第一章绪论
1.1干旱半干旱区内陆河流域植被生态系统特征
干旱半干旱区约占世界陆地面积的三分之一，为世界总人口20%左右的居民提供了居住地（White etal.，2003）。《联合国防治荒漠化公约》以年平均降水量与潜在蒸发量的比值来界定世界范围内的干旱地区。在所有国家中，澳大利亚的干旱区面积*大，约660万km2，美国、俄罗斯、中国和哈萨克斯坦等国家的干旱区面积均超过200万km2。干旱半干旱区的水文过程与湿润地区存在很大程度上的差异，其径流和降水也显示出极大的时空变异性（Wheateretal.，2010），且在不同地点监测的长期水文数据往往有限。在干旱半干旱地区，河流和淡水湖泊等地表水资源通常比较匮乏，因此地下水是重要可靠的水资源，特别是在干旱季节。植被对地下水利用受到地下水埋深的控制，地下水埋深是维持依赖地下水陆地生态系统的控制因素（Xu etal.，2019）。在过去几十年中，工农业生产对水资源的需求增加和地下水开采技术的发展，开采活动大幅增强，导致地下7JC位下降。过度开采导致了地下水资源的枯竭，并造成了一系列的生态环境问题，如植被生态系统恶化、地表水径流量减少、湿地消失、地下水咸化、土壤盐渍化、地面沉降、荒漠化等（Lin etal.，2018；Wang etal.，2018；Heintzman et al.，2017；Sun etal.，2016；Xiao etal.，2014）。除上述人为开采活动造成的问题外，干旱半干旱地区的水资源也受到气候变化的威胁（Wheateretal.，2010）。
*近几十年来，我国干旱半干旱区内陆河流域植被退化严重，不仅制约当地社会和经济的发展，而且影响整个中国北方地区的生态安全，并对中国中部和东部地区的环境构成威胁（程国栋等，2006）。干旱半干旱区内陆河流域水分条件的变化不仅直接决定植被的生长状态，而且通过影响土壤中盐分和对热量的调节作用对植被产生间接的影响（周爱国等，2005），绿洲的分布与演化特征同样也受制于水分的空间分布格局及动态变化（程国栋等，2006;王根绪等，2002，2000，1999）。目前多数研究认为，中国内陆干旱区植被生态系统的退化与该区地下水资源的不合理开发密切相关。依靠地下水来维持生态结构和功能的生态系统称为依赖地下水的生态系统（groundwater dependent ecosystems，GDEs）（Bertrand etal.，2012）。干旱半干旱区内陆河流域地下水通常具有重要的维持植被生态系统的功能，主要原因有：①干旱半干旱区内陆河流域的降水资源主要集中在周边的高山区，而在盆地内部降水资源稀少，地下水是维系流域内植被生态系统的主要水源。②干旱半干旱区内陆河流域中地表水域面积占整个区域的比例较小，仅维持有限的水域生态系统，而地下水则呈面状分布，范围广、面积大，是维持区域植被生态系统的主要水源。③干旱半干旱区内陆河流域盆地区是第四系冲洪积物的堆积区，多具有巨厚层松散堆积物，形成了巨大的地下贮水空间，特别有利于地下水的忙存，也有利于地表水渗漏补给和地下水的侧向流动。因此，地下水具有良好的多年调节功能，受气候影响小，能常年保持稳定，更利于维持植被生态系统长期稳定的存在。④在内陆干旱区，地下水因上覆包气带的保护蒸发损失较小，主要以蒸腾作用的形式散失，对植被生态系统的有效性较高。⑤内陆干旱区的植物生态型以中生和旱生为主，能直接利用地表水的物种较少，地表水必须在转化成地下水或土壤水后才能被大多数植物吸收利用。而对干旱环境的长期适应使很多荒漠植物都具有发达的根系，许多乔木、灌木更是深根吸水物种，可从潜水面或毛细上升带内直接吸收利用地下水，这种生理习性使地下水具有更为重要的生态功能。
