自然状态下的生态逆转是一个长期的动态变化过程^[1-2], 为了加快退化生态系统的恢复, 人们往往采取人工干预的方式, 其中人工输水就是其中一种重要形式, 以往的研究其具有良好的生态、社会效益^[3]。水资源不合理配置是干旱地区内陆河流域生态系统退化的主要原因, 由上中游占用下游生态用水所引起。那么, 对下游区域来讲, 保证其一定质量和数量的生态用水将能够最小程度地改变天然生态系统的过程, 保护区域物种多样性和生态整合性^[4]。而向生态退化区域实施输水工程, 补偿地下水和改善水环境是河流生态系统恢复的基本行为和必然过程^[5], 对促进区域环境逆转具有积极作用。以人工干预的形式输水恢复退化生态已经在塔里木河成功实施^[6], 而且输水对该区域地下水位^[7-8]、植被、植物种^[9-11]、植物生理^[12]以及区域生态系统产生了明显的影响, 证明人工干预输水是区域退化生态恢复的一种有效方法^[13-17]。

石羊河下游地处腾格里沙漠西北缘、甘肃省民勤县东北70km处, 属于石羊河干三角洲, 海拔高度约为1292—1310m。石羊河尾闾青土湖区域水面积曾经超过400km², 但在1959年完全干涸, 随着湖水干涸, 湿地植被演化为荒漠^[18-19], 大部分地段已被流沙覆盖^[20], 且区域环境持续恶化。为了改善石羊河下游区域生态环境, 由政府推动和主导从2010年9月开始, 以渠道输送的形式向其下游青土湖连续注入生态用水, 区域水面持续扩大, 截至2016年11月, 青土湖形成了25.16km²水面^[21]。青土湖注水和形成水面的预期是依靠生态注水改变区域水文环境, 提高青土湖生态功能, 促进湖区植被恢复、延缓区域生态系统退化、减缓沙漠化的不断推进, 推动石羊河流域乃至整个区域环境整治和生态恢复。石羊河下游输水是以快速改善石羊河尾闾区域生态环境现状, 防止荒漠化扩展为目标, 从而直接以渠道形式向下游注水形成面状水域, 从而对区域生态环境的改善产生积极影响。青土湖水面的形成必然会对周边生态系统产生影响^[22-24], 那么水面形成后该区生态要素响应如何？水面形成对周边生态系统的影响究竟有多大？能否改变该区域生态状况？这些就成为值得研究和探讨的问题, 也是社会各界所关注的一个热点问题。本研究通过对青土湖水面形成区域地下水位、植被、以及小气候等三个方面的要素进行观测研究, 旨在阐明水面形成的影响, 以期为定量地评价水面形成对区域生态环影响提供依据。

1 研究区自然概况

研究区位于甘肃省民勤县东北的腾格里沙漠西缘(39°07′7.3″—39°08′3.2″N, 103 °37 ′53.0″—103°38′ 40.6″E), 属于石羊河下游干三角洲, 海拔高度约为1292—1310m。该区年平均气温7.8℃, 大于10 ℃的有效积温3289.1℃；年降水量110mm左右, 且降水多集中于7、8、9月3个月, 占全年降水量73%, 蒸发量达2600mm以上；无霜期168d, 光照3181h, 太阳辐射630kJ/cm²；全年盛行西北、西北偏西风, 夏秋季东风也比较盛行。年均风速4.1m/s, 主要害风为西北风；属典型温带大陆性干旱荒漠气候。研究区主要以湖相沉积物的砂土及壤质砂土为主；区域地形地貌以湖相沉积基质上分布3—10m高低不等的流动、半固定、固定沙丘与丘间低地相互交错分布的地貌类型。植被类型为典型的荒漠植被, 白刺群落(Nitraria tangutorum)大面积连续分布, 芦苇群落(Phragmites communis)偶见, 伴生灌木有黑果枸杞(Lycium ruthenicum)、沙蒿(Artemisia sphaerocephala)和盐爪爪(Kalidium foliatum)；草本植物种类主要有：刺沙蓬(Salsola ruthenica)、驼蹄瓣(Zygophyllum fabago)、戟叶鹅绒藤(Cynanchum sibiricum), 猪毛菜(Salsola collina)、沙蓬(Agriophyllum squarrosum)、砂引草(Messerschmidia sibirica)、碟果虫实(Corispermum patelliforme)、盐生草(Halogeton glomeratus)、画眉草(Eragrostis minor)、雾冰藜(Bassia dasyphylla)、骆驼蒿(Peganum nigellastrum)等。

