塔里木河下游湿地面积时序变化及对生态输水的响应

2024年3月7日发(作者：小丑兔)

植物生态学报 2020, 44 (6): 616–627

DOI: 10.17521/cjpe.2019.0267

Chine Journal of Plant Ecology

塔里木河下游湿地面积时序变化及对生态输水的响应

蔚 亮1,2 李均力1,3* 包安明1,3 白 洁1,3 黄 粤1,3 刘 铁1,3 沈占锋4

1中国科学院新疆生态与地理研究所, 绿洲与荒漠国家重点实验室, 乌鲁木齐 830011;

2中国科学院大学, 北京 100049;

3新疆遥感与地理信息系统应4用重点实验室, 乌鲁木齐 830011; 中国科学院空天信息研究院, 北京 100094

摘 要 及时了解和定量分析荒漠区河岸带湿地月度时序变化趋势及对生态输水过程的响应, 对认识湿地生态修复过程, 改进生态输水策略, 维护湿地生态系统稳定具有重要意义。该文基于Landsat ETM+/TM/OLI和Sentinel 2形成的月尺度的密集长时序遥感数据, 分析2000–2018年塔里木河下游英苏-阿拉干之间的湿地时序变化特征, 并评估湿地变化对生态输水过程的响应。结果表明: 近19年来湿地面积持续增加, 其中2011–2013年和2017–2018年是面积快速增加的时段。不同的单、双通道输水方式和输水量大小解释了喀尔达依湿地与博孜库勒湿地在不同时段增长的快慢。对湿地面积与生态输水量、地下水埋深关系的分析表明, 累计生态输水量的持续增加是近20年来塔里木河下游河岸带湿地扩张的重要因素, 每年大于3.5亿m3的双通道生态输水, 地下水埋深维持在–5.0– –3.5 m是湿地持续稳定增长的关键。

关键词 荒漠区河岸带湿地; 时间序列; 生态输水效应; 时滞分析; 塔里木河下游

蔚亮, 李均力, 包安明, 白洁, 黄粤, 刘铁, 沈占锋 (2020). 塔里木河下游湿地面积时序变化及对生态输水的响应. 植物生态学报, 44, 616–627. DOI:

10.17521/cjpe.2019.0267

Temporal areal changes of wetlands in the lower reaches of the Tarim River and their re-spons to ecological water conveyance

YU Liang1,2, LI Jun-Li1,3*, BAO An-Ming1,3, BAI Jie1,3, HUANG Yue1,3, LIU Tie1,3, and SHEN Zhan-Feng4

12State Key Laboratory of Dert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chine Academy of Sciences, Ürümqi 830011, China;

University of Chine Academy of Sciences, Beijing 100049, China;

3Key Laboratory of GIS & RS Application Xinjiang Uygur Autonomous Region, Ürümqi

830011, China; and

4Aerospace Information Rearch Institute, Chine Academy of Sciences, Beijing 100094, China

Abstract

Aims Ecological water conveyance is of great importance for dert riparian wetland ecosystem. However, few

studies have been focud on the quantitative evaluation of water conveyance to wetland restoration due to a lack

of continous obrvation data. This paper analyzed the temporal wetland area changes between Yengisu and Alagan

in the lower reach of Tarim River bad on time ries remote nsing data during 2000–2018, and evaluated the

effects of ecological water conveyance on wetland restoration, so as to guide the ecological water conveyance and

maintain the stability of the dert wetland ecosystem.

Methods About 354 Landsat ETM+/TM/OLI, Sentinel 2 images during 2000–2018 were ud to map the

monthly wetland area changes in the lower reach of Tarim River, then their annual, asonal and spaital areal

changes were analyzed. The correlation between wetland area changes and ecological water conveyance,

underground water levels were also evaluated bad on Pearson correlation and cross-correlation methods.

Important findings The wetland area has steadly incread in the last 19 years. The areal change rate was minor

before 2011 while rapidly incread after 2011. The wetland expanded at a high rate during 2011–2013 and

2017–2018. Different ecological water volumes and water conveyance patterns (single channel or dual channel)

can explain different areal changing rates at different stages. The correlation analysis between wetland area

changes and ecological water volumes showed that the accumulative ecological water volume is the primary

reason causing wetland expansion in recent years. In order to maintain a steady improvement of wetland

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收稿日期Received: 2019-10-15 接受日期Accepted: 2020-02-24

基金项目: 国家重点研发项目(2017YFB0504204), 中国科学院创新交叉团队项目(JCTD-2019-20), 国家自然科学基金(41671034和41971375)和天山雪松人才计划(2018XS11)。Supported by the National Key R&D Program of China (2017YFB0504204), the CAS Interdisciplinary Innovation Team

(JCTD-2019-20), the National Natural Science Foundation of China (41671034 and 41971375), and the Tianshan Cedar Talent Project (2018XS11).

