草原露天煤礦區(qū)植被對地下水位埋深變化的響應(yīng)

王 超，董少剛,*，賈志斌，夏蔓宏，侯慶秋

1 內(nèi)蒙古大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院， 呼和浩特 010021 2 內(nèi)蒙古自治區(qū)河流與湖泊生態(tài)重點實驗室， 呼和浩特 010021

內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)是構(gòu)筑北方生態(tài)安全屏障的重要組成部分,對區(qū)域生態(tài)環(huán)境功能發(fā)揮著極其重要的作用[1]。隨著草原煤礦開采強度和規(guī)模的逐年增大,草原礦區(qū)周圍淺層地下水逐漸被疏干,強烈改變了地下水賦存環(huán)境[2]。地下水是影響植被生長、分布的關(guān)鍵因子,當(dāng)?shù)叵滤幌陆抵烈欢ㄉ疃葧r,植被可能遭受水分脅迫[3],造成其地上、地下生物量[4-6]及其生理特性[7-9]上的改變,甚至影響其存活率[10]。當(dāng)?shù)叵滤宦裆钸^淺時,植物可能遭受鹽分脅迫[11-13]和缺氧脅迫。為了確定適宜植被生長的地下水位埋深,研究者們提出了生態(tài)地下水位埋深[14]等概念,同時利用遙感和統(tǒng)計學(xué)方法,建立不同地貌類型下地下水-植被相互響應(yīng)關(guān)系[15-20]。

傳統(tǒng)的樣方調(diào)查方法是了解區(qū)域植被動態(tài)變化、分析植被與地下水之間關(guān)系的重要手段之一[21-22]。而近年來,遙感技術(shù)因其信息量大、時效強和覆蓋范圍廣的特點,也正逐漸被廣泛應(yīng)用于探究大尺度空間區(qū)域內(nèi)地下水-植被響應(yīng)關(guān)系的研究中來[23-24]?；贛ODIS NDVI數(shù)據(jù),金曉媚對柴達木盆地[25]、銀川平原[26]、海流兔河流域[27]、黑河下游地區(qū)[28]植被與地下水位埋深的關(guān)系進行了分析,建立了利用遙感方法分析地下水-植被關(guān)系的典型模式。張茂省[29]采用生態(tài)-水文地質(zhì)調(diào)查與遙感定量分析相結(jié)合的方法,建立了陜北能源基地地下水位埋深與植被生態(tài)的依存關(guān)系,確定了影響植被生態(tài)的地下水位閾值和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)敏感性區(qū)劃。但目前對地下水-植被響應(yīng)關(guān)系的研究僅局限于探究大尺度空間區(qū)域內(nèi)二者的響應(yīng)關(guān)系,缺乏時間跨度上的動態(tài)對比分析。

本文以呼倫貝爾草原伊敏露天煤礦為例,結(jié)合野外樣方調(diào)查和遙感技術(shù)兩種方法,探究近30年來草原露天煤礦開采疏排地下水導(dǎo)致的地下水位下降對區(qū)域植被的影響。以求建立更加完善的地下水-植被響應(yīng)分析方法,更深刻地認(rèn)識露天采礦活動對生態(tài)地質(zhì)環(huán)境的影響,同時為防止草原退化以及草原煤礦區(qū)生態(tài)重建工作提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 研究區(qū)位置

華能伊敏煤電有限責(zé)任公司露天礦隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市鄂溫克族自治旗,地理坐標(biāo)為東經(jīng) 119°39′14″—119°45′38″,北緯 48°33′11″—48°37′31″。研究區(qū)以伊敏礦區(qū)為中心向外擴散,西為丘陵,南為臺地,東鄰伊敏河,呈一半封閉型盆地,海拔在607—723 m,地勢南高北低,東西兩側(cè)稍高,中心低洼,面積約142.70 km2(圖1)。

1.2 氣象水文

區(qū)內(nèi)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候,冬季寒冷漫長,夏季溫涼短促,春秋兩季氣溫變化急促,年均氣溫-1.9°C。年均降水量約355 mm,年均蒸發(fā)量約1341 mm。

區(qū)內(nèi)主要河流為伊敏河,研究區(qū)位于伊敏河中游。區(qū)內(nèi)地勢低洼處原有大小湖泊12個,近年來受伊敏露天煤礦疏排水的影響,除柴達敏諾爾及其北部季節(jié)性湖泊外,其余己基本全部干涸。湖水補給來源主要為大氣降水和第四系含水層中的地下水,排泄方式以垂直蒸發(fā)為主。

