柴达木盆地生态植被的地下水阈值

党学亚，卢 娜，顾小凡，金晓媚

(1.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054；2.中国地质调查局干旱-半干旱地区地下水与生态重点实验室，陕西 西安 710054；3.陕西省水资源与环境工程技术研究中心，陕西 西安 710054；4.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083)

柴达木盆地位于青藏高原东北部，是一个巨大的矿产与能源资源盆地，也是国家在建的最大循环经济试验区，承担着支撑青海经济社会发展、保护三江源，支援西藏建设的重任。在青海实施了生态立省战略，大部分省域被划定为保护区的情况下，柴达木几乎是青海唯一可开发矿产，变资源优势为经济优势的地区，又被称作为青海发展的“经济眼”和带动青藏经济的“发动机”。区内的格尔木、德令哈、乌兰、诺木洪-宗加及乌图美仁平原是柴达木循环经济的核心布局区与主要用水区(图1)。根据柴达木盆地重点地区1∶5万水文地质调查报告[1]以及柴达木盆地地下水资源及其环境问题调查评价报告[2]：柴达木盆地干旱少雨，内部平原区水资源基本来自周边山区的径流输入，多年平均量为5 630×106m3/a。其中4 244×106m3/a为出山河流在冲洪积扇渗漏形成的地下水。因此，地下水是柴达木经济社会发展依赖的主要水源。与此同时，地下水在冲洪积扇前缘泄出后与地表水共同作用形成了绿洲植被，其又是维持盆地绿洲生态的重要水源。故循环经济试验区开发利用水资源必须查明地下水与生态植被的关系。

图1 柴达木盆地主要植物种群分布图Fig.1 Distribution map of the main plant populations in the Qaidam Basin

目前，生态植被与地下水关系的调查研究从技术思路到方法手段均已成熟。杨泽元等通过调查提出了陕北风沙滩地区生态安全的地下水位埋深为1.5～5 m[3]；张茂省等采用水文地质调查与遥感定量分析相结合的方法，研究认为陕北能源化工基地风沙滩地区影响植被生态的潜水位埋深不超过7 m[4]；金晓媚等通过遥感分析并辅以野外验证的方法，研究了银川平原、黑河下游绿洲带及柴达木乌图美仁和都兰地区地下水与植被的关系[5-8]，得出适宜植被的水位埋深和TDS为银川平原水位埋深2～4 m、TDS<2.5 g/L，黑河下游绿洲带水位埋深2～5 m，乌图美仁地区水位埋深<2 m、TDS<3.5 g/L，都兰地区水位埋深1.7 m、TDS<3 g/L。本文利用2010年以来，在柴达木盆地实施的系列1∶5万水文地质调查项目获得的基础数据，通过研究平原生态植被与地下水的关系，厘定出对柴达木盆地具有普适性且便于宏观层面科学决策采用的生态植被的地下水阈值，以期为柴达木循环经济试验区基于风险管控制定地下水开发利用方案提供基础依据。

1 研究区概况

研究区由格尔木、德令哈、乌兰、诺木洪-宗加、乌图美仁5个位于昆仑山和祁连山山前的第四系河湖相沉积平原组成。从河流出山口至下游终端湖，昆仑山前的乌图美仁、格尔木、诺木洪-宗加地区地貌形态依次为洪积平原、冲洪积平原、冲湖积平原和湖积平原，而祁连山前的德令哈、乌兰地区为洪积平原、冲洪积平原、冲湖积平原，几乎不存在湖积平原。

全盆地降水量<300 mm，主要集中在6—9月。降水呈现山区多平原区少、东部多西部少的空间分布特征。其中，山区降水量100～300 mm，平原区降水量20～200 mm，祁连山前的德令哈平原、乌兰平原100～200 mm，诺木洪-宗加、格尔木、乌图美仁平原约50 mm。研究区以特征荒漠[9]为主，植被稀疏，种类不足200种，主要是高度抗旱与耐盐碱的灌木、半灌木和草本，分布于砾石戈壁、洪积平原上的沙漠地带，结构简单[10-11]。砂砾质洪积平原，潜水位埋深>20 m、土壤总盐0.6%～1%，植物群落建群种主要为膜果麻黄、驼绒藜、梭梭、篙叶猪毛菜和合头草；绿洲所在的洪积平原前缘和冲积平原中后部，潜水位埋深3～10 m、TDS在1～5 g/L，地表土壤为灰棕色沙质盐化的荒漠土，表层易溶盐含量5%～10%，植物群落主要为柽柳和梭梭；冲积平原前部和湖积平原后缘，潜水位埋深2～3 m，TDS在5～10 g/L，土壤为荒漠盐土，表层含盐量为6%～10%，有较厚的盐结皮，植物建群种主要为梭梭、柽柳和多汁盐生的盐爪爪等；冲积平原前缘和湖积平原区，潜水位埋深<2 m，TDS在10～50 g/L，土壤为盐生草甸土和草甸盐土，表层含盐量>10%，多具盐壳，植物群落随着潜水位埋深减小依次为芨芨草盐生草甸、芦苇与赖草盐生草甸和湿生杂草类、盐角草盐生草甸和沼泽化盐生草甸。

