干旱區(qū)受損生態(tài)系統(tǒng)恢復的科學素質(zhì)分析
1 背景情況
在我國人口、資源和環(huán)境問題日益尖銳的今天，干旱區(qū)以其豐富的土地資源與礦產(chǎn)資源奠定了在我國未來國土資源開發(fā)戰(zhàn)略中舉足輕重的地位。國家已將西北地區(qū)列為21世紀戰(zhàn)略開發(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)開發(fā)等領域部署了一批重大項目。然而，由于西部干旱區(qū)支撐資源開發(fā)的生態(tài)環(huán)境極為脆弱，制約資源利用的自然災害十分頻繁，人類活動誘發(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)境問題日趨嚴重，使資源的開發(fā)利用受到嚴重制約，直接影響我國西部以資源基地建設為中心的經(jīng)濟發(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)生了恢復跡象，是世界范圍內(nèi)流域退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建的稀有案例。
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，涵蓋整個南疆，流域面積1.02×。塔里木河干流全長1372km，其自身不產(chǎn)流，由諸源流匯流而成。由于人類活動與氣候變化等影響，許多源流相繼減少或中斷了對干流的水量補給，目前與干流地表水聯(lián)系密切的只有阿克蘇河、葉爾羌河、和田河和開都—孔雀河，形成“四源一干”的局面。
塔里木河流域經(jīng)過50多年大規(guī)模的水土開發(fā)等人為活動影響，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，到達下游斷面的水量急劇減少。1972年大西海子攔河水庫建成后，基本已無水下泄下游河道，綠色走廊急劇萎縮，臺特瑪湖干涸，大片胡楊林枯死，草叢凋謝，位于河道東西兩側(cè)的庫魯克沙漠和塔克拉瑪干沙漠呈現(xiàn)緊逼的合龍態(tài)勢;3)水質(zhì)呈惡化趨勢。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抗旱能力極強的胡楊、檉柳也難以生存[2]。
1.2 應急輸水概況
從2000年4月至2003年10月，在國家水利部的關心支持下，新疆緊緊抓住開都河天然來水連續(xù)偏豐的有利時機，共完成了五次向塔里木河下游應急輸水。
2 輸水監(jiān)測
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)測試驗工作。完成的主要監(jiān)測試驗工作如下。
2.1 氣象監(jiān)測
選擇若羌縣及鐵干里克氣象站作為代表站，收集下游區(qū)氣象觀測資料，包括蒸發(fā)、氣溫、地溫、氣壓、濕度、日照、風速、降水等。
2.2 地表水監(jiān)測
統(tǒng)計調(diào)查了近50年來塔里木河下游來水情況，以及大西海子水庫以下河道徑流變化情況。在大西海子水庫泄洪閘、英蘇、阿拉干、依干不及麻、臺特瑪湖(入湖涵洞)等五處分別設立了河道地表水監(jiān)測斷面，進行應急輸水期河道的水位、流量監(jiān)測。除常規(guī)的人工觀測水位外，配備自記水位計3臺，增設測橋3座。河道水文測量按照相關的國家規(guī)范規(guī)程要求進行。
2.3 地下水監(jiān)測
在大西海子水庫以下共設置地下水監(jiān)測橫斷面12個，斷面總計長度9.2km，監(jiān)測井77眼，對地下水位和水質(zhì)進行了動態(tài)監(jiān)測。在輸水期每月3次，在停水的間歇期每月1次，在15眼監(jiān)測井安裝了自記水位儀。選擇英蘇、喀爾達依、阿拉干、依干布及麻四個地下水監(jiān)測斷面進行地下水水質(zhì)監(jiān)測，在輸水前、輸水期中、輸水結(jié)束、間歇期中取水樣進行水質(zhì)的八大離子和礦化度分析。
2.4 土壤監(jiān)測
在3個控制斷面中選取11個典型土壤剖面，每個監(jiān)測斷面取樣點不少于3個，其中河床處1個，河岸邊2個。每個取樣點取樣深度為0～30cm、30～100cm、100～200cm，測定土壤鹽分、養(yǎng)分、水分、有機質(zhì)等含量。按土壤層次分層取樣，測定土壤干容重和粒徑組成，并繪制剖面柱狀圖。在三個斷面英蘇、阿拉干、依干不及麻進行土壤含水率監(jiān)測。每個斷面設中子儀監(jiān)測孔2處。除一個監(jiān)測點孔深6m外，其他孔深均為3m。