* 通信作者Correspondingauthor(***********.)©植物生态学报 Chine Journal of Plant Ecology

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vegetation, more than 350 million square meters of ecological water are conveyed to the downstream of the Tarim

River through dual channel. When the groundwater depth is maintained between –5.0– –3.5 m, the wetland

vegetation can sustain a good growth condition.

Key words dert riparian wetlands; time ries; ecological water conveyance effect; temporal delay analysis;

lower reaches of Tarim River

Yu L, Li JL, Bao AM, Bai J, Huang Y, Liu T, Shen ZF (2020). Temporal areal changes of wetlands in the lower reaches of the Tarim

River and their respons to ecological water conveyance. Chine Journal of Plant Ecology, 44, 616–627. DOI: 10.17521/cjpe.

2019.0267

湿地是干旱区的重要景观, 在维持区域生态平衡、保护生物多样性方面具有不可替代的作用(周华荣, 2005)。近几十年来, 受气温升高、过度放牧、农业灌溉引水增加的影响, 干旱区湿地出现了不同程度的萎缩乃至消亡等现象, 湿地的生态功能也逐渐丧失(Petus et al., 2013; Jiang et al., 2014; Chen &

Liu, 2015; Zhao et al., 2015; Xie et al., 2016; Fang

et al., 2018), 其中以咸海和塔里木河下游的湿地生态系统退化最为显著(Micklin, 1988; Hao et al., 2008;

Shen et al., 2019)。干旱区湿地生态退化过程及成因分析、湿地生态修复及治理已受到国内外学者的广泛关注(Enzel et al., 2003; Jenkins et al., 2005; Wang,

2010; Klein et al., 2014)。英苏至阿拉干之间的河岸带湿地是塔里木河下游最重要的一个湿地(梁匡一,

1987), 在维系极端干旱区的荒漠生态系统等方面具有重要作用。近60年来, 在气候变化和人类活动的干扰下, 塔里木河下游河道断流、地下水下降, 湿地一度消失(赵锐锋等, 2006); 2000年以来, 塔里木河流域管理局先后18次对塔里木河下游河道连续生态输水, 下游河岸带湿地和台特玛湖得到了一定程度的恢复(李丽君等, 2018)。开展塔里木河下游湿地生态恢复评估, 及时了解和掌握塔里木河下游湿地的变化趋势和生态修复过程, 对认识该区域湿地演变过程与机理、评估下游生态环境改善状况等具有重要意义。

自塔里木河下游生态输水工程实施以来, 不少学者分别从生物多样性(尹林克和李涛, 2005; Chen

et al., 2006; Hao

et al., 2009), 植被长势(Xu et al.,

2007; Hao & Li, 2014), 地下水埋深(徐海量等, 2004;

陈亚宁等, 2007; 郝兴明等, 2008; Xu et al., 2009; Ye

et al., 2009)等方面评估了塔里木河下游生态修复情况。研究表明生态输水后地下水位的恢复是下游生态系统恢复的关键, 不同输水量、地下水位对植被长势和生物量增加具有较大的差异。作为湿地植被调查和动态监测的重要手段, 不少学者利用多源、多时相遥感技术分析塔里木河流域的湿地景观格局变化(Zhao et al., 2009; 刘洪霞等, 2019)和时空变化特征(黄粤等, 2013), 并分别从植被类型与结构变化(朱绪超等, 2015), 生态价值评估(王希义等, 2019),

生态用水保障(白元等, 2015)等方面评估了输水工程的生态效应。然而, 塔里木河下游河岸带湿地植被稀疏、植被覆盖度低, 中低分分辨率遥感时序数据难以识别和监测干旱区河岸带稀疏植被的变化(古丽•加帕尔等, 2009)。另外, 受生态输水和地下水水位变化的影响(古力米热•哈那提等, 2018), 湿地的季节性变化和年度差异都比较显著, 少数几期的中高分辨率遥感数据缺乏时序连续性, 难以描述干旱区湿地的周期性、季节性变化特征。为了定量评估塔里木河下游河岸带湿地变化与生态输水量和地下水位的关系, 获取中高分辨率遥感密集时序的湿地面积信息就成为生态输水效应评估的关键。

