生态响应（共6篇）
生态响应 篇1
草原生态系统是陆地生态系统中重要的类型之一, 内蒙古草原对其本身及相邻地区的生态环境影响极大, 由于自然和人为因素的影响和作用, 草原退化十分严重, 土壤退化是草地退化的核心问题[1], 天然草地放牧退化首先引起植被的退化, 而植被的退化促使了土壤养分的变化[2]。人类不合理的利用如过度放牧和开垦草原是导致草原退化的主要原因, 其直接引起地表覆被变化, 引起气候的变异, 第一性生产力下降, 土壤质量下降等一系列变化[3]。
本文以不同放牧干扰程度的羊草草原土壤生态系统为研究对象, 对其中衡量土壤肥力的重要的三个方面的因素——养分含量、微生物以及土壤酶进行了测定分析, 试图进一步探讨放牧对草原土壤生态系统的影响, 进而为草原保护以及可持续利用提供一定的参考。
一、研究区概况
试验样地位于内蒙古自治区达里诺尔自然保护区内, N43°33′, E 116°33′。属中温型大陆性气候, 昼夜温差大, 年平均气温为1.5℃, 年降水量350~400毫米, 气候干燥, 日照时间长, 太阳辐射强, 该区风沙大, 热能及风能资源丰富, 植物生长期4~9米, 草地类型为羊草+大针茅+糙隐子草草原, 草地利用方式以放牧为主。土壤类型为暗栗钙土, 草甸土。降水是水资源的主要补给来源。
二、研究方法
在试验区内从距居民点距离由近及远的方向, 通过调查草地植被的生态学特征 (盖度、高度、重要值等) , 将样区划分为轻牧干扰区 (LG) 、中牧干扰区 (MG) 、重牧干扰区 (HG) , 以及不放牧的围封区为对照区 (CK) , 于2007年10月份进行土样采集, 在每个样区 (如CK) 分别选取3个样点, 在每个样点用土钻按五点取样法取0~20厘米的土样。装密封袋带回实验室, 去除植物根系和石块, 用四分法将土样分为两部分, 一部分放4℃冰箱保存, 供土壤微生物分析测定, 一部分自然风干, 用于土壤酶活性以及养分含量的测定。
土壤中微生物生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提法[11];微生物数量采用稀释涂布平板法计数法。其中, 细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基;放线菌采用高氏1号培养基;真菌采用马丁氏孟加拉红培养基[12];脲酶采用靛酚比色法;过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法;蛋白酶采用Folin-Ciocalteu比色法, 转化酶用硫代硫酸钠滴定法【13, 14];有机质用重铬酸钾容量法, 全氮用半微量凯氏定氮法, 全磷用钼锑抗比色法, 全钾用Na OH熔融—火焰光度法[15]。
三、结果与分析
1. 草原土壤肥力对放牧干扰的响应
测定了不同放牧强度干扰下土壤的基础肥力——有机质、全氮、全磷和全钾的含量。结果见图1。可见, 草原土壤中四种养分含量受放牧干扰的反应趋势基本一致, 与对照区CK相比, 随放牧干扰强度的增加, 四种养分含量均为先增大, 后降低的趋势, 即轻度放牧干扰导致草地土壤肥力增加, 而随着放牧干扰强度的继续加大, 土壤肥力则逐渐降低。表明了草地的适当放牧有助于土壤养分的增加, 而且草地对放牧干扰具有一定的承载力。当放牧强度超过草地的最大承载力后, 草地土壤养分含量随外界干扰度的增加而降低。张静妮等对贝加尔针茅草原土壤养分对放牧干扰的响应中也表明, 不同强度的放牧干扰对贝加尔草原植物多样性及土壤养分状况的影响有着显著的差异, 适度放牧干扰土壤养分资源得以提高并得以维持, 草地生态系统处于健康稳定状态。而中度和重度放牧草地土壤容重增加, 养分含量降低, 草地出现退化迹象[16]。与本研究结果基本一致。
2. 草原土壤中微生物对放牧干扰的响应
土壤微生物是土壤的重要组成部分, 是土壤物质转化的重要参与者, 同时又是生态系统维持平衡不可缺少的、重要的组成部分[17]。土壤生态系统的功能主要由土壤微生物的转化机制所控制, 土壤微生物是目前可用的最敏感的土壤健康生物指标/生物标记之一。土壤微生物对环境变化反应十分迅速, 其指标已被公认为土壤生态系统变化的预警及敏感指标。土壤微生物量是土壤生物活性大小的标志。因此, 微生物量C、微生物量N已成为国际土壤与植物营养学研究的热点问题。
本试验测定了各样区土壤中微生物生物量C和生物量N含量以及三大类群微生物——细菌、放线菌和真菌 (主要为霉菌) 的数量, 结果见图2和图3。
由图2可见, 草地土壤中微生物生物量C和生物量N对外界放牧干扰的反应趋势一致, 均为轻度放牧干扰较CK增加, 而随放牧干扰强度的增加又逐渐降低的趋势。且生物量C比生物量N对放牧干扰的反应更敏感。三大类微生物中, 细菌和真菌数量的变化趋势与微生物生物量一致, 亦为先增大后降低。而放线菌数量是随放牧强度的增大而降低的趋势。三类微生物表现不完全相同可能与各自的特点相关, 放线菌喜欢干燥的环境, 随放牧强度的增加, 土壤受家畜的践踏而变得紧实, 通气性降低, 故其数量逐渐降低。总体上, 微生物量C、微生物量N对放牧干扰的响应与土壤养分含量的变化趋于一致。这与微生物的生存和繁殖所需的营养直接来源于土壤养分直接相关。
3. 草原土壤中酶活性对放牧干扰的响应
土壤酶在土壤生态系统的物质循环和能量转化中起着非常重要的作用, 它催化土壤中的一切生物化学反应, 其活性大小是土壤肥力的重要标志。
本试验测定了不同样区土壤中四种酶活性的强度——脲酶、转化酶、蛋白酶以及过氧化氢酶的活性, 结果见图4。
由图4可以看出, 转化酶活性的变化趋势为, 轻度放牧升高, 随放牧干扰程度继续加大而降低的趋势。与微生物生物量以及细菌、真菌对放牧的响应一致。脲酶、蛋白酶以及过氧化氢酶的酶活性与CK相比, 在放牧干扰区均有增加, 只是轻度放牧区增加幅度最大, 而随放牧干扰强度的增加, 增加越来越小的趋势, 知识蛋白酶与过氧化氢酶的活性变化不明显。表明放牧干扰强度对土壤中的酶活性有一定的影响, 只是不同的酶活性响应的敏感程度不同。四种土壤酶中, 脲酶与转化酶的响应较灵敏, 且转化酶活性对不同放牧干扰程度的响应与前面的养分含量以及微生物的变化趋势基本一致。这与李艳红等的研究稍有不同, 他们的研究结果为放牧对土壤中脲酶、过氧化氢酶影响显著, 蛋白酶活性受放牧的影响变化幅度较小。
四、结论
