徐夢辰,陳永金, 劉加珍,王 丹,劉亞琦
聊城大學環(huán)境與規(guī)劃學院,聊城 252059
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塔里木河中游水文影響下的胡楊種群格局動態(tài)
徐夢辰,陳永金*, 劉加珍,王丹,劉亞琦
聊城大學環(huán)境與規(guī)劃學院,聊城252059
摘要:在利用環(huán)境同位素技術與多年徑流量數(shù)據(jù)分析塔里木河中游的水文過程基礎上,采用聚集度指標與種群結構動態(tài)量化法,研究了水文條件變化下胡楊種群結構特征與時空格局動態(tài),預測了胡楊種群未來發(fā)展趨勢。結果表明:(1)自1998年以來,中游年徑流耗損量逐年減少,依靠地表水補給的地下水日益匱乏,具體表現(xiàn)為地下水埋深呈直線下滑趨勢,這導致堤防外植被生長所需的生態(tài)用水日益緊缺。(2)在分布格局上,胡楊種群借助集群分布的格局抵抗惡劣的生態(tài)環(huán)境,其聚集強度隨個體發(fā)育不斷減弱,并有向隨機分布發(fā)展的趨勢;在種群結構上,胡楊種群除2003年為穩(wěn)定型,其他年份下均屬衰退型,表現(xiàn)出結構老齡化且長期衰退的特征。(3) 2002年中游水量最為充沛,由于生態(tài)對環(huán)境變化的遲滯性特征使2003年地下水位抬升,導致胡楊種群變?yōu)榉€(wěn)定型,且聚集強度最大,種群增長趨勢最強。種群動態(tài)指數(shù)與地下水埋深的回歸模型顯示,隨地下水埋深的下降,種群增長趨勢降低,驗證了胡楊種群對水文變化的響應。(4)種群動態(tài)預測表明,未來2a,僅幼樹數(shù)量呈增加趨勢,其余徑級均為減少趨勢;未來5年a大樹(或老樹)數(shù)量將大幅減少。可見,地表水與地下水的逐年減少影響了胡楊種群的分布格局,阻礙了種群的更新發(fā)育,水文條件是影響中游胡楊生態(tài)特征的直接因素。
關鍵詞:胡楊;水文條件;分布格局;徑級結構;塔里木河中游
胡楊是楊柳科楊屬中最古老、最原始的樹種之一,是荒漠地區(qū)特有的珍貴樹種,已成為抵御風沙、遏制沙化、維護干旱區(qū)生態(tài)平衡、保護生物多樣性和保障綠洲農牧業(yè)生產的重要屏障。1993年在聯(lián)合國糧農組織(FAO)林木基因資源專組例會上,胡楊被確定為全世界干旱半干旱地區(qū)急需優(yōu)先保護的林木基因資源[1]。世界90%的胡楊林分布在中國,我國90%的胡楊林分布在新疆的塔里木河流域,而塔里木河中游地區(qū)是世界面積最大的原始胡楊林分布地[2]。在自然和人為原因作用下,塔里木河下游河道自1972年起開始斷流,帶來以胡楊為建群種的荒漠河岸林生態(tài)系統(tǒng)不斷退化,導致區(qū)域生態(tài)安全受到嚴重威脅。2000年,國家水利部聯(lián)合新疆人民政府實施了塔里木河流域綜合治理工程,包括下游的生態(tài)輸水工程和中游的輸水堤防工程[3]。圍繞塔里木河流域綜合治理,中外學者開展了下游地區(qū)植物物種多樣性與地下水位的關系[4]、基于地下水化學特征的合理生態(tài)水位[5]、胡楊種群數(shù)量特性與動態(tài)變化[1,6- 7],中游主要植物種群的資源生態(tài)位[8],以及植物群落與環(huán)境因子的關系[9]等方面的研究,取得了長足進展。但有關塔里木河中游胡楊種群空間格局的研究,尤其是堤防修建后水文變化對種群格局的影響還鮮未報道。本文以堤防修建后(2001—2012年)塔里木河中游胡楊種群監(jiān)測資料為依據(jù),選取其中最具代表性的4個典型年份(2001年、2003年、2008年、2012年)予以研究,分析了水文影響下建群種胡楊多年來的空間分布格局和種群結構特征,旨在揭示人工調控河道下胡楊空間格局演替規(guī)律、種群結構發(fā)展趨勢及種群與環(huán)境間的相互關系,了解胡楊種群的生存機理,預測其未來發(fā)展趨勢,以期為塔里木河流域天然胡楊林的生態(tài)修復提供理論依據(jù)。
1研究區(qū)概況
塔里木河中游段指輪臺縣英巴扎至尉犁縣恰拉,全長398km,河道兩側各有一道防護堤,堤寬1—3km。該區(qū)年均氣溫10.5℃;年均日照數(shù),輪臺縣為2778h,尉犁縣為2970h;≥10℃年積溫輪臺縣為4039℃,尉犁縣為4184℃;無霜期,輪臺縣為211d,尉犁縣為214d[10];植被組成為楊柳科、檉柳科、豆科、夾竹桃科、喬木科、菊科、藜科等[11]。該區(qū)喬木主要有胡楊(PopuluseuphraticaOliv.),灌木主要有檉柳(TamarixchinensisLour.)、黑果枸杞(LyciumruthenicumMurray)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron(Pall.) Voss)等,草本植物主要有蘆葦(Phragmitesaustralis(Cav.) Trin. ex Steud.)、羅布麻(ApocynumvenetumLinn.)、花花柴(Karelinacaspica(Pall.) Less)、疏葉駱駝刺(AlhagisparsifoliaSchap.)、甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)等。樣地內胡楊平均樹高4.56—6.78m,平均胸徑14.41—20.11cm,平均冠幅13.01—18.56m2,個體密度為47.4—94.9株/hm2,郁閉度0.3左右[12],灌木層蓋度0.92%,林下伴生植被種類少,主要有檉柳、鈴鐺刺、蘆葦、甘草等植物[13]。