为此, 本文选择塔里木河下游英苏-阿拉干之间的河岸带湿地作为研究对象, 采用2000–2018年Landsat系列卫星和Sentinel-2等构建密集时序的多源遥感数据, 分析近19年湿地面积的月度/年度和空间变化过程, 并结合塔里木河下游生态输水过程及地下水埋深变化, 分析湿地面积与生态输水量、地下水位的量化关系。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

塔里木河下游河岸带湿地位于新疆巴音蒙楞蒙古自治州尉犁县和若羌县毗邻的河汊交汇地带。塔里木河自大西海子水库以下分为两支, 南侧一支是塔里木河故道, 北侧一支为其文阔尔河, 两河体大致呈平行状并在阿拉干处交汇, 两条河道周边形成了连片的河岸带湿地(图1)。其中, 喀尔达依湿地位于其文阔尔河北侧的其文库勒低地, 博孜库勒湿地位于其文阔尔河与塔里木河故道之间的低洼地带,

湿地主要依靠河道水源补给。湿地植被主要包括胡

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图1 塔里木河下游湿地研究区域图。

Fig. 1 Map of study area of the lower reaches of the Tarim River.

杨(Populus euphratica)、柽柳(Tamarix chinensis)、芦苇(Phragmites communis)、罗布麻(Apocynum ven-etum)、盐穗木(Halostachys caspica)等(赵锐锋等,

2006)。

研究区地处沙漠腹地, 东西两侧分别为塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠, 降水稀少、蒸发强烈, 属于典型的温带大陆性荒漠气候。1959年之前, 沿塔里木河河道分布的湿地区域面积较大, 其中喀尔达依湿地分布着众多的水面和湿地植被, 最大时形成连片的大湖, 在1969年时尚有100多km2的水面

(梁匡一, 1987)。大西海子水库建成后塔里木河下游断流频繁, 湿地面积逐渐萎缩, 至20世纪90年代湿地一度消失。自2000年以来, 从大西海子水库向其文阔尔河、塔里木河故道进行单通道(向其中一条河道输水)或双通道(同时向两条河道输水)输水, 下游生态环境显著改善(李丽君等, 2018)。

1.2 数据源及数据处理

采用2000–2018年的354期多源遥感数据提取湿地面积信息, 其中遥感数据以Landsat ETM+/TM/OLI为主要数据源, 对于部分缺乏数据的月份采用条带

修复的ETM+ SLC-off数据和Sentinel 2数据加以补充, 每月至少1景数据, 最后形成近19年覆盖英苏-阿拉干的月尺度遥感时序数据(图2)。论文还采用了2000–2018年自大西海子至塔里木河下游的生态输水数据(李丽君等, 2018), 包括输水方式、输水时段和输水量, 进而分析生态输水与湿地变化的相关关系。此外, 本文还采用塔里木河流域管理局喀尔达依和英苏生态断面观测的月度地下水埋深数据, 分

图2 2000–2018年塔里木河下游湿地研究区多源遥感数据时序分布图。

Fig. 2 Temporal distribution of multi-source remote nsing

data in the study area of the lower reaches of the Tarim River

during 2000–2018. DOY, day of year.

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蔚亮等: 塔里木河下游湿地面积时序变化及对生态输水的响应 619

析月度湿地面积变化与月平均地下水位的量化关系。由于研究区处于内陆干旱区的腹地, 年降水量约30 mm, 湿地的主要补给水源来自于生态输水和地下水, 故这里不考虑降水变化对湿地变化的影响(黄粤等, 2013)。

1.3 研究方法

1.3.1 湿地时序信息提取

本文采用面向对象的湿地信息分层提取方法(朱长明等, 2014)提取湿地信息, 分别获取湿地水体和湿地植被的时序信息, 并结合人工编辑对时序湿地面积信息进行一致性编辑和质量验证。首先, 对多源遥感数据进行预处理, 生产天顶反射率产品;

其次, 采用对象分割技术对光谱相似的像元进行聚类, 获取地类特征基元; 然后, 采用归一化水体指数和归一化植被指数确定湿地分布的大致区域, 并结合湿地的光谱特征和空间特征, 由易到难构建规则集, 获取湿地植被和水体矢量边界的时序信息;

最后, 采用ArcGIS的矢量编辑功能, 对多时相的湿地边界进行一致性检验, 改正部分湿地误提和漏提的情况, 得到精度验证的湿地时序变化信息。

1.3.2 湿地时序变化分析

本文采用年际变化、季节变化和空间频度图描述湿地的时序变化过程。其中年际变化采用湿地的年最大/最小/平均值的面积曲线相结合的方法进行分析。空间变化采用逐年湿地最大面积图层叠加,

