科尔沁草原植被生态型与地下水位埋深及土壤含水率的关系

科尔沁草原植被生态型与地下水位埋深及土壤含水率的关系

在生态系统中，植被是其主要的创造者，是自然环境的直观反映。植被与环境生态关系的研究一直是生态系统研究的重要方面。生态位理论属于现代生态学的核心内容之一,已在生物种对其环境条件的适合性测度、种间竞争与共存机制、群落的多样性维持、种群生存力分析以及资源谱利用等方面得以广泛的应用。多年来,科尔沁沙地由于气候变化和人类活动的双重影响,加速了现代沙漠化进程,是我国沙漠化防治的重点区域。科尔沁沙地土地沙漠化在最近10a发生了整体逆转,主要是由于当地政府及农牧户个体加大了治理措施,使相当面积的沙漠化土地面积得到了治理和恢复。但在治理过程中,种植哪种类型植物较适宜,还没有较明确的依据。在科尔沁沙地,对生态环境起重要作用的是中生和偏旱生植物,而地下水位埋深及土壤水分是决定植物生态型的重要指标,因此,摸清植物生态型与地下水位埋深及土壤水分的关系,尤其是定量关系,是恢复生态环境采取何种措施、种植哪种植物的重要依据。宋郁东等人提出了生态地下水位的概念,张天曾、袁长极从不同角度研究了植物生长与地下水位的关系,提出了适宜水位、最佳水位、盐渍临界深度和生态警戒水位等指标,但这些研究基本属于定性分析。李自珍等人和张丽等人针对少量典型物种,开展了植物生态型与水分因子关系的定量研究。而针对较大区域宏观上植物生态型与地下水位埋深及土壤水分的定量关系的综合研究尚不深入。因此,本文在摸清科尔沁沙地植物区系的基础上,利用实测资料分析了植物生态型与地下水位埋深及土壤水分的定量关系,希望能为当地生态恢复建设提供决策依据。1学习方法1.1阴山沙地土壤条件科尔沁沙地位于41°41′40″\_47°39′20″N,116°21′30″\_123°43′00″E之间,属于辽河中游冲淤积平原,总面积约5.06万km2。沙地面积的83%分布在内蒙古自治区,而其中的65%分布在内蒙古通辽市域内。科尔沁沙地为干旱半干旱地区,是典型的农牧交错地,属大陆性气候,年降雨量变化在350~450mm之间,年平均蒸发量为1817.4mm(∅20cm蒸发皿实测值)。土壤主要为风沙土。地形趋势是南北高翘,中间低平,由西北向东南倾斜。地貌以沙丘(垄)与丘(垄)间洼地、泡沼相间分布为特征。植被覆盖为草地和零星稀疏灌丛。1.2调查方法和调查内容2002年7\_10月间,在科尔沁沙地中心地区2.82万km2范围内,我们以经度相隔15′和纬度相隔10′的经纬度线的交叉点为调查试验点(图1),共布设调查试验点172个。其中M44、N32、H48和G36点(见图1)为重点调查试验点,其余为一般调查试验点。对于一般调查试验点,我们在调查点附近选择典型区域,进行样方调查,调查内容包括样方内所有植物的名称、植物生态型、植物生活型、数量、高度、盖度、密度和鲜重等。据此分析科尔沁沙地植物区系组成。对于重点调查试验点,我们按照以下步骤进行了调查试验。目的就是为了分析植物生态型与地下水位及土壤水分的关系。1)在调查试验点附近选择典型植被样线。2)在选定样线上划分植被生态型类型带,确定各类型带样方调查点。3)对各样方调查点进行样方调查。调查试验内容除一般调查试验点内容以外,同时在样方处开挖土壤剖面至地下水位,分别在植被根系表层、根系层取土样,用烘干法测定其土壤含水率。同时用水准仪测量各样方处的相对地面高程。