1.3 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

從水文地質(zhì)條件來看,研究區(qū)位于海拉爾盆地區(qū)域水文地質(zhì)單元的徑流區(qū),為第四系沖積孔隙水文地質(zhì)區(qū)(圖2)。本區(qū)地下水的補給來源主要為大氣降水和地表水體伊敏河的補給。大氣降水的補給源區(qū)一是通過盆地兩側(cè)的丘陵,低山區(qū)的基巖裸露區(qū)直接入滲,一是通過研究區(qū)內(nèi)的砂礫石裸露區(qū)入滲補給各含水層;伊敏河水與地下水的關(guān)系為豐水季節(jié)伊敏河水補給地下水,枯水季節(jié)地下水補給伊敏河水。

由于各地層滲透性存在差異,地下水徑流以在各地層中以順層流動為主,匯集于盆地內(nèi)各含水層中,在礦區(qū)疏排水的影響下,向露天礦疏干區(qū)排泄。地表水則以地表徑流的方式,匯集于盆地低洼處,或滲透于第四系地層中或以蒸發(fā)的形式排泄。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

2.1 植被樣方調(diào)查

采樣時間為2018年8月中旬。在地下水位埋深變化最為明顯和連續(xù)的露天采坑至柴達敏諾爾湖地段設(shè)置1條調(diào)查樣帶(圖3),每隔500 m左右布設(shè)1個樣地,每個樣地內(nèi)設(shè)置5個1 m×1 m的草本樣方。共布設(shè)8個樣地,40個樣方。在每塊樣地內(nèi)進行群落學(xué)調(diào)查。記錄樣地內(nèi)植物名稱、株叢高度(Hi)、群落總蓋度(C總)、種蓋度(分蓋度)(Ci),在樣方內(nèi)分別不同種類的植物齊地面剪下,分別稱其鮮重,包裝后帶回實驗室放置烘箱內(nèi),65℃下烘干至恒重后稱其干重,以獲取樣方內(nèi)每一種植物的生物量。

統(tǒng)計每個樣地植被群落的植被類型、物種豐富度、植被蓋度、地上生物量和綜合優(yōu)勢比(Summed dominance ratio)。在綜合優(yōu)勢比的基礎(chǔ)上提出科綜合優(yōu)勢比的概念,計算公式如下：

SDR科=(C科+W科)/2×100%

式中,SDR科為某一科植物在該樣地植被群落中的優(yōu)勢度;C科為(某一科植物的總蓋度/群落中總蓋度最大的某一科植物的總蓋度)×100%;W科為(某一科植物的總重量/群落中總重量最大的某一科植物的總重量)×100%。

2.2 地下水位埋深數(shù)據(jù)

本次研究根據(jù)1985和2014年地下水觀測孔實測的地下水位埋深數(shù)據(jù),在ArcGIS 10.2中通過克里金插值[30]獲得與NDVI數(shù)據(jù)分辨率一致的地下水位埋深的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。

2.3 遙感數(shù)據(jù)

歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)是目前廣泛采用的反映植被生長狀況的指數(shù),NDVI值位于-1至1之間。負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等;0表示地面為巖石或裸土等;正值表示地面有植被覆蓋,且NDVI值隨植被覆蓋度增大而增大。本文分別選用1985年8月21日Landsat_5和2014年9月4日Landsat_7衛(wèi)星數(shù)據(jù),分辨率為30 m30 m,云量少,使用ENVI 5.1經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正、裁剪等預(yù)處理后計算其NDVI值。

3 結(jié)果與討論

3.1 區(qū)域植被指數(shù)變化

從研究區(qū)NDVI分布圖中可以看出(圖4),截止到2014年,由于露天煤礦開采,1985年研究區(qū)內(nèi)存在的伊加諾爾、巴嘎諾爾兩個湖泊已消失,露天煤礦采坑代替了兩個湖泊的位置。北部柴達敏諾爾湖未受明顯影響。將NDVI以0.1為間距分為10個區(qū)間,分別統(tǒng)計每個區(qū)間內(nèi)NDVI的像元個數(shù)(圖5)。結(jié)果表明,1985年NDVI主要集中在0.5—0.7之間,到了2014年,NDVI主要集中在0.4—0.6之間。

