荒漠化地区水化学特性及其对胡杨林生长的影响

管文轲, 钟家骅, 霍艾迪, 易 秀,侯志强, 张 敏, 刘德林, 何晓霞

(1.新疆林业科学院, 新疆 乌鲁木齐 830002; 2.长安大学 旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室, 陕西 西安 710054; 3.潍坊市水文局,山东 潍坊,261000; 4.长安大学 外国语学院, 陕西 西安 710054; 5.新疆塔里木胡杨林国家级自然保护区, 新疆 库尔勒 841000)

水作为干旱荒漠区最关键的生态因子,不仅是绿洲生态系统构成、发展与稳定的基础和依据,而且决定着干旱区绿洲化与荒漠化极具对立与冲突性的生态演化过程[1-2]。胡杨是绿洲生态系统的代表性树种，其更新繁衍受到水量与水质的共同制约。塔里木胡杨国家级自然保护区位于塔里木河(简称塔河)中游，在保护动植物资源方面发挥了极大作用，但区内胡杨林的种群径级结构呈倒金字塔型，严酷的环境抑制了幼苗的萌发与存活，种群维持面临困难。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于塔河中游(轮台县英巴扎至尉犁县恰拉)，河段长约398 km，塔河在中游段横贯天山南麓冲积、洪积平原与塔克拉玛干沙漠北缘的交错地带，地势平坦，泥沙淤积，汛期河水泛滥形成积水沼泽，河道弯曲且时常迁徙形成一个长达100 km的淤积平原[13]。该区域绿洲与沙漠交错，生态环境脆弱，2000—2013年年均植被覆盖度为10.6%～12.44%，其中农田植被覆盖度显著增加，上游来水量大部分被农田利用，生态环境退化仍是主基调[14]。塔里木盆地内部十分干旱，塔河沿岸地区年降水量仅50～80 mm，塔克拉玛干沙漠年降水量仅有10 mm[15],而中游地区年均蒸发量达2 024 mm，年日照时数2 442～2 925 h，年平均气温10.9 ℃，极端最低温-25.5 ℃，温度年均日较差14.6 ℃，无霜期180～224 d，≥10 ℃积温4 125.3 ℃。草本植物是该区植物群落的主要组成部分，有芦苇(Phragmitescommunis)、胀果甘草(Glycyrrhizainflate)、花花柴(Kareliniacaspica)、罗布麻(Apocynumvenetum)等。乔木树种有胡杨(Populuseuphratica)、灰叶胡杨(Populuspruinosa)；灌木有柽柳(Tamarixchinensis)、铃铛刺(Halimodendronhalodendron)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)等[16-17]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与介绍 2016年9月，时值塔河汛期，于塔里木胡杨国家级自然保护区内，采用布设样地、植被调查、样品采集与试验分析的方法，研究在胡杨林不同生境下，区内地表水与潜水的水化学特性。样地均位于塔河中游南岸，编号分别为W1，W2，W3，样地在汛期均可被向两岸漫溢的河水浸淹，形成沿河岸的湿地景观，采集地表水较为方便，其中W3样地水域面积最大，W2样地次之，W1样地水域面积最小。在塔河中游干流尉犁大桥下设置W4采样点，采集干流水样。各样地的胡杨长势特征详见表1。

表1 塔里木河中游典型区域胡杨长势特征

1.2.2 样品采集与测试方法 依据胡杨林的不同发育状况，W1样地胡杨生长衰弱，高度6～8 m，部分已死亡；W2样地胡杨长势良好，与灌木、草本植物种群共同构成结构稳定的河岸林群落；W3样地胡杨长势旺盛，种群处于稳定增长阶段。

在这3个样地中采集地表水样，使用GPS系统定位，记录采样点的经纬度及海拔高度，并在W2采样点进行挖掘，至潜水出露处，取得潜水样；并在塔河干流尉犁大桥下取河水样。每个水体取3份平行样进行水质分析测试，结果取平均值。化学指标及试验方法是：pH值—酸度计法，溶解性总固体—质量法，总碱度、碳酸根离子、重碳酸根离子—双指示剂滴定法，硫酸盐-EDTA二钠容量法，氯化物—硝酸银容量法，氨氮—纳氏试剂分光光度法，游离二氧化碳—中和法，钙离子、镁离子、总碱度—EDTA二钠络合滴定法。

2 结果与分析

2.1 塔里木河中游水化学特性

对研究区各采样点取得的水样进行化学分析(表2)，结果表明，各样地采样点的地表水样总硬度较高，测定值在16°～43°(德国度)，属于硬水(16°～30°)和极硬水(>30°),W2采样点潜水样硬度达170.5°,W4河水样硬度最低，为16.9°。

表2 塔里木河中游各样地水体水质分析

在塔河丰水期，保护区内干流河水及漫溢河水属于淡水及微咸水。塔河中游尉犁大桥下水样的TDS为615.3 mg/L，按生活饮用水卫生标准(GB 5749-2006)，溶解性固体低于1 000 mg/L可认为是淡水。W2采样点的地表水矿化度为838 mg/L；在W2样地胡杨林下挖掘深度至65 cm时即有潜水出露，潜水样矿化度达14 476.3 mg/L，属于盐水(10～50 g/L)。W3样地地表水样TDS为1 037.5 mg/L，属微咸水，其TDS值较干流水体高68.6%。

地表水与潜水样的pH值在7.32～7.82，尉犁大桥下塔河干流水样pH值最高，为7.82，W2采样点潜水的pH值最低，为7.32。各样地地表水样总碱度(CaCO3)在100～300 mg/L，相对于其余样地处地表水样，塔河干流水样总碱度最低，为115.1 mg/L；各样地地表水体水化学特性基本指标对比详见图1。

