李 金, 徐海量, 王勇輝, 趙新風, 高生峰

(1.新疆師范大學 地理科學與旅游學院, 新疆 烏魯木齊 830054; 2.中國科學院 新疆生態(tài)與地理研究所,新疆 烏魯木齊 830011; 3.自治區(qū)重點實驗室 干旱區(qū)環(huán)境與資源實驗室, 新疆 烏魯木齊 830054)

荒漠河岸林植物群落在維護流域生態(tài)安全中發(fā)揮著重要的生態(tài)功能，它對穩(wěn)定河道、維持流域生態(tài)平衡、防風固沙、調節(jié)綠洲氣候起著至關重要的作用[1]。塔里木河上中游是以胡楊為建群種的荒漠河岸林集中分布區(qū)，但隨著近年來人類社會對陸生生態(tài)系統(tǒng)的擾動加劇，大規(guī)模的水土開發(fā)，上中游生態(tài)用水被人類活動用水所擠占[2]，地下水位大幅下降，導致天然的荒漠河岸林退化嚴重[3]，表現(xiàn)為胡楊林大片枯萎，胡楊幼林更新困難，物種多樣性銳減。為拯救脆弱的的生態(tài)環(huán)境，2016年新疆維吾爾自治區(qū)人民政府開展了保護塔里木河源流及上中游胡楊林行動，其中，塔里木河上中游為重點試區(qū)之一；水作為影響干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素，能改變胡楊林的長勢以及群落的結構和物種組成[4]，但不同的補水方式對胡楊林長勢及植物多樣性的影響程度不同。國內外許多學者開展了關于洪水(河水)漫溢干擾、線狀輸水對植物群落恢復的研究工作，例如漫溢對群落再生潛力及對植物群落的組成和分布的作用[5-8]；漫溢干擾對群落生物多樣性的影響[9-11]，國內一些學者也在塔里木河等流域開展了漫溢干擾對植物群落影響和恢復的相關研究，特別是在塔里木河下游開展線狀生態(tài)輸水工程對荒漠河岸林植物群落建群種胡楊徑向生長量[12]、物種多樣性[13]、種群結構[14]、生理特征[15]、生態(tài)效益[16]等方面做了許多研究工作，為塔里木河流域乃至干旱區(qū)河流的治理提供了很多寶貴意見和措施。2016年實施胡楊林保護行動以來，少有學者對該工程在塔里木河上中游荒漠河岸林物種恢復、植物多樣性保護方面進行探討和研究。本文以塔里木河上中游為研究靶區(qū)，根據實地野外數(shù)據調查，定量分析淹灌對典型斷面荒漠河岸林植物群落的長勢及植物多樣性影響，以期為今后改進干旱區(qū)科學補水方案，實現(xiàn)生態(tài)水高效利用提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)處于39°30′—43°08′N，73°10′—94°05′E之間，為塔里木河上中游，上游系指從阿克蘇河、葉爾羌河、和田河三河交匯的肖夾克至輪臺縣的英巴扎[17]；中游位于塔河英巴扎大橋至恰拉范圍內[18]，為典型的溫帶干旱大陸性氣候，年平均氣溫10.5 ℃～11.4 ℃，年與日溫差均較大，年潛在蒸發(fā)量2 000～2 900 mm，而年降水量僅為30～50 mm，干旱指數(shù)介于28～80之間；植被組成簡單、稀疏，喬灌草3層結構明顯，喬木主要為胡楊(Populuseuphratica)、灰楊(P.pruinosa)；灌木主要為檉柳(Tamarixramosissima)、黑果枸杞(Lyciumruthernicum)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)等；草本植物主要有蘆葦(Phragmitescommunis)、大花羅布麻(Apocynumhandersoni)、甘草(Glycyrrhizauralensis)等。

2 研究方法

2.1 補水方案的實施

在2016—2018年新疆維吾爾自治區(qū)所執(zhí)行的“塔里木河源流胡楊林保護行動”項目的支持下，于塔里木河上中游開展了胡楊林淹灌監(jiān)測實驗，沙雅、輪臺為上中游重點胡楊林保護區(qū)，上游依靠21口生態(tài)閘，2018年漫灌胡楊林面積約30 820 hm2，影響范圍約56 420 hm2；中游依靠28口生態(tài)閘，2018年漫灌胡楊林面積約為17 893.33 hm2，影響范圍約34 106.67 hm2。

