科爾沁草原植被生態(tài)型與地下水位埋深及土壤含水率的關(guān)系

科爾沁草原植被生態(tài)型與地下水位埋深及土壤含水率的關(guān)系

在生態(tài)系統(tǒng)中，植被是其主要的創(chuàng)造者，是自然環(huán)境的直觀反映。植被與環(huán)境生態(tài)關(guān)系的研究一直是生態(tài)系統(tǒng)研究的重要方面。生態(tài)位理論屬于現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的核心內(nèi)容之一,已在生物種對(duì)其環(huán)境條件的適合性測(cè)度、種間競(jìng)爭(zhēng)與共存機(jī)制、群落的多樣性維持、種群生存力分析以及資源譜利用等方面得以廣泛的應(yīng)用。多年來(lái),科爾沁沙地由于氣候變化和人類活動(dòng)的雙重影響,加速了現(xiàn)代沙漠化進(jìn)程,是我國(guó)沙漠化防治的重點(diǎn)區(qū)域。科爾沁沙地土地沙漠化在最近10a發(fā)生了整體逆轉(zhuǎn),主要是由于當(dāng)?shù)卣稗r(nóng)牧戶個(gè)體加大了治理措施,使相當(dāng)面積的沙漠化土地面積得到了治理和恢復(fù)。但在治理過(guò)程中,種植哪種類型植物較適宜,還沒(méi)有較明確的依據(jù)。在科爾沁沙地,對(duì)生態(tài)環(huán)境起重要作用的是中生和偏旱生植物,而地下水位埋深及土壤水分是決定植物生態(tài)型的重要指標(biāo),因此,摸清植物生態(tài)型與地下水位埋深及土壤水分的關(guān)系,尤其是定量關(guān)系,是恢復(fù)生態(tài)環(huán)境采取何種措施、種植哪種植物的重要依據(jù)。宋郁東等人提出了生態(tài)地下水位的概念,張?zhí)煸?、袁長(zhǎng)極從不同角度研究了植物生長(zhǎng)與地下水位的關(guān)系,提出了適宜水位、最佳水位、鹽漬臨界深度和生態(tài)警戒水位等指標(biāo),但這些研究基本屬于定性分析。李自珍等人和張麗等人針對(duì)少量典型物種,開(kāi)展了植物生態(tài)型與水分因子關(guān)系的定量研究。而針對(duì)較大區(qū)域宏觀上植物生態(tài)型與地下水位埋深及土壤水分的定量關(guān)系的綜合研究尚不深入。因此,本文在摸清科爾沁沙地植物區(qū)系的基礎(chǔ)上,利用實(shí)測(cè)資料分析了植物生態(tài)型與地下水位埋深及土壤水分的定量關(guān)系,希望能為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)恢復(fù)建設(shè)提供決策依據(jù)。1學(xué)習(xí)方法1.1陰山沙地土壤條件科爾沁沙地位于41°41′40″\_47°39′20″N,116°21′30″\_123°43′00″E之間,屬于遼河中游沖淤積平原,總面積約5.06萬(wàn)km2。沙地面積的83%分布在內(nèi)蒙古自治區(qū),而其中的65%分布在內(nèi)蒙古通遼市域內(nèi)?？茽柷呱车貫楦珊蛋敫珊档貐^(qū),是典型的農(nóng)牧交錯(cuò)地,屬大陸性氣候,年降雨量變化在350~450mm之間,年平均蒸發(fā)量為1817.4mm(?20cm蒸發(fā)皿實(shí)測(cè)值)。土壤主要為風(fēng)沙土。地形趨勢(shì)是南北高翹,中間低平,由西北向東南傾斜。地貌以沙丘(壟)與丘(壟)間洼地、泡沼相間分布為特征。植被覆蓋為草地和零星稀疏灌叢。1.2調(diào)查方法和調(diào)查內(nèi)容2002年7\_10月間,在科爾沁沙地中心地區(qū)2.82萬(wàn)km2范圍內(nèi),我們以經(jīng)度相隔15′和緯度相隔10′的經(jīng)緯度線的交叉點(diǎn)為調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)(圖1),共布設(shè)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)172個(gè)。其中M44、N32、H48和G36點(diǎn)(見(jiàn)圖1)為重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn),其余為一般調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)。