張掖濕地土壤-地下水環(huán)境對天然植被生態(tài)系統(tǒng)的影響

楊 祎，武婭娟，田寬娟，汪佳佳，李 哲，王嘉琦，鄧浩亮

(河西學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅 張掖 734000)

中國西北地區(qū)深居內(nèi)陸，面積廣茂，西北干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱，天然植被系統(tǒng)是生態(tài)地質(zhì)環(huán)境好壞最直觀的反映。以張掖濕地為研究區(qū)，其地處河西走廊中段，是我國典型的內(nèi)陸干旱地區(qū)，年平均降水量僅130mm左右，氣候干燥，降雨量少，蒸發(fā)強烈。由于依賴地下水源，生態(tài)環(huán)境問題日益加劇，地表水資源減少，天然植被系統(tǒng)破壞，嚴(yán)重影響了植被生態(tài)平衡，濕地生態(tài)系統(tǒng)的退化已不能滿足可持續(xù)發(fā)展的需求。本文旨在通過研究張掖濕地土壤-地下水對天然植被生態(tài)系統(tǒng)的影響，分析淺地表層內(nèi)的土壤有機質(zhì)、含鹽量、含水量和地下水埋深特征，以及地下水與植被生長環(huán)境之間的關(guān)系，以期為張掖濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)、植被修復(fù)等提供研究依據(jù)。

由于植被退化，地下水開發(fā)所引起的環(huán)境問題使部分植被失去了生態(tài)功能，特別是在降水稀少的干旱地區(qū)。國外對于干旱地區(qū)的研究主要集中在植被對于地下水的利用、植被生長和水位之間的關(guān)系、地下水壞境的作用等方面，澳大利亞科研人員成功地應(yīng)用地下水水位的變化觀測植物的不同分布特征，并用生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化預(yù)測地下水位的變化；加利福尼亞學(xué)者研究了植被對水文、植被覆蓋度和地下水之間的關(guān)系。國內(nèi)早期的研究主要集中在植被隨地下水位埋深的不同分布，僅數(shù)十年的時間取得可觀成果。隨著科技的不斷發(fā)展，植被生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步被人們重視，干旱半干旱地區(qū)地下水環(huán)境和植被生態(tài)系統(tǒng)成為研究重點。李瑛等[1]以蘇貝淖流域為例，分析了植被生長狀態(tài)、吸水深度等因素與地下水埋深之間的關(guān)系；王威等[2]以鄂爾多斯烏蘭淖地區(qū)為例，研究了植被生態(tài)適宜地下水位；李亮等[3]以敦煌盆地為例，從多個角度研究了土壤-地下水生態(tài)系統(tǒng)對天然植被長勢、分布特征的影響。本文以張掖濕地為依托地，研究地下水位不同埋深對土壤有機質(zhì)和植被生長發(fā)育的影響，同時利用遙感技術(shù)深入分析土壤地下水壞境對天然植被生態(tài)系統(tǒng)的影響。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)范圍

張掖濕地位于青藏高原和蒙古高原交匯的河西走廊中段，北依龍首山，南鄰祁連山，西連黑河流域西岸，東接武威地區(qū)。流域總面積約2513.48km2。張掖盆地總體地勢南北高、中間低，呈帶狀，向西北方向傾斜，地貌類型主要以河谷平原為主。

1.2 氣象水文

研究區(qū)氣候?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶詺夂?，四季變化明顯，日照充足，晝夜溫差較大，降雨量少，多集中在6—9月，蒸發(fā)強烈，年蒸發(fā)量大于2000mm。該地區(qū)常年干旱，多西北風(fēng)。濕地主要由四大水系構(gòu)成，分別是黑河、阿薛渠系、東泉渠系和庚名渠系。區(qū)內(nèi)地表徑流主要來源于黑河，3—5月農(nóng)業(yè)用水進(jìn)入高峰，河流進(jìn)入枯水期，黑河下泄量減少，7—9月降雨增多，出現(xiàn)夏汛，隨著季節(jié)變換，降雨量減少，黑河水量出現(xiàn)最低值，降雨為地下水的主要補給方式。