2.2 典型斷面及樣點布設

本研究重點監(jiān)測區(qū)設置在塔里木河上中游沙雅縣內吐江生態(tài)閘、輪臺縣內烏斯坦生態(tài)閘和砍白生態(tài)閘，為降低經緯度、海拔、氣溫、降雨量、地下水水位、土壤等因素對胡楊林物種多樣性的影響，有目的在同一緯度、距離跨度不大的前提下以生態(tài)閘口為中心，布置輻射狀重復樣帶(3～4條)；每條樣帶按150～200 m間隔布設25 m×25 m的喬木樣方4個；每個喬木樣方內隨機測2個5 m×5 m，3個1 m×1 m灌、草樣方。

2.3 監(jiān)測指標選取和測量

2016年、2017年、2018年對同一樣地3條重復樣帶進行重復監(jiān)測，監(jiān)測時間為每年6月中旬，分別將2016年各樣點作為對照組(淹灌前情況)，2017，2018年作為試驗組(淹灌處理)采用樣地調查法[18]對輸水樣地和對照樣地內的物種進行調查統(tǒng)計。

(1) 喬木。數(shù)樣方內胡(灰)楊總株數(shù)，用皮尺和布魯萊斯測高儀分別測量每株胡楊的胸徑(D)、冠幅(Cw)及株高(H)；長勢調查參照玉米提等的方法：共分為優(yōu)、良、中、較差、差5個等級，對應的分數(shù)分別是：8～10分、6～8分、4～6分、2～4分、0～2分(表1)。樹高指樹木從地面上根莖到樹梢之間的距離或高度，胸徑指喬木主干離地表面胸1.3 m高處的直徑，根據前人研究結果，胸徑為≤10 cm的胡楊看作為幼齡胡楊，≤30 cm的為中齡胡楊，≤70 cm的為老齡胡楊[19]。

表1 胡楊長勢分等定級標準

(2) 灌木。用卷尺測量每株(叢)灌木的冠幅(Cw)、株高(H)，記錄每種樣方內灌木的總枝數(shù)(N)，選取3～5個標準枝(n)；新枝長調查：測量當年新枝長度。檉柳新枝長測量：在以上3個典型斷面內，選擇樣方內檉柳，監(jiān)測距生態(tài)閘口一定范圍(200～500米)內的檉柳新枝長。

(3) 草本植物。記錄小樣方內物種數(shù)(N)、每個物種個數(shù)(Ni)、冠幅(Cw)、株高(H)。

(4) 胡楊幼苗密度統(tǒng)計。在以上3個典型斷面內，每個喬木樣方內隨機設置3個1 m×1 m的小樣方，共108個，統(tǒng)計樣方內的胡楊幼苗數(shù)量。

(5) 冠幅的測量。冠幅用樹(苗)木的南北和東西方向寬度的乘積表示，灌木較矮可以直接測得，喬木可以測量其投影寬度獲得。

2.4 數(shù)據處理

2.4.1 多樣性指數(shù)計算 物種多樣性的測度選用均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)和物種多樣性指數(shù)3類，物種多樣性指數(shù)是用來描述種的個體出現(xiàn)的紊亂和不確定性的指標，不確定性越高，多樣性也就越高；它包括兩個因素：其一是種類數(shù)目，其二是種類中個體分配上的均勻性；種類數(shù)目越多，多樣性越大，種類之間個體分配的均勻性增加，也會使多樣性提高；均勻度指數(shù)是反映群落中不同物種的多度(頻度、蓋度或其他指標)分布的均勻程度的指標。計算公式為[20]：

Pielou指數(shù)：

(1)

Shannon-Wiener指數(shù)：

H=-∑Piln(Pi)，Pi=Ni/N

(2)

Simpson指數(shù)：

D=1-ln(∑Pi)2

(3)

式中：S——物種數(shù)；N——全部種的個體總數(shù)；Ni——某種植物的個體數(shù)；Pi——某種植物出現(xiàn)的頻率。

2.4.2 重要值(important value，Ⅳ) 重要值(Ⅳ)是表示群落中不同植物的相對重要性，以重要值為測度指標可以避免因植物個體大小、數(shù)量差異懸殊而導致過分地夸大一些個體小但個體數(shù)極多的植物種類在群落中的作用，能夠為辨別樹種是建群種、優(yōu)勢種還是伴生種提供重要依據[21]。

Ⅳ=(相對高度+相對蓋度+相對頻度)/3

(4)

其中，相對高度=(該種的高度/所有種的高度總和)×100%，相對蓋度=(該種的蓋度/所有種的蓋度總和)×100%，相對頻度=(該種的頻數(shù)/所有種的頻數(shù))×100%。

