辽东地区地表水分状况及其植被状况调查

辽东地区地表水分状况及其植被状况调查

地表环境的发展（灾害）可以改变该区域的生产和资源条件，有时它往往是一场灾难。因此,地表环境演变的研究已成为地学界较为重要的研究课题。而了解地表物质组成、水分状况及其植被状况可为环境演变提供依据。地处农牧交错区季风边缘带的内蒙古东部的通辽市被列为一级生态环境脆弱带。所谓生态环境脆弱带本身不等同于自然生产力水平最低的地区,而是在生态环境的改变速率上;在抵抗外部干扰的能力上;在生态系统的稳定性上;对水文—气象等因子变化的敏感性上表现出脆弱性。特别是季风边缘带对环境的演变反应极为灵敏,环境变化频繁且空间上水平变幅较大,成为环境变化的启动区,因而不稳定性强,脆弱度高,一旦某一环境要素出现波动,整个系统随之演变,并造成灾害。当前,在通辽市环境、资源、开发三者之间不协调的状况是严重的,招致环境演变明显,灾害频发。1地表年际变化通辽地区地理坐标121°31′～122°36′E,43°22′～43°54′N,面积4650km2。在通辽地区内部又划分出一个重点研究区,它位于西辽河平原中部,地理坐标121°44′05″～122°13′53″E,43°25′30″～43°45′25″N。包括通辽发电总厂厂区、电厂第一、二期水源地和第三期水源地、莫力庙水库及邻近地区,面积1137km2。研究区在行政区划上分属通辽市科尔沁区、开鲁县、科左中旗和科左后旗的部分行政区。通辽地区属于温带大陆性季风气候,具有冬季寒冷干燥,夏季温度较高,雨量较多,四季比较分明而多风的半干旱特点,平均气温6.1℃(1951年～1990年通辽站统计值);根据通辽水文站1951年～1993年降雨资料统计,多年降雨量平均为384mm,降雨主要集中在7月份～8月份,两个月的降雨量占全年降雨量的51%;年蒸发量平均为1563.2mm,是降雨量的4倍多。区内地表水主要容纳在西辽河、清河两条河流、一座大型水库及为数众多的天然泡沼之内。莫力庙水库库容1.926亿m3。两条河流中,西辽河流量大,历史最大流量为2220m3/s。另外还有红河、牙马河,河水由季节性地表径流汇集而成。据载,仅1916年～1964年40多年时间内,西辽河泛滥17次,清河泛滥15次,其中1922、1939年和1949年均出现过西辽河、清河汇流局面。60年代中期至80年代中期,无论是河水、水库乃至天然泡沼水量逐渐减少或逐渐枯竭,地表水的年际变化与本区大气降水周期是十分吻合的。通辽地区位于松辽平原西南部边缘的西辽河沙地上,西辽河、清河及红河从境内蜿蜓流过。该区属于中新生代盆地,沉降带底部为白垩纪与第三纪地层,上覆第四纪各种砂砾沉积,之后经西辽河水系多次泛滥沉积,逐渐形成南北两侧被起伏的沙地夹持,中间为宽阔低平的泛滥平原的地理环境。区内划分为3种地貌单元:河漫滩、多小丘沙地和坨甸交接地。2土壤分布的规律通辽地区地处西辽河冲—风积平原中部,沙层巨厚,分布范围大。由于近代河流泛滥冲积物的覆盖,构成现代冲积平原成土物质基础。本区成土母质为冲积物和风积物,其机械组成见表1。本区土壤分布在粟钙土地带之内,由于成土母质、地形、水文诸成土因素对土壤形成有强烈影响,气候因素仅对划分土壤亚类才有实际意义,使得境内土壤在分布上失去了地带性特点,具有明显的非地带性的隐域性土壤特征。