张掖湿地土壤-地下水环境对天然植被生态系统的影响

杨 祎，武娅娟，田宽娟，汪佳佳，李 哲，王嘉琦，邓浩亮

(河西学院土木工程学院，甘肃 张掖 734000)

中国西北地区深居内陆，面积广茂，西北干旱地区生态系统脆弱，天然植被系统是生态地质环境好坏最直观的反映。以张掖湿地为研究区，其地处河西走廊中段，是我国典型的内陆干旱地区，年平均降水量仅130mm左右，气候干燥，降雨量少，蒸发强烈。由于依赖地下水源，生态环境问题日益加剧，地表水资源减少，天然植被系统破坏，严重影响了植被生态平衡，湿地生态系统的退化已不能满足可持续发展的需求。本文旨在通过研究张掖湿地土壤-地下水对天然植被生态系统的影响，分析浅地表层内的土壤有机质、含盐量、含水量和地下水埋深特征，以及地下水与植被生长环境之间的关系，以期为张掖湿地生态环境保护、植被修复等提供研究依据。

由于植被退化，地下水开发所引起的环境问题使部分植被失去了生态功能，特别是在降水稀少的干旱地区。国外对于干旱地区的研究主要集中在植被对于地下水的利用、植被生长和水位之间的关系、地下水坏境的作用等方面，澳大利亚科研人员成功地应用地下水水位的变化观测植物的不同分布特征，并用生态系统结构的变化预测地下水位的变化；加利福尼亚学者研究了植被对水文、植被覆盖度和地下水之间的关系。国内早期的研究主要集中在植被随地下水位埋深的不同分布，仅数十年的时间取得可观成果。随着科技的不断发展，植被生态环境进一步被人们重视，干旱半干旱地区地下水环境和植被生态系统成为研究重点。李瑛等[1]以苏贝淖流域为例，分析了植被生长状态、吸水深度等因素与地下水埋深之间的关系；王威等[2]以鄂尔多斯乌兰淖地区为例，研究了植被生态适宜地下水位；李亮等[3]以敦煌盆地为例，从多个角度研究了土壤-地下水生态系统对天然植被长势、分布特征的影响。本文以张掖湿地为依托地，研究地下水位不同埋深对土壤有机质和植被生长发育的影响，同时利用遥感技术深入分析土壤地下水坏境对天然植被生态系统的影响。

1 研究区概况

1.1 研究区范围

张掖湿地位于青藏高原和蒙古高原交汇的河西走廊中段，北依龙首山，南邻祁连山，西连黑河流域西岸，东接武威地区。流域总面积约2513.48km2。张掖盆地总体地势南北高、中间低，呈带状，向西北方向倾斜，地貌类型主要以河谷平原为主。

1.2 气象水文

研究区气候属于典型的温带大陆性气候，四季变化明显，日照充足，昼夜温差较大，降雨量少，多集中在6—9月，蒸发强烈，年蒸发量大于2000mm。该地区常年干旱，多西北风。湿地主要由四大水系构成，分别是黑河、阿薛渠系、东泉渠系和庚名渠系。区内地表径流主要来源于黑河，3—5月农业用水进入高峰，河流进入枯水期，黑河下泄量减少，7—9月降雨增多，出现夏汛，随着季节变换，降雨量减少，黑河水量出现最低值，降雨为地下水的主要补给方式。

1.3 地质-水文地质条件

地层与构造：研究区位于张掖盆地，盆地几何形态大致呈菱形，与南北山地呈断层接触，地层由老到新如下，前古生界、古生界、中生界、新生界[4]。

水文地质条件：地下水从山前平原得到降水，又收到山口区的河水入渗补给，最后到细土平原的径流排泄区，形成了一个完好的地质水文单元，第四系含水层厚度大，分选性较好，含水层富水性强，地下水径流条件好[5]。

