西遼河流域通遼平原區地下水埋深與植被及土壤特征的關系

朱永華, 張 生, 孫 標, 趙勝男, 張 穎, 劉志強

(1.內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院, 內蒙古 呼和浩特010018;2.呼和浩特環境科學研究所, 內蒙古 呼和浩特010018; 3.通遼市水利規劃設計研究院, 內蒙古 通遼市 028000)

西遼河流域農牧交錯帶主要分布于中國“三北”地區，是空間上農牧并存，時間上農牧交替的廣闊地帶。其復雜的自然與人為因素，形成了區域降水—入滲—蒸發的水文循環過程，地表水資源匱乏，地下水超采嚴重，生態環境十分脆弱[1]；由于不斷增強的人類作用，地下水水位快速下降和植被退化現象不斷加劇，逐漸成為制約當地可持續發展最嚴重的生態環境問題[2-3]。植被退化的本質是生態系統生物地球化學循環過程的改變以及生態系統功能的喪失。在諸多植被分布和演替的限制環境因子中，水分是主要的因素之一，而地下水埋深和土壤理化特征必然對于土壤水分具有重要影響作用[4]。所以地下水和植被及土壤相關關系的研究逐漸成為生態水文學研究熱點和重點[5-7]。

圍繞地下水與植被的關系，國外研究較多的是地下水對植物群落構成的影響[8]、植被形態特征與地下水埋深的響應關系[9]等方面；國內研究較多的是地下水水質對植被土壤的影響以及植被生產力、植被恢復等與地下水的相關關系。對于西遼河流域通遼平原區，研究主要圍繞生態水位、適宜水位，生態警戒水位和鹽漬臨界深度與植被的關系[10]等方面。研究大多聚焦楊樹、榆樹和小葉錦雞等喬灌木與地下水之間的關系[11]，然而針對大流域宏觀的下層草本植被與地下水埋深之間關系的研究還很有限。例如，一些模型[12]確定下邊界條件時，往往定性地認為根部長度為下邊界值，有待進一步明確。

受環境和人類活動等因素控制的土壤粒度特征作為土壤理化性質的重要指標之一，可用于揭示土壤中物質的遷移狀況，并在生態環境的研究中得到了廣泛應用[13-15]。許多研究結果已表明，受土地利用方式[15]、放牧強度和地表覆蓋度等[16]多因素的共同影響，土壤細顆粒物質被逐步分移出去，從而導致出現粗粒化現象及土壤顆粒粒度分布發生變化。近幾年，土壤顆粒分形特征被廣泛地應用到土壤粒度特征拓展研究方面，其不但能夠表征土壤理化特征，還能較好地表征土壤特性空間變異等[17]。因此，基于土壤顆粒機械組成數據，運用分形維數方法，能夠有效揭示土壤理化特征變化。

然而，以往的研究很少在地下水埋深變化的條件下，綜合考慮地下水—植被—土壤間的響應關系，無法充分認知不同地下水埋深條件下，草原區植被特征與土壤物理特性的協同關系及其變異規律。為此，本研究以西遼河流域通遼平原區為研究對象，在摸清其草本植被概況的基礎上，基于實測資料，運用時空替代和土壤單重分形等方法，嘗試將地下水埋深值，即包氣帶厚度作為研究條件，對應分析地下水位埋深與植物及土壤地表特征的相關關系，以期為草原生態系統的恢復提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

西遼河流域通遼平原區是內蒙古交錯帶的重要組成部分，地處120°～124°E，42°～45°N之間，總面積約為3.30×104km2，其中草地面積多達1.40×104km2。氣候上呈暖溫帶半濕潤氣候向中溫帶半干旱氣候過渡，年降雨量變化在350—450 mm之間，且時空分布不均，呈西北向東南增加趨勢，時間上80%的降水出現在6—9月[18]；年平均蒸發量為1 817.4 mm(20 cm蒸發皿實測值)；研究區屬西遼河水系，主要支流包括老哈河、西拉木倫河、烏力吉木仁河、教來河、新開河等，但多數河流已經呈常年斷流狀態；土壤類型主要為潮土、風沙土和沙質栗鈣土，分別為27.48%，38.25%和22.16%；沙丘、沙地、丘間低地和甸子地共同構成研究區主要地貌類型。植被的斑塊化分布和空間異質性較強，草本植被以羊草(Leymuschinensis)、三穗薹草(Carextristachya)、狗尾草(Setariaviridis)、冷蒿(Artemisiafrigida)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、早熟禾(Poaannua)和虎尾草(Chlorisvirgata)等為優勢種。

