毛乌素沙漠腹地植被与地下水关系研究

毛乌素沙漠腹地植被与地下水关系研究

毛乌苏沙漠位于陕西省和内蒙古伊克昭盟之间，面积约4.14公里。区内干旱少雨,地表水系不发育,地下水是该区工、农业用水的主要来源。近年来随着该区石油、化工等工业的迅猛发展,工业用水对地下水的需求剧增。该区有草原植被、荒漠灌丛、沙生植被、草甸植被、盐生植被和水生植被等众多植被类型,地下水开采对植被的影响还缺乏深入研究,影响程度也亟待评估。笔者选择毛乌素沙漠腹地有代表性的哈头才当为研究区,通过野外调查研究该区优势植被与地下水的关系,为地下水合理开发和环境保护提供依据。1湖盆滩地热带哈头才当位于鄂尔多斯高原中部、毛乌素沙漠腹地,行政区划隶属内蒙古乌审旗,面积600km2,平均海拔1300m左右。该区大部分为固定、半固定的沙丘或沙地,另外分布着大小十几个滩地。湖盆滩地与沙丘相间分布。该区气候干旱,多年平均降水量为341.70mm,多年平均蒸发量为2343.40mm,区内气温具有温度低、温差大的特点,多年平均气温为6.4℃。区内地层简单,第四系松散岩类包括上更新统萨拉乌素组(Q3s)和全新统风积层(Q4eol)。萨拉乌素组为一套更新世早期的河湖相沉积物;全新统风积层覆盖于第四系萨拉乌素组及白垩系之上;下部为白垩系下统志丹群(K1zh)砂岩地层。该区与植被生长有关的地下水主要为潜水,含水层介质为Q3s和Q4eol的湖积或风积砂。2地下水要素评价选用了易于获得的植被种群和盖度2个指标反映植被对地下水条件的响应;选取地下水埋深、地下水矿化度、包气带含水率和包气带含盐量4个地下水要素评价地下水与植被的关系。植被种群和盖度的资料通过野外20个样方和6条剖面的调查获取。通过对40口井的监测获取地下水埋深和矿化度。取Ф42mm的钻孔测定不同深度的包气带含水率和可溶性盐含量。包气带含水率用中子仪测定,地下水矿化度和包气带含盐量用电导法测定。野外调查在2008年4,6,8,9和11月进行了5次。研究方法的详细描述参见文献。3植被和地下水的深度3.1滩地边缘植被分布的地下水埋深在研究区,滩地边缘的植被分带最能体现植被与地下水埋深的关系。在滩地边缘,地貌从滩地迅速过渡到沙丘或沙地,距离一般不超过50m,一般出现水生植被带、旱生植被带和过渡带3个植被分带;地下水埋深从0.5m增大到2m,植被类型也从水生、中生的草本植物转化为旱生、沙生的沙蒿等灌木。植被种群的分带强烈地表现出植被与地下水的关系(图1)。水生植被带该带有2个亚带:第一个亚带包括苔草、芦草、寸草,地下水埋深0~0.5m,寸草生长在滩地中地表水周边,往外开始出现苔草、芦草、菊科杂草等多年生草本植物;第二个亚带包括芨芨草、碱草等,地下水埋深>0.5~1.0m,该带中芦草继续生长,个别地方会出现乌柳。水生/旱生植被过渡带主要包括沙柳、牛心朴等植被,地下水埋深>1.0~1.5m,该带中土壤的有机质明显减少,明沙出露。牛心朴是土壤沙化的标志性植被。在过渡带,沙柳生长旺盛,滩地草本植物明显减少。旱生植被带主要包括沙蒿、沙柳、柠条、臭柏等植被,地下水埋深>1.5m,沙蒿、沙柳、柠条、臭柏成群生长。在苔草等水生植被生长的地下水浅埋深地区(<1.0m)没有出现沙蒿等旱生植被,而在地下水埋深>1.5m后,水生草本植物也较少出现;因此滩地边缘植被分带的地下水埋深指示了沙蒿、柠条、羊柴等旱生植被能适应的最浅地下水埋深(即>1.5m),也指示了苔草等草本适宜生长的最深的地下水埋深(即<1.0m),以及沙柳适宜生长的最浅地下水埋深(即>1.0m)。