圖5 1985年和2014年研究區(qū)NDVI像元個數(shù)統(tǒng)計圖Fig.5 Histogram of the number of NDVI pixel of the study area in 1985 and 2014

3.2 地下水位埋深變化

據(jù)資料記載(內(nèi)蒙古自治區(qū)伊敏煤田伊敏露天礦煤炭資源儲量核實報告),華能伊敏煤電有限責(zé)任公司露天礦疏干工程于1983年投運,導(dǎo)致礦坑及其周圍地下水水位持續(xù)下降。從1985年和2014年鉆孔觀測點監(jiān)測的地下水位埋深插值圖中可以看出(圖6),1985年地下水位埋深分布在0—16 m,除西南部分地區(qū)外,研究區(qū)地下水位埋深基本上小于5 m,伊敏河岸和湖泊周圍地下水位埋深最淺,分布在0—2 m;2014年,由于露天煤礦工程疏排地下水,使得以采坑為中心的研究區(qū)南部地下水位大幅下降,地下水位埋深最深處達111 m,研究區(qū)北部地下水位埋深受影響不明顯。

圖6 1985年和2014年地下水位埋深插值圖Fig.6 Interpolation figure of groundwater depth in 1985 and 2014

3.3 NDVI對地下位埋深變化響應(yīng)

1985年至2014年,伊敏煤礦開采疏排地下水導(dǎo)致研究區(qū)地下水位下降,同時,遙感數(shù)據(jù)表明,研究區(qū)植被也呈下降趨勢,二者可能存在密切關(guān)系。為了進一步確定地下水位埋深和植被的響應(yīng)關(guān)系,利用ArcGIS 10.2提取網(wǎng)格數(shù)據(jù)中相同位置的NDVI和地下水位埋深值,排除其他人為因素的影響,剔除研究區(qū)湖泊、居民區(qū)、耕地、采坑、排土場、污水庫位置的柵格點,共獲得8萬多個數(shù)據(jù)對。由于數(shù)據(jù)量較大,將地下水位埋深以1 m為間隔,分別計算間隔內(nèi)的NDVI均值,以代表不同地下水位埋深下的植被長勢情況,建立1985和2014年的地下水位埋深和NDVI變化趨勢圖(圖7)。

圖7 1985年和2014年NDVI與地下水位埋深關(guān)系Fig.7 Relationship between NDVI and groundwater depth in 1985 and 2014

從圖7可見,1985年,研究區(qū)地下水位埋深分布在0—16 m之間：在地下水位埋深在0—1 m時的NDVI最高;地下水位埋深在2—6 m時,NDVI較高,隨著地下水位埋深的增大,波動不明顯;當(dāng)?shù)叵滤宦裆畛^6 m時,NDVI呈下降趨勢。2014年,研究區(qū)地下水位埋深分布在0—110 m之間：地下水埋深在0—30 m時,NDVI值波動較強烈;地下水埋深在30—44 m時,NDVI值隨著地下水埋深的增大而減小;地下水埋深在44—110 m時,隨著地下水埋深的增大,NDVI基本不再變化。

以上結(jié)果表明,采礦引起的地下水埋深變化與研究植被有著密切的聯(lián)系。但由于遙感方法存在一定的不確定性和限制,因此進行了野外樣方調(diào)查,以進一步確定植被類型和各種植被指標(biāo)與地下水埋深的關(guān)系。

3.4 植被群落特征對地下位埋深變化響應(yīng)

3.4.1植被類型隨地下水位埋深變化

據(jù)資料記載,至2011年末, 露天采坑周圍地下水總降深最深處達111.04 m。至2014年,露天采坑的疏排水量已趨近一定值(徑流量或降雨補給量),露天礦的疏干漏斗影響邊界也已經(jīng)基本穩(wěn)定。結(jié)合2018年對樣線A-A′上8個樣地的植被類型調(diào)查結(jié)果,繪制露天礦區(qū)植被類型隨地下水位埋深變化示意圖(圖8)。

圖8 A-A′樣線植被類型隨地下水位埋深變化示意圖Fig.8 Vegetation types changes with groundwater depth at A-A′ quadrat line圖中H-S-1等表示樣地點,具體位置參照圖3