2 研究方法 2.1 定位植被观测样地设置

分别于2011—2014年10月下旬, 以水面为中心向水面外围延伸设置4条典型调查样带, 进行区域植被野外调查。每个样带宽100m, 样带长度以至沙漠边缘流沙区为界。在每个样带中以距水面边缘0m开始, 每隔50m分别设置植被调查样地, 每个样地各设置1—2个灌木调查样方、每个灌木样方对应5—7草本样方, 共设39个灌木样方, 260个草本样方。乔灌木采用20m×20m样方, 草本采用1m×1m小样方, 分别调查记录植物种名、高度、冠幅及样方内出现的各物种的个体数量。调查的同时记录群落背景特征及经纬度、海拔、距水面中心的距离等信息。

2.2 水面积及地下水位变化监测

选用的水面形成后(2010—2014年)不同年份同一时间过境的高分辨卫星影像, 采用面向对象的目标地物分类方法进行矢量化, 得到研究区水面积变化及植被分布变化动态数据；地下水位变化采用定位观测水井观测数据, 2013、2014年度增加水面周边15个深度6m坑井作为临时监测点, 对地下水位空间变化进行定期监测调查。

2.3 小气候要素观测

水面周边不同方向温度、湿度的影响主要受大气环流特征的影响, 而本文主要探讨水面形成对周边小气候环境的影响及其范围。因此, 本研究主要考虑风向变化的影响, 观测点设置中, 以受影响较为明显主风向各要素梯度变化作为主要观测内容, 来代表水面形成对区域小气候要素变化的影响。分别于2014、2015年4月11、15—18日, 采用Kestrel 4500手持气象站及风速梯度仪, 设置对应植被样方小气候梯度观测点, 对水面外围500m范围的风速、空气温湿度等小气候要素进行定位观测。

2.4 数据处理与分析方法

应用Excel软件进行野外调查、观测数据记录分类和绘图分析, 应用SPSS 18.0统计分析软件进行观测数据的显著性检验、相关分析；使用ENVI 4.8、ArcGIS 10.2软件进行遥感影像分类和精度评价及水面积、植被变化数据统计。

3 结果分析 3.1 青土湖水面形成分析

石羊河下游青土湖区域原为湖沼平原, 20世纪50年代末干涸^[17-18]。由于地处腾格里沙漠与巴丹吉林沙漠之间, 经过近60a的风沙作用, 形成以原始干涸湖盆为本底, 海拔高度1292—1310m, 湖盆边缘为3—10m高度流动沙丘, 有较大面积流沙覆盖平沙地, 湖盆中部间分布大量白刺沙堆。青土湖人工输水区位于原始干涸湖盆中部, 由于大量白刺沙堆分布其间, 使区域地形产生起伏变化。根据卫星影像分析(表 1), 随着连续几年的不断输水, 青土湖水面急剧扩大。2010—2014年青土湖输水期间, 形成水面面积随输水持续增大, 输水量与水面面积呈正相关, 相关系数为0.894；2013年形成水面面积607.126hm², 比2010—2012年形成的水面面积总和略多, 2014年形成水面约为前四年水面总和。

各年度输水6个月后, 保留水面积明显减少, 且各年度水面保留度差异较大, 从2013年开始保留水面积增长明显。2011年的入湖水量是2010年的1.67倍, 但保留水面积减少了33.17%, 2012年的入湖水量是2011年的1.60倍, 保留水面积是2011年的1.84倍；2013年的入湖水量减少, 但保留水面积增加了2.51倍, 至2014年保留水面积增加了4.52倍。

总体来看, 区域连续、集中的人工输水促使石羊河下游青土湖区在短期内形成了水面, 由于水面形成区域原始地貌起伏较小, 形成水面面积大小主要受白刺沙堆分布密度、大小及区域土壤入渗特征等影响, 但从输水6个月后的保留水面面积来看, 人工输水对于水域面积扩大具有明显叠加效应, 有利于水域面积的扩大和对原始风沙地表的覆盖, 增强了输水效应。

