克拉瑪依地區減排林地下水動態變化及合理生態水位分析

吳明輝，寧虎森，王讓會，吉小敏，閔首軍，趙福生

(1.南京信息工程大學環境科學與工程學院，江蘇南京210044;2.新疆林業科學研究院，新疆 烏魯木齊830002;3.新疆油田公司，新疆 克拉瑪依834000)

水資源已成為干旱區影響生態環境和經濟發展的主要因素之一。地下水是水資源的重要組成部分，其水資源量有限、補給速度慢、循環周期長[1]。在干旱區水資源的開發利用過程中，地下水占有非常重要的地位，與生態環境有密切的關系[2-3]。因此，研究干旱區地下水動態及其合理生態水位有很重要的現實意義。地下水動態是指在自然和人為因素下，地下水的水位、流量、水溫、化學成分和氣體成分含量等隨時間改變而發生的變化[4]。影響地下水動態變化的主要因素包括氣象、水文及人為因素[5-7]。氣象、水文因素主要包括降水、蒸發、水文等;人為因素主要包括人工開采、灌溉、水利工程等。二者對地下水水位的升降有直接的影響。在中國干旱區，降水稀少，地下水與植被生長有密切關系[8]，通過對地下水的監測和分析，可以掌握地下水動態變化的特征和規律，對地下水資源的開發管理具有重要意義。目前，我國地下水監測的主要方法是建立監測井，形成監測網。20世紀50年代，我國地下水水位監測就已經開始[9]，其中大的區域性監測網(如黃河流域或華北平原)主要是在20世紀70年代初建立的[10]，這些監測網的建立為后期相關的研究工作奠定了基礎。

地下水合理生態水位是指滿足生態環境要求、不造成生態環境惡化的地下水位[11]。地下水水位過深或過淺，都不利于植物的生長。地下水位過深，會導致土壤干旱，植物生長受到水分脅迫，發生荒漠化;地下水位過淺，會使土壤發生鹽漬化，植物生長受到鹽脅迫[12]。在中國干旱區，生態系統具備了脆弱生態系統的一切性質，對水土資源開發利用的干擾極為敏感[13]。因此，確定適宜的地下水水位，對地下水資源的合理開發利用具有重要意義。近年來，我國很多學者對干旱區地下水合理生態水位進行了研究。例如，郭占榮等人[14]利用平均土壤含水量與地下水埋深進行相關性分析，得出了西北內陸地區天然植被的合理地下水埋深;楊澤元等人[15]利用植被生長狀況與地下水埋深的關系，分析了陜北風沙灘地區的適宜地下水埋深;王化齊等人[16]，根據石羊河下游民勤綠洲的具體特點，提出了恢復生態適宜地下水位的措施等。

減少大氣中溫室氣體含量的一個重要方法就是增加碳的吸收，而森林是陸地生態系統中最大的碳庫，樹木可以通過光合作用把二氧化碳固定下來。實施植樹造林是減少二氧化碳排放、應對全球變化的有效途徑之一。克拉瑪依地區二氧化碳減排林一期工程的完成，對阻風滯沙、涵養水源、調節區域小氣候等具有重要作用，并對節能減排工作意義重大。

本研究在對克拉瑪依地區減排林區地下水水位及水質監測的基礎上，分析了克拉瑪依減排林區地下水動態變化，并利用減排林區植被的生長狀況與地下水埋深的關系，探討了減排林區地下水的合理生態水位，為減排林區地下水資源的管理利用以及對下一期造林工程的實施提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

減排林毗鄰克拉瑪依市農業開發區，位于準噶爾盆地西北邊緣的湖積平原，距離克拉瑪依市區約20 km ，面積6.67×103hm2，位于東經 84°57′1.8″—85°5′19.5″，北緯 45°23′15.24″—45°30′38.7″，最低海拔 258 m，最高海拔276 m，高差為18 m，屬典型的溫帶大陸性干旱荒漠氣候。氣候特點是寒暑差異懸殊，冬季嚴寒，年極端最低溫度可達-35.9℃，夏季高溫炎熱，年極端最高氣溫可達42.9℃，降水稀少而蒸發強烈，日照時間長。年降水量多年平均為105.3 mm，潛在蒸發量多年平均為3 545 mm。無霜期長，年平均為225 d。

研究區外土地利用類型以林地，居民區，荒地為主。研究區內土地利用類型主要為林地，減排林營造時間為2001年，樹種以俄羅斯楊(P.russkii Jabl.)、沙棗(Elaeagnusangustifolia L.)、檉柳(Tamarix spp.)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、新疆楊(Populus bolleana L.)、榆樹(Ulmus pumila)、駱駝刺(Alhagi sparsifolia)、梭梭(Haloxylon ammodendron)為主。