植被生态现状：根据研究区的植被生长与分布，以及植物群落的生长节点，区内的植被类型主要为温带荒漠植被，分为4个类型，即灌丛、阔叶林、草丛和浅水植物湿地。

2 生态研究方法与种群调查

2.1 植被生态研究方法

本研究选择了线路调查和样方法调查相互结合的方法，对几个样地进行了多次取样调查。

2.1.1线路调查

为了更加精准地认识区内的植被结构与覆盖范围，在各个植物生长节点期间，围绕研究区四周设计长度约40km的线路展开调查。

2.1.2样方法调查

通过调查研究，区内植被分布与地面形态密不可分，在相差较大的地貌区使用样方法调查，调查样方分为大样方和小样方，规格分别为100m×100m，10m×10m，先确定大样方的地理位置，随后在大样方区内设置5个大小相同小样方，研究区边缘处不计入，共设计10个调查点。

2.2 植被种群及分布特征

主要植被种群：整个湿地区域规划面积为4200hm2，规划区域存在20m的自然落差，区域内水源丰富，植物密布，动植物呈现多样性。在规划区分布较多的植被有芦苇、菖蒲、沙枣、苔草、沙蒿、红柳等。

2.2.1芦苇种群

典型的长根茎型无性系植物，分为湿生芦苇和盐生芦苇，芦苇可以耐受不同程度的水盐迫害，一般情况下，芦苇的生长水域为0～50cm，水深不同，芦苇的生长及形态特征也会受到影响，芦苇种群对温度、富营养化、干旱、洪涝、盐渍等有一定的影响。

2.2.2菖蒲种群

菖蒲是多年生的草本植物，根基较粗，花期为2—9月，花瓣呈黄绿色，花香四溢。菖蒲多生长在河滩、沼泽、湿地，气温低于10℃就会停止生长，受土壤水分以及光照的影响，在中药方面具有一定用途。

2.2.3沙枣种群

沙枣具抗旱、耐盐、抗寒、防风的特性，是落叶灌木和小乔木。常生长在低洼潮湿和戈壁沙滩，沙枣树高约5～12m，花期在5—6月，它是一种固氮盐土植物。沙枣需适应不同的自然环境，其旱生理特征也在逐渐进化，进行“适者生存”的优先选择。

2.2.4红柳种群

红柳树高约1.3～8m，叶长0.5～2mm，花粉多呈红色或紫色，苞片呈卵圆状披针形，蒴果多呈三角状圆锥形，红柳在夏季开花时观赏价值较高，可以利用红柳进行道路绿化，还可以被用于制作农具和工艺品，也可以当作饲料进行使用。红柳的主要特性有耐寒、耐高温、耐盐碱及耐风蚀，大多分布于干旱与半干旱地带，由于各种物理和化学风化作用产生的地表松散颗粒物在经历较长时间的释放后，红柳会受到风沙的侵蚀，而经过侵蚀的红柳依旧保持其旺盛的生命力，由此可见红柳具有很好的抗风沙冲蚀性[6]。

2.2.5沙蒿种群

沙蒿是菊科蒿数植物，株高0.3～0.7m，多生长在河滩、草原、荒地，花期在8—10月，沙蒿的种子很小，种植前必须把土地整理好，在物种形成时，物种多样性慢慢体现出来，植物的高度和盖度缓慢增加，丰富度指数表现出先上升后下降的情况，沙蒿种群不断大增多[7]。

2.2.6苔草种群

苔草为多年生草本植物，具有生长好、繁殖能力强、生命力强等特点，在生态恢复、园林艺术、畜牧业发展方面发挥着越来越重要的作用。苔草是一种可控扩散叶型草种，其茎最高达1m，苔草可以对同一个个体的雌蕊进行授粉，其花粉传播速度非常快，这也是它扩展能力强的主要因素[8]。

植被种群分布特征：在研究区芦苇、红柳、沙蒿的分布最广，芦苇分布于研究区近一半的地区，红柳多分布在沙土较厚地区，沙蒿多分布在边缘狭长地带。

2.3 植被盖度分布特征

将研究植被盖度分为4个区域。第一区，植被覆盖度高，长势较快，覆盖率60%～80%，主要是分布在湿地周边的芦苇种群。第二区，植被分布较密集，覆盖度30%～60%，主要分布在湿地北部的菖蒲和红柳种群。第三区，植被分布较稀疏，覆盖率10%～30%，主要分布在沙区较多的沙枣种群和生长在研究区周边滩地上苔草种群。第四区，植被分布稀疏，覆盖率小于5%。