根據(jù)樣方調(diào)查結(jié)果,將A-A′樣線的植被劃分為鹽化草地、典型草原、退化典型草原、退化草甸草原、鹽化草甸草原 5 種類型區(qū)域(圖8)。H-S-1樣地位于距柴達敏諾爾湖約40 m的湖岸一級階地,該樣地地下水埋深小于0.5 m,土壤鹽漬化嚴(yán)重,群落的主要優(yōu)勢種是具有強耐鹽堿性的堿蓬(Suaedaglauca(Bunge)Bunge)、鹽地堿蓬(Suaedasalsa(L.)Pall.)和灰綠黎(ChenopodiumalbumL.);H-S-2樣地位于距離柴達敏諾爾湖約800 m的湖岸二級階地,該樣地土壤無明顯鹽漬化現(xiàn)象,地下水位埋深約在1m,植被根系能很好地吸收利用地下水分,是研究區(qū)植被頂級群落的分布樣地,群落類型是羊草(Leymuschinensis(Trin.)Tzvel.)+野大麥(HordeumvulgareL.)+貝加爾針茅(StipabaicalensisRoshev.)群落,其他伴生植物主要有苔草(Subgen.Carex)、馬藺(IrislacteaPall.var.chinensis(Fisch.)Koidz.)、豬毛菜(SalsolacollinaPall.)、狗舌草(Tephroseriskirilowii)等;H-S-3、H-S-4樣地距離柴達敏諾爾湖約1000—2000m,地下水位埋深約在2—6m,群落類型為羊草+豬毛菜(SalsolacollinaPall.)的退化典型草原,藜科、薔薇科等侵入種較多,伴生植物主要以黃花蒿、裂葉蒿(ArtemisiatanacetifoliaLinn.)、蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)、星毛委陵菜(PotentillaacaulisL.)、堿韭(Alliumpolyrhizum)、豬毛菜等為主;K-N-1,K-N-2、K-N-3樣地距采礦約300—2000 m,受露天礦疏排地下水影響,地下水位埋深約在6—40 m,群落類型是羊草+黃花蒿+豬毛菜+堿蓬為主的退化草甸草原,伴生植物以苔草、貝加爾針茅、日蔭菅(CarexpediformisC.A.Mey.)、二裂委陵菜(PotentillabifurcaL)等為主;K-N-4樣地距采坑約300 m,地下水位埋深約在40—60 m,位于受露天采礦活動影響較大的位置,同時由于露天采坑處在1985年時存在伊和諾爾和巴嘎諾爾兩個鹽湖,在距采坑位置較近的區(qū)域土壤鹽分較高,故在該樣地形成了以堿蓬+羊草為主的鹽化草甸草原,伴生植物以黃花蒿、鹽地堿蓬(Suaedasalsa(L.)Pall.)為主。

3.4.2群落物種豐富度分布特征及其變化

物種豐富度代表群落中物種數(shù)目的多少,是衡量群落多樣性的重要指標(biāo)。從圖9中可見,隨著距采坑距離的減少,地下水位埋深逐漸增大,樣地的物種豐富度隨之變化：在地下水位埋深為0.2 m的樣地H-S-1,物種豐富度最低,僅發(fā)現(xiàn)了4種植物,這是由于該點雖然地下水位埋深較淺,水分充足,但是由于距離柴達敏諾爾鹽湖岸距離過近,土壤鹽漬化嚴(yán)重,故只能生長堿蓬等耐鹽堿性植被。位于湖岸一級階地的H-S-2樣地物種豐富度最高,為25種,原因是由于該點土壤無鹽堿化,且地下水埋深較淺,水分供給充足。在地下水位埋深位為2—38 m的H-S-3、H-S-4、K-N-1、K-N-2、K-N-3等樣地,物種豐富度在12—21種,平均物種豐富度為15.8種,相對于地下水位埋深較淺的湖岸一級階地下降了36.8%,但仍保持在研究區(qū)的中等水平,推測原因是由于該位置植被的水分來源已經(jīng)不完全依賴地下水,部分或全部依賴降水供給水分,故該地植被仍能保持一個良好的生長狀態(tài),但相比能夠利用地下水位的地下水位淺埋區(qū)的植被,物種豐富度仍有所下降。在地下位埋深為55 m左右的K-N-4樣地,物種豐富度僅為5種,推測原因一是由于該點在開礦前位于鹽湖附近,土壤鹽漬化程度較高。二是距離采坑位置過近,受到采坑揚塵、人工干擾強烈,影響植被的生長。