放牧对草原土壤生态系统有着明显的影响, 且其强度不同对土壤的养分含量、微生物量和数量以及酶活性有不同的影响。总体上, 轻度放牧干扰有利于提高土壤中本试验所测的各项指标的值, 有利于土壤肥力的保持和提高。而当放牧干扰超出一定的限度时, 随放牧强度的加大, 所测各项指标均逐渐下降。土壤肥力趋向于退化。故草原降低载畜率是保护草原, 实现草地永续利用的必要措施。
生态响应 篇2
摘要：通过2年的野外定位观测,研究了沼泽湿地土壤温度对气温变化的响应特征,以及土壤温度对沼泽湿地植物-土壤系统CO2排放的.影响,并对CO2排放的季节性变化进行模拟计算.结果表明,随融冻作用开始,沼泽湿地土壤温度对气温变化的响应强度不断增大,根层土壤温度与气温间呈显著指数关系(R2=0.94,P<0.01),但不同深度土壤温度对气温变化的响应强度存在一定的差异,表现为随土壤深度的增加,二者之间的相关系数变小,土壤温度对气温的响应强度减弱.沼泽湿地植物-土壤系统CO2排放与根层土壤温度有关,二者呈显著指数相关关系(R2=0.84,P<0.01),利用模型模拟计算出沼泽湿地2003年生长季植物-土壤系统CO2排放通量平均值为664.5±213.9 mg・m-2・h-1,野外定位观测值为634.0±227.7 mg・m-2・h-1,二者之间差值不大,表明利用此方法可以对沼泽湿地生长季CO2排放进行估算.作 者：宋长春 王毅勇 SONG Changchun WANG Yiyong 作者单位：宋长春,SONG Changchun(中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春,130012;中国科学院大气物理研究所,北京,100029)
王毅勇,WANG Yiyong(中国科学院东北地理与农业生态研究所,长春,130012)
生态响应 篇3
关键词：滇重楼；净光合速率；相关分析；光合午休
中图分类号： Q945.11 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0265-03
重楼是延龄草科（Trilliaceae） 重楼属（Paris） 植物的统称[1]，滇重楼（Paris polyphylla var. yunnanensis）是一种名贵药用植物，其根茎含有甾体化合物，具有止血、消炎、镇痛等功效。重楼属植物全世界共有24种，中国有22种，其中12种为特有种，主要分布于云、贵、川等地[2]。云南省气候资源丰富，地形复杂，为植物生长、演化提供了多样化的生态条件。近年来由于对重楼资源需求逐年增加，野生重楼缺乏保护，遭到掠夺式采挖，一些分布地野生重楼群落鲜见。部分科研院所开展了对重楼属植物迁地保护、引种驯化和栽培工作[3]。目前，对滇重楼的研究多集中于药用价值、有效成分提取及野外资源探查等方面[3-5]。有研究表明，滇重楼光合有效辐射强度的生态幅较宽，具有阳性植物的特性，也具有一定的耐阴能力[6]，最适湿度75%，但对滇重楼光合作用与环境因子相关性研究较少。
光合作用是植物最重要的生理过程，对植物生长、发育有着重要的意义。光合作用测定作为分析植物生长和代谢的重要手段，一直备受关注，而影响光合作用的因素是多方面综合作用的结果，如大气温度、大气CO2浓度、光合有效辐射等环境因子及由此而引起的蒸腾速率、光合速率、胞間CO2浓度、气孔导度等生理生化因子。因此，本研究对滇重楼光合气体参数进行日变化测定，并分析光合速率与环境影响因子之间的关系，进一步了解滇重楼光合作用机理及重楼属植物的迁地保护、栽培、田间管理等有重要意义。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验地在云南省农业科学院药用植物研究所药材种质资源圃内，102°59′E，25°11′N，海拔1 995 m，年均温14.26 ℃，年均降水量957.12 mm，年均蒸发量2 655.33 mm，直接辐射量≥20 W·m2，年日照时数3 016.25 h，极端最低温-4. 29 ℃，极端最高温29.55 ℃，年均风速1.524 m/s，地面20 cm深度的年均地温16.58 ℃。土壤为石灰岩母质发育的山地红壤，基础养分含量：全氮2.38 g/kg、全磷0.75 g/kg、全钾14.15 g/kg、水解氮185.30 mg/kg、速效磷10.25 mg/kg、速效钾 272.80 mg/kg、有机质50.60 g/kg，pH值5.96～6.27。
滇重楼，产于云南滇中地区嵩明县，于1987年1月种植在遮阴棚中，遮阴棚透光率约为全光照的50%～60%，株行距 10 cm×15 cm，3次重复，随机区组排列，栽培管理条件一致。
1.2 试验方法
2013年5月13日，在自然条件下，采用LI-6400型光合作用测定系统（LI-COR，USA）对滇重楼植株进行不离体测定。测定时选用植株顶部生长正常且无病虫危害的活体叶片，每个时间段测定植株3株，重复3次，数据处理时取平均值作为该时刻的实测值。08：30—18：30每隔30 min对植株进行测定，测定指标主要包括净光合速率[Pn，μmol/（m2·s）]、蒸腾速率[Tr，mmol/（m2·s）]、气孔导度[Gs，mmol/（m2·s）]等生理因子以及光合有效辐射[PAR，μmol/（m2·s）]、大气温度、相对湿度、环境CO2浓度等环境因子指标。
1.3 数据处理
采用SPSS 19.0统计分析软件对数据进行相关分析。
2 结果与分析
2.1 净光合速率的日变化
一般条件下，植物的光合作用变化曲线呈双峰型或单峰型。滇重楼净光合速率的日变化趋势呈双峰型曲线（图1）。其中，08：30由于光强较弱、气温较低，净光合速率较低；08：30—11：00随着光强和气温的持续上升，滇重楼叶片气孔开放，净光合速率急剧增加，在中午11：00左右出现全天中的峰值6.63 μmol/（m2·s），此后在11：00—13：00之间强光和高温的条件提高了叶片光呼吸消耗，使得净光合速率持续下降，午休现象逐步显现，到13：00左右光合午休最为明显。14：30 左右，滇重楼净光合速率又出现峰值5.87 μmol/（m2·s），此后随着光照强度的逐渐减弱，滇重楼净光合速率逐渐降低，到 18：30左右净光合速率呈现全天中的最低值0.03 μmol/（m2·s）。
2.2 生理因子的日变化