获取湿地每个像元的覆盖频次(Töyrä & Pietroniro,

2005)。湿地季节变化采用季节指数方法分析, 其中季节指数是用算术平均法计算某一指标时序在一年内的的月份或季度变化的相对数(Cleveland et al.,

平均值高于总平均值; 若Sk

= 1, 则说明该序列没有明显的季节效应; 若Sk

< 1, 说明该月度的值低于总平均值。

1.3.3 生态响应分析

为定量描述湿地面积与生态输水量之间的关系,

本文对湿地面积与生态输水量进行Pearson相关分析。另外, 地下水埋深是干旱区植被生长的关键因子( Xu

et al., 2007; Ye

et al., 2009), 为了探求地下水对湿地变化的影响, 采用互相关系数分析月度湿地面积与月度地下水曲线的时滞相关关系(丁明军等,

2010; Li

et al., 2018), 具体计算方法为:

(1)首先, 假定湿地面积时间序列xi和地下水埋深时间序列yi与任何时滞k都相关, 计算不同时滞k下湿地面积与地下水埋深之间的互相关系数

rkx,y:

rkx,y(xixi)2(yikyik)2i1i1i1nk(xixi)(yikyik)nknk (4)

1xinkyikxi (5)

i1nki1nk1nkyik (6)

式中,

n为时间序列长度,

k为滞后时间(k

= 0, ±1,

±2, …), 根据经验其值小于等于n/4, 由于本文是分析2009–2017年研究区湿地与地下水埋深的时滞相关, 为月尺度数据, 故n =

108, k的最大值取30。

1990), 公式如下:

(2)计算最值互相关系数及其对应的时滞:

xr1(k1)max(rk(x,y)) (7)

Skk (1)

xr2(k2)min(rk(x,y)) (8)

nxikRr1,Kk1r1r2i1 (2)

xk (9)

Rnull,Knullr1r2

nnmRr2,Kk2r1r2xik式中,

r1为时滞k1下的湿地面积与地下水埋深的最 (3)

xi1k1大互相关系数;

r2为时滞k2下的湿地面积与地下nm式中,

xk为一年内各月平均数;

x为周期内的总平均数;

k为月份;

m为一年内的月数, 本文中m

= 12;

n为计算周期内的年数, 本文观测时间共19年,

n

=

19。Sk为季节指数, 若Sk

> 1, 说明第k月的湿地面积水埋深的最小互相关系数; R与K分别为湿地面积与K > 0表示地下水埋深的最值互相关系数及其时滞。年内地下水埋深影响湿地面积变化; K < 0表示年内湿地面积影响地下水埋深变化; K = 0表示年内地下DOI: 10.17521/cjpe.2019.0267

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水埋深与湿地面积变化同步。 均湿地面积从2011年的14.02 km2增加到2013年的2 结果

2.1

湿地时序变化特征

2.1.1

湿地年际变化特征

从英苏-阿拉干湿地的多时相变化图(图3)和时序变化曲线(图4)来看,

湿地面积自2000年以来一直呈现持续增加的趋势。从多时序湿地变化信息结果中可知,

生态输水后喀尔达依湿地面积于2001年3月率先恢复,

博孜库勒湿地于2003年4月开始恢复,

随后湿地面积持续增长并于2018年11月达到最大的55.79 km2;

从2016年的60.67 km2增加到2018年的131.89 km2。

分区域统计博孜库勒与喀尔达依的湿地面积(图4B)可知,

两者面积扩张的时间节点和变化幅度2011年之前,

喀尔达依湿地先于博存在较大的差异。孜库勒湿地恢复,

但增加面积较小,

且未出现明显的2011年以后,

两处湿地面积均显著增加,

其中水面。博孜库勒湿地的年内和年际变化幅度均大于喀尔达

依湿地,

并在2017年全面超过喀尔达依湿地的面积。2.1.2

湿地季相变化特征

为了更清楚地反映英苏-阿拉干湿地面积的季相特征及变化趋势,

分别从年际变化、月度变化和季节指数描述湿地变化的时间过程(图5)。2000–

154.67 km2。湿地变化先后经历6个明显的阶段,

分别为2000–2003年、2004–2006年、2007–2010年、2011–2012年、2013–2016年和2017–2018年,

其变化2.41、0.16、10.53、6.93和36.61 km2·a–1。率分别为1.33、2011年以前湿地面积增长较为平缓,

而2011年以后湿地面积增速迅速上升,

其中2011–2013年和2018年,

湿地面积年最大、最小和平均值3条曲线的变化趋势基本一致, 2011年之前湿地面积较小且增长缓慢, 2011年后湿地面积大幅增加且年内变化幅度变大。

2016–2018年是湿地面积增速最快的时段,

其年平

图3 2000–2018年塔里木河下游研究区湿地年度遥感动态变化图。其中变化较小的年份未列出。

Fig. 3 Remote nsing maps of wetland dynamic in the study area of the lower reaches of the Tarim River during 2000–2018.

