干旱区内陆河流域的生态安全与生态需水量研究--兼谈塔里木河生态需水量问题

结合对干旱区生态安全和生态需水量关键科学问题的探讨,提出干旱内陆河流域生态脆弱区的生态安全分析是以水过程研究为核心的,水文过程控制着生态过程,对流域生态系统的稳定性有着直接影响,而水资源开发利用和水循环对生态系统功能有重要影响,天然植物恢复和生长的合理地下水位的研究是确立生态需水量的基础。并实证分析和计算了维系塔里木河生态安全的生态需水量,塔里木河干流现状生态需水量为31.74×108m3,其中,上、中、下游分别为9.95×108m3、18.47×108m3和3.32×108m3。

塔里木河上游绿洲典型地表特征土壤水分入渗性能研究

在塔里木河上游农业绿洲区选取草地、裸地、棉花地和盐碱地4种典型地表特征,用圆盘入渗仪测定土壤水分入渗过程并做模型拟合与分析.结果表明:绿洲内不同地表特征下土壤水分入渗性能存在明显差异,稳定入渗率大小为棉花地(1.02mm.min-1)>草地(0.76mm.min-1)>裸地(0.36mm.min-1)>盐碱地(0.11mm.min-1);在入渗初期,累计入渗量为盐碱地最大,草地和棉花地次之,裸地最小,但随入渗时间增长累计入渗量逐步受控于稳定入渗率.以裸地为参照,棉花地和草地的入渗性能较好,而盐碱地入渗性能较差.应用常用的入渗模型对入渗过程进行了模拟:Kostiakov模型和Horton模型分别对棉花地、草地和裸地、盐碱地均具有最好的模拟效果,这两种模型在本区内有最好的适用性和准确性;Green-Ampt模型在本区的适用性较差.

塔里木河下游断流河道整治引发的生态问题与重建对策分析

长期断流导致塔里木河下游主河道发育受阻,自然生态系统萎缩。河道治理措施保障了主河道输水的顺畅和水文生态的完整性,实现了上下游补偿性生态大转移(生态回归),但却抑制了河道自然发生规律,改变了原生种繁殖更新环境,河道两侧自然生态过程受阻,可持续维持的生命带变窄,人类需借助外力才能实现生态修复。塔里木河下游断流区生态恢复重建需要尊重客观历史,依托区域原有植被自然发生规律,应选择以柽柳灌丛为主要恢复种类,辅助人工引水渠系设施建设、断根萌蘖、人工补植等辅助手段,逐步实现对退化生态系统修复。

荒漠河岸林植物丛枝菌根真菌侵染及环境影响因子——以塔里木河下游为例

以西北干旱区内陆河塔里木河下游地区的荒漠河岸林为研究对象,对塔里木河下游5个监测断面范围内的植物进行了调查研究,分析了荒漠河岸林的10个科的15种主要植物根系的丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)侵染状况,并利用主成分分析法探讨了土壤因子对AMF侵染率、侵染强度的影响.结果表明:在所调查的植物中,11种植物为菌根植物,非菌根植物有4种;表征AMF侵染的指标不同,不同科植物之间AMF侵染状况存在差异,比较而言,禾本科的芦苇和杨柳科的胡杨AM真菌的孢子密度相对较大;从侵染率来看,除沙拐枣外,其余菌根植物的AMF侵染率均大于50%,尤其是疏叶骆驼刺和胀果甘草,侵染率分别高达97%,92%;从侵染强度来看,柽柳的AMF侵染程度最高,其次是疏叶骆驼刺,而胀果甘草的侵染程度则是中等.主成分分析表明土壤总盐、含水量、有机质、全氮、全磷、有效钾及pH值与丛枝菌根真菌侵染间有密切关系.

