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研究生態(tài)輸水對(duì)石羊河尾間湖區(qū)植被的影響論文
在干旱地區(qū)，內(nèi)陸河流域的尾間湖通常是綠洲邊緣阻止風(fēng)沙侵襲的天然屏障，其生態(tài)水文效應(yīng)普遍表現(xiàn)為以地表水、地下水和天然降水為特征的植被水分關(guān)系。伴隨內(nèi)陸河流域上、中游大量使用地表水，加劇了下游的用水矛盾。而下游過(guò)度開(kāi)發(fā)地下水，造成植被衰退、沙丘活化，己嚴(yán)重影響了荒漠綠洲的生態(tài)穩(wěn)定性。為了恢復(fù)荒漠、綠洲邊緣人工植被和天然植被生態(tài)系統(tǒng)，向下游河道進(jìn)行生態(tài)輸水來(lái)補(bǔ)充植被生長(zhǎng)缺失的水分，是許多內(nèi)陸河如塔里木河、黑河等河流植被恢復(fù)采取的應(yīng)急措施。研究表明，生態(tài)輸水對(duì)內(nèi)陸河生態(tài)恢復(fù)效果明顯，說(shuō)明了荒漠植被與水分的相互依存關(guān)系，即水分行為對(duì)植被生長(zhǎng)和分布的影響。
青土湖是河西走廊三大內(nèi)陸河之一的石羊河流域尾間湖，屬民勤湖區(qū)一部分。有史料記載清朝時(shí)青土湖湖面大約“東西三、四十里，南北六、七十里”。19世紀(jì)末，由于大西河一次特大洪水在舊湖灘洼地匯集，再次形成民勤綠洲邊緣最晚出現(xiàn)的最大湖泊——青土湖。至建國(guó)初期，湖灘尚有部分積水，1953年干涸，特別是修建紅崖山水庫(kù)阻斷下游河道的來(lái)水，青土湖開(kāi)始進(jìn)一步退化、萎縮，原來(lái)發(fā)育的濕生鹽生植被逐漸衰退，青土湖西北向巴丹吉林沙漠的流沙進(jìn)入青土湖，在強(qiáng)風(fēng)的作用下與湖積沙一起形成大面積新月形沙丘和沙丘鏈，使湖區(qū)西北向的巴丹吉林和東南向的騰格里沙漠在青土湖連在一起，流沙進(jìn)一步前移埋壓湖區(qū)綠洲，風(fēng)沙災(zāi)害愈來(lái)愈頻繁，生態(tài)環(huán)境更加脆弱。因此，2010年10月人工輸水措施正式實(shí)行，到2012年連續(xù)3年的下泄生態(tài)水量分別為1290萬(wàn)m,2160萬(wàn)m,3000萬(wàn)m、分別形成3k㎡,10k㎡,15k㎡的水域面積。伴隨人工輸水后地下水和土壤水環(huán)境的改變，輸水對(duì)內(nèi)陸河下游生境是有益還是有弊，原有的天然植被在水環(huán)境急劇變化的條件下如何響應(yīng)，引起了很多學(xué)者的關(guān)注[Di-ml。而石羊河的尾間青土湖地處我國(guó)東亞季風(fēng)的邊緣，具有其生態(tài)脆弱性和氣候敏感性，研究其水文變化及其對(duì)植被格局的影響，對(duì)于恢復(fù)整個(gè)民勤綠洲退化防護(hù)體系具有參考價(jià)值。
1材料與研究方法研究區(qū)概況
研究區(qū)位于巴丹吉林沙漠東緣、甘肅民勤縣城東北70km處，地理位置為N:39006'21"E:103037'22",該區(qū)屬于溫帶大陸性干旱荒漠氣候。年均氣溫8.8℃, ,10℃的積溫30360C，無(wú)霜期162d，年日照時(shí)數(shù)3189h;年均降水量110mm蒸發(fā)量2640 mm，是降水量的24倍[00，干燥度5. 15 ;地帶性土壤為灰棕漠土，非地帶性土壤為草甸沼澤土和風(fēng)沙土主要植物白刺(Nitraria taugtorum)、梭梭(Haloxylou ammodeudrou) ,怪柳(Tamarix ramosissima)、蘆葦(Phragmites australis)、鹽爪爪(Kalidium foliatum)、黑果構(gòu)祀(場(chǎng)cium ru-theuicum)、豬毛菜(Salsola colliua)等。
1.2研究?jī)?nèi)容和方法