在干旱半干旱地区，由于降水稀少，水资源匮乏，生态环境通常十分脆弱，所以该地区湿地虽然相对较少，但在维持植被覆盖度、改善局部气候、防止荒漠化等方面的价值更为突出。然而，近几十年来的水资源过度利用导致西北干旱半干旱区湿地生态系统退化严重，对其展开保护和修复极为迫切。除拥有降解污染物、维护生物多样性等湿地功能外，西北干旱区内陆河流域的尾闾湖湿地还在阻挡风沙、防止荒漠化、调节局部气候等方面发挥着重要作用（盂阳阳等，2020;Jiang etal.，2019；周茂箐等，2018;孙广友，2000）。干旱区内陆河流域水资源量短缺，用水矛盾突出，不合理的水资源开发导致尾闾湖湿地萎缩甚至消亡（孟阳阳等，2020;王丽春等，2019;缑倩倩等，2015），地下水埋深增加导致依赖地下水生存的植被退化并*终引起湿地荒漠化（Antunes etal.，2018；Aeschbach-Hertigetal.，2012）。在这种情况下，湿地生态系统的修复成为国际社会保护湿地的一项重要选择。自然状态下的生态系统修复或逆转是一个长期的动态变化过程，在这样的背景下，有关政府部门选择通过人工干预的方式来加快生态系统的恢复。生态输水是保护和恢复干旱区内陆河流域天然植被生态系统的一种有效手段，被广泛采用，尤其是在我国西北干旱区塔里木河、黑河与石羊河等流域（Zhouetal.，2018；Baoetal.，2017；Zhuetal.，2014；陈亚宁等，2008）（图1-1）。例如，新疆塔里木河2001～2006年先后进行了8次生态应急输水（石丽等，2008），2000～2008年黑河向下游生态输水共计45.12亿m3（Chengetal.，2014）。
在干旱半干旱区，诸多区域植被生长直接或间接地依赖地下水，因此，目前关于生态输水对生态系统修复的影响研究主要集中在生态输水后地下水位上升导致的植被恢复方面（Huang etal.，2020a；Chenetal.，2010；陈亚宁等，2007，2004，2003；徐海量等，2004）。在塔里木河下游，Hao等（2010）研究表明，河岸荒漠森林植被适宜的地下水埋深为2～4m，埋深太浅引起植被根系缺氧或土壤盐溃化，埋深太大导致植被根系无法利用地下水。随着与生态输水河道距离的增大，地下水位与植被对生态输水的响应减弱（Liao etal.，2020），且响应关系受到输水管理方式和地形的影响（姜生秀等，2019;Hao etal.，2014；安红燕等，2013；吐尔逊 哈斯木等，2008；徐海量等，2007）。此外，植被对生态输水的响应还呈现出植被类型增加慢于植被生物量增加的特点（Zhao et al，2019；Xu etal.，2007）。生态输水对植被恢复并非只有益处，在石羊河流域尾闾湖湿地，地下水位因生态输水上升后，更强的土壤蒸发将地下水中的盐分带到上层土壤，使部分区域土壤盐分显著增加，对植被生长造成威胁（Zhangetal.，2019）。
为了宏观评估生态输水后植被的恢复情况，基于遥感影像计算的植被指数或植被覆盖度数据被广泛使用，多数研究主要通过对比生态输水前后研究区整体植被指数或植被覆盖度的大小来分析植被恢复情况（Huang etal.，2020b；Liao etal.，2020；王慧玲等，2020；Zhang etal.，2018）。这类研究虽然能判断研究区内植被是否得到恢复及整体的恢复情况，但是缺乏对植被恢复具体区域的提取及分析。获取植被恢复具体区域及其内部植被生长状况，能够更进一步分析植被恢复效果、探究植被恢复的影响因素。为了提取干旱区依赖地下水生存的植被恢复区域，遥感数据计算的归一化植被指数（normalized difference vegetation index，NDVI）与地下水埋深的负相关性提供了一条思路（Eamus etal.，2006）。基于此，Huang等（2020a）利用2010～2018年地下水埋深和NDVI数据成功提取了2018年石羊河流域尾闾湖湿地因生态输水而恢复的植被区域。但是，该方法需要较长时间序列的地下水埋深数据，且基本只能获得时间序列末年的植被恢复区域，因此该方法在水文数据缺乏地区的应用存在困难，且难以逐年获取植被的恢复区域。蔚亮等（2020）基于面向对象的湿地信息分层提取方法（朱长明等，2014），逐年提取了塔里木河下游湿地的植被恢复面积和水面面积，发现部分区域因生态输水形成永久性湖泊后，该区域内已恢复的植被又发生退化甚至消失。