對(duì)于一般調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn),我們?cè)谡{(diào)查點(diǎn)附近選擇典型區(qū)域,進(jìn)行樣方調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容包括樣方內(nèi)所有植物的名稱、植物生態(tài)型、植物生活型、數(shù)量、高度、蓋度、密度和鮮重等。據(jù)此分析科爾沁沙地植物區(qū)系組成。對(duì)于重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn),我們按照以下步驟進(jìn)行了調(diào)查試驗(yàn)。目的就是為了分析植物生態(tài)型與地下水位及土壤水分的關(guān)系。1)在調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)附近選擇典型植被樣線。2)在選定樣線上劃分植被生態(tài)型類型帶,確定各類型帶樣方調(diào)查點(diǎn)。3)對(duì)各樣方調(diào)查點(diǎn)進(jìn)行樣方調(diào)查。調(diào)查試驗(yàn)內(nèi)容除一般調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)內(nèi)容以外,同時(shí)在樣方處開(kāi)挖土壤剖面至地下水位,分別在植被根系表層、根系層取土樣,用烘干法測(cè)定其土壤含水率。同時(shí)用水準(zhǔn)儀測(cè)量各樣方處的相對(duì)地面高程。在對(duì)地下水位埋深的測(cè)量中,對(duì)于地下水位埋深較淺的樣方,直接量取地下水位埋深;但對(duì)于地下水位埋深較大的樣方,由于在每一個(gè)重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)處所打的樣線均屬于小區(qū)域范圍,所以沿樣線直線方向上水力坡度基本穩(wěn)定,由此通過(guò)地下水位埋深較淺的相距最遠(yuǎn)的兩個(gè)樣方點(diǎn)的地下水位埋深及其兩點(diǎn)的相對(duì)地面高程便可計(jì)算出小區(qū)域地下水水力坡度,然后通過(guò)下式即可確定出地下水位埋深較大的樣方處的地下水位埋深值。式中:Δ高為地下水位埋深較大樣方處的地下水位埋深;Δ低為地下水位埋深較小樣方處的地下水位埋深;ΔH為兩樣方點(diǎn)相對(duì)地面高程差;L為兩樣方之間的距離;J為樣線所處區(qū)域地下水水力坡度。1.3植物生態(tài)型的相關(guān)分析和序列選取1)對(duì)于植物區(qū)系組成分析,我們主要采用分類統(tǒng)計(jì)的方法。2)對(duì)于各樣方主體植物生態(tài)型類型的確定,采用樣方主成分分析方法,利用樣方中各類植物生態(tài)型的鮮重和數(shù)量進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)而確定該樣方的植物主體生態(tài)型類型。3)對(duì)于植物生態(tài)型與地下水位埋深的相關(guān)關(guān)系分析,我們對(duì)各植物生態(tài)型按照由濕生\_中生\_中旱生\_旱生的次序分別賦予1、2、3、4生態(tài)類型取值,以各樣方的該值所組成的序列與其對(duì)應(yīng)的地下水位埋深序列進(jìn)行相關(guān)分析。4)對(duì)于植物生態(tài)型與地下水位及土壤水分的定量關(guān)系的確定,首先單獨(dú)分析各重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù),即各樣線樣方植物生態(tài)型序列與其對(duì)應(yīng)的地下水位埋深和土壤水分序列的對(duì)應(yīng)范圍,然后將四個(gè)重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)的分析結(jié)果進(jìn)行疊加,得出綜合對(duì)應(yīng)范圍,即植物生態(tài)型與地下水位及土壤水分的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系。