1.3 地質(zhì)-水文地質(zhì)條件

地層與構(gòu)造：研究區(qū)位于張掖盆地，盆地幾何形態(tài)大致呈菱形，與南北山地呈斷層接觸，地層由老到新如下，前古生界、古生界、中生界、新生界[4]。

水文地質(zhì)條件：地下水從山前平原得到降水，又收到山口區(qū)的河水入滲補給，最后到細(xì)土平原的徑流排泄區(qū)，形成了一個完好的地質(zhì)水文單元，第四系含水層厚度大，分選性較好，含水層富水性強，地下水徑流條件好[5]。

植被生態(tài)現(xiàn)狀：根據(jù)研究區(qū)的植被生長與分布，以及植物群落的生長節(jié)點，區(qū)內(nèi)的植被類型主要為溫帶荒漠植被，分為4個類型，即灌叢、闊葉林、草叢和淺水植物濕地。

2 生態(tài)研究方法與種群調(diào)查

2.1 植被生態(tài)研究方法

本研究選擇了線路調(diào)查和樣方法調(diào)查相互結(jié)合的方法，對幾個樣地進(jìn)行了多次取樣調(diào)查。

2.1.1線路調(diào)查

為了更加精準(zhǔn)地認(rèn)識區(qū)內(nèi)的植被結(jié)構(gòu)與覆蓋范圍，在各個植物生長節(jié)點期間，圍繞研究區(qū)四周設(shè)計長度約40km的線路展開調(diào)查。

2.1.2樣方法調(diào)查

通過調(diào)查研究，區(qū)內(nèi)植被分布與地面形態(tài)密不可分，在相差較大的地貌區(qū)使用樣方法調(diào)查，調(diào)查樣方分為大樣方和小樣方，規(guī)格分別為100m×100m，10m×10m，先確定大樣方的地理位置，隨后在大樣方區(qū)內(nèi)設(shè)置5個大小相同小樣方，研究區(qū)邊緣處不計入，共設(shè)計10個調(diào)查點。

2.2 植被種群及分布特征

主要植被種群：整個濕地區(qū)域規(guī)劃面積為4200hm2，規(guī)劃區(qū)域存在20m的自然落差，區(qū)域內(nèi)水源豐富，植物密布，動植物呈現(xiàn)多樣性。在規(guī)劃區(qū)分布較多的植被有蘆葦、菖蒲、沙棗、苔草、沙蒿、紅柳等。

2.2.1蘆葦種群

典型的長根莖型無性系植物，分為濕生蘆葦和鹽生蘆葦，蘆葦可以耐受不同程度的水鹽迫害，一般情況下，蘆葦?shù)纳L水域為0～50cm，水深不同，蘆葦?shù)纳L及形態(tài)特征也會受到影響，蘆葦種群對溫度、富營養(yǎng)化、干旱、洪澇、鹽漬等有一定的影響。

2.2.2菖蒲種群

菖蒲是多年生的草本植物，根基較粗，花期為2—9月，花瓣呈黃綠色，花香四溢。菖蒲多生長在河灘、沼澤、濕地，氣溫低于10℃就會停止生長，受土壤水分以及光照的影響，在中藥方面具有一定用途。

2.2.3沙棗種群

沙棗具抗旱、耐鹽、抗寒、防風(fēng)的特性，是落葉灌木和小喬木。常生長在低洼潮濕和戈壁沙灘，沙棗樹高約5～12m，花期在5—6月，它是一種固氮鹽土植物。沙棗需適應(yīng)不同的自然環(huán)境，其旱生理特征也在逐漸進(jìn)化，進(jìn)行“適者生存”的優(yōu)先選擇。

