毛烏素沙漠腹地植被與地下水關(guān)系研究

毛烏素沙漠腹地植被與地下水關(guān)系研究

毛烏蘇沙漠位于陜西省和內(nèi)蒙古伊克昭盟之間，面積約4.14公里。區(qū)內(nèi)干旱少雨,地表水系不發(fā)育,地下水是該區(qū)工、農(nóng)業(yè)用水的主要來源。近年來隨著該區(qū)石油、化工等工業(yè)的迅猛發(fā)展,工業(yè)用水對地下水的需求劇增。該區(qū)有草原植被、荒漠灌叢、沙生植被、草甸植被、鹽生植被和水生植被等眾多植被類型,地下水開采對植被的影響還缺乏深入研究,影響程度也亟待評估。筆者選擇毛烏素沙漠腹地有代表性的哈頭才當(dāng)為研究區(qū),通過野外調(diào)查研究該區(qū)優(yōu)勢植被與地下水的關(guān)系,為地下水合理開發(fā)和環(huán)境保護提供依據(jù)。1湖盆灘地?zé)釒Ч^才當(dāng)位于鄂爾多斯高原中部、毛烏素沙漠腹地,行政區(qū)劃隸屬內(nèi)蒙古烏審旗,面積600km2,平均海拔1300m左右。該區(qū)大部分為固定、半固定的沙丘或沙地,另外分布著大小十幾個灘地。湖盆灘地與沙丘相間分布。該區(qū)氣候干旱,多年平均降水量為341.70mm,多年平均蒸發(fā)量為2343.40mm,區(qū)內(nèi)氣溫具有溫度低、溫差大的特點,多年平均氣溫為6.4℃。區(qū)內(nèi)地層簡單,第四系松散巖類包括上更新統(tǒng)薩拉烏素組(Q3s)和全新統(tǒng)風(fēng)積層(Q4eol)。薩拉烏素組為一套更新世早期的河湖相沉積物;全新統(tǒng)風(fēng)積層覆蓋于第四系薩拉烏素組及白堊系之上;下部為白堊系下統(tǒng)志丹群(K1zh)砂巖地層。該區(qū)與植被生長有關(guān)的地下水主要為潛水,含水層介質(zhì)為Q3s和Q4eol的湖積或風(fēng)積砂。2地下水要素評價選用了易于獲得的植被種群和蓋度2個指標(biāo)反映植被對地下水條件的響應(yīng);選取地下水埋深、地下水礦化度、包氣帶含水率和包氣帶含鹽量4個地下水要素評價地下水與植被的關(guān)系。植被種群和蓋度的資料通過野外20個樣方和6條剖面的調(diào)查獲取。通過對40口井的監(jiān)測獲取地下水埋深和礦化度。取Ф42mm的鉆孔測定不同深度的包氣帶含水率和可溶性鹽含量。包氣帶含水率用中子儀測定,地下水礦化度和包氣帶含鹽量用電導(dǎo)法測定。野外調(diào)查在2008年4,6,8,9和11月進行了5次。研究方法的詳細(xì)描述參見文獻。3植被和地下水的深度3.1灘地邊緣植被分布的地下水埋深在研究區(qū),灘地邊緣的植被分帶最能體現(xiàn)植被與地下水埋深的關(guān)系。在灘地邊緣,地貌從灘地迅速過渡到沙丘或沙地,距離一般不超過50m,一般出現(xiàn)水生植被帶、旱生植被帶和過渡帶3個植被分帶;地下水埋深從0.5m增大到2m,植被類型也從水生、中生的草本植物轉(zhuǎn)化為旱生、沙生的沙蒿等灌木。植被種群的分帶強烈地表現(xiàn)出植被與地下水的關(guān)系(圖1)。