黑河中游鹽堿地植物生長(zhǎng)與水分變化關(guān)系分析

牛赟，李秉新，苗毓鑫，王藝林，邊彪

1. 甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院 紅沙窩荒漠化綜合防治試驗(yàn)站，甘肅 張掖 734000；2. 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000；3. 甘肅張掖生態(tài)科學(xué)研究院 甘肅省祁連山生態(tài)科技創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)，甘肅 張掖 734000

黑河中游鹽堿地植物生長(zhǎng)與水分變化關(guān)系分析

牛赟1,2,3，李秉新1,3，苗毓鑫1,3，王藝林1,3，邊彪1,3

1. 甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院 紅沙窩荒漠化綜合防治試驗(yàn)站，甘肅 張掖 734000；2. 中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000；3. 甘肅張掖生態(tài)科學(xué)研究院 甘肅省祁連山生態(tài)科技創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)，甘肅 張掖 734000

為了探索在鹽堿地荒漠化防治中植物對(duì)水分變化的響應(yīng)機(jī)理，提取黑河流域中游荒漠區(qū)建立的試驗(yàn)站長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)的生物量、蓋度、土壤各層質(zhì)量含水率、地下水埋深、降水量等數(shù)據(jù)，采用特征參數(shù)算法、相關(guān)和多元回歸分析方法，研究植物生長(zhǎng)和水分的年內(nèi)、年際變化特征及相關(guān)回歸模型。結(jié)果表明，（1）2006─2014年，蓋度、生物量、地下水埋深呈波動(dòng)性增加趨勢(shì)，0～10、10～20、20～40、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率和降水量呈波動(dòng)性略有減少趨勢(shì)。（2）在一年植物生長(zhǎng)季的3─11月份，降水量、地下水埋深、土壤各層含水率、生物量和蓋度等指標(biāo)變化趨勢(shì)基本一致。（3）建立了蓋度與生物量、10～60cm（10～20、20～40、40～60 cm）土壤質(zhì)量含水率、降水量、地下水埋深的回歸模型以及生物量與蓋度、10～60cm（10～20、20～40、40～60 cm）土壤質(zhì)量含水率、降水量、地下水埋深的回歸模型，且均通過(guò)了R2擬合檢驗(yàn)、F方差檢驗(yàn)、t偏回歸系數(shù)檢驗(yàn)。建立的模型可以解釋植物蓋度、生物量的變差分別為95.3%、98.6%。該研究可為鹽堿地荒漠化防治的水資源管理以及退耕還林、天然林保護(hù)等提供理論支撐和參考數(shù)據(jù)。

生物量；蓋度；土壤質(zhì)量含水率；鹽堿地荒漠化防治；黑河中游

NIU Yun, LI Bingxin, MIAO Yuxin, WANG Yilin, BIAN Biao. The Relation between Desert Plant Growth and Changes of Water in Saline and Alkaline Land in Heihe Middle Reaches [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(12): 1969-1975.

全球干旱半干旱區(qū)域面積約占陸地總面積的三分之一，近百年來(lái)，氣候變暖使得中緯度地區(qū)的干旱半干旱區(qū)范圍不斷擴(kuò)大（Dai，2011；Seneviratne，2002）。土地鹽堿荒漠化，其本質(zhì)是地下水位的調(diào)控，既要考慮如何讓水分滿足植物的生長(zhǎng)需要，也要考慮地下水位過(guò)高而形成泛鹽堿的問(wèn)題（常兆豐等，2012）。假如我們掌握了植物生長(zhǎng)對(duì)降水、土壤水、地下水變化的響應(yīng)機(jī)理，一方面，可合理科學(xué)調(diào)控地下水資源，如通過(guò)限制機(jī)井?dāng)?shù)量、控制地下水埋深等方式滿足植物生長(zhǎng)對(duì)水分的需要；另一方面，通過(guò)植物生長(zhǎng)指標(biāo)評(píng)估水資源利用與管理工作，如在流域上、中、下游地區(qū)和各部門水資源比例分配，農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水比重調(diào)控，以及退耕還林、天然林保護(hù)、黑河流域綜合治理等工程對(duì)水資源的影響評(píng)估等。