2研究方法
2.1樣地設置與監(jiān)測
塔里木河中游輸水堤防最先完成的河段是從沙子河到阿其河,2001至2003年分別于中游河段的沙子河口南岸、烏斯?jié)M河口北岸、阿其河口北岸布設3個監(jiān)測斷面,每個斷面設有6個監(jiān)測井(2001年阿其河口7個)(圖1a)[14],分別距離提防100、300、500、1000、1500、2000m。2005年堤防完成,根據(jù)實際需要新增沙吉利克和鐵依孜兩個監(jiān)測斷面,原沙子河斷交通不便給監(jiān)測帶來困難,原烏斯?jié)M和阿其河斷面監(jiān)測井因設計簡陋遭到破壞,故將監(jiān)測斷面和監(jiān)測井重新布設[14]。因此,2008至2012年為5個監(jiān)測斷面,分別是沙吉利克(MA)、新沙子河(MB)、新烏斯?jié)M(MC)、新阿其河(MD)和鐵依孜(ME),每個斷面6個監(jiān)測井眼(圖1b)[14]。其中,新沙子河斷面是把原監(jiān)測斷面移到北岸,新烏斯?jié)M和新阿其河斷面是在原監(jiān)測斷面基礎上分別向西平移了2000m,新的監(jiān)測井分別距離堤防100、300、500、800、1000、1500m。
圖1 塔里木河中游地區(qū)原監(jiān)測斷面(a)和新斷面(b)分布圖[14]Fig.1 The original (a) and new (b) distribution of investigation sections in the middle reaches of Tarim River in China[14]
在每個監(jiān)測井附近都選擇具有代表性的典型樣地,其中2001年19個,2003年18個,2008與2012年均為30個。采樣時間為:2001年12月、2003年6月、2008年8月與2012年8月。樣地大小為50m×50m,間隔為200或300m,距河道最遠的樣地為2km(胡楊分布的最遠距離)。每個樣地被分為4個25m×25m的喬、灌木樣方,分別測定樣方中喬木胡楊的株數(shù)、高度、胸徑、冠幅等指標,樣地中沒有胡楊的即為“0”。 采樣時對每個監(jiān)測井進行地下水埋深測量。
2011年2月23日—3月2日,采集塔里木河中游地表水、地下水樣,其中地下水采樣30個,集中在主河道附近布設樣井采集,地表水沿河道延伸方向采樣5個,取樣盡量避免人為因素干擾,遠離渠道和人工堰渠。δD、δ18O在中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所采用同位素質譜儀測定,并用相對于國際標準樣(SMOW)的千分之偏差表示,其測試誤差分別為2‰和0.2‰。
2.2數(shù)據(jù)處理
2.2.1胡楊徑級劃分與分布格局
本文采用徑級結構代替年齡結構的方法。將胡楊劃分為5個徑級[15]:Ⅰ級苗木,苗木高度(HD)<33cm,胸徑(DBH)<2.5cm。Ⅱ級苗木,苗木高度(HD)≥33cm,胸徑(DBH)<2.5cm。Ⅲ級幼樹,2.5cm≤立木胸徑(DBH)<7.5cm。Ⅳ級成長樹木,7.5cm≤立木胸徑(DBH)<22.5cm。Ⅴ級大樹(或老樹),立木胸徑(DBH)≥22.5cm。并按上述標準統(tǒng)計典型年份不同徑級胡楊個數(shù),以徑級為縱軸,胡楊株數(shù)為橫軸,做出胡楊種群徑級結構分布圖。運用泊松分布擬合的卡方(χ2)檢驗、擴散系數(shù)法(Cx)、負二項參數(shù)(K)、聚塊性指數(shù)(m*/m)、平均擁擠度(m*)、叢生指數(shù)(I)、Cassie指標(Ca)和Kershaw格局強度值等8個指標,判定典型年份(2001年、2003年、2008年、2012年)塔里木河中游胡楊種群總體與不同徑級的空間格局類型,分析格局強度變化,具體方法見文獻[16- 19]。
2.2.2種群結構動態(tài)與趨勢預測
采用種群結構動態(tài)量化分析方法對研究區(qū)內胡楊種群動態(tài)進行定量描述,若0 (1) 式中,n表示需要預測的未來時間年限,Mt表示未來n年時t徑級的胡楊數(shù)量,Xk為當前k徑級的胡楊數(shù)量。 3結果與分析 3.1塔里木河中游水文變化 3.1.1年徑流耗損量變化 英巴扎水文站位于塔里木河上中游交界處,是上游水流量進入中游的控制點;卡拉站位于干流中下游交界處,是中游水量進入下游的控制站[23]。英巴扎、卡拉水文站1998至2009年監(jiān)測資料表明,輸水堤防修建前中游年徑流耗損量在25×108m3以上,其中相當部分以漫溢形式補充給河道外的胡楊林。輸水堤防修建后,河水無法漫溢,中游耗損量逐漸減少,時間序列與年徑流耗損量的回歸方程為y=-1.9615x+27.792 (R2=0.6798,P<0.01),回歸曲線表明中游年耗損量呈直線下降態(tài)勢(圖2)。 