本研究区从河流出山口向下游的终端湖泊，德令哈平原和乌兰平原植被生态依次为戈壁砾石荒漠、地下水泄出带与冲洪积细土平原绿洲，而乌图美仁、格尔木、诺木洪-宗加3处平原有所不同，在戈壁带、绿洲带下游分布有大面积寸草不生的盐沼荒漠[12-19]。各块区除共同具有蒿叶猪毛菜、冰草、驼绒藜、合头草、赖草等植被种群外，还有各自独特的建群植物种类，从而使得植被群落结构有所不同。其中：格尔木平原区以芦苇、罗布麻、黑枸杞、白刺、膜果麻黄、沙蒿、红柳为主；德令哈平原区以为芦苇、白刺、红柳、枇杷柴、沙蒿、芨芨草、盐爪爪、黑枸杞、梭梭混生为主；乌兰平原区以芦苇、盐爪爪、沙蒿为主，同时伴生有柽柳、白刺、梭梭等；诺木洪-宗加平原区主要为芦苇、沙蒿、红柳、白刺、沙拐枣混生；乌图美仁平原区以芦苇为主，其间混生少量红柳和白刺(图1)。主要植物类型的习性和适生环境见表1。

表1 柴达木盆地主要植物类型的适生环境一览表

另外，研究区农业种植和城乡绿化贡献了大面积的人工绿地。5个块区中除乌图美仁人烟稀少，生态植被基本保持天然状态外，其它4区是柴达木盆地的人口密集区，城乡绿化与以种植枸杞为特色的高原农业活动强烈。1∶5万水文地质调查显示，格尔木、德令哈、乌兰及诺木洪-宗加的绿洲带上，地下水位埋深3～4 m以深的地段是当地市县级城镇以及农场、乡村的所在地，形成横贯冲洪积扇前缘，宽度3～4 km、面积70～215 km2不等的农业种植带(表2)。其中，城乡绿化与防风固沙种植了大量毛白杨、小叶杨等乔木。这些乔木根系深度一般在2.7～4.5 m[20-21]，在多数种植区够及不到地下水，成活与生长发育主要依靠滴管或漫灌维系。

2 研究方法与数据处理

2.1 研究方法

本研究采用生态水文地质调查与遥感定量分析相结合的方法进行。水位埋深、TDS含量数据为柴达木盆地系列1∶5万水文地质调查工作在2010—2016年植物生长季6—9月获得的实测数据。其中，水位埋深通过自计水位仪监测和人工监测获得，仪器监测频率6次/月，人工统测数据为2次/年。TDS数据在青海省水文地质工程地质环境地质调查院实验室测试。遥感数据为MOD13Q1数据集，其内容为归一化差值植被指数(NDVI)，空间分辨率为250 m×250 m，每16 d一期数据，每年23期[22]。像元的NDVI值介于-1和1之间，数值越大表示所对应的地面植被覆盖度越高，反之所对应地面植被覆盖度越低。该套植被指数有2000年4月至今的数据，可免费获取。本研究选用其中与地下水位及TDS获取时间同期的8期NDVI数据，并进行最大值合成，以表征该时间段内的植被覆盖状况。具体的数据范围限定在地下水位埋深<10 m的区域内，但这一区域内无植被生长的乌图美仁平原与格尔木平原盐沼平原除外。

表2 生态景观规模及城乡绿植规模

2.2 数据处理

表1显示区内主要植物根系深度一般小于4 m，沙拐枣小于6 m、红柳和柽柳小于10 m，但适生水位埋深一般不超过3 m、根深较大的红柳和柽柳适生水位埋深在4～5 m。故筛选埋深小于10 m区域的水位、TDS及NDVI数据进行相关性分析，数据量及样点控制面积与密度见表3。

首先将水位埋深进行插值，得到每个像元空间上对应的水位埋深与NDVI数据；再将水位埋深以0.1 m为间隔，对每一区间上的NDVI值进行平均取值，得到NDVI均值与潜水位埋深关系曲线，确定地下水位阈值；其次，将调查点所处像元的NDVI值与同期对应的TDS含量绘制成散点图，得到NDVI与TDS含量的关系，确定生态植被的地下水TDS阈值；综合两者厘定出能够包容整个研究区天然生态植被的地下水阈值。

