塔克拉玛干沙漠克里雅河尾闾达理雅博依绿洲地表水、地下水对植被格局的影响机制∗

2019-08-27师庆东郭玉川周小龙戴岳依力亚斯江努尔麦麦提李诚志

新疆大学学报(自然科学版)（中英文） 2019年3期

师庆东，郭玉川，周小龙，戴岳，依力亚斯江·努尔麦麦提，李诚志

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830046；2.新疆绿洲生态教育部重点实验室，新疆乌鲁木齐830046；3.新疆大学干旱生态环境研究所，新疆乌鲁木齐830046)

0 引言

0.1 研究区概况

塔克拉玛干沙漠是中国最大的沙漠，面积约3.4×105km2，绿洲分布在沙漠边缘，是塔里木盆地人民生活的基本场所[1]．达理雅博依绿洲是塔里木盆地南缘第二大河流克里雅河的尾闾绿洲，该绿洲的独特之处在于其是深入塔里木盆地腹地具有相当规模的“原始”绿洲[2]，位置示意见图1．

图1 沙漠腹地“原始绿洲”达理雅博依位置示意图Fig 1 The location of pristine oasis Daliyaboyi in the desert hinterland

该绿洲地处沙漠内部，自于田绿洲向北至达理雅博依绿洲中心直线距离约170 km，沿河行走约200 km，距绿洲最北部达270 km．交通不便，相对封闭，处于半自然牧业状态，没有规模工、农业活动．绿洲整体约342 km2，在老乡政府所在地不足0.3 km2的范围内有连片的房屋、学校、清真寺等，除老乡政府所在地有太阳能供电外，其余居民均为散居（部分居民家庭有太阳能，无固定持续电源），户距一般在1 km以上，无固定道路，一般沿干枯河床和沙脊行走，靠地表水、浅层地下水生活和放牧[2]．周兴佳定义了原始绿洲的概念，即史前时期远古人类以狩猎、捕鱼等方式对自然绿洲资源的原始利用[3]．依据该定义，此绿洲处于与现存绝大多数现代绿洲不同的相对“原始”状态．2016年底自于田绿洲向北延伸90 km铺装道路，2018年达理雅博依绿洲大部分居民迁出，集中于90 km处，乡政府也搬迁至此，达理雅博依绿洲未来以生态保护和旅游开发为主．

该绿洲的存在在绿洲生态学上极具科学价值[3,4]，通过文献和本项目组前期考察，近几十年来，由于气候变化和上中游人类活动的多重影响，该绿洲北部呈现明显退化趋势，地下水位下降，沙漠化进程明显，考察沿途多见被放弃的房屋（图2）．北部干枯河道的沙丘在5年左右的时间可以形成1 m的高度（据向导描述和本项目组考察），退化过程正在进行中，河道沙丘由南向北呈现增大趋势，因而也是观察和研究原始绿洲荒漠化过程的绝佳地域．

图2 达理雅博依近几十年被放弃的房屋（2011年11月、2012年8月考察拍摄）Fig 2 Houses abandoned in recent decades in Daliyaboyi(Shooting during the inspection in 2011 November and 2012 August)

由于该绿洲环境恶劣、交通不便，前期研究非常薄弱．克里雅河流域的研究多以于田绿洲主体及以南区域为主，即中游以上地区，于田绿洲以北克里雅河下游段的研究相对零散，多为考察性质，缺乏系统性．克里雅河的最大水量季节是6∼9月，此后为枯水期，但非枯水年每年6∼12月绿洲有地表水达到，每年10月份以后地表水是从哪里来的？达理雅博依绿洲降水稀少，植被生长主要依靠地表水和地下水，但地表水并不能流到达理雅博依绿洲所有有植被的区域，那么地表水与地下水转化过程如何进行的？沙漠中远离河岸的植被是如何维持生存的？地表水是否影响了绿洲的整体特征和近河岸的景观特征？浅层地下水是如何形成、运移的？浅层地下水水位对地表植被分布格局起到了什么作用？土壤水分与地形、地貌及地表水、地下水的关系等科学问题亟待解答，这些问题具有独特和重要的科学价值．

克里雅河上游的吉音水库（36◦11′N，81◦32′E）于2017年年底竣工．其规划库容为0.83×109m3，可控制克里雅河86%的水流量，于田县灌溉面积也将从50万亩扩大到135万亩，并为克里雅河下游天然绿洲胡杨林调水．达理雅博依绿洲在1950年前后人口为310人（55户）[5]，根据本研究团队2011年11月的调查，户口人数为1 363人（325户），该绿洲1949年有各类牲畜9 000头[4]，2011年近32 000头，但绿洲可供人类生活居住的面积缩小了近50%（据遥感图与调查初步估算），人口和牲畜的数量增加和密度加大对自然环境已经衰退的承载压力更加强烈．于田县政府和达理雅博依乡政府将达理雅博依绿洲移民到中游集中搞生产，而这种移民到中游地区生活的方式将对下游生态环境产生何种影响？上游吉音水库建设目标之一是向下游调水，但在人与自然争夺水资源的过程中，人是拥有主动权的，向下游调水在何时？多大水量？这样的问题必须尽快回答，才有调水依据，否则会在人类自身利益的驱动下，给下游绿洲带来灾难性的后果．但是深入沙漠腹地的“原始绿洲”达理雅博依尚没有系统的观测数据与研究积累，地表水水量、地下水位监测，植被分布格局特征均不清楚，这很有可能造成中上游肆意无节制的用水，在人类利益优先的情况下造成该绿洲大面积的不可逆的缓慢退化，甚至消失．因此开展克里雅河下游地表水、浅层地下水对沙漠腹地天然绿洲植被格局影响机制研究既是科学研究的需要，也是现实发展的需要，迫在眉睫．

