基于樹木年輪技術的塔里木河下游河岸胡楊林生態需水量研究

周洪華,李衛紅,李玉朋,王玉陽，黃 湘

中國科學院新疆生態與地理研究所,荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011

基于樹木年輪技術的塔里木河下游河岸胡楊林生態需水量研究

周洪華*,李衛紅,李玉朋,王玉陽，黃 湘

中國科學院新疆生態與地理研究所,荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011

生態需水量計算是干旱脆弱生態區恢復重建的一個關鍵問題。分析了塔里木河下游荒漠河岸林關鍵種-胡楊樹木年輪近90年來的變化特征及對氣候水文過程的響應,并基于樹木年輪技術提出了維系荒漠河岸林不同恢復狀態的生態需水量。研究結果表明,塔里木河下游胡楊樹木年輪主要承載的是區域水文歷史變化信息,可以作為定量評估生態輸水工程的生態恢復效應和定量計算植被生態需水量的新指標；胡楊標準年輪寬度指數與生長年生態輸水量呈顯著正相關(P<0.05),近15年生態輸水對胡楊年輪寬度指數增加的平均貢獻率為42.96%；若要維持塔里木河下游英蘇段垂直河道300 m范圍內的胡楊達到近90年來的平均生長水平,則需在生長年下泄生態需水量0.84×108m3,若要達到斷流前(1933—1974年)的平均徑向生長,則每個生長年內生態需水量應達到0.91×108m3。

胡楊；樹木年輪；生態輸水工程；生態需水量

生態需水量系指為了維持某一環境功能或環境目標所需的水資源量[1]。生態需水量是水資源開發利用過程中必須考慮的一個重要水資源需求組分,尤其是在水資源極端匱乏的中國西北內陸河流域,它是脆弱生態區恢復重建的一個關鍵問題[2- 3],但實際水資源配置中這部分水資源的供給往往被政府部門所忽視[4]。近年來,隨著可持續發展和生態文明建設的倡議,天然植被生態需水研究也成為了當前生態學、環境保護和水資源管理的熱點問題[5- 6]。目前生態需水量模型主要基于水量平衡、水熱平衡、水鹽平衡或水沙平衡,沒有涉及生態系統和水文系統的互作機制,也未考慮水分與物種生產力之間的關系,同時這些水文模型采用的數據來源是相互獨立的,由于觀測和實驗數據的時間序列有限,這些水平衡模型無法詮釋水文過程和生態過程的交互作用[4],造成很多研究結果相互悖論。由此可見,尋找長時期、易獲取、可重復、同時承載植物生理過程與水文過程信息的代用資料或材料則成為了天然植被生態需水量精準計算的關鍵。樹木是記錄區域生態環境變化的絕佳檔案[7-8],樹木年輪以定年準確、連續性強、分辨率高和易于獲取復本等獨特優點,已成為研究環境變化的重要代用資料[9]。塔里木河流域由于過去幾十年來生產用水大量擠占生態用水,下游河道長期斷流,荒漠河岸林極度衰敗,具有戰略意義的綠色走廊岌岌可危[10]。荒漠河岸林的主體是胡楊,它是荒漠河岸林的唯一喬木和關鍵建群種,且胡楊根系具有顯著的水力提升能力,群落中草本植物或淺根灌木生長發育的水分來源也主要依賴于胡楊根系提升的水分再分配[11],因而胡楊的存亡決定著荒漠河岸林的存亡。由此可見,在塔里木河下游要估算維持荒漠河岸林的生態需水量,關鍵在于正確計算保證胡楊正常生長發育的生態需水量。基于此,本文通過分析塔里木河下游唯一喬木——胡楊樹木年輪長期生長特征,明確生態輸水量與胡楊木質部生長發育的量化關系,試圖采用樹木年輪技術來定量評估生態輸水對木質部形成的貢獻率并計算維系塔里木河下游荒漠河岸林不同生長狀態的生態需水量,旨在為計算干旱區內陸河流域天然植物生態需水量提供新方法。