2結(jié)果與分析2.1植物生態(tài)的組成和實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)針對(duì)172個(gè)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)的調(diào)查試驗(yàn)資料,結(jié)合前人在本地區(qū)所作的系列植被調(diào)查分析工作,統(tǒng)計(jì)分析了研究區(qū)的植物區(qū)系組成狀況。2.1.1裸子植物種間分布經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì),科爾沁沙地共有植物850種,分別隸屬于414屬、103科。其中裸子植物2科、2屬,分別為松科(松屬)和麻黃科(麻黃屬);被子植物101科、412屬。2.1.2灌木與草本植物植被比例經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì),科爾沁沙地喬木占總數(shù)的5.76%;灌木占總數(shù)的7.76%;草本植物占總數(shù)的86.47%。其中,多年生草本植物占63.06%,一年生草本植物占23.41%。2.1.3植物種類及生物量根據(jù)水分條件對(duì)植物生態(tài)型進(jìn)行分類,科爾沁沙地各植物生態(tài)型所占總數(shù)比重分布見(jiàn)圖2。由圖2可知,科爾沁沙地?zé)o超旱生植物,以中生植物為主,占總量的53.15%;偏旱生植物(旱生、中旱生、旱中生植物)數(shù)量居第二位,占總量的23.77%;偏濕生植物(濕生、濕中生植物)數(shù)量較偏旱生植物略少,占總量的16.08%;此外還有少量的水生植物和耐鹽植物,占總量的7%。由此可見(jiàn),該地區(qū)地下水位埋深較淺的低甸子地面積也占一定比例。2.1.4分類依據(jù)信息經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析,在科爾沁沙地,東亞成分、世界分布種、達(dá)烏里-蒙古成分、華北與東北成分、泛北極區(qū)系成分等5種成分?jǐn)?shù)量為751種,占總量的88.35%。2.1.5試驗(yàn)點(diǎn)概況在M44、N32、H48和G36(見(jiàn)圖1)這四個(gè)重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)所作的樣線調(diào)查中,各樣線的樣方序列及其對(duì)應(yīng)的植物生態(tài)型見(jiàn)圖3。四個(gè)重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)共計(jì)22個(gè)樣方,圖3中G36-1表示重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)G36樣線中的1號(hào)樣方,而其所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)軸即為該樣方中植物的主體生態(tài)型,對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值即為該樣方處所對(duì)應(yīng)的地下水位埋深。從圖3可以看出,在這四個(gè)重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)22樣方的植物生態(tài)型類型中,為中生植物類型的樣方數(shù)量居第一位,其次為偏旱生植物,最后為濕生植物,這與上述科爾沁沙地各植物生態(tài)型類型組成比例是一致的,也說(shuō)明所選取的4個(gè)重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)具有一定的代表性。2.2地下水位埋深的測(cè)量對(duì)4個(gè)重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)共計(jì)22個(gè)樣方的地下水位埋深(見(jiàn)圖3)序列和對(duì)應(yīng)的植物生態(tài)型取值序列進(jìn)行相關(guān)分析,其相關(guān)系數(shù)為0.81,說(shuō)明植物生態(tài)型與地下水位埋深相關(guān)性很好,即植物生態(tài)型類型的分布在一定程度上取決于地下水位埋深。根據(jù)各樣方植物生態(tài)型與其對(duì)應(yīng)的地下水位埋深變化范圍,經(jīng)疊加后確定出植物生態(tài)型與地下水位埋深的定量關(guān)系,其結(jié)果列入表1。