台特玛湖植被变化特征∗

艾克热木·阿布拉，朱俏俏，徐海量，赵新风，李金，王月健

(1.中国科学院大学经济与管理学院，北京100049；2.浙江省经济信息中心，浙江杭州310006；3.新疆维吾尔自治区环境监测总站，新疆乌鲁木齐830011；4.浙江大学环境科学与工程学科博士后流动站，浙江杭州310027；5.石河子大学地理学院地理系，新疆石河子832003)

0 引言

塔里木河流域综合整治已经进行多年，下游生态输水工作也开展了18年，其下游的生态环境出现了明显好转，特别是下游尾闾台特玛湖出现了近500 km2的湿地，再次呈现出昔日的自然景观[1].台特玛湖处于218国道与315国道衔接地，库—格铁路横穿而过，曾是古“丝绸之路”的必经要道[2].

尾闾湖易受人类活动干扰，其生态需水很容易得不到满足，生态系统的稳定很大程度上取决于水源的稳定，特别是在干旱区，湿地水源主要是地表水，而不包括降水[2].因此，整个输水过程中湖面积与主要源流来水关系如何，是本文拟回答的第一个科学问题.植物群落变化过程一直是生态学理论的中心问题与热点话题[3−5]，国内外大部分研究集中在不同演变阶段群落物种组成[3,4]，演变过程中植被长势、物种多样性等与外界水分的关系[5,6]，有些提出了植被的演替模型[6,7].多数研究结果表明：植被受到干扰后，物种多样性首先增加，随着干扰的持续，表现为植物多样性下降[3−6].至2017年连续向大西海子水库下游进行了18次生态输水，共有14次到达台特玛湖，整个过程中漫溢区植被是如何变化的及变化的原因是本文拟回答的第二个科学问题.本文利用2000―2017年台特玛湖面积、不同漫溢条件下的植被监测数据、塔里木河来水量等相关数据，对以上两个科学问题进行探讨，为流域水资源管理提供基础理论支撑.

图1 台特玛湖区域地理位置Fig 1 The location of the Taitema lake

1 材料与方法

1.1 研究区概况

台特玛湖地理位置如图1所示(地图来自新疆维吾尔自治区测绘科学研究院).研究区位于若羌县中部，是由阿尔金山山前平原和塔里木河及车尔臣河冲积平原交汇处的低地积水形成的，过去曾与罗布泊相通；1982―1998年，台特玛湖连续干涸了17年，使湖西岸强度沙漠化，湖泊沉积物以细沙为主，在强劲的东北风吹蚀下，极易就地起沙[2]；研究区属暖温带大陆性荒漠干旱气候，年均降水量28.5mm，年极端最大降水量118.0mm；年均蒸发量2 920.2mm，最大蒸发量3 368.1mm.植被以干旱荒漠原始天然植被为主.

1.2 台特玛湖面积、大西海子下泄水量、车尔臣河径流量变化

2000―2017年塔里木河大西海子下泄水量、车尔臣河径流量、台特玛湖面积在时间上的变化如图2所示.在此期间，大西海子水库每月下泄给塔里木河下游的水量数据由塔里木河流域管理局提供，经整理后，为每年下泄水量数据.

由于生态输水工程及塔里木河综合治理工程，从2010年开始基本实现了大西海子水库年均下泄水量3.50×108m3的预期目标，加上车尔臣河近两年来水偏丰，加大了对台特玛湖的入湖水量.2003年大西海子的下泄水量为2000―2009年期间的最大值，台特玛湖水域面积达最高水平（190多km2）[2]；2007―2009年输水较少，有些年份来水不能到达台特玛湖，加之塔里木河再次断流，2008年和2009年湖面积急剧缩减；2010年源流来水量大，塔里木河全线贯通，台特玛湖水域面积基本达到了300km2.