有許多學(xué)者通過(guò)植物組織含水量、蒸騰速率、水勢(shì)、滲透勢(shì)等測(cè)定研究植物體內(nèi)水分對(duì)植物形態(tài)、生理活動(dòng)的影響（奚如春等，2006；白登忠等，2003；潘瑞熾，2004），而本文是關(guān)于荒漠區(qū)植物生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境水分（如土壤水）變化的研究，重點(diǎn)關(guān)注降水、土壤水、地下水對(duì)生物量、蓋度等方面的影響（趙傳燕等，2009；劉冰等，2011；閆峰等，2013）?；哪乐未胧┲?，要考慮氣候、土壤、地下水等環(huán)境因素的綜合作用結(jié)果（趙良菊等，2008；趙文智等，2006），基于這些考慮，2006年甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院在黑河流域中游建立“紅沙窩荒漠化綜合防治試驗(yàn)站”進(jìn)行長(zhǎng)期定位多要素監(jiān)測(cè)。已取得了與土地荒漠化和沙塵暴發(fā)生、發(fā)展等相關(guān)的氣象、水文、土壤、植被等9年連續(xù)完整數(shù)據(jù)。本文提取不同土層（0～20、20～40、40～60、60～80 cm）土壤質(zhì)量含水率、生物量、蓋度、地下水埋深、降水等數(shù)據(jù)開(kāi)展研究。

1　數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

1.1研究區(qū)概況

黑河流域地處中國(guó)西部，全長(zhǎng)821 km，跨青海、甘肅和內(nèi)蒙古3?。▍^(qū)），總面積13×104km2，高山、河流、農(nóng)田、牧場(chǎng)、荒漠、沙漠等生態(tài)類型齊全，還保存著大批珍稀野生動(dòng)植物資源，是我國(guó)及全球物種資源庫(kù)的一個(gè)重要組成部分，也是我國(guó)西北干旱地區(qū)最大的內(nèi)陸河流域之一。黑河中游是指黑河出山口鶯落峽至正義峽之間的地區(qū)。研究區(qū)北依合黎山與內(nèi)蒙古自治區(qū)相鄰，南部緊靠祁連山并與青海省接壤，東部以金昌市為齊，西部與酒泉毗鄰。北部分布著巴丹吉林沙漠、騰格里沙漠和塔克拉瑪干三大沙漠，風(fēng)沙線長(zhǎng)達(dá)1600 km。地跨北緯37°28′～39°57′、東經(jīng) 97°20′～102°12′，平均海拔1200～1700 m。屬溫帶干旱大陸性荒漠氣候，年均氣溫7.4～8.5 ℃，年均降水量108.3～150 mm，降水主要集中在6─9月，占全年降水量的70%～80%，年蒸發(fā)量 1340.7～2388.0 mm。該區(qū)人口聚集，人類活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾最為劇烈，土地受人為活動(dòng)影響也最顯著。其天然植被稀疏，主要有白刺（Nitraria tangutorum）、紅砂（Reaumuria songarica）、木本豬毛菜（Salsoal arbuscula）和泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa）等旱生植物，地帶性土壤為灰漠土、灰鈣土和灰棕漠土；非地帶性土壤有風(fēng)沙土、草甸土、沼澤土、鹽漬土和灌淤土等?？偟奶攸c(diǎn)是土壤貧瘠、有機(jī)質(zhì)缺乏、質(zhì)地較粗、含鹽量高、屬荒漠土類，生態(tài)地域復(fù)雜，具有平原荒漠植被的特征，在植被地理規(guī)律和地理時(shí)空分布上分異明顯，有古老和現(xiàn)代特征。地貌景觀類型有流動(dòng)、半流動(dòng)、固定、半固定沙丘以及丘間低地。

