塔里木河不同河段胡杨径向生长及径流的影响差异分析

中文摘要
本研究以塔里木河干流的荒漠河岸林植物胡杨为主要研究对象，结合地下水位资料和干流各月径流量数据，采用回归分析、相关分析及M-K检验等数理统计方法。首先，分析塔里木河下游近50年来在长期断流的情况下，四个典型断面英苏、喀尔达依、阿拉干和依干不及麻胡杨径向生长量变化趋势；其次，分析地下水埋深与胡杨径向生长量的相关性，并建立函数模型；最后，分析干流6个典型断面，径流与胡杨径向生长量的相关关系。
（1）从断流与未断流河道对比分析看，胡杨年轮指数呈现显著递减趋势是断流引起的，并且随断流时间的延续，胡杨径向生长量越来越小，因此，断流影响是一个长期缓慢的过程。
（2）胡杨径向生长量与地下水埋深之间存在极显著的负相关关系，为了更进一步地分析胡杨生长的胁迫水位和临界水位，对地下水位和胡杨径向生长量的最佳拟合曲线四次多项式函数求导，一阶导数Y＇=0.012X3-0.234X2+1.376X-2.854，二阶导数Y〞=0.036X2-0.468X+1.376，二阶导数为零时，X值（地下水位值）为X1=4.49 m，X2=8.51 m。说明胡杨开始出现生长受抑制的胁迫水位是4.49～8.51 m，胡杨死亡的临界地下水埋深在8.51 m左右。
（3）塔里木河上、中游四个断面的胡杨径向生长量存在显著变化，在20世纪80-90年代出现峰值，总体呈现下降的变化趋势，下游两个断面胡杨径向生长量在2000年前年际变化较小，在2000年后受生态输水影响胡杨径向生长量变化幅度较大，英苏和依干不及麻断面分别在2003和2006年出现峰值；
（4）塔里木河肖夹克、新渠满、沙子河口、阿其克、英苏和依干不及麻断面的胡杨径向生长量突变分别发生在1996、1999、1991、2000、1998和1960或1968或1978年；塔里木河上中游胡杨径向生长量与当年1~2月的径流量正相关性最高，下游胡杨径向生长量与当年1~2月的径流量负相关性最高。
关键词：径向生长量；胡杨；径流；相关分析；塔里木河
1 绪论
1.1 研究背景和研究意义
干旱区内陆河流域的生态水文过程具有较强的不稳定性，天然植被的群落特征和分布概况，对于水文条件的变化具有敏感响应[1]。位于亚欧大陆腹地的塔里木盆地，是中国典型的干旱荒漠区。大片的原始胡杨（Populus euphratica）林呈条带状分布于塔里木河的两岸，中国89%的胡杨林分布在塔里木河流域，中国胡杨林总面积占世界胡杨林总面积的50%以上[2]。干旱荒漠区胡杨是非常重要的森林资源，它对于水分的变化有着极为敏感的反应。在干旱和半干旱地区，温度和降水是重要的气候因素限制了树木的生长。在光、热条件丰富的塔克拉玛干腹地，降水稀少，这些因素不可能对年轮生长具有多大作用，地下水位是保湿因子，决定了胡杨的生长。塔河生态应急输水以沿河道进行线性输水的补水干扰方式对荒漠河岸林植被的恢复起到了积极作用[3-5]。塔里木河径流的变化更直接代表了流域中的水分状况，树轮年表和河流径流量之间的相关关系就可以得到合理的解释[6]。对塔里木河下游树木年轮的研究报道主要出现在近些年，特别是生态输水前后对胡杨树木年轮的影响研究[7-9]。但是对塔里木河上、中、下游胡杨年轮的空间差异以及对塔里木河上、中游的胡杨径向生长量与其径流的关系研究较少[10]。
水文是树木生长的“驱动力”，树木年轮对于水文因素变化的响应对记录在了树轮宽度上，年轮的宽窄变现了树木对于水分的有效利用程度，年轮不仅记录了树木生长史，同时也记录了水文径流变化史[11]。塔河上、中和下游胡杨的生长是一个复杂的过程，河川径流不仅包括降水、蒸发、还有坡地与河网汇流，径流量是影响其变化的重要因素，径流量大小及其产生的效应我们可以通过胡杨径向生长量来作为研究指标。本文试图对干流不同河段胡杨径向生长量及其中的水文特征进行分析，以径向生长量与径流量相关分析为目的，在符合树木生理实际意义条件下，找出树轮资料与径流量之间不同组合中的最佳相关关系，为塔里木河流域生态建设和保护提供科学参考依据。
1.2树木年轮水文学国内外研究进展
1.2.1树木年轮轮水文学的国际研究动态
现代水文观测记录和气象观测记录相似，具有时间较短，不足以揭示千百年来比较复杂的气象和水温变化的实际，它限制了水文资料统计分析的效果，同时也阻碍了统计数学在使用于水文预测预报上产生的精度。水文序列短，其有限的的随机抽样，必然受到概率分布的限制。为弥补这一方面的不足，科学工作者采用树木年轮的手段，将树轮中逐年存储的气候和水文信息量，进行了提取，用于恢复历史时期的连续过程（树轮水文学研究与应用）。