尽管土壤在发生上具有隐域性特征,在分布上具有微域性特点,土壤类型繁多,分布错综复杂。但从总体上看,各类土壤的分布仍遵循一定规律,具体表现在:各类土壤的分布状况与地貌类型和海拔高度一致,沿西辽河、清河、红河的河床两侧,随远离河床,依次出现以下不同地貌类型:比较宽阔的河漫滩—低洼而狭长的坨甸交错地带—多小丘沙地。上述地貌类型的变化顺序在同一路线经常反复交替出现。由于地貌类型的改变,相应地出现或反复出现草甸土—盐土、沼泽土—风沙土系列,表现出相当明显的草甸土、风沙土相间分布的普遍规律。从海拔高度看,境内主要的草甸土与风沙土的海拔分界高度,中部和东部为160m～180m,北部为170m～180m,西部及西北部为195m～220m。2.1土壤表层含盐量较浅的地区草甸土是在西辽河水系现代泛滥作用下发育起来的土壤,主要分布在西辽河、清河沿岸的低平河漫滩上。植被总盖度40%以上。干土水分含量0.61%,湿土水分含量1.10%。灰色草甸土:包括黑土土属、黑五花土属、白五花土属、白土土属、沙化草甸土土属。分别占灰色草甸土总面积的17.1%、25.5%、27.4%、27.4%、2.6%。盐化草甸土:盐化草甸土是原来的灰色草甸土附加盐化成土过程后,土壤表层含盐量到0.1%～0.7%的一类草甸土,占草甸土面积的21.8%。主要集中在地下水位较浅的西半部,如莫力庙乡中部和丰田乡北部的坨甸交接处,通辽地区西北部以及北部的庆和乡也有较大面积分布。包括轻度盐化草甸土土属、中度盐化草甸土土属、重度盐化草甸土土属。它们分别占盐化草甸土总面积的76.2%、16.0%、7.8%。2.2风沙地土土流动风沙土属于发育在西辽河沙地风沙土的一部分,主要分布在区内西部、北部。干沙层其水分含量0.55%,湿沙层水分含量1.30%,风沙土类根据固定状态不同分为固定半固定风沙土和流动风沙土两个亚类。植被总盖度35%～40%。固定半固定风沙土亚类:固定半固定风沙土,是在植被覆盖率较高,固定比较好的低缓沙丘或沙地上发育的风沙土,是风沙土类中的主要类型,占风沙土类面积的91.5%。在这个亚类的风沙土内质地基本属松沙土—紧沙土,颗粒粗不粘结,松散易流动,土壤机械组成中,大于0.01mm的物理沙粒占90.36～96.61%,容重平均为1.57g/cm3,0cm～20cm表层有机质平均为0.65%,固定半固定风沙土代换量平均为4.1毫克当量/100克土,保肥持水能力很差。它又分为沙沼土土属、坨间风沙土、沙坨风沙土土属、盐化风沙土土属。4个土属分别占固定半固定沙土面积的48%、5.8%、46.2%、5.2%。流动风沙土亚类:在半干旱气候条件下,境内风沙土的地表植被一旦遭受破坏,其恢复速度往往低于风力侵蚀速度,结果土壤的风蚀过程居优势,并迅速取代了有机质的积累过程,当固定半固定风沙土原来的腐殖层和淀积层被剥蚀殆尽之后,母质裸露,则变为流动风沙土。目前境内流动风沙土面积,占风沙土面积的8.5%。2.3土类或土类盐土是盐化草甸土和盐化风沙土表层盐分积累超过0.7%以后形成的一个新的土类。由于本区盐土来源于盐化草甸土以及盐化草甸土水文条件相似的盐化风沙土,因此属于草甸盐土。盐土主要分布在与重度盐化草甸土和盐化风沙土毗邻地区或与它们呈土壤复区存在,占土壤总面积的0.4%。