文章编号:1000 694X (2008)06 1113 05
干旱区内陆河流域荒漠河岸林落生态
过程与水文机制研究
收稿日期:2008 04 21；改回日期:2008 08 22
基金项目：中国科学院西部行动计划项目(KZCX2 XB2 03)；中国科学院重要方向项目(KZCX2 YW 127)；国家自然科学基金(90502004,
40701011)共同资助
作者简介：李卫红(1958 )，女，副研究员。主要研究方向：水土环境保育与生态恢复。Email:liw h@m s.xjb.ac
李卫红
1,2
，郝兴明
1,2
，覃新闻3，陈亚宁
1,2
，黄湘
1,2
(1.中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐830011; 2.中国科学院绿洲生态与荒漠环境重点实验室，新疆乌鲁木齐830011; 3.新疆塔里木河流域管理局，新疆库尔勒841000)
摘 要：干旱区内陆河流域生态水文过程研究已成为当今地理学、生态学研究的焦点，是开展生态恢复研究的重要内容。塔里木河下游断流河道的生态恢复是以沿自然河道生态输水为主要形式的，因此，有必要加深对塔里木河下游荒漠河岸林落生态过程与水文机制的认识。在对塔里木河下游荒漠河岸林植被生态退化及其退化原因分析的基础上，综述了塔里木河下游典型植物生态水位的研究进展，阐述了植物适宜生态水位、胁迫地下水位和临界地下水位研究的阶段性成果，并进一步展望了未来研究的焦点问题。指出了落生态水位、植被落与土壤水分、盐分异质性的关系，提出植物水分利用机制是落生态过程与水文机制研究的核心问题。关键词：生态过程；生态水位；土壤盐分异质性；土
壤水分再分配；塔里木河下游中图分类号:Q 948
文献标识码:A
植被是干旱区生态与环境的主体，直接决定着环境的优劣。塔里木河下游生态环境的主要问题就是天然植被的退化和土地荒漠化的加剧，其实质则是在脆弱的生态环境条件下，由人类活动引起自然绿洲生态系统的退化。20世纪50年代以来，随着人类大规模的水土开发活动，塔里木河下游断流，地下水水位下降，植被大面积衰退。由于下游河道断流造成地下水位大幅度下降，由20世纪50 60年代的3~5m 下降到输水前的8~12m [1]。随着地下水位的下降，天然植被大面积退化，胡杨林由50年代的5 4万hm 2
减少到70年代的1 64万hm 2
,90年代又减少到0 67万hm 2
。塔里木河下游地区英苏至喀尔达依一带，原有草地面积约6 67万hm 2，目前大部分已沙化，有些地方覆盖度不足2%[2]。以胡杨林为主体的荒漠植被全面衰败，沙漠化过程的加剧发展[3-4]，生物多样性的严重受损，使塔里木河下游已成为中国西北地区生态环境问题研究的热点地区之一。
干旱区内陆河流域生态环境退化和生态系统受损的复杂多元性和时空差异性，使得环境脆弱区的生态
学应用研究极为复杂，受损生态系统的恢复与重建异常艰难。干旱区生态自然恢复过程中涉及到的合理生态水位、临界地下水位以及环境因子与植
被数量特征之间的定量关系等科学问题还有待于进一步得到揭示。类似像塔里木河下游这样通过人工
生态输水和自然过程(其中包括部分人为加速植被恢复过程)为主体进行生态恢复的地区，在国内外都具有典型的代表性。因此，塔里木河下游荒漠河岸林落生态过程与水文机制的研究不仅对回答生态脆弱区与水循环过程相关的生态演变机理与调控等方面的科学问题具有重要的学术意义，而且，对西北干旱区内陆河流域受损生态系统的保育恢复等具有实际意义。
1 荒漠河岸林落生态过程
干旱区内陆河流域荒漠河岸林落生态过程是以水过程为主线的。水是维系荒漠河岸林天然植被生存的最主要因子。地处干旱区的塔里木河下游，荒漠河岸植被生态系统的明显特征就是物种稀少，结构简单。然而，河岸林生态系统却对维持下游 绿走廊!、抑制沙漠化具有举足轻重的作用[5]，是不可替代的天然屏障。
自2001年起，结合塔里木河下游生态输水工程，沿塔里木河下游输水河道布置了9个监测断面。在每个监测断面沿垂直河道方向，设置6个地下水位监测井，与监测井位置相对应共布设了44个植物
第28卷 第6期
2008年11月
中 国 沙 漠
JO U RN A L O F DESERT R ESEA RCH
V ol.28 No.6Nov.2008
调查样地。截至2007年，已取得了大量的植被调查数据，在荒漠河岸林植被生态过程研究方面取得了一些重要进展。
1.1 河岸林落生态退化原因
干旱区内陆河流域荒漠河岸林落受损大多为干旱、盐胁迫所致。塔里木河下游生态退化的原因则主要由水为之。20世纪50年代初，塔里木河下游恰拉以南、阿拉干以北的塔里木河、齐文阔尔河沿岸胡杨林茂密，两河之间林带宽达7~10km，在水分条件控制下，由胡杨、柽柳、芦苇等植物组成呈廊道景观分布的自然植被带，随洪水泛滥就地生长，随河流改道而衰败和消亡。后来，人类活动引起了塔里木河流域水资源时空分配严重不均匀，导致下游来水量的不断减少。1972年大西海子水库的建成致使
下游321km 河道长期断流，台特玛湖亦因得不到河水补给而干涸。塔里木河下游潜水位随之下降到了不适合乔、灌、草植被生长的程度，两岸植被退化，荒漠化程度日益加剧，生态系统经历了一个强受损过程。所以说，引起塔里木河下游植被退化的驱动力是建立在自然因素之上的人为干扰，其直接表现就是河道断流，地下水位不断下降。1.2 河岸林落盖度变化