2.5 自然植被對應急輸水響應的監(jiān)測
對輸水前各斷面植被的種類、分布、生長狀態(tài)、荒漠化狀況進行了調(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急輸水與自然植被響應是監(jiān)測研究的重點，主要開展了以下調(diào)查和測試工作：在河道上、中、下段，選取4處離河道不同距離的胡楊，各取三個樣株，在不同高度和方向采樣，對10項植物生理指標進行測定(2002年)。布設了32處(2002年)、33處(2003年)植被樣方監(jiān)測點。在5個斷面，共取胡楊樣枝135枝，進行年輪測定，分析輸水對胡楊生長的影響和作用。
3 輸水效應分析
3.1 河道水流演進與水量沿程消耗
五次輸水大西海子水庫下泄的1.38×水量中，根據(jù)監(jiān)測，除少部分消耗于河湖水面蒸發(fā)外，絕大部分補給了河道兩側(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—臺特瑪湖消耗水量為2.86×，占20.8%;進入臺特瑪湖水量為0.45×，占3.2%(圖1)。
圖1 五次應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)間單位河長流量損失率(δ)均呈迅速降低并逐漸趨于穩(wěn)定趨勢(圖2)。
圖2 歷次輸水分河段單位河長流量損失率與流量關系圖
Fig.2 Relation between flow loss rate of unit length of river and runoff
根據(jù)這一規(guī)律，可建立起在長期斷流河道實施間歇性輸水的流量演進變化模型，并應用該模型[3]，根據(jù)下游水系及植被狀況，對可能的輸水方案進行了分析預測。結(jié)果表明，采用其文闊爾河、老塔里木河雙河道線狀同時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，預計2010年左右，下游河道地下水補給及各區(qū)間單位河長耗水率將趨于穩(wěn)定;河道自然耗水2.26×，屆時，臺特瑪湖入湖水量將達到1.24×。這表明僅采取
線狀輸水方式不能實現(xiàn)水資源高效利用和合理配置，合理的輸水方式應將線狀與面狀輸水相結(jié)合起來，加大河道區(qū)間耗水量，擴大生態(tài)保護和改善面積。
3.2 河道沿程水量消耗與河道兩側(cè)地下水位恢復的動態(tài)變化
在輸水期間，由于河水位遠高于地下水位，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動增強，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)擴散，即向其初始的水面回歸，其結(jié)果使整個區(qū)域內(nèi)的地下水位差逐漸減小并于再次輸水前達到其階段的最低水位，在上述兩個階段內(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)測斷面不同離河距離地下水位上升/埋深值(表2)。
利用應急輸水前與第五次輸水后的地下水位線，可計算出各斷面不同離河區(qū)間上單位河長地下水補給量，計算成果(表3)。
從表3可以看出，各斷面地下水補給量在三個區(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。
3.3 地下水動態(tài)變化與植被恢復的響應關系
3.3.1 地下水動態(tài)的生態(tài)學解譯
地下水動態(tài)的生態(tài)學解譯主要是根據(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測性的、可能恢復的判定標準。判定結(jié)果(表5)。
3.3.2 胡楊個體對應急輸水的響應
應急輸水四年來對胡楊的橫向影響范圍已達到離河900m。離河不同距離樹木響應應急輸水的時段各不相同。離河200m范圍內(nèi)，應急輸水的第二年即2001年，樹木就有明顯的增長。離河200～500m之間，樹木增長峰值出現(xiàn)在2002年。離河500～900m之間，樹木在應急輸水的第四年(2003年)才出現(xiàn)較快增長的趨勢。
生長量大小是衡量胡楊恢復程度的重要量化指標，從圖3和圖4可以看出，胡楊生長量響應均以2000年為拐點;離河越近生長量越大，相同離河距離上游斷面生長量大于下游斷面;生長量增幅大小與輸水季節(jié)有關，生長季節(jié)輸水對植被恢復具有重要意義;胡楊生長量與輸水時間響應的滯后性有關。