可以看出,在研究区地下水水位埋深对于依赖地下水的植被种群分布有控制作用。在干旱半干旱地区地下水埋深以及植被对其响应的分带规律也被许多研究所证实:Noest在分析了荷兰1011个沙漠植被种群组成的基础上得到100个植被种群的预测模型,地下水埋深是主要的预测变量,模型的准确度达到64%;塔里木河在输水后,沿河荒漠河岸林的不同种群分带响应反映了地下水水位的不同埋深。3.2地下水埋深对沙柳人工林生物盖度的影响对60个调查点的沙蒿、沙柳、苔草的盖度以及总盖度与相应的地下水埋深关系进行了统计,结果见图2。沙蒿(图2a)在不同地下水埋深均有高盖度和低盖度的沙蒿分布;这是因为影响植被盖度的因素较多,除了地下水埋深外,还有土壤含水率、营养、阳光等因素。沙蒿盖度与地下水埋深没有明显的相关关系,表明了地下水埋深不是沙蒿盖度的控制因素,其生长所需水分并不完全依赖于地下水。沙蒿根系研究的相关证据也支持该结论:沙蒿的根系深度一般为1.5m左右,风积砂的毛细上升高度为70cm,在地下水埋深>2.5m的地区,沙蒿生长所需水分与地下水无关,而是来自包气带水。沙柳(图2b)沙柳在地下水水位<1.0m时很少生长,其最大盖度出现在地下水埋深1.5~2.0m的地区;之后沙柳的最大盖度随着水位埋深变大开始变小;当地下水埋深>6.0m后,沙柳呈零星分布。以上特征表明:在地下水埋深为1.5~6.0m时,地下水埋深影响着沙柳的生长,其生长所需水分与地下水有关。这也从侧面反映了沙柳生长对水分的需求较大,包气带水分满足不了其需求。苔草等草本(图2c)苔草等草本植被盖度与地下水埋深呈强相关性:在0~1.5m时盖度最大;然后随水位埋深增大而降低;在水位埋深>3.0m后,盖度不大于10%。优势植被盖度与地下水埋深的关系也表明了植被适生的地下水埋深。对于植被适生的盖度评价标准因不同的地区而异。由于研究区处于沙漠地区,笔者利用固定沙丘的下限盖度,即40%,作为植被适生性评价的盖度标准。如果以该标准评价植被的适生性,沙柳适生的地下水埋深为1.0~3.0m,苔草等草本植被适生的地下水埋深为1.0~2.0m,沙蒿则与地下水埋深无关。植被盖度与地下水水位的关系因植被种群的不同而有所差异:生长所需水分依赖于地下水的植被,地下水水位是盖度的控制因素;而所需水分不依赖地下水的植被,则盖度与地下水埋深不相关。总盖度(图2d)植被总盖度与地下水埋深呈散点分布,无明显的相关关系;这表明该地区地下水埋深不是控制植被总盖度的主要因素。在研究区优势植被包括以沙蒿为代表的旱生植被、沙柳为代表的中生植被和苔草为代表的中生、水生植被,其中旱生植被沙柳、羊柴、柠条等分布范围最广。如前所述,地下水埋深并不是这些旱生植被盖度的控制因素,因此导致了该地区总盖度与地下水埋深不相关。该规律掩盖了沙柳、苔草等与地下水的真正关系,因此,总盖度不能作为评价所有植被与地下水关系的一个指标,只反映了旱生优势植被与地下水埋深的关系。4植被和包气带的含水量4.1地表上风积砂介质本次调查中,有32个调查点的沙蒿盖度大于40%,这些地区一般为地势较为平缓的半固定或固定沙丘,植被类型单一,主要以沙蒿为主,地表生长少量牛心朴和沙生根茎植被,地下水的水位埋深一般>4m。这些地区风积砂从地表以下2m内的含水率为7%~25%,其中69%的沙蒿分布在7%~15%含水率的风积砂介质中(图3);因此,沙蒿在风积砂含水率为7%~25%的范围内适生,在含水率为10%~15%范围内分布最为广泛(图3,图4)。对于沙蒿适宜生长的沙丘含水率,前人对毛乌素沙漠南部边缘的盐池地区的研究结果为5%~18%,对毛乌素沙漠东部的榆林地区研究结果为9%左右。