台兰河绿洲灌区土地利用变化与水资源动态研究

基于2000年和2005年的遥感影像,利用RS,GIS及景观生态学方法,对台兰河绿洲灌区2000—2005年的土地利用进行监测,并分析了不同时期台兰河绿洲灌区水资源开发利用程度。对研究区土地利用与水资源动态变化关系进行了分析。结果表明,2000—2005年耕地面积和水域面积年均增加分别为3603.8hm2和151.4hm2;绿洲林地和草地大面积减少,减少量分别为2247.07hm2和14325.9hm2,相应地绿地面积减少了16572.97hm2;草地和林地等生态用地的减少是灌区耕地增加的主要来源,转移比例分别为13.97%和5.93%。地表来水量不断减少的情况下,灌区地下水开采量从1989年的5.91×106m3增加到2003年的1.39×107m3,灌溉面积和机井数量不断增大,地下水开采强度日益增加,地下水水位呈日益下降的趋势。农业用水所占比例过大,生态用水逐渐缩减。

“十一五”国家科技支撑计划“新疆伊犁河流域水土资源可持续开发利用研究与示范”项目进展报告暨学术年会顺利召开

2009年1月14—15日，由中国科学院新疆生态与地理研究所主办，绿洲生态与荒漠环境重点实验室承办的“十一五”国家科技支撑计划“新疆伊犁河流域水土资源可持续开发利用研究与示范”项目进展报告暨学术年会在乌鲁木齐市吐哈大厦顺利召开。

光合有效辐射与地下水位变化对柽柳属荒漠灌木群落碳平衡的影响

全球气候变化和人类活动的加剧,正导致古尔班通古特沙漠南缘原始盐生旱生荒漠地区的地下水位发生显著改变。大气污染导致该地区太阳辐射减少。以盐生荒漠建群种多枝柽柳(Tamarix ramosissima)为研究对象,选择地下水位在2.9?4.5m波动的典型原始生境,观测了生长期内光合有效辐射和地下水位变化时的光合作用、蒸腾作用和叶水势等生理活动的季节变化,调查了根系分布特征;并利用涡度相关系统测定了生态系统碳水通量,估算群落碳同化能力、蒸腾耗水量与叶面积指数的季节变化,旨在揭示光合有效辐射和地下水位等环境因素对柽柳属(Tamarix)荒漠灌木群落光合作用的影响。研究结果表明:降水造成的潜土层水分状况变化对多枝柽柳的碳平衡没有显著影响。深根系与气孔调节是多枝柽柳碳平衡适应荒漠环境水分状况的两个关键机制。特殊的气孔行为体现了多枝柽柳以高水分消耗为代价将其碳获取最大化的适应对策;多枝柽柳生理与群落尺度的水分平衡和碳获取均依赖于深根系获取的稳定地下水源,缓和的地下水位波动将不会扰动其现有的碳/水平衡,地下水位剧烈下降将危及多枝柽柳的生存。此外,光合有效辐射是另一个主要影响因素,与群落碳获取呈显著正相关关系。群落碳同化能力的季节变化是光合有效辐射和地下水位共同影响下光合作用物候学特征的体现。过度开采地下水和直接破坏原生植被的行为,将会严重地干扰多枝柽柳群落的生存,进而破坏该区域现有的生态水文过程。

基于稳定氢氧同位素的胡杨与柽柳幼苗水分来源研究

通过测定不同地下水埋深下胡杨和柽柳的幼苗茎干水和各潜在水源(土壤水、地下水)的δD和δ18 O同位素组成特征,利用IsoSource模型和平均深度模型,研究了胡杨和柽柳的幼苗对各潜在水源的利用比例和根系吸水的平均土壤深度。结果表明,单一种植条件下胡杨和柽柳的幼苗具有相似的水分利用特征,在30,80cm地下水埋深下深层土壤水和地下水是其主要水分来源,利用比例超过80%;在130,180cm地下水埋深下浅层土壤水为其主要水源,直接利用地下水的比例很小;在180cm埋深时胡杨幼苗不能直接利用地下水,对0—80cm土壤水的利用比例高达79.9%,柽柳幼苗利用地下水的比例仅为12.9%,对0—80cm土壤水的利用比例达到62%;混合种植下对水分的竞争作用使柽柳幼苗主要利用深层土壤水和地下水,胡杨幼苗主要利用浅层土壤水;柽柳幼苗利用水分的平均深度显著深于胡杨幼苗,表明柽柳对干旱环境的适应能力优于胡杨。