滇重楼气孔导度日变化呈单峰曲线（图2）。上午08：30—10：30之间，光合有效辐射较低，温度较低，蒸腾速率小，气孔导度小；之后随着温度升高，气孔开度增加，气孔阻力变小，气孔导度增大，到14：30左右达到最高值，此时光合速率也达到最大值（图1）。随后15：00—18：30气孔导度逐渐降低，一方面由于叶片失水过多，导致气孔部分关闭，气孔导度逐渐减小；另一方面尽管相对湿度有所回升，但光合有效辐射逐渐减弱，温度逐渐下降，导致气孔导度持续减少。
滇重楼胞间CO2浓度呈现的规律（图3）与净光合速率相反（图1），08：30、13：00、18：00等3个时间段胞间CO2浓度较高，其他时间段较低。由于晚上的呼吸作用，气孔导度较高，导致08：30左右胞间CO2浓度较高；随后气温逐渐上升，光合有效辐射逐渐增加，净光合速率升高，消耗了较多的CO2，致使在09：30—11：30时间段内胞间CO2浓度降低。11：30—13：00之间净光合速率减弱，植物的呼吸作用增强，释放CO2浓度增加，使得胞间CO2浓度增加。13：30—16：30期间，净光合速率又逐渐增强，特别是在 14：30左右净光合速率又出现峰值，同时气孔导度也维持在较高水平，净光合作用消耗了较多的CO2，致使此期间胞间CO2浓度持续降低。随后在16：30—18：30之间，净光合速率逐渐减弱，气孔导度下降，呼吸作用增强，使得所释放的CO2积聚在细胞间隙，从而使得胞间CO2浓度上升，到18：30左右达到最大值。
滇重楼蒸腾速率的日变化呈双峰曲线（图4），与光合速率的变化趋势基本一致。08：30外界温度较低，蒸腾速率较低，随着温度和光照的不断升高，水分在气孔作用下气化速度加快，蒸腾速率也相应上升，到11：00左右达到第1个峰值3.16 mmol/（m2·s）。随后在11：00—14：30期间，蒸腾速率一直处于较高水平，到14：30蒸腾速率达到了第2个峰值414 mmol/（m2·s），此阶段叶片温度和大气温度是全天中的最高值，叶内外饱和水气压差增大，蒸腾失水剧烈，为了减轻高照度和高温环境对叶片造成的灼伤，植物细胞产生了一系列生理生化变化，通过蒸腾扩散水分来降低叶片温度，这也是植物对午间高照度和高温的一种适应。在15：00以后温度和照度降低，蒸腾速率逐渐降低，到18：30左右为1.47 mmol/（m2·s）。
如图5所示，滇重楼叶片的水分利用效率日变化呈现双峰型，从08：30—10：30水分利用效率逐渐升高，到10：30达到最高峰值2.98，随后逐渐降低，直到13：00达到最低值071，也就是在光合作用发生午休时，其水分利用效率也相应降低。在10：30—13：00期间，叶片的气孔导度呈现较高水平（图2），气孔导度的上升导致蒸腾作用的上升，从而减弱了植物的水分利用效率，因此在重楼栽培过程中，照度并不是越高越好，还要注意植株的适当降温和湿度的保持，以保证植株的水分利用效率最高。14：00—16：30之间，气孔导度较低（图2），滇重楼蒸腾速率降低（图4），水分利用效率逐渐增加到16：30达到峰值2.88。随后光照强度逐渐减弱， 光合速率逐
渐降低，水分利用效率也降低，到18：30達到全天最低值0.07。
2.3 净光合速率及其影响因子相关分析
植物光合作用的日变化随着植物种类生理生态特征和环境条件的变化而有所差异。通过对滇重楼净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度、光合有效辐射、大气温度、大气CO2浓度和大气相对湿度作为相关变量进行相关性分析，结果（表1）表明，滇重楼净光合速率与气孔导度、蒸腾速率、空气温度、光合有效辐射呈正相关关系，并达到了极显著水平；与胞间CO2浓度、空气相对湿度呈显著或极显著的负相关关系；与大气CO2浓度相关性不显著。从相关系数的大小可以看出，对滇重楼光合速率影响最大的生理因子是植株的蒸腾速率，其次是光合作用有效辐射、大气温度、气孔导度，相关系数分别是0.525、0.444、0.349、0.344，均达到极显著水平。
3 结论与讨论
植物光合日进程的差异是生理生态因子综合作用的结果，随着内外因子的变化，光合作用也发生变化。滇重楼光合速率在一天中的变化呈现双峰型，具有明显的“午休” 现象。早晨气温、照度较低，净光合速率也低，随着气温和照度上升，气孔开放，净光合速率增高，在11：00达到第1个峰值；之后强光、高温提高了呼吸强度，蒸腾作用增大，导致净光合速率下降，出现光合“午休”现象。一些学者认为光合“午休”的原因是由于强光导致温度过高，过度失水、空气湿度和土壤水势的降低，使气孔导度减弱甚至关闭，胞间CO2浓度降低，影响CO2进入，使净光合速率下降[7-9]。但是在本研究中出现的现象与其他学者的研究不一致，即滇重楼出现光合“午休”时，气孔导度和胞间CO2浓度都维持在较高水平，而蒸腾速率旺盛，水分利用效率处于较低水平。这说明滇重楼为避免高光合有效辐射及高温条件的损害，增大气孔导度，保持旺盛的蒸腾速率，增强呼吸速率，降低水分利用效率、降低光合作用等生理过程，积极应对高温高照度的不利环境[10]。刘维暐等研究结果表明与其他种重楼相比，滇重楼光饱和点和暗呼吸效率较高，对弱光的适应能力最弱[3]。因此在滇重楼栽培管理过程中，照度不能太弱，也不是越强越好，在达到光饱和点以后，要注意适当降温和湿度的保持，以提高植株的水分利用效率。
影响净光合速率日变化的因素主要是环境因素及植物的生理因素。试验结果表明，决定滇重楼净光合速率日变化的主要生理因子是植株的蒸腾速率、气孔导度，其次是环境因素中的光合有效辐射、空气温度，与环境CO2浓度相关性不显著。对于植株而言，高的气孔导度有助于增加蒸腾作用，并减少了瞬时水分利用效率，通过蒸腾作用降低温度，导致叶片温度降低[11-12]。在本研究中滇重楼蒸腾作用增强、气孔开放，气孔导度增强，减弱水分利用效率，说明滇重楼通过蒸腾作用降低叶面温度，使光合作用的酶不至于受到影响，不会降低光合效能，能保持较高的代谢[13]，这也是滇重楼保持高蒸腾作用来适应高温环境的一种调节机制。一些研究认为，植物净光合速率降低的原因可分为气孔因素和非气孔因素[14]，判断气孔限制与否的重要依据是胞间CO2浓度的变化方向[15]。当光合速率和气孔导度同时下降时，若胞间CO2浓度也下降，则该植物光合作用的限制因素主要是气孔限制；若胞间CO2浓度上升，则该植物光合作用的限制因素主要是非气孔限制[14]。在本试验研究中净光合作用较弱时，滇重楼气孔导度、胞间CO2浓度均处于较高水平，这说明滇重楼光合“午休”的原因既存在气孔因素限制，也存在非气孔因素限制，植株通过光呼吸的加强造成叶片净光合速率下降。另外，空气温度也是影响植物光合作用的主要环境因子之一，过高的温度对光合作用有抑制作用，一般表现为在一定温度范围内，植物的光合强度随着植物温度的上升而上升，在达到最高值后下降[16]。在本研究中滇重楼净光合速率与温度呈现显著相关，并在一天中温度最高点出现“午休”现象。