1 研究區概況

塔里木河下游為大陸性暖溫帶荒漠干旱氣候,降水稀少,蒸發強烈,年太陽總輻射5692—6360 MJ/m2,年日照時數2780—2980 h,≥10℃的年積溫為4040—4300 ℃,平均日差13—17 ℃左右；平均年降水量在17.4—42.0 mm之間,平均年蒸發量(潛勢)達2500—3000 mm[12]。沿河兩岸以胡楊為主的荒漠河岸林是馳名中外的“綠色走廊”,對阻止沙漠化進程、降低土壤鹽漬化、保護河岸林生態系統的健康發展、維護綠洲的生態安全和持續穩定發展具有舉足輕重的作用[13]。然而,由于水資源利用不合理,尾閭湖泊-羅布泊和臺特瑪湖分別于1970和1972年干涸,下游從大西海子以下至臺特瑪湖共321 km河道于1972年徹底長期斷流。河道斷流使得地下水位大幅下降,由地下水維系的荒漠河岸林大面積退化[13],天然胡楊林面積從20世紀50年代的5.4×104hm2減至目前的不足0.67×104hm2,減幅高達88%,使得林間沙地活化、風蝕沙化作用加強,土地荒漠化過程加劇,至2000年,該區流沙地和鹽堿地面積已分別高達52.71%和12.35%,導致塔克拉瑪干和庫魯克兩大沙漠有合攏趨勢,具有戰略意義的綠色走廊岌岌可危[10]。塔里木河下游已成為了中國西部生態環境最脆弱的區域,由此相繼引發的嚴重生態問題在中國乃至世界范圍都是十分典型的,該區生態恢復與生態安全問題已引起了世界各地和社會各界及政府的高度關注。為拯救綠色走廊,恢復生態和保護環境,中國政府于2000年始斥資107億元組織實施了生態輸水工程。

2 材料與方法

2.1 胡楊樹木年輪樣芯采集

本研究的取樣區域位于英蘇,地處塔里木河下游中段(圖1),2000年始在此斷面垂直于河道布設了7眼地下水監測井,距河道的距離分別為50、150、250、350、450、750、1050 m。由于生態輸水對地下水抬升的影響效應隨距河道距離的增加而減小[14- 15],地下水響應最敏感的是距離河道350 m以內[14]。同時,野外調查發現,距河道300 m內是胡楊分布密度最高的區域。因此,2015年9月采用生長錐(Haglof increment borers,Haglof Inc.,Sweden)鉆取以垂直河道300 m為直徑的圓形取樣區內所有胡楊樹木年輪樣芯,每一樣株在離樹干基部1—1.5 m處取2個樹芯樣品,取樣時避開樹結、分叉及蟲蛀點,兩次取樣相互垂直。由于胡楊木質部腐朽嚴重,對于胸徑超過50 cm而木質部腐爛后僅余≤5 cm的過短樹芯視為無效取樣,共采集有效樹木年輪樣株29棵,合計58個樣芯。

圖1 研究區示意圖Fig.1 The sketch map of study area

2.2 胡楊樹木年輪標準年表建立

樣芯經干燥、固定和打磨,采用骨架法(Skeleton)進行交叉定年,經樹木年輪分析儀(LintabTM6,Germany)測量樣芯年輪寬度,精度為0.001 mm。用Cofecha交叉定年質量控制程序進行交叉定年檢驗和生長量的訂正。年表的建立采用Arstan軟件完成。采用負指數函數或線性回歸進行去趨勢分析,對于去趨勢后與其他序列去趨勢后的趨勢差別很大的個別序列,則采用步長大于總序列長度2/3的樣條函數進行去趨勢,剔除相關性差、序列過短或奇異點過多的個別序列構建塔里木河下游英蘇斷面胡楊標準年表。利用SSS指數(Subsample Signal Strength)大于0.85來確定年表的起始年代和年表序列的可靠性。

2.3 氣候水文數據收集

氣溫和降水數據(1958年建站以來至2010年)來自于塔里木河下游中下段的唯一氣象站-鐵干里克氣象站(距離英蘇斷面約30 km),2000—2015年生態輸水數據來自于塔里木河流域管理局,地下水埋深數據取自2000始布設的地下水監測井(每2—3個月測量一次),將取樣區內的三眼地下水監測井測得的埋深平均值視為英蘇斷面地下水埋深。鑒于環境因素對樹木年輪寬度指數可能有一定的滯后作用,本文在計算氣溫、降水量和生態輸水量時將前一年8月至當年7月的平均值/累計值記為年均值/年累計量,將胡楊年內主要生長期4—7月的平均值/累計值記為生長季平均值/累計值。