塔里木河下游荒漠河岸林生态过程的变化，直接体现在植被盖度变化的过程中。在地下水位梯度上，植被盖度于地下水埋深大于4m 时开始出现明显下降趋势(图1)，当地下水埋深在6~8m 时草本植物盖度趋近于0，此时的植被盖度几乎等于木本植物盖度。可以得知植被盖度退化是在草本植被盖度退化的基础上开始的，而草本盖度退化是在地下水埋深大于4m 时发生的，木本植物盖度退化则是在地下水埋深大于6m 之后。在植被盖度退化的过程中，地下水位梯度在4~6m 时,
植被总盖度的
图1 不同地下水位条件下植被盖度变化趋势Fig.1 Chang es in v eg etatio n co verag e under
g ro undwater depth gr adient
减少是因为草本盖度的退化引起的，而在地下水埋深大于6m 之后，植被总盖度几乎等于木本植被盖度，植被盖度不断减少则是由木本植物盖度退化而引起的。
1.3 河岸林植被落退化过程
干旱区内陆河流域荒漠河岸林落退化往往与地下水位变化密切相关。塔里木河下游不同地下水位梯度上，以胡杨为优势种的落其种类组成及木本植物所占比例各不相同，主要胡杨林落有(图2):
∀胡杨林 柽柳 芦苇(Ass.
P op ulus
eup hr atica,T amarix ,P hr agmites communis )。该落位于地下水埋深1~4m 的河岸生境，落垂直结构可分为乔、灌、草三层；草本植物种类较为丰富，芦苇为草本优势种，在水平结构上形成芦苇与胡杨、柽柳之间的斑块镶嵌分布。#胡杨林 柽柳 骆驼刺(A ss.Pop ulus eup hr atica,T ar amix ,A lhagi sp asif olia )。该落位于地下水埋深在4~6m 的河岸生境，落垂直结构可分为乔、灌两层；草本植物丰富度减少，零散分布，其优势种为骆驼刺、花花柴、罗布麻等。落水平结构上表现为复合型分布，如胡杨林 柽柳、黑刺落或胡杨林 罗布麻、骆驼刺 柽柳落。∃盐生灌丛胡杨林(Ass.P op u
lus eup hr atica ,L y cium ruthenicum )或柽柳灌丛胡杨林(A ss.P op ulus eup hratica,T am ar ix )。此落的地下水埋深约6~8m，灌木植物有柽柳(T am arix spp.)、黑刺、铃铛刺等。落垂直结构为乔、灌两层；植被长势较差，草本植物中偶见骆驼刺。%衰退胡杨林(Ass.P op ulus eup hratica )或单一柽柳灌丛(Ass.T am ar ix )。此类落的地下水埋深大于8m，落结构单一，胡杨长势衰败，林下稀疏柽柳。单一柽柳
图2 塔里木河下游两种落衰退演替示意图F ig.2 Declining successio n o f two plant co mmunit ies
in lo wer reaches o f T arim Riv er
1114海子简介
中 国 沙 漠
第28卷
落多分布在远离河道的生境，柽柳长势衰败。
2 生态过程与水文机制研究
干旱区植物生存的水分来源包括地表径流、降水和地下水。由于地表径流一般都具有时空分布的差异性和有限性，因此在大多数情况下，干旱区植被主要利用降水和地下水来维持正常生长[6-10]。
然而，塔里木河下游是我国最干旱的一隅，与其他干旱区相比，塔里木河下游植物生存的水分来源更为缺乏。首先,1970年塔里木河下游河道的断流使河岸林植被失去了地表水源的补充。其次，塔里木河下游降水稀少，多年平均降水量仅为17 4~42 mm，蒸发强烈，气候极为干旱，稀少的降水对植物的生长发育无实际意义[11]。这种情况下，河岸植物生存只能依靠地下水，而地下水在自然和人为影响下又处于不断的波动变化中。因此，荒漠区植被对地下水位响应的研究一直是水文学、土壤学、生态学等学科共同关注的问题。该方面研究对揭示荒漠生态系统演变的水文学机制、理解维持荒漠生态系统的稳定性等方面都有着重要意义。
2.1 生态水位问题
针对干旱荒漠区植被的研究，已发现单纯的地表水灌溉不能改变荒漠植被的水分状况，而保持地下水位稳定才对维持植被正常生长至关重要[12]。
已有研究结果证实[13-21]，植物体在受到干旱胁迫的情况下，其体内的脯氨酸、可溶性糖、丙二醛(MDA)和内源激素(ABA)都会表现出明显的累积现象，同时植物体的酶系统(SOD、POD)活性也会发生显著的变化。因此，对塔里木河下游地区荒漠河岸林落代表物种生态水位的研究，主要运用植物生
理实验方法，通过对不同地下水位条件下植物个体的生理生态响应来揭示植物受胁迫程度，从而确立植物的适宜/胁迫地下水位。研究发现，地下水位埋深较浅时，胡杨、柽柳的各项生理指标变化较小；而随着地下水位埋深的增加，可溶性糖和内源植物激素脱落酸含量呈线性关系增加；同时还发现，在一定强度的水分胁迫下，柽柳的生理过程较胡杨强烈，对地下水位埋深变化更为敏感，胡杨的抗旱性较之为强[22]。各项生理生化指标清晰地表明，胡杨的适宜生态水位为地下水埋深2 0~4 0m；正常生长受到胁迫的水位为地下水埋深4 0~9 0m；地下水埋深&9 0m，则为胡杨的临界地下水位[22]。柽柳与地下水埋深的关系显示，当地下水埋深超过3 12m时，柽柳的生长即开始受到抑制;5m左右的地下水位即对柽柳造成严重胁迫;&8 83m的地下水埋深则会危及柽柳的生存[23-24]。