1.2 樣地選擇及采樣

補給水源作為植被演替的驅動因素，尤其是地下水對植被的補給作用的變化，將研究區演替的植被群落分為：受降水和地下水共同補給的非地帶性草甸植被和僅受降雨補給的地帶性草原植被。本文采用空間代替時間的方法，結合上述植被分類，基于研究區土壤類型分布，于2017年的7月、8月，在西遼河流域通遼平原區范圍內，借助平原區遙感影像中草地利用類型分布圖，以典型草本植物群落為調查采樣點，隨機布設50 m×50 m采樣點79個。在每個樣地內，隨機設置3個1.0 m×1.0 m的植被樣方，用于調查與測定植被地表特征，諸如株數、蓋度和生物量等指標。同時在每個樣方中，用土鉆(規格：L為1 m，d為10 cm)鉆取地表土壤0—10 cm處的樣品，分別裝入網袋帶回實驗室測量土壤理化性質指標，共計237份土樣。與此同時，利用土鉆測量每個采樣點的地下水埋深數據。

1.3 樣品測定

(1) 土壤養分測定。土壤有機碳(SOC)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定(NY/T85-1988)；土壤全氮(TN)含量采用半微量凱氏定氮法測定(NY/T83-1987)；土壤全磷(TP)含量采用鉬銻抗比色法測定(NY/T88-1988)。

(2) 土壤粒徑的測定。取風干土樣放入Mastersizer3 000激光衍射粒度分析儀(重復性誤差≤±0.5%，準確性誤差≤±1.0%)取樣槽中，測定土壤粒徑的體積百分比。根據美國農業部(USAD)制土壤質地分級標準劃分土壤質地:極粗砂粒(1 000～2 000 μm)、粗砂粒(500～1 000 μm)，中砂粒(250～500 μm)、細砂粒(100～250 μm)、極細砂粒(50～100 μm)、粉粒(2～50 μm)和黏粒(<2 μm)。

1.4 物種多樣性分析

選取植被豐富度指數、群落種類多樣性指數、均勻度指數和Hill多樣性指數作為反映物種多樣性變化指標，公式如下：

Margalef豐富度指數：

D=(S-1)/lnN

(1)

Shannon群落種類多樣性指數：

(2)

Alatalo均勻度指數：

(3)

Hill多樣性指數：

(4)

式中：D——多樣性指數；S——樣方中物種總數；N——樣方中全部種的株數；P——植被密度；i——第i種植被；r——調查樣方個數；Na——物種相對豐度Pi在可變參數為a(相應權重)時的Hill多樣性指數，可變參數a≥0，≠1，且規定a=0時，Na=S，S——樣方內的物種數；a=1時，Na=eD，D——Shannon-Wiener多樣性指數；a=2時，Na=1/D，D——Simpson多樣性指數；且隨著a的增大，Hill多樣性指數的值受低豐度物種的影響逐漸減小，豐度高的物種對群落多樣性的貢獻率占主導地位。

1.5 土壤參數分析

(1) 表征土壤粒級組成和質地信息的函數土壤顆粒體積分形維數(Dv)，其分形維數的表達式為

lg〔V(r

(5)

式中：Ri——兩篩分粒級間粒徑的平均值；Rmax——最大粒級土粒的平均直徑；V(r

(2) 土壤粒度參數計算。

①粒徑(φ)，其公式為：

φ=-log2d

(6)

式中：d——顆粒直徑(mm)。

②平均粒徑(d0)，其公式為：

(7)