3.2 区域地下水位变化

青土湖生态输水后4a间, 区域地下水位埋深明显上升(表 2, 图 1), 但水面形成对区域地下水的影响范围有限。从时间序列来看(表 2, 图 1), 青土湖区域近5a来地下水位整体表现出上升趋势。区域地下水位近7a持续上升, 2010年输水后水位上升明显, 其中, 输水前两年度水位上升速度明显加快, 2012、2013年上升有所放缓, 但2013—2014年上升速度明显增大, 上升达0.26m。输水的5a时间, 区域地下水位平均上升0.58m。

从空间上来看(表 3, 图 1), 水面形成区地下水埋深随距水面距离变化呈梯级增加。水面形成对地下水的影响, 主要体现在在0—200m范围。输水4a后, 距水面0—50m地下水埋深达到0—0.75m, 50 —100m上升到1.50m内, 距水面150—200m, 地下水平均埋深小于5.50m, 在250m后地下水埋深>6.00m。

距水面0—250m范围的地下埋深变幅超过6.0m；100—150m平均变幅达2.15m, 是地下水埋深变化幅度最大的区域。200—500m范围地下水位平均变幅为1.12m。距水面0—50m的地下水埋深的年变率为0.82m/a, 变异系数达69.38%。距水面50—150m, 地下水位变率是0.21m/a, 变异系数为24.80%, 是地下水埋深变化幅度最小的区域。距水面250m之外, 地下水埋深大于区域平均地下水埋深。

3.3 区域植被变化 3.3.1 群落景观结构变化

青土湖水面形成后, 区域典型植物群发生明显变化。水面形成前区域为干涸古湖盆地貌, 植被总体呈现以白刺群落广泛布于研究区, 是区域植被绝对主体。伴生盐爪爪形成的群落, 局部地段少量苏枸杞、沙蒿等灌木物种；伴生草本植物主要有盐生草、驼蹄瓣, 芦苇主要呈零散、形片状分布。水面形成后则在时间、空间上均出现分化现象, 主要变化体现在群落组成由原始白刺优势群落演变为白刺、芦苇为明显优势的群落。从时间序列的变化来看, 主要体现在白刺水淹与芦苇扩张的过程, 2010—2012年, 白刺依然广布于整个青土湖地区, 并有部分区域的白刺被水面淹没, 水面周围有大量白刺伴水分布。芦苇分布范围快速扩大, 主要分布于水面周边及过水区域。2013、2014年, 经过3—4a的连续输水, 区域保留水面积明显增加, 较大范围白刺被水淹没。在近水区域, 白刺群落的典型性受芦苇种群迅猛发展的影响, 只呈点状分布于芦苇群落之中, 优势度明显下降。

从空间变化来看, 区域植被变化主要体现在近水面区域芦苇代替白刺成为群落优势种(表 4)。距水面边缘0—50m范围变为芦苇的绝对优势群落, 原有白刺优势明显下降；距水面边缘50—100m, 芦苇优势明显增大, 但形成为芦苇+白刺构成的共建群落；距水面100m以外范围, 则仍以白刺为群落优势种。其它组成群落的植物并未体现出明显的规律性变化。

3.3.2 群落物种组成与数量变化

青土湖调查区域共有植物种22种, 其中灌木和半灌木植物占总数的18.18%, 分别是白刺、盐爪爪、黑果枸杞和沙蒿；多年生草本植物有芦苇、戟叶鹅绒藤、骆驼蒿、砂引草和蓼子朴, 占总数的22.72%；1年生草本植物所占比例为40.90%, 但只有驼蹄瓣频度较大, 均为伴生植物种。

植物群落Cody多样性指数变化比较大的区域为距水面较近处(图 2), 但其时间和空间变化不同。Cody多样性指数的时间变化是：2011—2014年的Cody多样性指数增大。在距水面0m范围内, 2014年的Cody多样性指数是2011年的2.3倍, 其中植物种减少了7种, 增加了5种, 年变化率为30%—50%, 消失的灌木种有沙蒿和黑果枸杞, 多年生草本有骆驼蒿和戟叶鹅绒藤, 1年生草本植物有沙蓬等。增加的植物种均为1年生草本植物, 如雾冰藜和画眉草等。在距水面50m, 植物种减少了4种, 增加了1种, 消失的灌木种有沙蒿, 多年生草本有骆驼蒿和戟叶鹅绒藤, 1年生草本植物有沙蓬。增加的植物种只有戟叶鹅绒藤, 年变化率为27%—36%。在距水面50m之后的Cody多样性指数随时间增加而呈减小趋势, 其中距水面250—300m分别减小了3.0—2.0倍, 增加的植物种为沙蓬、猪毛菜和盐生草等1年生植物种, 消失的则为戟叶鹅绒藤和骆驼蒿等多年生植物。Cody多样性指数的空间变化较大的区间为距水面0—50m的范围, Cody多样性指数分别是4.0和2.5, 其次是200—250m的Cody多样性指数为3.0。