3 結果與分析

3.1 淹灌前后荒漠河岸林植物群落變化

3.1.1 淹灌前后物種變化 通過塔里木河上中游淹灌2 a后調查樣地發(fā)現(xiàn)25種植物，較淹灌前增加了11種，調查以豆科、菊科、禾本科為主，其次是檉柳科、藜科、楊柳科；生活型以多年生草本為主，其次是灌木、一年生草本，分別占71%，14%，9%，研究區(qū)內淹灌后新增物種有：苦豆子(Sophoraalopecuroides)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、牛皮消(Cynanchumauriculatum)、鴉蔥(Scorzoneraaustriaca)、胡楊(苗)(Populuseuphratica)、早熟禾(Poaannua)、禾本科(Gramineaesp.)、多枝檉柳(苗)(Tamarixramosissima)、剛毛檉柳(苗)(T.hispida)、豬毛菜(Salsolacollina)、薊(Cirsiumspicatumsp.)(見表2)。

表2 淹灌前后出現(xiàn)的植物種類

3.1.2 淹灌前后胡楊長勢分析 在塔里木河上中游距生態(tài)閘口每個喬木樣方內隨機設置3個1 m×1 m的小樣方，共108個，統(tǒng)計樣方內的胡楊幼苗數(shù)量(圖1)。發(fā)現(xiàn)胡楊幼苗密度從2016年(補水前)的0.08株/m2，增加到2017年的0.33株/m2和2018年的0.80株/m2，胡楊苗增加了0.72株/m2，增長率為855.9%。說明生態(tài)補水促進了胡楊幼林的更新。

圖1 塔里木河上中游補水前后幼苗密度變化

2016年長勢優(yōu)等、良好、中等、較差和差等級的胡楊出現(xiàn)頻率分別為0.06，0.17，0.28，0.31，0.172株/m2，淹灌2 a后，長勢優(yōu)，良，中，較差和差等級的胡楊出現(xiàn)頻率分別為0.11，0.15，0.34，0.24，0.168株/m2，增長率分別為78%，-15%，21%，-24%，-3%，由圖2可以看出，經過2 a的淹灌，胡楊長勢向優(yōu)、中等級轉化，胡楊林長勢結構趨于優(yōu)化(圖2)。

圖2 塔里木河上中游補水前后不同長勢胡楊出現(xiàn)的頻率

以塔里木河中、上游3個典型斷面為例，監(jiān)測距生態(tài)閘口一定范圍(200—500 m)內的檉柳新枝長(圖3)，發(fā)現(xiàn)檉柳在淹灌前2016年、淹灌后2017年、2018年平均新枝長度分別58.4，81.5，100.2 cm，增加了41.8 cm，增長率為71.58%，說明檉柳的地上生物量在淹灌后有所增加。

圖3 塔里木河上中游檉柳新枝長變化

3.2 淹灌后荒漠河岸林植物群落空間特征分析

3.2.1 不同淹灌距離胡楊林長勢特征 在離生態(tài)閘0—600 m范圍內胡楊林樹高、冠幅均表現(xiàn)出隨著距生態(tài)閘距離增大呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢，呈倒“U”型分布，而胡楊胸徑呈線性上升的趨勢、胡楊密度(單位面積內胡楊數(shù)量)呈下降趨勢。表3是胡楊長勢與離生態(tài)閘不同距離的擬合函數(shù)，函數(shù)的一階導數(shù)可以判斷函數(shù)變化的單調性，從而表達胡楊長勢的變化趨勢，結果表現(xiàn)為：離生態(tài)閘150 m處樹高均值為4.30 m，在距生態(tài)閘411 m處胡楊樹高均值最大為11.11 m，而在距生態(tài)閘600 m處胡楊均高下降至7.20 m；離生態(tài)閘150 m胡楊冠幅均值為10.50 m2，在距生態(tài)閘354 m處胡楊冠幅均值最大為16.84 m2，而在距生態(tài)閘600 m處胡楊冠幅均值下降至12.14 m2(表3)。

離生態(tài)閘0—185 m范圍內胡楊胸徑均值為8.4 cm(≤10 cm)，該區(qū)域主要為幼齡胡楊林，在185—480 m范圍內胡楊平均胸徑為27.30 cm(≤30 cm)，該區(qū)域主要為中齡胡楊林；在大于480 m范圍胡楊平均胸徑為39.86 cm(≤70 cm)，該區(qū)域主要為為老齡胡楊林。塔河上、中游距生態(tài)閘150，300，450，600 m處胡楊密度均值分別是0.32，0.22，0.15，0.06株/m2，說明隨著淹灌距離的增加，胡楊林密度有減小的趨勢，老齡化趨勢也逐漸凸顯。

