新疆渭干河下游植被與地下水埋深關(guān)系

吳新越 王 穎 崔文潔 劉加珍

(1.西南大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，重慶400700；2.聊城大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院，山東 聊城252000）

0 引言

在干旱區(qū)，抑制荒漠化與維持生物多樣性方面，植被起著重要作用，而地下水是該區(qū)域維持天然植被生存所需的重要水源[1]。所以說，生長在干旱荒漠區(qū)的植被與該區(qū)域地下水有著緊密的聯(lián)系，地下水的細(xì)微變化也會(huì)對(duì)植被的生長或狀態(tài)產(chǎn)生很大的影響[2，3]。在塔里木河下游,河道來水是該區(qū)域的主要水源，隨著來水量的減少，地下水將是影響該地區(qū)群落結(jié)構(gòu)、組成及物種多樣性的主要環(huán)境因素[4，5]，因此，該區(qū)域荒漠植被常常伴河而存。例如，塔里木盆地南部的克里雅河下游，河道斷流，情況不斷惡化最終導(dǎo)致流域周圍的生物多樣性大幅下降[6]。

渭干河是塔里木河的重要支流之一，位于天山南麓，塔里木盆地北部，塔克拉瑪干沙漠北緣，是天山南坡僅次于阿克蘇、開都二河的第三大河[7]。該流域上游木扎提河匯納多個(gè)支流形成渭干河三角洲，因具有重要的生態(tài)研究價(jià)值而引起科學(xué)界的關(guān)注[8-10]。近年來，該區(qū)域綠洲的耕地及鹽堿地面積不斷增加[8]，加之人工綠洲的擴(kuò)張，導(dǎo)致了天然河道的斷流、水系的消失及天然綠洲體系的萎縮[9]，生態(tài)環(huán)境變得更加脆弱[10]。目前，關(guān)于渭干河流域的研究主要集中于生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)[10，11]以及流域區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)土地利用的影響[12-14]，而地下水的研究多集中于地下水水文特征[15]及形成機(jī)制[16]，有關(guān)該流域天然植被與地下水之間的關(guān)系的研究尚不多見。故本文以渭干河流域地下水位與植被的關(guān)系為研究重點(diǎn)，分析該流域地下水對(duì)植被蓋度、物種多樣性的影響，以期為渭干河流域生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 樣地布設(shè)與研究方法

1.1 監(jiān)測斷面與樣地布設(shè)

在渭干河下游，順河道設(shè)置了10眼地下水位自動(dòng)觀測井（分別以WG1～WG10命名），采樣自動(dòng)監(jiān)測儀器監(jiān)測地下水埋深變化。于2019年7～8月，在監(jiān)測井位周圍布設(shè)調(diào)查樣地，樣地的選擇以代表性樣地選擇為原則，所選樣地能兼顧河段群落類型，反映出該河段的主要植被類型。樣地布設(shè)的大小，采樣方式與采樣指標(biāo)見參考文獻(xiàn)[17]。同時(shí)記錄每個(gè)樣地與監(jiān)測井的海拔高度、經(jīng)緯度。樣地資料統(tǒng)計(jì)表明，渭干河下游樣地出現(xiàn)17種植物，分別屬于17屬，9科，其中，藜科物種最多，以鹽節(jié)木、鹽爪爪等真鹽生植物為代表。

1.2 分析方法

1.2.1 多樣性指數(shù)

本論文采用的多樣性測定公式如下[18]：

以上公式中，S代表物種數(shù)；N代表全部物種個(gè)體數(shù)；Pi表示第i個(gè)種的信息占全部信息的比例[18]，本文信息采用的重要值；這里的Hm為樣本中Shannon-Wiener的最大值。

1.2.2 灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度分析法是根據(jù)數(shù)據(jù)序列的幾何曲似度判斷變量間聯(lián)系密切程度的一種方法。計(jì)算公式如下[19]：

各比較序列對(duì)母序列的關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式如下[19]：

其中，ξ0i為灰色關(guān)聯(lián)度；X′0（k）為灰色系統(tǒng)的母序列；X′i（k）為比較序列；系數(shù)ρ取0.5；k取值為1～N。

1.2.3 β多樣性指數(shù)