新疆主要河流水文极值变化趋势

水文极值是工程水文计算的基础资料,实测样本资料的变化直接影响水文设计值。基于1956-2006年的实测洪峰、洪量、年最小流量、最枯月径流量等资料,分析了各水文要素的变化及其趋势。结果表明:20世纪80年代中期以来超标准洪峰、洪量的频次增加,大多数河流洪水峰、量都呈增大变化趋势,说明新疆洪水又进入活跃期,在工程水文设计洪水计算中要应尽可能搜集和利用近期暴雨和洪水资料,在洪水系列中增加更多大洪水信息,提高设计洪水计算成果的稳定性。年最小流量和最枯月径流量是维持河流生命和河道两岸自然生态的基础流量,基流量增大有利于对生态补给、水利发电,水库蓄水,径流年内分配趋于均匀有利于水量年内调节。但在枯水径流分析计算中应充分重视不同年份最枯水量出现时间有明显推迟的迹象。

基于分维模型的台兰河流域土地利用变化研究

以新疆台兰河流域1990年、2000年和2005年土地利用数据为例,将分形理论应用于土地利用空间分布及其变化的研究中,定量分析干旱内陆河流域土地利用空间结构复杂性、稳定性以及各土地利用类型随时间的变化趋势,从而阐述不同土地利用类型的空间分布规律。结果表明:各种土地利用类型都具有空间分形特征,分维数是面积、斑块数量和平均斑块面积等单项指标有机结合的综合表现,是综合表征土地利用变化空间格局的定量指标。1990年、2000年和2005年不同土地利用分维数的排序分别为:水域>工矿居民用地>耕地>草地>未利用地>林地;水域>工矿居民用地>草地>耕地>林地>未利用地;水域>工矿居民用地>草地>林地>耕地>未利用地。1990年、2000年和2005年台兰河流域整体土地利用分形维值分别为1.5993,1.5986,1.6079,流域土地利用的分维数呈现先减后增的趋势,土地利用空间结构趋于复杂化,土地利用类型有扩张的趋势。1990年、2000年和2005年台兰河流域整体空间结构稳定性指数分别为0.1720,0.1563,0.1435,说明整个流域土地利用类型的空间结构稳定性逐渐下降。

东天山喀尔里克山北坡-淖毛湖植物群落物种多样性研究

以东天山喀尔里克山北坡-淖毛湖为研究区,探讨了该区山地-荒漠生态系统的植物种类组成、植被类型及群落物种多样性特征.结果表明:该区共有高等植物33科93属133种,植物生活型组成以草本植物居多.群落物种多样性测度指数的主成分分析结果显示,物种丰富度指数(R)、Pielou均匀度指数(Jsi)、Shannon-Wiener多样性指数(H)和Simpson优势度指数(C)能很好地描述群落结构和组成特征.其中,多样性指数、均匀度指数和丰富度指数的变化趋势基本一致,优势度指数则和前三者呈负消长的关系.随着海拔升高,群落物种多样性指数、丰富度指数和均匀度指数变化均呈现单峰分布格局,即植物群落的物种多样性在山前荒漠生态系统和高海拔山地生态系统中较低,而在中海拔地区达到最大.