植物生理生态特性及其对环境因子的响应研究虽然取得了重要的阶段性成果，但目前对植物适应水盐胁迫的生理机制的认识还不够全面。因此，应对塔里木河下游以胡杨、柽柳为主体的植物继续开展光合与水势的野外现场实验监测，并对叶内部结构、组织建成等进行采样分析。揭示荒漠河岸林主要建种胡杨、柽柳对浅层地下水位变化的生理生态和组织结构响应机理，探讨不同植物受水、盐胁迫程度，并结合地下水位监测结果，对塔里木河下游荒漠河岸林落在自然退化、恢复过程中的合理生态水位、胁迫地下水位和临界地下水位等相关问题进行进一步补充和完善。
研究植物的生态水位问题，可以为荒漠河岸林植被最低生态需水量的计算提供数据基础和为以后的生态输水提供决策依据。然而，在进行植被最低生态需水量计算时，所直接面对的都是植被落，即：
不同植物个体的组合，而目前研究所得出的生态水位都是针对具体的、典型的植物个体而言，这样植物个体的生态水位与植被落的生态需水量之间就存在一个尺度转换的问题。对这个问题的解决途径之一，就是在植物个体生态水位研究基础上，对塔里木河下游植被落的生态水位进行研究。虽然，我们不确定植物个体或种间究竟存在何种可能的水分共享或利用机制，然而，我们可以将植被落看作一个整体，对其输入项(地下水位、土壤盐分等)和输出项(数量生态学指标)进行调查和分析，从而得到植被落的合理生态水位。事实上，我们认为基于植被落的生态水位更具有可借鉴性和指导意义。在这方面开展的工作还不够深入，目前，仅限于从落物种多样性、落主要种间的生态位等方面，尝试对落生态水位问题进行解析[25]。后续研究工作中，还应从落结构、稳定性、分布格局以及动态演替与地下水位的关系方面展开。
2.2 生态过程与土壤水分、盐分空间异质性的关系
目前塔里木河下游植被与地下水关系的研究取得了一定进展，然而，我们必须看到在极端干旱的塔里木河下游，除了水分缺乏之外，盐分因素(土壤盐分和地下水矿化度)同样是限制植被生长的主要因素之一。对塔里木河下游地下水化学特征方面的研究表明，地下水埋深在5m左右时，所对应的水质
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第6期李卫红等：干旱区内陆河流域荒漠河岸林落生态过程与水文机制研究
状况最佳，地下水化学组分的含量最低，而此时植被盖度为30%左右，远大于20%的荒漠化临界盖度。并依据这一结果，推论出下游区植被恢复、抑制荒漠化的合理水位区间应在5m以内[26]。然而，地下水位、水质与土壤水分、盐分对植被的影响仍不是很清晰。对塔里木河下游荒漠河岸林落与土壤水分、盐分空间异质性关系的研究需要进一步深化。这方面研究首先要明确土壤水分、盐分变化与河岸林落、种的关系，即不同环境因子组合对应何种荒漠河岸林落类型。并在此研究基础上，通过数学语言，比如采用典范趋势面分析(CTSA)定量地描述植被落空间格局与土壤水分、盐分的关系；阐明落中主要植物种间关系及其水分利用格局。同时，更重要的是在解析生态过程的水文机制时，如何正确评估地下水埋深与土壤水分的关系以及水、盐因子是如何影响植被落生态过程的。最终能够全面的掌握塔里木河下游荒漠河岸林落与环境因子间的耦合关系。
2.3 植物水分利用机制
在塔里木河下游生态恢复的研究中，我们同样也发现在地下水埋深8~10m的梯度下，胀果甘草、罗布麻等草本植物仍有出现，而且相互间具有异常!显著的生态位重叠[27]。这一现象的原因之一，可能就是干旱荒漠区植物落间的水分再分配!效应。具体地讲是在水势差的驱动下水分由根系向土壤中释出的一种双向和被动的水分运移过程，其中既包含水分由深层土壤向表层土壤的释出，也包括由表层土壤向深层土壤的流动，同时还涵盖了水分在水平方向上的侧向运输过程。
到目前为止，全世界已有大量研究实例证实了水分再分配作用的存在，而其中具有水分再分配作用的植物有深根系的，也有浅根系的；有乔木、灌木，也有草本，而它们的共同特点是分布在干旱、半干旱地区或有阶段性土壤干旱的湿润地区。由此推论，水分再分配作用可能是自然界植物普遍存在的一种现象，然而，是否地处内陆干旱区的塔里木河下游的主要乔、灌木间以及乔、灌、草之间也存在类似的水分共享机制尚需进一步研究。如果能够证实塔里木河下游地区广泛的存在类似现象，并能够准确解析水分再分配的格局和数量，那么这将对塔里木河流域水文生态过程的研究产生深远的影响，并对塔里木河下游生态恢复工程以及生态需水量计算等带来全新的视角。3 结语
新疆塔里木河地处内陆干旱区，具有自然资源丰富和生态环境脆弱的双重性特点，以其鲜明的地域特和突出的环境问题著称于世。目前，对塔里木河下游生态水文过程的解读，重点研究了干旱区主要建种对浅层地下水位变化的生理生态响应，确定了主要植物种的合理地下水位、胁迫地下水位和临界地下水位，在一些问题上获得了重要的进展和突破，这些都为塔里木河流域的生态修复和干旱区水资源高效利用与配置提供了科学依据。同时，我们也应看到对这些关键科学问题的认识，仍需要更深入的研究，在植被落生态水位问题、生态过程与土壤水分、盐分异质性的关系，尤其植物水分利用机制等方面还有大量工作亟待开展。