β多樣性表征沿某一環(huán)境梯度上所發(fā)生的種的多樣性變化的速率和范圍[18]。這一值能直觀反映同一區(qū)域不同生境物種構(gòu)成的差異，以及環(huán)境的異質(zhì)性[18]。本文主要采用βw（Whittaker指數(shù)）和βc（Cody指數(shù)）[18]。

式中，S為研究區(qū)記錄的物種總數(shù)；Ms是不同水位梯度上各樣地物種數(shù)的平均值；G為沿環(huán)境梯度增加的物種數(shù)；L為沿環(huán)境梯度減少的物種數(shù)[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水位時(shí)空變化特點(diǎn)

在渭干河下游，沿河道的10眼地下水埋深監(jiān)測井。由圖1可知，整個(gè)觀測期間地下水位的變化可劃分為0～3 m（見圖1a）、3～6 m（見圖1b）、6～9 m（見圖1c）三個(gè)水位梯度，且不同梯度地下水位隨時(shí)間的變化均不一樣，大體上呈現(xiàn)先降低再回升的波動(dòng)狀態(tài)，地下水埋深回升期基本在四月底，7月底水位逐漸下降。不同水位梯度上的井的水位變化不大，最高與最低水位之差在1.5～3 m間。其中，6～9 m這個(gè)梯度的水位波動(dòng)較大，最低能降到接近9 m。3～6 m這個(gè)梯度區(qū)間，2018年8月至2019年1月水位基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，到2019年3月至5月水位開始上升至整個(gè)觀測期間的最高水位，而0～3 m的水位梯度變化與其大致相同，但受河道春季融雪的影響會(huì)在3～4月期間出現(xiàn)地下水位的峰值。

圖1 地下水埋深的時(shí)空變化

2.2 不同地下水位梯度與植被覆蓋度

植被覆蓋度是表征陸地植被基本特征的數(shù)量指標(biāo)。研究區(qū)內(nèi)不同地下水位植被覆蓋度不同。由圖2可知，在7月生長季整個(gè)研究區(qū)內(nèi)，植被覆蓋度變化范圍在14%～80%之間，蓋度的平均值大約為37%。從水位變化梯度來看，不同生境中，地下水埋深較淺則植被覆蓋度相對(duì)要高。隨著水位梯度的下降，植被覆蓋度呈逐漸降低之勢，可以看到水埋深超過8 m以后，植被蓋度趨近于10%。而植被覆蓋度大于50%的環(huán)境，分布區(qū)的地下水埋深大多是小于6 m的，植被覆蓋度較小的群落地下水埋深多大于6 m。

圖2 不同地下水位與植物蓋度

2.3 不同地下水位下物種多樣性指數(shù)變化

在干旱、半干旱地區(qū)，水通常是限制植物生長的關(guān)鍵因子[1]。渭干河位于塔里河流域，南鄰塔克拉瑪干沙漠，空氣干燥，水蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，導(dǎo)致地表徑流稀少，甚至河道斷流，因此，地下水成為植物生長、發(fā)育的關(guān)鍵性水源[16]。由圖3可知，地下水埋深較大的地區(qū)，其Shannon-Weiner多樣性值是較低的，Margalef指數(shù)與Shannon-Weiner指數(shù)變化相似。在地下水位最深的W8觀測井，其群落的物種多樣性指數(shù)的兩個(gè)指標(biāo)均最低，而在地下水位最淺的W10觀測井，其周圍群落的物種多樣性指數(shù)較高，說明地下水位的變化對(duì)于物種多樣性影響很大。Simpson指數(shù)的變化與Shannon-Weiner指數(shù)的變化相似，即隨著地下水位的下降植物多樣性降低，Pielou指數(shù)下降植物多樣性變化趨勢不明顯。

2.4 物種多樣性與水埋深的灰色關(guān)聯(lián)

