新疆渭干河下游植被与地下水埋深关系

吴新越 王 颖 崔文洁 刘加珍

(1.西南大学资源环境学院，重庆400700；2.聊城大学地理与环境学院，山东 聊城252000）

0 引言

在干旱区，抑制荒漠化与维持生物多样性方面，植被起着重要作用，而地下水是该区域维持天然植被生存所需的重要水源[1]。所以说，生长在干旱荒漠区的植被与该区域地下水有着紧密的联系，地下水的细微变化也会对植被的生长或状态产生很大的影响[2，3]。在塔里木河下游,河道来水是该区域的主要水源，随着来水量的减少，地下水将是影响该地区群落结构、组成及物种多样性的主要环境因素[4，5]，因此，该区域荒漠植被常常伴河而存。例如，塔里木盆地南部的克里雅河下游，河道断流，情况不断恶化最终导致流域周围的生物多样性大幅下降[6]。

渭干河是塔里木河的重要支流之一，位于天山南麓，塔里木盆地北部，塔克拉玛干沙漠北缘，是天山南坡仅次于阿克苏、开都二河的第三大河[7]。该流域上游木扎提河汇纳多个支流形成渭干河三角洲，因具有重要的生态研究价值而引起科学界的关注[8-10]。近年来，该区域绿洲的耕地及盐碱地面积不断增加[8]，加之人工绿洲的扩张，导致了天然河道的断流、水系的消失及天然绿洲体系的萎缩[9]，生态环境变得更加脆弱[10]。目前，关于渭干河流域的研究主要集中于生态环境评价[10，11]以及流域区内人类活动对土地利用的影响[12-14]，而地下水的研究多集中于地下水水文特征[15]及形成机制[16]，有关该流域天然植被与地下水之间的关系的研究尚不多见。故本文以渭干河流域地下水位与植被的关系为研究重点，分析该流域地下水对植被盖度、物种多样性的影响，以期为渭干河流域生态保护与恢复提供理论依据。

1 样地布设与研究方法

1.1 监测断面与样地布设

在渭干河下游，顺河道设置了10眼地下水位自动观测井（分别以WG1～WG10命名），采样自动监测仪器监测地下水埋深变化。于2019年7～8月，在监测井位周围布设调查样地，样地的选择以代表性样地选择为原则，所选样地能兼顾河段群落类型，反映出该河段的主要植被类型。样地布设的大小，采样方式与采样指标见参考文献[17]。同时记录每个样地与监测井的海拔高度、经纬度。样地资料统计表明，渭干河下游样地出现17种植物，分别属于17属，9科，其中，藜科物种最多，以盐节木、盐爪爪等真盐生植物为代表。

1.2 分析方法

1.2.1 多样性指数

本论文采用的多样性测定公式如下[18]：

以上公式中，S代表物种数；N代表全部物种个体数；Pi表示第i个种的信息占全部信息的比例[18]，本文信息采用的重要值；这里的Hm为样本中Shannon-Wiener的最大值。

1.2.2 灰色关联度

灰色关联度分析法是根据数据序列的几何曲似度判断变量间联系密切程度的一种方法。计算公式如下[19]：

各比较序列对母序列的关联度的计算公式如下[19]：

其中，ξ0i为灰色关联度；X′0（k）为灰色系统的母序列；X′i（k）为比较序列；系数ρ取0.5；k取值为1～N。

1.2.3 β多样性指数

β多样性表征沿某一环境梯度上所发生的种的多样性变化的速率和范围[18]。这一值能直观反映同一区域不同生境物种构成的差异，以及环境的异质性[18]。本文主要采用βw（Whittaker指数）和βc（Cody指数）[18]。

式中，S为研究区记录的物种总数；Ms是不同水位梯度上各样地物种数的平均值；G为沿环境梯度增加的物种数；L为沿环境梯度减少的物种数[18]。

2 结果与分析

2.1 地下水位时空变化特点

在渭干河下游，沿河道的10眼地下水埋深监测井。由图1可知，整个观测期间地下水位的变化可划分为0～3 m（见图1a）、3～6 m（见图1b）、6～9 m（见图1c）三个水位梯度，且不同梯度地下水位随时间的变化均不一样，大体上呈现先降低再回升的波动状态，地下水埋深回升期基本在四月底，7月底水位逐渐下降。不同水位梯度上的井的水位变化不大，最高与最低水位之差在1.5～3 m间。其中，6～9 m这个梯度的水位波动较大，最低能降到接近9 m。3～6 m这个梯度区间，2018年8月至2019年1月水位基本保持平稳状态，到2019年3月至5月水位开始上升至整个观测期间的最高水位，而0～3 m的水位梯度变化与其大致相同，但受河道春季融雪的影响会在3～4月期间出现地下水位的峰值。