2012年9月底人工輸水3年后，對(duì)輸水區(qū)植被進(jìn)行調(diào)查，包括白刺灌叢、鹽爪爪群落、蘆葦群落、人工梭梭林群落和怪柳群落。調(diào)查方法，從綠洲邊緣到青土湖底，分別選取T1,T2兩條樣帶18個(gè)樣點(diǎn)，每?jī)蓚�(gè)樣點(diǎn)間隔500m，每個(gè)樣點(diǎn)橫向以10m間距分別選取3個(gè)樣方作為重復(fù)。灌木樣方10m x 10m，分別記錄灌木種類(lèi)、數(shù)量、株高、冠幅，同時(shí)在每個(gè)灌木樣方內(nèi)沿對(duì)角線設(shè)置3個(gè)1m x 1m的草本樣方，調(diào)查草本的種類(lèi)、個(gè)體數(shù)、蓋度、高度。同時(shí)以水面為中心向外圍東北向、東向、東南向、南向和西向分別設(shè)置樣帶，每隔500m設(shè)置植被調(diào)查樣方，共設(shè)樣方39個(gè)，調(diào)查植物種類(lèi)、蓋度、個(gè)體數(shù)量等指標(biāo)。土壤有機(jī)質(zhì)采用高錳酸鉀外加熱法，土壤全氮采用凱式法，pH值由酸度計(jì)測(cè)定，速效磷由分光光度計(jì)測(cè)定。
2結(jié)果與分析
2. 1生態(tài)輸水前后青土湖植被組成和分布
生態(tài)輸水前后植物分布，輸水前共9種植物，主要以鹽生和沙旱生植物為主，種類(lèi)少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，濕生植被只有蘆葦生長(zhǎng)，長(zhǎng)勢(shì)差。輸水后植物種數(shù)達(dá)到14種，增加的物種主要是多年生和一年生草本，輸水后土壤中積聚的鹽分在淋溶作用下下移，沙篙、紅砂等一些典型沙生植物能夠繁衍生長(zhǎng)，但隨著土壤水分強(qiáng)烈蒸發(fā)，鹽分在地表積聚，典型沙生植物能否繼續(xù)存在，需要進(jìn)一步研究。
2. 2生態(tài)輸水后湖區(qū)典型植被白刺群落的特征變化
2. 2. 1生態(tài)輸水后白刺群落的植被特征變化
從人工輸水區(qū)和未輸水區(qū)白刺群落植被變化情況，可以看出，未輸水區(qū)白刺群落內(nèi)伴生植物種只有5種，伴生植物兩種耐鹽灌木呈衰退狀態(tài)，3種草本，其中蘆葦處于衰退狀態(tài)，說(shuō)明地下水位超出了草甸發(fā)育的臨界地下水位。而白刺在未輸水區(qū)正常生長(zhǎng)，說(shuō)明白刺處于1 ~ 5 m的生態(tài)地下水位。輸水以后，白刺群落伴生植物增加到8種，說(shuō)明輸水對(duì)地表積聚的大量鹽分淋洗，導(dǎo)致地表土壤鹽漬化減輕，群落內(nèi)物種表現(xiàn)出對(duì)水文變化的響應(yīng)，蘆葦、鹽生草、豬毛菜、駝蹄瓣等草本植物大量繁衍，蘆葦密度從輸水前的1株/㎡，增加到37株/㎡，紅砂、沙篙、鹽爪爪等灌木幼苗生長(zhǎng)，說(shuō)明輸水措施改變了當(dāng)?shù)赝寥赖乃}環(huán)境，利于一些濕生、鹽生草本植物和灌木繁衍。而建群植物白刺在水淹環(huán)境下，出現(xiàn)衰退現(xiàn)象。
2. 2. 2生態(tài)輸水后白刺群落的土壤特征變化
土壤表層水分的變化對(duì)土壤理化性質(zhì)有一定的影響。人工輸水前后白刺群落內(nèi)土壤速效磷、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮和pH值的變化，表中顯示輸水區(qū)與未輸水區(qū)各指標(biāo)均值存在極顯著差異(P<0.01)。輸水前土壤pH值為7.691，土壤為堿性，輸水后土壤pH值呈中性，說(shuō)明輸水淋溶了表土的鹽分，表現(xiàn)為速效鉀含量降低，降低幅度為0. 755 mg/1008。土壤中的有機(jī)質(zhì)和全氮含量為輸水區(qū)大于未輸水區(qū)，這主要由群落內(nèi)植被變化引起。
2. 3生態(tài)輸水前后地下水對(duì)植被的影響
青土湖及其周邊近30年地下水位變化結(jié)果顯示，地下水位在20世紀(jì)80年代初，青土湖周邊地下水位4m左右，青土湖中心地下水2m左右，之后開(kāi)始持續(xù)下降，1990~2000年下降幅度增大，與大量開(kāi)荒種植籽瓜有關(guān)，年均下降0. 61m。到2007年，平均下降到17.65 m，青土湖中心區(qū)域地下水位也下降到接近4m。