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生态响应 篇4
1 逆境胁迫下植物的水分生理特征
1.1 水势和渗透调节
自Scholaner等创立这项技术以来, P~V技术在植物水分状况的研究中颇受重视, 通过对植物水势、水分关系参数等的水分生理指标变化特性目前广泛应用于干早条件下植物水分关系变化的研究中。在水分胁迫下, 植物通过许多生理生化代谢途径在低水势下忍耐脱水, 以保持或吸收水分, 保护叶绿体功能和维持体内离子平衡, 这时的渗透调节作用成为主要的耐旱生理机制。Busch等用P~V技术研究了北美柽柳的渗透势, 结果显示柽柳具有较高的细胞溶质浓度, 在膨压为零和完全膨压时的渗透势远低于其他植物, 具有较强的抗旱性。在干早胁迫下, 渗透势的降低, 尤其是IIp值, 有助于植物在低水势下保持膨压和从土壤中吸取水分。李向义等通过研究绿洲~荒漠过渡带四种多年生植物的水分状况发现骆驼刺、头状沙拐枣和胡杨的渗透势, 基本呈下降的趋势, 有利于植物吸收水分和防止细胞过度脱水;增强了植物对干早胁迫的抵御能力。4种植物的渗透势和水势要高于典型温带荒漠植物的渗透势和水势, 其水势特征属于中生植物的范畴。Dulamsuren等发现在蒙古北部南坡森林草地交错带上高5m以上的榆树在整个生长季嫩芽ψm显著高于ψ0说明榆树不受水分胁迫的限制, 主要归功于能够有效调节渗透势。
1.2 气孔行为和气体交换特征
通过降低气孔开放程度减少蒸腾作用造成的水分损失, 是植物维持水分平衡的主要机制。干旱胁迫导致ABA含量升高, 从而引起气孔关闭和植物水势降低, 气孔的启闭受光照、CO2、温度、水分胁迫、空气湿度及内在因子的控制。西北绿洲——荒漠过渡带, 维持着稳定的地下水位, 大多数多年生植物都是都属于地下深根植物, 即可以接触到地下水, 形成稳定的地下水供应, 因而, 植物的蒸腾和水势的特点主要体现了植物在水分生理上对极端气候高水汽压差和与此相应的高蒸腾需求的适应。保持水势处于气穴阈值之上无疑是多年生植物长期生存的关键。Thomas等发现胡杨的气孔导度与VPD存在紧密的相关性, 并且对同从叶片到大气的水蒸汽分压敏感性强。同时发现骆驼刺的气孔调节同从地下水到叶片的液流导度 (KSL) 有关。
1.3 抑制光合作用的气孔因素与非气孔因素
水分胁迫导致植物光饱和点和CO2饱和点降低, 光补偿点和CO2补偿点升高, 抑制植物的光合作用, 使光合速率下降。这种影响分为气孔因素和非气孔因素。植物受旱后, 随着水分亏缺的加剧, 光合作用受抑制都有从气孔因素向非气孔因素转变的过程, 其转变时间因植物种类及其抗旱能力水分胁迫程度及施加方式等因素而异。赵长明等研究民勤绿洲荒漠过渡带研究白刺和梭梭的气体交换参数中得到2种植物在中午都出现光合“午休”现象, 但梭梭在12:00之前的光合速率的下降主要是气孔关闭引起的, 而在12:00以后随着同化枝胞间CO2浓度的上升和气孔限制值下降判定此时的光合速率的下降主要由非气孔限制的影响。
2 逆境胁迫对PSII的影响
2.1 活性氧代谢和生物膜
在光合器官中, 光系统 (PSII) 的稳定性最弱。在光胁迫下, 不可避免的会形成有害产物, 特别是活性氧, 损害光合作用。在正常的生长环境中, 植物依靠良好的非酶保护系统和酶保护系统来清除活性氧, 防止氧化物质的大量积累, 从而更好地保护和维持细胞膜的稳定性。但是植物在受到不良的非生物胁迫时这种动态的活性氧产生与清除之间的平衡往往会被打破, 造成O2-、H2O2等活性氧化剂的积累, 特别是单线态氧 (lO2) 对PSII产生光钝化作用。
植物PSII在热胁迫和光胁迫下具有相同的光合作用抑制机制包括供体侧和受体侧。QA每次只接受1个电子的受体, 在光胁迫下接受2个电子会显著降低受体库容量, 就可能从结合位点脱落。这一步使得可逆电子流从Pheo流向氧化的P680, 随后形成三线态的P680且和氧气作用形成lO2产生光抑制。在高等植物中, 在PSII的受体侧光抑制下引发了DE-环从D1蛋白裂解。Miyao发现人工添加ROS使D1蛋白从PSII的生物膜上裂解。Ohira研究菠菜叶片时发现类囊体在热胁迫下即使在相对弱的光照下会发生强烈的PSII光抑制。
2.2 叶绿素荧光动力学曲线
逆境胁迫对植物光合作用的影响是多方面的, 不仅直接引发光合机构的损伤, 同时也影响光合电子传递及与暗反应有关的酶活性, 利用叶绿素荧光动力学方法可以快速、灵敏、无损伤探测逆境对植物光合作用的影响。目前, 用PEA和Handy-PEA等仪器可以获得分辨率为10μs的快速叶绿素荧光诱导动力学曲线, 其曲线蕴藏着丰富的信息。Strasser在生物膜能量流动基础上建立了针对快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的数据分析和处理方法-JIP-test。
3 结语
对于植物逆境胁迫下的研究, 笔者认为以下几个方面仍需要加强:
3.1 在自然条件下, 植物生理生态是多种环境因素共同作用的
结果, 因此研究其交叉协同作用机制, 哪个占主导作用, 以及相互叠加还是会有部分抵消作用, 需要更深入的了解。
3.2 相比于长期逆境胁迫植物的适应性, 也会面临短期甚至短
暂胁迫, 例如中午极端天气的出现, 偶然作用导致的逆境胁迫对植物损害更为深刻, 因此研究植物在机能受到损害后的恢复状况, 何种程度的损害阈值植物能够继续生长需要进一步研究。
摘要：在我国荒漠绿洲和林地草地交错带都不同程度的存在退化趋势, 面对更严苛的气候条件以及强烈的人类活动造成地下水位的波动, 已经成为重要的生态环境问题, 因此了解植物在逆境胁迫下的生理生态响应和抗逆机制就显得尤为重要。本文主要探讨了植物的水势和渗透调节、气孔调节等水分生理特征和光系统Ⅱ对逆境胁迫的响。
关键词：逆境胁迫,植物生理,生理生态响应
参考文献
生态响应 篇5
关键词：经济增长,高碳能源,生态足迹,响应函数