(3) 表征土壤顆粒分布的離散程度，其值越小表示土壤顆粒分布越集中，顆粒分選性越好的標準偏差(σ0)，按照標準偏差σ0取值大小一般劃分為7個分選級別：σ0<0.35，分選性極好；0.35<σ0≤0.50，分選性好；0.50<σ0≤0.71，分選較性好；0.71<σ0≤1.00，分選性中等；1.00<σ0≤2.00，分選性較差；2.00<σ0≤4.00，分選性差；σ0>4.00，分選性極差。其公式為:

(8)

(4) 表征樣品粒度分布集中狀態指標峰態(Kg)，其取值范圍劃分為6個峰態等級：Kg≤0.67，很寬平；0.673.00，極尖窄。其公式為：

Kg=(φ95-φ5)/2.44(φ75-φ25)

(9)

(5) 表征土壤顆粒粒度頻率曲線的對稱性的指標偏度(SK)，其劃分為5個等級：-1.0≤SK<-0.3，極負偏；-0.3≤SK<-0.1，負偏；-0.1≤SK<0.1，近于對稱；0.1≤SK<0.3，正偏；0.3≤SK<1.0極正偏。其公式為：

(10)

(6) 表征各樣地土壤粒度累積頻率間平均距離(D)，其公式為：

(11)

式中：P——某一樣地土壤的粒度累積頻率；(k-1)——自由度；k=5。

1.6 數據處理

采用Excel2007，SPSS 19.0和Origin 9.1等軟件進行數據分析及制作圖表。

2 結果與分析

2.1 植被特征變化分析

2.1.1 植被地表特征 由表1可知，隨著植被演替過程的發生，樣方中植被優勢種從羊草、苔草和隱子草逐漸演變到以早熟禾、虎尾草和灰綠藜為優勢種的草地類型，呈現出溫帶草甸草原和典型草原在自然狀態之下的一種演替形態。說明隨著補給水分(特別是地下水)條件的變化，研究區植被群落演替表現為非地帶性草甸植被向地帶性典型草原植被的演替過程。

不同地下水埋深條件下，草地地上群落生物量及植被蓋度變化顯著。隨著水分補給情況的變化，生物量和蓋度呈顯著先升高后降低的趨勢。生物量和蓋度在地下水埋深2—3 m處出現峰值。經調查，在地下水埋深0—1 m處，出現的植物種為13種，主要包含隱子草群落；在地下水埋深1—2 m處，出現的植物種為20種，主要有羊草、隱子草和寸草苔等群落；隨著地下水埋深的不斷增加，多年生的羊草、隱子草等優勢建群種不再出現，種群植被數量略有下降，具有指示草地退化的一年生早熟禾、虎尾草等群落開始出現，一年生的植被在樣方中所占比重逐漸增大。

表1 通遼平原區不同地下水埋深條件下草地植被狀況

注：n為樣點數。

2.1.2 植被多樣性變化特征 在植被演替過程中，水分補給條件對研究區草原植物群落多樣性、均勻度及豐富度等指數影響較大。香濃指數、均勻度指數和豐富度指數是表述物種多樣性最常用的指數[19]。由表2可知，隨著草地地下水埋深的增加，植被的多樣性、優勢度指數及均勻度指數均呈現出先增加后降低的趨勢。說明當草地地下水埋深為2—3 m時，物種的多樣性呈最大值，群落組成最為復雜，且穩定性最高。而植被地下水埋深在0—1 m時，多種植被多樣性指數反而處于低水平，說明地下水埋深較低會造成群落組成單一、穩定性降低。以地下水埋深2—3 m為界限區間，物種多樣性指數、優勢度指數以及均勻度指數出現中間高、兩邊低的趨勢。與此同時。在地下水埋深>4 m處，植被多樣性指數略有回升，說明植被類型已經演替到另一類型。通過分析研究區物種多樣性指數與地下水埋深的關系，揭示了隨著地下水埋深梯度的增加，物種多樣性呈波動式變化，兩者具有密切關系。

