張掖濕地土壤-地下水環境對天然植被生態系統的影響

楊 祎，武婭娟，田寬娟，汪佳佳，李 哲，王嘉琦，鄧浩亮

(河西學院土木工程學院，甘肅 張掖 734000)

中國西北地區深居內陸，面積廣茂，西北干旱地區生態系統脆弱，天然植被系統是生態地質環境好壞最直觀的反映。以張掖濕地為研究區，其地處河西走廊中段，是我國典型的內陸干旱地區，年平均降水量僅130mm左右，氣候干燥，降雨量少，蒸發強烈。由于依賴地下水源，生態環境問題日益加劇，地表水資源減少，天然植被系統破壞，嚴重影響了植被生態平衡，濕地生態系統的退化已不能滿足可持續發展的需求。本文旨在通過研究張掖濕地土壤-地下水對天然植被生態系統的影響，分析淺地表層內的土壤有機質、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境之間的關系，以期為張掖濕地生態環境保護、植被修復等提供研究依據。

由于植被退化，地下水開發所引起的環境問題使部分植被失去了生態功能，特別是在降水稀少的干旱地區。國外對于干旱地區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系、地下水壞境的作用等方面，澳大利亞科研人員成功地應用地下水水位的變化觀測植物的不同分布特征，并用生態系統結構的變化預測地下水位的變化；加利福尼亞學者研究了植被對水文、植被覆蓋度和地下水之間的關系。國內早期的研究主要集中在植被隨地下水位埋深的不同分布，僅數十年的時間取得可觀成果。隨著科技的不斷發展，植被生態環境進一步被人們重視，干旱半干旱地區地下水環境和植被生態系統成為研究重點。李瑛等[1]以蘇貝淖流域為例，分析了植被生長狀態、吸水深度等因素與地下水埋深之間的關系；王威等[2]以鄂爾多斯烏蘭淖地區為例，研究了植被生態適宜地下水位；李亮等[3]以敦煌盆地為例，從多個角度研究了土壤-地下水生態系統對天然植被長勢、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和植被生長發育的影響，同時利用遙感技術深入分析土壤地下水壞境對天然植被生態系統的影響。

1 研究區概況

1.1 研究區范圍

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。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

研究區氣候屬于典型的溫帶大陸性氣候，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，蒸發強烈，年蒸發量大于2000mm。該地區常年干旱，多西北風。濕地主要由四大水系構成，分別是黑河、阿薛渠系、東泉渠系和庚名渠系。區內地表徑流主要來源于黑河，3—5月農業用水進入高峰，河流進入枯水期，黑河下泄量減少，7—9月降雨增多，出現夏汛，隨著季節變換，降雨量減少，黑河水量出現最低值，降雨為地下水的主要補給方式。

1.3 地質-水文地質條件

地層與構造：研究區位于張掖盆地，盆地幾何形態大致呈菱形，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]。

水文地質條件：地下水從山前平原得到降水，又收到山口區的河水入滲補給，最后到細土平原的徑流排泄區，形成了一個完好的地質水文單元，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]。

植被生態現狀：根據研究區的植被生長與分布，以及植物群落的生長節點，區內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 生態研究方法與種群調查

2.1 植被生態研究方法

本研究選擇了線路調查和樣方法調查相互結合的方法，對幾個樣地進行了多次取樣調查。

2.1.1線路調查

為了更加精準地認識區內的植被結構與覆蓋范圍，在各個植物生長節點期間，圍繞研究區四周設計長度約40km的線路展開調查。

2.1.2樣方法調查

通過調查研究，區內植被分布與地面形態密不可分，在相差較大的地貌區使用樣方法調查，調查樣方分為大樣方和小樣方，規格分別為100m×100m，10m×10m，先確定大樣方的地理位置，隨后在大樣方區內設置5個大小相同小樣方，研究區邊緣處不計入，共設計10個調查點。

2.2 植被種群及分布特征

主要植被種群：整個濕地區域規劃面積為4200hm2，規劃區域存在20m的自然落差，區域內水源豐富，植物密布，動植物呈現多樣性。在規劃區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，蘆葦的生長水域為0～50cm，水深不同，蘆葦的生長及形態特征也會受到影響，蘆葦種群對溫度、富營養化、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。沙棗需適應不同的自然環境，其旱生理特征也在逐漸進化，進行“適者生存”的優先選擇。

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，可以利用紅柳進行道路綠化，還可以被用于制作農具和工藝品，也可以當作飼料進行使用。紅柳的主要特性有耐寒、耐高溫、耐鹽堿及耐風蝕，大多分布于干旱與半干旱地帶，由于各種物理和化學風化作用產生的地表松散顆粒物在經歷較長時間的釋放后，紅柳會受到風沙的侵蝕，而經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沙沖蝕性[6]。

2.2.5沙蒿種群

沙蒿是菊科蒿數植物，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出來，植物的高度和蓋度緩慢增加，豐富度指數表現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，在生態恢復、園林藝術、畜牧業發展方面發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1m，苔草可以對同一個個體的雌蕊進行授粉，其花粉傳播速度非常快，這也是它擴展能力強的主要因素[8]。

