干旱区受损生态系统恢复的科学素质分析

1　背景情况
在我国人口、资源和环境问题日益尖锐的今天，干旱区以其丰富的土地资源与矿产资源奠定了在我国未来国土资源开发战略中举足轻重的地位。国家已将西北地区列为21世纪战略开发的后备基地，赋予了加大投资等倾斜度较大的优惠政策；在水利、交通、能源和矿产开发等领域部署了一批重大项目。然而，由于西部干旱区支撑资源开发的生态环境极为脆弱，制约资源利用的自然灾害十分频繁，人类活动诱发的土地荒漠化、土壤盐渍化、草地退化、河流流程缩短、湖泊干涸、萎缩、泥沙含量增加、河湖水矿化度增加、河湖水质恶化、生物多样性减少等一系列生态环境问题日趋严重，使资源的开发利用受到严重制约，直接影响我国西部以资源基地建设为中心的经济发展格局和绿洲生态环境的稳定性。
塔里木河下游357km河道断流近30年后，经输水使其生态产生了恢复迹象，是世界范围内流域退化生态系统恢复与重建的稀有案例。
1.1　塔里木河流域概况
塔里木河流域是环塔里木盆地诸多向心水系的总称，涵盖整个南疆，流域面积1.02×。塔里木河干流全长1372km，其自身不产流，由诸源流汇流而成。由于人类活动与气候变化等影响，许多源流相继减少或中断了对干流的水量补给，目前与干流地表水联系密切的只有阿克苏河、叶尔羌河、和田河和开都—孔雀河，形成“四源一干”的局面。
塔里木河流域经过50多年大规模的水土开发等人为活动影响，水环境发生了很大变化，其主要表现为：1)各源流用水量增加，汇入干流的水量逐渐减少；2)干流上中游耗水量增加，到达下游断面的水量急剧减少。1972年大西海子拦河水库建成后，基本已无水下泄下游河道，绿色走廊急剧萎缩，台特玛湖干涸，大片胡杨林枯死，草丛凋谢，位于河道东西两侧的库鲁克沙漠和塔克拉玛干沙漠呈现紧逼的合龙态势；3)水质呈恶化趋势。上中游河道水质除8月矿化度＜1.0g/L外，其他月份一般＞1.0g/L，下游地下水绝大部分是矿化度＞5.0g/L的咸水[1]；4)下游河道长期断流，地下水位持续下降。在沿河道两侧2km范围内，地下水埋深大于8m的分布面积占研究区总面积1889的83.2%，这一地下水埋深就是对抗旱能力极强的胡杨、柽柳也难以生存[2]。
1.2　应急输水概况
从2000年4月至2003年10月，在国家水利部的关心支持下，新疆紧紧抓住开都河天然来水连续偏丰的有利时机，共完成了五次向塔里木河下游应急输水。


2　输水监测
以河道输水→地下水、土壤水→自然植被为研究主线，布置安排监测试验工作。完成的主要监测试验工作如下。
2.1　气象监测
选择若羌县及铁干里克气象站作为代表站，收集下游区气象观测资料，包括蒸发、气温、地温、气压、湿度、日照、风速、降水等。
2.2　地表水监测
统计调查了近50年来塔里木河下游来水情况，以及大西海子水库以下河道径流变化情况。在大西海子水库泄洪闸、英苏、阿拉干、依干不及麻、台特玛湖(入湖涵洞)等五处分别设立了河道地表水监测断面，进行应急输水期河道的水位、流量监测。除常规的人工观测水位外，配备自记水位计3台，增设测桥3座。河道水文测量按照相关的国家规范规程要求进行。
2.3　地下水监测
在大西海子水库以下共设置地下水监测横断面12个，断面总计长度9.2km，监测井77眼，对地下水位和水质进行了动态监测。在输水期每月3次，在停水的间歇期每月1次，在15眼监测井安装了自记水位仪。选择英苏、喀尔达依、阿拉干、依干布及麻四个地下水监测断面进行地下水水质监测，在输水前、输水期中、输水结束、间歇期中取水样进行水质的八大离子和矿化度分析。
2.4　土壤监测
在3个控制断面中选取11个典型土壤剖面，每个监测断面取样点不少于3个，其中河床处1个，河岸边2个。每个取样点取样深度为0～30cm、30～100cm、100～200cm，测定土壤盐分、养分、水分、有机质等含量。按土壤层次分层取样，测定土壤干容重和粒径组成，并绘制剖面柱状图。在三个断面英苏、阿拉干、依干不及麻进行土壤含水率监测。每个断面设中子仪监测孔2处。除一个监测点孔深6m外，其他孔深均为3m。
2.5　自然植被对应急输水响应的监测
对输水前各断面植被的种类、分布、生长状态、荒漠化状况进行了调查，并结合遥感资料解译，确定了输水前的植被本底状况下游应急输水与自然植被响应是监测研究的重点，主要开展了以下调查和测试工作：在河道上、中、下段，选取4处离河道不同距离的胡杨，各取三个样株，在不同高度和方向采样，对10项植物生理指标进行测定(2002年)。布设了32处(2002年)、33处(2003年)植被样方监测点。在5个断面，共取胡杨样枝135枝，进行年轮测定，分析输水对胡杨生长的影响和作用。
3　输水效应分析
3.1　河道水流演进与水量沿程消耗
五次输水大西海子水库下泄的1.38×水量中，根据监测，除少部分消耗于河湖水面蒸发外，绝大部分补给了河道两侧的地下水。从沿程各河段区间水量消耗的分布情况看，大西海子—阿拉干消耗水量为1.049×，占总水量的76%；阿拉干—台特玛湖消耗水量为2.86×，占20.8%；进入台特玛湖水量为0.45×，占3.2%(图1)。

