为查明塔里木河下游不同水分梯度下胡杨种内竞争以及空间分布格局的变化规律,在塔里木河下游阿拉干断面选取3条样带,每条样带内依照水分梯度布设3个样方,采用Hegyi单木竞争模型与点格局等分析方法,探究了水分梯度下胡杨林种内竞争及空间格局变化特征.结果表明:1)塔里木河下游胡杨的最适竞争范围为10m;2)胡杨竞争指数与胸径服从幂函数关系(P＜0.001),胡杨竞争指数随对象木胸径的增加而逐渐减小,当对象木胸径达到20cm以上时,其竞争指数逐渐稳定,且维持在较低水平;3)随水分梯度的降低,胡杨林分竞争指数呈下降趋势;4)在塔里木河下游,胡杨空间格局主要为聚集分布,随空间尺度的增加,胡杨逐渐趋向于随机分布;5)随水分梯度的降低,胡杨空间格局由聚集分布逐渐转变为随机分布.水分是决定极端干旱区荒漠植被空间分布与结构的主要因子;在胡杨林分管理中,应充分考虑胡杨的种内竞争、空间格局及其与水分梯度之间关系,为塔里木河下游胡杨林的保护与更新提供科学依据.

生态需水量计算是干旱脆弱生态区恢复重建的一个关键问题.分析了塔里木河下游荒漠河岸林关键种-胡杨树木年轮近90年来的变化特征及对气候水文过程的响应,并基于树木年轮技术提出了维系荒漠河岸林不同恢复状态的生态需水量.研究结果表明,塔里木河下游胡杨树木年轮主要承载的是区域水文历史变化信息,可以作为定量评估生态输水工程的生态恢复效应和定量计算植被生态需水量的新指标;胡杨标准年轮宽度指数与生长年生态输水量呈显著正相关(P＜0.05),近15年生态输水对胡杨年轮宽度指数增加的平均贡献率为42.96％;若要维持塔里木河下游英苏段垂直河道300 m范围内的胡杨达到近90年来的平均生长水平,则需在生长年下泄生态需水量0.84× 108 m3,若要达到断流前(1933-1974年)的平均径向生长,则每个生长年内生态需水量应达到0.91×108 m3.

水分是制约很多陆地生态系统植物生长和繁殖的重要因素,在干旱地区尤为明显.利用稳定同位素技术探究塔里木河下游不同林龄胡杨(Populus euphratica)的水分来源情况,了解生态输水背景下荒漠河岸林的水分利用循环与利用策略,可为生态输水提供科学依据,同时也可对同类地区的生态恢复提供借鉴.本研究通过测定塔里木河下游胡杨茎干水和各潜在水源(土壤水、地下水)的稳定氢氧同位素值(δD、δ18O),应用多源线性混合模型(IsoSource)分析了各潜在水源对不同林龄胡杨的贡献比例,并结合3种林龄胡杨不同土壤深度含水量的变化,分析了胡杨的主要吸水层位.结果表明:(1)不同林龄胡杨样地的不同深度区间上的土壤水δ18O值存在显著差异(P＜0.05):胡杨幼龄木、成熟木、过熟木木质部δ18O分别为-7.83±0.07‰、-8.53±0.11‰、-9.36±0.21‰;而δD值不存在显著差异(P＞0.05).可据此来推断胡杨的主要吸水层位.(2)总体上,三种林龄胡杨土壤水δ18O值随土壤深度增加而减小,并趋于接近地下水的δ18O值.其中,0-60 cm土壤水受蒸发影响比较大,其同位素组成经历了强烈的蒸发分馏过程,土壤含水量极少,土壤水δ18O值偏正.(3)不同林龄胡杨所利用的水分来源不同:胡杨幼龄木对于地表80 cm以下的土壤水以及地下水均有一定程度的利用,对80-140 cm、140-220 cm和220-340 cm的土壤水平均利用比率依次为16.2％、21.4％和24.6％,对地下水平均利用比率为24.5％;成熟木主要利用220-340 cm的土壤水及地下水,平均利用比率分别为36.9％和42.3％;过熟木主要利用140-340 cm的土壤水及地下水,平均利用比率分别为32.8％和49.3％.

胡杨(Populus euphratica)是塔里木河流域荒漠河岸林的建群种,水分和氮素是限制胡杨幼苗的存活及早期生长的主要因子.利用15N同位素示踪技术分析水和氮素的交互作用对胡杨幼苗不同生长阶段氮素的吸收分配利用及幼苗生长的影响,进一步探究氮素对胡杨实生苗早期形态建成的作用及对干旱胁迫的缓解效应,以期提高幼苗的存活率.实验以一年生胡杨实生幼苗为研究对象,采用温室内盆栽实验,设置4个干旱处理(D1、D2、D3、D4,土壤相对含水量为:20％-25％、40％-45％、60％-65％、80％-85％)和3种氮素水平(No、N1、N2∶0、3、6g/盆)测定胡杨幼苗的生长指标和各部分的Ndff、分配率及利用率.结果表明:胡杨幼苗在土壤相对含水量60％-65％(D3)、氮素添加量3g/盆(N1)时,其生长表现为最佳状态;干旱胁迫下,不同氮素添加量对胡杨幼苗各部分的Ndff值存在显著差异,N2低于N1;随干旱胁迫减弱(D3、D4),植株在生长早期(25 d)根部吸收的15N优先向地上部分转运,生长后期(75 d)植株Ndff最高,其中以根系中Ndff最高;不同生长期幼苗各部分的15N分配存在显著差异,根系15N分配率较高,但不同氮量处理间差异不显著;随生长期的推移,植株对15NH415NO3的利用率表现为粗根最大,各处理中D3N1处理均显著高于其他处理.结论:轻度干旱胁迫下添加适量的氮素能够增强植株对氮素的吸收征调能力,优化水资源获取以维持生存的重要机制.