生态足迹模型是一种基于社会—经济代谢的生态系统评估方法, 它从生态学的观点出发, 研究人类对资源的消费利用状况, 以及这种程度的消费对生态系统带来的影响[1]。该模型被广泛应用于测度区域生态经济系统供需平衡状况, 是衡量经济和环境协调程度的重要标志。在生态足迹的分析中, 以吸收化石能源燃烧排放的温室气体所需的森林面积来定量表征化石能源使用对生态环境造成的影响[2]。考虑到森林具有吸收CO2等温室气体的强大功能及其在陆地生态系统碳循环过程中的重要作用, 本文尝试从碳循环的角度将森林的净生态系统生产力 (NEP, Net Ecosystem Production) 作为化石能源生态足迹的均衡因子。
民族自治区CO2的排放主要来自一次能源消费, 因此在计量民族自治区碳排放总量时, 根据我国能源结构的总体特征以及民族自治区天然气资源消费量较低的现状, 可选取原煤、原油这两种一次能源来计量。本文计算了我国5个民族自治区煤炭、石油两种高碳能源的生态足迹, 采用VAR模型分析方法, 利用1998—2008年的时间序列数据, 考察了这些地区经济增长与生态足迹在时序维度上的双向动态作用特征。
1 研究方法及数据说明
1.1 基于碳循环角度的生态足迹改进模型
陆地生态系统碳库和碳循环:陆地生态系统碳库主要由植被和土壤两部分组成。从全球不同植被类型的碳蓄积情况来看, 陆地生态系统碳蓄积主要发生在森林地区[3], 约80%的地上碳蓄积和约40%的地下碳蓄积发生在森林生态系统[4]。全球森林碳蓄积为359Gtc。从陆地生态系统碳蓄积量的比例来看, 森林碳蓄积量占陆地主要植被碳蓄积量的82.72%。陆地生态系统碳循环是植物通过光合作用吸收大气中的碳, 再通过呼吸作用向大气释放碳的过程。净生态系统生产力NEP是陆地生态系统在循环过程中留存在活体植物中的碳净积累量。即活植物体的生产量 (NPP) 减去有机物残体分解即为异氧呼吸 (RH) 后剩下的碳量, 公式为:NEP=NPP-RH。NEP可直观反映森林吸收CO2的能力, 同时生态足迹的计算结果真实地反映了人类对森林生态系统生产能力和供给能力的直接占用, 从而更好地评估一个地区的生态持续性。
森林净生态系统生产力NEP的计算:净生态系统生产力NEP表示大气CO2进入生态系统的净光合产量, 反映植被的固碳能力, 即1hm2植被1年吸收的碳数量。本文引用谢鸿宇[5]对世界森林年均NEP的计算结果, 热带、温带和北方森林的NEP系数分别为5.9t/hm2、4.5t/hm2、0.6t/hm2, 世界森林的年均NEP为3.8096t/hm2。公式为:undefined。式中, undefined为世界森林年均净生态系统生产力 (t/hm2) ;NEPfi为某类森林年均净生态系统生产力 (t/hm2) ;Afi为某类森林面积 (hm2) ;Af为世界森林总面积 (hm2) ;n=3, 分别代表热带、温带及北方森林。根据森林碳蓄积量的比例82.72%可计算出吸收1t CO2所需要的森林面积, 公式为:undefined。式中, Af为吸收1t CO2所需要的森林面积;Gfc为森林碳蓄积量的比例;NEPf为世界森林年均净生态系统生产力, 需乘以44/12换算得出吸收1t CO2所需要的森林面积为0.05922 hm2。
1.2 向量自回归模型和广义脉冲响应函数法
向量自回归模型:在利用脉冲响应函数法及方差分解法进行数据分析之前, 首先要建立向量自回归模型。VAR模型是使用模型中的所有当期变量对所有变量的若干滞后变量进行回归, 用于对相关时间序列的预测和随机扰动对变量系统的动态影响, 它是一种非结构化的多方程模型。VAR (P) 模型数学表达式为:yt=A1Yt-1+…+Apyt-p+B2xt+…+Brxt-r+εt。式中, yt为m维内生变量向量, xt为d维外生变量向量;A1, A2, …, Ap和B1, B2, …, Br为待估计的参数矩阵, 内生变量和外生变量分别有p阶和r阶滞后期;εt为随机扰动项, 同一时刻的元素可彼此相关, 但不能与自身滞后值和模型右边的变量相关。它有如下优点:①可较少受到既有理论的约束, 因为在VAR系统中所有变量都被视为内生变量而对称地进入到各个估计方程中;②可方便地分析生态足迹与经济增长之间的长期动态影响;③可避免变量缺省的问题。但由于运用VAR模型难以得到检验结果的经济涵义, 因此经常使用脉冲响应函数 (IRF:Impulse Response Function) 来对已建立的模型进行解释。
广义脉冲响应函数法:脉冲响应函数用来考察来自随机扰动项一个标准差的冲击对内生变量当前和未来取值的影响。本文的模型分别考虑了每个变量在作为因变量时来自其他变量包括因变量自身滞后值的一个标准差随机扰动项所产生的影响, 以及其影响的路径变化。如考虑两变量VAR (1) 模型:Rt=a1Rt-1+b1Mt-1+ε1t;Mt=c1Mt-1+d1Rt+ε2t。模型中随机扰动项称为新息, 因为在预测时实际受到了误差项的动态影响。在以上两式中, 如果新息ε1t发生变化, 不但当前的R值发生变化, 而且会通过当前的R值影响到变量R和M以后的取值。同样, ε2t也会有这样的影响。如果新息是相关的, 通常将共同成分的效应归属于VAR系统中第一个出现的变量。这里, ε1t和ε2t的共同成分都归属ε1t。所以, 改变VAR模型中的方程顺序可能会导致脉冲响应的很大不同。脉冲响应函数试图描述这些影响的轨迹来描述任意一个变量的扰动如何通过模型影响所有其他变量, 最终又反馈到自身的过程。在进行分析时, 本文基于Koopetal、Pesaran 和 Shin等人提出的广义脉冲响应函数法, 从而避免了以往研究中经常采用的Cholesky分解技术所存在的冲击识别的任意性和对变量排序方式的依赖。
1.3 数据来源及说明
高碳能源排碳量的计算:本文碳排放量计量方法来源于《2050年中国能源和碳排放报告》, 计算公式为:Gec=Cce×Hce×Cdce。式中, Gec为某种能源燃烧后的排碳量 (万t) , Cce为某种能源的消费量;Hce为某种能源的燃烧热值系数;Cdce为某种能源的碳排放系数。
民族自治区高碳能源生态足迹的计算:①根据森林NEP系数算出森林对CO2的吸收能力;②根据森林碳蓄积量之比计算CO2吸收量份额;③计算化石能源燃烧后的热量, 再结合排碳系数求出排碳量;④求吸收化石能源燃烧排放的CO2所需的森林的面积。公式为:undefined。式中, Ace为某一化石能源的生态足迹 (hm2) ;Cce为某一化石能源的消费量 (t) ;Hce为某一化石能源的燃烧热值系数 (TJ/103t) ;Cdce为某一化石能源的碳排放系数 (tC/TJ) ;Perf为森林吸收碳的份额, undefined为森林平均吸收碳能力 (t/hm2) 。
2 实证分析