3.1.2地下水埋深變化 圖3是2001至2012年塔里木河中游地區(qū)地下水埋深的變化情況,從圖上可以看出,2001至2005年,中游地下水埋深保持在3m左右;2006至2012年,地下水埋深增至4m以上,并隨時間推移繼續(xù)增加。時間序列與地下水埋深的擬合方程為:y=0.3104x+2.3627(R2= 0.9015,P<0.01)。由模型可見,隨著年度的變化,塔里木河中游地區(qū)堤防外地下水埋深呈線性增加,與中游耗水量變化趨勢一致。 3.2胡楊種群空間分布格局 3.2.1不同年度種群空間格局與聚集動態(tài) 表1是塔里木河中游地區(qū)典型年份胡楊種群分布格局比較,從表上可以看出,典型年份(2001年、2003年、2008年、2012年)下胡楊種群分布類型均為集群型,說明集群分布是塔河中游胡楊種群空間分布的基本特征。從胡楊種群格局強度變化看,2003年胡楊種群格局強度出現(xiàn)明顯的波峰,聚集強度最大;2001年與2008年格局強度基本持平;2012年較2001年與2008年略有增強(圖4)。 圖2 塔里木河中游年徑流耗損量多年變化 Fig.2 Annual runoff consumption change over years in the middle reaches of Tarim River 圖3 塔里木河中游地下水埋深變化 Fig.3 Ground water depth change over years in the middle reaches of Tarim River 年份Year泊松分布的擬合X2-testofpoissondistribution擴散系數(shù)Dispersalindex聚集強度指標ClumpintensityindexX2X2(0.05)X2(0.01)CxtKm*/mIm*Hill格局強度值PatternintensityvaluesofHillKershaw格局強度值PatternintensityvaluesofKershaw分布型Pattern200111.715.999.2131.8792.600.383.6130.8742.712.612.31C200315.835.999.2163.26181.520.235.4162.2676.374.412.81C200850.239.4913.2862.12232.740.393.5861.1284.852.581.52C201251.107.8111.3468.91258.590.343.9767.9190.782.972.09C K: 負二項參數(shù)Index of the negative binomial;m*/m: 聚塊性指數(shù)Patchiness index;I: 叢生指數(shù)Cluster index;m*: 平均擁擠度Mean crowding; C: 集群分布 Clumped Pattern 3.2.2不同發(fā)育階段空間格局與聚集動態(tài) 典型年份下,胡楊種群各徑級均呈現(xiàn)集群分布的空間格局(表2)。如圖5所示,2001年、2003年、2012年徑級間聚集動態(tài)均為:從第Ⅰ徑級向第Ⅴ徑級聚集強度逐漸變弱。2008年第Ⅲ徑級至第Ⅳ徑級聚集強度有微弱增強,其余徑級間依然呈減弱趨勢??傮w來看,2008年格局動態(tài)與其它年份基本一致。綜上,胡楊種群各徑級均為集群分布,且隨個體的發(fā)育,其聚集強度逐漸降低,幼苗至幼樹階段下降迅速,幼樹至成長樹木、大樹(或老樹)階段下降緩慢。 圖4 胡楊種群格局強度變化 Fig.4 Spatial variations in clustering intensity of Populus euphratica population 圖5 胡楊種群徑級間格局強度變化 Fig.5 Spatial variations in clustering intensity of Populus euphratica population at different size-class 年份Year徑級Classsizes泊松分布的擬合X2-testofpoissondistribution擴散系數(shù)Dispersalindex聚集強度指標ClumpintensityindexX2X2(0.05)X2(0.01)CxtKm*/mIm*Hill格局強度值PatternintensityvaluesofHillKershaw格局強度值PatternintensityvaluesofKershaw分布型Pattern2001ⅠⅡ9.993.846.6310.0027.000.0618.109.009.5317.12.19CⅢ10.903.846.6323.9868.930.186.5322.9827.145.535.03CⅣ4.953.846.6312.7935.360.433.3311.7916.842.332.84CⅤ4.165.999.2131.8792.600.383.6130.875.272.611.58C2003ⅠⅡ29.715.999.21118.89343.730.0618.54117.89124.6217.549.44CⅢ15.945.999.217.2718.920.196.136.277.495.132.28CⅣ11.293.846.6318.7751.800.245.2117