2.4 生態輸水對胡楊木質部形成的貢獻率及生態需水量計算

生態輸水對胡楊樹木年輪寬度指數的貢獻率計算采用以下公式：

(1)

基于樹木年輪的植被生態需水量估算方法：將2000—2015年間每年去趨勢后胡楊標準年表寬度指數與斷流期間去趨勢后標準年表多年平均寬度指數之差作為因變量,表征胡楊年輪寬度指數對生態輸水響應的生態效應量,將生長年內有效輸水量作為自變量進行曲線擬合,建立如下回歸方程：

y=0.232x2-0.019x+0.014 (sig.=0.004,R2=0.575)

(2)

其中,y表征生態輸水對胡楊年輪寬度指數的影響量,x為生長年內的生態需水量(×108m3)。

2.5 統計分析方法

采用非參數Mann-Kendall單調趨勢和Mann-Kandall突變檢驗方法檢驗降水和氣溫序列變化趨勢和突變時間；采用滑動t-檢驗確定胡楊年輪寬度指數序列的突變時間。采用SPSS 13.0軟件的單因素方差分析、相關性分析、回歸分析、逐步回歸分析統計胡楊年輪寬度指數與區域氣溫、降水、地下水埋深和生態輸水量的量化關系。

3 結果與分析

3.1 胡楊樹木年輪年表特征

剔除相關性差、序列過短或奇異點過多的10個序列構建了塔里木河下游英蘇斷面胡楊標準年表(圖2A)。年表統計特征顯示(表1),胡楊標準年表的相關系數、平均敏感度和EPS都比較高,表明胡楊對外界環境的敏感度較高,年表序列包含豐富的低頻和高頻環境信息。胡楊標準年表的生長趨勢顯示,1940s胡楊樹木年輪生長較快,1950s樹木年輪寬度呈下降趨勢,1960s呈上升趨勢,1970s—1990s呈下降趨勢,2000后胡楊年輪寬度增加(圖2A)。對胡楊標準年表進行滑動t檢驗,子序列長度為10 a時,胡楊年表有4個突變點,突變時間分別為1957年、1967年、1975年和2000年(圖2B),表明1957—1966的10年間,區域生態環境不利于胡楊生長,1967—1974年間生態環境有好轉趨勢,而1975—1999年之間生態環境再度惡化,2000年生態環境有所改善。

圖2 塔里木河下游英蘇斷面胡楊標準年表(A)和標準年表滑動t檢驗(B)Fig.2 Standard chronology of Populus euphratica (A) and Moving t-test technique of standard chronology of Populus euphratica (B) in Yingsu of the Lower Tarim River

年表特征Characteristics胡楊標準年表StandardchronologiesofPopuluseuphratica(SCP)年表特征Characteristics胡楊標準年表StandardchronologiesofPopuluseuphratica(SCP)樣本量Samplingcoresinchronologies48芯/24樹自相關系數First-orderautocorrelation0.520時段Timespan1933—2015公共區間Commonperiod1955—2015相關系數Seriersintercorrelation0.643信噪比Signal-to-noiseratio(SNR)1.19平均敏感度Meansensitivity0.364總體代表性Expressedpopulationsignal(EPS)0.945標準誤Standarddeviation0.241

樣本數為最終用于年表建立的胡楊樣芯樣本量；時段、公共區間為樣本統計值；敏感度、相關系數、自相關系數、標準誤為去趨勢序列的統計值；EPS、SNR為去趨勢序列在公共區間內的平均統計值。SCP表示英蘇斷面垂直河道0—300 m胡楊標準年表;表中字母含義下同