2010年政府采取應(yīng)急輸水措施，青土湖中心區(qū)域地下水位從3. 78m回升到3.48m,3年回升了30cm。通過(guò)3年的應(yīng)急補(bǔ)水后一些植物表現(xiàn)出積極的響應(yīng)，怪柳沙包在生態(tài)輸水前與輸水后的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，新梢長(zhǎng)平均增加8cm，蓋度增加20 %，特別是枯枝率減少近40 %，植被恢復(fù)明顯。
2. 4生態(tài)輸水后水分側(cè)滲對(duì)物種多樣性變化的影響
水源遠(yuǎn)近灌木物種的Simpson指數(shù)、Shan-non一wiener指數(shù), Pielou均勻度指數(shù)的差異顯著性表明，距水源0. 5 km處3種多樣性指數(shù)與其它4個(gè)點(diǎn)均存在顯著差異(P<0.5)，水源點(diǎn)的Simp-son指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)與距離水源1~2km點(diǎn)差異不顯著，而Shannon一wiener指數(shù)的變化趨勢(shì)為遠(yuǎn)離水源1km處開(kāi)始減小。
近水源處群落優(yōu)勢(shì)種為鹽爪爪，距水源500m處鹽爪爪沒(méi)有枯死現(xiàn)象;距離水源lkm和1.5 km處優(yōu)勢(shì)種為白刺和黑果構(gòu)祀，說(shuō)明鹽生、旱生的建群種白刺和鹽爪爪對(duì)大面積人工輸水表現(xiàn)出不同程度的生理響應(yīng)。鹽爪爪喜濕喜鹽，但不易長(zhǎng)期浸水，在距離水源500m范圍內(nèi)能夠形成優(yōu)勢(shì)種，表明土壤水鹽條件適宜鹽爪爪單優(yōu)勢(shì)種存在;白刺屬于旱生植物，通常生長(zhǎng)在內(nèi)陸湖盆周?chē)�，在高地下水位條件下能夠形成優(yōu)勢(shì)種;但在沙埋條件下，能夠產(chǎn)生大量的不定根，依靠天然降水也能正常生長(zhǎng)，因此在遠(yuǎn)離水源1km外沙地上生長(zhǎng)良好，表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)種，可能是水沙環(huán)境共同作用的結(jié)果。
3討論
水分脅迫是荒漠地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化的主要驅(qū)動(dòng)力。內(nèi)陸河下游生態(tài)輸水對(duì)植物生長(zhǎng)、復(fù)壯產(chǎn)生明顯的效果圈，石羊河向下游生態(tài)輸水導(dǎo)致物種多樣性增加，增加的植物種以草本為主，說(shuō)明人工應(yīng)急輸水改善了土壤的水鹽環(huán)境，為草本植物生長(zhǎng)創(chuàng)造了適宜的條件，這與塔里木河下游輸水后植被響應(yīng)相一致。人工輸水后鹽生草甸的代表性物種蘆葦大量發(fā)育，說(shuō)明生態(tài)輸水使地下水位抬升到3. 5m蘆葦生長(zhǎng)脅迫地下水位以上。
20世紀(jì)60年代中期青土湖地下水位1m左右，以蘆葦為建群種的鹽生草甸植被廣泛發(fā)育，80年代初青土湖己被流沙覆蓋，地下水位下降到2m以下，蘆葦己萎縮成高10cm，節(jié)間0. 2cm的雞爪蘆葦，組成鹽生草甸的大部分植被逐漸演變?yōu)樯迟|(zhì)荒漠群落;2000年以后青土湖中心地下水位下降到4m以下，鹽生草甸植被除生長(zhǎng)不良的蘆葦外，其它以鹽生草甸為主的植物群落己基本消失，一些耐鹽的植物如黑果構(gòu)祀、鹽爪爪生長(zhǎng)衰退，怪柳群落在積沙的條件下正常生長(zhǎng)。在風(fēng)沙活動(dòng)劇烈的湖中心，白刺群落成為優(yōu)勢(shì)種群，在沙埋條件下形成白刺沙包。2010年人工補(bǔ)水后，鹽生植物鹽爪爪開(kāi)始大量發(fā)育，草甸植被蘆葦又得以大量繁衍，植被有朝著鹽生濕生環(huán)境演變的趨勢(shì)。