2.4长期过湿地,土壤过湿无论在草甸土分布地区还是在风沙土分布地区,凡是地势低洼而有积水或土壤过湿的地方,由于土壤水分长期处于过剩状态,都有沼泽土产生。沼泽土来源于草甸土和与草甸土成土条件相似的坨间风沙土,分类上属草甸沼泽土亚类,占土壤总面积的0.5%。3农田土壤贮水效果土壤水份状况,不仅对于充分发挥土壤有效肥力有重要作用,而且对于与地下水位无直接关系的地表植被的发育生长也有重要作用。本区历年常有春旱、伏旱、秋旱等天气灾害,土壤水分状况随之恶化,严重时土壤水分降低到凋萎含水量以下,在土壤干旱和大气干旱影响下,常引起作物枯萎,甚至死亡。根据土壤普查资料,1981年3月～11月曾定期测定过草甸土和风沙土0cm～60cm的土壤含水量。由于农田土壤的土体结构复杂,故以农田土壤4个主要类型的厚层土种为代表说明农田土壤在降雨、灌溉影响下的水分状况之上限。对1m土层有效贮水的评价指标及等级如表2、3所示。由表可以看出该区农田土壤的水分状况欠佳。此外,随着地下水位不断下降,部分土壤已脱离地下水的影响。如果再持续下降,将会影响到土壤含水量,并改变土壤的发展方向。总体上说,在气候波动的干燥段内,地下水位有所下降,尽管如此,平原土壤地下水影响所形成的锈纹斑特征普遍存在,应属于半水成土壤。4天然植被类型由于本区土地大规模用于农业生产,非农区的多小丘沙地历经放牧、打草、樵采。天然植被已遭破坏,目前着生的植物约有29科,95种。根据残留的植被和气候条件可知,境内自然植被为干草原植被类型。河漫滩以禾本科、豆科和菊科植物占优势,广泛分布芦苇、拂子芽、寸草苔等喜湿性草甸植被并混生蒿草、车前、败浆、委陵菜等一年生杂草,生长繁茂。沿河两岸生长旱柳等天然次生林和成片沙柳灌木林。地势低洼处,丛生马莲、碱蒿等。河漫滩多被开垦为农田,天然草甸植被为农作物取代。大田作物以玉米、高粱、谷子为主,兼种一部分荞麦、糜黍、薯类及甜菜、蓖麻等经济作物。在多小丘沙地,多旱生多年生草本植被。固定半固定沙丘着生蒿属木贼科、趾草科、藜科植物,如差不嘎蒿、冷蒿、麻黄、沙蓬等;轻度起伏的平缓沙地生长隐子草、针茅等。但受风蚀沙化影响,目前多小丘沙地的植被已明显地被蒿属和一年生杂草取代而显著退化。一些低缓沙丘,生有榆、桑树疏林,坨甸交接地带则混生草甸、草原两种植被类型植物。沼泽地常见芦苇、香蒲、莎草等湿生植物。重点研究区包括天然植被和人工植被。天然植被包括:羊草草原、苔原类湿地、蒙古柳芦苇沼泽以及生长冰草、砂蓬、蒺藜的沙丘,其中沙丘面积占总面积的20%。各单元天然植被见表4。4.1样方的组成羊草草原:羊草草原处在沙丘和苔草类湿地之间,由于过度放牧,草原处于极度退化状态。羊草草高只有10cm左右,在水源地周围羊草植株呈匍匐状,由于严重破坏,难以形成较大的纯群落,羊草草地上差不嘎蒿、翻白萎陵菜、寸草苔、碱藜、隐子草比例较大,杂草类总计约占70%以上,羊草不足30%。样方中种类十分单一,总计不足10种。种群数量单一是由于人畜严重践踏破坏所致。此点进一步证明该评价区的羊草草原植被已因人为破坏处于显著退化状态。该区内极少有保存较好的羊草草原。湿地草甸:在沼泽和羊草草原之间广泛地分布着苔草、蔓萎陵菜、酢酱草、翻白委陵菜、车前等所组成的湿地草甸。沙丘植被:区内(电厂一、二期水源地)广泛地分布着固定沙丘,但都是零星地分布在湿地草甸与羊草草原之间。