由表1可知,濕生、中生、中旱生和旱生植物各有一個(gè)地下水位埋深變化范圍,分別為0.45~1.66m、0.95~2.20m、2.20~4.59m和3.45~7.45m。并且濕生植物與中生植物有一個(gè)地下水位埋深過(guò)渡范圍,即0.95~1.66m,在這個(gè)地下水位埋深范圍內(nèi),既有中生植物,又有濕生植物;中旱生植物和旱生植物也有一個(gè)地下水位埋深過(guò)渡范圍,即3.45~4.59m,在這個(gè)地下水位埋深范圍內(nèi),既有中旱生植物,又有旱生植物。2.3不同地下水位埋深對(duì)植物生態(tài)型的影響4個(gè)重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)各個(gè)樣方所對(duì)應(yīng)的植物根系表層和根系層土壤含水率見(jiàn)圖4,為便于比較說(shuō)明,我們將圖3中各重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)的各個(gè)樣方處的地下水位埋深也對(duì)應(yīng)地放入圖4中,由圖4可以看出,各重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)地下水位埋深與土壤含水率具有很好的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,即隨著地下水位埋深的加大,植物根系表層和根系層土壤含水率逐漸減小。這是因?yàn)?當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^淺時(shí),地下水面以上的毛管水上升帶可以波及到植物根系層以內(nèi),地下水位埋深越小,根系層內(nèi)的土壤含水率就越高,也就是說(shuō),地下水位埋深對(duì)植物生態(tài)型類型分布的影響是通過(guò)改變植物根系層土壤含水率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^大時(shí),毛管水上升帶不能波及到植物根系層最深部,植物只能吸收表層土壤中的水分,這種情況下的植被生長(zhǎng)與地下水位埋深基本沒(méi)有關(guān)系。根據(jù)4個(gè)重點(diǎn)調(diào)查試驗(yàn)點(diǎn)22個(gè)樣方的土壤含水率及植物生態(tài)型,經(jīng)疊加后得出植物生態(tài)型與土壤水分的定量關(guān)系,其結(jié)果列入表1。由表1可知,濕生、中生、中旱生和旱生植物有一個(gè)植物根系土壤表層含水率變化范圍,分別為2.70%~25.54%、0.80%~13.32%、0.41%~2.25%和0.28%~0.44%;有一個(gè)植物根系層含水率變化范圍,分別為5.59%~54.80%、3.59%~9.19%、0.71%~3.59%和0.16%~0.78%;而且濕生植物與中生植物有一個(gè)植物根系土壤表層含水率和植物根系層含水率過(guò)渡范圍,分別為2.70%~13.32%和5.59%~9.19%,在該范圍內(nèi),既有濕生植物又有中生植物;中旱生植物與旱生植物有一個(gè)植物根系土壤表層含水率和植物根系層含水率過(guò)渡范圍,分別為0.41%~0.44%和0.71%~0.78%,在該范圍內(nèi),既有中旱生植物又有旱生植物。3結(jié)論和建議3.1植物根系表層土壤含水率的變化1)植物生態(tài)型的分布與地下水位埋深相關(guān)性很好,即植物生態(tài)型的分布在一定程度上取決于地下水位埋深。2)濕生、中生、中旱生和旱生植物有一個(gè)地下水位埋深變化范圍,分別為0.45~1.66m、0.95~2.20m、2.20~4.59m和3.45~7.45m。3)濕生、中生、中旱生和旱生植物有一個(gè)植物根系土壤表層含水率變化范圍,分別為2.70%~25.54%、0.80%~13.32%、0.41%~2.25%和0.28%~0.44%;有一個(gè)植物根系層含水率變化范圍,分別為5.59%~54.80%、3.59%~9.19%、0.71%~3.59%和0.16%~0.78%。4)濕生植物與中生植物有一個(gè)地下水位埋深過(guò)渡范圍,即0.95~1.66m;有一個(gè)植物根系土壤表層含水率過(guò)渡范圍,即2.70%~13.32%;有一個(gè)根系層土壤含水率過(guò)渡范圍,即5.59%~9.19%。5)中旱生植物和旱生植物有一個(gè)地下水位埋深過(guò)渡范