表2 通遼平原區不同地下水埋深條件下草地多樣性指數

大部分學者[20]基于3種指數對植被與氣候、地下水與土壤水等進行了研究。但由于這些指數都是基于一定樣方內單一的指標計算得出，其之間的相關性顯著，因此對于揭示植被與各個環境因子的內在規律具有一定的限制性。為了更加客觀的揭示地下水埋深與植被多樣性之間的關系，本文選取了具有可變參數的Hill多樣性指數進行研究。通過野外調查和室內數據整理，分析不同地下水埋深相對應調查點的Hill多樣性指數分布情況(詳見圖1)。

圖1 通遼平原區不同參數條件下草地Hill多樣性指數

隨著參數的增大，各埋深梯度上的多樣性指數整體呈下降趨勢。各個埋深處多樣性指數變化趨勢大體相同，降低幅度隨著參數的增大逐漸減小，多樣性指標值大小順序為2—3 m>1—2 m>0—1 m>(>4 m)>3—4 m；這也從另一方向證明了表2的結論，該區域植被地下水埋深值并不是越小越好，地下水水位過高反而會減低群落的結構穩定性。由地下水埋深2～3 m處的多樣性指數可知，在這范圍內，物種分布均勻，結構穩定，且多種多樣性指數均為最大值。

2.2 不同地下水埋深條件下土壤粒度組成及理化特征

由表3不同地下水埋深條件下土壤理化特征可知，本研究不同地下水埋深條件的土壤粒度組成均表現為以黏粒、粉粒和極細粒為主，粉粒平均體積百分含量分別為81.42%，61.83%，84.78%，62.77%和52.03%。對顆粒組成進一步分析，地下水埋深2—3 m處粉粒平均含量呈最大值，隨著地下水埋深的升高，粉粒含量呈下降趨勢，大于4 m處的粉粒平均含量最低。黏粒平均百分含量除在0—1 m地下水埋深處較高外，其余樣地黏粒平均百分含量均在10%以下；各樣地表層粗砂和極粗砂含量為0，極細粒、細沙和中砂含量隨著地下水埋深的增加呈先減少后增加趨勢，地下水埋深2—3 m處為拐點。以上結果表明研究區土壤顆粒隨著地下水埋深的增加呈先變細后變粗的趨勢。再通過對土壤化學特征分析可知，土壤氮、磷和碳含量在地下水埋深0—2 m處均呈波動變化，在3 m以上處呈遞減趨勢，且在0—1 m處呈最大值。

表3 通遼平原區不同地下水埋深條件下草地土壤參數

2.3 不同地下水埋深條件下土壤粒度參數

由表4可知，本研究區不同地下水埋深條件下的樣地土壤平均粒徑數值分別為4.12，3.07，2.99，4.81，4.22 μm。由此可知，地下水埋深3—4 m處的樣地土壤平均粒徑最大，其次為在>4 m，0—1 m和1—2 m處的樣地，最小值出現在2—3 m處。這表明伴隨著植被對地下水補給的需求不同，造成地表植被特征發生變化的同時，土壤的平均粒徑也呈現不斷粗化的趨勢。標準偏差大小順序依次為(>4 m)>1—2 m>3—4 m>0—1 m>2—3 m，其分選級別分別為較差、差、較差、較差和差。偏度等級分別為近于對稱、近于對稱、近于對稱、負偏和負偏。除3 m以下處外，其余樣地表土頻率曲線形態不對稱，樣地波峰偏向粗粒度一側，細粒一側有一低的尾部，顆粒以粗組分為主，其中地下水埋深3—4 m處土壤顆粒組成較>4 m處草地更粗，顆粒組成以粉粒為主，僅含有少量黏粒，土壤顆粒分布較不對稱，總體偏向于粗顆粒的一側，人為擾動對土壤粗化作用明顯。各種樣地峰態均屬很尖窄，地下水埋深1—2 m和3—4 m處的樣地土壤顆粒分布較其他樣地集中。由表3可知，各樣地中粉粒為優勢顆粒，這與其偏度為近于對稱(數值均為近于0的負數)一致。這表明顆粒組成向細粒物質集中，而地下水埋深3 m以上處表現為向粗顆粒集中，極細砂和細砂含量增多，其偏度也表現為負偏。由于土壤分形維數數值大小與黏粒、粉粒等細顆粒含量呈正相關，與礫石、極粗沙等粗顆粒含量呈負相關關系[21]，研究區不同地下水埋深條件下的土壤分形維數變化不大，但地下水埋深0—1 m和3—4 m處分形維數呈最小值，2—3 m處其值最大，這也與表3中各種樣地顆粒組成粗細情況一致。