表3 塔里木河上中游胡楊長勢變化分析

3.2.2 淹灌不同距離林下植被多樣性比較 針對不同生境的植物多樣性進行對比(圖4)，距生態(tài)閘150 m處林下灌草植物多樣性Simpson指數(shù)值較300,450,600 m處顯著增大(p<0.05)；距生態(tài)閘150 m處Shannon指數(shù)值300,450,600 m處顯著增大(p<0.05)；對于Pielou指數(shù)除距生態(tài)閘300,450 m處差異不顯著外，其它處之間差異均顯著(p<0.05)；距生態(tài)閘150 m處，受淹灌影響較大，此處河道滲漏水量也最多，因此林下灌草長勢表現(xiàn)：植被多樣性無論是Simpson，Shannon，Pielou指數(shù)值均較高，可以看出隨著距生態(tài)閘的減小植物多樣性、均勻度呈上升趨勢：特別是在距生態(tài)閘150 m范圍內，物種種類最多，并且各個物種數(shù)量、蓋度、等特征之間的差距逐漸減小，植物群落中各個物種的分配比例趨于均勻。

圖4 塔里木河上中游空間物種多樣性變化分析

3.2.3 不同淹灌距離重要值比較 對于3個斷面，將距生態(tài)閘不同距離上的平均值記為該生境的植被特征值，如離生態(tài)閘150 m處的植被特征是每一個斷面150 m處植被特征的平均值。

本研究以重要值為指標，分析了淹灌2 a來不同淹灌距離上的優(yōu)勢種以及重要值變化特征(圖5)。距生態(tài)閘150，300，450，600 m處檢測到的植物分別有17，13，8，8種，可以看出，隨著淹灌距離的增加物種數(shù)有減少的趨勢。距生態(tài)閘150 m處，因距補水水源最近，受補水影響大，表現(xiàn)為補水2 a后檉柳苗、胡楊苗萌發(fā)量大(重要值分別達到0.29,0.19)；同時草本物種也大量萌發(fā)，如多年生草本蘆葦、鈴鐺刺(平均重要值為0.167)；牛皮消、鴉蔥等喜濕植物重要值也在0.05左右；以及一年生草本如苦豆子(重要值0.012)；距生態(tài)閘300 m處，胡楊、檉柳幼苗重要值依然較高，說明生態(tài)補水效應對研究區(qū)建群種育苗更新的促進作用是顯著的(檉柳苗重要值0.196，胡楊幼苗0.2)；其次多年生草本、灌木重要值靠前，多年生草本主要是蒲公英、鴉蔥(平均重要值水平0.125)，灌木是黑刺(重要值水平0.125)；而其他如牛皮消、萎陵菜、萵苣等不耐旱植物，喜濕植物重要值大幅降低；也存在較少的一年生草本如早熟禾(重要值為0.017)；距生態(tài)閘450 m處，胡楊苗重要值急劇下降僅為0.056，一年生草本逐漸消失，喜濕植物牛皮消、萵苣、萎陵菜等重要值下降，而蘆葦、檉柳、黑刺以及駱駝刺等抗旱的植物重要值上升；距離生態(tài)閘600 m處，物種減少，一年生草本以及胡楊幼苗、檉柳幼苗均消失，以甘草、檉柳為代表的多年生草本、灌木變?yōu)閮?yōu)勢物種。

圖5 塔里木河上中游物種重要值排序

4 討論與結論

4.1 討 論

為了保護塔里木河上中游荒漠河岸林，塔里木河管理局2016年開始在塔里木河上中游開展胡楊林灌溉工程[3]，通過淹灌前后對比可知：胡楊苗、檉柳苗、喜濕植物、一年生草本在補水后大量出現(xiàn)，較淹灌前，胡楊苗密度平均增加了0.72株/m2，增長率為855.9%；檉柳新枝長平均增加了41.8 cm，增長率為71.58%。①淹灌過程激活了一些植物的土壤種子庫，本區(qū)主要的建群種胡楊和檉柳，它們的種子從落種到有萌發(fā)活力的持續(xù)時間一般不足20 d，5—10月胡楊均在飄種，因此，5—9月的補水均會為種子萌發(fā)提供機會；②一般在土層2 cm以下種子所提供的能量不能使上胚軸破土萌發(fā)，因此種子萌發(fā)繁殖較困難，但適當淹灌也增加了種子的萌發(fā)概率。③一年生草本和一些喜濕植物的種子、根置于淺層土壤中，適當淹灌增加表層土壤含水率，為其萌發(fā)(孽)提供了良好的條件；這與徐海量等[22]在塔里木河下游所做的土壤種子庫實驗結論相似。