胡杨是塔里木河下游荒漠河岸林的重要组成部分,研究塔里木河下游胡杨生物量及生态服务价值变化特征,可以为塔里木河下游生态输水的效益评估提供科学依据.以塔里木河下游胡杨为研究对象,采用实地调查采样与遥感解译分析相结合的方法,评估了不同年份胡杨地上生物量特征,并结合遥感方法提取不同年份胡杨面积,估算了不同年份胡杨的生态服务价值.结果表明:(1)胡杨主要分布在离河道0-700 m的范围内,此范围内的生物量占总生物量的90％以上;在离河道700 m以外,胡杨的生物量不足10％.英苏断面胡杨平均生物量最高,阿拉干断面次之,依干不及麻与喀尔达依断面胡杨生物量较低.(2)2000年,胡杨单位面积平均生态服务价值为78.96元/hm2,2010年为177.14元/hm2,2016年为313.55元/hm2;胡杨总服务价值在2000年为43.24× 104元,2010年为93.00× 104元,2016年为184.27× 104元.(3)2016年胡杨的有形服务价值为22.74× 104元,无形服务价值为161.53× 104元,胡杨的无形生态服务价值为有形生态服务价值的7.1倍.生态输水对胡杨生物量与服务价值具有显著的影响,输水效益十分显著.

为了更好地了解荒漠河岸林植被动态与生物多样性维持机制,于塔里木河干流源头荒漠河岸林内建立6个1 hm2样地,对群落物种组成、数量特征和空间格局等进行综合分析.结果 表明,塔河源荒漠河岸林群落结构简单、物种多样性低,共有物种12科15属16种,杨柳科重要值最大(28.97％),是群落优势建群科.取样面积在0.04 hm2时,包括了87.5％的物种;样地内稀有种和偶见种均占所有物种的12.5％.植物区系贫乏,单种科、属多,温带成分占绝对优势,古地中海成分也占有重要地位,具典型温带区系性质.样地内DBH≥1 cm的活木本个体有2497株,灰胡杨多度占92.95％,胸高断面积和重要值最大,在群落中占绝对优势地位.群落内科、属、种的数量随植株高度级的增加而减少,垂直结构层次分明,由乔木层、灌木层和草本层构成.样地内所有树种平均胸径15.57 cm,径级与高度级结构均呈偏正态分布,缺乏高度≤2m的个体,群落更新不良.优势种灰胡杨、胡杨径级结构均呈单峰型,其中胡杨幼树出现断层,灰胡杨幼苗向幼树发展过程中死亡率极高(92.56％),均为衰退型种群.两个优势种空间格局呈聚集分布,不同生境下随径级增大空间分布格局变化不同;且两个优势种在空间上相互排斥而占据不同生境,暗示着种间竞争与生境异质性是影响荒漠河岸林物种空间分布格局和物种共存的重要因素.

林窗作为森林生态系统得以长期维持的主要驱动力之一,能够促进森林的自然更新与演替、优化森林结构和养分循环,从而提高生物多样性及生态系统服务功能.基于塔里木河中游历年径流量、耗水量与地下水埋深等水文数据,利用回归模型、拟合优度t检验与种群结构动态定量相结合的方法,分析了研究区水文条件对胡杨荒漠河岸林林窗数量及其形成木种群结构与动态的影响.结果 表明:1)1970年前塔里木河中游水量较为充足,在一定程度上可满足胡杨生存发育的需水量.自1980年来,塔里木河中游年径流量(R2=0.785,P＜0.01)与耗水量(R2=0.524,P＜0.01)呈明显减少趋势、地下水日益匮乏,其埋深呈直线下滑趋势(R2=0.8618,P＜0.01).这导致河道两岸的胡杨林生态用水日益紧缺,从而引起胡杨林林窗现象频繁出现,尤其是在1997-2006年期间.2)随着中游年径流量与耗水量逐渐减少、地下水埋深逐渐增加,林窗内胡杨形成木数量则变为增长趋势.3)林窗形成木除1957-1966、1967-1976年属衰退型外,1977-1986、1987-1996、1997-2006和2007-2016年均呈现增长型特征.特别是林窗内胡杨形成木Ⅱ级幼龄树大幅度增加,其表现出胡杨林年龄结构的老龄化特征.4)由模型显示,林窗及其形成木数量与径流量之间存在显著性负相关,径流量降至17.81×108 m3时,林窗内的胡杨将面临高峰死亡.由此可知,在干旱区水文条件是决定胡杨生死的主导因子,也是塔里木河中游荒漠河岸林林窗形成的主要原因.