3.4 小气候变化 3.4.1 空气温度和湿度变化

青土湖水面形成之后, 距水面0—500m范围, 大气温、湿度与距水面间距呈指数关系, 温、湿度的空间分布形成以150—200m为界线的两个明显不同区域(图 3)。温度与距水面间距呈指数关系, 温度的空间分布形成两个明显不同区域。距水面0—150m, 空气温度相对较低, 变化相对较小, 温差只有0.25℃；距水面150—200m之间, 空气温度发生急剧变化。150、200m距离处, 温度相差1.79倍, 变异系数达32.85%。而距水面200—500m范围, 温差仅0.23℃, 变异系数也只有1.23%。

近水区域0—150m范围湿度较高, 平均97.69%, 空气湿度在距水面150m发生变化, 距水面150m之后, 空气湿度急剧减小, 200m处降为73.24%, 500m处降为29.45%, 与区域周边荒漠环境湿度相当。水面外围0—200m范围的湿度变异系数为33.58%。在距水面200—500m范围, 湿度相差43.80%, 变异系数达60.31%。

3.4.2 风速变化

青土湖水面形成对区域风况产生较大影响。从水面前至水面后500m的风速变化来看(图 4), 经过水面后一定距离风速呈现先增大, 再减小, 又逐渐恢复至水面前风速大小的波动变化过程。本次测试中, 水面前(0m)时的平均风速3.81m/s, 经过水面后(0m)处, 风速增大到4.6m/s, 约增大21.05%；随后急剧减小, 在水面后100m处恢复至水面前0m大小；之后又逐渐增加, 水面后200—500m距离段, 风速持续减小, 至水面后500m处, 地表的风速大小与水面前0m处相当(图 4)。

从不同垂直高度风速变化来看(图 4), 经过水面后(0m), 垂直高度180cm以下风速明显大于水面前0m及水面后500m；水面后500m处, 下层(80cm以下)风速均小于水面前, 但较高层风速均大于水面前；在180cm以上高度, 水面后500m风速大于水面前和水面后0m。

综合来看, 水面对风速影响的垂直高度主要表现在180cm以下, 水面后风速的变化与区域地貌的变化也有关系；水面对区域风速的影响范围在距水面0—200m距离段最为明显, 水面后风速的增加, 增大了水面边缘一定范围的风蚀强度。

4 结论

青土湖人工输水对石羊河下游尤其是水面形成区域产生了明显的影响, 主要体现在：

(1) 改善了区域水文环境, 区域水面外围0—300m范围地下水位得到了明显提升。自2010年输水以来, 石羊河下游青土湖区域形成的水面积持续增加, 且随着输水时间增加的同时, 水面积扩大的叠加效应明显, 2014年区域保留水面积表现出急剧增加, 接近前4a增加水面之和。同时, 输水促进了区域地下水位埋深持续上升, 地下水埋深由输水前>6m, 提升到0.6—3.2m；保留水面积与地下水埋深的相关系数达0.909。输水4a后水面形成对地下水埋深的影响范围在距水面边缘300m范围最为明显。

(2) 改变了区域荒漠植被格局, 增加区域植物群落多样性。水面形成后区域原有典型荒漠植被群落结构发生显著变化, 水面外围白刺种群的生长状况得以改善, 芦苇分布范围面积显著增加；同时, 区域植物群落由输水前以单一类型的白刺群落为主, 演变为以水面为中心、随距离由芦苇草甸-盐化草甸-多种组成的荒漠植被等多种植物群落类型的变化趋势, 增加了区域植被类型的多样性。