温湿度对绿洲棉田土壤CO_2通量的影响

采用土壤CO2浓度探测仪器分别对研究区棉田两类试验点(棉下和棉间)不同深度土壤CO2浓度进行连续监测,然后基于土壤气体扩散模型估算土壤CO2通量。通过构建试验地土壤CO2排放的温度敏感性评价系数(q),对5个常用的土壤CO2通量-温度模型进行评析,选择最优模型定量分析土壤温度对土壤CO2排放影响。在消除土壤温度对土壤CO2通量影响的基础上,分析土壤CO2通量对土壤湿度的响应。结果表明:土壤温度对土壤CO2通量起到了促进作用,但是土壤CO2通量的温度敏感性随土壤温度的升高而下降;土壤CO2通量对土壤湿度的响应比较复杂;综合的土壤CO2通量-温度湿度模型能更好地对土壤CO2通量进行模拟。

塔里木河流域不同林龄胡杨与柽柳的水分利用策略研究

基于稳定同位素方法研究了塔里木河流域胡杨和柽柳的水分来源及分布特征,探讨了塔里木河流域胡杨和柽柳的水分利用策略。结果表明:(1)胡杨和柽柳的植物水与土壤水的降水偏离程度与地下水存在显著差异(P<0.05),表明土壤中存在不完全混合的水源库,与植物耗水和地下水补给存在动态联系;(2)不同林龄胡杨和柽柳土壤水δ^(18)O值随土壤深度增加均呈下降趋势,受蒸发作用影响,表层土壤水δ^(18)O值波动明显;(3)不同林龄胡杨和柽柳水分利用来源存在差异,胡杨和柽柳对土壤水的吸收利用随林龄增加层位下移。无论在幼苗阶段或成熟阶段,柽柳利用土壤水的深度均低于胡杨,表明其适应干旱环境的能力更强。

新疆膜下滴灌棉花早衰的根系生长发育特征

【目的】膜下滴灌（drip irrigation under mulch film,DI）技术由于其高效节水的特点在新疆大面积推广使用,然而近期发现应用滴灌技术进行灌溉的作物根系出现了早衰,影响了地上部生长及产量的形成。本研究探讨了目前膜下滴灌技术体系棉花根系生长发育、空间分布的动态变化规律及地上部响应。【方法】采用田间试验方法,设置膜下滴灌、漫灌（flood irrigation under mulch film,FI,对照）两处理,采用Monolith法分7次采集根系,DT-Scan软件测定根系长度,分析不同生育时期棉花根系在土壤空间中的变化特征,同时采集地上部样品并分器官测定干物质量。【结果】滴灌棉花根系表现出明显的浅层分布趋势：从播种后96 d开始,距地表10cm范围内的根系长度明显大于漫灌处理,而30—60 cm土层则正好相反;在播种后65~96 d内,滴灌棉花根长增加速率明显低于漫灌;棉花生长发育后期（播种后125~160 d）,滴灌处理棉花根系显著衰退,且主要集中在0—40 cm深度、距滴灌带30—70 cm土体范围内,播种后160 d与125 d相比,0—10 cm土层下降了13.8%,而10—40 cm衰退幅度更大（22%）,与此同时,漫灌处理除0—10 cm土层根长有所下降外（7.7%）,10cm以下依然保持增长状态（10—40 cm及40—60 cm层分别增加了5.5%与10.2%）;播种后125 d,滴灌棉花地上部生长量明显高于漫灌,而根系正好相反,其冠根比较漫灌高,而在播种后160 d剧烈下降（地上部叶片及蕾、铃的大量脱落所致）。【结论】膜下滴灌棉花根系由于浅层分布,根系体积小,而地上部生物量过大,导致其在生长发育后期快速衰退。今后应研究适宜的水肥调控措施,以构建更早、更深的根系系统,控制生殖生长期内棉花的营养生长,实现膜下滴灌棉花的高产稳产。