图2 近20年台特玛湖面积、大西海子下泄水量、车尔臣河径流量变化图Fig 2 Variation of the area of Taitema lake,discharged water from Daxihaizi and runoff of the Cherchen river in recent twenty years

1.3 台特玛湖周边地下水位变化

由于台特玛湖断面两眼监测井近几年被淹没，使监测数据缺少了连续性，所以，本文用距湖最近的监测断面（考干，距离原湖心20 km）的地下水位来反映台特玛湖周边地下水位的变化情况.一般每年的生态输水在11月份结束，因此本文选取了11月份的地下水埋深数据（图3）.

由图3显示，2000―2017年考干断面两口监测井（J3、J4）的地下水埋深呈先上升后下降趋势，最高值9.2 m，最低值0.4 m.2000―2017年以上两口井平均地下水埋深分别为6.39 m和5.32 m，分别较生态输水前（2000年）减少了45.53%和40.91%，说明生态输水后台特玛湖周边地下水位有所抬升.

图3 2000―2017年台特玛湖区附近考干断面地下水位Fig 3 Groundwater level of Kogan section near the Taitema lake from 2000 to 2017

1.4 样地分布与植被调查

（1）植被监测样地分布

基于多年实地调查，积累了台特玛湖2000―2017年连续的第一手监测数据.本研究在每个样带分别设置漫溢样地和无漫溢样地（即对照样地），针对漫溢条件与无漫溢条件下植被变化差异开展野外调查和数据采集工作.并且鉴于道路的可行性、监测样地的可达性，布设监测样地，位置见图4.

图4 研究区固定监测样地位置示意图Fig 4 The sketch map of fixed monitoring samples in study area

（2）野外植被和土壤调查

2001年共布置39个50m×50m的固定监测样地，每年植被生物量最旺季进行植被监测（5月中旬、7月中旬各一次）；其中受河水漫溢影响的样地有29个，不受河水漫溢干扰的样地（非漫溢区）有10个.监测样地的布设：两条主要的样带沿两个方向布置，一个方向是以原湖心（位于目前的台特玛湖管理站）为中心、沿着南北方向均匀布设监测点，样带长度40 km；另一条样带是以214省道、218国道两条道路的交点为起点，向着214省道方向布点，样带长度10km.非漫溢区一般位于以上两个样带的末尾端、距湖心远的位置.自2009年，由于8个样地长期被水淹没，已不作为固定监测样地，目前只剩21个.通过多年来水实际情况，生态输水对台特玛湖区的漫溢干扰方式有多种：1）多次漫溢；2）少次漫溢；3）长期渍水.丰水年里，如2011年、2016年、2017年，21个固定监测样地中2∼3个样地经常完全被水淹没，被淹没的样地不计入调查统计.非漫溢区包括两种类型：一种是距湖心超过30 km、距湖边超过10 km，不受台特玛湖地下水位抬升或下降的影响；另一种是距湖心30 km以内、距湖边1∼5 km，不受台特玛湖地表水漫溢干扰，但受其地下水位影响，也叫地下水位抬升区[8].

将每个50 m×50 m样地（包括漫溢样地和对照样地）划分成4个25 m×25 m的植被样方，调查样方内所出现的灌木和草本植物的物种数、个体数、株高、基径和冠幅；同时在每个样方内任意选取3个1 m×1 m的草本样方，调查草本植物的物种数、个体数和株高.由于荒漠植物的生长受表层土壤性质影响最大，因此在每个监测样地内随机挖取0∼10 cm地表土壤样品3个，取样面积为10 cm×10 cm.将土样装袋带回实验室进行电导率、总盐和有机质的测定.同时，将台特玛湖水样带回实验室进行水质化验.

（3）数据统计分析

基于野外调查结果，计算对照样地和每一个漫溢样地中一年生草本、多年生草本和灌木的重要值，并求出同一漫溢指标梯度的样地中三类植被重要值的算术平均值，以作为分析三类植被对群落结构贡献变化的依据；同时选取Simpson指数、Shannon-Wiener指数来反映植被物种多样性的变化情况.Simpson指数是反映群落优势度较好的一个指标（用D表示）；Shannon-Wiener指数的计算公式表明，群落中生物种类增多代表了群落的复杂程度增高（用H表示），H值越大，群落所含的信息量越大.计算公式如下所示[9,10]

Simpson指数：

Shannon-Wiener指数：

式中，S为样方的总物种数，Pi表明第i个物种的出现频率，Pi=Ni/N（Ni为第i种的个体数，N为样方的总个体数）.