0.2 研究进展

伴随全球生态与环境问题的不断突显，探寻水循环变化过程及与之相关的生态环境问题已经成为一种迫切需要，UNESCO/IHP第5阶段（1996―2001年）、第6阶段（2002―2007年）、第7阶段（2008―2013年）分别将“地表生态过程”“陆地生境水文学”“生态水文学与环境可持续性”作为主题之一．研究流域尺度上水文与生态之间的相互关系是生态水文学研究关注的热点，生态水文学已经成为一门联系多个学科的新兴学科[6]．地表水、地下水是生物群落结构和生物地球化学功能的关键因素[7,8]．

国外学者多认为河流水文特征对流域生态系统具有重要作用，对水文生态过程准确理解需要长系列时间的数据观测，人类管理河流对流域带来的生态问题尚未认清与解决．大坝的形成导致森林面积的下降与河岸植物带的荒漠化[9]．Nilsson认为地下水水位的变化决定河流沿岸植物群落的结构和动态[10,11]．Yang认为半干旱地区地下水是满足河道流量和维持河道生态系统的重要因子，在一定的条件下地下水对地表径流有一定的贡献[12]．Owusu应用POLFLOW 模型模拟了地表水和地下水的转换过程，并认为可以应用于流域的水资源管理[13]．

国家自然科学基金重大研究计划“黑河流域生态-水文过程集成研究”在甘肃黑河流域开展的地下水动态变化与地表生态环境变化之间的关系研究取得了系统化的成果．程国栋认为通过建立联结观测、实验、模拟、情景分析以及决策支持等环节的“以水为中心的生态-水文过程集成研究平台”，可以揭示植物个体、群落、生态系统、景观、流域等尺度的生态-水文过程的相互作用规律，是干旱区流域生态学研究的重要内容[14−16]．王根绪指出河流廊道是干旱区荒漠绿洲的主要生态流，河流廊道的变化是导致荒漠绿洲景观格局变化的驱动力[17]．

塔里木河流域生态水文学也一直是众多研究者长期关注的问题．宋郁东等探讨了塔里木水资源的形成、转化和消耗规律；水资源开发利用与生态环境的关系；水资源、生态环境与社会经济协调发展三个重点问题[18]．李小明研究认为植被稳定的必要条件是保持地下水位的相对稳定[19]．陈亚宁研究团队通过对塔里木河下游断流河道输水过程以及地下水监测断面和植被样地的实地监测资料分析，认为地下水埋深与天然植被的组成、分布及长势有直接关系．平原区地下水补给量主要是由地表水转化形成的，地下水补给量分布取决于地表水系的分布，主要来源于河流的线状补给和灌区的面状补给[20−23]．

克里雅河是塔里木盆地南缘第二大河流，年径流总量为7.1×108m3，其发源于昆仑山山脉，在塔克拉玛干沙漠南缘发育了面积约1 000 km2的于田绿洲，然后深入塔克拉玛干沙漠腹地，在克里雅河尾闾形成了塔里木盆地现存最大的一处面积约342 km2的天然绿洲——达理雅博依．对于该绿洲，学者们很早就发现了其研究价值，并特别注意到季节性洪水对绿洲形成和发育的作用[3,4]，周兴佳以克里雅河绿洲为典型例子，分析现代绿洲发育与演变的证据，并以绿洲沉积物的绝对年龄数据作对照，演绎了塔里木盆地南缘绿洲演变的序列与过程，认为气候（温度为主）、新构造和人类活动三个因素在不同时期的耦合决定了绿洲的性质和发展过程[3,24]．朱震达[1,4]、杨小平[25]认为近百年来，特别是近50年克里雅河下游牧业绿洲的严重退化是中游地区集中发展农业绿洲增加用水量及下游过牧、砍伐所造成的，而不是沙漠前移的结果．

克里雅河下游达理雅博依绿洲具有重要的科学研究价值，但其目前的研究零散薄弱．科学研究是一个循序渐进的过程，地球系统科学的研究方法是一个从“采集观测系统”到“分析和解释”，再通过“概念化和数值模式”而进行“验证和预报”的循环往复、不断提高的过程[26]．从前期对绿洲生态水文学的研究来看，长期定位观测的数据是研究的基础，黑河流域和塔里木河流域的研究是最好的例证．因此，在克里雅河于田绿洲以北至达理雅博依绿洲利用现代观测条件尽可能地进行水文、气象、生态的自动长期观测，通过固定植被样带和样方，动态观测绿洲植被长势及生境，分析解释地表水、浅层地下水位对绿洲植物格局影响的时空过程，是诸多荒漠绿洲生态科学问题的基础．鉴于上述科学与现实问题，新疆大学克里雅河流域研究团队向国家基金委申请了2018年国家自然科学新疆重点联合基金“地表水、浅层地下水对沙漠腹地天然绿洲植被格局影响机制”并获批．

