干旱區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的科學(xué)素質(zhì)分析
1 背景情況
在我國(guó)人口、資源和環(huán)境問(wèn)題日益尖銳的今天，干旱區(qū)以其豐富的土地資源與礦產(chǎn)資源奠定了在我國(guó)未來(lái)國(guó)土資源開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略中舉足輕重的地位。國(guó)家已將西北地區(qū)列為21世紀(jì)戰(zhàn)略開(kāi)發(fā)的后備基地，賦予了加大投資等傾斜度較大的優(yōu)惠政策;在水利、交通、能源和礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域部署了一批重大項(xiàng)目。然而，由于西部干旱區(qū)支撐資源開(kāi)發(fā)的生態(tài)環(huán)境極為脆弱，制約資源利用的自然災(zāi)害十分頻繁，人類(lèi)活動(dòng)誘發(fā)的土地荒漠化、土壤鹽漬化、草地退化、河流流程縮短、湖泊干涸、萎縮、泥沙含量增加、河湖水礦化度增加、河湖水質(zhì)惡化、生物多樣性減少等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，使資源的開(kāi)發(fā)利用受到嚴(yán)重制約，直接影響我國(guó)西部以資源基地建設(shè)為中心的經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局和綠洲生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性。
塔里木河下游357km河道斷流近30年后，經(jīng)輸水使其生態(tài)產(chǎn)生了恢復(fù)跡象，是世界范圍內(nèi)流域退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建的稀有案例。
1.1 塔里木河流域概況
塔里木河流域是環(huán)塔里木盆地諸多向心水系的總稱(chēng)，涵蓋整個(gè)南疆，流域面積1.02×。塔里木河干流全長(zhǎng)1372km，其自身不產(chǎn)流，由諸源流匯流而成。由于人類(lèi)活動(dòng)與氣候變化等影響，許多源流相繼減少或中斷了對(duì)干流的水量補(bǔ)給，目前與干流地表水聯(lián)系密切的只有阿克蘇河、葉爾羌河、和田河和開(kāi)都—孔雀河，形成“四源一干”的局面。
塔里木河流域經(jīng)過(guò)50多年大規(guī)模的水土開(kāi)發(fā)等人為活動(dòng)影響，水環(huán)境發(fā)生了很大變化，其主要表現(xiàn)為：1)各源流用水量增加，匯入干流的水量逐漸減少;2)干流上中游耗水量增加，到達(dá)下游斷面的水量急劇減少。1972年大西海子攔河水庫(kù)建成后，基本已無(wú)水下泄下游河道，綠色走廊急劇萎縮，臺(tái)特瑪湖干涸，大片胡楊林枯死，草叢凋謝，位于河道東西兩側(cè)的庫(kù)魯克沙漠和塔克拉瑪干沙漠呈現(xiàn)緊逼的合龍態(tài)勢(shì);3)水質(zhì)呈惡化趨勢(shì)。上中游河道水質(zhì)除8月礦化度<1.0g/L外，其他月份一般>1.0g/L，下游地下水絕大部分是礦化度>5.0g/L的咸水[1];4)下游河道長(zhǎng)期斷流，地下水位持續(xù)下降。在沿河道兩側(cè)2km范圍內(nèi)，地下水埋深大于8m的分布面積占研究區(qū)總面積1889的83.2%，這一地下水埋深就是對(duì)抗旱能力極強(qiáng)的胡楊、檉柳也難以生存[2]。
1.2 應(yīng)急輸水概況
從2000年4月至2003年10月，在國(guó)家水利部的關(guān)心支持下，新疆緊緊抓住開(kāi)都河天然來(lái)水連續(xù)偏豐的有利時(shí)機(jī)，共完成了五次向塔里木河下游應(yīng)急輸水。