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源及監(jiān)測(cè)方法

紅沙窩荒漠化綜合防治試驗(yàn)站位于甘肅省張掖市中心以北15 km處，海拔1450 m，地理坐標(biāo)為39°01′46.3″N，100°31′56.2″E，各試驗(yàn)點(diǎn)位置如表1所示。降水量數(shù)據(jù)來(lái)自氣象站，每晝夜0～23點(diǎn)每小時(shí)整點(diǎn)采收1次數(shù)據(jù)；地下水埋深數(shù)據(jù)來(lái)自1號(hào)井和2號(hào)井，每月15號(hào)調(diào)查1次，由于1號(hào)井?dāng)?shù)據(jù)不完整，因此僅取2井的平均值；土壤質(zhì)量含水量數(shù)據(jù)來(lái)自于鹽堿地1～4號(hào)樣地周邊隨機(jī)選取3個(gè)有代表性的樣地挖剖面取土樣，每月15號(hào)調(diào)查1次；生物量和蓋度數(shù)據(jù)來(lái)源于鹽堿地1～7號(hào)，大小為20 cm×20 cm的固定樣地（如表1），由于研究區(qū)荒漠化植物較稀疏，主要是白刺、紅砂、木本豬毛菜、泡泡刺等小灌木和草木植物。因此，選擇20 cm×20 cm的小樣方于每月15號(hào)調(diào)查1次。本文提取2006—2014年相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

表1　黑河流域中游紅沙窩荒漠化綜合試驗(yàn)點(diǎn)位置列表Table 1 The positions of test point of desertification control in Hongshawo in saline and alkaline land of Heihe middle reaches

1.2.1土壤質(zhì)量含水率數(shù)據(jù)

土壤質(zhì)量含水率數(shù)據(jù)采用大環(huán)刀在試驗(yàn)站固定樣地上定期取樣，取樣深度60 cm，分4個(gè)層次，各層范圍分別為0～10、10～20、20～40、40～60 cm，每層取樣重復(fù)3次。采回的土樣在實(shí)驗(yàn)室中采用烘干法（105 ℃）測(cè)定其質(zhì)量含水率Sw，Sw=(m2-m)×(100m)-1，其中 Sw為土壤質(zhì)量含水率（%）；m2為濕土質(zhì)量（g）；m為烘干土質(zhì)量（g）。在各樣地內(nèi)采用多剖面重復(fù)測(cè)定，從3月植物生長(zhǎng)開(kāi)始，每月 15日采樣（期間若發(fā)生降水事件，觀測(cè)時(shí)間則推遲至降水后 1 h，若全天降水則次日取樣），采樣持續(xù)至11月份植物生長(zhǎng)停止（牛赟等，2014）。

1.2.2生物量和蓋度數(shù)據(jù)

樣方內(nèi)每株植物覆蓋總面積與樣方面積之比求得植物平均蓋度；生物量測(cè)定選擇傳統(tǒng)的收割法（崔清濤等，1994），也就是選擇與固定樣地植物特征最相似、大小相同的3塊隨機(jī)樣地，將樣方植物的地上部分全部收割，然后帶回實(shí)驗(yàn)室稱取其鮮重和干重，干重與樣方面積之比求得生物量。

1.3分析方法

1.3.1特征值參數(shù)算法

用以下公式分別計(jì)算不同土層（0～10、10～20、20～40、40～60 cm）土壤質(zhì)量含水率、生物量、蓋度、地下水埋深、降水量年內(nèi)、年際變化平均值μ、標(biāo)準(zhǔn)差σ、變異系數(shù) Cv。式中 xi為各因子統(tǒng)計(jì)參數(shù)，N為年份數(shù)。

