行年輪寬度測定，借助COFECHA 交叉定年質(zhì)量控制程序進(jìn)行交叉定年檢驗和生長量的修正。標(biāo)準(zhǔn)年表的建立由ARSTAN 程序完成。在建立年表的過程中，為了在樹輪寬度年表中盡可能多地保留低頻方差，使用負(fù)指數(shù)曲線或無正向坡度的直線對樹輪寬度序列進(jìn)行擬合，以去除樹木自身的生長趨勢。此外，還使用2/3 序列長度的樣條函數(shù)進(jìn)一步穩(wěn)定年表的方差，最后得到標(biāo)準(zhǔn)化年表。研究表明，胡楊樹輪的標(biāo)準(zhǔn)化年表能夠很好地反映水文變化的信息［9］。

1.2.3 胡楊郁閉度和冠幅監(jiān)測 以塔里木河下游布設(shè)的固定斷面為基礎(chǔ)，選取英蘇、喀爾達(dá)依、阿拉干、依干不及麻4 個具有代表性的典型斷面作為研究地點，每2 個相鄰斷面間距在30～50 km。首先，對于每個監(jiān)測斷面，在垂直于河道方向上設(shè)置1 條監(jiān)測樣帶；其次，每條監(jiān)測樣帶在離河道50、150、300、500、750、1 050 m處的監(jiān)測井附近分別設(shè)置1個50 m×50 m的大樣方，并用GPS 定位，記錄海拔高度，共設(shè)置24個固定大樣方；再次，將每個大樣方平均分成4 個25 m×25 m 的喬木灌木樣方，記錄每種喬木（或灌木）的個體數(shù)、蓋度、胸徑、基徑、高度、冠幅等指標(biāo)。一共完成96 個喬灌木樣方調(diào)查。

2 生態(tài)輸水對胡楊年輪生長的影響范圍分析

2.1 生態(tài)輸水對胡楊年輪生長的影響范圍

通過對塔里木河下游胡楊年輪徑向生長量進(jìn)行分析（圖2），對比輸水前10 年（1990—2000 年）和輸水后10 年（2000—2010 年）的胡楊年輪徑向生長量，結(jié)果表現(xiàn)為輸水后年輪生長量要大于輸水前，特別是在研究區(qū)上游段的英蘇斷面要明顯大于下游段的依干不及麻斷面（圖2A）。

圖2 生態(tài)輸水對不同離河距離胡楊年輪生長的影響

同時，生態(tài)輸水對離河不同距離的胡楊年輪生長量的影響有差異，自生態(tài)輸水后，在離河相對近的監(jiān)測點胡楊年輪生長量遠(yuǎn)大于離河遠(yuǎn)的監(jiān)測點；對比英蘇（F）斷面離河50 m的F1監(jiān)測點與離河1 050 m的F6 監(jiān)測點胡楊年輪生長量，二者差異極顯著（P＜0.01）（圖2B）；在依干不及麻（I）斷面，離河100 m 的I2 監(jiān)測點與離河800 m 的I5 監(jiān)測點胡楊年輪生長量差異極顯著（P＜0.01）（圖2C）。從圖2B 和圖2C 可以看出，與離河50～100 m 的監(jiān)測點相比，在離河800～1 050 m 的監(jiān)測點胡楊年輪生長量在輸水10 年后變化非常小。

2.2 胡楊郁閉度、冠幅變化

圖3 是生態(tài)輸水前后胡楊郁閉度的變化，表現(xiàn)為輸水后離河道50 m 處的胡楊郁閉度較輸水前增加了374.5%，6 個不同離河距離的胡楊郁閉度平均值較輸水前增加了191.3%。但是，在離河距離超過1 km 后，胡楊郁閉度基本不再增加。圖4 是生態(tài)輸水前后胡楊冠幅的變化，表現(xiàn)為輸水后離河50 m 處的胡楊冠幅在輸水后增加了442.1%，6 個不同離河距離的胡楊平均冠幅的增加幅度為336.5%。在離河距離超過1 km 后，胡楊冠幅基本不再增加。

圖3 生態(tài)輸水前后胡楊郁閉度的變化

圖4 生態(tài)輸水前后胡楊冠幅的變化

綜上所述，通過對塔里木河下游河道兩岸胡楊年輪生長量、胡楊郁閉度、胡楊冠幅進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)生態(tài)輸水對胡楊年輪生長的影響范圍多數(shù)局限于1 km 范圍內(nèi)，而1 km 范圍外的胡楊年輪生長量在整個生態(tài)輸水期間幾乎沒有變化。可見，在當(dāng)前的以“線狀”模式為主要輸水模式下，胡楊的生長恢復(fù)沒有很好地實現(xiàn)生物量的積累。