通辽发电厂就建在固定的沙丘上,许多固定沙丘曾反复被开垦过,退植一年或两年后弃耕。目前,有些固定沙丘人工栽植了杨树。在固定沙丘上,天然植被类型较多。在沙丘固定时间较长的地段,盖度较大,坡度不大,风蚀不明显,形成较稳定的植被层。沙丘虽基本稳定,但由于人为的反复破坏,有大面积的裸地存在,这些地段生长有由蓝刺头所组成的沙地植被。4.2村屯布局及作物结构电厂、灰场、水源地周围,主要以天然植被为主,天然植被的外侧大面积地分布农田,而农田大都分布在评价区的边缘地带。在评价区的东北、北部、西北边缘上有以平安堡、太平庄、双鱼泡、福安屯、敖包营子、朝伦敖包、顶合兴、太平河、四方地、益庆和等村屯为中心的大面积农田分布,庄稼长势良好,为该地区的高产地带。评价区东南、南、西南有以昆都庙、两棵树、枚伦营子、温都昆村、半截店等为中心的农田分布,这一地区庄稼长势普遍较差,多数植株高矮不齐,断苗缺苗现象严重,据查测,同北侧边缘相比,断苗缺苗30%,庄稼平均高度只有北侧边缘的60%～70%。作物结构以玉米为主,约占总面积的40%左右,小麦、高粱占较大比例,两者总计不足30%,大豆、向日葵及其它杂粮约占总面积的30%左右。高粱、玉米、谷子、小麦是当地居民主要食用粮食,大豆是农民食用的豆油和豆制品的主要原料。上述村屯中,每家每户的庭院中都在面积较大的蔬菜地种植葱、蒜、茄子、辣椒、萝卜、白菜以及大面积土豆。除上述农作物以外,在村屯的道路两旁,养鱼池周围,及前述的沙丘上有计划地栽植着人工杨树林。4.3地下水埋深、毛管水上升过程中植被类型的划分为查清不同植被与地下水埋深的关系,我们在莫力庙乡及其周边进行了大范围样方调查分析,基本上查明了有区域性意义的相关性。根据地下水埋深及其毛管水上升高度是否达到植物根系密集层内,将本区植被划分为3种基本类型,即不直接受地下水影响的、受地下水影响的植被类型。其中前者地下水埋深大,土壤含水率相对较低,毛管水上升的高度低于植物根系密集层,而直接受地下水影响的植被则相反,过渡类型则界于上述二者之间。4.3.1非直接受地下水直接影响的植被类型主要分布在固定沙丘和流动沙丘上,包括沙蓬、小黄柳、小叶锦鸡儿、差不嘎蒿、白草、雾冰草、针枝蓼等植物。4.3.2过渡植被类型位于沙丘与甸子地之间的过渡地带,包括糙隐子草、白草、光沙蒿、黄蒿、蒙古蒿等植物。4.3.3受地下水影响的植被类型主要分布在丘间低地和甸子地上,包括红柳、蒙古柳、艾蒿、光沙蒿、苔草、禾本科、豆科、杂类草等植物。5砂粒表面特征的电镜扫描和材料分析导致土地沙漠化的原因,主要是自然和人为两大因素。通辽市沙区为广阔的西辽河冲积平原,根据第四系剖面分析,除早更新世白土山组(Q1b)砂砾石沉积外,中更新世大青沟组(Q2d)、晚更新世顾乡屯组(Q3g)及全新世(Q4)沉积物多为中细砂、细中砂、粉细砂组成,沙层累计厚度超过120m。地表组成物质均是以物理性沙粒为主的沉积物或沙性土壤,除部分泥质甸子地以外,一般都在60%以上。以沙粒成分为主的表层沉积物构成了沙漠化的物质基础。在干旱多风的气候条件下,植被稀少和地面裸露,加之人为经济活动频繁,就更加促进和加强了风的地质作用,风成为本区塑造地貌的最主要地质营力。各种不同时期和不同沉积环境下形成的疏松沙质沉积物,在风的作用下,遭受强烈的吹蚀、搬运,形成不同类型的沙丘堆积体。