1.5 台特玛湖植被覆盖度分析

本文植被覆盖度提取用到的植被指数数据为MOD13Q1产品中的EVI数据，空间分辨率为250m，时间序列为2001年1月至2016年12月.

对获得的EVI遥感数据除进行了数据格式转换、镶嵌、投影转换及研究区提取等预处理外，为降低噪音信息对数据的影响，还进行了Savitzky-Golay滤波和MVC合成处理，获得代表植被生长最好状况的年EVI数据.

像元二分模型是目前植被覆盖度反演的有效方法，其计算公式如下：

Fc为植被覆盖度，本文采用两位小数表示，以与百分比区分，EVIsoil为研究区纯裸土像元EVI值，EVIveg为纯植被像元EVI值.本文分别取研究区EVI图像直方图5%和95%处的EVI值代表EVIsoil值和EVIveg值.

2 结果与分析

2.1 水域格局变化及与来水量的相关关系

从遥感影像中提取的水域格局（图5）可以看出，与1982年相比，自2002年以来汇入台特玛湖的河道位置、形状基本一致，未发生明显变化.2001年秋塔里木河水通过库尔干（考干）以下的14km人工河道到达台特玛湖区；2003年春车尔臣河穿过218国道，夏季其河水与塔里木河的河水汇合；2010年底以后，因塔里木河下游应急输水量多、持续时间长，故台特玛湖一直保持较大水域，并向湖区东北方向的洼地扩大（图5）.

图5 不同时期台特玛湖水域格局Fig 5 Water pattern of Taitema lake in different periods

利用2000―2017年车尔臣河且末水文站径流量、塔里木河大西海子下泄水量、台特玛湖面积数据建立湖面积与来水量间的关系（图6）.通过皮尔逊相关系数计算公式得到湖面积与塔里木河下泄水量相关系数为0.72，湖面积与车尔臣河来水量间的相关系数为0.67（图6中r2是相关系数的平方）说明前者关系大于后者.

图6 台特玛湖面积与且末水文站径流量、塔里木河下泄水量的关系Fig 6 Relationships of the area of the Taitema lake with the runoff of Qiemo hydrologic station and the discharge of the Tarim river

前期（2000―2010年）是间歇性输水，期间几年的枯水年份里，没有水下泄；后期（2011年至今）是连续性输水，自国家规定三条红线和塔里木河统一管理以来，除了2014年的特枯水年以外，其余年份大西海子下泄水量均达到或超过国家规定输水量（3.50×108m3）.因此，形成了图2中的情况，即2001―2010年初湖面积较小且不稳定，2010年夏至今，台特玛湖水域面积逐步扩张.

2.2 水质变化与来水量的相关关系

图7 台特玛湖各种离子变化特征Fig 7 Variation characteristics of various ions in Taitema lake

从图7可以看出湖水矿化度、Ka+、Na+、Mg2+、Ca2+、Cl−、中，除了Ca2+以外，其他离子浓度值在时间序列上均表现为相同的趋势，即2002―2005年矿化度及离子浓度值均较低，2006―2009年较高，而2010―2014年又下降为低值.可能主要是由于水中各离子浓度的变化趋势与塔里木河输水量有关，一般输水量越大、台特玛湖形成的湖面积越大，湖水量多必然对台特玛湖盐分产生稀释作用.

表1是台特玛湖各离子浓度与来水量间的相关关系.从表1可以看出，2001―2017年台特玛湖离子浓度与台特玛湖面积、塔里木河下泄水量呈负相关关系.