水生植被帶該帶有2個亞帶:第一個亞帶包括苔草、蘆草、寸草,地下水埋深0~0.5m,寸草生長在灘地中地表水周邊,往外開始出現(xiàn)苔草、蘆草、菊科雜草等多年生草本植物;第二個亞帶包括芨芨草、堿草等,地下水埋深>0.5~1.0m,該帶中蘆草繼續(xù)生長,個別地方會出現(xiàn)烏柳。水生/旱生植被過渡帶主要包括沙柳、牛心樸等植被,地下水埋深>1.0~1.5m,該帶中土壤的有機質(zhì)明顯減少,明沙出露。牛心樸是土壤沙化的標(biāo)志性植被。在過渡帶,沙柳生長旺盛,灘地草本植物明顯減少。旱生植被帶主要包括沙蒿、沙柳、檸條、臭柏等植被,地下水埋深>1.5m,沙蒿、沙柳、檸條、臭柏成群生長。在苔草等水生植被生長的地下水淺埋深地區(qū)(<1.0m)沒有出現(xiàn)沙蒿等旱生植被,而在地下水埋深>1.5m后,水生草本植物也較少出現(xiàn);因此灘地邊緣植被分帶的地下水埋深指示了沙蒿、檸條、羊柴等旱生植被能適應(yīng)的最淺地下水埋深(即>1.5m),也指示了苔草等草本適宜生長的最深的地下水埋深(即<1.0m),以及沙柳適宜生長的最淺地下水埋深(即>1.0m)。可以看出,在研究區(qū)地下水水位埋深對于依賴地下水的植被種群分布有控制作用。在干旱半干旱地區(qū)地下水埋深以及植被對其響應(yīng)的分帶規(guī)律也被許多研究所證實:Noest在分析了荷蘭1011個沙漠植被種群組成的基礎(chǔ)上得到100個植被種群的預(yù)測模型,地下水埋深是主要的預(yù)測變量,模型的準(zhǔn)確度達到64%;塔里木河在輸水后,沿河荒漠河岸林的不同種群分帶響應(yīng)反映了地下水水位的不同埋深。3.2地下水埋深對沙柳人工林生物蓋度的影響對60個調(diào)查點的沙蒿、沙柳、苔草的蓋度以及總蓋度與相應(yīng)的地下水埋深關(guān)系進行了統(tǒng)計,結(jié)果見圖2。沙蒿(圖2a)在不同地下水埋深均有高蓋度和低蓋度的沙蒿分布;這是因為影響植被蓋度的因素較多,除了地下水埋深外,還有土壤含水率、營養(yǎng)、陽光等因素。沙蒿蓋度與地下水埋深沒有明顯的相關(guān)關(guān)系,表明了地下水埋深不是沙蒿蓋度的控制因素,其生長所需水分并不完全依賴于地下水。沙蒿根系研究的相關(guān)證據(jù)也支持該結(jié)論:沙蒿的根系深度一般為1.5m左右,風(fēng)積砂的毛細(xì)上升高度為70cm,在地下水埋深>2.5m的地區(qū),沙蒿生長所需水分與地下水無關(guān),而是來自包氣帶水。沙柳(圖2b)沙柳在地下水水位<1.0m時很少生長,其最大蓋度出現(xiàn)在地下水埋深1.5~2.0m的地區(qū);之后沙柳的最大蓋度隨著水位埋深變大開始變小;當(dāng)?shù)叵滤裆?gt;6.0m后,沙柳呈零星分布。以上特征表明:在地下水埋深為1.5~6.0m時,地下水埋深影響著沙柳的生長,其生長所需水分與地下水有關(guān)。這也從側(cè)面反映了沙柳生長對水分的需求較大,包氣帶水分滿足不了其需求。苔草等草本(圖2c)苔草等草本植被蓋度與地下水埋深呈強相關(guān)性:在0~1.5m時蓋度最大;然后隨水位埋深增大而降低;在水位埋深>3.0m后,蓋度不大于10%。優(yōu)勢植被蓋度與地下水埋深的關(guān)系也表明了植被適生的地下水埋深。對于植被適生的蓋度評價標(biāo)準(zhǔn)因不同的地區(qū)而異。