2.1 民族自治区高碳能源的生态足迹测算
基于生态足迹改进模型, 本文预测了5个民族自治区1998—2008年的高碳能源生态足迹 (表1) 。
2.2 VAR模型的估计
最大滞后阶数确定:根据表2中0—2阶VAR模型的LR、FPE、AIC、SC和HQ的值, 以及带“*”的标记超过1/2的准则, 可将该VAR模型的滞后阶数定义为2阶滞后。
变量时间序列的平稳性检验:由于脉冲响应函数的检验结果严格依赖于误差向量满足白噪声序列向量这一假设前提, 因此首先必须对模型的时间序列变量进行平稳性检验。本文利用EVIEWS6.0软件, 综合考察民族自治区的生态足迹、总量GDP两个变量时间序列的自相关和偏自相关, 检验结果见图1、图2。分析得出, 民族自治区的生态足迹和总量GDP时间序列均为一阶差分平稳, 因此本文在建立VAR模型时运用iEF、iGDP分别代替总量EF和总量GDP作为模型建立的两个序列。
VAR (2) 模型估计结果:iGDP=0.7666iGDP (-1) -2.3726iGDP (-2) -2.1699iEF (-1) +0.6232iEF (-2) +1046.72iEF=0.1768iGDP (-1) -0.4876iGDP (-2) -0.6105iEF (-1) +1.6878iEF (-2) +321.44。式中, 两个方程的拟合优度分别为:Rundefined=0.93, Rundefined=0.64。从以上的VAR估计模型可知, 民族自治区现阶段经济增长与生态足迹间及其内部存在以下几方面的关系:①前一期的经济增长对当期经济增长的影响为正, 前第二期的经济增长对当期经济影响为负, 说明经济基础对促进经济发展的影响逐渐明显, 也说明经济基础对经济发展速度的影响较大;②前一期的一般生态足迹变化对经济增长的影响为负, 前第二期的影响为正, 影响非常大, 并说明一般生态足迹对经济增长的影响逐渐减弱;③前一期的经济增长对当期的生态足迹的影响为正, 前第二期的经济增长对当期的经济影响为负, 说明经济基础对促进生态足迹的影响逐渐明显。
生态足迹与经济增长关系的动态分析:在VAR模型的基础上, 进一步利用广义脉冲响应函数分析生态足迹与经济增长的动态响应。
图3、图4是基于VAR (2) 和渐近解析法 (Analtic) 模拟的广义脉冲响应函数曲线。在下列各图中, 横轴表示冲击作用的滞后期数 (a) , 纵轴代表因变量对解释变量的响应程度, 实线为脉冲响应函数的计算值, 两侧的虚线为脉冲响应函数值正负2倍标准差偏离带。该模型将冲击作用的滞后期设定为10年。
图4是生态足迹一个标准差的冲击引起的经济增长变化的广义脉冲响应函数曲线图。从图4可见, 当在本期给生态足迹一个标准差的冲击后 (即生态足迹增加) , 在开始的20个月内对经济增长产生的强度逐渐减弱为正向响应;随后在短期内, 对经济增长产生负向响应;在第2.5—4.5年时, 对经济增长产生较大的正向响应;第3年时, 正向响应达到最大;第4.5—7年时, 对经济增长产生长期的负向响应;随后呈现稳定、程度持续减弱的交互响应收敛现象。这一现象说明生态足迹与经济增长之间存在长期的密切关系。短期来看, 生态足迹的增加会导致GDP的增加;但长期来看, 生态足迹的增加会制约经济的增长, 且最后对经济增长的作用趋弱。其背后的经济含义是:由于生态足迹的增加意味着资源消费的增加, 依靠资源消耗短期内对经济增长有一定的促进作用;但当经济增长到一定程度, 依靠资源的过度消耗并不能带来经济的增长, 甚至会对经济增长产生负面影响。因此, 我国在经济发展过程中, 不宜采取急功近利的依靠资源消耗的粗放式经济增长模式, 而应采取长期政策, 促进产业结构的调整, 引导经济增长方式转变。
图5是经济增长的一个标准差的冲击引起的生态足迹变化的广义脉冲响应函数图。从图5可见, 当在本期给经济增长一个标准差的冲击后 (即GDP增加) , 在开始的第1—1.8年内对生态足迹产生正向响应。在冲击刚开始时响应最大, 随后出现较短时间内的负向响应, 此后正负响应交替出现, 程度持续减弱。这一现象说明经济增长与生态足迹之间存在紧密的关系。短期来看, 经济增长导致生态足迹增加, 资源消耗增加;但长期来看, 经济增长对生态足迹降低能起到一定的促进作用。其背后的经济含义是:在西部民族自治区经济发展的初期阶段, 经济增长、产出提高意味着对自然资源的过度利用, 因此这一阶段的经济增长将导致生态足迹持续增加。随着经济增长超越一定的临界水平后, 人们对可持续发展要求的提高、经济增长方式的转变、产业结构的调整与优化等因素将有利于生态足迹下降。因此, 在实现可持续发展的过程中, 不能忽视经济本身的发展, 要努力实现经济发展与资源消耗的协调。
从图5可见, 经济增长对其自身的一个标准差新息, 在前1.8年呈现强度逐渐减弱的正向响应, 随后出现短时间的负向响应;第2.5—4.2年内为正向响应, 第三年时正向响应达到最大。此后, 正负向响应呈波动状态, 但程度逐渐减弱。这表明经济增长水平与其滞后值的影响较强, 波动幅度较大, 这说明当前的经济基础与其滞后经济的增长有较强的关联度。从图6可见, 生态足迹对其自身标准差新息的响应较强, 波动幅度较大, 这说明当前的生态足迹与其滞后值有较强的关联度。
对图3与图4进行对比可见, 生态足迹对民族自治区经济增长的影响与其基期经济基础的影响强度基本相同, 说明民族自治区经济增长对能源资源的依赖程度较高;对图3与图5进行对比可见, 民族自治区经济增长与能源资源消耗相互影响, 且长期内的影响趋于均衡, 相互影响逐步减弱。
参考文献
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生态响应 篇6
水资源作为西北干旱区生产、生态、生活等各个方面的关键要素,对西北干旱区的可持续发展和生态安全起着重要作用[1]。吐鲁番绿洲是西域地区自然生态环境和绿洲农业文明的典型代表,而绿洲作为干旱环境背景下的一种特殊景观,是一种变动性很大、生态脆弱的景观,其形成、分布、发展与演化受各种外界条件尤其是水资源以及人为因素影响。同时水资源量制衡着一个绿洲的最大发展空间,适度的绿洲面积是绿洲稳定发展的基本保证,而无序地扩张绿洲面积必将会超过区域水资源的承载能力,最终导致绿洲生态系统的失衡。因此,水不仅是保障区域社会经济发展最为重要的自然资源之一,而且决定着区域的生态环境状况[2,3,4]。极端干旱区的水资源利用和水资源保护具有重要意义,作为我国最为干旱区域的新疆吐鲁番水资源变化特征尤其具有可持续水资源发展的意义。随着,吐鲁番绿洲地区社会经济可持续发展的需要,对该地区水资源与生态系统的变化响应关系研究显得尤为重要。这也有利于加强这一地区水资源科学管理,提高水资源的利用效率, 实现水资源和谐发展。