注：W1，W2，W3，W4为4个不同样地。

研究区内潜水主要来源于地表水的下渗补给，在水质上，W2采样点潜水TDS、总硬度、总碱度分别是地表水的17.3，9.3，4.7倍。同一区域内地表水与潜水的水质对比详见图2。

图2 塔里木河中游相同区域地表水与潜水水质对比

保护区内地表水硫酸盐与氯化物含量分别在204.1～486.3及70.9～239.9 mg/L，塔河尉犁大桥断面处河水样的氯化物含量为133 mg/L，硫酸盐含量达204.1 mg/L，均低于国家生活饮用水水质卫生规范中相应的限值(250 mg/L)。W3采样点地表水硫酸盐含量为486.3 mg/L，属于苦咸水。在W1与W3样地的地表水中，氨氮含量超出地表水环境质量标准(GB 3838-2002)中适用于国家自然保护区的Ⅰ类标准(≤0.15 mg/L)，相应的，水体中游离CO2含量较高，分别为16.5与27.5 mg/L。

2.2 塔里木河中游胡杨林生长状况

塔河中游荒漠河岸林中的胡杨在9月已开始进入落叶期，叶片变黄。常见植被组成为旱生、盐生植物，有胡杨、灰杨、沙枣、枸杞、盐穗木、铃铛刺、骆驼刺、甘草等。依据植被种类、数量、总体盖度等，将胡杨林群落的生境分为荒漠化区、过渡带与河岸辐射区3种区域类型。野外调查结果显示，该区胡杨与灰胡杨种群幼龄期个体较少，更新资源匮乏，种群径级结构呈倒金字塔型。

W1样地位于塔河南岸阶地，属过渡带，地表有盐结晶表层，受季节性洪水影响，淹没期较短；其植被生长模式以柽柳为优势种，呈丛状生长，高度2～4 m，丛径2～6 m，近地表处可固沙高度20～40 cm；胡杨生长稀疏。W2样地属河岸辐射区，汛期有河水流经此地，水量较大，胡杨林种群结构相对稳定，树龄多为中龄和近熟林阶段；主林层高度7～10 m，每1 hm2株数170株以上，最上层树高16 m以上，幼树层高3～5 m，每1 hm2幼树320株左右；柽柳呈丛状散生或片状分布，高2～4 m，盖度10%～30%；草类有芦苇、盐生草、骆驼刺等。W3样地位于河漫滩，具有成片胡杨林，草类较少，胡杨更新演替相对较易；新冲积物上可见胡杨种子苗和根蘖树苗，高15～30 cm；胡杨幼树树龄一般在10 a以内，高2～4 m，每100 m2面积上约20～40株，幼树已开始分化，发生大量凋亡而自然稀疏；胡杨群落的伴生种类不稳定，主要是柽柳幼株。

3 讨 论

(1) 塔河干流区流经的塔克拉玛干沙漠外围地区地下水主要补给方式为汛期漫溢河水的下渗，汛期过后，河水以侧渗的形式补给河道两侧地下水[18-19]，因此地表水与地下水间水力联系密切。本研究发现，在塔河中游沿岸典型的河岸林带下，地下水TDS值远高于同区域地表水，最高可达14 g/L以上，主要是由于中游堤防的修建，使地下水沿河淡化带范围大幅度萎缩，主要离子含量大幅度增加[20-22]，同时，汛期地下水水位的抬升，排水不畅，土壤上层盐类通过漫溢河水下渗而转移至地下水中亦是重要因素。研究区地表水水质的恶化，是自然与人为因素共同作用的结果，一方面由于地表积盐的溶解；其次是积水沼泽中水流缓慢、蒸发强烈，而区内大面积种植棉花、油葵、红枸杞、瓜类等经济作物过程中，大量农田排水的汇入已经对该区地表水质产生了不利影响。

(2) 由于输水堤坝生态闸在洪水期引水漫灌河岸两侧胡杨林，在塔河中游地区扩大了水域面积，季节性洪水的冲刷使得河流沿岸的地下水淡化带不至于过度萎缩，减缓了堤坝修建所引发的生态负效应，维持了现有胡杨林的生长。但生态闸对沿岸地下水的淡化范围是有限的，仅在濒临河道的狭窄地带能满足胡杨幼苗的萌发和生长。当地下水矿化度达2.2 g/L以上，胡杨幼苗无法生存[4]，地下水矿化度10～20 g/L，耐盐性最强树种才能适应[23-24]，地下水化学性质的改变对生物进行了自然选择与淘汰，因此区内胡杨林演替自然更新资源匮乏，多为中、老龄胡杨和柽柳、红柳等耐盐灌木。此外，塔河流域严酷的气候条件对胡杨幼苗萌发与存活的抑制；上游高强度的水土资源开发导致中游来水量减少；过度开垦耕作、放牧等人为活动的不利影响；土壤贫瘠、盐碱化；种间、种内竞争等因素均有可能造成胡杨种群的衰退。

4 结 论

(1) 塔河中游较大的水域面积维系着沿岸天然胡杨林的生长，随着河水向河道两侧漫溢，地表水化学组分由原来的以硫酸盐、钙离子为主逐渐转变为以氯离子、钠离子为主，其矿化度、总碱度、总硬度等均有上升，同时区内大范围的农业生产活动亦对地表水产生了污染。地下水盐分含量过高，仅能维持现有中老龄胡杨的存活。

(2) 研究区植被组成主要为旱生、盐生植物，该区胡杨与灰胡杨种群幼龄期个体较少，更新资源匮乏，属于衰退型种群，仅在濒临河道的狭窄地带适宜胡杨幼苗萌发与生长。

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