由于研究區(qū)處于沙漠地區(qū),筆者利用固定沙丘的下限蓋度,即40%,作為植被適生性評價的蓋度標(biāo)準(zhǔn)。如果以該標(biāo)準(zhǔn)評價植被的適生性,沙柳適生的地下水埋深為1.0~3.0m,苔草等草本植被適生的地下水埋深為1.0~2.0m,沙蒿則與地下水埋深無關(guān)。植被蓋度與地下水水位的關(guān)系因植被種群的不同而有所差異:生長所需水分依賴于地下水的植被,地下水水位是蓋度的控制因素;而所需水分不依賴地下水的植被,則蓋度與地下水埋深不相關(guān)?？偵w度(圖2d)植被總蓋度與地下水埋深呈散點分布,無明顯的相關(guān)關(guān)系;這表明該地區(qū)地下水埋深不是控制植被總蓋度的主要因素。在研究區(qū)優(yōu)勢植被包括以沙蒿為代表的旱生植被、沙柳為代表的中生植被和苔草為代表的中生、水生植被,其中旱生植被沙柳、羊柴、檸條等分布范圍最廣。如前所述,地下水埋深并不是這些旱生植被蓋度的控制因素,因此導(dǎo)致了該地區(qū)總蓋度與地下水埋深不相關(guān)。該規(guī)律掩蓋了沙柳、苔草等與地下水的真正關(guān)系,因此,總蓋度不能作為評價所有植被與地下水關(guān)系的一個指標(biāo),只反映了旱生優(yōu)勢植被與地下水埋深的關(guān)系。4植被和包氣帶的含水量4.1地表上風(fēng)積砂介質(zhì)本次調(diào)查中,有32個調(diào)查點的沙蒿蓋度大于40%,這些地區(qū)一般為地勢較為平緩的半固定或固定沙丘,植被類型單一,主要以沙蒿為主,地表生長少量牛心樸和沙生根莖植被,地下水的水位埋深一般>4m。這些地區(qū)風(fēng)積砂從地表以下2m內(nèi)的含水率為7%~25%,其中69%的沙蒿分布在7%~15%含水率的風(fēng)積砂介質(zhì)中(圖3);因此,沙蒿在風(fēng)積砂含水率為7%~25%的范圍內(nèi)適生,在含水率為10%~15%范圍內(nèi)分布最為廣泛(圖3,圖4)。對于沙蒿適宜生長的沙丘含水率,前人對毛烏素沙漠南部邊緣的鹽池地區(qū)的研究結(jié)果為5%~18%,對毛烏素沙漠東部的榆林地區(qū)研究結(jié)果為9%左右。由于研究區(qū)風(fēng)積砂含水率一般為8%~16%;因此,從水分角度考慮,本地區(qū)基本上都適合沙蒿的生長。4.2地下水水土流失區(qū)研究區(qū)有2類地區(qū)符合沙柳的適生條件。一類地區(qū)為丘間低地或灘地覆沙地,在該地區(qū)沙柳已成為灌木林,地下水水位埋深<1m,沙柳根系生長在毛細(xì)帶和飽水帶中,因此潛水面以上的含水率較大,具有毛細(xì)帶水的特征(表1)。另一類地區(qū)為灘地邊緣的固定沙丘,該區(qū)地下水水位埋深一般<5m,沙柳蓋度>40%,常與沙蒿伴生(表1);在該區(qū),沙柳根系進入到毛細(xì)帶或飽水帶中,其生長的水分來源與地下水有關(guān),因此包氣帶8%~16%的含水率不足以維持沙柳的水分需求。綜上所述,沙柳適生含水率應(yīng)與風(fēng)積砂或含有機質(zhì)風(fēng)積砂毛細(xì)上升帶含水率一致。根據(jù)野外觀測和室內(nèi)試驗,風(fēng)積砂毛細(xì)上升高度中平均含水率>25%。