表3 样本数量统计

3 结果与讨论

3.1 NDVI与水位埋深关系

NDVI值与潜水位埋深散点图及NDVI均值与潜水位埋深关系曲线见图2。

(1)各块区NDVI散点均有较集中的水位埋深分布区间。格尔木平原NDVI散点分布的水位埋深区间主要在0.3～3.5 m，在3.5～8.2 m有一定分布、8.2～10 m极少分布；德令哈平原NDVI散点分布的水位埋深区间主要在0.3～2.6 m，在2.6～10 m有显明分布且高值点较多；乌兰平原NDVI散点密集分布的水位埋深区间为0.3～2.6 m和4.3～8 m，在2.3～4.3 m有较密集分布；诺木洪-宗加平原NDVI散点密集分布的水位埋深区间为0.3～2.6 m，其中高值点集中分布于0.6～2.3 m；乌图美仁平原NDVI散点密集分布的水位埋深区间为0.5～2.6 m。

图2 柴达木盆地典型平原区NDVI与潜水位埋深关系Fig.2 Diagram of NDVI and groundwater table in the typical plain area of the Qaidam Basin

(2)块区NDVI均值曲线除格尔木与德令哈形态类似外，总体差异明显，但高值区有着共同的水位埋深区间。格尔木曲线呈多峰谷波浪形态。NDVI均值在水位埋深小于3.5 m时变化平稳、大于3.5 m时显著跳荡、大于5.3 m时总体呈降低趋势。埋深0～1 m和1.4～5.3 m为高值区，峰顶在0.3和3.1 m；同时在埋深1～1.4 m形成了低值区，谷底在1.3 m。德令哈曲线形态与格尔木较为相似，NDVI均值总体较高，在水位埋深小于4.2 m时起伏变化较平滑，大于4.2 m时起伏剧烈且NDVI均值呈现明显跳荡性的降低趋势，但在埋深接近7 m后NDVI均值有增大趋势。在0～1 m、1.2～2.2 m和2.4～3.6 m形成了 3个高值区，峰顶在0.4，1.3，2.5和3.2 m，峰值大小不等；同时在1～1.2 m和2.2～2.4 m形成了NDVI均值相对较小的低谷区，谷底在1.1和2.3 m。乌兰曲线总体呈“台地起峰式”形态，“台地”对应的水位埋深在2.1～6.3 m，区间跨度较大、NDVI均值相对较高，并在2.3，3.2，3.7和4.7 m形成了多个幅度不等的峰值；“台地”两侧NDVI均值急速减小，但在埋深0.8 m处出现了小峰值、1.1 m处出现了低谷值。诺木洪-宗加的NDVI均值总体呈正态分布，在0.9～2.5 m对应着相对高值区，其间的1.4～1.9 m为突出的高值区，峰值在1.7 m；水位埋深大于3.5 m时，NDVI均值趋向不变。乌图美仁的NDVI均值曲线总体为接近完整的“弯弓”形态，埋深0.4～2.3 m对应着相对高值区，峰值在0.9 m，其间水位埋深1.8～2.3 m对应的NDVI均值变化不明显；埋深2.3～2.8 m时 NDVI均值急剧减小，埋深大于2.8 m趋于稳定。横向对比各块区可见，乌图美仁NDVI均值绝对值最高，其次是德令哈、格尔木、乌兰，诺木洪-宗加最低。总体上1.4～3.5 m是各块区高NDVI均值共同对应的水位埋深。结合表1判断，±0.3 m、±0.9 m、±2.1 m、±3.1 m等峰值应是几种不同结构植被群落适宜的地下水位埋深；相对而言，水位埋深±1.1 m不利于植被的生长发育。

3.2 NDVI与TDS含量的关系

NDVI与TDS含量关系见图3。随着TDS的增大，NDVI散点分布总体呈现密度减小、高值点减少的变化特征。TDS≤1.5 g/L时，散点密集，NDVI高值点密度大，植被生长发育最好；1.5 g/L7.5 g/L时，散点极少、NDVI值均在0.35以下，植被生长发育差。

图3 柴达木典型平原区潜水TDS与植被指数的关系图Fig.3 Diagram of NDVI and groundwater TDS in thetypical plain area in the Qaidam Basin

3.3 讨论

研究区块NDVI值高低对应的水位埋深区间既有相同之处也有显著差异，反映各块区植被既受共同因素的作用，也受到了不同因素的影响。从NDVI均值的绝对值看，乌图美仁最高，其次是德令哈、格尔木、乌兰，最低是诺木洪-宗加。对照研究区的自然条件，乌图美仁平原降水少，但有柴达木盆地第一大河那棱格勒河提供地表和地下水源；德令哈平原降水相对较多，同时柴达木盆地第四大河巴音河提供地表和地下水源，另外较大规模的农业种植与城乡绿化；格尔木平原降水少，但柴达木盆地第二大河格尔木河提供地表和地下水源，另外也有较大规模的农业种植与城乡绿化；乌兰平原降水量最大，河流较小，但农业种植与城乡绿化面积占比高；诺木洪-宗加平原降水少，河流规模小，农业种植与城乡绿化面积占比低。由此可见，研究区生态植被受河流规模与大小、降水量和人类活动共同影响，其中河流大小与规模占主导，其次是降水量大小，农业种植与城乡绿化规模。其中河流大小与规模实际反映了河流对地表水和地下水以及对绿洲、湿地植物种群与植被群落的控制。对此，结合研究区主要植物种群的适生环境与植被群落结构特征、地下水位与TDS，以及人工植被规模，以不利于植物生长的1.1 m水位埋深为界分区段做进一步分析研究。