3.2 胡楊年輪生長與區域環境因素關系

影響樹木生長的生態環境主要為氣候因素和水文過程。在氣候方面,塔里木河下游1958—2010年生長季氣溫有顯著增加趨勢,突變時間為1991年(圖3A)；生長季降水在1958—2010年間并未表現出明顯的突變(圖3B),溫度和降水的突變時間與胡楊標準年表的突變時間并不吻合。Pearson相關分析表明,生長年氣溫、生長季氣溫、生長年降水量和生長季降水量對胡楊年輪寬度指數的影響都不顯著(圖4)；同時,氣溫和降水對地下水埋深的影響也未達到顯著水平(圖4)。這些結果表明,塔里木河下游氣候因素對地下水埋深和胡楊生長均沒有顯著影響。

圖3 塔里木河下游溫度(A)和降水(B)突變點檢驗Fig.3 Mann-Kendall-Sneyers test (P>0.05) of temperature (A) and precipitation (B) in Lower Tarim RiverUf, UB為原時間序列和反序列變化趨勢曲線,|Uf, UB|>1.96表示上升趨勢明顯,|Uf, UB|< 1.96表示下降趨勢明顯

1972年后塔里木河下游321 km全面斷流,河岸胡楊林生存發育主要依賴于地下水,相關分析也證實,地下水埋深與胡楊年輪寬度指數呈顯著負相關(圖4)。然而英蘇斷面胡楊年輪寬度指數在1975年才開始下降,表明胡楊生長對河道斷流有3年的響應滯后期,這證實地下水位在斷流期間是逐漸下降的,經過3年時間英蘇斷面的地下水位就已下降到抑制胡楊生長的水位之下。2000開始,中國政府啟動了拯救塔里木河下游荒漠河岸林的應急生態輸水工程,每年為下游人工泄水,以抬升地下水位。2000至2015年間共實施了22次以拯救塔里木河下游胡楊林為目標的應急生態輸水,其中2000、2001、2003、2005、2010、2011和2013年年內分別實施了2次輸水,16年間累計實現生態輸水51.09×108m3,年內最大輸水量8.23×108m3、最小輸水量為0.11×108m3,14次將水輸送到了-尾閭湖泊-臺特瑪湖。生長年生態輸水量與英蘇年均地下水埋深具有顯著的負相關性(圖4),表明生長年生態輸水有效地促進了地下水埋深的抬升,顯著地改善了塔里木河下游的水環境。然而值得提出的是,自然年生態輸水量與自然年地下水埋深沒有顯著關系,而與滯后1年的地下水埋深呈現極顯著負相關(圖4),表明生態輸水的實施與地下水埋深的抬升之間存在1年的滯后效應。但胡楊標準年輪表僅與當年的地下水埋深呈顯著負相關,與生長年有效生態輸水量呈顯著正相關(圖4,P<0.05),表明生長年有效生態輸水量通過抬升地下水埋深對胡楊木質部徑向增加起著顯著的正向促進效應。

圖4 胡楊年表與生態環境指標(A)、地下水埋深與生態環境指標(B)及地下水埋深滯后1年與生態環境指標(C)的相關性分析Fig.4 Pearson correlations between ecological-environmental factors and standard chronology of Populus euphraticain (A), and grondwater depths (B) as well as grondwater depths on 1-year time lag (C) in Yingsu Section of Lower Tarim Rive1:生長季氣溫 Average temperature of growth season; 2:生長年氣溫 Average temperature of growth year; 3:生長季降水Average precipitation of growth season; 4:生長年降水Average precipitation of growth year;5:地下水埋深 Average groundwater depth; 6:地下水埋深滯后1年Average groundwater depth on a 1-year time lag;7:自然年生態 輸水量Ecological water conveyance; 8:生長年生態 輸水量Ecological water conveyance of growth year.

圖5 2000—2015塔河下游生長年生態輸水量 Fig.5 Ecological water conveyance of growth year from 2000—2015 in the Lower Tarim River

由此可見,塔里木河下游胡楊的生長與區域水環境變化過程密切相關,樹木年輪主要承載的是區域水文環境的歷史變化信息,可以作為定量評估生態輸水工程的生態恢復效應和定量計算植被生態需水量的新指標。

