在长期生态调水背景下，具有空间限制的河岸绿化效果：基于单株树木绿化状况和地下水位恢复情况的证据

《Journal of Environmental Management》：Spatially bounded riparian greening under long-term ecological water transfer: Evidence from individual-tree greenness and groundwater recovery

　　

摘要

在全世界干旱且受到人工调控的河流中，生态水转移（EWT）被越来越多地用于恢复退化的河流走廊。然而，其效果通常通过供水量、下游河道重新连接、地下水恢复或平均植被改善来评估。这些指标是否充分代表了植被恢复的空间范围，特别是在单个树木的层面上，目前尚未得到充分量化。本研究旨在量化长期EWT在塔里木河下游的有效恢复范围，并确定单靠地下水恢复是否足以代表生态恢复的成功。我们结合了5000多株Populus euphratica树的实地调查数据、2005年至2022年的高分辨率卫星图像，以及位于河道大约50–1050米范围内的六个监测井的地下水记录。植被变化通过ΔNDVI进行量化，并使用广义加性模型和距离分级统计进行分析；而地下水位趋势及其与年EWT量的滞后关联则通过Mann–Kendall检验、Sen的斜率估计器和Spearman等级相关系数进行了评估。2001–2022年间，所有六个监测井的地下水位都显著下降（Sen的斜率为-0.127至-0.230米/年；p≤0.002），表明整个河岸带的地下水位整体上升。2005年至2022年间，NDVI与地下水位之间的关联在区域层面显著减弱。然而，植被恢复存在空间局限性：河道0–300米范围内的平均ΔNDVI较高（0.170–0.196），300–500米过渡带内的ΔNDVI急剧下降（0.051），超过500米后则接近零（0.013–0.038）。此外，2005年NDVI与地下水位之间的强相关性（Spearman的ρ=-0.94，p=0.005）在2022年减弱为弱相关性（ρ=-0.20，p=0.704）。这些发现强调了地下水位恢复和EWT的空间可及性对于河岸绿化的重要性。将有效恢复范围纳入EWT评估中，可能提高水资源分配的空间效率，并有助于在干旱且受调控的河流中实现更有针对性的河岸森林恢复。

引言

在人类压力不断增加的情况下，许多河流的流量模式已从自然的水文变异性转变为高度受调控的流量系统。自然流量模式强调，河流生态系统受到流量变异性关键因素的影响，包括流量大小、频率、持续时间、时间以及变化速率，而这些水文属性的改变会引发重大的生态后果（Poff等人，1997年）。来自一个干旱内陆河流盆地的最新同位素证据进一步表明，水坝和水库可以显著改变水的储存和传输过程，延长水的停留时间，并改变地表水与地下水的连通性，从而重塑整个流域的水文模式（Zheng等人，2026年）。在干旱的内陆河流中，生态水转移（EWT）越来越多地被用作一种管理措施，用于向下游退化的河段供水、重新连接干涸的河道、补充冲积含水层以及支持河岸植被的恢复。然而，由于EWT代表的是人为补充的水量，而非自然洪水的完全恢复，其水文特征可能无法再现自然洪水的规模、持续时间和横向扩散能力。因此，其生态效益在空间上可能不会均匀分布，特别是在河道改变、高蒸发需求以及洪泛区与河道分离限制了水在河岸带的横向流动的情况下。理解为什么某些河岸区域的植被得以恢复而其他区域却恢复不足，对于评估长期EWT的生态效果至关重要。这种水文供应与生态恢复之间的不匹配并非塔里木河所独有；这是干旱受调控河流中常见的管理难题，因为有限的环境流量必须支持广阔的河岸生态系统。

管理流量的生态效应在很大程度上取决于河道与其洪泛区之间的横向水文连通性。洪流脉冲概念强调，周期性洪水促进了河道与洪泛区之间的养分、沉积物和生物的交换，从而维持了河岸生态系统的生产力和生物多样性（Junk等人，1989年）。河水不仅沿河道纵向流动，还通过漫滩淹没、河岸渗透和河岸储存横向传播，形成了地表水与地下水之间的动态互动（Winter等人，1998年）。然而，在EWT下，管理的释放量可能仅限于河道内，仅部分恢复了横向水交换。这种限制在干旱内陆河流中尤为重要，因为地下水位深度、沉积物结构、非饱和带厚度以及河道与洪泛区的分离可能会限制水向植物根区的传输。干旱和半干旱地区的河岸生态系统通常被视为依赖地下水的生态系统（GDEs），一旦地下水位超过临界阈值，其植被状况往往会下降（Eamus等人，2015年；Naumburg等人，2005年）。在受调控的河流系统中，河流的调节和地下水抽取可能进一步改变植被对水分可用性的响应路径（Lite和Stromberg，2005年）。因此，改善地下水条件并不一定意味着植被会广泛恢复。因此，评估EWT的生态效果不仅需要判断地下水水平是否得到恢复，还需要判断输送的水是否能够到达整个河流-洪泛带区域的植被。