2 輸水監(jiān)測(cè)
以河道輸水→地下水、土壤水→自然植被為研究主線，布置安排監(jiān)測(cè)試驗(yàn)工作。完成的主要監(jiān)測(cè)試驗(yàn)工作如下。
2.1 氣象監(jiān)測(cè)
選擇若羌縣及鐵干里克氣象站作為代表站，收集下游區(qū)氣象觀測(cè)資料，包括蒸發(fā)、氣溫、地溫、氣壓、濕度、日照、風(fēng)速、降水等。
2.2 地表水監(jiān)測(cè)
統(tǒng)計(jì)調(diào)查了近50年來(lái)塔里木河下游來(lái)水情況，以及大西海子水庫(kù)以下河道徑流變化情況。在大西海子水庫(kù)泄洪閘、英蘇、阿拉干、依干不及麻、臺(tái)特瑪湖(入湖涵洞)等五處分別設(shè)立了河道地表水監(jiān)測(cè)斷面，進(jìn)行應(yīng)急輸水期河道的水位、流量監(jiān)測(cè)。除常規(guī)的人工觀測(cè)水位外，配備自記水位計(jì)3臺(tái)，增設(shè)測(cè)橋3座。河道水文測(cè)量按照相關(guān)的國(guó)家規(guī)范規(guī)程要求進(jìn)行。
2.3 地下水監(jiān)測(cè)
在大西海子水庫(kù)以下共設(shè)置地下水監(jiān)測(cè)橫斷面12個(gè)，斷面總計(jì)長(zhǎng)度9.2km，監(jiān)測(cè)井77眼，對(duì)地下水位和水質(zhì)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在輸水期每月3次，在停水的間歇期每月1次，在15眼監(jiān)測(cè)井安裝了自記水位儀。選擇英蘇、喀爾達(dá)依、阿拉干、依干布及麻四個(gè)地下水監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)，在輸水前、輸水期中、輸水結(jié)束、間歇期中取水樣進(jìn)行水質(zhì)的八大離子和礦化度分析。
2.4 土壤監(jiān)測(cè)
在3個(gè)控制斷面中選取11個(gè)典型土壤剖面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面取樣點(diǎn)不少于3個(gè)，其中河床處1個(gè)，河岸邊2個(gè)。每個(gè)取樣點(diǎn)取樣深度為0～30cm、30～100cm、100～200cm，測(cè)定土壤鹽分、養(yǎng)分、水分、有機(jī)質(zhì)等含量。按土壤層次分層取樣，測(cè)定土壤干容重和粒徑組成，并繪制剖面柱狀圖。在三個(gè)斷面英蘇、阿拉干、依干不及麻進(jìn)行土壤含水率監(jiān)測(cè)。每個(gè)斷面設(shè)中子儀監(jiān)測(cè)孔2處。除一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)孔深6m外，其他孔深均為3m。
2.5 自然植被對(duì)應(yīng)急輸水響應(yīng)的監(jiān)測(cè)
對(duì)輸水前各斷面植被的種類(lèi)、分布、生長(zhǎng)狀態(tài)、荒漠化狀況進(jìn)行了調(diào)查，并結(jié)合遙感資料解譯，確定了輸水前的植被本底狀況下游應(yīng)急輸水與自然植被響應(yīng)是監(jiān)測(cè)研究的重點(diǎn)，主要開(kāi)展了以下調(diào)查和測(cè)試工作：在河道上、中、下段，選取4處離河道不同距離的胡楊，各取三個(gè)樣株，在不同高度和方向采樣，對(duì)10項(xiàng)植物生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定(2002年)。布設(shè)了32處(2002年)、33處(2003年)植被樣方監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在5個(gè)斷面，共取胡楊樣枝135枝，進(jìn)行年輪測(cè)定，分析輸水對(duì)胡楊生長(zhǎng)的影響和作用。