1 研究目标与主要研究内容

1.1 研究目标

达理雅博依绿洲是沙漠绿洲学的独特地域，其科学问题众多，但目前的研究零散薄弱．本项目将在克里雅河于田绿洲以北至达理雅博依绿洲区段利用现代观测条件尽可能地进行水文气象的地表水和浅层地下水位的自动长期观测，同时系统调查与水文观测系统相对应的植被群落特征，通过固定植被样带和样方，动态观测绿洲植被长势及生境，在系统观测的基础上，探明沙漠腹地原始绿洲地表水、地下水位、土壤水时空过程及地表植物群落响应，利用观测数据进行数值试验，构建地表水、地下水位变化引起植被变化的空间统计模型及机理模型，回答沙漠中远离河岸地表水的植被是如何维持生存的？克里雅河地表水与地下水位的时空过程机制是什么？地表水、浅层地下水、土壤水是如何控制沙漠天然绿洲植被格局的？独特绿洲的维系机制是什么等科学问题．

1.2 研究内容

1.2.1 达理雅博依绿洲植被空间格局分析

沙漠腹地绿洲的植被格局特征既是沙漠腹地绿洲科学研究的需要，也是阐明地表水、浅层地下水对植被空间格局影响机制的基础．本项目采用传统野外调查方法结合高精度遥感数据对达理雅博依绿洲的土壤、地貌、植被分布状况进行综合调查，建立与地表水、浅层地下水观测点对应的网格化固定样带、样方构成的植被观测系统．按照不同类型植物群落与盖度对研究区的植物群落进行聚类分析，划分群落类型．

1.2.2 克里雅河下游地表水及河岸侧向地下水位时空规律

克里雅河下游于田绿洲以北地区至达理雅博依绿洲一段尚未有国家水文监测站，本项目在克里雅河下游建立1∼2个多普勒雷达水位站及2∼3个垂直河道地下水位监测点，探明地表水及侧向地下水位之间的时空关系，同时监测和计算克里雅河下游地表水蒸渗及补给变化情况．在空间统计学支持下探明克里雅河下游地表水及河岸侧向地下水位时空一般规律特征．

1.2.3 达理雅博依绿洲及其周边浅层地下水时空过程

根据达理雅博依绿洲自然形状、季节性地表水空间分布，结合绿洲内主要植被格局和植被群落盖度梯度，建立网格化地下水位同步自动监测井系统，记录观测井与地表水空间距离，地表植被特征，地形、地貌特征．采用地下水流数值模拟软件对研究区地下水演变规律进行数值模拟，分析绿洲浅层地下水位动态变化过程与空间分布规律．

1.2.4 地表水、浅层地下水过程对沙漠腹地天然绿洲植被格局影响机制研究

在景观尺度上，通过TM遥感数据对绿洲景观进行分类，分析不同景观斑块类型结构特征及不同斑块类型的变化特征；根据地表水、地下水位与不同植物群落类型以及相同植物群落类型的不同盖度、长势梯度有相互的对应，结合生态水文学、空间统计学理论及方法，研究地表水、地下水、土壤水和植物之间的统计规律，探明绿洲内季节性地表水、地下水位及理化特征变化与不同植物群落类型的对应关系．

2 研究进展与展望

2.1 研究进展

1）野外植被格局调查：于2018年7月（植被生长稳定期）对克里雅河下游进行了植被调查，共53个样方．调查范围主要集中在已建立的地下水监测井周边，同时用大疆（DJI）无人机进行了航拍．乔木样方大小为20 m×20 m，灌木样方大小为20 m×20 m，草本样方大小为1 m×1 m．

2）水文、气象观测建设：2018年11月，根据克里雅河下游河道的形状和河岸植被的分布梯度设观测井28口．在达理雅博依绿洲的主体设了5个监测断面，共19口监测井(图3)．所有观测井均使用自动记录仪（HOBO），水位监测频率为6次/天．

3）提出了基于CNN-CPMF的植物群落自动分类方法：结合低空高空间分辨率无人机遥感影像数据，基于CNN的VGG16、VGG19和ResNet50网络结构分别对图像植物群落自动分类进行了特征学习．在10×10像素尺度上，建模精度从86.00%、80.00%、83.33%分别提升到92.56%、88.22%、90.29%．

4）提出了基于CNN-TIN的胡杨种群分布参数提取方法：利用Python环境，调用Sklearn Cluster分类器进行K-means聚类算法较方便地提取了胡杨树质心位置，即作为胡杨树中心位置及对应的棵数，为后期计算胡杨群落参数提供了数据．