干旱区新垦绿洲人工防护林土壤物理特性及其生态意义

结合灌溉量和树种特征,分析了新垦绿洲克拉玛依农业开发区3个不同树种人工防护林带下土壤容重、总孔隙度、饱和含水量和含水量变化。结果表明,各树种防护林带下土壤物理性质存在垂直变异,其中土壤容重基本呈随着土层深度增加而逐渐增加的趋势,树种种类对土壤容重的影响不大;饱和含水量随着土层深度增加基本呈逐渐降低的趋势,树种种类对土壤饱和含水量影响不大;土壤总孔隙度在不同土层间均存在显著差异。俄罗斯杨和胡杨林带下土壤含水量均呈现出随土层深度增加而增加的趋势。在灌溉量相等且灌溉后经过相同时间的条件下,不同树种林带下在同一土层的土壤含水量存在差异,而在同一树种林带下,灌溉量大小对土壤含水量有影响。从改良土壤结构的角度来说,在选择构建绿洲防护林体系树种时,俄罗斯杨、榆树、胡杨林这3个树种具有同样的优势;从节约用水的角度来说,在防护林树种选择中胡杨比俄罗斯杨的优势大。

塔里木河干流荒漠河岸林的空间分布与生态保护

塔里木河流域荒漠河岸林具有重要的生态、经济和社会效益。论文以塔里木河干流的荒漠河岸林系统为研究对象,借助于卫星遥感、GIS等技术,结合实地调查,应用缓冲区梯度分析方法,对现有林地水平分布结构进行分析。结果表明:①塔里木河干流荒漠河岸林面积为58.42×104hm2,占研究区总面积的14.07%,自上而下5个河段的林地面积分别占总面积的2.94%、3.75%、3.95%、1.99%和1.44%,并且北岸河岸林面积较南岸明显多,南岸受沙漠化威胁,河岸林退化严重,水资源时空分配不均匀是荒漠河岸林分布特征的重要原因;②荒漠河岸林多沿河道地形分布,随离河道距离的增加呈波动下降趋势,河流对荒漠河岸林显然具有重要影响,径流主要起到补给地下水的作用,近河床区林地分布较集中,波动幅度小,在远离河床区林地易于退化,河流北岸影响范围为38.33～45.51 km,南岸为15.21～39.33 km;③塔里木河干流总体林地率不高,林地分布不均匀,荒漠河岸林形成以河道为中心的带状分布,分布范围达10～80 km,重要保护范围在0.8～12.3 km,恢复范围在2.2～24.5 km,重建范围在4.7～30.1 km。根据荒漠河岸林的分布特征和保护目标,对塔里木河干流用水作统一规划和协调是符合实际的生态治理措施。

新疆南疆棉花“干播湿出”种植技术应用现状、面临的问题及解决策略

棉花是新疆最重要的经济作物,而南疆又是新疆棉花的主产区,产量占全疆的80%。长期以来,南疆棉区普遍采用“湿播干出”的种植模式,即除了在棉花生育期进行常规灌溉外,还需要进行冬灌和春灌,起到压盐、提高播种期土壤墒情和改善土壤水分的作用。随着耕地面积的不断扩大和水资源的日益短缺,南疆棉区开始尝试采用北疆“干播湿出”的栽培方式种植棉花,但整体效果不甚理想。通过文献综述,探讨造成南疆推行“干播湿出”栽培方式不力的原因,在此基础上提出可能的解决策略。

准噶尔无叶豆的开花物候与生殖特征

为了研究沙漠稀有植物准噶尔无叶豆（Eremosparton songoricum）的开花物候特征及其对生殖成功的影响，2005和2006年连续两年对其自然种群的开花物候和开花过程中的花部表型变化进行了观察，并运用相对开花振幅、开花强度和开花同步性等开花物候指数研究了开花物候特征。结果表明：准噶尔无叶豆在5月下旬至6月中下旬开花，其种群、个体、花序和单花的花期分别历时26～29d、8～10d、5～7d和2～3d。单花开花进程依其形态和散粉特征可分为散粉前期、散粉初期、散粉盛期和凋谢期4个时期。其个体水平的开花物候进程（开花振幅曲线）呈渐进式单峰曲线，具有很高的开花同步指数，表现出一种集中开花的模式。开花物候指数与座果数之间的相关分析结果表明，始花日期与花期持续时间存在负相关关系，而与开花数和座果数存在正相关关系；花期持续时间与开花数和座果数存在显著正相关关系。准噶尔无叶豆个体开花物候在很大程度上是由其遗传因子决定的，而开花物候在年度间的变异，可能是由于荒漠气候的差异（主要是水分和温度的差异）所引起的。作为沙漠窄域分布特有种，准噶尔无叶豆在环境和人为干扰的双重选择压力下，为了吸引更多的传粉者访问而达到生殖成功，形成了大量集中开花的模式。