3.3 生態輸水對胡楊年輪寬度指數的貢獻率及胡楊林生態需水量計算

為定量辨別生態輸水量對胡楊木質部生長的貢獻率,分別統計了2000—2015年生長年生態輸水量(圖5),生態輸水期間(2000—2015年)多年平均年輪寬度指數(1.158)和斷流期間(1975—1999年)多年平均年輪寬度指數(0.810),經方程(1)計算顯示,生態輸水后胡楊年輪寬度指數較斷流期間平均增加了0.348,即生態輸水對塔里木河下游英蘇斷面胡楊樹木年輪寬度增加的平均貢獻率為42.96%；以斷流期間多年平均年輪寬度指數為未實施生態輸水的基準值,則2000—2015年間生態輸水對胡楊木質部形成的貢獻率范圍在-5.56%—142.96%之間(表2),其中,負值意味著生態輸水的持續中斷可能會導致胡楊加速衰敗,造成生長速率快速下降,甚至低于1975—1999年斷流期間的平均水平。結合圖5和表2可知,如遇到特大洪水季或連續洪水年、豐水年,可根據地下水埋深抬升的滯后效應和樹木年輪對河道斷流的滯后效應,采取某些生長年內進行1次或連續特大量的生態輸水,在接下來的一個干旱或枯水生長年內不再進行生態輸水,已抬升的地下水埋深足夠滿足次年的植物生長發育,如2012年的生長年內共輸入生態水11.15×108m3后,盡管2013年生長年輸水并不多(僅0.14×108m3),但胡楊年輪寬度指數仍保持較高；再如2015年生長年內并未進行生態輸水(0×108m3),但因2014年生長年有較大量的水量下泄(4.78×108m3),胡楊在2015年仍保持著較快的徑向生長。然而,2008—2010年連續中斷生態輸水后,使得2009年和2010年胡楊樹木徑向生長重歸緩慢,甚至低于斷流期間的平均生長速率,表明即使在某一次或連續輸水使得地下水埋深得到了較大提升,后期生態輸水的中斷期也不能連續超過2年,否則植被生長又將嚴重受抑。

表2 生態輸水對塔里木河下游胡楊木質部形成的貢獻率

以上分析結果表明生長年內有效輸水量是保證胡楊木質部生長的關鍵影響因素。那么,為維持胡楊正常的生長,每一生長年內需要從大西海子下泄多少生態水量呢？通過方程(2)計算,如果要保證塔里木河下游英蘇斷面胡楊維持多年(1933—2015年)平均徑向生長(樹木年輪寬度指數0.972),則每年需下泄生態水量0.84×108m3；如果要保證塔里木河下游英蘇斷面胡楊達到斷流前(1933—1974年)的平均徑向生長(樹木年輪寬度指數0.997),則每年需下泄生態水量0.91×108m3。

4 討論與結論

4.1 塔里木河下游胡楊樹木年輪承載的環境信息

胡楊作為塔里木河下游荒漠河岸林的唯一喬木,見證了塔里木河下游生態環境變遷的全過程,是記錄生態環境變化的絕佳“檔案”,其生長發育更能直接反應區域生態恢復的效應[16-17]。王振錫等[16]提出塔里木河下游胡楊樹木年輪承載著區域水環境歷史變遷信息；徐海量等[12]、安紅燕等[18]、劉海蘭等[19]及Yu等[20]發現生態輸水與胡楊木質部徑向生長有密切關系；Schilling等[17]也指出胡楊樹木年輪寬度可以作為構建地下水-地表水-植物互作模型的有效參數。本文通過突變分析和相關性分析發現,塔里木河下游溫度和降水突變時間與胡楊標準年表突變時間不一致(圖2,圖3),氣溫和降水與年輪寬度指數相關性并不顯著(圖4),且氣溫和降水與地下水埋深相關性也并不顯著(圖4),但地下水埋深和生態輸水量與胡楊年輪年表均呈顯著相關(圖4),這進一步證實塔里木河下游胡楊樹木年輪并不適宜于重建和反演長時期的氣溫和降水,胡楊木質部最主要承載的是區域水文環境的歷史變化信息,因而,胡楊樹木年輪可以作為評估塔里木河下游長時期內地下水埋深變化和生態輸水對植被恢復的生態效應的新指標。