圖9 研究區(qū)不同樣地物種豐富度比較Fig.9 Comparison on species richness in the different samples in the research area

3.4.3植被覆蓋度和地上生物量分布特征及其變化

植被覆蓋度代表樣地內(nèi)植株在地面的投影面積占樣地面積的百分?jǐn)?shù),植被地上生物量代表樣地內(nèi)植物的地上重量的干重,兩者均是反映群落生態(tài)優(yōu)勢的指標(biāo)之一。由于植物群落物種組成和建群種、優(yōu)勢種的不同,植被覆蓋度和地上生物量隨地下水位的變化規(guī)律也不相同,并不能一概地將植被覆蓋度和地上生物量高的群落視為生長狀態(tài)最好的群落,需要通過不同生態(tài)類群植物蓋度和地上生物量進一步分析。本文將植被覆蓋度分為樣地群落總蓋度(圖10)和樣地植被種群科蓋度(圖11),將植被地上生物量分為樣地群落總生物量(圖10)和樣地植被種群科重量(圖11),其中樣地植被種群科蓋度為該樣地中某一科植物的種蓋度(分蓋度)總和,樣地植被種群科重量為該樣地中某一科植物的重量總和。

從圖9中可見,樣線A-A′上植被覆蓋度和地上生物量最高的樣地均是H-S-1和K-N-4,但是其物種豐富度卻極低,這是由于H-S-1和K-N-4的群落結(jié)構(gòu)與其他樣地不同的緣故。對比樣地植被種群科蓋度和科重量(圖11)的分布情況,H-S-1樣地禾本科植物蓋度占群落總蓋度的7.04%,藜科植物蓋度占群落總蓋度的92.96%,禾本科植物種群地上生物量占樣地總地上生物量的10.45%,藜科植物種群地上生物量占樣地總地上生物量的89.55%;K-N-4樣地禾本科植物蓋度占群落總蓋度的20.49%,藜科植物種群蓋度占群落總蓋度的58.20%,禾本科植物種群地上生物量占群落總地上生物量的29.47%,藜科植物種群地上生物量占群落總地上生物量的56.09%。在樣地H-S-1和K-N-4中,藜科是最占優(yōu)勢的植物種,而在其他樣地中,植被群落科蓋度和科重量最大的物種幾乎都是禾本科。H-S-1和K-N-4樣地植物種最主要的藜科植物是堿蓬和灰綠藜,這兩種植物具有耐鹽堿,生命力強的特點,故在生態(tài)惡劣的條件下仍能保持較高的植被覆蓋度和地上生物量。

對比樣地H-S-1和K-N-4樣地植被種群科蓋度和科生物量發(fā)現(xiàn),相比于H-S-1,K-N-4的禾本科植物種群分蓋度和地上生物量所占比例分別增大了13.45%和19.02%,而藜科植物種群蓋度和地上生物量所占比例分別減少了34.76和33.46%。露天采坑在未開礦前時期存在著伊和諾爾和巴嘎諾爾兩個鹽湖,且礦區(qū)所在的伊敏盆地地勢較低,地下水位高,普遍存在著土壤鹽漬化象,主要發(fā)育著以耐鹽性植被(堿蓬、馬藺)為主的鹽化草甸。這一群落分布特征與位于柴達敏諾爾湖岸一級階地的H-S-1樣地非常相似,因此可將H-S-1樣地的植物群落組成近似視為開礦前K-N-4樣地位置的植被群落組成。與H-S-1樣地對比后發(fā)現(xiàn),K-N-4的禾本科植物種群蓋度和地上生物量所占比例均有所增大,而藜科植物種群蓋度和地上生物量所占比例均有所減少。這是由于露天礦疏干地下水將會造成一個以開采區(qū)為中心的巨大的地下水降落漏斗區(qū),降落漏斗區(qū)地下水位降低可能會緩解礦坑周圍地區(qū)的土壤鹽漬化程度,使得土壤鹽漬化作用減輕,發(fā)育的鹽化草甸向鹽化草甸草原方向發(fā)展。