2.4 优势植被种群的确定

研究优势植被，旨在选择代表性植被，从而进行地下水与植被关系的研究，在此研究中，因芦苇、菖蒲及红柳覆盖面积多，其覆盖率大，因此将芦苇、菖蒲及红柳定为优势物种。

3 植被生态系统与地下水关系研究

在此研究区内，主要植被为野生型植被，植物生长一般受湿度、气候影响。其中气候变化既有自然因素，也有人为因素，自然的内部进程会引起气候变化，人为因素包括温室效应的增强，化石燃料燃烧等。湿度一般受到降雨和地下水的影响，而对于处在干旱区的张掖来说，其蒸发量远远大于降雨量，其降雨量对湿度影响微乎其微，因此，在此研究区内，湿度主要受地下水影响。

3.1 植被生态与地下水位埋深关系

3.1.1植被种群与地下水位埋深

研究区内，植被种群主要有芦苇、苔草、苜蓿、红柳、沙蒿等。因湿度逐渐降低，植被种群大致表现为由草本向旱生植物过渡。

(1)芦草、苔草带

地下水埋深小于0.5m，地表水周围多为寸草型植物，从里到外逐渐出现芦苇、苔藓等草本植物，在该地段内，主要植被种群为水生植物。

(2)苜蓿、碱草带

地下水埋深约0.5～2.0m，该地段中芦苇依旧存在，但以苜蓿为主。

(3)沙蒿、红柳带

地下水埋深大于1.5m，其大都成群生长，以红柳为主。

以上3种植被分带存在于滩地边缘，在滩地中隆起的地方也存在，植被与地下水关系密切体现在随着地下水埋深由小到大，植被由水生到旱生过渡。通过分析，地下水位埋深范围在1.5～2.0m内适合旱生植被生长，地下水位埋深在1.0～1.5m内适合水生植被生长。

3.1.2植被覆盖与地下水位埋深关系

(1)沙蒿

沙蒿在不同地下水埋深内均有分布，说明地下水位埋深并不是决定沙蒿覆盖度的主要因素，这也说明旱生沙蒿生长与地下水无直接关系。

(2)红柳

在地下水位达2m时红柳覆盖度达到最大，而后伴随着水位埋深的增大，红柳的覆盖度逐渐降低。

经研究，沙蒿在研究区内分布较广，地下水位埋深并不能直接影响沙蒿生长，这也说明植被总覆盖度与地下水埋深关系不密切。

3.1.3植物生长状态与地下水埋深关系

取不同段内的地下水位，探究其优势植被的生长指标，其中包括沙蒿的冠幅、冠高、新枝长度及其种群覆盖度占植被总覆盖度的比例，红柳的树高，茎粗等，以此来推测地下水埋深和植被生长状态的关系。

(1)红柳

地下水埋深为1.5～5m时，红柳长势良好。其各项生长指标随地下水位埋深的增加而逐渐降低。

(2)沙蒿

当地下水埋深为0.5～5m时，沙蒿的平均冠幅达1.5m，具有0.9m的平均冠高。沙蒿植被覆盖度差不多达到总植被覆盖度的97%，且生长良好。当地下水位超过5m时，其生长指标有所下降。经分析，沙蒿的长势因地下水位埋深的不同而生长各异，地下水位的加深使沙蒿冠幅和冠高下降。

(3)芦苇

在地下水位深度为0.5m左右时，其水分条件达到最优，将0.5m定为适宜水深，在此水深条件中，芦苇种群完成水分代谢，长势良好，其后，随着地下水埋深的增加，芦苇的生长受到一定的影响。

3.2 植被生态与包气带含水量关系

包气带是指地面以下及潜水面以上的部分，在包气带内，土和岩石的空隙中包含有空气，其空隙中部分被水充满，其中大气降雨和地下水是土壤包气带的主要水分来源。

植物生长状态与包气带含水量的关系：土壤包气带含水量将会影响植被的生长发育，地下水埋深较深时，植物的长势、群落分布随水分条件的变优而更具优势，植物长势越好，植被单位面积增大，植物需水量也越高。