.7721.994.213.36CⅤ4.453.846.633.667.750.730.652.664.601.371.87C2008Ⅰ20.675.999.2114.1850.200.0618.2013.1813.9517.202.28CⅡ47.707.8111.3441.44153.990.318.4440.4445.877.444.07CⅢ20.277.8111.3412.2142.680.294.4011.2114.513.402.68CⅣ28.417.8111.3432.39119.510.215.8531.3937.854.852.73CⅤ32.097.8111.3427.52100.970.294.4126.5234.283.411.81C2012Ⅰ18.995.999.2113.8849.030.0814.3212.8813.8413.322.10CⅡ55.767.8111.3447.64177.580.0912.4746.6450.7011.474.16CⅢ21.167.8111.3422.3881.410.167.3521.3824.756.352.28CⅣ66.847.8111.3426.4296.810.274.7425.4232.223.742.61CⅤ22.527.8111.3419.3469.850.423.3918.3426.012.391.42C K: 負二項參數(shù)Index of the negative binomial;m*/m: 聚塊性指數(shù)Patchiness index;I: 叢生指數(shù)Cluster index;m*: 平均擁擠度Mean crowding;C: 集群分布 Clumped Pattern 3.3胡楊種群結構與動態(tài) 3.3.1胡楊種群結構 從圖6可以看出,2001年塔河中游胡楊種群徑級結構呈紡錘形,2008年與2012年呈倒金字塔形,均屬于衰退型胡楊種群;2003年胡楊Ⅱ級幼苗比重大幅增加,呈不規(guī)則金字塔形,屬穩(wěn)定型種群。據(jù)統(tǒng)計,2001年Ⅰ徑級胡楊苗木缺失(個體數(shù)為0),Ⅱ徑級苗木極度稀缺(僅11株),Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ徑級立木占胡楊總個體數(shù)的95.65%。2003年Ⅰ徑級苗木依然絕跡,但Ⅱ徑級苗木個體豐富,占總體47.67%,成長樹木與大樹(或老樹)分別占29.92%、13.78%,種群結構不完整。2008年與2012年徑級結構所呈倒金字塔形態(tài)相似,Ⅰ徑級個體數(shù)量極少,苗木匱乏,Ⅳ、Ⅴ徑級個體數(shù)均多于其余徑級,立木級胡楊數(shù)量較多。綜上所述,中游堤防修建后,胡楊種群表現(xiàn)為Ⅰ級幼苗喪失或稀缺、Ⅱ級幼苗所占比重過低、立木級占絕對優(yōu)勢,反映出種群結構老化、更新能力低下的特征。 圖6 胡楊種群徑級結構Fig.6 Size-class structure of Populus euphratica population 3.3.2胡楊種群結構動態(tài) Vpi可反映種群結構個體數(shù)量增長、穩(wěn)定、或衰退的變化趨勢,而通過觀察Vpi′、Vpi′′與Vpi取值的變化,可以分析種群在經受隨機與非隨機干擾時的穩(wěn)定程度。由表3可知:在無外部干擾的情況下,典型年份(2001年、2003年、2008年、2012年)塔河中游胡楊徑級結構動態(tài)指數(shù)(Vpi)分別為0.18、0.57、-0.08、-0.16,考慮到外部隨機干擾和非隨機干擾的Vpi′、Vpi′′分別為:0.0036、0.0052、-0.0007、-0.0011與0.0190、0.0578、-0.0030、-0.0044。由此可見,2001年與2003年塔河中游胡楊種群結構呈增長趨勢,2008年與2012年呈衰退趨勢。Vpi、Vpi′、Vpi′′的增長性排列為2003年>2001年;衰退性排列為2012年>2008年。生態(tài)輸水初期,地下水埋深在3m左右(2001至2005年),可在一定程度上滿足胡楊生長發(fā)育的水分需求, 2001年胡楊種群雖屬衰退型,但在結構動態(tài)上呈增長趨勢。2002至2003年豐水期來臨,充沛的河水大量補給堤外,地下水埋深抬升至2.68m,因此,2003年胡楊種群變?yōu)榉€(wěn)定型,種群結構的增長趨勢增強。隨后,中游耗水量逐年減少導致地下水埋深不斷增加,堤防外生態(tài)用水緊缺,胡楊種群轉入衰退型(2008年、2012年),且衰退趨勢逐步加深,應對外界干擾的抵抗能力持續(xù)降低(表3)。 