表4 不同地下水埋深條件下草地土壤顆粒參數

2.4 不同地下水埋深條件下土壤顆粒頻率分布曲線

土壤顆粒累計頻率分布曲線常用于分析土壤顆粒的分布情況，不僅可定性地獲取偏度、峰度等信息，還可以從曲線的陡峻屬性判斷顆粒顆粒分布均勻情況[21]。分別以不同地下水埋深條件樣地的表層土壤粒徑累計頻率及不同樣地間的平均距離值繪制分布曲線(圖2)，可以看出不同樣地粒徑分布存在差異，樣地地下水埋深2—3 m處的土壤顆粒分布均勻程度表現最好，且顆粒組成較細。地下水埋深0—2 m和>4 m處的表土累積分布曲線介于埋深2—3 m和3—4 m之間。地下水埋深3—4 m處土壤顆粒分布開始時變化較快，但約在45 μm后開始變緩，并緩慢升高，說明顆粒多集中在大于45 μm范圍以外，結合表1和表3中數據，可知其顆粒分選性相對于其他草地呈最差，顆粒均較粗且分選性差，這也印證了該處地下水埋深對植被影響較大時，對土壤顆粒結構也產生一定影響。

土壤粒度累積頻率間平均距離反映了樣地間顆粒差異情況，本研究中不同樣地土壤粒度累積頻率間平均距離最大值出現在30 μm處左右。這不僅說明研究區土壤整體差異在30 μm時較大，而且也證實其為研究區易風蝕顆粒為粉粒。由圖2的柱狀圖可知，樣地中土壤小于1 mm粒度組分總體上隨著地下水埋深增加而降低，與此同時，2—3 m處的粗顆粒(表層>1 mm)逐漸增多。這說明隨著地下水補給條件的變化，地表植被發生演變，土壤顆粒也隨之發生轉變。

圖2 不同地下水埋深條件下土壤顆粒頻率分布

3 討 論

草地植被特征在地下水埋深變化過程中表現最直觀和敏感，不僅是地下水變化的一種重要指征，也是草地生態系統功能改變的主要測度。本研究中，隨著草地地下水埋深的不斷增加，優勢種植被生態型由中生向旱生發生轉變，地表特征也隨之發生變化。且隨著草地地下水埋深下降程度的加劇，優良牧草的種類及產量逐漸降低。分析其原因，可能是由于半干旱區的環境因素加劇了草原生態系統的脆弱性和不穩定性。且在地下水變化過程中，地下水埋深對應著適合本生境的典型優勢種植被類型，并對植物群落數量和分布格局以及群落的結構和功能都有不同程度的影響；與此同時，其也通過相關作用造成土壤流失和地表組成物質粗化等進而影響群落類型和特征的演變。西遼河流域平原區是典型的半干旱區，生態環境脆弱，地下水埋深與草本植被的分布演變及土壤顆粒特征必然存在一定的內在聯系。研究區草地土壤水分含量與植被群落多樣性指數和地表特征等均顯著正相關，隨著地下水埋深的不斷增加，植物生長所需的水分條件發生變化，植物地表特征與多樣性指數也相應變化，其中生物量、蓋度和多種多樣性指數均在地下水埋深2—3 m處出現峰值。以上結果揭示出研究區優勢植被由多年生深根植被向一年生淺根植被過渡，地下水埋深2—3 m處可能為植被演變臨界閾范圍值；與此同時，研究結果還揭示出0—1 m的地下水埋深可能抑制了植被生長，這可能與研究區具有強烈的蒸散發，使得地下水埋深較低處土壤鹽堿化明顯，從而在很大程度上限制了植被生長；而>4 m的地下水埋深值同時也可能被相應的植被種群所適應。即根據不同地下水補給條件提出不同的植被恢復政策與方法，對研究區生態環境保護等具有重要現實意義。