Years with minor changes are not listed.

©植物生态学报 Chine Journal of Plant Ecology

蔚亮等: 塔里木河下游湿地面积时序变化及对生态输水的响应 621

图4 2000–2018年塔里木河下游研究区湿地总面积(A)和分区湿地面积(B)时序变化曲线。

Fig. 4 Time ries areal curves of total (A) and regional (B) wetland area of the lower reaches of the Tarim River during 2000–2018.

图5 塔里木河下游研究区湿地面积年际变化曲线(A)、月度变化曲线(B)和季节指数(C)。

Fig. 5 Annual curve (A), monthly curve (B) and asonal index (C) of the wetland areas of the lower reaches of the Tarim River.

从时相数据中选择月份相对齐全、能反映不同得研究区近19年的湿地最大覆盖频次(图6)。图中覆盖频次高的红色区域代表研究区较早出现的湿地,

低频次的绿色区域为近年的新增湿地。因湿地呈现明显的逐年持续增长趋势,

颜色由红到绿显示了湿地的空间扩张过程。其中,

研究区最先恢复的喀尔达依湿地首现于2001年,

因此,

湿地的最大覆盖频次为18。

由图6可知,

喀尔达依湿地与博孜库勒湿地均

阶段湿地变化的2001、2007、2012、2015、2017和2018年绘制月度湿地面积曲线(图5B)。由图可知,

2001和2007年的曲线相对平缓,

月度变化不甚明显。2012年开始湿地呈现出季节性变化,

并在输水期的9–10月呈现峰值,

从图4A可知,

在此期间水体在湿地总面积中占较大比例。2015年,

湿地月度变化与湿地植被的月度变化规律一致,

面积峰值出现在植被生长最旺盛的6–8月份,

结合图4A可知,

植被已成为湿地的主体。2017和2018年生态输水量处于历史高位,

湿地面积全年均呈现增加的趋势,

月度变化由峰型曲线转变为倾斜向上的线性曲线。

从2000–2018年湿地的季节指数曲线(图5C)可知,

湿地植被面积与湿地总面积的季相规律一致,

而与湿地水体面积呈现相反的变化趋势。塔里木河下游植被于4月开始返青、7–8月面积达到全年最大值、9–10月植被衰退(郭辉等, 2016),

湿地植被的季节指数与上述植被的物候规律一致。而湿地水体的季节指数在10月至次年1月大于1,

在植被生长的3–10月小于1,

这表明湿地水体的增加主要发生在生态输水期的秋冬季(李丽君等, 2018),

在此期间湿地植被处于蛰伏期,

面积呈减小的趋势。

2.1.3

湿地年际空间变化特征

叠加2000–2018年的年最大湿地面积图层,

获

图6 2000–2018年塔里木河下游研究区湿地年度覆盖频次图。

Fig. 6 Annual coverage frequency map of wetlands of the

lower reaches of the Tarim River during 2000–2018.

DOI: 10.17521/cjpe.2019.0267

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622 植物生态学报Chine Journal of Plant Ecology 2020, 44 (6): 616–627

呈现显著的扩张态势,

但其扩张的时间节点和扩张方式均存在较大差异。喀尔达依湿地从低洼处逐渐向四周边缘处扩张,

而博孜库勒湿地沿着塔里木河故道从点状、带状到沿河纵向扩张。其文阔尔河在大;

而2001–2010年、2014–2015年累积输水量增加较小时,

其面积曲线也相对平缓;