由于研究区风积砂含水率一般为8%~16%;因此,从水分角度考虑,本地区基本上都适合沙蒿的生长。4.2地下水水土流失区研究区有2类地区符合沙柳的适生条件。一类地区为丘间低地或滩地覆沙地,在该地区沙柳已成为灌木林,地下水水位埋深<1m,沙柳根系生长在毛细带和饱水带中,因此潜水面以上的含水率较大,具有毛细带水的特征(表1)。另一类地区为滩地边缘的固定沙丘,该区地下水水位埋深一般<5m,沙柳盖度>40%,常与沙蒿伴生(表1);在该区,沙柳根系进入到毛细带或饱水带中,其生长的水分来源与地下水有关,因此包气带8%~16%的含水率不足以维持沙柳的水分需求。综上所述,沙柳适生含水率应与风积砂或含有机质风积砂毛细上升带含水率一致。根据野外观测和室内试验,风积砂毛细上升高度中平均含水率>25%。4.3地下水埋深对包气带含水率的影响苔草等草本植被盖度>60%的地区一般在滩地,因此其适生的含水率应为滩地包气带含水率。由于滩地地下水埋深浅,包气带含水率基本与潜水面以上的毛细带含水率一致,即>25%。在研究区包气带水分主要有2个来源,降雨和地下水。根据地下水水位埋深与植被盖度和种群关系的研究结果可知:滩地上的草本植被生长在潜水面以上的毛细带内,其生长发育的水分来源主要是毛细带水;沙柳根系部分位于毛细带和潜水面以下,部分根系分布在包气带中;沙蒿生长所需水分来源为降雨产生的包气带水。因此,不同植被适生的含水率不同,水分来源也不同。另外,从植被适生的含水率结果可以看出,研究区包气带介质为单一的风积砂,影响包气带含水率有2个因素:大气降雨和地下水。在研究区降雨量基本相同的情况下,地下水埋深是造成包气带含水率差异的主要因素,也造成不同植被的适生包气带含水率差异较大;因此,包气带含水率是本区评价沙蒿、水柳和苔草等植被种群与地下水关系的敏感指标。5地下水矿化度与植被之间的关系调查结果表明,包气带可溶盐含量与植被物种和地貌之间有较好的对应关系。碱草、芨芨草和苔草等草本植被生长的滩地可溶性盐含量最高,沙柳生长的滩地边缘次之,沙蒿生长的沙丘或滩地边缘最低(图5);这个规律反映了不同植被种类耐盐性的差异。根据植被适生性原理,生长在沙丘地区的沙蒿、羊柴、柠条的适生含盐量<0.2%,生长于滩地的苔草、芨芨草、碱草等植被适生含盐量0.6%左右,而沙柳的适生含盐量介于沙蒿和苔草之间。地下水矿化度与植被的种类之间关系与包气带含盐量相似。在滩地及其边缘地带,地下水矿化度为800mg/L左右,主要分布苔草等草本植被;沙丘的地下水矿化度一般<200mg/L,主要分布沙蒿、羊柴、柠条等植被。以往研究表明:沙蒿在典型草原、荒漠草原和草原化荒漠中广泛分布,可适应的包气带含盐量范围较宽(<0.7%适生,>1.0%则不能发芽生长);沙柳的抗盐能力可达到0.4%;苔草在含盐量0.1%~5.5%内生长良好。虽然研究区处于干旱半干旱地区,但盐碱化程度不高,盐分对植被分布的影响不明显;以上包气带可溶盐和地下水矿化度与植被的关系,可能只反映了研究区的状况。因此,研究区地下水矿化度或包气带含盐量指标在评价植被与地下水关系并不敏感。6风积砂立地植被水生态环境质量评价1)沙蒿、柠条、羊柴等旱生植被生长的水分来源与地下水无关,沙柳与地下水关系较为密切,苔草等草本植被则十分密切。沙柳适生的地下水水位埋深为1.0~3.0m,苔草等草本植被适生的地下水埋深1.0~2.0m。2)沙蒿、柠条、羊柴等旱生植被在风积砂土壤包气带中适生含水率为7%~25%,沙柳和苔草等草本植被的