因而沙丘石英砂表面通常都留有明显的风力搬运介质的机械作用痕迹。石英砂粒经历了不同时期、不同环境或外营力作用后,颗粒表面留有复杂结构特征。研究表明,现代沙丘沙一般都经过了第四纪不同沉积环境的再搬运,因此在砂粒表面上不仅可见风成结构特征,还可见到前期沉积环境下形成的其它特征。这些早期的表面特征被保持在磨蚀程度较弱的低凹面上。通过SHIMADZUEPM—8100型电子探针,对石英砂样品的表面特征进行电镜扫描,可以查明搬运介质机械作用特征、化学溶解—沉淀作用特征和不同时期不同沉积环境所形成的复合特征。并分别与一定的搬运介质、气候条件和演变历史,恢复沉积环境,追溯沙源。通过对沙区风成沙粒度参数和对沙区古地理环境演变的岩性对比的环境判断参数指标研究,查清了风成砂丘沙来源以及与下伏沉积物的关系。史培军等利用各粒度参数建立的数学模型计算出各特征值见表5、6。对上述计算结果分析,可得出如下结论:5.1沙区流沙和固定沙丘间各粒度参数,以及流沙与其下伏松散沉积物之间,存在什么关系,特选定置信水平α=0.01,利用t检验法对流沙与固定沙丘的M(φ)、R(φ)以及流沙与其下伏松散沉积物的M(φ)、R(φ)进行显著性检验。结果得到流沙与固定沙丘的M(φ)、R(φ)之间没有显著性区别,说明它们都是风力搬动、堆积的产物;而流沙与下伏松散沉积物之间的M(φ)、R(φ)有显著性区别,反映了不同搬动介质对沉积物粒度参数有很大影响。对流沙和下伏松散沉积物的粒度参数进行非线性相关分析。分别得到风成沙与下伏松散堆积物间M(φ)、R(φ)、SK和KG的相关系数为0.61、0.53、0.61和0.60。在α=0.10,n=10时,相关系数显著性检验值为0.5493。显然,它们之间有显著性区别,同时,除R(φ)外又具有显著性的正相关关系。说明风成沙丘、沙地沙均系“就地起沙”。5.2风沙现象是贴近地表的一系列风沙物理过程。风成沙是风力对下伏松散沉积物逐渐改造,并经过一定的搬运过程中形成的。现存的风成沙有两种情况,第一种来源是从非风搬运介质堆积的松散沉积物而来;第二种是从业已形成的风搬运介质堆积的风成沙而来。6土壤风蚀和土壤细菌的变化研究表明,下垫面的变化对风沙活动的影响很大。由于土地沙漠化实质上是风力作用于沙质地表而产生的土壤风蚀、风沙流、流沙堆积和沙丘移动等风沙活动过程。所以,沙漠化的强度不仅取决于起沙风速的大小,还受控于地表有无植被和土壤的性质及状态。在同样风力和土壤的条件下,无植被覆盖的土壤风蚀量比有植被覆盖者强烈得多。地表物质组成不同,土壤风蚀量变化极大。如在同一风力作用下,干燥而又松散的古风成砂的风蚀起沙量比粉砂壤土大131倍。说明土地随着植被和土壤保护作用的减弱与消失,其沙漠化强度将明显加大,相应地,土壤和近地表大气中的水分含量将随之减少,干燥度增加;反之,随着植被增长和成土过程的加强,沙漠化强度将逐渐变小直至停止,相应地,土壤和近地表大气中的水分含量将随之增加,其干燥度减少。这些问题下面将要进行定量研究。总之,沙漠化过程的发展与逆转会使下垫面性质和状态发生改变,这对气候产生两方面的反馈作用;一是随着沙漠化过程的进行,植被破坏,流沙出现与扩大,降水将逐渐减少,这是沙漠化使气候变干的恶性反馈过程;二是随着沙漠化的逆转,植被增加,成土作用加强,降水将逐渐增多,这是沙漠化逆转使气候变湿的良性反馈过程。