1.2 研究方法

在克拉瑪依農業開發區布設52眼地下水監測井[17]的基礎上，2009年8月，對減排林區內的18眼監測井進行了地下水位和水質的監測。根據監測結果，減排林區地下水埋深為0.85～17.90 m。同時，對減排林區地下水的水溶性鹽分進行了測試分析，項目包括電導率 ，礦化度，全鹽，HCO-3 ，K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，，pH 共 12 項指標，分析方法均采用常規分析法[18]。

利用研究區遙感影像，結合研究區自然地理本底特征，用便攜GPS定位儀定位，在減排林區每個監測井旁設置10 m×10 m標準樣地，在標準樣地內，選取1 m×1 m樣方，進行群落學調查。并調查標準樣地內植被的種類、數量、胸徑、高度、蓋度等[19]。通過對減排林地下水以及植被的調查取樣分析，研究生態水文與減排林內植被生長狀況的密切關系。

2 結果與分析

2.1 地下水動態變化

2.1.1 地下水水位變化特征 地下水按其埋藏條件主要可分為潛水和承壓水，潛水面距地面的距離稱為潛水埋藏深度，即地下水埋深。基于2009年減排林區內18眼地下水監測井對地下水水位的監測數據，通過IDM反距離權重法[20]進行插值，得到減排林地下水埋深等值線分布圖(圖1)。

從圖1中可以看出，減排林區地下水埋深出現了規律性分布，即靠近10#樣地，地下水埋深較小;靠近S20#樣地，地下水埋深較大。主要原因可能是由于10#樣地靠近克拉瑪依農業開發區，由于農業開發區長期的引水灌溉，導致該區域地下水埋深較小。S20#樣地靠近克拉瑪依市區(市區內可能由于地下水開采，導致地下水埋深變大)和荒漠植被區(干旱少水，地下水埋深較大)。因此，從10#樣地到S20#樣地，地下水埋深變大。從實地監測結果來看，減排林地下水埋深最小值出現在10#，為0.85 m;最大值出現在S20#，為17.90 m。

圖1 地下水埋深等值線分布圖

基于2005年8月和2009年8月克拉瑪依地區減排林地下水埋深的監測數據，選取監測井6眼(8#，9#，10#，15#，18#，20#)，分別比較了同一監測井在2005年 8月和 2009年 8月的地下水埋深(圖 2)。

根據圖2，減排林區地下水埋深2009年(平均值4.64 m)明顯小于2005年(平均值7.78 m)。主要原因是由于減排林靠近農業開發區，受農業開發區灌溉水的影響，減排林地下水埋深有變小趨勢。且減排林采取的是引水地面灌溉，除蒸發和植物利用外，大部分侵入地下，補給了淺層地下水，同時由于植被具有涵養水源的作用，因此，減排林區地下水埋深呈減小趨勢。從圖2中可以看出，減排林18#處地下水埋深變小的幅度最大，已由2005年的12.61 m變為2009年的4.69 m。主要原因是由于18#靠近荒漠植被區，開發前，由于受荒漠氣候的影響，其地下水埋深較大，開發后，由于受植被和灌溉水的影響，其地下水埋深變小幅度較大。由于15#處林區 95%以上有蟲害，屬嚴重蟲害林區，部分林木已被砍伐，且受動物擾動較大，減排林15#處地下水埋深有增大趨勢。

2.1.2 地下水理化性質變化特征 基于2005年8月和2009年8月對克拉瑪依地區減排林地下水水質的分析數據，選取監測井 5眼(9#，10#，15#，18#，20#)，比較了各監測井在2005年8月和2009年8月地下水的礦化度(圖3)。從圖3中可以看出，2009年減排林區地下水礦化度明顯低于2005年(已由2005年的22.67 g/L變為2009年的5.35 g/L)。其中，減排林15#處地下水礦化度值降為1.01g/L，已達到農用水標準[16](＜1.70 g/L)。減排林18#處礦化度下降的幅度最大，主要原因可能是18#處地下水埋深變小的幅度比較大(已由2005年8月的12.61 m變為2009年8月的4.69 m)。這說明在減排林區地下水埋深變淺的同時，地下水的礦化度也在變小，對植被的生長具有正效應。

圖2 2005年與2009年地下水埋深比較

根據2009年對減排林地下水水質的監測結果，10#，15#，18#，20#處地下水礦化度分別為 2.722，1.010，5.434和1.924 g/L，均已達到植被一般生長狀態的需求[21]。減排林 9#處地下水礦化度為15.676 g/L，主要原因是9#靠近荒漠植被區，地下水埋深較大(6.01 m)。

圖3 2005年與2009年地下水礦化度比較

基于對減排林地下水水質的分析結果，統計了減排林地下水理化性質特征(表1)。從表1中可以看出 ，地下水中的全鹽，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，的變異系數屬強變異性(變異系數小于10%屬于弱變異性，變異系數在10%～100%之間屬于中等變異性，變異系數大于100%屬于強變異性[17])。