圖3 1995-2003年英蘇斷面不同離河距離樣枝生長量
Fig. 3 Shoot growth of poplar growing at different distances from river at Yingsu section from 1995-2003
圖4 1993-2003年喀爾達依斷面不同離河距離樣枝生長量
Fig. 4 Shoot growth of poplar growing at different distances from river at Kaerda section from 1993-2003
可根據(jù)年生長量大小和相應地下水埋深兩個指標確定胡楊個體健康恢復等級，當?shù)叵滤裆?lt;4m，枝徑年生長量>0.3cm，恢復等級為優(yōu);當?shù)叵滤裆?～6m，枝徑年生長量0.3～0.2cm，恢復等級為良;地下水埋深6～8m時，枝徑年生長量0.2～0.13cm，有恢復響應;地下水埋深>8m，年生長量<0.1cm，恢復響應微弱[5]。
3.3.3 胡楊群體對應急輸水的響應
從植被群落響應看，在離河岸距離50～150m、地下水埋深<4m區(qū)域，胡楊群落開始以萌蘗更新形式有所恢復;在離河300m范圍，地下水埋深<5m區(qū)域，兩岸荒漠植被的種類有了明顯的增加，且胡楊、檉柳等喬灌木植被重新恢復了開花結(jié)實的生殖能力，并存在沿河橫向范圍的開花時間梯度，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)過程已經(jīng)開始。
3.3.4 植被整體對應急輸水的響應
植被種類、長勢、株數(shù)與離河距離呈現(xiàn)良好的負相關。在離河300m范圍內(nèi)，植被的種類明顯多于300m以外的種類。當?shù)叵滤裆?gt;5m，離河距離>300m時，植被長勢呈明顯下降趨勢。離河岸150m范圍以內(nèi)，地下水埋深小于4m，胡楊萌蘗更新苗出現(xiàn)。隨著輸水進程的進行和地下水埋深的抬升，胡楊萌蘗使植被蓋度逐漸增大，荒漠化等級則逐漸降低。
3.4 輸水對地質(zhì)地貌的影響
大西海子水庫以下原屬塔里木河下游的沖積泛濫平原。地表物質(zhì)由細沙和粉沙組成，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。兩個支流在流經(jīng)145km的阿拉干附近匯合。大西海子水庫的建成。使其下游地質(zhì)地貌過程發(fā)生了很大的變化。由風力和水力共同作用變?yōu)閱我坏娘L力作用，加之區(qū)域荒漠植被的加劇退化，風蝕、風積作用不斷加強。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;在阿布達勒和喀爾達依一帶，由于強烈的風蝕作用，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，嚴重影響河水的輸送。河水輸送過程中，河水沿風蝕溝槽下切，側(cè)蝕和溯源侵蝕嚴重，河槽得到較好水力修復，為以后的輸水創(chuàng)造了較好的條件。使輸水過程大為加快。
4 結(jié)論
(1)五次應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)測系統(tǒng)。系統(tǒng)科學地對五次應急輸水后植被恢復與響應的規(guī)律進行研究，全面評價五次輸水植被生態(tài)響應特征及改善效果，對確定生態(tài)保護目標、制定輸水調(diào)度方案及科學系統(tǒng)地評價輸水后的生態(tài)響應效果具有重要的指導意義。今后隨著輸水的不斷進行，綠色走廊生態(tài)環(huán)境的響應也將發(fā)生不斷的變化，監(jiān)測工作應長期堅持、并加以規(guī)范，努力將塔里木河下游建設成為世界上最大的生態(tài)修復試驗示范區(qū)[6]。
(2)五次應急輸水，為塔里木河下游瀕臨死亡的胡楊林等生態(tài)植被補給了水源，遏制了生態(tài)劣變的趨勢，也為全面實施塔里木河流域近期綜合治理贏得了寶貴的時間并積累了寶貴的經(jīng)驗。五次應急輸水的實踐和研究的主要成果表明，只要堅持持續(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年時間，一條郁郁蔥蔥綠色走廊將會重新展現(xiàn)在我們眼前。
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