由表1可知，渭干河下游地下水埋深與4類物種多樣性指標(biāo)間的灰色關(guān)聯(lián)較為密切，二者之間的灰色綜合關(guān)聯(lián)度的高低順序?yàn)椋篜ielou＞Simpson＞Shannon-Weiner＞Margalef。可以看出，與地下水埋深灰色關(guān)聯(lián)最大的是Pielou指數(shù)，關(guān)聯(lián)度值達(dá)0.78。其次是Simpson指數(shù)，灰色綜合關(guān)聯(lián)度達(dá)0.70?？傮w來說，所有測定指標(biāo)與地下水埋深的關(guān)聯(lián)度都達(dá)到0.60以上?？梢哉f明，渭干河下游氣候干旱，所以地下水很大程度上甚至完全成為植物生長所需的水分的依賴或來源，植物的生長與死亡更是直接由地下水埋深的高低決定。水是維系渭干河下游生態(tài)環(huán)境的主導(dǎo)因素，但灰色關(guān)聯(lián)最大的Pielou指數(shù)隨地下水位梯度的變化不明顯（見圖3），說明當(dāng)前的地下水位變化還沒有引起物種分布的較大波動(dòng)。

表1 物種多樣性與地下水位關(guān)聯(lián)度排序

圖3 不同地下水位與物種多樣性

2.5 β多樣性指數(shù)隨地下水位梯度的變化

由圖4（a）可知，在不同水位的生境下，物種多樣性替代率（βw）與地下水埋深之間呈明顯的單峰曲線，其二次函數(shù)關(guān)系式為：y=-0.0645x2+0.7469x-0.1249（R2=0.4659）。說明在一定地下水位范圍內(nèi)（0-6 m范圍），隨著地下水埋深的增加物種多樣性的替代率逐漸增大，達(dá)到峰值后（6 m左右），則又逐漸減小。這主要是因?yàn)榈叵滤坏南陆?，?huì)使一些淺根生、不耐旱的植物受到威脅，造成βw替代率增加；但隨著水位的繼續(xù)下降，大量物種消失，只有深根系耐旱植物能夠生長，則無植物可取代，導(dǎo)致βw物種替代率逐漸下降。而βc指數(shù)是以物種增加的數(shù)目與減少的數(shù)目的均值來衡量，反映的是環(huán)境梯度上的物種差異。本文的環(huán)境梯度是地下水埋深梯度，隨著水埋深的增大βc多樣性指數(shù)以對(duì)數(shù)函數(shù)的形式變化（見圖4b），說明該區(qū)域地下水埋深的增加，使得物種的變化率也隨之增加，這主要是因?yàn)樗秩狈觿×谁h(huán)境的干旱，從而物種不斷減少，結(jié)果表現(xiàn)為βc多樣性指數(shù)的變化率增加。

圖4 β多樣性指數(shù)隨地下水位梯度的變化

3 結(jié)論

（1）渭干河流域地下水位時(shí)空變化特征可以分成三個(gè)梯度，即0～3 m、3～6 m、大于6 m，在四月底地下水位開始抬升，七月底水位又逐漸下降。其中，而0～3 m的水位梯度受河道春季融雪的影響會(huì)在3～4月期間出現(xiàn)地下水位的峰值。6～9 m這個(gè)區(qū)間水位波動(dòng)較大，最低能降到低于9 m。

（2）地下水位埋深的大小影響著該地區(qū)植被狀況，植被覆蓋度大于50%的植物群落大部分是分布在地下水埋深小于6 m的，水埋深超過8 m以后，植被覆蓋度趨近于10%。地下水位的變化同樣影響了物種多樣性的變化，即隨著地下水位的下降植物多樣性降低，Pielou指數(shù)下降趨勢不明顯。物種多樣性指數(shù)與水埋深灰色關(guān)聯(lián)說明了當(dāng)前的地下水位變化還沒有引起物種分布的較大波動(dòng)。

（3）回歸分析表明了βw物種替代率與地下水埋深呈明顯的單峰狀二次函數(shù)關(guān)系，即水埋深小于6 m時(shí)該區(qū)域物種多樣性的替代率隨水埋深的增大而逐漸增大，6 m是物種多樣性替代率變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即大于6 m隨著水埋深的增大而減小。但βc指數(shù)所反映的物種變化率，則是隨著地下水埋深的增大而增加，說明水條件的惡化會(huì)促使物種的較快變化。

致謝：本文數(shù)據(jù)來源于“荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，對(duì)該實(shí)驗(yàn)室老師與學(xué)生的辛苦監(jiān)測，在此深表感謝。