在对地下水位埋深的测量中,对于地下水位埋深较浅的样方,直接量取地下水位埋深;但对于地下水位埋深较大的样方,由于在每一个重点调查试验点处所打的样线均属于小区域范围,所以沿样线直线方向上水力坡度基本稳定,由此通过地下水位埋深较浅的相距最远的两个样方点的地下水位埋深及其两点的相对地面高程便可计算出小区域地下水水力坡度,然后通过下式即可确定出地下水位埋深较大的样方处的地下水位埋深值。式中:Δ高为地下水位埋深较大样方处的地下水位埋深;Δ低为地下水位埋深较小样方处的地下水位埋深;ΔH为两样方点相对地面高程差;L为两样方之间的距离;J为样线所处区域地下水水力坡度。1.3植物生态型的相关分析和序列选取1)对于植物区系组成分析,我们主要采用分类统计的方法。2)对于各样方主体植物生态型类型的确定,采用样方主成分分析方法,利用样方中各类植物生态型的鲜重和数量进行对比,进而确定该样方的植物主体生态型类型。3)对于植物生态型与地下水位埋深的相关关系分析,我们对各植物生态型按照由湿生\_中生\_中旱生\_旱生的次序分别赋予1、2、3、4生态类型取值,以各样方的该值所组成的序列与其对应的地下水位埋深序列进行相关分析。4)对于植物生态型与地下水位及土壤水分的定量关系的确定,首先单独分析各重点调查试验点数据,即各样线样方植物生态型序列与其对应的地下水位埋深和土壤水分序列的对应范围,然后将四个重点调查试验点的分析结果进行叠加,得出综合对应范围,即植物生态型与地下水位及土壤水分的定量对应关系。2结果与分析2.1植物生态的组成和实验要点针对172个调查试验点的调查试验资料,结合前人在本地区所作的系列植被调查分析工作,统计分析了研究区的植物区系组成状况。2.1.1裸子植物种间分布经调查统计,科尔沁沙地共有植物850种,分别隶属于414属、103科。其中裸子植物2科、2属,分别为松科(松属)和麻黄科(麻黄属);被子植物101科、412属。2.1.2灌木与草本植物植被比例经调查统计,科尔沁沙地乔木占总数的5.76%;灌木占总数的7.76%;草本植物占总数的86.47%。其中,多年生草本植物占63.06%,一年生草本植物占23.41%。2.1.3植物种类及生物量根据水分条件对植物生态型进行分类,科尔沁沙地各植物生态型所占总数比重分布见图2。由图2可知,科尔沁沙地无超旱生植物,以中生植物为主,占总量的53.15%;偏旱生植物(旱生、中旱生、旱中生植物)数量居第二位,占总量的23.77%;偏湿生植物(湿生、湿中生植物)数量较偏旱生植物略少,占总量的16.08%;此外还有少量的水生植物和耐盐植物,占总量的7%。由此可见,该地区地下水位埋深较浅的低甸子地面积也占一定比例。2.1.4分类依据信息经调查统计分析,在科尔沁沙地,东亚成分、世界分布种、达乌里-蒙古成分、华北与东北成分、泛北极区系成分等5种成分数量为751种,占总量的88.35%。2.1.5试验点概况在M44、N32、H48和G36(见图1)这四个重点调查试验点所作的样线调查中,各样线的样方序列及其对应的植物生态型见图3。四个重点调查试验点共计22个样方,图3中G36-1表示重点调查试验点G36样线中的1号样方,而其所对应的横坐标轴即为该样方中植物的主体生态型,对应的纵坐标值即为该样方处所对应的地下水位埋深。从图3可以看出,在这四个重点调查试验点22样方的植物生态型类型中,为中生植物类型的样方数量居第一位,其次为偏旱生植物,最后为湿生植物,这与上述科尔沁沙地各植物生态型类型组成比例是一致的,也说明所选取的4个重点调查试验点具有一定的代表性。2.2地下水位埋深的测量对4个重点调查试验点共计22个样方的地下水位埋深(见图3)序列和对应的植物生态型取值序列进行相关分析,其相关系数为0.81,说明植物生态型与地下水位埋深相关性很好,即植物生态型类型的分布在一定程度上取决于地下水位埋深。