植被種群分布特征：在研究區蘆葦、紅柳、沙蒿的分布最廣，蘆葦分布于研究區近一半的地區，紅柳多分布在沙土較厚地區，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個區域。第一區，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，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，植被分布較稀疏，覆蓋率10%～30%，主要分布在沙區較多的沙棗種群和生長在研究區周邊灘地上苔草種群。第四區，植被分布稀疏，覆蓋率小于5%。

2.4 優勢植被種群的確定

研究優勢植被，旨在選擇代表性植被，從而進行地下水與植被關系的研究，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、菖蒲及紅柳定為優勢物種。

3 植被生態系統與地下水關系研究

在此研究區內，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，自然的內部進程會引起氣候變化，人為因素包括溫室效應的增強，化石燃料燃燒等。濕度一般受到降雨和地下水的影響，而對于處在干旱區的張掖來說，其蒸發量遠遠大于降雨量，其降雨量對濕度影響微乎其微，因此，在此研究區內，濕度主要受地下水影響。

3.1 植被生態與地下水位埋深關系

3.1.1植被種群與地下水位埋深

研究區內，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，從里到外逐漸出現蘆葦、苔蘚等草本植物，在該地段內，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，植被與地下水關系密切體現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內適合旱生植被生長，地下水位埋深在1.0～1.5m內適合水生植被生長。

3.1.2植被覆蓋與地下水位埋深關系

(1)沙蒿

沙蒿在不同地下水埋深內均有分布，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系。

(2)紅柳

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

經研究，沙蒿在研究區內分布較廣，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系不密切。

3.1.3植物生長狀態與地下水埋深關系

取不同段內的地下水位，探究其優勢植被的生長指標，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的關系。

(1)紅柳

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

(2)沙蒿

當地下水埋深為0.5～5m時，沙蒿的平均冠幅達1.5m，具有0.9m的平均冠高。沙蒿植被覆蓋度差不多達到總植被覆蓋度的97%，且生長良好。當地下水位超過5m時，其生長指標有所下降。經分析，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，其水分條件達到最優，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，蘆葦的生長受到一定的影響。

3.2 植被生態與包氣帶含水量關系

包氣帶是指地面以下及潛水面以上的部分，在包氣帶內，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。

植物生長狀態與包氣帶含水量的關系：土壤包氣帶含水量將會影響植被的生長發育，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而更具優勢，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系

當地下水埋深小于植被吸水深度時，植被可以正常生長，當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系密切。

4 植被生態脆弱性評價結果分析

4.1 植被生態脆弱性評價

通過對張掖地區植被生態脆弱性的分析與歸類，得出結果如下：

植被生態低脆弱區：主要分布于張掖黑河山前的平原地區，地下水埋深多年平均為35m，包氣帶含水率較大，土壤主要為細粉砂質，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性不突出，受降雨等的影響較大[9]。

植被生態較為脆弱區：主要分布于張掖山丹縣附近洪積平原區，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。

植被生態關系脆弱區：主要分布于張掖甘州區濕地地區，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 植被演替規律及預測

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

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，就研究區而言，主要因素可歸結為土壤含鹽量與地下水埋深。研究區普遍呈土壤鹽堿化現象，所以植被群落演替主要歸結為地下水位埋深。通過搜集相關資料得出不同地下水埋深對應的優勢植被群落有：地下水位小于1m時，主要為蘆葦等各種水生植物；地下水位約1～2m時，苔草等中生植物為優勢種群；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。隨著地下水的開發利用，地下水埋深深度不斷下降，進而影響了植被生長環境，對植被群落的演替也產生了較大影響，導致原來的優勢種群生長不良，發生植被群落演替。因此根據地下水位下降程度以及優勢植物種群的生長特征，可對植被演替規律進行預測。

4.3 基于植被生態的地下水合理開發利用與建議

通過分析地下水埋深與植被群落演替的關系以及對植被群落演替關系進行預測可得出，張掖地區植被生態環境較脆弱，地下水埋深對植被生態環境以及植被群分布起至關重要作用，所以開采地下水時應綜合考慮植被生態環境，兼顧經濟效益，可持續發展地下水資源，建議如下：

(1)開采地下水時應控制開采強度，規劃合理開采，避免對植被生態環境造成較大影響。

(2)濕地生態環境較為脆弱，開采時應時刻監測濕地地下水位變化，保護植被多樣性。

(3)維護地表水生態系統，避免對水域造成污染。

5 結論

本文對張掖濕地地下水與植被生態關系、植被群落演替規律的預測以及生態脆弱性評價發現，研究區內部分水生植物(如苔草等)的生長狀況與地下水埋深關系密切，而旱生植物(如沙蒿等)與地下水埋深密切度不顯著。整個研究區內植被整體覆蓋度良好，優勢種群為沙蒿、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關系進行了分析研究，而氣候因素、水質環境等對植被生態的關系還有待進一步研究。