黑河中游荒漠区植物生长与水分变化关系分析

牛 赟 ，张永喆 ，张 虎 ，刘建海 ，赵国生

（1.甘肃张掖生态科学研究院 甘肃省祁连山生态科技创新服务平台，甘肃 张掖 734000；2.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省祁连山水源涵养林研究院 红沙窝荒漠化综合防治试验站，甘肃 张掖 734000；4.华南理工大学，广东 广州 510641）

黑河中游荒漠区植物生长与水分变化关系分析

牛 赟1,2,3，张永喆4，张 虎1,3，刘建海1,3，赵国生1,3

（1.甘肃张掖生态科学研究院 甘肃省祁连山生态科技创新服务平台，甘肃 张掖 734000；2.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000；3.甘肃省祁连山水源涵养林研究院 红沙窝荒漠化综合防治试验站，甘肃 张掖 734000；4.华南理工大学，广东 广州 510641）

土地荒漠化是当前世界十大环境问题之一，对人类的生存和发展构成了严重威胁。通过黑河流域中游荒漠区建立的荒漠化综合防治试验站对土壤各层含水率、植被生物量、盖度、地下水埋深、降水量等9 a（2006—2014年）长期定位监测，采用特征参数算法、相关和多元回归分析方法，研究了植被生长和水分的年内、年际变化特征及相关回归模型。结果表明：（1）土壤平均质量含水率、植被平均生物量、平均盖度、地下水埋深、降水量年均分别为2.38%、136.13 g/m2、11.01%、271.63 cm、141.56 mm；年际变化幅度从大到小依次为土壤质量含水率＞植被平均盖度＞降水量＞植被平均生物量＞地下水埋深，其中土壤质量含水率和植被平均盖度呈波动性增加趋势，植被平均生物量、地下水埋深、降水量呈波动性略有减小趋势。（2）在一年的植物生长季的3～11月份期间，降水量、地下水埋深变化步调基本一致，各层土壤含水率变化步调基本一致。（3）植被平均盖度与土壤各层质量含水率中度正相关，与降水量低度相关，与其它因子关系极弱。（4）植被平均盖度模型预测准确率可达79.2%，误差平均为0.381，解释变差可达89.9%。本研究可为荒漠化防治中的水资源管理以及退耕还林、天然林保护、黑河流域综合治理等工程对水资源影响的评估等提供科技支撑和参考数据。

生物量；盖度；土壤质量含水率；荒漠化防治；黑河中游

全球干旱半干旱区域面积约占陆地总面积的三分之一，近百年来，气候变暖使得中纬度地区的干旱半干旱区范围不断扩大「1-2]。水分是干旱区植物生长的限制因子，如何让水分满足植物的生长需要，这是干旱半干旱区荒漠化防治工作考虑的一个基本问题[3]。假如我们掌握了植物生长与水分变化的关系，一方面，可合理科学调控水资源，如限制机井数量控制地下水埋深等方式满足植被生长对水分的需要；另一方面，通过植物生长指标评估水资源利用与管理工作。如在流域上、中、下游地区和各部门水资源比例分配，农业和生态用水比重调控，以及退耕还林、天然林保护、黑河流域综合治理等工程对水资源的影响评估等。

