额济纳旗胡杨径向生长的水文气候因子研究

【摘要】： 黑河下游与蒙古相毗邻的额济纳旗，历史上曾是丝绸之路北路的咽喉要道，曾孕育过极其重要的汉代文明、西夏和元代文明。严酷的自然环境，极端脆弱的生态系统，特别是20世纪80年代以来额济纳绿洲萎缩、天然植被衰败，生物多样性减少、尾闾湖泊干涸、地下水位下降、土壤次生盐渍化和土地荒漠化日益加剧，演变为我国沙尘暴的策源地之一。恶化的生态环境已成为世人关注的焦点。拯救额济纳绿洲生态环境不仅有利于维护区域社会经济持续发展、保护区内生物多样性，维持生态平衡，而且对于维护我国西北、华北等地的生态安全、维护黑河全流域绿洲的生存与完整性具有举足轻重的作用。深入认识该地区的水文气候变化过程及其规律，理解和认识过去水文-气候-生态的变化，解释人类的、生态的和自然的现象，成为亟待解决的科学课题。 胡杨(Populus euphratica，Oliv．)为杨柳科(Salicaceae)杨属(Populus)，依靠潜水或河水灌溉生长。它是亚洲中部荒漠区分布最广的乔木树种之一，也是额济纳旗惟一的河岸乔木和优势种，具有防风固沙、维护脆弱生态平衡的功能，也是生态环境变化的指示器。额济纳旗胡杨林是目前全球仅存面积最大的三大天然胡杨林分布区之一，在该区域开展胡杨研究具有重要的科学价值和现实意义。 树木年轮是气候变化的自然记录者，具有定年准确、连续性强、分辨率达年甚至季的高精度、地域分布广泛、取样容易等优势，其理论与方法已被广泛应用于气候、水文、生态、考古、火山等研究领域，已成为反映干旱区水文生态逐年变化，重建环境演变历史的最重要方法之一。 本文以额济纳旗河岸胡杨林为研究对象，应用树轮水文气候学理论和方法，研究了额济纳旗树木年轮的水文-气候响应模式与机制，主要工作和结论包括： 1．沿额济纳东河、西河自上游向下游6个采样点采集287根胡杨树芯，经过固定、打磨、交叉定年、量测和COFECHA软件进行定年质量检验后，按照树木年轮学规范步骤与程序，分别建立了各采样点标准化年表(STD)、差值年表(RES)和自回归年表(ARS)三种树轮宽度年表，年表时间序列最长156年，最短87年，平均112年。利用PCA方法提取了代表区域树木共同生长特征的第一主成分年表(PC1)。树轮宽度年表的质量指标、聚类分析和PC1权重值分析表明，研究区6个采样点树轮宽度年表有明显的空间变化特征。 2．将6个采样点年表及其第一主成分(简称6PC1)年轮宽度序列分别与额济纳旗气象站4个气候要素、黑河下游正义峡水文站水文实测资料进行相关普查，结果显示胡杨年轮生长与正义峡径流量(1954-1999)之间主要表现为负相关关系，与气温(1960-2001)之间存在正相关关系，与降水量(1960-2001)却无多大关系。但各胡杨年轮宽度年表所包含水文气候信息量不同，对水文要素的响应具有明显的沿上、中、下游滞后一个月的空间差异，并与径流量补给地下水位出现的最浅月份时间相一致，反映了地下水是直接影响额济纳旗胡杨生长的主要水文限制因子；正义峡径流量通过影响地下潜水位变化间接影响胡杨生长，胡杨径向生长对水文要素的响应具有明显的时空差异。6个年表对气候要素的响应一致性较好。利用6PC1年轮宽度序列进行相关函数分析后，相关关系显著增强，反映PC1年轮指数对区域水文气候的共同响应要强于单个年表。 3．除LX年表外，研究区胡杨生长与正义峡径流量主要呈负相关关系，6个采样点年表和6PC1年表均与2-4月径流量的负相关最显著，并以6PC1的响应更显著，相关系数为-0.544(p≤0.05)。由于各个采样点附近的地下水位在2-4月是一年中最浅的时期(其中3、4月分别为最浅月份)，上、中、下游采样点所对应地下水位分别为2.45m、1.6m、3.55m；无论对胡杨休眠期的2月、3月，还是对开始进入生长期4月的胡杨而言，地下水都已满足胡杨生长水分需求，而2-4月径流量较大，占年径流量的25.8％，径流补给只能使地下水位过高，造成胡杨生长受到胁迫。LX采样点年表与2-4月径流量负相关关系不显著，而与6-8月的径流量呈显著正相关关系，可以理解为6-8月是胡杨生长旺季，蒸发最强烈，尽管LX采样点地下水位较浅，但海拔相对最高，径流量补给少，又经历了一年中4-6月径流量最少时期，对地下水补给量微不足道，土壤层水分散失强烈，胡杨生长可利用的水分急剧减少，所以与6-8月径流量呈显著正相关关系，并具有生物学意义。各采样点地下水位浅是研究区胡杨轮宽序列与径流量呈负相关的真正缘由。同时也反映了胡杨径向生长对水文因子响应的时空差异性既受水文因子限制，又与海拔等小地形状况关系密切。 4．胡杨径向生长对气候要素响应的分析发现，额济纳旗胡杨主要依赖地下水生长，在水分充足情况下，胡杨生长主要受温度因子限制，与降水量无关，这与新疆塔里木河胡杨研究结论相一致。相关时段分析结果显示，6个采样点年表中的5个年表及6PC1年轮序列均与2-3月平均气温、冬季(12-2月)平均最低气温正相关最显著，都超过95％信度水平，与最高气温最显著的响应在9-11月的秋季，但对当年胡杨生长无多大生理学意义。反映出最低气温对胡杨生长的影响远比最高气温更有意义。其中，6PC1年轮序列与2-3月平均气温、12-2月平均最低气温最显著的相关系数分别为0.472和0.460(p≤0.05)。从生理学角度可解释为：由于2-3月胡杨处在休眠期，不需要过多水分，而该时期研究区地下水位很浅，径流量比较大，胡杨生长的土壤水分积累过多，胡杨年轮生长与径流量呈显著负相关关系，因此，2-3月较高的气温能增加年蒸发能力，利于过湿土壤层水分的散失，增强树木呼吸作用。与冬季(12-2月)平均最低气温相关最显著也可以理解为：一方面冬季和休眠期树木的形成层虽然停止活动，但仍可通过光合作用合成有机物储存于胡杨细胞内，有利于次年树木生长；另一方面，研究区胡杨树木受到最低气温胁迫，尽管冬季树木已停止生长，但冬季、前一年10月至当年3月径流量均为一年中最多时期，土壤水分累积使土壤湿度大，该时段最低气温过低可能会加剧冻土层中树木根系因反复冻融造成断根、错位等机械伤害从而影响下一年年轮生长。