3 輸水效應(yīng)分析
3.1 河道水流演進(jìn)與水量沿程消耗
五次輸水大西海子水庫(kù)下泄的1.38×水量中，根據(jù)監(jiān)測(cè)，除少部分消耗于河湖水面蒸發(fā)外，絕大部分補(bǔ)給了河道兩側(cè)的地下水。從沿程各河段區(qū)間水量消耗的分布情況看，大西海子—阿拉干消耗水量為1.049×，占總水量的76%;阿拉干—臺(tái)特瑪湖消耗水量為2.86×，占20.8%;進(jìn)入臺(tái)特瑪湖水量為0.45×，占3.2%(圖1)。
圖1 五次應(yīng)急輸水下游河道水量消耗沿程分布圖
Fig. 1 Water consumption along the downstream of river after 5 emergency water supplies
從五次輸水情況看，隨著輸水次數(shù)的增加，河道兩側(cè)地下水位逐漸升高，土壤含水率增加，各區(qū)間單位河長(zhǎng)流量損失率(δ)均呈迅速降低并逐漸趨于穩(wěn)定趨勢(shì)(圖2)。
圖2 歷次輸水分河段單位河長(zhǎng)流量損失率與流量關(guān)系圖
Fig.2 Relation between flow loss rate of unit length of river and runoff
根據(jù)這一規(guī)律，可建立起在長(zhǎng)期斷流河道實(shí)施間歇性輸水的流量演進(jìn)變化模型，并應(yīng)用該模型[3]，根據(jù)下游水系及植被狀況，對(duì)可能的輸水方案進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，采用其文闊爾河、老塔里木河雙河道線狀同時(shí)輸水的方案較為合理可行，即：根據(jù)《塔里木河流域近期綜合治理規(guī)劃》確定的，確保多年平均向大西海子水庫(kù)下游河道下泄水量3.5×，輸水150d，平均輸水流量27/s;在每年持續(xù)輸水的條件下，預(yù)計(jì)2010年左右，下游河道地下水補(bǔ)給及各區(qū)間單位河長(zhǎng)耗水率將趨于穩(wěn)定;河道自然耗水2.26×，屆時(shí)，臺(tái)特瑪湖入湖水量將達(dá)到1.24×。這表明僅采取
線狀輸水方式不能實(shí)現(xiàn)水資源高效利用和合理配置，合理的輸水方式應(yīng)將線狀與面狀輸水相結(jié)合起來(lái)，加大河道區(qū)間耗水量，擴(kuò)大生態(tài)保護(hù)和改善面積。
3.2 河道沿程水量消耗與河道兩側(cè)地下水位恢復(fù)的動(dòng)態(tài)變化
在輸水期間，由于河水位遠(yuǎn)高于地下水位，河道兩側(cè)局部范圍內(nèi)的水力坡度迅速增大，在其作用下，地下水由河中心向兩側(cè)及下游方向的徑流排泄運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，河道兩側(cè)300m范圍內(nèi)的地下水位回升較快，而在離河道較遠(yuǎn)處的區(qū)域則表現(xiàn)出了一定的滯后性。在輸水的間隔期，以河道為中心的地下水峰，在水力坡度的作用下向兩側(cè)擴(kuò)散，即向其初始的水面回歸，其結(jié)果使整個(gè)區(qū)域內(nèi)的地下水位差逐漸減小并于再次輸水前達(dá)到其階段的最低水位，在上述兩個(gè)階段內(nèi)，還伴隨著地表水和地下水的蒸發(fā)與蒸騰消耗。五次輸水后各主要監(jiān)測(cè)斷面不同離河距離地下水位上升/埋深值(表2)。
利用應(yīng)急輸水前與第五次輸水后的地下水位線，可計(jì)算出各斷面不同離河區(qū)間上單位河長(zhǎng)地下水補(bǔ)給量，計(jì)算成果(表3)。
從表3可以看出，各斷面地下水補(bǔ)給量在三個(gè)區(qū)間上依次遞減，并且隨著輸水次數(shù)的增加呈現(xiàn)60%：30%：10%的分布趨勢(shì)。