蒸散发是水循环和能量平衡过程中的重要组成部分,其准确量化对于深刻揭示干旱半干旱地区的生态水文过程具有重要意义.以黑河下游荒漠河岸胡杨林为研究对象,在2014和2015年胡杨主要生长季内,基于涡度相关技术实测数据,分析了蒸散发日及各物候期变化规律,结合改进的双源Penman-Monteith-Priestley-Taylor (PM-PT)模型,模拟了黑河下游荒漠河岸胡杨林蒸散发,并分析了模型的参数敏感性,得到的主要结论如下:(1)胡杨林蒸散发日变化大致呈先升高后降低的趋势.上午随着太阳辐射的逐渐增强,气温逐渐升高,蒸散速率逐渐增大,在中午12:00左右达到峰值.随后,太阳辐射减弱,气温逐渐降低,空气中相对湿度增加,胡杨叶片内外水汽压差减小,蒸散速率随之降低.(2)胡杨生长季内蒸散发整体上呈先升高后降低的趋势.2014和2015年生长季蒸散发总量分别为612 mm和658 mm,果期和种子散播期累积蒸散发为生长季内蒸散发总量的主体部分,果期内累积蒸散发分别为316mm和348 mm,分别占各年生长季蒸散发总量的51.65％和52.87％;种子散播期内平均蒸散发略低于果期,2014和2015年胡杨林种子散播期内累积蒸散发分别为261 mm和271 mm,分别占各年生长季蒸散发总量的42.71％和41.12％,展叶期和叶变色期内平均蒸散发最低,原因在于展叶期胡杨叶片尚未完全成形,而叶变色期叶片活性逐渐降低.(3)改进的双源PM-PT模型与传统的双源Shuttleworth-Wallace (SW)模型相比,在模型结构与参数数量方面均得到了优化,其模拟精度也更高.(4)改进的双源PM-PT模型对净辐射最为敏感.

植物叶片气孔是控制水分和CO2出入的通道,是植物水分蒸腾和气体交换的门户.植物叶片气孔导度地准确模拟,对于植物蒸腾作用地有效模拟以及植物与大气间能量和质量平衡的研究至关重要.基于黑河下游阿拉善群落水热平衡综合观测场实际观测数据,采用LI-COR 6400光合作用测定系统,对荒漠河岸柽柳叶片气孔导度进行观测,分析晴朗天气条件下气孔导度日变化特征,同时,结合微气象及植物生理相关数据,运用学术界3种最常用的(半)经验模型对柽柳叶片气孔导度进行模拟,结果表明:(1)柽柳叶片气孔导度日变化大致呈先升高后降低的趋势.上午随着太阳辐射逐渐增强,气温逐渐升高,气孔导度值逐渐升高,蒸腾速率也逐渐增大,在10:00-12:00时间段内达到最大值.绝大部分观测日内12:00前后气孔导度呈现出一定的波动,原因在于温度过高致使叶片气孔关闭.随后,太阳辐射减弱,气温逐渐降低,空气中相对湿度增加,柽柳叶片内外水汽压差减小,气孔导度减小导致蒸腾速率下降.(2)通过3种最常用的(半)经验模型(Jarvis、Ball-Woodrow-Berry(BWB)和Ball-Berry-Leuning(BBL))模拟气孔导度的结果可以看出,Jarvis模型的修正效率系数(0.775、0.891)、修正一致系数(0.887、0.945)和决定系数(0.590、0.645)在3个模型中均是最高或次最高的,说明其模拟精度最高.(3)BWB模型与BBL模型的模拟精度相近,说明水汽压差、大气湿度与气孔导度的密切程度相近,没有明显的区别.

本文选取塔里木河下游阿拉干断面胡杨林长期监测样地,分析胡杨林空心率、树洞特征及其在不同胸径和树高组间的分布特点.结果 表明:研究区胡杨种群具有较高的空心现象,空心胡杨占调查胡杨总数量的56％,约159株·hm-2;胡杨空心率在不同胸径和树高组间呈显著差异,其与胸径呈显著正相关,与树高呈显著负相关.该监测样地胡杨树洞密度约560个hm-2,平均每株2个;所调查的胡杨树洞大部分出现在树干上(57.1％),均以树干中部洞口为主(31.3％);直径为5～15 cm的树洞(38.2％)所占比例最大.总树洞数量、单株树洞数量、树洞直径等特征与胸径呈显著正相关,与树高呈显著负相关,而各树洞类型在不同胸径和树高组间的分布不同,变化趋势不一致.胡杨树洞在各方位上的分布差异显著,树洞集中分布在正西方向上.胡杨荒漠河岸林的空心发生率较为严重,且胸径越大其空穴化程度越明显.加强保育幼龄胡杨和修复退化荒漠河岸林具有重要意义.