7抗风蚀极限值及抗风蚀强度的确定为了确定上述因素与土壤风蚀量的关系,确定不同植被盖度及沙土含水量抗风蚀的极限值,以及不同粒配风沙土抗风蚀强度。中科院兰州沙漠研究所曾在通辽市奈曼旗进行过土壤风洞实验研究,我们在通辽相近的地质条件下对风蚀量相关因子进行了研究,这一研究成果具有一定的代表意义。7.1不同盖度下抗风蚀极限风速关系通过实验,植被盖度和风蚀量的关系可以总结如下:7.1.1挟沙风对沙土地产生风蚀,风沙流是土壤风蚀过程的原动力。7.1.2沙土地一定的植被盖度抗风蚀强度有极限值,沙地植被盖度和抗风蚀极限风速关系,见图1。从图中明显看出,植被盖度60%是转折点。当盖度<60时,随盖度增加抗风蚀极限风速增大缓慢,而当盖度>60%时,抗风蚀极限风速增大迅速。7.1.3在一定的植被盖度下,风蚀模数随风速增加而增大,据测定,一定植被盖度下风蚀模数与风速的关系。当植被盖度<60%时,风蚀模数随风速增大增加较快。植被盖度>60%时,风蚀模数增加缓慢,最大不超过900t/hm2·h。7.2抗风蚀能力与沙在沙土含水量大的一级阶地和高河漫滩,即使无植被也难以风蚀,相反在远离河流的沙土含水量很小的半固定沙丘,植被盖度较大,但风蚀却很严重。沙土含水量是抗风蚀的重要因子。为探讨沙土含水量和风蚀量的关系,进行了定量实验。一是测定每种湿度沙土抗风蚀极限风速,二是确定在一定风速下风蚀量随风速的变化值。关于沙土含水量与风蚀量的关系,通过3组实验得出以下结论:7.2.1沙土含水量是重要的抗风蚀因子,沙土一定含水量具有相应的抗风蚀能力。沙土含水量与抗风蚀极限风速关系,如图2。从图中可知,沙土含水量2%是转折点,当含水量<2%时抗风蚀能力变化大,当>2%时抗风蚀能力变化趋于稳定。当沙土含水量达到饱和含水量4.73%时,抗风蚀极限风速稳定在14m/s左右,即可抗御6级～7级大风。7.2.2当风速一定,沙土风蚀模数随含水量减少而增加。沙土含水量与风蚀模数关系,如图3。7.3风蚀风积和风蚀面积在沙地采集中细沙和粉沙两种沙土,将两种沙土置于风洞同时吹蚀,对比风蚀量。两种沙土粒度分析结果见表7,对比实验结果见表8。从表中可知,在同等风速下,粉沙风蚀量仅为中细沙风蚀量的1/999。本区地表形态的时空变化构成了地表形态的发育强度,也就是在单位面积上,单位时间内风蚀与风积总和。由于风蚀和风积是一个地貌过程的两个方面,加之后者在野外不易测量,故根据野外所得有关资料,对本区风蚀强度做一估算。本区年风蚀深度约为1.16cm～2.33cm,平均为1.55cm。我们对通辽预备库风蚀坑进行了调查测量,年风蚀量1.5cm～1.7cm,平均年风蚀量1.6cm。根据各风蚀洼地(包括弃耕地上的风蚀地)进行实测,其结果年风蚀量为1.62cm。根据分析,该区平均年风蚀量约为1.6cm,最大值为年风蚀量1.8cm～2.3cm。本区每年的“正常”风蚀量约为0.2mm～0.3mm,可见本区人为作用大大加强了地表形态发育的强度。地表形态的发育强度,主要体现了区域风蚀风积的程度。如果按年风蚀量为1.6cm计算,这个值已超出“正常”风蚀量的7倍～8倍。8大气降水与植被结构8.1通辽地区地表物质组成分别由草甸土类、风沙土类、盐土类和沼泽土类组成。