表3 胡楊種群徑級結構動態(tài)分析 V1:Ⅰ—Ⅱ徑級變化動態(tài)指數(shù) Dynamic index value of Ⅰ—Ⅱ class sizes;V2:Ⅱ—Ⅲ徑級變化動態(tài)指數(shù) Dynamic index value of Ⅱ—Ⅲ class sizes;V3: Ⅲ—Ⅳ徑級變化動態(tài)指數(shù) Dynamic index value of Ⅲ—Ⅳ class sizes;V4:Ⅳ—Ⅴ徑級變化動態(tài)指數(shù) Dynamic index value of Ⅳ—Ⅴ class sizes;Vpi:無外部干擾變化動態(tài)指數(shù) Dynamic index value under no external disturbance;Vpi′:完全隨機干擾變化動態(tài)指數(shù) Dynamic index value under completely random disturbance;Vpi″:非隨機干擾下變化動態(tài)指數(shù) Dynamic index value of non-random disturbance;P:完全隨機干擾下的風險極大值 Maximum risk value under completely random disturbance;P′:非隨機干擾下的風險極大值 Maximum risk value under non-random disturbance 圖7 塔里木河中游胡楊種群結構動態(tài)與地下水埋深關系 Fig.7 Relationship between structure dynamic of Populus euphratica population and groundwater depth in the middle reaches of the Tarim River 3.3.3種群結構動態(tài)與地下水埋深的關系 地下水是維系干旱區(qū)胡楊種群生長發(fā)育的主要水分資源,Vpi′表示胡楊種群在隨機干擾下的結構動態(tài)。如圖7所示,Vpi′與地下水埋深具有較好的擬合關系,其回歸方程為y=-0.0086ln(x)+0.0134(R2=0.9867,P<0.01)。該模型顯示,隨地下水埋深的增加,胡楊種群的生長指數(shù)不斷下滑,當?shù)叵滤裆罱抵?.7m時,增長指數(shù)變?yōu)樨撝?,種群出現(xiàn)負增長現(xiàn)象,這表明地下水資源的減少嚴重阻礙了胡楊種群的更新發(fā)展,地下水埋深的增加是導致種群衰退的直接原因。 中游生態(tài)堤防阻斷了洪水漫溢,導致堤外濕地土壤干裂,同時,土壤鹽分無法得到漫溢徑流的沖洗與下壓,致使表層鹽分富集。這些環(huán)境變化使胡楊種子萌發(fā)無法實現(xiàn),林木更新困難。更為重要的是,洪水漫溢消失后,地下水失去了其重要補給來源,而河水側滲受到年徑流耗損量逐年減少的影響,對地下水的補給也不斷減弱,這導致了地下水埋深逐漸增加,直接限制了胡楊種群的生長發(fā)育。 表4塔里木河中游胡楊種群結構時間序列預測 Table 4Time sequence of population structure ofpopuluseuphraticapopulation in the middle reaches of Tarim River 徑級Classsizes原始數(shù)據(jù)PrimarydataM2(1)M5(1)Ⅰ29Ⅱ12276Ⅲ101112Ⅳ204153Ⅴ230217137 M2:未來2a時胡楊個體數(shù)量 Individual numbers ofpopuluseuphraticain next two years;M5:未來5a時胡楊個體數(shù)量 Individual numbers ofpopuluseuphraticain next five years. 3.3.4種群變動預測 以2012年調查數(shù)據(jù)為基年數(shù)據(jù),運用時間序列分析中的移動平均法對塔里木河中游胡楊種群數(shù)量進行預測分析。如表4所示,在未來2a,幼苗、成長樹木、大樹(或老樹)的個體數(shù)量呈減少趨勢,幼樹數(shù)量呈增加趨勢;未來5a,大樹(或老樹)的數(shù)量將大幅減少,胡楊種群或面對死亡高峰。由此推測,水文條件變化導致中游生態(tài)環(huán)境逐漸惡化,嚴重阻礙了胡楊種群的更新發(fā)展。 圖8 塔里木河中游δ18O-δ2H關系 Fig.8 Relationship between δ18O and δ2H of groundwater in the middle reaches of Tarim River 4討論 4.1水文補給與胡楊格局 從年際變化來看,塔里木河中游年徑流量、耗損量均呈直線下滑的趨勢,同時地下水埋深不斷增加。借助穩(wěn)定同位素技術分析水文補給關系,如圖8所示,地表水線與地下水線基本平行,表明中游地表水與地下水穩(wěn)定同位素關系特征相近;而地下水樣點逼近于地表水線下方,這說明地下水主要依靠地表水補給。中游河道曲折蜿蜒,多分岔散流,洪水期大量河水溢出河道形成地表徑流。2000年堤防修建阻礙了洪水漫溢,地下水失去其重要水源,只能依靠河道徑流側滲與生態(tài)閘輸水補給。這種方式受到年徑流量與耗損量逐年減少的影響,地下水補給持續(xù)受損、地下水埋深不斷增加。漫溢消失后,堤外不具備萌發(fā)條件,胡楊種子苗絕跡。河岸林只能依靠根蘗繁殖來維系林木更新。根蘗苗形成后分布在母株周圍,依靠母體抵抗不良環(huán)境,這使胡楊幼苗聚集強度達到最強。至立木時期,個體對環(huán)境的要求日益增強,特別是對地下水的需求,但堤防外地下水位不斷下降,種內競爭與排斥加劇,導致個體逐漸稀疏,聚集強度持續(xù)降低。