干旱區(qū)內(nèi)流河的生態(tài)水文過(guò)程具有很高的變異性，而且天然植被的組成和分布對(duì)土壤和水文條件的變化具有明顯的響應(yīng)，白刺群落的自然消長(zhǎng)不但受降水的影響，而且地下水位的變化也制約群落的發(fā)育。隨著石羊河上游來(lái)水量日益減少，青土湖逐漸萎縮，流沙進(jìn)一步前移埋壓湖區(qū)綠洲，濕生鹽生植被逐漸衰退，沙生植物建群種白刺大量發(fā)育。當(dāng)?shù)叵滤?lt;4m，白刺蓋度達(dá)48%，白刺新梢長(zhǎng)達(dá)30cm，平均株高61. 5 cm，白刺平均根深3. 15m;當(dāng)?shù)叵滤辉? ~ 8m時(shí)，白刺吸收地下水變得困難，但白刺沙包在沙埋條件下，依靠天然降水，維持其生長(zhǎng)，白刺蓋度22 %，沙丘處于半固定狀態(tài)，平均新梢長(zhǎng)17cm，平均高49cm。但生態(tài)輸水后白刺的生長(zhǎng)受到了抑制，可能是由于水淹抑制白刺根系的呼吸，或者淋溶的鹽分下移對(duì)白刺根系造成傷害。
天然植被的生長(zhǎng)與衰敗與地下水位的埋深有直接的關(guān)系。影響灌木生物量變化的主要因子是地下水埋深，當(dāng)?shù)叵滤凰裆钚∮?m時(shí)，怪柳處于良好生長(zhǎng)狀態(tài)，青土湖人工生態(tài)輸水后怪柳生長(zhǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)好，說(shuō)明地下水位回升側(cè)滲使土壤濕度增加到促進(jìn)深根性灌木利用的程度。人工輸水初期，地下水位在短時(shí)期內(nèi)迅速響應(yīng)，水位升高，但植被變化的響應(yīng)周期一般是1 ~2年，而植被種類(lèi)出現(xiàn)明顯變化一般在2年以上，生態(tài)恢復(fù)達(dá)到自我更新和自我繁殖的幼苗出現(xiàn)的時(shí)間一般在4 ~5年。文中研究結(jié)果在3年內(nèi)的植被變化與上述研究基本一致。
據(jù)研究，塔里木河第一次人工輸水后，其對(duì)地下水位的影響距離為450m，第4次輸水后影響距離1050m，但地下水位的響應(yīng)程度隨遠(yuǎn)離河槽而減小。青土湖輸水3次后，其物種多樣性指數(shù)在距離水源500m處存在差異性，說(shuō)明水分側(cè)滲影響到500m范圍內(nèi)地下水和土壤水的空間分布。而距離水源1km外群落的復(fù)雜性依次降低，優(yōu)勢(shì)度和均勻度不存在差異，這說(shuō)明輸水區(qū)的側(cè)滲對(duì)1km以外的植被在短期內(nèi)沒(méi)有影響。
青土湖水文和植被的歷史演替過(guò)程以及沙化后物種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單一輸入大量的水難以實(shí)現(xiàn)自身穩(wěn)定繁衍的湖泊，一個(gè)穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的形成需要很長(zhǎng)時(shí)間，因此建議在生態(tài)輸水時(shí)采取人工輔助植被恢復(fù)措施，提高物種的豐富程度。
4結(jié)論
(1)生態(tài)輸水區(qū)物種從未輸水前的9種增加到14種，群落內(nèi)物種豐富度增加。
(2)生態(tài)輸水導(dǎo)致青土湖核心區(qū)建群種白刺衰退甚至死亡，鹽生灌木鹽爪爪和鹽生草甸蘆葦大量發(fā)育。土壤中pH值由堿性變?yōu)橹行�，土壤中養(yǎng)分含量有所增加。
(3) 3年生態(tài)輸水使青土湖核心區(qū)地下水位回升了30cm，地下水位的側(cè)滲使深根性灌木的生長(zhǎng)有明顯的恢復(fù)，主要表現(xiàn)在新稍增長(zhǎng)、蓋度增加、枯枝率降低。
(4)在距離水源500m處群落的物種多樣性差異顯著，輸水后水面其側(cè)滲影響范圍500m。
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