表1 湖水水质与塔里木河下泄水量、台特玛湖面积相关系数值（2001―2017年）Tab 1 Correlation coefficient of water quality with the discharge of Tarim river and the area of Taitema lake in 2001-2017

2.3 植被覆盖度变化

台特玛湖在2000―2002年（生态输水前期），植被覆盖度几乎没有变化，甚至减少（红色范围几乎未扩大）.随着时间的推移，到了生态输水时期台特玛湖植被覆盖度增加（红色区域增多）：生态输水前10年，植被盖度增加的区域主要发生在台特玛湖以北，在后期，特别是自2014年开始，台特玛湖以北植被盖度继续增加，以南出现了大范围的植被（图8）.

图8 台特玛湖区域植被盖度Fig 8 Vegetation coverage of Taitema lake

2.4 植物多样性变化

利用连续18年（2000―2017年）地表样方监测数据，得到整个生态输水期间台特玛湖地表植被多样性变化情况（图9）.漫溢区情况表现为：生态输水前，研究区植被多样性指数非常低，2001年植被Simpson 指数、Shannon-Whiere指数值仅为0.07和0.12，随着输水的进行，2000―2005年植被Simpson指数、Shannon-Whiere指数呈显著增加趋势，2005年以上两个指数值分别达到了0.79与1.67.说明在初期，生态输水增加了地表植被的多样性.但在后期，随着生态输水的持续进行，Simpson指数、Shannon-Whiere指数逐渐下降，通过Mann-kendall单调趋势检验，2005―2017年以上两个指数呈极显著下降趋势，其统计量Z值分别为-3.36和-3.48，其绝对值大于2.58，说明随着输水的进行物种组成逐渐趋于简单化.从图9可以看出2009―2012年植物多样性指数呈反增趋势，主要是由于2009―2010年是特枯年份，生态输水未到达台特玛湖，植被多样性随着周围水分条件的变化也发生了变化.从图9还可以看出地下水抬升区植被多样性始终保持较低的态势，说明地下水抬升区没有新物种出现.

图9 台特玛湖植被Simpson指数（A）与Shannon-Whiere指数（B）年际变化Fig 9 Interannual variations of Simpson index(A)and Shannon-Whiere index(B)in Taitema lake

3 讨论

3.1 塔里木河与车尔臣河对形成台特玛湖的贡献比较

利用2000―2017年台特玛湖面积、车尔臣河径流量、塔里木河大西海子水库下泄水量数据，得出湖区面积与大西海子下泄水量关系更显著于与车尔臣河来水量间的关系，台特玛湖面积与大西海子下泄水量、车尔臣河流域且末水文站径流量间的皮尔逊相关系数分别是0.72和0.67，考虑到这两种情况的输水距离均是250km左右，以及沿程地质均具有很大相似性[11]，可以说台特玛湖湖面积受车尔臣河来水的影响，但更依赖于塔里木河的生态输水.

3.2 输水前期（2000―2005年）植物多样性增加的原因

未受到塔里木河下游输水影响时，2000年台特玛湖原始植被主要是盐穗木（Halostachyscaspica）、盐节木（Halocnermumstr）、盐爪爪（Kalidiunfoliatum）等原始盐生植物；受到自2000年塔里木河生态输水工程的影响，研究区土壤含水量发生了改变，从生态输水开始到2005年，当地主要植被类型是一年生草本和多年生草本群落.初期植物多样性出现了明显的增加，主要由以下四点来解释：（1）由于本区长期缺水造成植物群落严重退化，作为最重要的限制因子，水分条件的变化对植物群落的影响十分突出，植物种子随着外界水分条件的改善而萌发；（2）过去植被茂密、动植物种类繁多的台特玛湖[12]，虽然经历了长期的干涸造成生态系统的严重退化，但是许多干旱区植物种子具有的休眠和耐受能力使得它们能够长期存活，例如本区内铃铛刺（Halimodendronhalodendron）、骆驼刺（Alhagisparsifolia）、胀果甘草（Glycyrrhizainflata）等豆科植物的种子被认为是干旱区的“持久土壤种子库”，种子寿命甚至可达几十年、上百年之久，待有了萌发的环境条件、时机成熟后便可萌发[13]；（3）输水过程中，因头几次生态输水大西海子以下沿途河损量大，水头未达台特玛湖，但沿河植被生长早于台特玛湖，植被在一年内很快完成生殖生长，多数植物的种子具有独特的形态特征，如柽柳（Tamarixsp.）、芦苇（P.australis）、鹿角草（Hexiniapolydichotoma）、花花柴（Kareliniacaspica）等植物的种子可以在风、水等媒介的作用下传播到很远的区域，当遇见合适的环境条件时它们可以很快繁殖和生长，水头到达台特玛湖后，由于地面潮湿又能够使这些具有萌发潜力的种子停留而不易被风吹走，从而使漫溢区植被无论在密度、长势和盖度等方面与输水前相比均发生了很大变化；（4）生态输水过程中，河水本身有可能为漫溢区带来新种子，因为水葱（Scirpustabernaemontani）、扁秆藨草（Scirpusplaniculmis）等均是生活在水分条件较好的区域，而水路经博斯腾湖（前期输水中部分来自博湖）、大西海子水库，满足上述条件.