1.3.2相關(guān)分析法

利用以下公式求得相關(guān)系系數(shù)r，式中μx、μy、σx、σy分別為0～10 cm（Sw5，%）、10～20 cm（Sw15，%）、20～40 cm（Sw30，%）、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率（Sw50，%）、生物量（B，g·m-2）、蓋度（C，%）、地下水埋深（D，cm）、降水量（P，mm）的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，n為數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)。

1.3.3多元回歸分析法

通過(guò)植物生長(zhǎng)和水分系數(shù)擬合計(jì)算、方差分析、回歸模型優(yōu)度R2檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)等，最后建立蓋度與土壤各層質(zhì)量含水率和降水量5項(xiàng)因子的回歸模型。

2　結(jié)果與分析

2.1植物生長(zhǎng)和水分年際變化特征分析

從表2可以看出，根據(jù)平均值μ、標(biāo)準(zhǔn)差σ統(tǒng)計(jì)分析，2006─2014年，研究區(qū)0～10、10～20、20～40、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率，蓋度，生物量，地下水埋深，降水量年均值分別為 17.94%、20.76%、21.32%、21.43%，20.22%，204.89 g·m-2，271.63 cm，141.56 mm；波動(dòng)范圍分別為 11.51%～24.37%、14.89%～26.63%、16.14%～26.51%、16.61%～26.24%，16.99%～23.44%，143.39～266.39 g·m-2，236.01～307.25 cm，106.50～176.62 mm，區(qū)間波動(dòng)的幾率占68%。通過(guò)變異系數(shù)Cv統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合圖1，2006─2014年，變化幅度從大到小依次為0～10 cm土壤質(zhì)量含水率、生物量、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、降水量、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率、蓋度、地下水埋深。從年際變化趨勢(shì)可看出，蓋度、生物量、地下水埋深呈波動(dòng)性增加趨勢(shì)，0～10、10～20、20～40、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率和降水量呈波動(dòng)性略有減少趨勢(shì)。

表2　黑河流域中游鹽堿地植物生長(zhǎng)和水分年際變化特征Table 2 The interannual variation features of plant growth and water in saline and alkaline land in Heihe middle reaches

2.2植物生長(zhǎng)和水分年內(nèi)變化特征分析

除降水量采用月累積算法外，其它各因子均采用月平均算法，分析結(jié)果如圖2所示。在一年植物生長(zhǎng)季的3─11月份，降水量、地下水埋深變化趨勢(shì)基本一致，3月份累積降水量為4.14 mm，地下水埋深平均為83.56 cm，隨后均逐漸增大，直到7月份累積降水量為 36.10 mm，地下水埋深平均為578.11 cm，達(dá)到最大值，然后又逐漸降低，進(jìn)入10月份后，地下水埋深平均為191.89 cm，11月份又升為300.20 cm，而降水量繼續(xù)降低至11月份的0.70 mm。各土層土壤含水率變化趨勢(shì)基本一致，3月份各層土壤質(zhì)量含水率平均值為21.06%，隨著時(shí)間推延而逐漸降低，6─9月份降到最低，平均為18.89%，而后逐漸升高，直到 11份達(dá)到最大值，平均為28.80%。從土壤含水率垂直變化來(lái)看，土壤質(zhì)量含水率月均值從淺到深逐漸增大。生物量和蓋度變化步調(diào)基本一致，3月份蓋度為19.44%，生物量為129.5 g·cm-2，隨后均逐漸增大，直到8─9月份蓋度為23.82%，生物量為286.78 g·cm-2，達(dá)到最大值，然后又逐漸降低，直到11月份蓋度為17.27%，生物量為138.95 g·cm-2。

圖1　黑河流域中游鹽堿地植物生長(zhǎng)和水分年際變化特征Fig. 1 The interannual variation features of plant growth and water in saline and alkaline land in Heihe middle reaches