尽管有越来越多的证据表明EWT可以恢复下游流量并提升地下水位，但由此产生的植被响应的空间范围仍不够明确，特别是在单个树木的层面上。在这里，我们以塔里木河下游为例，研究长期EWT是否带来了广泛的河岸森林恢复，还是只是形成了有限的有效恢复范围。塔里木河下游代表了这类干旱受调控河流的典型案例，其中管理释放改善了下游流量和地下水条件，但植被恢复的空间范围仍不确定。为了解决这一难题，我们将5000多株单独绘制的Populus euphratica树的实地调查数据与高分辨率卫星图像和长期地下水观测数据相结合。我们将有效恢复范围定义为长期EWT后地图上显示的树木呈现出一致绿色变化的横向距离范围。这一框架使我们能够评估地下水恢复是否伴随着广泛的个体树木绿化，还是植被响应仍然集中在河道附近。

基于河流-洪泛区连接理论以及河岸树木对水文可及水的依赖性，我们提出了两个假设。首先，长期EWT后的植被恢复会表现出非线性的空间模式，而不是随距离增加而均匀或简单的线性响应。具体来说，我们预期在活跃的河道附近植被会显著绿化，因为此时河岸渗透、浅层地下水补给和偶尔的横向水重新分布最为有效；在这些水文影响减弱的过渡带，植被变化不大；而在远处的洪泛区则几乎没有或完全没有绿化。其次，我们假设整个监测线上的地下水条件会有所改善，但单个树木的绿化程度仅部分由地下水深度解释，因为洪泛区的横向连通性和根区的水分可及性调节了EWT的生态效应。

据此，我们提出了三个研究问题：（1）长期EWT是否在整个河岸带范围内实现了可测量的地下水恢复，地下水动态是否与EWT的输入存在时间上的关联？（2）单个树木的绿化程度是否会随距离的增加而呈非线性下降，从而形成一个可识别的过渡带，定义了长期EWT的有效恢复范围？（3）仅靠地下水恢复是否足以作为EWT效果的指标，还是应在恢复评估和未来的供水设计中考虑横向水文可及性？

部分摘录

研究区域

本研究聚焦于中国西北部塔里木河下游Argan段的Populus euphratica河岸森林（40°08′50″N, 88°21′28″E；海拔840米）（图1）。该地区具有典型的干旱大陆性气候，降水量极低，蒸发需求高，植被生长受到严重的水分限制。年平均降水量约为30毫米，而潜在的蒸散量超过2500毫米/年。

生态水转移与地下水恢复

2000–2022年间，年际间的EWT表现出明显的脉冲式供水模式（表S1），21世纪初的供水量适中，21世纪中后期接近零，而2010年代末的供水量较大且更频繁。

2001–2022年间，Argan监测带上所有六个监测井的地下水位均显著下降（图2），表明整个河岸带的地下水位整体上升。Sen的斜率范围为-0.127至

水文可及性限制了EWT的有效生态范围

表S2比较了以往选定的研究的数据基础和分析尺度。本研究基于对5000多株单独调查并通过GPS定位的树木的早期实地调查，并将这些固定树木位置与高分辨率图像和长期地下水观测数据相结合。与主要基于区域植被指数、林分水平特征或地下水阈值的评估不同，这种基于单个树木和两个时间点的分析框架

结论

塔里木河下游的长期EWT伴随着所有六个监测井地下水位的一致上升，而河岸绿化程度仍强烈依赖于距离。河道0–300米范围内的平均ΔNDVI较高（0.170–0.196），300–500米过渡带内的ΔNDVI显著下降（0.051），更远处的ΔNDVI接近零（0.013–0.038）。2005年NDVI与地下水位之间的区域关联强烈且显著，但后来减弱

CRediT作者贡献声明

Kadeliya Jiapaer：撰写——原始草稿，可视化，方法论，调查，概念化。Xianfang Song：撰写——审阅与编辑，监督，调查，概念化。ümüt Halik：撰写——审阅与编辑，调查，数据管理，概念化。Asadilla Yusup：撰写——审阅与编辑，方法论，调查，概念化。Jinshan Wang：验证，调查。Thomas Friborg：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，

资助

本研究得到了第二次青藏高原科学考察与研究计划（项目编号：2019QZKK0403）和国家自然科学基金（项目编号：32260285）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报道工作的财务利益或个人关系。

Kadeliya Jiapaer|Xianfang Song|ümüt Halik|Asadilla Yusup|Jinshan Wang|Thomas Friborg

中国科学院地理科学与自然资源研究所水分循环及相关陆地过程重点实验室，中国北京市朝阳区大屯路11号，100101