3.3 地下水動(dòng)態(tài)變化與植被恢復(fù)的響應(yīng)關(guān)系
3.3.1 地下水動(dòng)態(tài)的生態(tài)學(xué)解譯
地下水動(dòng)態(tài)的生態(tài)學(xué)解譯主要是根據(jù)地下水位抬升，分析生態(tài)植被可能恢復(fù)的程度，各種植物的脅迫地下水埋深和荒漠化警戒地下水埋深是一種預(yù)測(cè)性的、可能恢復(fù)的判定標(biāo)準(zhǔn)。判定結(jié)果(表5)。
3.3.2 胡楊個(gè)體對(duì)應(yīng)急輸水的響應(yīng)
應(yīng)急輸水四年來(lái)對(duì)胡楊的橫向影響范圍已達(dá)到離河900m。離河不同距離樹(shù)木響應(yīng)應(yīng)急輸水的時(shí)段各不相同。離河200m范圍內(nèi)，應(yīng)急輸水的第二年即2001年，樹(shù)木就有明顯的增長(zhǎng)。離河200～500m之間，樹(shù)木增長(zhǎng)峰值出現(xiàn)在2002年。離河500～900m之間，樹(shù)木在應(yīng)急輸水的第四年(2003年)才出現(xiàn)較快增長(zhǎng)的趨勢(shì)。
生長(zhǎng)量大小是衡量胡楊恢復(fù)程度的重要量化指標(biāo)，從圖3和圖4可以看出，胡楊生長(zhǎng)量響應(yīng)均以2000年為拐點(diǎn);離河越近生長(zhǎng)量越大，相同離河距離上游斷面生長(zhǎng)量大于下游斷面;生長(zhǎng)量增幅大小與輸水季節(jié)有關(guān)，生長(zhǎng)季節(jié)輸水對(duì)植被恢復(fù)具有重要意義;胡楊生長(zhǎng)量與輸水時(shí)間響應(yīng)的滯后性有關(guān)。
圖3 1995-2003年英蘇斷面不同離河距離樣枝生長(zhǎng)量
Fig. 3 Shoot growth of poplar growing at different distances from river at Yingsu section from 1995-2003
圖4 1993-2003年喀爾達(dá)依斷面不同離河距離樣枝生長(zhǎng)量
Fig. 4 Shoot growth of poplar growing at different distances from river at Kaerda section from 1993-2003
可根據(jù)年生長(zhǎng)量大小和相應(yīng)地下水埋深兩個(gè)指標(biāo)確定胡楊個(gè)體健康恢復(fù)等級(jí)，當(dāng)?shù)叵滤裆?lt;4m，枝徑年生長(zhǎng)量>0.3cm，恢復(fù)等級(jí)為優(yōu);當(dāng)?shù)叵滤裆?～6m，枝徑年生長(zhǎng)量0.3～0.2cm，恢復(fù)等級(jí)為良;地下水埋深6～8m時(shí)，枝徑年生長(zhǎng)量0.2～0.13cm，有恢復(fù)響應(yīng);地下水埋深>8m，年生長(zhǎng)量<0.1cm，恢復(fù)響應(yīng)微弱[5]。
3.3.3 胡楊群體對(duì)應(yīng)急輸水的響應(yīng)
從植被群落響應(yīng)看，在離河岸距離50～150m、地下水埋深<4m區(qū)域，胡楊群落開(kāi)始以萌蘗更新形式有所恢復(fù);在離河300m范圍，地下水埋深<5m區(qū)域，兩岸荒漠植被的種類(lèi)有了明顯的增加，且胡楊、檉柳等喬灌木植被重新恢復(fù)了開(kāi)花結(jié)實(shí)的生殖能力，并存在沿河橫向范圍的開(kāi)花時(shí)間梯度，表明植被生態(tài)系統(tǒng)已重新趨于活躍，胡楊種群的自然延續(xù)過(guò)程已經(jīng)開(kāi)始。
3.3.4 植被整體對(duì)應(yīng)急輸水的響應(yīng)