通过生态输水方式维持流域下游湿地植被生态系统的方法已经得到肯定，并成为当今世界干旱区生态研究的重点。其中，*受关注的问题是如何在平衡社会经济用水的前提下，优化生态输水的季节、输水量及输水过程，以达到*佳的湿地生态修复效果。生态输水对湿地生态系统的作用机制则是解答这些问题的前提和核心。但从目前的实践来看，已有的生态输水方案大多基于经验来制订，缺少理论研究和科学支撑，主要原因是很少开展以湿地生态系统保护与恢复为约束的水资源调配研究，特别缺少在典型湿地或流域开展具有示范意义的系统性研究。
综上可知，生态输水可以有效恢复干旱区退化的植被，且之前学者为评估恢复效果提出了相应的研究方法。但是，已有研究多从现象学角度出发，存在如下不足：①侧重关注地下水埋深变化及其产生的环境效应，缺乏人类和自然环境共同作用下湿地生态系统与地下水系统的协同演化过程与机制方面的研究；②绝大多数研究仅从点尺度出发，未能系统性地给出影响湿地结构和生态功能的地下水关键参数及其安全界限计算的方法；③已有研究多呈现生态输水导致的生态效应，鲜有研究分析以湿地生态功能保护为约束的地下水调控技术体系。因此亟须开展相关的研究工作和研发相关的调控技术。
1.2地表水与地下水相互作用对生态系统的支撑作用
地表水与地下水存在着密切的联系和强烈的相互作用，对地表水的开发利用常常造成地下水生态功能的丧失。如某些大型引水工程造成引水区地下水补给量减少，依赖地下水的湿地生态系统萎缩，而受水区则可能因水位抬升而发生土壤盐溃化和地下水咸化，原有植物群落向盐生系列演替，造成生物多样性的丧失和生态服务功能的降低。地下水的利用同时影响其对地表水的排泄，也影响植被生态系统的徤康。
地下水对维持湿地生态系统的健康和稳定具有非常重要的意义。国际水文地质大会曾设置“地下水与湿地的相互影响”“湿地与地下水流”等议题，引起了众多学者对湿地-地下水相互作用问题的探讨。如何调控地下水系统与湿地之间的水文过程，维持湿地生态系统的健康和稳定已成为湿地学科的研究热点和前沿。地下水作为湿地水文系统的主要组成部分，通过与地表水之间的水量和溶质交换，在湿地生态系统的物质能量循环过程中发挥着重要作用，对维持湿地生态系统的健康和稳定至关重要（Havril et al.，2018;SchmalzetaL，2009；王磊等，2007）（图1-2）。Fan（2015）分析了美国东部的湿地分布与地下水埋深的关系，发现地下水埋藏浅的地区往往发育了大量湿地，说明地下水对支撑湿地的发育及演化有着重要的作用。在湿地生态系统中，地下水与地表水的相互作用会影响湿地内部主要无机离子、碳氮磷等营养元素及重金属离子等物质的转化（Boyer etal.，2018；Du etal.，2017；Zhou etal.，2014）。在某些干旱半干旱地区，地下水可能是湿地唯一的水源，因此地下水与地表水的交互作用就成为湿地形成、发展、退化乃至消亡的主控因素（Crosbieetal.，2009）。例如，地下水温度的相对稳定为湿地内底栖生物提供了较为适宜的生存环境（Houseetal.，2015），对湿地内水文地球化学和生物地球化学反应也有着一定的影响（Boultonetal.，2008）。由此可知，湿地的演化过程表面上对应着地表水文特征的改变，实质上可能是地下水与地表水交互作用的改变而导致的结果，因此有必要从水文地质的角度来探索该过程和机制（Orellanaetal.，2012），但以往对该方面的关注度仍然不够（Wuetal.，2020）。
植物作为第一生产力，对整个湿地生态系统的结构、功能和稳定性具有基础性作用。地下水对湿
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