2.2.4紅柳種群

紅柳樹高約1.3～8m，葉長0.5～2mm，花粉多呈紅色或紫色，苞片呈卵圓狀披針形，蒴果多呈三角狀圓錐形，紅柳在夏季開花時觀賞價值較高，可以利用紅柳進(jìn)行道路綠化，還可以被用于制作農(nóng)具和工藝品，也可以當(dāng)作飼料進(jìn)行使用。紅柳的主要特性有耐寒、耐高溫、耐鹽堿及耐風(fēng)蝕，大多分布于干旱與半干旱地帶，由于各種物理和化學(xué)風(fēng)化作用產(chǎn)生的地表松散顆粒物在經(jīng)歷較長時間的釋放后，紅柳會受到風(fēng)沙的侵蝕，而經(jīng)過侵蝕的紅柳依舊保持其旺盛的生命力，由此可見紅柳具有很好的抗風(fēng)沙沖蝕性[6]。

2.2.5沙蒿種群

沙蒿是菊科蒿數(shù)植物，株高0.3～0.7m，多生長在河灘、草原、荒地，花期在8—10月，沙蒿的種子很小，種植前必須把土地整理好，在物種形成時，物種多樣性慢慢體現(xiàn)出來，植物的高度和蓋度緩慢增加，豐富度指數(shù)表現(xiàn)出先上升后下降的情況，沙蒿種群不斷大增多[7]。

2.2.6苔草種群

苔草為多年生草本植物，具有生長好、繁殖能力強、生命力強等特點，在生態(tài)恢復(fù)、園林藝術(shù)、畜牧業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮著越來越重要的作用。苔草是一種可控擴散葉型草種，其莖最高達(dá)1m，苔草可以對同一個個體的雌蕊進(jìn)行授粉，其花粉傳播速度非?？欤@也是它擴展能力強的主要因素[8]。

植被種群分布特征：在研究區(qū)蘆葦、紅柳、沙蒿的分布最廣，蘆葦分布于研究區(qū)近一半的地區(qū)，紅柳多分布在沙土較厚地區(qū)，沙蒿多分布在邊緣狹長地帶。

2.3 植被蓋度分布特征

將研究植被蓋度分為4個區(qū)域。第一區(qū)，植被覆蓋度高，長勢較快，覆蓋率60%～80%，主要是分布在濕地周邊的蘆葦種群。第二區(qū)，植被分布較密集，覆蓋度30%～60%，主要分布在濕地北部的菖蒲和紅柳種群。第三區(qū)，植被分布較稀疏，覆蓋率10%～30%，主要分布在沙區(qū)較多的沙棗種群和生長在研究區(qū)周邊灘地上苔草種群。第四區(qū)，植被分布稀疏，覆蓋率小于5%。

2.4 優(yōu)勢植被種群的確定

研究優(yōu)勢植被，旨在選擇代表性植被，從而進(jìn)行地下水與植被關(guān)系的研究，在此研究中，因蘆葦、菖蒲及紅柳覆蓋面積多，其覆蓋率大，因此將蘆葦、菖蒲及紅柳定為優(yōu)勢物種。

3 植被生態(tài)系統(tǒng)與地下水關(guān)系研究

在此研究區(qū)內(nèi)，主要植被為野生型植被，植物生長一般受濕度、氣候影響。其中氣候變化既有自然因素，也有人為因素，自然的內(nèi)部進(jìn)程會引起氣候變化，人為因素包括溫室效應(yīng)的增強，化石燃料燃燒等。濕度一般受到降雨和地下水的影響，而對于處在干旱區(qū)的張掖來說，其蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量，其降雨量對濕度影響微乎其微，因此，在此研究區(qū)內(nèi)，濕度主要受地下水影響。

3.1 植被生態(tài)與地下水位埋深關(guān)系

3.1.1植被種群與地下水位埋深

研究區(qū)內(nèi)，植被種群主要有蘆葦、苔草、苜蓿、紅柳、沙蒿等。因濕度逐漸降低，植被種群大致表現(xiàn)為由草本向旱生植物過渡。

(1)蘆草、苔草帶

地下水埋深小于0.5m，地表水周圍多為寸草型植物，從里到外逐漸出現(xiàn)蘆葦、苔蘚等草本植物，在該地段內(nèi)，主要植被種群為水生植物。

(2)苜蓿、堿草帶

地下水埋深約0.5～2.0m，該地段中蘆葦依舊存在，但以苜蓿為主。

(3)沙蒿、紅柳帶

地下水埋深大于1.5m，其大都成群生長，以紅柳為主。

以上3種植被分帶存在于灘地邊緣，在灘地中隆起的地方也存在，植被與地下水關(guān)系密切體現(xiàn)在隨著地下水埋深由小到大，植被由水生到旱生過渡。通過分析，地下水位埋深范圍在1.5～2.0m內(nèi)適合旱生植被生長，地下水位埋深在1.0～1.5m內(nèi)適合水生植被生長。