4.3地下水埋深對包氣帶含水率的影響苔草等草本植被蓋度>60%的地區(qū)一般在灘地,因此其適生的含水率應(yīng)為灘地包氣帶含水率。由于灘地地下水埋深淺,包氣帶含水率基本與潛水面以上的毛細(xì)帶含水率一致,即>25%。在研究區(qū)包氣帶水分主要有2個來源,降雨和地下水。根據(jù)地下水水位埋深與植被蓋度和種群關(guān)系的研究結(jié)果可知:灘地上的草本植被生長在潛水面以上的毛細(xì)帶內(nèi),其生長發(fā)育的水分來源主要是毛細(xì)帶水;沙柳根系部分位于毛細(xì)帶和潛水面以下,部分根系分布在包氣帶中;沙蒿生長所需水分來源為降雨產(chǎn)生的包氣帶水。因此,不同植被適生的含水率不同,水分來源也不同。另外,從植被適生的含水率結(jié)果可以看出,研究區(qū)包氣帶介質(zhì)為單一的風(fēng)積砂,影響包氣帶含水率有2個因素:大氣降雨和地下水。在研究區(qū)降雨量基本相同的情況下,地下水埋深是造成包氣帶含水率差異的主要因素,也造成不同植被的適生包氣帶含水率差異較大;因此,包氣帶含水率是本區(qū)評價沙蒿、水柳和苔草等植被種群與地下水關(guān)系的敏感指標(biāo)。5地下水礦化度與植被之間的關(guān)系調(diào)查結(jié)果表明,包氣帶可溶鹽含量與植被物種和地貌之間有較好的對應(yīng)關(guān)系。堿草、芨芨草和苔草等草本植被生長的灘地可溶性鹽含量最高,沙柳生長的灘地邊緣次之,沙蒿生長的沙丘或灘地邊緣最低(圖5);這個規(guī)律反映了不同植被種類耐鹽性的差異。根據(jù)植被適生性原理,生長在沙丘地區(qū)的沙蒿、羊柴、檸條的適生含鹽量<0.2%,生長于灘地的苔草、芨芨草、堿草等植被適生含鹽量0.6%左右,而沙柳的適生含鹽量介于沙蒿和苔草之間。地下水礦化度與植被的種類之間關(guān)系與包氣帶含鹽量相似。在灘地及其邊緣地帶,地下水礦化度為800mg/L左右,主要分布苔草等草本植被;沙丘的地下水礦化度一般<200mg/L,主要分布沙蒿、羊柴、檸條等植被。以往研究表明:沙蒿在典型草原、荒漠草原和草原化荒漠中廣泛分布,可適應(yīng)的包氣帶含鹽量范圍較寬(<0.7%適生,>1.0%則不能發(fā)芽生長);沙柳的抗鹽能力可達到0.4%;苔草在含鹽量0.1%~5.5%內(nèi)生長良好。雖然研究區(qū)處于干旱半干旱地區(qū),但鹽堿化程度不高,鹽分對植被分布的影響不明顯;以上包氣帶可溶鹽和地下水礦化度與植被的關(guān)系,可能只反映了研究區(qū)的狀況。因此,研究區(qū)地下水礦化度或包氣帶含鹽量指標(biāo)在評價植被與地下水關(guān)系并不敏感。6風(fēng)積砂立地植被水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價1)沙蒿、檸條、羊柴等旱生植被生長的水分來源與地下水無關(guān),沙柳與地下水關(guān)系較為密切,苔草等草本植被則十分密切。沙柳適生的地下水水位埋深為1.0~3.0m,苔草等草本植被適生的地下水埋深1.0~2.0m。2)沙蒿、檸條、羊柴等旱生植被在風(fēng)積砂土壤包氣帶中適生含水率為7%~25%,沙柳和苔草等草本植被的