3.3 植被吸水深度与地下水埋深的关系

当地下水埋深小于植被吸水深度时，植被可以正常生长，当植被吸水深度小于地下水埋深时，植被生长受到影响，因此地下水埋深与植被吸水深度关系密切。

4 植被生态脆弱性评价结果分析

4.1 植被生态脆弱性评价

通过对张掖地区植被生态脆弱性的分析与归类，得出结果如下：

植被生态低脆弱区：主要分布于张掖黑河山前的平原地区，地下水埋深多年平均为35m，包气带含水率较大，土壤主要为细粉砂质，地表植物主要有沙蒿等旱生植物，植被生长与地下水埋深相关性不突出，受降雨等的影响较大[9]。

植被生态较为脆弱区：主要分布于张掖山丹县附近洪积平原区，地下水多年平均埋深约20m，土壤主要由卵砂砾石与粗砂等组成，包气带含水率较低，植被生长对地下水的依赖程度较弱，地表植被长势一般，以旱生灌木为主，地下水位下降对植物群落演替影响不明显。

植被生态关系脆弱区：主要分布于张掖甘州区湿地地区，此处地下水位埋深小于5m，土壤类型主要有草甸土、沼泽土等。受地下水矿化以及土壤盐渍化的影响，植物分布种类少，地下水埋深与植被生长关系较为密切，植被类型以草甸植被与灌丛植被为主[10]。

4.2 植被演替规律及预测

近年来，张掖地区地下水在水资源利用比重上逐渐上升，长期以来，由于不合理的开发利用，已经引起研究地区地下水位下降等一系列问题，故有必要对该地区地下水开采情况下的植被群落演替规律进行预测。

影响植被群落演替的因素较多，主要有气象水文、地理位置、土壤类型及地下水埋深等，就研究区而言，主要因素可归结为土壤含盐量与地下水埋深。研究区普遍呈土壤盐碱化现象，所以植被群落演替主要归结为地下水位埋深。通过搜集相关资料得出不同地下水埋深对应的优势植被群落有：地下水位小于1m时，主要为芦苇等各种水生植物；地下水位约1～2m时，苔草等中生植物为优势种群；地下水位约3～5m时，沙枣长势良好；地下水位在3m以上时，沙蒿长势良好；地下水位在5～10m时，主要为红柳、旱柳等植物。随着地下水的开发利用，地下水埋深深度不断下降，进而影响了植被生长环境，对植被群落的演替也产生了较大影响，导致原来的优势种群生长不良，发生植被群落演替。因此根据地下水位下降程度以及优势植物种群的生长特征，可对植被演替规律进行预测。

4.3 基于植被生态的地下水合理开发利用与建议

通过分析地下水埋深与植被群落演替的关系以及对植被群落演替关系进行预测可得出，张掖地区植被生态环境较脆弱，地下水埋深对植被生态环境以及植被群分布起至关重要作用，所以开采地下水时应综合考虑植被生态环境，兼顾经济效益，可持续发展地下水资源，建议如下：

(1)开采地下水时应控制开采强度，规划合理开采，避免对植被生态环境造成较大影响。

(2)湿地生态环境较为脆弱，开采时应时刻监测湿地地下水位变化，保护植被多样性。

(3)维护地表水生态系统，避免对水域造成污染。

5 结论

本文对张掖湿地地下水与植被生态关系、植被群落演替规律的预测以及生态脆弱性评价发现，研究区内部分水生植物(如苔草等)的生长状况与地下水埋深关系密切，而旱生植物(如沙蒿等)与地下水埋深密切度不显著。整个研究区内植被整体覆盖度良好，优势种群为沙蒿、沙柳、红柳种群等，但地下水水位埋深并非影响植被总覆盖度的主要因素。然而，本研究只对地下水与植被生态关系进行了分析研究，而气候因素、水质环境等对植被生态的关系还有待进一步研究。