根据各样方植物生态型与其对应的地下水位埋深变化范围,经叠加后确定出植物生态型与地下水位埋深的定量关系,其结果列入表1。由表1可知,湿生、中生、中旱生和旱生植物各有一个地下水位埋深变化范围,分别为0.45~1.66m、0.95~2.20m、2.20~4.59m和3.45~7.45m。并且湿生植物与中生植物有一个地下水位埋深过渡范围,即0.95~1.66m,在这个地下水位埋深范围内,既有中生植物,又有湿生植物;中旱生植物和旱生植物也有一个地下水位埋深过渡范围,即3.45~4.59m,在这个地下水位埋深范围内,既有中旱生植物,又有旱生植物。2.3不同地下水位埋深对植物生态型的影响4个重点调查试验点各个样方所对应的植物根系表层和根系层土壤含水率见图4,为便于比较说明,我们将图3中各重点调查试验点的各个样方处的地下水位埋深也对应地放入图4中,由图4可以看出,各重点调查试验点地下水位埋深与土壤含水率具有很好的一一对应关系,即随着地下水位埋深的加大,植物根系表层和根系层土壤含水率逐渐减小。这是因为,当地下水位埋深较浅时,地下水面以上的毛管水上升带可以波及到植物根系层以内,地下水位埋深越小,根系层内的土壤含水率就越高,也就是说,地下水位埋深对植物生态型类型分布的影响是通过改变植物根系层土壤含水率来实现的。当地下水位埋深较大时,毛管水上升带不能波及到植物根系层最深部,植物只能吸收表层土壤中的水分,这种情况下的植被生长与地下水位埋深基本没有关系。根据4个重点调查试验点22个样方的土壤含水率及植物生态型,经叠加后得出植物生态型与土壤水分的定量关系,其结果列入表1。由表1可知,湿生、中生、中旱生和旱生植物有一个植物根系土壤表层含水率变化范围,分别为2.70%~25.54%、0.80%~13.32%、0.41%~2.25%和0.28%~0.44%;有一个植物根系层含水率变化范围,分别为5.59%~54.80%、3.59%~9.19%、0.71%~3.59%和0.16%~0.78%;而且湿生植物与中生植物有一个植物根系土壤表层含水率和植物根系层含水率过渡范围,分别为2.70%~13.32%和5.59%~9.19%,在该范围内,既有湿生植物又有中生植物;中旱生植物与旱生植物有一个植物根系土壤表层含水率和植物根系层含水率过渡范围,分别为0.41%~0.44%和0.71%~0.78%,在该范围内,既有中旱生植物又有旱生植物。3结论和建议3.1植物根系表层土壤含水率的变化1)植物生态型的分布与地下水位埋深相关性很好,即植物生态型的分布在一定程度上取决于地下水位埋深。2)湿生、中生、中旱生和旱生植物有一个地下水位埋深变化范围,分别为0.45~1.66m、0.95~2.20m、2.20~4.59m和3.45~7.45m。3)湿生、中生、中旱生和旱生植物有一个植物根系土壤表层含水率变化范围,分别为2.70%~25.54%、0.80%~13.32%、0.41%~2.25%和0.28%~0.44%;有一个植物根系层含水率变化范围,分别为5.59%~54.80%、3.59%~9.19%、0.71%~3.59%和0.16%~0.78%。4)湿生植物与中生植物有一个地下水位埋深过渡范围,即0.95~1.66m;有一个植物根系土壤表层含水率过渡范围,即2.70%~13.32%;有一个根系层土壤含水率过渡范围,即5.59%~9.19%。5)中旱生植物和旱生植物有一个地下水位埋深过渡范