关于植物生长与水分变化相关研究，有许多学通过植物组织含水量、蒸腾速率、水势、渗透势等测定研究植物体内水分对植物形态、生理活动的影响[4-6]，而本研究是关于荒漠区植物生长对植物体外水分（如土壤水）变化的研究，不考虑水分对植物形态、生理等影响，而是只关注降水、土壤水、地下水对植物生物量、盖度等方面的影响。关于这方面研究，有些学者研究了地下水位的变化，如赵传燕等[7]在黑河下游地区研究了地下水位的波动变化，发现2006 年地下水位与黑河分水前( 2000 年) 的地下水位相比较，地下水位在总体上得到明显升高，但中游地下水在分水后仍有显著下降，平均下降 0.96 m。有些学者研究了土壤水对降水的响应，如刘冰等人[8]对黑河流域荒漠区降水特征及其土壤水分对降水脉动响应进行了研究，发现荒漠区土壤水分对降水脉动具有显著的响应现象。这些研究成果都为干旱区荒漠化防治提供了宝贵的资料，但实际工作最需要紧紧围绕植被荒漠化问题开展研究[9]。虽然也有一些学者也开展了相关研究，如赵良菊[10]对黑河下游河岸林植物水分来源进行了研究，但是，总体显得科技支撑较薄弱。正如赵文智等人[11]研究指出的那样，荒漠化植物防治措施中，要考虑气候、土壤、地下水等环境因素的综合作用结果。正是这个原因，2006年甘肃省祁连山水源涵养林研究院在黑河流域中游建立“红沙窝荒漠化综合防治试验站”进行长期定位多要素监测。已取得了与土地荒漠化和沙尘暴发生、发展等相关的气象、水文、土壤、植被等9 a连续完整数据。本研究为探索荒漠化防治中地下植物生长与水分变化的关系，提取0～10、10～20、20～40、40～60 cm深土壤质量含水率、植被平均生物量、植被平均盖度、地下水埋深、降水量等数据开展研究。

1 数据来源与方法

1.1 研究区概况

黑河流域地处中国西部，全长 821 km，跨青海、甘肃和内蒙古 3 省(区)，总面积 13×104km2，高山、河流、农田、牧场、荒漠、沙漠等生态类型齐全，还保存着大批珍稀野生动植物资源，是我国及全球物种资源库的一个重要组成部分，也是我国西北干旱地区最大的内陆河流域之一, 黑河中游是指黑河出山口莺落峡至正义峡之间的地区。研究区北部分布着巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和塔克拉玛干三大沙漠，风沙线长达1 600 km。范围从北纬37 °28 ′～ 39 °57 ′到东经 97 °20 ′～ 102 °12 ′，平均海拔1 200～1 700 m。属温带干旱大陆性荒漠气候，年均气温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%，年蒸发量1 340.7～2 388.0 mm。该区人口聚集，人类活动对自然生态系统的干扰最为剧烈，土地受人为活动影响也最显著。其天然植被稀疏，主要有白刺Nitraria tangutorum、红砂Reaumuria songarica、木本猪毛菜Salsoal arbuscula和泡泡刺Nitraria sphaerocarpa等旱生植物，地带性土壤为灰漠土、灰钙土和灰棕漠土；非地带性土壤有风沙土、草甸土、沼泽土、盐渍土和灌淤土等。总的特点是土壤贫瘠、有机质缺乏、质地较粗、含盐量高、属荒漠土类，生态地域复杂，具有平原荒漠植被的特征，在植被地理规律和地理时空分布上分异明显，有古老和现代特征。地貌景观类型有流动，半流动，固定、半固定沙丘以及丘间低地。

1.2 数据来源及监测方法

红沙窝荒漠化综合防治试验站位于甘肃省张掖市中心以北15 km处，海拔1 450 m，地理坐标为 39 °01 ′46.3 ″N， 100 °31 ′56.2 ″E，各试验点位置如表1所示，降水量数据来自气象站，设置为每昼夜0～23点每小时整点采收1次数据；地下水埋深数据来自1号井和2号井，每月15号调查1次，且取2井的平均值；土壤质量含水量数据来自源于荒漠区1～7号样地周边随机选取3个有代表性的样地挖剖面取土样，每月15号调查1次；植被平均生物量和盖度数据来源于荒漠区1～7号，大小为20 cm×20 cm的固定样地（如表1），每月15号调查1次。本研究提取2006年至2014年相关调查数据进行研究。

表1 黑河流域中游红沙窝荒漠化综合试验点位置Table 1 Positions of test point of desertification control in Hongshawo in desert areas of Heihe middle reaches

1.2.1 土壤质量含水率数据

1.2.2 植被平均生物量和盖度数据

由于研究区荒漠化植被较稀疏，主要是白刺、红砂、木本猪毛菜、泡泡刺等，因此，测定样方内每株植物覆盖总面积与样方面积之比求得植被平均盖度；生物量测定选择传统的收割法，也就是选择与固定样地植被最相似、大小相同的3块随机样地，将样方地上部分的植被全部收割，然后带回实验室称取其鲜重和干重，植被干重与样方面积比求得植被平均生物量[13]。