吐鲁番位于新疆天山支脉博格达峰南麓,吐鲁番盆地的中心,地理坐标位于东经88°5′~89°54′,北纬41°20′~43°35′,是吐鲁番地区政治、经济和文化中心,总面积13 690km2,人口28万,聚居着维吾尔、汉、回等27个民族。312国道、吐乌大高速公路、兰新铁路、兰新高铁、南疆铁路横穿境内,是内地连接新疆、中亚地区及南北疆的重要通道,见图1。
1吐鲁番绿洲水资源
1.1吐鲁番绿洲历史演变与水资源开发
新疆,古称西域,环塔里木盆地的绿洲城邦诸国,这些国家基本上是由无数个大小不等的绿洲组成的[5]。吐鲁番绿洲区, 早在15 000年前后已经有人类活动,也是新疆地区最早有人类居住的地方[6]。先秦时期,吐鲁番出现了国家。生产生活形态基本上是半游牧半定居,过着以狩猎和畜牧为主并兼营农业的生活[7]。利用吐鲁番绿洲平原地带水资源丰富,进行简单的农业活动。汉元帝初元元年(公元前48年),在车师前国设立戊己校尉,掌管整个西域屯田事务[8]。随着屯田的实行,吐鲁番水资源利用更加显著。早在高昌郡时期,由于天热、多风、少雨的自然条件,就对水、水渠的管理已经纳入政府经济管理目标中[9]。327年,张骏的前凉政权在吐鲁番置高昌郡,高昌政权对水资源管理极为严格,诸城均设有户曹、水曹、田曹[10],并提出 “凡浇田,皆仰预知顷亩,依次取用。水遍即令闭塞,务使均普, 不得偏并”[11]和“新興穀内堤堰一十六所”和“城南草澤堤堰及箭幹渠”[12]。唐后期,种植业全靠天山雪水浇灌,形成了密集的水渠网络并专门安排人去修建,制定了完整的用水之都,使得人们充分发挥自然优势,实行复播、施肥、浇灌使土地单位面积产量得到了显著提高。此时,由于屯田面积扩大和人口数量的增加,对水资源利用更加突出,导致绿洲面积与水资源开始出现矛盾。1762年,清政府设伊犁将军总管天山南北一切军争事务,实行多次屯田[13]农田灌溉除利用天山雪水外,还开掘了坎儿井。新中国成立以后,吐鲁番社会经济发生了重大变化。 随着社会经济快速发展,吐鲁番绿洲水资源利用和生态环境之间出现严重失衡,吐鲁番地区成了新疆乃至西北最干旱的一个地区之一。
1.2吐鲁番绿洲水资源现状
1.2.1吐鲁番绿洲水资源分配现状
发源于北部天山山脉东部博格达峰南侧,吐鲁番绿洲由5条较大河流,见图2,从西向东依次为大河沿河、塔尔朗河、煤窑沟河、黑沟河、恰勒坎河,这些都属天山南坡山溪性小河,河道径流主要来源于山区降水、融雪水、山前侧渗和山泉水。从水文资料来看,5条河流的总特征是河流水量小、流程短,水系之间相对独立,河流出山口后迅速渗入到巨厚的冲积扇中,未形成平原河系。水资源总量为3.88亿m3,其中,地表水资源总量为2.97亿m3,占水资源总量的76.55%,地下水资源总量为0.91亿m3,占水资源总量的23.45%;积水面积1949km2,流域面积为15 283km2,年平均流量3.364亿m3。
5条河流除大河沿河年径流量的年际变化和年内变化比较均匀、相对稳定外,其余河流径流量年际变化较大,年内分布极不平衡。
1.2.2吐鲁番绿洲用水量分配现状
吐鲁番绿洲城镇生活、工业用水相对较少,农业灌溉用水12.54亿m3,占总用水量的87.54%(表1),全国农村用水的比例是75.3%。吐鲁番绿洲农业用水比例较大。
注:数据来源为吐鲁番水利局。
1949-2014年以来,吐鲁番绿洲用水量来看,农业用水量持续增长,工业用水增长相对较稳定。同时,地下水和地表水的开发也进一步扩大,加剧了水资源短缺局面。因此,近年来, 吐鲁番绿洲地区加快政策节水、工程节水、技术节水等手段,逐渐达到地下水的采补平衡,从而实现开发、利用水资源,应当首先满足城乡居民生活用水,并兼顾农业、工业、生态环境用水等需要。
2气候因素对吐鲁番绿洲生态系统响应的影响
2.1气候变化
根据相关史料可知[14,15],西域地区(包括吐鲁番绿洲地区) 西汉时期气候相对偏凉,降水较多。东汉初期,开始变干,降水也随之减少,气候干旱。魏晋南北朝时期,西域一些古城因干旱缺水相继消失。隋唐时期,气候又趋变冷,降水较多。元朝初期,吐鲁番、哈密一带气候炎热而干燥。明朝时期吐鲁番“天气多暖少寒,稀鲜有雨雪”。清朝中期,新江南路(吐鲁番、焉耆、喀什等)气候干旱。19世纪末,新疆东部气温急剧上升。 近代以来,吐鲁番气候以温暖带干旱荒漠气候为主主要特点是干燥、高温、多风,由于其西部、北部山地的阻挡,高空湿流难以入侵盆地,从而形成了吐鲁番盆地日照长、气温高、降水稀少、 蒸发量大,无霜期长,日照充足,昼夜温差大,多大风及干热风的气候特点。
根据图3和相关气象数据[16],吐鲁番年均温为14.1℃,最高气温达到47.7 ℃。吐鲁番历年平均总降水量仅16.6mm, 蒸发量历年平均为2 844.9mm,是降水量的171倍,属永久性干旱。历年平均日照时数3 026.3h,最多接近3 400h,最少也高于2 350h。历年平均湿度为4.1%,盆地内太阳辐射强,年平均总辐射量为586.0kJ/cm2。因此,吐鲁番绿洲地区,极端干旱气候对这一地区水资源具有显著影响。
2.2气候、水资源对吐鲁番绿洲面积的响应关系
吐鲁番绿洲区干旱气候决定了水资源成为经济发展的重要资源,其中地下水的利用显得尤为突出(表2)。同时,吐鲁番绿洲地区属于资源型缺水地区,流域水资源分布与绿洲社会经济发展布局的不协调,又使得区域缺水程度逐年加重。
从表2、表3可以看出,吐鲁番绿洲水资源开采规模非常大,并且开采量逐年呈现上升趋势。由1980年2.49亿m3,增加到2014年8.241亿m3,因此,吐鲁番绿洲地下水的利用对吐鲁番地区的社会经济发展起到非常重要的影响。
注:数据来源为吐鲁番水利局。
km2
注:数据来源为吐鲁番国土局。
随着吐鲁番绿洲地区人口的增长和社会经济发展,绿洲面积也随之迅速增加,由20世纪80年代431.1km2,增加到现在的708.6km2。其中农田涨幅最高,居民点次之,水体虽有涨幅,但涨幅比例较小,但湖区面积呈现逐年下降趋势。
因此,经济因素、社会因素和气候因素导致绿洲水资源过度开发,进而推动了绿洲面积的迅速增加。相反,吐鲁番绿洲面积进一步扩大又导致水资源短缺的局面的出现,逐渐形成了水资源和绿洲面积之间的恶性循环。
3地下水变化对吐鲁番绿洲生态系统的响应