图1　五次应急输水下游河道水量消耗沿程分布图
Fig. 1 Water consumption along the downstream of river after 5 emergency water supplies
从五次输水情况看，随着输水次数的增加，河道两侧地下水位逐渐升高，土壤含水率增加，各区间单位河长流量损失率(δ)均呈迅速降低并逐渐趋于稳定趋势(图2)。

图2　历次输水分河段单位河长流量损失率与流量关系图
Fig.2　Relation between flow loss rate of unit length of river and runoff
根据这一规律，可建立起在长期断流河道实施间歇性输水的流量演进变化模型，并应用该模型[3]，根据下游水系及植被状况，对可能的输水方案进行了分析预测。结果表明，采用其文阔尔河、老塔里木河双河道线状同时输水的方案较为合理可行，即：根据《塔里木河流域近期综合治理规划》确定的，确保多年平均向大西海子水库下游河道下泄水量3.5×，输水150d，平均输水流量27/s；在每年持续输水的条件下，预计2010年左右，下游河道地下水补给及各区间单位河长耗水率将趋于稳定；河道自然耗水2.26×，届时，台特玛湖入湖水量将达到1.24×。这表明仅采取 线状输水方式不能实现水资源高效利用和合理配置，合理的输水方式应将线状与面状输水相结合起来，加大河道区间耗水量，扩大生态保护和改善面积。
3.2　河道沿程水量消耗与河道两侧地下水位恢复的动态变化
在输水期间，由于河水位远高于地下水位，河道两侧局部范围内的水力坡度迅速增大，在其作用下，地下水由河中心向两侧及下游方向的径流排泄运动增强，河道两侧300m范围内的地下水位回升较快，而在离河道较远处的区域则表现出了一定的滞后性。在输水的间隔期，以河道为中心的地下水峰，在水力坡度的作用下向两侧扩散，即向其初始的水面回归，其结果使整个区域内的地下水位差逐渐减小并于再次输水前达到其阶段的最低水位，在上述两个阶段内，还伴随着地表水和地下水的蒸发与蒸腾消耗。五次输水后各主要监测断面不同离河距离地下水位上升/埋深值(表2)。

利用应急输水前与第五次输水后的地下水位线，可计算出各断面不同离河区间上单位河长地下水补给量，计算成果(表3)。

从表3可以看出，各断面地下水补给量在三个区间上依次递减，并且随着输水次数的增加呈现60%：30%：10%的分布趋势。


3.3　地下水动态变化与植被恢复的响应关系
3.3.1　地下水动态的生态学解译
地下水动态的生态学解译主要是根据地下水位抬升，分析生态植被可能恢复的程度，各种植物的胁迫地下水埋深和荒漠化警戒地下水埋深是一种预测性的、可能恢复的判定标准。判定结果(表5)。

3.3.2　胡杨个体对应急输水的响应
应急输水四年来对胡杨的横向影响范围已达到离河900m。离河不同距离树木响应应急输水的时段各不相同。离河200m范围内，应急输水的第二年即2001年，树木就有明显的增长。离河200～500m之间，树木增长峰值出现在2002年。离河500～900m之间，树木在应急输水的第四年(2003年)才出现较快增长的趋势。
生长量大小是衡量胡杨恢复程度的重要量化指标，从图3和图4可以看出，胡杨生长量响应均以2000年为拐点；离河越近生长量越大，相同离河距离上游断面生长量大于下游断面；生长量增幅大小与输水季节有关，生长季节输水对植被恢复具有重要意义；胡杨生长量与输水时间响应的滞后性有关。