1.3 分析方法

用以下公式分别计算0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm深土壤质量含水率、植被平均生物量、植被平均盖度、地下水埋深、降水量年内、年际变化平均值μ、标准差σ、变异系数Cv。式中Xi为各因子统计参数，N为年份数。

1.3.1 相关分析法

整编红沙窝荒漠化综合防治试验站2006—2014年数据，建立月0～10 cm（Sw5，%）、10～20 cm（Sw15，%）、20～40 cm（Sw30，%）、40～60 cm深土壤质量含水率（Sw50，%）、平均生物量（B，g/m2）、平均盖度（C，%）、地下水埋深（D，cm）、降水量（P，mm）数据表。利用以下公式求得相关系数r，式中μx、μy分别为平均值，σx、σy分别为标准差，n为数据对数。

1.3.2 多元回归分析法

通过植被生长和水分系数拟合计算、方差分析、回归模型优度R2检验、F检验、t检验等，最后建立植被平均盖度与土壤各层质量含水率和降水量5项因子的回归模型。

2 结果与分析

2.1 植被生长和水分年际变化特征分析

从表2可以看出，根据平均值μ、标准差σ统计分析，2006—2014年，研究区0～10、10～20、20～40、40～60 cm深土壤质量含水率、植被平均生物量、平均盖度、地下水埋深、降水量年均值分别为2.04%、2.29%、2.72%、2.47%、136.13 g/m2、11.01%、271.63 cm、141.56 mm；波动范围分别为1.44%～2.64%、1.49%～3.08%、1.53%～ 3.92%、1.44%～ 3.50%、103.10～ 169.15 g/m2、8.30% ～ 13.71%、236.01～307.25 cm、106.50～176.62 mm，区间波动的几率占68%。通过变异系数Cv统计分析，结合图1，2006—2014年，变化幅度从大到小依次为20～40、40～60、10～20、0～10 cm深土壤质量含水率、植被平均盖度、降水量、植被平均生物量、地下水埋深，其中0～10、10～20、20～40、40～60 cm深土壤质量含水率、植被平均盖度呈波动性增加趋势，植被平均生物量、地下水埋深、降水量呈波动性略有减少趋势。

表2 黑河流域中游荒漠区植物生长和水分年际变化特征Table 2 The interannual variation features of plant growth and water in desert areas in Heihe middle reaches

2.2 植被生长和水分年内变化特征分析

除降水量采用月累积算法外，其它各因子均采用月平均算法，分析结果如图2所示，在一年植物生长季的3～11月份，降水量、地下水埋深变化步调基本一致，从3月份开始逐渐增大，直到7、8月份增到最大值，然后又逐渐降低，到10月份后，地下水埋深有个升高，而降水量继续降低。土壤含水率变化步调基本一致，3月份各层土壤质量含水率平均值为2.4 %，随着时间逐渐降低，到5～6月份降到最低为1.65 %～1.78 %，然后逐渐升高，直到10份达到最大值为3.57 %，然后又逐渐降低到11月份的2.16 %。从土壤含水率垂直变化来看来，土壤质量含水率月均值从大到小依次为20～40 cm深土壤质量含水率、40～60 cm深土壤质量含水率、10～20 cm深土壤质量含水率、0～10 cm深土壤质量含水率。植物平均生物量和盖度在生长季变化不大。

图1 黑河流域中游荒漠区植被生长和水分年际变化特征Fig. 1 The interannual variation features of plant growth and water in desert areas in Heihe middle reaches

图2 黑河流域中游荒漠区植被生长和水分年内变化特征Fig. 2 The annual variation features of plant growth and water in desert areas in Heihe middle reaches

如表3、图2所示，在植物生长季的3～11月份，变化幅度（变异系数）从大到小依次为降水量、地下水埋深、0～10 cm、40～60 cm、20～40 cm、10～20 cm深土壤质量含水率、平均生物量、平均盖度，说明降水量和地下水埋深变化最剧烈，植被平均生物量和平均盖度变化最小、最稳定。