至大樹(或老樹)階段,個體為積累大量資源以維持生存,對水分、光照、空間及營養(yǎng)的爭奪達到頂峰,此時聚集強度降至最低,并有向隨機分布發(fā)展的趨勢。胡楊種群所表現(xiàn)出的格局動態(tài)是由水文影響與生物競爭共同作用的結果,反映了種群在生長發(fā)育過程中的生存策略以及對水文變化的適應機制。 4.2水位變化與胡楊格局 干旱區(qū)降水稀少,幾乎沒有有效降水供胡楊消耗,胡楊的生長發(fā)育主要依靠地下水資源維系[24- 25],因此,維持胡楊生長所需水分的地下水埋深被稱為生態(tài)地下水位[26]。種群結構動態(tài)與地下水埋深的回歸模型顯示,隨地下水埋深的增加,種群結構增長指數(shù)不斷降低,當?shù)叵滤裆钸_到4.7m時,胡楊種群的生長轉入衰退趨勢。洪水漫溢消失后地下水只能依靠河水側滲與生態(tài)閘輸水補給,這種方式無論從影響范圍還是補給效果方面都無法取代自然漫溢。在中游耗水量逐年減少的影響下,堤外地下水埋深不斷降低,胡楊生長所需的生態(tài)用水日益匱乏,直接制約了種群的更新發(fā)育。天然胡楊利用集群分布的格局與徑級間聚集強度持續(xù)降低的生存策略來適應惡劣環(huán)境、維持生存發(fā)展,這種格局動態(tài)反映了胡楊種群對水文變化的響應機制。2003年胡楊種群結構趨于穩(wěn)定,且聚集強度最大、增長趨勢最強,這是由于2002年中游河段耗水量劇增,堤外地下水得到充分補給,但生態(tài)對環(huán)境變化的遲滯性特征,使2003年地下水位抬升(2.68m),充足的生態(tài)用水促進了河岸林的生長發(fā)育。這表明胡楊種群的生長狀況對地下水埋深變化極為敏感,佐證了河岸林對水文變化的響應。 生態(tài)輸水后,中游耗水量逐年減少,地下水埋深不斷下降,導致堤防外干旱脅迫加劇。生態(tài)惡化使胡楊幼苗更新困難,種群結構老化,除豐水期呈穩(wěn)定型(2003年)外,其余各年均表現(xiàn)為衰退型 (2001年、2008年、2012年)。這表明在水文條件變化的影響下,河岸胡楊林已出現(xiàn)了長期的種群退化現(xiàn)象。時間序列預測顯示,未來2a,除幼樹呈小幅增長趨勢外,其余徑級個體都將大幅減少;今后5a胡楊種群將持續(xù)衰退,5a后將面臨一次死亡高峰??梢酝茢?,由于林木結構失調、更新困難,若不采取適當?shù)谋S胧?,胡楊種群將走向滅亡。 不可否認,生態(tài)輸水工程使塔河下游“生態(tài)走廊”得以修復,生態(tài)環(huán)境日漸好轉;但這也改變了中游河段的水文過程,隨著地表水與地下水的逐年減少,堤防外生態(tài)用水緊缺、鹽堿脅迫加劇,環(huán)境日益惡化。胡楊種群各徑級均以集群分布的格局來應對惡劣環(huán)境,種群的自我更新與生態(tài)演替存在問題,出現(xiàn)長期的種群衰退現(xiàn)象,長此以往,中游河岸林將走向衰亡。因此,這種以犧牲中游生態(tài)換取下游生態(tài)修復的方法是否利大于弊,有待權衡,但對于中游堤防的改進刻不容緩。 5結論 地下水作為維系干旱區(qū)胡楊更新發(fā)育的生態(tài)水源,它主要依靠地表水補給。2000年中游生態(tài)堤防修建阻斷了由洪水漫溢帶來的地表徑流,致使水文過程發(fā)生改變。地下水只能依靠河道徑流的側滲與生態(tài)閘輸水補給,這無論從影響范圍還是補給水量上都無法取代自然漫溢的效果。同時,受中游河段年徑流量與耗損量逐漸減少的影響,地下水補給受損、埋深不斷增加。 中游水文變化導致地下水資源日益匱乏,堤防外生態(tài)用水驟減,土壤表層鹽分富集,干旱、鹽堿脅迫加劇。為應對環(huán)境惡化,天然胡楊在時空格局與種群結構上均做出了生態(tài)響應。時空格局上,胡楊種群受資源脅迫而呈現(xiàn)集群分布的格局,并借助集聚優(yōu)勢維系生存發(fā)展;聚集動態(tài)上,幼苗聚集強度最強,但隨個體發(fā)育集聚度逐漸降低,大樹(或老樹)階段聚集強度降至最低并有向隨機分布發(fā)展的趨勢。種群結構上,地下水埋深的增加使胡楊種群增長指數(shù)不斷降低并轉入衰退趨勢,種群出現(xiàn)結構老齡化、更新困難的現(xiàn)象,除2003年外,其余各年胡楊均為衰退型種群。2002年的豐水期改善了堤外生境,但生態(tài)對環(huán)境變化具有遲滯性特征,使2003年地下水埋深抬升,胡楊種群變?yōu)榉€(wěn)定型,且聚集強度最大、增長趨勢最強,這驗證了胡楊種群對水文變化的響應。 致謝:感謝中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所陳亞寧研究員、李衛(wèi)紅研究員以及華東師范大學陳忠升博士在野外實驗與數(shù)據(jù)搜集過程中給予的大力幫助。 