如表3、圖2所示，在植物生長(zhǎng)季的3─11月份，變化幅度（變異系數(shù)）從大到小依次為降水量、地下水埋深、生物量、0～10 cm土壤質(zhì)量含水率、蓋度、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率，說(shuō)明降水量和地下水埋深變化最劇烈，20～40 cm深土壤質(zhì)量含水率變化最小、最穩(wěn)定。

圖2　黑河流域中游鹽堿地植物生長(zhǎng)和水分年內(nèi)變化特征Fig. 2 The annual variation features of plant growth and water in saline and alkaline land in Heihe middle reaches

表3　黑河流域中游鹽堿地植物生長(zhǎng)和水分年內(nèi)變化特征Table 3 The interannual variation features of plant growth and water in saline and alkaline land in Heihe middle reaches

表4　黑河流域中游鹽堿地植物生長(zhǎng)和水分相關(guān)系數(shù)Table 4 The correlation coefficient of plant growth and water in saline and alkaline land in Heihe middle reaches

2.3植物生長(zhǎng)和水分相關(guān)性分析

一般地，相關(guān)系數(shù)|r|>0.95，存在顯著性相關(guān)；0.95≤|r|≥0.8高度相關(guān)；0.5≤|r|＜0.8中度相關(guān)；0.3≤|r|＜0.5低度相關(guān)；|r|＜0.3關(guān)系極弱，認(rèn)為不相關(guān)。從表4可以看出，蓋度與生物量、降水量高度正相關(guān)，與20～40、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率呈中度負(fù)相關(guān)，與地下水埋深中度正相關(guān)，與10～20 cm土壤質(zhì)量含水率降低度負(fù)相關(guān)，與10～20 cm土壤質(zhì)量含水率關(guān)系極弱。生物量與蓋度高度正相關(guān)，與20～40 cm土壤質(zhì)量含水率高度負(fù)相關(guān)，與10～20、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率中度負(fù)相關(guān)，與地下水埋深中度正相關(guān)，與降水量低度正相關(guān)，與10～20 cm土壤質(zhì)量含水率關(guān)系極弱。這是因?yàn)榛哪}堿地植物利用水分的方式有兩種：一是利用深根吸收地下水或深層土壤水，二是利用發(fā)達(dá)的淺層水平根系吸收各層土壤水（Dawson et al.，1996）。此外，還有的植物具有二態(tài)性根系，能夠更靈活地適應(yīng)干旱區(qū)環(huán)境（張麗等，2004）。本研究區(qū)植物主要為鹽堿濕地植物，根系較長(zhǎng)，地下水埋深的泛鹽堿對(duì)其生長(zhǎng)影響較大。因此，植物生長(zhǎng)與地下水埋深有關(guān)，與表層（0～10 cm深）土壤水分關(guān)系較弱。根據(jù)相關(guān)性分析，篩選植被蓋度與生物量、降水量、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率、40～60cm土壤質(zhì)量含水率、地下水埋深進(jìn)行回歸模型分析，生物量與蓋度、降水量、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率、地下水埋深進(jìn)行回歸分析。

2.4回歸模型分析

2.4.1回歸模型擬合分析

因變量和自變量如表5所示，經(jīng)擬合分析，蓋度擬合模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.976，屬于高度正相關(guān)；復(fù)測(cè)定系數(shù)R2為0.953，說(shuō)明回歸模型的擬合效果較好，也表明模型可以解釋蓋度變差的95.3%。調(diào)整后復(fù)測(cè)定系數(shù)為0.811，說(shuō)明模型可說(shuō)明蓋度的81.1%，還有19.9%需要由其他因素來(lái)解釋，比如陸面的微地形變化等因子。標(biāo)準(zhǔn)誤差為1.489，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值之間誤差平均為 1.489，此值越小，說(shuō)明擬合程度越好。同理，如表5所示，生物量模型擬合更為理想。