(1)1.1 m以浅的区段，NDVI均值在水位埋深0.3、0.4、0.8、0.9 m处出现峰值，在±1.1 m出现谷值。该区段一般处于泉水泄出带、河道与湖滨地带，是芦苇、赖草、盐爪爪、白刺等水生、湿生植被或湿生耐盐碱植被的主要分布区。其中的泉水泄出带及其上游河道以及淡水湖的湖滨地带地下水TDS与土壤含盐较低，而泉水泄出带下游地带的河道盐碱滩头及咸水湖湖滨地带TDS与土壤含盐较高。推断±1.1 m是初始盐渍化的水位埋深，峰值对应的0.3～0.4 m是适宜水生与湿生植被的水位埋深、0.8～0.9 m是适宜湿生耐盐碱植被的水位埋深；峰值不连续出现的NDVI均值洼地是受到了地下水TDS含量高的影响，植被生长受到抑制所致。

(2)1.1～10 m的区段，基本处于河道两岸的高漫滩、盐渍化阶地与冲湖积平原，是芦苇、盐爪爪、芨芨草、罗布麻、膜果麻黄、白刺、红柳、柽柳、沙蒿等湿生耐盐、中生、旱生植被，以及人工植被的主要分布区。该区段NDVI均值在水位埋深1.4～3.5 m时较高，说明是耐盐、中生及旱生植被生长适宜的水位埋深区间。此区间内各块区NDVI均值峰、谷对应的水位埋深有所不同，大致与其植被群落结构差异相匹配。同时该区段NDVI均值在格尔木、德令哈水位埋深3 m以深区段存在显著的跳跃变化，在乌兰存在宽泛的高值区，明显受到了农业种植与城乡绿化的影响。为此，通过忽视跳跃点考察总体变化趋势来消除这种干扰，将曲线由大致平稳向急剧下降转变的拐点水位埋深作为天然植被的地下水位阈值。结果显示：诺木洪-宗加地区NDVI均值变化的拐点出现在3.5 m；格尔木和德令哈地区NDVI均值变化的拐点水位埋深为5.3 m；乌兰地区NDVI均值在5.3 m也有反应，呈现由高值向稳态跌落。这些反映出区内生态植被能够获取5.3 m以浅深度的地下水。对照区内大量分布着的红柳、柽柳、白刺、梭梭、沙拐枣等植物最大根系深度可见，二者基本匹配。此结果与前人在陕北风沙滩地区[3-4]、银川平原[5]、黑河下游绿洲带[6]、柴达木地区[7-8]已有的相关研究结论基本一致。故以5.3 m作为地下水位阈值。此限值对乌图美仁和诺木洪—宗加地区生态植被具有包容性，应用到宏观尺度决策上对维护植被生态安全是有利的。

(3)在植被依赖地下水生长的区域，TDS含量高低影响植物的生长状况；随着TDS的增大，植被生长发育会逐渐受到抑制。地下水TDS>7.5 g/L的区域极不适宜植被生长，几乎无植物存在。因此，认定研究区生态植被的地下水质阈值是TDS为7.5 g/L(图3)。

4 结论

(1)柴达木盆地内部平原荒漠植被为主要特征。绿洲生态植被受河流形成的地表水、地下水，以及大气降水控制，同时也明显受到了农业种植与城乡绿化的影响。

(2)柴达木盆地平原区天然植被的地下水位阈值为5.3 m；其对各区块具有包容性，可供水资源开发利用时控制区域地下水位的宏观决策做参考。±1.1 m是初始盐渍化的水位埋深，0.3～0.4 m、0.8～0.9 m分别是适宜水生与湿生植被、湿生耐盐碱植被的水位埋深区间；1.4～3.5 m是适宜耐盐植被、中生植被及旱生植被的水位埋深区间；5.3 m是旱生植被依赖地下水的最大水位埋深，水位埋深5.3 m以深区域的天然植被基本与地下水无关。

(3)柴达木盆地平原区天然植被生长的地下水水质阈值是TDS为7.5 g/L。TDS≤1.5 g/L适宜植被生长，1.57.5 g/L不适宜植被生长。