而当2007–2009年、2014年累计输水量不足时,

湿地面积呈现减少的状态。可见,

累计输水量的持续增加是近19年湿地扩张的主要原因。

为了分析年生态输水与湿地面积的关系,

分别统计当年最大湿地面积与前一年最大湿地面积的差值,

并绘制年输水量与年最大湿地面积差值的关系

图(图8B)。从中可以看出,

当年生态输水量低于3.5 ×

2011年以前为主要的生态输水通道,

为此,

喀尔达依湿地早于博孜库勒湿地恢复,

首先在低洼处出现,

随后向四周逐渐扩散。2011年以后,

喀尔达依湿地向四周扩张的速度增加, 2016年以后主体湿地的周边新增多块小型湿地,

并在输水期形成一定的水面。博孜库勒湿地在2011年以前分别在塔里木河故道的上、中、下部出现多块湿地(图6),

但面积变化较小。2011年后河道两岸低洼处水面增加,

并从多中心点状湿地沿河道线性扩张,

形成湿地带;

随后湿地带向沿河两岸纵向扩张,

并在主体湿地外围形成多处湿地。经过多年的恢复,

两处湿地在塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠间形成了宽达33 km的生态屏障。

2.2

湿地对生态输水的响应

2.2.1

湿地变化与生态输水量的关系

为了分析生态输水与湿地面积增长之间的定量关系,

绘制近19年湿地面积和分区湿地面积与年输水量、累计年输水量的相关性分析图(图7)。从图中可以看出,

湿地总面积与年输水量、累计年输水量均呈显著的正相关关系,

且累计年输水量与湿地面积的相关性更高。结合图8A可知, 2000–2018年湿地年内最大面积与累积生态输水量保持同步的变化,

两条曲线的一致性高,

其Pearson相关系数达0.977

108 m3时,

年最大湿地面积变化为负值,

分别出现2005–2009和2014年;

而当年生态输水量高在2002、于3.5 × 108 m3时,

年最大湿地面积变化均为正值,

分别出现在2001、2003、2010–2013和2015–2018年。特别是在后2个时段,

输水连续且年输水量均高于3.5 × 108 m3,

湿地面积增加速率呈现逐年加快的趋势;

即使下一个年份输水量相对上一年较小,

湿地增加的面积依然会比上一年大。2004年是个例外,

生态输水量低于3.5 × 108 m3而湿地面积增加,

这主要是因为2003年秋冬季和2004年春季的输水时间相对连续,

且2003年输水量高达6.25 × 108 m3。可见,

每年大于3.5亿m3的生态输水是维持湿地持续恢复的关键因素。

从生态输水方式来看,

双通道输水对湿地恢复

的生态效益要明显好于单通道输水(表1)。单通道输水主要通过其文阔尔河向下游输水,

输水年份分别为2000–2002、2004、2007–2009和2014年,

输水量不及总输水量的15%。两处湿地面积恢复缓慢,

虽然喀尔达依湿地较早接受生态输水,

湿地面积和增幅均大于博孜库勒湿地,

但因输水量相对较小,

恢复的湿地面积依然很小。而双通道输水共实施11次,

输水时段分别为2003、2005–2006、2010–2013和(p < 0.001)。当2011–2013年、2016–2018年累计输水量快速增长时,

对应年份湿地面积的增幅也相应增

2015–2018年,

且在2010年以后,

双通道年平均输水量达6.75 × 108 m3,

占总输水量的71%,

湿地面积恢复显著。在相同的输水条件下,

博孜库勒湿地面积增长的速率要高于喀尔达依湿地。可见,

输水方式和输水量对塔里木河下游河岸带湿地恢复都起到了重要的作用。

2.2.2

湿地面积与地下水位的相关性

为了分析地下水位变化对河岸带周边植被恢复的生态效应,

基于月平均地下水埋深数据和月平均湿地面积信息,

采用互相关函数定量描述湿地面积与地下水埋深的时滞效应及其变化关系(图9)。

图7 塔里木河下游研究区年湿地面积与生态输水的相关关系。*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001。

Fig. 7 Relations between wetland areas and ecological water

conveyance volumes of the lower reaches of the Tarim River.

*, p < 0.05; **, p < 0.01; ***, p < 0.001.

©植物生态学报 Chine Journal of Plant Ecology

蔚亮等: 塔里木河下游湿地面积时序变化及对生态输水的响应 623

图8 塔里木河下游湿地年最大面积与累计生态输水量的年际变化曲线(A)和相关关系曲线(B)。

Fig. 8 Annual curve (A) and correlation curves (B) between annual maximum wetland area and accumulated ecological water vol-umes in the lower reaches of the Tarim River.