地下水中Mg2+(147.02%)和Cl-(145.11%)的空間變異性最大，表明地下水中的Mg2+和Cl-的變化最明顯。其次是Na+(132.32%)和全鹽(128.27%)，再次是Ca2+(110.62%)和SO24-(110.00%)，表明其變化較為明顯。減排林 T15#處地下水中的Mg2+(3.02g/L)，Cl-(24.939g/L)以 及 全 鹽(52.695 g/L)含量均出現最大值，可能原因是地下水埋深較大(8.15 m)，礦化度(54.464 g/L)也較大，且其Na+含量為14.000 g/L，表明減排林地下水中陰陽離子具有明顯的耦合特征。

表1 地下水理化性質特征

2.2 合理生態水位分析

2.2.1 植被蓋度與地下水水位的關系 植被蓋度，是指植物群落的總體或個體地上部分的垂直投影面積與樣方面積之比的百分數[11]。植被蓋度是衡量植被長勢的一個重要指標，一般來說，植被蓋度大，表明植被生長處的地下水埋深適宜、植被長勢好;植被蓋度小，表明植被生長處的地下水埋深過大或過小，植被長勢差。

基于對克拉瑪依地區減排林14個樣地植被總蓋度的調查，建立減排林區植被總蓋度與地下水埋深的關系(表2)。從表中可以看出，在減排林區內，當地下水埋深在2.5～4.0 m范圍內時，樣方內植被的總蓋度平均值達到最大值(53.8%)，表明地下水埋深在此范圍內，植被的長勢較好。當地下水埋深小于2.5 m或大于4 m時，樣方內植被的總蓋度平均值均變小，主要原因是地下水埋深過小，植物的生長會受到鹽脅迫;地下水埋深過大，植物的生長會受到水分脅迫，二者都不利于植物的生長。平均蓋度為53.8%的4個樣方對應的地下水埋深分別為2.67，2.81，2.93，3.53 m;平均蓋度為47.5%的4個樣方對應的地下水埋深分別為 4.06，4.37，4.64，4.69 m。說明減排林在此地下水埋深范圍內，植被的長勢較好。

2.2.2 植被生長狀況與地下水埋深的關系 克拉瑪依減排林，降水稀少，其植被的生長狀況與地下水埋深密切相關。一般情況下，地下水埋深過淺，在蒸發作用下，溶解在地下水中的鹽分沿毛管上升水流在表土聚集，使土壤發生鹽漬化;地下水埋深過大，毛管上升水流不能到達植物根系層，使土壤干旱，發生荒漠化，二者均不利于植物生長[12]。

表2 地下水埋深與植被總蓋度關系

2009年8月，對減排林區內不同水埋深的植被生長狀況進行了系統的調查，包括植被的胸徑、蓋度、冠幅等。把林區內植被的生長狀況劃分為4個等級。長勢良好:植被長勢很好，枝繁葉茂，少數樣方植被有輕微蟲害;長勢較好:植被生長狀況較好，大多數樣方植被有輕微蟲害;長勢一般:植株稀疏，蟲害較嚴重;長勢差:植株稀疏，蟲害嚴重，葉子脫落嚴重。并總結了減排林區內4種主要代表性植物的生長狀況與地下水埋深的關系(表3)。

從表中可以看出，當地下水埋深小于2.3 m時，4種植物的長勢均一般，這與樊自立等人[12]的研究基本一致，即當地下水埋深小于2 m時，地表蒸發強烈、土壤積鹽量高，不利于植物生長。當地下水埋深在2.3～4.0 m范圍內時，4種植物均長勢偏好。當地下水埋深在4.0～6.0 m范圍內時，4種植物輕微蟲害，長勢較好。當地下水埋深在6.0～8.0 m范圍內時，地下水埋深較深，地下水難以被植物根系很好的利用，4種植物長勢一般。當地下水埋深在大于8.0 m時，地下水難以被植物根系吸收，4種植物均長勢很差，其植物植株稀少、蟲害嚴重、且葉子脫落嚴重。

從表2—3對減排林地下水埋深與植物生長狀況關系的分析結果可以看出，克拉瑪依減排林地下水合理生態水位為2.5～5.0 m。

表3 主要植被生長狀況與地下水埋深的關系

3 結論

(1)減排林地下水埋深出現了規律性分布，從10#樣地到S20#樣地，地下水埋深變大。與2005年相比，2009年減排林區地下水的水位和礦化度呈減小趨勢。

(2)減排林地下水中的全鹽，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-的變異系數屬強變異性，空間變化最明顯;HCO-3和K+屬中等變異性，且地下水中K+含量缺乏;地下水的pH值屬于弱變異性。

(3)通過建立減排林區主要植被的長勢與地下水埋深關系可以得出，克拉瑪依減排林地下水合理生態水位為2.5～5.0 m。

致謝 本研究的相關工作得到了張慧芝高級工程師、古麗尼莎高級工程師、徐德福副教授和李琪、郭靖、孔維財、呂妍、左成華等同志的幫助，在此表示衷心的感謝。

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