3.1.2植被覆蓋與地下水位埋深關(guān)系

(1)沙蒿

沙蒿在不同地下水埋深內(nèi)均有分布，說明地下水位埋深并不是決定沙蒿覆蓋度的主要因素，這也說明旱生沙蒿生長與地下水無直接關(guān)系。

(2)紅柳

在地下水位達(dá)2m時紅柳覆蓋度達(dá)到最大，而后伴隨著水位埋深的增大，紅柳的覆蓋度逐漸降低。

經(jīng)研究，沙蒿在研究區(qū)內(nèi)分布較廣，地下水位埋深并不能直接影響沙蒿生長，這也說明植被總覆蓋度與地下水埋深關(guān)系不密切。

3.1.3植物生長狀態(tài)與地下水埋深關(guān)系

取不同段內(nèi)的地下水位，探究其優(yōu)勢植被的生長指標(biāo)，其中包括沙蒿的冠幅、冠高、新枝長度及其種群覆蓋度占植被總覆蓋度的比例，紅柳的樹高，莖粗等，以此來推測地下水埋深和植被生長狀態(tài)的關(guān)系。

(1)紅柳

地下水埋深為1.5～5m時，紅柳長勢良好。其各項生長指標(biāo)隨地下水位埋深的增加而逐漸降低。

(2)沙蒿

當(dāng)?shù)叵滤裆顬?.5～5m時，沙蒿的平均冠幅達(dá)1.5m，具有0.9m的平均冠高。沙蒿植被覆蓋度差不多達(dá)到總植被覆蓋度的97%，且生長良好。當(dāng)?shù)叵滤怀^5m時，其生長指標(biāo)有所下降。經(jīng)分析，沙蒿的長勢因地下水位埋深的不同而生長各異，地下水位的加深使沙蒿冠幅和冠高下降。

(3)蘆葦

在地下水位深度為0.5m左右時，其水分條件達(dá)到最優(yōu)，將0.5m定為適宜水深，在此水深條件中，蘆葦種群完成水分代謝，長勢良好，其后，隨著地下水埋深的增加，蘆葦?shù)纳L受到一定的影響。

3.2 植被生態(tài)與包氣帶含水量關(guān)系

包氣帶是指地面以下及潛水面以上的部分，在包氣帶內(nèi)，土和巖石的空隙中包含有空氣，其空隙中部分被水充滿，其中大氣降雨和地下水是土壤包氣帶的主要水分來源。

植物生長狀態(tài)與包氣帶含水量的關(guān)系：土壤包氣帶含水量將會影響植被的生長發(fā)育，地下水埋深較深時，植物的長勢、群落分布隨水分條件的變優(yōu)而更具優(yōu)勢，植物長勢越好，植被單位面積增大，植物需水量也越高。

3.3 植被吸水深度與地下水埋深的關(guān)系

當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮谥脖晃疃葧r，植被可以正常生長，當(dāng)植被吸水深度小于地下水埋深時，植被生長受到影響，因此地下水埋深與植被吸水深度關(guān)系密切。

4 植被生態(tài)脆弱性評價結(jié)果分析

4.1 植被生態(tài)脆弱性評價

通過對張掖地區(qū)植被生態(tài)脆弱性的分析與歸類，得出結(jié)果如下：

植被生態(tài)低脆弱區(qū)：主要分布于張掖黑河山前的平原地區(qū)，地下水埋深多年平均為35m，包氣帶含水率較大，土壤主要為細(xì)粉砂質(zhì)，地表植物主要有沙蒿等旱生植物，植被生長與地下水埋深相關(guān)性不突出，受降雨等的影響較大[9]。