图1 地下水埋深的时空变化

2.2 不同地下水位梯度与植被覆盖度

植被覆盖度是表征陆地植被基本特征的数量指标。研究区内不同地下水位植被覆盖度不同。由图2可知，在7月生长季整个研究区内，植被覆盖度变化范围在14%～80%之间，盖度的平均值大约为37%。从水位变化梯度来看，不同生境中，地下水埋深较浅则植被覆盖度相对要高。随着水位梯度的下降，植被覆盖度呈逐渐降低之势，可以看到水埋深超过8 m以后，植被盖度趋近于10%。而植被覆盖度大于50%的环境，分布区的地下水埋深大多是小于6 m的，植被覆盖度较小的群落地下水埋深多大于6 m。

图2 不同地下水位与植物盖度

2.3 不同地下水位下物种多样性指数变化

在干旱、半干旱地区，水通常是限制植物生长的关键因子[1]。渭干河位于塔里河流域，南邻塔克拉玛干沙漠，空气干燥，水蒸发强烈，降水量远小于蒸发量，导致地表径流稀少，甚至河道断流，因此，地下水成为植物生长、发育的关键性水源[16]。由图3可知，地下水埋深较大的地区，其Shannon-Weiner多样性值是较低的，Margalef指数与Shannon-Weiner指数变化相似。在地下水位最深的W8观测井，其群落的物种多样性指数的两个指标均最低，而在地下水位最浅的W10观测井，其周围群落的物种多样性指数较高，说明地下水位的变化对于物种多样性影响很大。Simpson指数的变化与Shannon-Weiner指数的变化相似，即随着地下水位的下降植物多样性降低，Pielou指数下降植物多样性变化趋势不明显。

2.4 物种多样性与水埋深的灰色关联

由表1可知，渭干河下游地下水埋深与4类物种多样性指标间的灰色关联较为密切，二者之间的灰色综合关联度的高低顺序为：Pielou＞Simpson＞Shannon-Weiner＞Margalef。可以看出，与地下水埋深灰色关联最大的是Pielou指数，关联度值达0.78。其次是Simpson指数，灰色综合关联度达0.70。总体来说，所有测定指标与地下水埋深的关联度都达到0.60以上。可以说明，渭干河下游气候干旱，所以地下水很大程度上甚至完全成为植物生长所需的水分的依赖或来源，植物的生长与死亡更是直接由地下水埋深的高低决定。水是维系渭干河下游生态环境的主导因素，但灰色关联最大的Pielou指数随地下水位梯度的变化不明显（见图3），说明当前的地下水位变化还没有引起物种分布的较大波动。

表1 物种多样性与地下水位关联度排序

图3 不同地下水位与物种多样性

2.5 β多样性指数随地下水位梯度的变化

由图4（a）可知，在不同水位的生境下，物种多样性替代率（βw）与地下水埋深之间呈明显的单峰曲线，其二次函数关系式为：y=-0.0645x2+0.7469x-0.1249（R2=0.4659）。说明在一定地下水位范围内（0-6 m范围），随着地下水埋深的增加物种多样性的替代率逐渐增大，达到峰值后（6 m左右），则又逐渐减小。这主要是因为地下水位的下降，会使一些浅根生、不耐旱的植物受到威胁，造成βw替代率增加；但随着水位的继续下降，大量物种消失，只有深根系耐旱植物能够生长，则无植物可取代，导致βw物种替代率逐渐下降。而βc指数是以物种增加的数目与减少的数目的均值来衡量，反映的是环境梯度上的物种差异。本文的环境梯度是地下水埋深梯度，随着水埋深的增大βc多样性指数以对数函数的形式变化（见图4b），说明该区域地下水埋深的增加，使得物种的变化率也随之增加，这主要是因为水分缺乏加剧了环境的干旱，从而物种不断减少，结果表现为βc多样性指数的变化率增加。

图4 β多样性指数随地下水位梯度的变化

3 结论

（1）渭干河流域地下水位时空变化特征可以分成三个梯度，即0～3 m、3～6 m、大于6 m，在四月底地下水位开始抬升，七月底水位又逐渐下降。其中，而0～3 m的水位梯度受河道春季融雪的影响会在3～4月期间出现地下水位的峰值。6～9 m这个区间水位波动较大，最低能降到低于9 m。

（2）地下水位埋深的大小影响着该地区植被状况，植被覆盖度大于50%的植物群落大部分是分布在地下水埋深小于6 m的，水埋深超过8 m以后，植被覆盖度趋近于10%。地下水位的变化同样影响了物种多样性的变化，即随着地下水位的下降植物多样性降低，Pielou指数下降趋势不明显。物种多样性指数与水埋深灰色关联说明了当前的地下水位变化还没有引起物种分布的较大波动。

（3）回归分析表明了βw物种替代率与地下水埋深呈明显的单峰状二次函数关系，即水埋深小于6 m时该区域物种多样性的替代率随水埋深的增大而逐渐增大，6 m是物种多样性替代率变化的转折点，即大于6 m随着水埋深的增大而减小。但βc指数所反映的物种变化率，则是随着地下水埋深的增大而增加，说明水条件的恶化会促使物种的较快变化。

致谢：本文数据来源于“荒漠与绿洲生态国家重点实验室”，对该实验室老师与学生的辛苦监测，在此深表感谢。