表5　黑河流域中游鹽堿地植物生長(zhǎng)和水分?jǐn)M合系數(shù)Table 5 The matching coefficient of plant growth and water in saline and alkaline land in Heihe river middle reaches

2.4.2回歸模型方差分析

從表6可以看出，生物量、降水量、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率、地下水埋深對(duì)其平均值的總偏差為SSr，即變差值為89.250，回歸均方差MSr為14.875；蓋度觀測(cè)值對(duì)其預(yù)測(cè)值的總偏差SSe為4.435，剩余均方差MSe為2.217。F值是MSr和 MSe的比值，由于我們期望MSe越小越理想，期望MSr越大越理想，所以，F(xiàn)值越大，說(shuō)明對(duì)蓋度預(yù)測(cè)結(jié)果越理想。求得F檢驗(yàn)值為6.708（如表6），查得F0.5（6，2）的臨界值Fa為1.282，F(xiàn)檢驗(yàn)值大于臨界值 Fa，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)蓋度在 a=0.5（P＜0.5)水平上極顯著，且置信度為95%以上。同理，生物量模型中，求得F檢驗(yàn)值為24.196（如表5），查得F0.05（6，2）的臨界值 Fa為 19.33，F(xiàn)檢驗(yàn)值大于臨界值 Fa，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)生物在 a=0.05（P＜0.05)水平上也極顯著，且置信度為99.5%以上。

2.4.3回歸模型偏回歸系數(shù)分析

偏回歸系數(shù)分析主要是檢驗(yàn)偏相關(guān)系數(shù)的顯著程度，如表7a，除40～60 cm土壤質(zhì)量含水率系數(shù)對(duì)應(yīng)的P值小于0.7以外，常數(shù)、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率、蓋度、地下水埋深、降水量對(duì)應(yīng)的P值均小于0.5。因此，a=0.5水平上，查得 t0.5(8)的臨界值為 0.706；a=0.7水平上，查得t0.7(8)的臨界值為0.399。從表7a可看出，其相對(duì)應(yīng)的t檢驗(yàn)值的絕對(duì)值均大于臨界值，這說(shuō)明40～60 cm土壤質(zhì)量含水率在a=0.7水平上偏相關(guān)系數(shù)差異顯著，即置信度大于 93%，常數(shù)、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率、蓋度、地下水埋深、降水量在a=0.5水平上相關(guān)系數(shù)差異顯著，即置信度大于95%；同理，如表7b，蓋度、降水量、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率、地下水埋系數(shù)在a=0.5水平上相關(guān)系數(shù)差異顯著，即置信度大于95%。

表6　黑河流域中游鹽堿地植物生長(zhǎng)和水分方差分析Table 6 The analysis of variance of plant growth and water in saline and alkaline land in Heihe middle reaches

表7　黑河流域中游鹽堿地蓋度與水分偏回歸系數(shù)Table 7 The partial regression coefficients of plant coverage and water in saline and alkaline land in Heihe middle reaches

表8　黑河流域中游鹽堿地生物量與水分偏回歸系數(shù)Table 8 The partial regression coefficients of plant biomass and water in saline and alkaline land in Heihe middle reaches

綜合上述R2擬合檢驗(yàn)、F方差檢驗(yàn)、t偏回歸系數(shù)檢驗(yàn)，可得出蓋度與生物量、降水量、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率、地下水埋深的回歸模型和生物量與蓋度、降水量、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率、地下水埋深的回歸模型分別為：

式中Sw15、Sw30、Sw50，B、C、D、P分別為10～20、20～40、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率（%），生物量（g·m-2）、蓋度（%）、地下水埋深（cm）、降水量（mm）。