表1

塔里木河下游湿地生态输水量及输水方式与湿地变化率的关系

Table 1

Relationships between ecological water volumes, conveyance pattern and wetland changing rates in the lower reaches of the Tarim River

年份

Year

单通道输水次数

Water conveyance

times by single

channel

单通道输水量

双通道输水次数Water conveyance

Water conveyance

times by dual

volume by single

83channel

channel (× 10 m)

双通道输水量

Water conveyance

volume by dual

channel (× 108 m3)

博孜库勒湿地增长速率

喀尔达依湿地增长速率Growth rate of Kardayi

Growth rate of Bozkul

wetland area (km2·a–1)wetland area (km2·a–1)

2001–2009 6

2010–2013 1

2014–2014 1

2015–2018 0

11.66

0.14

0.07

0

3

4

1

4

11.04

23.57

0

30.58

0.28

11.58

–3.88

11.56

1.15

6.45

2.75

6.54

图9 塔里木河下游湿地地下水埋深与累计输水量(A)、湿地水体面积(B)、湿地植被面积(C)和湿地总面积的月度变化曲线(D)。

Fig. 9 Monthly curves between groundwater levels and accumulated water volumes (A), water areas (B), vegetation areas (C) and

wetland areas (D) in the lower reaches of the Tarim River.

由图9可知,

地下水埋深变化趋势与累积生态输水量基本一致,

两者的Pearson相关系数达0.928

水量大幅增加,

地下水埋深也相应抬升; 2013–2016年,

累积生态输水量的平稳缓慢增长,

地下水埋深也呈现平稳波动的变化趋势。而从月度湿地面积与DOI: 10.17521/cjpe.2019.0267

(p < 0.01)。2009–2012和2016–2017年,

累积生态输©植物生态学报 Chine Journal of Plant Ecology

624 植物生态学报Chine Journal of Plant Ecology 2020, 44 (6): 616–627

月度地下水埋深的变化曲线可以看出, 2012年以后,

每年的湿地面积波峰、波谷值与地下水埋深的波峰、波谷值呈反向的对应关系。地下水埋深在每年的1–2月达到最大、湿地面积在随后的7–8月面积最大。湿地面积与地下水埋深变化平均存在7–8个月的时滞效应。

结合湿地水体面积、湿地植被面积及湿地总面积与地下水埋深的时滞相关性分析(表2)还可以看出,

湿地水体和湿地植被对地下水埋深变化的响应存在较大差异。总体而言,

生态输水后,

湿地水体达到最大面积的时间早于地下水埋深最大的时间,

而湿地植被要晚于地下水埋深达到最大的时间。在地下水埋深低于–7.0 m的2009–2010年,

湿地面积较小且变化微小,

植被和水体与地下水埋深变化相关态输水量能确保湿地的稳定增长(图8B),

这个结论与塔里木河流域管理局规定每年向塔里木河下游生然而,

态输水至少3.5 × 108 m3的调水指标是一致的。图8B表明生态输水与湿地增加并不呈线性关系。当年度生态输水量大于6.0 × 108 m3时,

输水量增加与湿地面积扩张具有较大的差异。如2012和2016年的生态输水量分别为6.67 × 108 m3和6.76 × 108 m3,

但对应年份增加的湿地面积分别为19.71和8.61 km2,

存在较大的差异。2011、2017和2018年也表现出同样的现象,

这表明输水量越多湿地面积不一定增加得越大。因此,

从塔里木河下游河岸带湿地恢复的角度来看,

近19年的生态输水由于受各种因素的影响,

有些年份输水量不足,

而有些年份又超高标准输水,

对向塔里木河下游生态输水的管理还有改善和提升的空间。

从湿地的季节性变化规律(图5C)可知,

近19年湿地植被面积与湿地总面积的月度变化一致,

这表明在湿地的结构变化中,

植被变化占主要因素。而湿地水体与湿地植被的月度面积呈反向变化的关系,

结合近19年塔里木河下游输水时间与输水量(李丽君等, 2018)可知,

湿地水体在输水结束后达到最大面积,

而湿地植被的面积却在夏季达到最大,

这表明生态输水期与植被生长期在时间上不同步(古力米热•哈那提等, 2018)。地下水与湿地植被、湿地水体面积月度曲线的互相关结果也表明,

湿地面积与每年生态输水地下水埋深变化存在7–8个月的时滞。大多在农业用水少的秋冬季实施,

地下水埋深也在输水结束后的1–2个月达到最高;