(3) 改善区域小气候环境, 对区域气温和湿度产生显著影响, 改变水面形成区域一定范围的风沙活动状况。水面形成后, 水体及植被产生“冷岛效应”作用明显；距水面0—150m范围的温度降低了55.67%, 区域大气湿度增加了3倍。水面形成对区域一定范围风速影响明显, 可能会增大区域地表风蚀强度。水面对区域风速的影响范围在距水面0—200m距离段最为明显, 水面后风速的增加, 增大了水面边缘一定范围的地表风蚀强度。

5 讨论

通过水面形成对区域环境要素的影响分析, 青土湖人工输水对改善区域环境具有明显的积极作用, 但仍然存在多种不确定性, 面临多样的问题, 在关注水面形成积极效应的同时, 也应该注意其负面作用及影响机理研究。

(1) 由于地处典型干旱荒漠区, 研究区植被长期受水胁迫影响, 并形成依水分梯度分布模式^[25], 这种植被空间分布与其他荒漠地区的湖岸植物空间分布模式相似^[26]。输水作用及水面的形成, 使周围空气和土壤湿度增加, 土壤盐分富集^[5], 植被生存环境发生明显变化。经过多年人工输水干预, 区域植被群落类型、分布格局、群落物种多样性发生了变化, 根据本研究结果来看, 青土湖人工输水仅水面形成区域的植被影响明显, 覆盖度明显增加, 但却使周边0—50m范围植物多样性明显减少。这一结果与塔里木河下游生态输水恢复天然植被过程的植被覆盖度、植物多样性均增加的结果^{[5, 16, 27-28]}相异, 这主要与两种输水方式及种源有关。塔里木河输水沿天然河道形成线形水面, 水流不仅增加整个流域水量, 并且促进河流两岸植被整体恢复。而青土湖输水则是以人工渠直接输入, 仅在尾闾区域形成面状水面, 其影响范围较小；同时, 植被多样性变化取决于植物种对环境的适应特征, 可能由于青土湖输水作用集中, 水面形成时间短, 区域长期适应干旱环境的植物在短期内尚不能适应突然饱和甚至超饱和的土壤水分变化, 而造成近水面局部范围植物群落中部分物种退出而使群落物种多样性减少。因此, 需要加强区域植被变化的长期观测研究, 并通过适当人为干预措施促进水面周边一定范围植被的正向演替恢复^[29], 充分发挥水面形成的积极作用。

(2) 目前来看, 青土湖水面形成后区域小气候产生了明显变化, 尤其是影响区域风沙环境变化。风经过水面会产生强劲的向岸风^[30], 青土湖区域水面形成增强了过水面后的风速, 使水面后100m范围地表风蚀作用明显增强, 因此要加强水面形成后局地风况变化研究, 同时, 应加强水面周围一定范围风沙防治。随着水面形成及大面积扩大, 青土湖的“冷岛效应”可能增强, 进而影响当地气候条件^[31-32]。据报道, 2014年的青土湖年降水量较多年平均值增长15.5mm^[24], 但这一变化是受全球气候变暖大背景影响还是主要受青土湖水面形成或保留水面积大小、深度变化的影响仍需继续关注和研究。

(3) 青土湖水面形成对区域环境要素的综合效应及影响机理尚需更深入研究。本文针对环境要素对人工输水的响应进行了初步分析, 但水面形成对区域多个环境要素都将产生深远影响, 而水体自身的面积大小、深度等变化对区域环境要素的影响程度、范围各不相同^[32], 因此, 需要加强相关深入研究, 以探究其深层变化规律及机制, 客观评价区域水面形成的生态效应, 为进一步改善区域生态环境提供依据。

(4) 青土湖人工输水的预期是依靠生态注水改变区域水文环境, 从而促进区域生态环境恢复。这一措施取得了积极的作用, 但通过与相关研究的比较和本研究的实地调查来看, 仍存在诸多问题和挑战。首先, 青土湖人工输水目前以定时段渠道输送为主要形式, 以促进水面形成为主要目标, 输水策略相对单一, 而输水方式、输水时间、周期及输水量调整等策略的变化对输水效应具有重要影响^[33]。其次, 青土湖人工输水是基于石羊河流域综合治理工程的一项内容, 虽然输水产生了积极的作用, 但作为政策性人工干预措施, 其持续性、措施力度, 是区域输水效果得以保存和加强的重要挑战。第三, 为达到提高水资源利用效率和促进生态恢复的最佳效果, 需要加强针对输水方式、策略, 输水效果, 区域环境变化监测评价以及输水可能带来的负面影响等方面的研究。