二十世纪初以来，在美国天文学家道格拉斯成立年轮年代学，科学家们开始探索之间的关系，树木年轮和径流之间的关系，经过一百多年的发展，国际上利用树轮资料重建河流径流的研究工作已经取得了丰硕的成果[11, 12]。树木年轮水文学的形成要要基于20世纪30年代中期，美国科学家第一在在内达华州Truckeer河借助树木年轮，来重建当地多年的河流径流量[13, 14]。树轮水文学(Dendrohydrology) 是一门根据树木生长的水文气候研究过去长期水文现象的科学，它注重理解水文变量( 降水、地下水、径流等) 和树木对水文变量影响的生物响应[12]。1978年出版了第一部树轮水文学研究专著用树木年轮系列延长径流量记载年代，成为在树轮水文学上最有建树的研究者，并将这门学科推向成熟,推动了树木年轮水文学向前快速发展的步伐[15]。随后树木年轮重建径流的方法被广泛的应用于欧洲各个国家，英国学者Jones[16]等首先利用树木年轮重建了英国南部近225年的径流，相继之后前苏联[17]，瑞典，意大利[18]，西班牙[12]也开展了利用树木年轮水文学，重建当地的径流。中国是亚洲各个国家中最早的将树木年轮水文学应用于实践的国家，新疆开辟了中国树木年轮水文学的先河。此外，Holmes et al利用树轮水文学延长了阿根廷368年的河流径流，Campbell et al在澳大利亚的塔斯马尼亚州展开了对夏季径流的估算，由此树木年轮水文学科研活动在南半球开展。

结论
（1）选取了塔里木河下游C（英苏）、E（喀尔达依）、G（阿拉干）、H（依干不及麻）四个断面近50年的胡杨径向生长量时间变化序列，总体上来说四个断面近50年的平均径向生长量英苏最高2.46±1.75 mm、喀尔达依次之为1.34±0.93 mm、阿拉干为0.67 ±0.33 mm和依干不及麻0.69±0.33 mm两者差值不大，可以看出随着离大西海子水库距离的由近及远，胡杨径向生长量呈现一定的变化规律。与长期断流相比，在不断流条件下，从1970年到2009年，胡杨径向生长量呈有规律的升降交替的变化趋势。
（2）胡杨径向生长量与地下水埋深之间存在极显著的负相关关系，随着地下水埋深的下降，胡杨径向生长量逐渐减小。塔里木河下游地下水埋深随着距大西海子水库距离的增加呈下降趋势，胡杨径向生长量随下游距大西海子水库距离的增加呈现明显的递减特点。地下水位在0～4.49 m的范围内时，胡杨径向生长量的变化速率是单调递增；地下水位在4.49～8.51 m的范围内，随着地下水位的下降，曲线变化趋势缓慢，胡杨径向生长的变化速率逐渐减小，在8.51～11 m的范围内时，随地下水位的下降，胡杨径向生长的变化速率逐渐增加，由负数向正数过度。印证了胡杨开始出现生长受抑制的胁迫水位是4.49～8.51 m，胡杨死亡的临界地下水埋深在8.51 m左右。
（3）本文中塔里木河不同河段胡杨径向生长量存在空间差异，中游阿其克和沙子河口断面最大，其次是上游肖夹克和新渠满断面，下游英苏和依干不及麻断面最小。塔里木河上、中、下游径流量补给地下水的滞后及径流量年内变化和时空变化导致胡杨径向生长量对水文因子响应的空间差异性
（4）本文通过对不同断面胡杨年轮径向生长量变化特征的研究发现，塔里木河上/中/下游地区六个断面的胡杨径向生长量存在显著变化，在20世纪80~90年代出现峰值，总体呈现下降的变化趋势。50a来源流区的来水量总体上呈增加的趋势，与气候变化表现出明显的一致性，由此说明径流变化对胡杨径向生长量有重要影响。
（5）胡杨的生长对径流的反映存在一定的滞后效应，本文塔里木河上/中游胡杨径向生长量与当年1~2月的径流量正相关性最高，而胡杨的生长季为4～9月，因此从树轮水文学角度讲，1~2月径流量大，到地下水影响胡杨生长存在一定的滞后，使胡杨在生长初期有更充足的水分，更加有利于宽轮的形成。下游英苏断面胡杨径向生长量与当年1~2月的径流量负相关性最高，根据下游胡杨径向生长量和径流量数据表明，胡杨径向生长量在1998年发生突变，1~2月径流偏少，然而下游径流量呈下降趋势，但英苏断面距离大西海子水库最近，生态输水水头均能达到，地下水位较高，2000年应急输水后径向生长量出现明显增长趋势，造成负相关的趋势。