參考文獻(References): 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The distribution pattern dynamics ofPopuluseuphraticaare influenced by hydrology in the middle reaches of Tarim River XU Mengchen, CHEN Yongjin*, LIU Jiazhen, WANG Dan, LIU Yaqi CollegeofEnvironmentalandPlanning,LiaochengUniversity,Liaocheng252059,China Abstract:Populus euphratica is a member of the Salicaceae family, and is an important tree species of the desert riparian forest. P. euphratica has some unique abilities such as withstanding sandstorms, curbing desertification, maintaining ecological balance, protecting biodiversity in arid areas, and safeguarding the production of oasis agriculture. The population distribution pattern refers to the level of the population and the distribution status of individuals of the same population within a certain range of a horizontal area. The population distribution pattern is systematically affected by biological characteristics, interspecies relationships, and environmental conditions. Ascertaining the population distribution pattern and its dynamic changes contributes to elucidating the ecological characteristics of a species for further studies. Thirty natural P. euphratica plots were established on the outer side of water conveyance embankments in the middle reaches of Tarim River, and field data were obtained with a typical sampling method. With the use of environmental isotope technology in combination with the monitoring data of annual runoff in Yingbazha and the Kala hydrometric station, we analyzed the hydrological changes in the middle reaches of Tarim River. We divided the samples into a size- class structure to apply aggregation intensity indices and conducted a quantitative analysis for plant population structural dynamics. The dynamics of the distribution pattern and characteristics of population structure influenced by hydrological conditions were analyzed, and then time- series analysis was used to predict the population development trend in the future. This analysis is important to provide a theoretical basis for ecological restoration of the natural P. euphratica forest. Since 1998. the runoff consumption in the middle reaches has decreased and groundwater supplied by the surface water has become increasingly scarce. Groundwater depth showed a linear downward trend, indicating that ecological water for vegetation growth out of the embankment was deficient. With regard to the distribution pattern, P. euphratica showed a clumped pattern in each size- class