3.3 输水后期（2005―2017年）多样性减少的原因

生态输水前期，随着水分条件的好转植物多样性增加，这一点比较容易理解.在后期十余年内植被对生态输水的响应如表2所示，2005年漫溢区植被主要由一年生草本、多年生草本与灌木组成，其中一年生草本植物的IV(important value)值最大（0.54），其次是灌木（0.32），然后是多年生草本（0.28），说明样地内一年生植物占主要优势，次优势为灌木，其中灌木主要由原生植被，如盐穗木（Halostachyscaspica）、盐节木（Halocnermumstr）及柽柳（Tamarixsp.）的幼苗构成.2007年灌木IV值增大（由2005年的0.32增加至2007年的0.54）、一年生草本植物IV值下降（由2005年的0.54下降到2007年的0.23）、多年生草本IV值略有增长.2009年，灌木IV值达到最高（0.83）、多年生草本IV值变化不大，而一年生草本植物基本消失.

表2 不同年份漫溢区台特玛湖植被重要值构成Tab 2 Important values composition of vegetation of Taitema lake in different years

2012年多年生草本IV值增大（0.75）、灌木IV值减小，而多年生草本中的主要物种是芦苇，芦苇盖度占总盖度的90%以上.从以上可以看出，在2007―2009年的枯水年份里，灌木、多年生草本占优势；但随着漫溢次数的增加、过水时间的持续，2010年以后，物种又以多年生草本占优势（表2）.由于芦苇在耐盐性、耐淹性方面都较强[14,15]，从而成为该区顶级群落.

4 结论

（1）台特玛湖湖面积与塔里木河下泄水量相关系数为0.72、湖面积与车尔臣河来水量间的相关系数为0.67，前者大于后者，台特玛湖湖面积受车尔臣河来水的影响，但更依赖于塔里木河的生态输水.

（2）台特玛湖湖水矿化度、Ka+、Na+、Mg2+、Cl−、离子浓度值与湖面积、塔里木河下泄水量呈负相关关系（相关系数分别达到-0.639∼-0.353、-0.645∼-0.427）.

（3）随着生态输水的进行，台特玛湖周边地下水位呈抬升趋势，台特玛湖漫溢区、地下水位抬升区植被覆盖度呈增加趋势.从时间上来看，台特玛湖在输水初期（2000―2002年）植被覆盖度增加不明显，随着时间的推移植被覆盖度逐渐增大.从空间上来看，生态输水头10年左右，植被覆盖度增加的区域主要发生在台特玛湖以北，后期（特别是2014年以来），台特玛湖以北植被覆盖度继续增加、以南裸地开始出现大范围的植被.

（4）生态输水前，研究区植被多样性指数非常低，2001年植被Simpson 指数、Shannon-Whiere指数值仅为0.07和0.12，随着输水的进行，漫溢区植物多样性指数逐渐增大，2005年以上两个指数值分别达到了0.79与1.67.随着时间的推移，物种组成又趋于简单化；2011―2017年，芦苇成为漫溢区的优势物种，该时段植物多样性保持着较低的水平.