植被生態(tài)較為脆弱區(qū)：主要分布于張掖山丹縣附近洪積平原區(qū)，地下水多年平均埋深約20m，土壤主要由卵砂礫石與粗砂等組成，包氣帶含水率較低，植被生長對地下水的依賴程度較弱，地表植被長勢一般，以旱生灌木為主，地下水位下降對植物群落演替影響不明顯。

植被生態(tài)關(guān)系脆弱區(qū)：主要分布于張掖甘州區(qū)濕地地區(qū)，此處地下水位埋深小于5m，土壤類型主要有草甸土、沼澤土等。受地下水礦化以及土壤鹽漬化的影響，植物分布種類少，地下水埋深與植被生長關(guān)系較為密切，植被類型以草甸植被與灌叢植被為主[10]。

4.2 植被演替規(guī)律及預(yù)測

近年來，張掖地區(qū)地下水在水資源利用比重上逐漸上升，長期以來，由于不合理的開發(fā)利用，已經(jīng)引起研究地區(qū)地下水位下降等一系列問題，故有必要對該地區(qū)地下水開采情況下的植被群落演替規(guī)律進(jìn)行預(yù)測。

影響植被群落演替的因素較多，主要有氣象水文、地理位置、土壤類型及地下水埋深等，就研究區(qū)而言，主要因素可歸結(jié)為土壤含鹽量與地下水埋深。研究區(qū)普遍呈土壤鹽堿化現(xiàn)象，所以植被群落演替主要歸結(jié)為地下水位埋深。通過搜集相關(guān)資料得出不同地下水埋深對應(yīng)的優(yōu)勢植被群落有：地下水位小于1m時，主要為蘆葦?shù)雀鞣N水生植物；地下水位約1～2m時，苔草等中生植物為優(yōu)勢種群；地下水位約3～5m時，沙棗長勢良好；地下水位在3m以上時，沙蒿長勢良好；地下水位在5～10m時，主要為紅柳、旱柳等植物。隨著地下水的開發(fā)利用，地下水埋深深度不斷下降，進(jìn)而影響了植被生長環(huán)境，對植被群落的演替也產(chǎn)生了較大影響，導(dǎo)致原來的優(yōu)勢種群生長不良，發(fā)生植被群落演替。因此根據(jù)地下水位下降程度以及優(yōu)勢植物種群的生長特征，可對植被演替規(guī)律進(jìn)行預(yù)測。

4.3 基于植被生態(tài)的地下水合理開發(fā)利用與建議

通過分析地下水埋深與植被群落演替的關(guān)系以及對植被群落演替關(guān)系進(jìn)行預(yù)測可得出，張掖地區(qū)植被生態(tài)環(huán)境較脆弱，地下水埋深對植被生態(tài)環(huán)境以及植被群分布起至關(guān)重要作用，所以開采地下水時應(yīng)綜合考慮植被生態(tài)環(huán)境，兼顧經(jīng)濟效益，可持續(xù)發(fā)展地下水資源，建議如下：

(1)開采地下水時應(yīng)控制開采強度，規(guī)劃合理開采，避免對植被生態(tài)環(huán)境造成較大影響。

(2)濕地生態(tài)環(huán)境較為脆弱，開采時應(yīng)時刻監(jiān)測濕地地下水位變化，保護(hù)植被多樣性。

(3)維護(hù)地表水生態(tài)系統(tǒng)，避免對水域造成污染。

5 結(jié)論

本文對張掖濕地地下水與植被生態(tài)關(guān)系、植被群落演替規(guī)律的預(yù)測以及生態(tài)脆弱性評價發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)部分水生植物(如苔草等)的生長狀況與地下水埋深關(guān)系密切，而旱生植物(如沙蒿等)與地下水埋深密切度不顯著。整個研究區(qū)內(nèi)植被整體覆蓋度良好，優(yōu)勢種群為沙蒿、沙柳、紅柳種群等，但地下水水位埋深并非影響植被總覆蓋度的主要因素。然而，本研究只對地下水與植被生態(tài)關(guān)系進(jìn)行了分析研究，而氣候因素、水質(zhì)環(huán)境等對植被生態(tài)的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。