4.2 塔里木河下游胡楊年輪對生態輸水的量化響應

生態輸水對塔里木河下游胡楊樹木年輪寬度增加有積極的促進作用[20-22],本文研究結果也證實了這一結論。滑動t檢驗顯示,塔里木河下游英蘇斷面胡楊年輪標準年表在2000年開始實施生態輸水工程后發生了突變,2000年后年輪寬度指數顯著增加。生態輸水主要是通過抬升地下水埋深、改善區域水環境來促進胡楊木質部生長的,但生態輸水與地下水抬升存在時滯性[14-15],本文也發現自然年生態輸水與地下水埋深的抬升有1年的滯后效應(圖4),且胡楊當年年輪寬度與當年自然年生態輸水量關系不顯著,僅與生長年有效生態輸水量呈顯著正相關(圖4),這與Hao等[23]研究提出的塔里木河下游植被NDVI對地下水埋深的響應有1年滯后結論是基本一致的。因此,研究認為在分析生態輸水的植被恢復生態效應評估時不能用自然年的生態輸水量,而要用生長年有效生態輸水量。生長年有效生態輸水的實施使得塔里木河下游英蘇斷面胡楊木質部年均寬度指數較斷流區間增加了0.348,生長年有效生態輸水對胡楊年輪寬度指數增加的平均貢獻率為42.96%。

4.3 塔里木河下游英蘇荒漠河岸林生態輸水量的確定

西北干旱區荒漠植被生態需水量的確定一直是荒漠植被生態系統研究的熱點[4]。Fu等[24]用地下水儲量、水平衡法結合遙感解譯的自然植被面積,計算得出黑河下游自然植被的生態需水量是3.91×108—4.05×108m3；Zhang[25]用潛水蒸散發模型和地下水平衡模型計算提出為維持黑河下游哨馬營斷面的自然植被恢復和穩定的地下水埋深,在2020和2030年每年需要生態需水量6.35×108m3；在塔里木河下游,Ye等[26- 27]通過潛水蒸發模型,認為2005年塔里木河下游荒漠河岸林自然植被的生態需水量是2.4×108m3,同時Ye等[28]通過模擬塔里木河下游生態輸水后地下水埋深的變化,提出維持距河道500、1000、1500、2000 m受損生態系統恢復的需水量分別為1.61×108、2.48×108、3.19×108m3、3.82×108m3。這些生態需水的計算方法主要采用水量平衡模型,沒有涉及生態系統和水文系統的互制機制,沒有考慮水分與物種生產力之間的關系,缺乏兼顧植物生理、生態和水文物理過程的系統的定量分析方法[4]。另外,這些生態模型、水文模型或土壤水分模型采用的數據來源是相互獨立的,由于觀測和實驗數據的有限,這些水平衡模型無法詮釋水文過程和生態過程的交互作用。樹木年輪同時承載著植物生理過程與水文過程信息,為正確計算植物生態需水量提供了新的指標。胡楊是荒漠河岸林的唯一喬木和關鍵建群種,胡楊林生態需水量基本能代表荒漠河岸林的生態需水量。通過對胡楊樹木年輪在生態輸水前后的生長差異與輸水量關系的建模,計算發現如果要保證塔里木河下游英蘇斷面垂直河道300 m范圍內胡楊平均徑向生長達到近90年的(1933—2015年)生長速率,每一生長年需從大西海子為下游下泄生態需水量0.84×108m3；如果要保證垂直河道300 m范圍內胡楊達到斷流前(1933—1974年)的平均徑向生長,則每一生長年下泄生態需水量0.91×108m3。這個數值比Ye等[28]的計算結果小,除計算方法差異外,其可能原因還包括前者計算的是維持整個下游荒漠河岸林的生態需水,而我們的結果僅是維持大西海子到英蘇斷面荒漠河岸林的生態需水。

研究顯示,胡楊具有顯著的根系水力提升能力,能通過主根和側根將深層土壤水和地下水提升釋放在離胡楊主干4 m范圍內的60—120 cm淺土層[11],這些淺土層的土壤水分正好可以供給草本植物或淺根灌木生長發育。一般而言,在塔里木河下游,胡楊生長的適宜生態水位是2—4 m,脅迫水位是6 m,限制胡楊生長的極限地下水埋深>8 m[29-31],而胡楊根系在垂直方向上主要集中在120—170 cm[32],野外調查發現其主根系甚至可深達6 m以上。同位素研究還顯示,胡楊根系吸水主要來源于375 cm以下的地下水[33]。因而,根據胡楊根系分布特征和水分吸收特點,研究建議在地下水埋深降至4—6 m時應及時進行生態輸水,以抬升地下水埋深保證胡楊根系能正常吸收到水分。