2.3 胡楊年輪生長效果對比

根據(jù)前期研究可知，生態(tài)輸水已經(jīng)達(dá)到不錯的效果，但是與100 年前的水平相比，胡楊年輪生長的差距非常大。以100 年長時序的依干不及麻斷面胡楊年輪徑向生長量進(jìn)行分析（圖5），胡楊的年輪生長遠(yuǎn)未達(dá)到1920 年以前水平，說明生態(tài)輸水對河道兩岸胡楊徑向生長量的影響效果是有限的。

圖5 依干不及麻斷面胡楊徑向生長量距平隨時間的變化

因此，生態(tài)輸水對塔里木河下游胡楊年輪生長有一定影響，但影響范圍僅在離河1 km 左右，而且生態(tài)輸水下的年輪生長量與100 年前相比，還有很大差距。

3 塔里木河下游臺特瑪湖適宜面積維持建議

前期研究中均認(rèn)為塔里木河下游生態(tài)輸水工程開展以來，含臺特瑪湖的整個塔河下游區(qū)地下水補充及入湖水量持續(xù)增加［10］、水域面積增大［11］、湖泊格局好轉(zhuǎn)［12］、河岸與湖岸植物多樣性增加［13］、植被面積增加［14，15］、植被覆蓋度增大［16］等；但是，本研究將塔河下游河道與臺特瑪湖進(jìn)行分區(qū)來看，發(fā)現(xiàn)下游河道兩岸胡楊年輪生長量、胡楊郁閉度、胡楊冠幅對生態(tài)輸水的響應(yīng)范圍主要局限于1 km 范圍內(nèi)，即1 km 范圍外的胡楊生長指標(biāo)在整個生態(tài)輸水期間幾乎沒有變化。可見，在以“線狀”模式為主要的輸水模式下，胡楊生長在河道1 km 以外幾乎沒有提升空間。另外，在長達(dá)20 余年生態(tài)輸水作用下，以“線狀”模式為主的輸水方式下，生態(tài)輸水工程對沿線的地下水的補給過程中，河道1 km 范圍內(nèi)地下水位明顯抬升［1］，河岸地帶地下水補給已飽和［10］，在長期河道輸水作用下，河岸邊地下水的頂托效應(yīng)使每年的下泄水量相對容易地向下輸送，進(jìn)入臺特瑪湖。

2004 年中國工程院重大咨詢項目成果報告《西北地區(qū)水資源配置、生態(tài)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究（水資源卷）》中提出，塔里木河向臺特瑪湖輸水，保持水域面積10 km2。筆者認(rèn)為作為內(nèi)陸河的尾閭湖泊，維持10 km2的湖面面積過小。主要是由于其所處位置的特殊性，自古以來就是內(nèi)地通往中亞和新疆通往內(nèi)地的第二條戰(zhàn)略通道，曾是古“絲綢之路”的必經(jīng)要道；處于218 國道與315 國道銜接地，是塔里木河下游保留下的惟一湖泊；庫-格鐵路穿過臺特瑪湖的高架鐵路橋段就長達(dá)24.5 km；在建的G0711 線尉-若高速公路也與218 國道并行穿過臺特瑪湖。可見，臺特瑪湖生態(tài)地位的重要性不僅是阻止兩大沙漠的合攏，而且臺特瑪湖更是候鳥的遷徙棲息地、當(dāng)?shù)匾吧鷦游镏孬@生機(jī)的保護(hù)地。因此，臺特瑪湖生態(tài)地位十分重要，對其生態(tài)環(huán)境進(jìn)行長期監(jiān)測非常有意義。

樊自立等［17］基于臺特瑪湖歷史變化與塔里木河干流、車爾臣河水量變化特點提出，臺特瑪湖湖面面積維持在30 km2即可，筆者認(rèn)同此觀點。根據(jù)實際輸水及分析，認(rèn)為臺特瑪湖在2001 年10—11 月輸水后經(jīng)過擴(kuò)張-萎縮過程，在2002 年的5—6 月仍能維持30 km2以上的有效湖面為適宜面積，即適宜湖面積不低于30 km2。后期應(yīng)通過分析湖面面積特征及其對植被的生長變化影響，進(jìn)一步證實在枯水季節(jié)能否保證30 km2的湖面面積。