植被種類(lèi)、長(zhǎng)勢(shì)、株數(shù)與離河距離呈現(xiàn)良好的負(fù)相關(guān)。在離河300m范圍內(nèi)，植被的種類(lèi)明顯多于300m以外的種類(lèi)。當(dāng)?shù)叵滤裆?gt;5m，離河距離>300m時(shí)，植被長(zhǎng)勢(shì)呈明顯下降趨勢(shì)。離河岸150m范圍以?xún)?nèi)，地下水埋深小于4m，胡楊萌蘗更新苗出現(xiàn)。隨著輸水進(jìn)程的進(jìn)行和地下水埋深的抬升，胡楊萌蘗使植被蓋度逐漸增大，荒漠化等級(jí)則逐漸降低。
3.4 輸水對(duì)地質(zhì)地貌的影響
大西海子水庫(kù)以下原屬塔里木河下游的沖積泛濫平原。地表物質(zhì)由細(xì)沙和粉沙組成，抗蝕能力弱，地表為游蕩性辨狀水系，河曲發(fā)育。河床坡緩、寬淺。在大西海子以下，塔里木河分為兩支。西側(cè)一支為老塔里木河，東側(cè)一支為齊文闊爾河。兩個(gè)支流在流經(jīng)145km的阿拉干附近匯合。大西海子水庫(kù)的建成。使其下游地質(zhì)地貌過(guò)程發(fā)生了很大的變化。由風(fēng)力和水力共同作用變?yōu)閱我坏娘L(fēng)力作用，加之區(qū)域荒漠植被的加劇退化，風(fēng)蝕、風(fēng)積作用不斷加強(qiáng)。在阿克墩一帶可以看到較好的“V”型河床;而在亞合甫馬汗以下，河床形態(tài)呈不規(guī)則的變化;在阿布達(dá)勒和喀爾達(dá)依一帶，由于強(qiáng)烈的風(fēng)蝕作用，河床形態(tài)呈現(xiàn)為淺而寬緩的“U”型。并有多處河床被積沙擠占，嚴(yán)重影響河水的輸送。河水輸送過(guò)程中，河水沿風(fēng)蝕溝槽下切，側(cè)蝕和溯源侵蝕嚴(yán)重，河槽得到較好水力修復(fù)，為以后的輸水創(chuàng)造了較好的條件。使輸水過(guò)程大為加快。
4 結(jié)論
(1)五次應(yīng)急輸水緊緊把握河道輸水—地下水、土壤水—自然生態(tài)植被、植被個(gè)體與群體等相互聯(lián)系的主線索，在塔里木河下游建立了較完善的水環(huán)境與植被生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)科學(xué)地對(duì)五次應(yīng)急輸水后植被恢復(fù)與響應(yīng)的規(guī)律進(jìn)行研究，全面評(píng)價(jià)五次輸水植被生態(tài)響應(yīng)特征及改善效果，對(duì)確定生態(tài)保護(hù)目標(biāo)、制定輸水調(diào)度方案及科學(xué)系統(tǒng)地評(píng)價(jià)輸水后的生態(tài)響應(yīng)效果具有重要的指導(dǎo)意義。今后隨著輸水的不斷進(jìn)行，綠色走廊生態(tài)環(huán)境的響應(yīng)也將發(fā)生不斷的變化，監(jiān)測(cè)工作應(yīng)長(zhǎng)期堅(jiān)持、并加以規(guī)范，努力將塔里木河下游建設(shè)成為世界上最大的生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)示范區(qū)[6]。
(2)五次應(yīng)急輸水，為塔里木河下游瀕臨死亡的胡楊林等生態(tài)植被補(bǔ)給了水源，遏制了生態(tài)劣變的趨勢(shì)，也為全面實(shí)施塔里木河流域近期綜合治理贏得了寶貴的時(shí)間并積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。五次應(yīng)急輸水的實(shí)踐和研究的主要成果表明，只要堅(jiān)持持續(xù)向下游河道輸水，加之人為合理的輔助保障措施，再用5～6年時(shí)間，一條郁郁蔥蔥綠色走廊將會(huì)重新展現(xiàn)在我們眼前。
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