對比H-S-2、H-S-3、H-S-4、K-N-1、K-N-2、K-N-3樣地的植被覆蓋度和地上生物量可以發(fā)現(xiàn)(圖10、圖11),H-S-2樣地的群落總蓋度和禾本科植物種群分蓋度在6個樣地之中均占有最高值,而H-S-3、H-S-4、K-N-1、K-N-2、K-N-3樣地的群落總蓋度、樣地植被種群科蓋度、群落總地上生物量、樣地植被種群科重量相對來說均較為平均,無大的起伏波動。這也與樣地物種豐富度規(guī)律變化得出的結(jié)論一致,即在地下水位埋深在1 m左右的湖岸一級階地是研究區(qū)植被生長最好的區(qū)域;在距采坑300—2000 m的樣地內(nèi),地下水位埋深位2—38 m,這一區(qū)域的植被的水分來源已經(jīng)不再完全依賴地下水,在地下水埋深較深的區(qū)域,主要依賴降水供給水分,故該地植被仍能保持一個良好的生長狀態(tài)。

圖10 樣地群落總蓋度和總地上生物量Fig.10 Vegetation coverage and aboveground biomass of vegetation in the different samples

圖11 研究區(qū)各樣地之間植物群落科蓋度和科地上生物量比較Fig.11 Comparison on familycoverageandfamily aboveground biomass in the different samples in the research area

3.4.4綜合優(yōu)勢比分布特征及其變化規(guī)律

綜合優(yōu)勢比是表征樣地植物種群群落學(xué)地位以及生長狀況的一種綜合數(shù)量指標(biāo)。綜合優(yōu)勢比越大,植物種群的群落學(xué)作用越顯著。通過對A-A′所有樣地優(yōu)勢植物種群綜合優(yōu)勢比的對比發(fā)現(xiàn)(圖12),在樣地H-S-1和K-N-4種,藜科植物是群落中最主要的優(yōu)勢種,而在H-S-2、H-S-3、H-S-4、K-N-1、K-N-2、K-N-3樣地中,禾本科植物是群落中最主要的優(yōu)勢種,柴達敏諾爾鹽湖湖岸一級階地的H-S-1樣地和距離采坑最近的K-N-4樣地雖然在禾本科植物和藜科植物的優(yōu)勢分布上具有相似的群落結(jié)構(gòu),但是K-N-4樣地中,菊科具有27.18%的綜合優(yōu)勢比,而在H-S-1樣地中卻無菊科植物出現(xiàn)。這說明兩者雖然有相似的群落結(jié)構(gòu),但是形成因素卻有所不同。H-S-1樣地位于湖岸一級階地的強鹽堿地中,除了堿蓬、灰綠黎、豬毛菜幾種耐鹽堿植物之外,其他植物幾乎不能生長。而K-N-4樣地菊科植被的出現(xiàn),說明該樣地雖然也存在土壤鹽堿化的問題,但相對于湖岸一級階地的土壤鹽漬化作用已經(jīng)有所減輕,這也驗證了4.4.2中植被覆蓋度和地上生物量的分布規(guī)律得出的結(jié)論。

圖12 研究區(qū)各樣地植物群落的科綜合優(yōu)勢比的對比分析Fig.12 Comparison on family summed dominance ratioof plant population in the different samples in the research area

3.4.5植被生長的閾值地下水位埋深

結(jié)合遙感和植被樣方兩種方法,最終確定研究區(qū)影響植被生長的閾值地下水位埋深。地下水位埋深為1.1 m的H-S-2樣地,物種豐富度、禾本科植被覆蓋度、重量和綜合優(yōu)勢比均最高,是研究區(qū)植被頂級群落的分布樣地。同時,NDVI對地下位埋深變化響應(yīng)(圖7)表明,當(dāng)?shù)叵滤宦裆顬? m時,NDVI值較高,因此可將1 m作為最適合研究區(qū)植被生長的地下水位埋深;地下水位埋深為2—38 m的樣地 H-S-3、H-S-4、K-N-1、K-N-2、K-N-3具有較高的物種豐富度、禾本科植被覆蓋度、重量和綜合優(yōu)勢比,從圖7可以看出,當(dāng)?shù)叵滤宦裆?—30 m時,NDVI保持較高水平,因此1—30 m可作為維持研究區(qū)植被平均生長水平的地下水位埋深閾值。