3　結(jié)論與討論

3.1討論

黑河中游鹽堿地由于地下水位下降，形成了沼澤，如果地下水位持續(xù)下降，將導(dǎo)致沼澤退去，土地裸露。強(qiáng)烈的土壤蒸發(fā)使土壤表層開(kāi)始積鹽，隨著時(shí)間推移，土壤鹽分逐漸增加，最終發(fā)育成了鹽堿地（王金葉等，1999）。土地鹽堿化防治其中一項(xiàng)重要措施是調(diào)控土壤水，使其能夠維持植物的正常生命，同時(shí)防止地下水泛鹽堿。本研究發(fā)現(xiàn)，由于10～20、20～40、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率，地下水埋深和降水量可以解釋蓋度變差的95.3%。利用蓋度和生物量的回歸模型原理，通過(guò)對(duì)機(jī)井?dāng)?shù)量的控制來(lái)調(diào)節(jié)土壤含水量指標(biāo)，確定植物生長(zhǎng)對(duì)水分的最低要求閥值指標(biāo)；另外，以鹽堿地植物生長(zhǎng)與水分是否滿足需要為標(biāo)準(zhǔn)，在分配各部門水資源比例，安排農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水比重，以及退耕還林、天然林保護(hù)、黑河流域綜合治理等工程對(duì)水資源的影響等。河川徑流是干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的主要水資源。流域內(nèi)往往存在上、中、下游地區(qū)和各部門實(shí)行公平合理的水資源分配問(wèn)題。例如黑河流域，國(guó)家計(jì)委和水利部先后于1992年和1997年批準(zhǔn)了黑河分水方案。流域上游常常建有水力發(fā)電站，人工調(diào)控向中下游供水。在這些水資源調(diào)控和管理中，本文研究的植物生長(zhǎng)和水分年內(nèi)、年際變化規(guī)律以及蓋度和生物量的回歸模型都可提供科技支撐和參考數(shù)據(jù)。

關(guān)于研究結(jié)論方面，在黑河中下游地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)2006年地下水位與黑河分水前（2000年）的地下水位相比較有顯著下降，平均下降0.96 m（趙傳燕等，2009）；本研究認(rèn)為，2006年以后，中游地下水位仍有持續(xù)下降趨勢(shì)，但在短時(shí)間內(nèi)下降表現(xiàn)不明顯。對(duì)黑河流域荒漠區(qū)降水特征及其土壤水分對(duì)降水脈動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)土壤水分對(duì)降水脈動(dòng)具有顯著的響應(yīng)，小于5 mm降水對(duì)淺根植物如一年生草本的生存有重要的意義；大于5 mm降水能有效地補(bǔ)充根層土壤水分，使荒漠植物在干旱條件下得以生存和生長(zhǎng)（劉冰等，2011）。本研究認(rèn)為，降水與土壤水呈中度正相關(guān)，與該研究結(jié)論一致，但本研究在年際和年內(nèi)月際尺度上研究降水、土壤水、地下水對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，而沒(méi)有開(kāi)展單次降水對(duì)不同植物的生長(zhǎng)影響，在以后的工作中，需要重點(diǎn)關(guān)注較短時(shí)間尺度上降水和蒸發(fā)對(duì)植物生長(zhǎng)的影響。

3.2結(jié)論

（1）2006─2014年，研究區(qū)0～10、10～20、20～40、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率，蓋度、生物量、地下水埋深、降水量年均值分別為 17.94%、20.76%、21.32%、21.43%，20.22%、204.89 g·m-2、271.63 cm、141.56 mm；波動(dòng)范圍分別為 11.51%～24.37%、14.89%～26.63%、16.14%～26.51%、16.61%～26.24%，16.99%～23.44%、143.39～266.39 g·m-2、236.01～307.25 cm、106.50～176.62 mm，區(qū)間波動(dòng)的幾率占68%。蓋度、生物量、地下水埋深呈波動(dòng)性增加趨勢(shì)，0～10、10～20、20～40、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率和降水量呈波動(dòng)性略有減少趨勢(shì)。