2.3 植被生长和水分相关性分析

一般地，相关系数|r|＞0.95，存在显著性相关；0.95≤|r|≥0.8，高度相关；0.5≤|r|＜0.8，中度相关；0.3≤|r|＜0.5，低度相关；|r|＜0.3，关系极弱，认为不相关。从表4可以看出，植被平均盖度与土壤各层质量含水率中度正相关，与降水量低度相关，与其它因子关系极弱。植被平均生物量与其它因子认为不相关。这是因为荒漠干旱区植物利用水分的方式有两种：一是利用深根吸收地下水或深层土壤水，二是利用发达的浅层水平根系吸收各层土壤水[14]。此外，还有的植物具有二态性根系，能够更灵活地适应干旱区环境[15]。本研究区植物主要为荒漠地区超旱生小灌木，根系较短，地下水埋深对其影响较小，因此，表现出植物生物量或盖度与地下水埋深关系极弱的现象。根据相关性分析，筛选植被平均盖度与土壤各层质量含水率、降水量5个因子进行回归模型分析。

表3 黑河流域中游荒漠区植被生长和水分年内变化特征Table 3 The interannual variation features of plant growth and water in desert areas in Heihe middle reaches

2.4 植被盖度与降水、土壤水回归模型分析

表4 黑河流域中游荒漠区植被生长和水分相关系数Table 4 The correlation coefficient of plant growth and water in desert areas in Heihe middle reaches

2.4.1 植被盖度与降水、土壤水拟合分析

将植被平均盖度作为因变量，土壤各层质量含水率、降水量作为自变量，经拟合分析，其复相关系数R2为0.948，属于高度正相关；复测定系数R2为0.899，说明回归模型的拟合效果较好，也表明土壤各层质量含水率和降水量5项因子可以解释植被平均盖度变差的89.9%。调整后复测定系数R2为0.729，说明土壤各层质量含水率和降水量5项因子可以说明植被平均盖度的79.2%，还有10.8%需要由其他因素来解释，比如陆面的微地形变化等因子。标准误差为0.381，说明由土壤各层质量含水率和降水量5项因子计算出的植被平均盖度与实际监测值之间误差平均为0.381，此值越小，说明拟合程度越好。

2.4.2 植被盖度与降水、土壤水方差分析

从表5可以看出，土壤各层质量含水率和降水量5项因子对其平均值的总偏差为SSr，即变差值为3.859，回归均方差MSr为0.772；植被平均盖度观测值对其预测值的总偏差SSe为0.436，剩余均方差MSe为0.145。F值是MSr和MSe的比值，由于我们期望MSe越小越理想，期望MSr越大越理想，所以，F值越大，说明对植被平均盖度预测结果越理想。求得F检验值为5.314，查得F0.1( 5，3) 的临界值Fa为 5.309，F检验值大于临界值Fa，说明利用土壤各层质量含水率和降水量5项因子预测的植被平均盖度在a＝0.1（p＜0.1)水平上极显著，且置信度为90%以上。

表5 黑河流域中游荒漠区植被生长和水分方差分析Table 5 The analysis of variance of plant growth and water in desert areas in Heihe middle reaches

2.4.3 植被盖度与降水、土壤水偏回归系数分析

偏回归系数分析主要是检验偏相关系数的显著程度，如表6，常数、0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm深土壤质量含水率、降水量对应的P-value分别为0.003、0.105、0.208、0.381、0.325、0.096，分别小于0.005、0.25、0.25、0.5、0.5、0.1，因此，常数在P＜0.005，也就是α=0.005水平上，查得t0.005(8)的临界值为3.833，从表6可看出，其相对应的t检验值为8.861，检验值大于临界值，这说明常数在α=0.005水平上偏相关系数差异显著；同理，0～10 cm、10～20 cm深土壤质量含水率偏相关系数在p＜0.25，也就是α=0.25水平上，t检验值的绝对值2.304、1.599大于t0.25(8)=1.240的临界值，说明0～10 cm、10～20 cm深土壤质量含水率偏相关系数差异在α=0.25水平上显著；20～40 cm、40～60 cm深土壤质量含水率偏回归系数在p＜0.5，也就是α=0.5水平上，t检验值的绝对值1.024、1.173大于t0.5(8)=0.706的临界值，这说明20～40 cm、40～60 cm深土壤质量含水率偏相关系数差异在α=0.5水平上显著；降水量偏回归系数在p＜0.1，也就是a=0.1水平上，t检验值的绝对值2.398大于t0.1(8)=1.860的临界值，这说明降水量差异偏相关系数差异在a=0.1水平上显著。