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Ecological Process of Desert Riparian Forest Communities and Its
Hydrological Mechanism of Inland River Basin in Arid Area
LI Wei hong
1,2
,HAO Xing ming
1,2
,QIN Xin wen 3,CHEN Ya ning 1,2,HUANG Xiang
1,2
(1.X inj iang Institute of E cology and G eogr ap hy ,Chinese A cade my of S ciences ,Ur umqi 830011,China ;2.K e y L aborator y of Oasis Ec ology and De sert Env ir on me nts ,X inj iang In stitu te of Ec ology and Geog rap hy ,Chinese A cade my of Science s,Uru mqi 830011,China;3.T arim Riv er Basin M ana gemen t Bur eau ,K ur le 841000,X inj ian g ,China )
Abstract :Ecohydrological processes in arid inland river is becoming the hot issue in geographic and
ecological study and the main contents for the ecological restoration.The ecological restoration in the dry up river of downstream area in T arim river basin has been taken by intermittent water deliveries along the natural riverway.To understand the ecological processes and hydrological mechanism of desert forest communities in the downstream riverside is very important.Based on the study of the reasons for ecological degeneration of the desert forest in the downstream riverside,the paper summarized the researching progress on ecological groundwater depths of typical plants in the downstream area,and elaborated the achievement of the suitable ecological water depths,stress groundwater depths and critical groundwater depths for those plants in the downstream area of Tarim river.The paper also pointed out the relationship among ecological water level of communities,forest communities and the heterogeneity of the soil moisture and soil salinity,and indicated that the using mechanism of moisture content of plants is the key issue for the researching of ecological process of forest communities and water mechanism.
Keywords :ecological processes;ecological groundwater depths;heterogeneity of soil salinity;hydraulic
redistribution;downstream area of Tarim River
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第6期
李卫红等：干旱区内陆河流域荒漠河岸林落生态过程与水文机制研究
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