吐鲁番绿洲地区与地下水有关的水源分为河水、泉水、坎儿井以及机井水4大类。其中,平均地下水补给量6.62亿m3,地下水可开采量8.21亿m3,水资源总量9.566亿m3[17]。
但是,随着吐鲁番绿洲农业灌溉面积的迅猛增加和大量的土地开发,河水、泉水、坎儿井水已远远不能满足需要。因此, 地下水的开发显得尤为重要,这也导致地下水位急剧下降。
3.1地下水位变化趋势
地下水位动态变化是地下水资源量变的最直接反映。由于吐鲁番绿洲区地形地貌的特殊,地表水、地下水多次互换转换。地下水自然补给量的多少,直接受地表水丰枯的制约。绿洲平均地下水自然补给量为7.5亿m3,最大年份天然补给量为19.88亿m3,而最小年自然补给量为3.83亿m3,相差5倍以上[18]。绿洲区内第四季月至底层分布较广,沉积厚,地下水储存量较大。
吐鲁番绿洲地下水位从4月份农灌季节开始下降,7-9月开采量最大,地下水位最低,10月份以后,地下水开采量减少, 地下水位开始回升,到翌年1-3月份地下水位达到最高[19]。 地下水位逐年下降,超采现象严重,其明显的标志是有水的坎儿井由早期的1237条减少为现在的396条,泉水流量也逐年衰减,生态环境逐渐恶化。地下水的超量开采,使得盆地生态环境逐年恶化,绿洲外围荒漠植被已呈逐年退化趋势,扬沙天气增多,盆地最低处的艾丁湖水面面积也逐渐缩减。
3.2地下水质的变化
吐鲁番绿洲区地下水质由山区到平原,由上游到下游,水质由好变差。由西部、北部山区到砾质平原,是地下水的补给径流区,矿物成分单一,含水层厚度大,地下径流畅通,水的矿化度小于1g/L,水的化学类型以重碳酸型为主。由北向南由砾质平原过渡到土质平原,湖积平原,水质变化极其复杂。其中,含水层变薄,颗粒变细,径流不畅;地下水位上升,蒸发损失大;水质变化,矿化度由小于1g/L上升至5~10g/L;水的化学类型有重碳酸型转化为硫酸氯化物及氯化物硫酸型水。过渡到湖积平原后,水质则表现为高矿化质的咸水。以湖积平原为主的绿洲中央带和南部觉罗塔格低山区水的矿化度多在100 g/L以上。所以,吐鲁番绿洲地区地下水水质的好坏对生态系统具有重要影响。
3.3地下水位埋深对生态系统的响应关系
吐鲁番绿洲地下水位变化差异和绿洲地下水质的不同,导致吐鲁番绿洲区内植被的变化,植被的变化是绿洲生态系统的最显著指标。
通过类比与吐鲁番绿洲条件类似的西北内陆干旱区关于地下水位埋深的数据,包括塔里木河中下游地区、黑河流域下游、塔里木河干流区、甘肃疏勒河流域下游,石羊河流域[20,21,22,23,24]。 针对存在的主要植被种属,可以得出吐鲁番绿洲天然植被适宜生长的共同潜水埋深范围。
吐鲁番绿洲地区地下水埋深超过7~8 m,绝大多数天然植物已不能生存。潜水埋深在1.0~5.0m之间,适宜多种植物生长,地表景观表现为植物种类组成众多,生长密集,覆盖度大,高、中、低层次的植物均有分布,呈现生长良好的天然植被景观。埋深超过5m草甸植物大部分枯萎死亡,埋深超过7m乔灌木大部分枯萎死亡。对地下水位适应范围最广的首推怪柳,地下水埋深从2~8m都有分布,而且在地下水埋深10 m绝大多数天然植被已经枯死的地区仍有怪柳分布。天然植被生长出现枯萎死亡的潜水埋深临界值是:胡杨5~6m,怪柳6 ~7m,骆驼刺4.5~6m,罗布麻、甘草、骆驼刺5~6m,芦苇3 m左右。
从沿吐鲁番艾丁湖盐场公路的植物剖面可以清晰显示植被演替规律[25,26]。吐鲁番绿洲主要植被种类有怪柳、梭梭、刺山柑、芦苇、骆驼刺、花花柴、胡杨、沙拐枣等,对于主要由它们组成的植物群落来说,吐鲁番盆地植物群落呈生长良好状态的潜水埋深适宜范围是3.0~4.0m,植物群落生长出现稀疏衰败状态的潜水埋深临界范围是5~6 m。所以,最终确定吐鲁番盆地天然地植被生长适宜地下水位埋深上限为3m,生长极限地下水位埋深下限为5.5m[27]。因此,吐鲁番绿洲地下水水位埋藏的不同导致自然植被生长的差异,这也将促使水资源利用更加合理科学。
4水资源变化对吐鲁番绿洲生态系统影响的驱动作用
吐鲁番绿洲极度缺水最主要原因是:耕地无序扩大,地下水严重超采。这将成为制约吐鲁番绿洲地区经济社会发展的瓶颈。然而吐鲁番绿洲属于人工绿洲景观,是一种自然经济社会复合系统。因此,自然因素与社会、经济因素共同驱动着流域生态系统的演变[28]。随着社会的进步,流域内人口的增加, 对自然资源的压力增大,生产力水平提高,利用自然资源的能力增加;现阶段,与疆内发达地区比较,该区土地利用率较低, 水资源利用率也比较低,人们的文化和经济水平差,是对流域环境破坏的社会因素[29]。在地下水水质好的吐鲁番绿洲地区,大面积开垦土地;在社会因素中,政府各自为政,自顾自己任期的政绩,助长开荒,造就生态环境恶化;在政策和法规上, 没有体现流域整体观念,地表水分配不均;以上各个社会因素, 是流域生态系统演变的主要驱动力。
5结语
(1)气候因素对绿洲生态系统具有显著影响。在吐鲁番绿洲地区降水少且年内分布不均,蒸发量呈现增长趋势,对绿洲水资源的需求将进一步增加。因此,应该以滴灌、低压管道、涌泉灌作为绿洲地区优先选择的节水灌溉形式,种植作物应以葡萄、果树、棉花等经济作物为主。
(2)退耕还水是吐鲁番绿洲生态系统和谐的必然选择。社会经济发展和人口数量的增加,尤其是吐鲁番绿洲耕地面积的日益扩大,严重造成水资源紧张的局面。因此,推进退耕还水, 确保水资源开发与存量平衡,实现水资源和绿洲生态系统的可持续发展。
(3)深化水资源管理体制改革,进一步强化水资源供需结构调控[30],促进吐鲁番绿洲生态系统优化发展。结合地区经济社会发展和绿洲生态对水资源的潜在要求,及时调整用水定额,促进水资源的优化配置。同时,调整结构性缺水已成为经济社会可持续发展的重大制约,对吐鲁番水资源供用结构进行合理调整以支撑经济社会跨越式发展,顺利推进新型工业化、 农牧业现代化和新型城镇化,实现长治久安具有重要意义。 □
摘要：吐鲁番绿洲区是新疆水资源严重匮乏的地区之一,水资源紧缺已成为制约这一地区社会经济发展的瓶颈。通过对吐鲁番绿洲水资源变迁,用水量,气候因素及其对生态系统的响应的分析,对吐鲁番绿洲地下水位、水质的变化等因素进行研究。结果表明:气候因素对吐鲁番绿洲生态系统影响显著;随着吐鲁番人口的不断增加,绿洲地表水资源分配不均,水资源开采过度,地下水位急剧下降,导致生态系统进一步恶化。吐鲁番绿洲地区经济因素促进社会因素的变化,社会因素的变化导致自然环境的变迁。社会、经济、自然诸因素相互作用,通过水资源的变化驱动对吐鲁番绿洲生态系统的变化。