綜上所述,本文提出了采用胡楊樹木年輪作為定量評估生態輸水的植被恢復效應和生態需水量計算的新指標,為定量計算干旱區斷流河道天然植被生態需水量和未來研究植被生理——生態過程與水文過程互作機制提供了一個技術方法。但本文計算結果是基于僅保護大西海子水庫到英蘇斷面距河道300 m范圍內胡楊林,并不是涵括整個塔里木河下游區域,因此今后還需進一步擴大研究區域范圍,為塔里木河流域水資源管理和生態輸水工程的科學實施提供更為詳盡和科學的數據支撐。

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EstimationofecologicalwaterdemandofadesertriparianforestusingtreeringsofPopuluseuphraticaintheLowerTarimRiver

ZHOU Honghua*, LI Weihong, LI Yupeng, WANG Yuyang, HUANG Xiang

StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China

Estimation of the ecological water demand of natural plants is a key issue for the restoration and reconstruction of a fragile ecological region in arid areas. Tree rings ofPopuluseuphraticain the Yingsu section of the lower reaches of the Tarim River and their responses to climate change and hydrological conditions were analyzed using the nonparametric Mann-Kendall trend test, Mann-Kendall-Sneyers test, moving t-test, one-way ANOVA, and Pearson correlation. The ecological water demand of a desert riparian forest in the Yingsu section was then estimated based on the tree ring characteristics using regression and stepwise regression models. The results showed that the abrupt temporal changes of temperature and precipitation were different from that of the standard chronology ofP.euphraticain the lower reaches of the Tarim River. Moreover, there was no significant relationship between temperature and standard chronology ofP.euphraticaor between precipitation and standard chronology ofP.euphraticain the lower reaches of the Tarim River. The Pearson correlation analysis also revealed no significant relationship between temperature and groundwater depth or between precipitation and groundwater depth in the lower reaches of the Tarim River. However, the width indexes of tree rings ofP.euphraticawere significantly and negatively related to the groundwater depth, and they were significantly and positively related to the amount of ecologically conveyed water from August to July in the Yingsu section of the lower reaches of the Tarim River. These results proved that historical information regarding water conditions could be accurately reproduced by the tree rings ofP.euphraticain the lower reaches of the Tarim River. Therefore, the tree rings ofP.euphraticacould be used for quantitatively assessing the restoration effects of ecological water conveyance to desert riparian forests and calculating the ecological water demand for natural vegetation in the lower reaches of the Tarim River. The average contribution of ecological water conveyance to the increased tree ring width index was 42.96% in the Yingsu section of the lower reaches of the Tarim River. Estimated from the equation of the tree rings ofP.euphraticaand the amount of ecologically conveyed water, an annual ecological water conveyance of 0.84 × 108m3was expected to maintain the average growth (i.e., average tree ring index of 0.997 during 1933—2015) ofP.euphraticain the Yingsu section within a distance of 300 m to the river channel in the lower reaches of the Tarim River. Furthermore, an annual water conveyance of 0.91 × 108m3was estimated to keepP.euphraticaat an average radial growth rate of 0.972 during the period of 1933—1974 (i.e., before the main channel of the Tarim river near Yingsu section dried up).

Populuseuphratica; chronology; ecological water conveyance; ecological water demand

新疆青年科技創新人才培養工程( 201472035)；國家自然科學基金(41271006)；國家支撐計劃項目(2014BAC15B02)

2016- 09- 21; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 07- 12

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhouhh@ms.xjb.ac.cn

10.5846/stxb201609211901

周洪華,李衛紅,李玉朋,王玉陽,黃湘.基于樹木年輪技術的塔里木河下游河岸胡楊林生態需水量研究.生態學報,2017,37(22):7576- 7584.

Zhou H H, Li W H, Li Y P, Wang Y Y, Huang X.Estimation of ecological water demand of a desert riparian forest using tree rings ofPopuluseuphraticain the Lower Tarim River.Acta Ecologica Sinica,2017,37(22):7576- 7584.