在農牧交錯帶地區，由地下水埋深變化引起的土壤包氣帶變化是土壤退化最重要的原因之一。包氣帶在水循環中具有其獨特的地位和功能，其水分來源主要包括大氣降水的入滲以及地表水體的滲漏和通過毛細作用輸送的水分等[22]。西遼河流域通遼平原區地表水匱乏，隨著全球氣溫的上升，蒸發量不斷增加，降水對地下水補給作用由于地下水埋深的不斷增加，即包氣帶逐漸增厚，而不斷減弱[23]，必將對土壤理化特征產生影響。土壤粗化不僅造成土壤的緊實度發生變化，還會對土壤水分等其他物理性質產生影響作用。本研究表明土壤容重隨著草地地下水埋深變化而發生變化，土壤容重與平均粒徑極顯著正相關，而植被多樣性和土壤分形維數與其呈極顯著負相關。隨著草地地下水埋深的加劇，土壤含水量降低，這與魏彬等[24]通過對土壤含水量與地下水埋深的關系進行分析所得結論相似，即地下水埋深是影響土壤含水量的重要因素，土壤含水量與地下水埋深之間存在顯著的負相關關系。土壤水分的減少不僅會直接影響草地特征的變化，特別是生產力和覆蓋度的減少，且還會導致表土更加容易遭到侵蝕。本文通過含水率與其他環境指標相關性分析，也證實其對植被生長和土壤理化性質具有一定影響作用。另一方面，胡曉蕾等[25]通過陜西省楊凌區西北農林科技大學節水灌溉試驗站的野外試驗，證實隨著包氣帶的增厚，分形維數呈減小趨勢變化。本文的結論與這些前人成果較為相似，即隨著地下水埋深的增加，研究區土壤分形維數總體呈減少趨勢，但是經歷先增加后減少的過程，這可能也與地表植被對土壤作用影響有關[25]。綜上所述，草地地下水變化在引起土壤結構遭到破壞的同時使土壤含水量降低，最終導致草地植被發生演替。

近年來，研究區耕地面積不斷擴張，形成眾多斑塊化的草地。與此同時，大量機電水井用于灌溉農田，造成研究區地下水埋深加劇，出現地下水漏斗區，進而嚴重影響植被生長，地表細粒物質極易被吹蝕；此外，由于補給條件的變化，植被蓋度不同程度地減少，缺乏保護的土層蒸發加劇，土體變干并逐漸疏松，一旦形成破口，風蝕將向表土以下發展并逐漸擴張，使得研究區土壤粗化愈加嚴重。研究區中地下水埋深0—1 m和3—4 m處草本植被蓋度和生物量最低，與之相對應的是其分形維數也最小，土壤較粗化，雖然粉粒含量較高，但是細砂和中砂比例升高，顆粒組成較分散，致使表土細粒物質被吹蝕[26]。采取有效的地下水保護措施，不僅對作物生長十分有利，還兼具保水功能，從而防止土壤細粒物質被吹蝕。同時作物生長也在改良土壤，形成寶貴的團粒結構，促進保水保肥，提高土體的抗風蝕能力，這對于土壤本身較干旱貧瘠的干旱半干旱地區尤為重要。

4 結 論

通過對西遼河流域通遼平原區不同地下水埋深條件下草地樣方的植被地表特征和地表(0—10 cm)土壤的粒度組成進行分析，得到以下結論：

(1) 隨著地下水埋深變化，研究區植被群落的演替表現為非地帶性草甸植被向地帶性典型草原植被的演替過程。不同地下水埋深條件下植被各種多樣性指標值大小順序為2—3 m>1—2 m>0—1 m>(>4 m)>3—4 m。

(2) 研究區表層土壤粒度組成以粉粒為主，通過對土壤顆粒平均粒徑、顆粒分形維數及分選級別等指標進行分析，研究區土壤隨著地下水埋深條件變化逐漸呈粗化。

(3) 土壤粒度分布頻率曲線和粒度累積頻率間平均距離顯示研究區粒徑為30 μm附近顆粒為易風蝕顆粒，且地下水埋深條件變化，對研究區植被及土壤具有一定的影響作用。