（2）在一年植物生長(zhǎng)季的3─11月份，降水量、地下水埋深變化趨勢(shì)基本一致，各土層土壤含水率變化趨勢(shì)基本一致，生物量和蓋度變化趨勢(shì)基本一致。變化幅度（變異系數(shù)）從大到小依次為降水量、地下水埋深、生物量、0～10 cm土壤質(zhì)量含水率、蓋度、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率，說(shuō)明降水量和地下水埋深變化最劇烈，20～40 cm土壤質(zhì)量含水率變化最小、最穩(wěn)定。

（3）建立了蓋度與生物量、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率、降水量、地下水埋深的回歸模型以及生物量與蓋度、10～20 cm土壤質(zhì)量含水率、20～40 cm土壤質(zhì)量含水率、40～60 cm土壤質(zhì)量含水率、降水量、地下水埋深的回歸模型，且均通過(guò)了 R2擬合檢驗(yàn)、F方差檢驗(yàn)、t偏回歸系數(shù)檢驗(yàn)。建立的模型可以解釋植物蓋度、生物量的變差分別為95.3%、98.6%。

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The Relation between Desert Plant Growth and Changes of Water in Saline and Alkaline Land in Heihe Middle Reaches

NIU Yun1,2,3, LI Bingxin1,3, MIAO Yuxin1,3, WANG Yilin1,3, BIAN Biao1,3
1. Academy of Water Resource Conservation Forests of Qilian Mountains in Gansu Province, Test station of desertification control in Hongshawo, Zhangye 734000, China; 2. Cold And Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China; 3. Academy of Ecology Science of Zhangye, Gansu Science and Technology Innovation Service Platform of Ecology in Qilian Mountains ,Gansu Province, Zhangye 734000, China

In order to explore response natural desert plant growth to changes of water in desertification of saling and alkaline control, extracted of establish long-term monitoring data about soil moisture content of each layer, vegetation biomass, coverage, groundwater depth and rainfall, which had come from test station of desertification of saling and alkaline control in Hongshawo had been set up in desert area in Heihe middle reaches, and the algorithm of characteristic parameters, correlation and multiple regression analysis method had been used, and response characteristics of natural desert plant growth and changes of water interannual and annual variance had been studied. Results show that: (1) The coverage, biomass and groundwater depth showed a trend of volatility increase, but the average moisture content of soil depth from 0 cm to 10 cm, from 10 cm to 20 cm, from 20 cm to 40 cm, from 40 cm to 60 cm and precipitation showed a trend of slightly volatility decrease from 2006 year to 2014 year in the research area. (2) In the growing season from March to November, the variance pace of each layer soil moisture content, coverage and biomass, precipitation and groundwater depth all were resemblance. (3) The regression model of coverage and regression model of biomass had been passed by R2test, F test and t test, and it was applicable and expandable. Through model analysis, the regression model of coverage could explain 95.3% variation of the coverage, and the regression model of biomass could explain 98.6% variation of biomass. This study could provide technology support and reference data for water resource management and evaluation of influence of water resource by engineering of returning farmland to forest, natural forest protection, comprehensive treatment of Heihe basin in desertification of saling and alkaline control.

biomass; coverage; moisture content of soil; desertification of saline and alkaline land control; Heihe river middle reaches

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.12.007

Q948; X171.1

A

1674-5906（2015）12-1969-07

甘肅省科技計(jì)劃項(xiàng)目（144JTCG254；145RJIG337）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41461004）

牛赟（1974年生），男，高級(jí)工程師，博士，主要從事生態(tài)水文學(xué)方面的研究。Email: niuyun2028@163.com *通信作者：李秉新（1960年生），男，高級(jí)工程師，主要從事水土保持與荒漠化防治方面的研究

2015-09-17

引用格式：牛赟, 李秉新, 苗毓鑫, 王藝林, 邊彪. 黑河中游鹽堿地植物生長(zhǎng)與水分變化關(guān)系分析[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(12): 1969-1975.