4 生態(tài)敏感區(qū)劃分及地下水利用政策建議

呼侖貝爾草原是世界著名的天然牧場,草原植被生長依賴于地下水,雖然相比于干旱地區(qū),本區(qū)約355 mm年降雨量基本可以維持草原植被的基本生長,但從保護草原生態(tài)環(huán)境和物種多樣性的角度, 制定合理的地下水開發(fā)政策仍至關(guān)重要。針對伊敏煤礦研究區(qū),筆者劃分出四級地下水敏感區(qū)(圖13),并提出不同敏感區(qū)地下水資源開發(fā)利用對策。

圖13 研究區(qū)地下水生態(tài)敏感區(qū)劃分圖 Fig.13 Division map of groundwater ecological sensitive area in the study area

一級敏感區(qū)：地下水位埋深1—2 m,主要分部在北部柴達敏諾爾湖周圍。一方面,該區(qū)暫未受采礦疏排地下水的影響,另一方面,該區(qū)離鹽湖較遠,不受土壤鹽漬化的影響。因此是本區(qū)植被生長狀態(tài)最好的區(qū)域。在開采該區(qū)地下水時,要適當(dāng)適量,必須維持該區(qū)目前的地下水位狀況,避免地下水位下降引起植被退化。

二級敏感區(qū)：地下位埋深0—1 m,該區(qū)分為兩部分：一是柴達敏諾爾湖周圍的鹽化草原,該區(qū)植被主要是耐鹽堿植被,不能被草原畜牧業(yè)所利用,因此可適當(dāng)開采該區(qū)地下水,降低土壤鹽漬化,但由于該區(qū)具一級敏感區(qū)較近,在開采地下水時要注意對其的影響;二是伊敏河岸周圍的濕地植被區(qū)域,植被吸收來源于伊敏河的水分,因此保持良好的生長狀態(tài)。但需要注意的是礦區(qū)地下水的大量開采會破壞區(qū)域地下水平衡,使得伊敏河水被襲奪補給地下水,濕地植被生態(tài)受到影響。

三級敏感區(qū)：地下水位埋深2—30 m。該區(qū)地下水位埋深較深,植被生長主要依靠降雨,部分利用地下水,在對該區(qū)地下水進行開采時,要注意對部分地下水位埋深較淺區(qū)域的保護,使其生態(tài)風(fēng)險在容許的范圍之內(nèi)。 同時考慮該區(qū)地下水開采對同一地下水系統(tǒng)內(nèi)相鄰的一級、 二級敏感區(qū)的影響。

四級敏感區(qū)：地下水位埋深大于30 m。該區(qū)位于采坑周圍,植被已無法利用地下水,靠降雨維持生長。地下水的開采基本不會引起植被群落的變化。

5 結(jié)論

本文通過植被樣方調(diào)查和遙感技術(shù)方法,分別建立了研究區(qū)植被類型、群落學(xué)指標(biāo)(物種豐富度、植被覆蓋度、地上生物量、綜合優(yōu)勢比)和歸一化植被指數(shù)(NDVI)與地下水埋深的關(guān)系。結(jié)合兩種方法得出的結(jié)果,總結(jié)草原露天煤礦疏排地下水影響下植被對地下水埋深變化響應(yīng)的結(jié)論如下：

(1)柴達敏諾爾湖至采坑邊緣5000 km范圍內(nèi),隨著地下水位埋深從0—60 m波動,植被群落演替為鹽化草地→典型草原→退化典型草原→退化草甸草原→鹽化草甸草原。

(2)綜合植被樣方調(diào)查和遙感技術(shù)兩種方法得到的區(qū)域地下水位-植被響應(yīng)關(guān)系結(jié)果,得出研究區(qū)最適宜植被生長的地下水位埋深在1 m左右。1—30 m為維持研究區(qū)植被正常生長的閾值地下水位埋深。

(3)采坑周圍地下水位埋深約60 m的樣地植被群落組成的變化表明,地下水位的降低導(dǎo)致該區(qū)域土壤鹽漬化程度降低。

(4)將研究區(qū)劃分為地下水開發(fā)的一級敏感區(qū)、 二級敏感區(qū)和三級敏感區(qū),針對不同敏感區(qū)應(yīng)采取不同的地下水開發(fā)政策,防止敏感區(qū)地下水位下降是維持草原生態(tài)環(huán)境和物種多樣性的關(guān)鍵。