表6 黑河流域中游荒漠区植被生长和水分偏回归系数Table 6 The partial regression coefficients of plant growth and water in desert areas in Heihe middle reaches

综合上述R拟合检验、F方差检验、t偏回归系数检验，可得出植被平均盖度与土壤各层质量含水率和降水量5项因子的回归模型：C=2.13Sw5－1.44Sw15－0.8Sw30＋0.52Sw50＋0.03P＋10.48（R2=0.899，P＜0.1） ，式中C为植被平均盖度（%），Sw5、Sw15、Sw30、Sw50分别为0～10 cm（%）、10～20 cm（%）、20～40 cm（%）、40～60 cm（%）深土壤质量含水率，P（mm）为降水量。

3 结论与讨论

3.1 讨 论

黑河流域土地荒漠化面积占54.90%～64.30%[16]，土地荒漠化防治其中一项重要措施是调控土壤水能够维持旱生植物的正常生命。通过本研究发现，由土壤各层质量含水率和降水量5项因子可以解释植被平均盖度变差的89.9%。利用这个回归模型原理，通过对机井数量的控制来调节土壤含水量指标，确定植物生长对水分的最低要求阀值指标；另外，以旱生植物生长与水分需要是否满足为标准，在分配流域上、中、下游地区和各部门水资源比例，安排农业和生态用水比重，以及退耕还林、天然林保护、黑河流域综合治理等工程对水资源的影响等。

河川径流是干旱区内陆河流域的主要水资源。流域内往往存在上、中、下游地区和各部门实行公平合理的水资源分配问题。例如黑河流域，原国家计委和水利部先后于1992年和1997年批准了黑河分水方案。流域上游常常建有水力发电站，人工调控向中下游供水。在这些水资源调控和管理中，文中研究的植被生长和水分年内年际变化规律以及植被平均盖度与土壤各层质量含水率和降水量5项因子的回归模型都可提供科技支撑和参考数据。

3.2 结 论

（1）从2006～2014年的年际变化看，0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm深土壤质量含水率、植被平均生物量、平均盖度、地下水埋深、降水量年均分别为2.04%、2.29%、2.72%、2.47%、136.13 g/m2、11.01%、271.63 cm、141.56 mm；波动范围分别为1.44%～2.64%、1.49%～ 3.08%、1.53%～ 3.92%、1.44%～3.50%、103.10～169.15 g/m2、8.30 %～13.71%、236.01～307.25 cm、106.50～176.62 mm，区间波动的几率占68%。年际变化幅度从大到小依次为20～40 cm、40～60 cm、10～20 cm、0～10 cm深土壤质量含水率、植被平均盖度、降水量、植被平均生物量、地下水埋深，其中0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm深土壤质量含水率、植被平均盖度呈波动性增加趋势，植被平均生物量、地下水埋深、降水量呈波动性略有减少趋势。

（2）在一年的植物生长季的3～11月份期间，降水量、地下水埋深变化步调基本一致，从3月份开始逐渐增大，直到7、8月份增到最大值，然后又逐渐降低，到10月份后，地下水埋深有个升高，而降水量继续降低。土壤含水率变化步调基本一致，3月份各层土壤质量含水率平均值为2.4%，随着时间逐渐降低，到5～6月份降到最低为1.65%～1.78%，然后逐渐升高，直到10份达到最大值为3.57%，然后又逐渐降低到11月份的2.16%。从土壤含水率垂直变化来看，土壤质量含水率月均值从大到小依次为20～40 cm深土壤质量含水率、40～60 cm深土壤质量含水率、10～20 cm深土壤质量含水率、0～10 cm深土壤质量含水率。月际变化幅度（变异系数）从大到小依次为降水量、地下水埋深、0～10 cm、40～60 cm、20～40 cm、10～20 cm深土壤质量含水率、平均生物量、平均盖度，说明降水量和地下水埋深变化最剧烈，植被平均生物量和平均盖度变化最小、最稳定。