而在湿地植被生长期的春夏季,

地下水埋深降到最低。结合塔里木河上游和中游农业用水情况(黄粤等, 2013)可知,

每年的4–9月份是农业用水的高峰期,

这个时段大西海子的来水较少,

很少实施生态输水,

输水往往延后到农业用水减小的秋冬季。当生态输水实施完毕、地下水抬升到最大时,

湿地植被却处于凋零期,

往往要到6个月后湿地植被恢复(图5C)时才能显现生态输水的效果,

而此时地下水埋深由于生态输水的停止和水分的不断消耗逐渐降低,

并不利于湿地植被的恢复。

从地下水与湿地植被恢复的关系来看,

地下水埋深要上升到一定高度后才与湿地面积呈显著相关关系。2009–2011年地下水埋深低于–7.0 m,

在此期地下水2011–2012年,

地下水埋深低于–5.0 m时,

性均较低。湿地水体与地下水埋深呈正相关关系,

湿地总面积与地下水的关系与湿地水体一致; 2013年以后,

当地下水埋深高于–5.0 m时,

湿地植被与地下水埋深呈负相关关系,

湿地总面积与地下水的关系与湿地植被一致。

3 讨论

密集时序的湿地变化序列为定量评估塔里木河下游河岸带湿地的生态输水响应提供了一种新的途径。通过对2000–2018年湿地变化的时序重建,

不仅可以还原湿地的年度、季节和月度变化信息,

还可以定量分析湿地变化对生态输水的响应过程。从湿地的年度变化来看,

近19年的湿地面积的年度变化与年输水量和年累计输水量的相关性高,

不同年份生态输水量的不同,

直接体现在当年湿地总面积的扩张或萎缩变化上,

并且每年高于3.5 × 108 m3的生

表2

塔里木河下游湿地与地下水埋深的时滞变化

Table 2 Changes of time lag between wetland changes and groundwater

depths in the lower reaches of the Tarim River

滞后时间(月) Time lag (month)

年份

Year

湿地水体

Wetland water

湿地植被

Wetland vegetation

湿地

Total wetland2011 –2

不显著 Not obvious

2012 –1

2013 –1

2014

不显著 Not obvious

–2

–1

8

8

8

8 8

7

7

6

7

7

2015 –2

2016 –4

2017 0

2012–2016年,

8

间湿地植被面积增长不明显。

©植物生态学报 Chine Journal of Plant Ecology

蔚亮等: 塔里木河下游湿地面积时序变化及对生态输水的响应 625

埋深在–5.0–

–3.5 m之间浮动,

在此期间湿地植被面积出现了持续稳定的增长,

且与湿地总面积的变化趋势一致。已有研究表明,

当地下水在–6.0–

–2.0 m时,

塔里木河下游河岸带物种多样性最丰富,

能满足大多数河岸带植被的生长(季方等, 2001;

郝兴明等, 2008)。2017年虽然超规格生态输水,

地下水埋深继续上升到–3.0 m左右,

湿地植被增长的面积反而不及2016年。这主要是因为湿地的水面面积达到41.21 km2历史最高值,

淹没了部分植被区域,

但湿地总面积依然是稳步增加的。然而,

由于塔里木河水资源的稀缺性,

在绝大多数情况下很难保证每年12.14 × 108 m3的生态输水量。综合上节的分析,

每年保持3.5 × 108 m3的双通道生态输水,

不仅可以维持适宜的地下水位,

也基本能保障下游湿地持续改善。

4 结论

(1)近20年来向塔里木河下游持续的生态输水有效地改善了塔里木河下游河岸带湿地的生态环境,

湿地面积在2011年以后持续增加,

并在塔克拉玛干沙漠和库姆塔格沙漠间形成了宽达33 km的生态屏障。

(2)输水量和输水方式对塔里木河下游的湿地恢复均起到重要的作用。其中,

年累计输水量的持续增加是近20年来塔里木河下游河岸带湿地显著扩张的主要因素,

而年生态输水量和单、双通道的生态输水方式影响不同年份湿地面积变化的幅度。当采用双通道输水,

且年生态输水量大于3.5 × 108 m3时,

湿地面积一直保持增加的趋势,

输水的生态效益更显著。当年输水量大于6.0 × 108 m3时,

湿地面积扩张呈现较大的波动性。

(3) –5.0– –3.5 m的地下水埋深是湿地植被生态恢复和改善的基本地下水位,

当地下水埋深维持在此区间时,

塔里木河下游的湿地植被面积持续增加。然而,

地下水埋深与湿地面积变化存在7–8个月的时滞效应,

体现了生态输水与湿地植被生长的时间差异,

在湿地生长季开展生态输水可进一步提高输水的生态效益。

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责任编委: 梁存柱 编辑: 赵 航

DOI: 10.17521/cjpe.2019.0267

©植物生态学报 Chine Journal of Plant Ecology