為了進一步分析淹灌對荒漠河岸林的影響，我們對離生態(tài)閘150，300，450，600 m這4個不同的生境進行分析，可知：①隨著淹灌距離的增加胡楊樹高、冠幅呈先升高后下降的趨勢，胸徑呈上升的趨勢，胡楊密度呈下降的趨勢，隨著生態(tài)閘距離增加，分布較均勻，聚集強度較小，離生態(tài)閘越遠地下水位越深，胡楊密度降低，林地更新方式演變?yōu)樵谀笜渲車l(fā)生根萌或枝萌，聚集強度加大，胡楊老齡樹、枯樹比例增加[23]。②距離生態(tài)閘300 m范圍內，樣地內共發(fā)現(xiàn)17種植物，比300 m范圍外多10種，該區(qū)域地下水位較高，淹灌洗鹽同時提高了表層土壤含水率，淺根系植物得以萌發(fā)(蘗)，胡楊、檉柳苗、多年生草本喜濕植物(萵苣、萎陵菜等)以及一年生草本(牛皮消、苦豆子、早熟禾等)大量出現(xiàn)并形成重要值較大，成為該區(qū)域的優(yōu)勢物種，這些植物的大量出現(xiàn)對淹灌的響應分析具有重要的意義[24]；距離生態(tài)閘150 m范圍內的Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)分別為0.63,1.21,0.79，與距生態(tài)閘150—600 m范圍的Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)差異均顯著(p<0.05)，說明淹灌促進了該區(qū)域新物種的萌發(fā)，形成群落物種多樣性明顯提升。③距離生態(tài)閘大于300 m的區(qū)域，一年生草本、植物幼苗銳減，樣地內僅有8種植物，淹灌雖然可以提高該區(qū)淺層土壤含水量，給種子萌發(fā)提供適宜環(huán)境，但由于蒸發(fā)強烈、地下水位相對較深，鹽漬化也較為嚴重，很難實現(xiàn)幼苗—幼林的過渡階段，往往在種子萌發(fā)后數(shù)月便夭折，塔里木河洪水期一般在7月下旬到8月上旬，這與胡楊、檉柳、蘆葦、駱駝刺發(fā)育期基本處于同一時期[22]。在洪水期的到來和淹灌的交錯實施下，表層土壤黏粒和粉沙物質明顯增多，會大大提升種子、幼苗的存活率[25]；檉柳、駱駝刺等灌木和半灌木重要值水平較高，其抗旱能力較強，是該范圍的優(yōu)勢物種，這些植物都具有深根系等抗旱特點[26]。建議繼續(xù)開展淹灌工程，在補水量不超過有關部門規(guī)定的情況下，加大輸水流速和洪水洪峰流量，增加固輸水渠道，為更大范圍的胡楊林提供補水條件。

4.2 結 論

(1) 塔里木河上中游淹灌后新增物種有11種，主要是喜濕植物以及一年生草本，胡楊苗、檉柳苗大量萌發(fā)，其中胡楊苗密度增加了0.72株/m2，增長率為855.9%；檉柳新枝長增加了41.8 cm，增長率71.58%，優(yōu)、中等長勢的胡楊出現(xiàn)頻率增加0.11株/m2。

(2) 胡楊林樹高、冠幅均表現(xiàn)出隨著距生態(tài)閘距離增大呈現(xiàn)出先增大后減少的趨勢，而胡楊胸徑呈線性上升的趨勢、胡楊密度呈下降趨勢，隨淹灌距離的的增加林齡老化現(xiàn)象出現(xiàn)。

(3) 塔里木河上中游淹灌后植物群落物種數(shù)、多樣性隨距生態(tài)閘距離的增加而減少；林下物種多樣性有隨淹灌距離的增加而減少的趨勢；距生態(tài)閘300 m范圍內以胡楊、檉柳幼苗及喜濕的一年或多年生草本成為優(yōu)勢種(重要值為0.243，0.195，0.248)，大于300 m后優(yōu)勢種逐漸被檉柳、耐旱的多年生草本所取代，一年生草本、胡楊、檉柳苗在距生態(tài)閘450 m后消失。