（3）植被平均盖度与土壤各层质量含水率中度正相关，与降水量低度相关，与其它因子关系极弱。植被平均生物量与其它因子认为不相关。

（4）建立了植被平均盖度与土壤各层质量含水率和降水量5项因子的回归模型：C=2.13Sw5－1.44Sw15－0.8Sw30＋0.52Sw50＋0.03P＋10.48（R2=0.899，P＜0.1），回归模型通过了R2拟合检验、F方差检验、t偏回归系数检验。通过模型计算出植被平均盖度准确率达79.2%，误差平均为0.381，解释植被平均盖度的变差可达89.9%。

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The correlation analysis between plant growth and changes of water in desert areas in Heihe middle reaches

NIU Yun1,2,3, ZHANG Yong-zhe4, ZHANG Hu1,3, LIU Jian-hai1,3, ZHAO Guo-sheng1,3
(1. Academy of Ecology Science of Zhangye, Gansu Science and Technology Innovation Service Platform of Ecology in Qilian Mountains, Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China; 2.Cold And Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China; 3.Academy of Water Resource Conservation Forests of Qilian Mountains in Gansu Province, Test Station of Desertification Control in Hongshawo, Zhangye 734000, Gansu, China; 4.South China University of Technology, Guangzhou 510641, Guangdong, China)

Land deserti fication is one of the world’s top ten environmental problems, and constitutes the serious threat for human survival and development. In order to explore response natural desert plant growth to changes of water in deserti fication control, the test station of deserti fication control in Hongshawo had been established in in Heihe middle reaches in 2006 by the academy of water resource conservation forests of Qilian mountains in Gansu province, and had been long-term location and multi-factor monitoring.At present, the data about meteorological, hydrological, soil, vegetation which related desertification and sandstorm occurrence and development had been obtained for 9 consecutive years. In this paper, extracted data about soil moisture content of each layer, vegetation biomass, coverage, groundwater depth and rainfall, which had come from test station of desertification control in Hongshawo had been set up in desert zones 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 average moisture content rate of soil, the average vegetation biomass, coverage,groundwater depth and precipitation respectively was 2.38%，136.13 g/m2，11.01%，271.63 cm，141.56 mm. Interannual variation order from large to small was that moisture content rate of soil＞coverage＞precipitation＞biomass＞groundwater depth. The average moisture content of soil and average vegetation coverage showed a trend of volatility increase, but the average vegetation biomass, groundwater depth and precipitation showed a trend of slightly volatility decrease in the research area. (2) In the growing season from march to November, the annual variance pace of each layer soil moisture content were resemblance, and the changes of average vegetation coverage and biomass were non-signi ficant.(3) Average vegetation coverage and soil moisture content of each layer were mezzo positive correlation, but related to precipitation was low, very weak relationship with other factors. (4) The regression model of each layer soil moisture content and precipitation had been passed by R2 test, F test and t test, and and it was applicable and expandable. Through model analysis, the five factors of soil quality of moisture content in each layer and rainfall could explain 89.9% variation of the average vegetation coverage. 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 control.

biomass; coverage; moisture content of soil; desertification control; Heihe river middle reaches

S761.1

A

1673-923X(2016)08-0096-08

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.08.017

2015-11-10

由甘肃省科技计划项目（144JTCG254、145RJIG337）；国家自然科学基金项目（41461004）

牛 赟，高级工程师；E-mail：niuyun2028@163.com

张 虎，高级工程师

牛 赟，张永喆，张 虎，等. 黑河中游荒漠区植物生长与水分变化关系分析[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(8):96-103.

[本文编校：文凤鸣]