structure to resist the harsh ecological environment, and the aggregate intensity index was reduced with individual development. The height class size showed a tendency to change from a clumped to a random pattern. With regard to the population structure, P. euphratica showed a stable population type in 2003, and a declining population pattern for the other years. These results showed that the population characteristics were structured by ageing and showed a long- term pattern of decline. The runoff of the middle reach was the most abundant in 2002. Because of the hysteretic characteristic of ecology to environmental change, the groundwater level was promoted in 2003. These changes led to the largest aggregate intensity and the best population growth of P. euphratica in 2003. The regression model between the population dynamics index and groundwater depth showed that population growth had a decreasing trend with a reduction in groundwater depth. Therefore, the response of the P. euphratica population to hydrological changes was verified. Finally, population dynamics prediction indicated that the number of saplings of P. euphratica is expected to increase, whereas the number of trees in other size classes is expected to decrease in the next two years and the number of large (or old) trees will likely be rapidly reduced in the next five years. The decline in surface water and groundwater influenced the distribution pattern and hindered population development. We conclude that hydrological conditions directly influence the ecological characteristics of P. euphratica in the middle reaches of Tarim River. Key Words:Populus euphratica; hydrologic conditions; distribution pattern; size- class structure; the middle reaches of Tarim River 基金項目:國家科技支撐計劃課題(2014BAC15B02);中國博士后特別資助項目(2013T60905);中國博士后基金項目(2012M512058);國家自然科學基金項目(40901276, 40871239) 收稿日期:2014- 10- 09; 修訂日期:2015- 05- 20 *通訊作者 Corresponding author.E-mail: chenyongjin@lcu.edu.cn DOI:10.5846/stxb201410091980 徐夢辰,陳永金, 劉加珍,王丹,劉亞琦.塔里木河中游水文影響下的胡楊種群格局動態(tài).生態(tài)學報,2016,36(9):2646- 2655. Xu M C, Chen Y J, Liu J Z, Wang D, Liu Y Q.The distribution pattern dynamics ofPopuluseuphraticaare influenced by hydrology in the middle reaches of Tarim River.Acta Ecologica Sinica,2016,36(9):2646- 2655.