古尔班通古特沙漠南缘非灌溉条件下梭梭(Haloxylon ammodendron)蒸腾耗水特征

利用热平衡包裹式茎流计连续测定了古尔班通古特沙漠南缘原生梭梭2010年5月6日～10月12日的茎干液流及气象因子数据,探究了非灌溉条件下不同直径梭梭在其蒸腾耗水特性及与气象因子相关性之间的差异。结果表明:(1)茎干液流昼夜变化规律明显,蒸腾日变化呈双峰或多峰趋势,夜间保持较小液流;午休现象多出现于14∶00～16∶00。相同环境因子影响下,直径越大,茎干液流速率越大,午休现象也越明显;(2)在生长季,不同直径梭梭液流的启动和停止时间存在差异,6～8月,直径越大,液流启动时间越早,停止时间越晚。同一植株液流在不同月份的启动和停止时间差异较大,生长初期,液流启动早,停止迟;生长季末期,液流启动迟,停止早;(3)5～8月,液流日累积过程呈明显的"S"型趋势;9～10月,呈斜率一致的一条直线。直径越大,日累积量和累积速率越大,第一拐点到达时刻越早,第二拐点到达时刻越晚;(4)液流速率与太阳辐射的相关性最好,其次为气温和相对湿度,风速最小;相关性在7月份最大,6月和8月次之,10月最小。相同环境条件下,直径越大,其液流速率对气象因子的响应越明显;(5)观测时段内,7月耗水最多,6月、8月、9月次之,5月和10月最少。直径越大耗水量越多,直径9.9、13.4、22.9 cm日均耗水量为0.570、0.595、0.694 mm,总耗水量为92.904、96.923、113.052 mm,液流通量为0.263、0.284、0.346 L.cm-2.d-1。与干旱区不同生境的梭梭相比,古尔班通古特沙漠原生梭梭的液流通量相对较小。不同地点和生境的梭梭在耗水数量、耗水日过程特性等方面差异明显,这为天然荒漠植被防护林的管理及沙漠区人工灌溉植物的水资源合理配置提供了一定的决策支持。

塔里木灌区膜下滴灌的棉田土壤水盐分布特征

通过膜下滴灌田间试验，研究了塔里木灌区棉田土壤盐分运移特征。结果表明：膜下滴灌的棉田土壤盐分呈“Y”状垂直分布，膜下土壤盐分含量小于膜间，膜间土壤盐分从表层到深层呈逐渐增减的趋势。随滴灌量增加，膜下土壤盐分峰值位置下移。滴灌量从2618m^3／hm^2增大到4265m^3／hm^2，湿润峰位置从40cm下移至100cm，盐分峰值位置从30cm下移至60cm。滴灌结束后，膜下0—60cm及0～100cm土壤平均含盐量均减小。脱盐程度随滴灌量增大而增加，0～60cm土层脱盐率从6．0％增加到34．8％；而膜间土壤呈积盐状态，积盐程度随滴灌量减小而增大。随滴灌年限增加，0～60cm的土层平均含盐量逐年增加，从2005年到2007年，4265、3926、3600、3271m^3／hm^2灌溉定额下的土壤平均含盐量年均增加了0．4、0．6、1．1、1．1g／kg。研究结果指出了塔里木灌区现行棉花膜下滴灌制度存在的积盐问题，成果对完善干旱区膜下滴灌灌溉制度具有一定得指导意义。