图3　1995-2003年英苏断面不同离河距离样枝生长量
Fig. 3　Shoot growth of poplar growing at different distances from river at Yingsu section from 1995-2003

图4　1993-2003年喀尔达依断面不同离河距离样枝生长量
Fig. 4　Shoot growth of poplar growing at different distances from river at Kaerda section from 1993-2003
可根据年生长量大小和相应地下水埋深两个指标确定胡杨个体健康恢复等级，当地下水埋深＜4m，枝径年生长量＞0.3cm，恢复等级为优；当地下水埋深4～6m，枝径年生长量0.3～0.2cm，恢复等级为良；地下水埋深6～8m时，枝径年生长量0.2～0.13cm，有恢复响应；地下水埋深＞8m，年生长量＜0.1cm，恢复响应微弱[5]。
3.3.3　胡杨群体对应急输水的响应
从植被群落响应看，在离河岸距离50～150m、地下水埋深＜4m区域，胡杨群落开始以萌蘖更新形式有所恢复；在离河300m范围，地下水埋深＜5m区域，两岸荒漠植被的种类有了明显的增加，且胡杨、柽柳等乔灌木植被重新恢复了开花结实的生殖能力，并存在沿河横向范围的开花时间梯度，表明植被生态系统已重新趋于活跃，胡杨种群的自然延续过程已经开始。
3.3.4　植被整体对应急输水的响应
植被种类、长势、株数与离河距离呈现良好的负相关。在离河300m范围内，植被的种类明显多于300m以外的种类。当地下水埋深＞5m，离河距离＞300m时，植被长势呈明显下降趋势。离河岸150m范围以内，地下水埋深小于4m，胡杨萌蘖更新苗出现。随着输水进程的进行和地下水埋深的抬升，胡杨萌蘖使植被盖度逐渐增大，荒漠化等级则逐渐降低。
3.4　输水对地质地貌的影响
大西海子水库以下原属塔里木河下游的冲积泛滥平原。地表物质由细沙和粉沙组成，抗蚀能力弱，地表为游荡性辨状水系，河曲发育。河床坡缓、宽浅。在大西海子以下，塔里木河分为两支。西侧一支为老塔里木河，东侧一支为齐文阔尔河。两个支流在流经145km的阿拉干附近汇合。大西海子水库的建成。使其下游地质地貌过程发生了很大的变化。由风力和水力共同作用变为单一的风力作用，加之区域荒漠植被的加剧退化，风蚀、风积作用不断加强。在阿克墩一带可以看到较好的“V”型河床；而在亚合甫马汗以下，河床形态呈不规则的变化；在阿布达勒和喀尔达依一带，由于强烈的风蚀作用，河床形态呈现为浅而宽缓的“U”型。并有多处河床被积沙挤占，严重影响河水的输送。河水输送过程中，河水沿风蚀沟槽下切，侧蚀和溯源侵蚀严重，河槽得到较好水力修复，为以后的输水创造了较好的条件。使输水过程大为加快。
4　结论
(1)五次应急输水紧紧把握河道输水—地下水、土壤水—自然生态植被、植被个体与群体等相互联系的主线索，在塔里木河下游建立了较完善的水环境与植被生态监测系统。系统科学地对五次应急输水后植被恢复与响应的规律进行研究，全面评价五次输水植被生态响应特征及改善效果，对确定生态保护目标、制定输水调度方案及科学系统地评价输水后的生态响应效果具有重要的指导意义。今后随着输水的不断进行，绿色走廊生态环境的响应也将发生不断的变化，监测工作应长期坚持、并加以规范，努力将塔里木河下游建设成为世界上最大的生态修复试验示范区[6]。
(2)五次应急输水，为塔里木河下游濒临死亡的胡杨林等生态植被补给了水源，遏制了生态劣变的趋势，也为全面实施塔里木河流域近期综合治理赢得了宝贵的时间并积累了宝贵的经验。五次应急输水的实践和研究的主要成果表明，只要坚持持续向下游河道输水，加之人为合理的辅助保障措施，再用5～6年时间，一条郁郁葱葱绿色走廊将会重新展现在我们眼前。