黑河湿地自然保护区沼泽湿地地下水埋深和土壤水分时空分布规律

刘睿明，孔东升，王 立，何俊龄

（1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070；2.河西学院 河西绿洲与农业生态研究院，甘肃 张掖 734000 ；3.甘肃省河西走廊特色资源利用省级重点实验室 / 河西学院，甘肃 张掖 734000）

常年积水、季节性积水或过湿是湿地的基本特征，水资源关系着湿地生态系统的发育、演替及消亡，而土壤水是联系地表水与地下水的纽带，是维系初级生产力形成有关的能量平衡和物质传输的重要载体[1-2]。湿地地下水与表层水和土壤水之间的联系和水量交换过程是湿地系统水文循环过程的重要环节之一，直接关系到湿地生态系统的平衡[3]。在干旱区，湿地地下水位的抬升或降低直接影响植被根系区土壤水分的时空变化，进而显著影响植物生长及植被群落分布格局[4]，而生态系统的主要“构件”物种多样性对水分变化的响应直接影响着生态系统的功能和稳定性[5]。由此可见，水资源是湿地存在的根本条件。

黑河是我国第二大内陆河流域，2011年4月国务院批准成立的“张掖黑河湿地国家级自然保护区”位于黑河中游，2015年12月，国际湿地公约组织将该保护区列入《国际重要湿地名录》，面积4.1万hm2，属于典型的内陆荒漠地区湿地和水域生态系统，是西北乃至全国重要的生态安全屏障，也是黑河下游内蒙额济纳旗重要的水源涵养地[6]，自古以来就是河西走廊中部地区的生命线。

在全球气候变化和人类活动的影响下，湿地与河流流域水循环发生了深刻的变化，导致湿地水文情势改变、水资源恶化、面积萎缩和功能退化[7]。更有调查资料显示，2013年全国自然湿地总面积5 360.25万hm2，相比2003年调查减少了337.62万hm2，减少率为9.33%，全国湿地生态安全面临巨大威胁，而内陆干旱区湿地因其特殊的自然环境，生态安全问题则更为突出。在这一背景下，对湿地生态水文过程的研究就显得尤为重要，国内外学者也展开了相关的研究。Castelli等[8]、徐秀丽等[9]对湿地水文过程与植被间的相互关系进行了研究；王丹等[10]在不同水分条件下对土壤理化过程进行研究；魏彬等[1]在对干旱区绿洲的研究中，通过建立地下水和土壤水分之间的经验方程来评估地下水开采利用程度。纵览相关文献发现，大多研究都集中在一个时间点或较短时期对水文要素进行测定，而实际上湿地水文变化是一个动态的过程，需要开展长期定点的监测。再反观黑河湿地保护区，目前还没有进行过生态水文方面的研究。鉴于此，本文选取黑河湿地保护区内典型草本沼泽湿地，设置固定样地对地下水位和土壤含水量进行长期观测，通过分析水文要素的时空变化和内在联系，揭示黑河沼泽湿地的生态水文过程及变化规律，能够为湿地水量平衡研究提供参考价值，对维持健康的湿地生态系统具有重要意义，同时可为黑河流域水资源综合管理提供决策参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

西大湖湿地位于张掖市甘州区境内黑河中游，地理坐标处于 100°21′51″-100°22′59″ E，39°01′21″-39°02′03″ N，是黑河湿地国家级自然保护区典型的草本沼泽湿地。西大湖湿地区域总面积358.9 hm2，海拔1 439-1 496 m，气候类型属于温带大陆性干旱气候，日照充足，昼夜温差大，年日照时数3 088 h；年均气温为7 ℃，极端最高气温高达41 ℃，极端最低气温低至-31 ℃；降水稀少且集中，年均降水量129 mm；年均蒸发量2 291 mm，蒸发强烈，干旱指数高达15.87，年均大风日数14.9 d，年均沙尘暴日数20.3 d，无霜期138 d[11]。黑河浅层地下水、地下潜流、溢出泉水及泛洪是西大湖湿地形成的主要水文条件，湿地地下水位高，地势低洼的区域长期积水，而地下水排泄方式主要为泉水溢出、蒸发、人工开采引流灌溉等[12]。湿地土壤类型主要包括泥炭土、草甸土、沙壤土，其中土壤水分高的区域剖面形态特征为表层毡状草皮层，其下为泥炭层和浅育层，水分低的区域表层为盐碱土，下层为沙壤土。常见植被以芦苇(Phragmites australis)、冰草(Agropyron cristatum)、芨芨草(Achnatherum splendens)、蕨麻(Potentilla anserina)、嵩草(Kobresia myosuroides)、盐地碱蓬(Suaeda salsa)等多年生草本为主。

1.2 研究方法

1.2.1 观测井设置

2014年11月在西大湖湿地内，以湿地浅水处为起点，沿水分梯度变化向外延伸设置一条固定样带，样带长度1.2 km，每间隔100 m确定一个固定样方，样方内设置地下水埋深观测井，依次编号并用GPS定位，共计12个固定样方，用于土壤含水量的测定和地下水埋深的观测(图1)。观测井的设置采用2 m长的钢管四周钻孔埋入地下，并将钢管下端封死，上端带螺帽以便观测。

图1 张掖市黑河湿地国家级自然保护区规划图西大湖湿地地下水观测井示意图Figure 1 Planning map for the National Nature Reserve of Heihe wetland in the Zhangye diagram of groundwater observation wells in the Xidahu Wetland

1.2.2 指标测定

2015年1月-2017年12月，地下水埋深每月1日、15日观测两次，冬季水位较浅的观测井水面结冰，观测值为结冰面至地面的距离。每月1日同时进行一次土壤含水量的测定，冻土期间(12月至次年4月)地面封冻不能取土，未测定土壤含水量。

地下水埋深用米尺在观测井中测量。土壤采集点选择在12个固定样方内，用土钻法分深度0-20、20-40、40-60 cm 3层取土样，3个重复，共计108个，装入已称重铝盒，带回实验室称量鲜土重，并放入105 ℃的恒温烘箱中烘干24 h，然后称取烘干后土壤重量，计算土壤质量含水量[13]。

1.2.3 分析方法

利用Excel 2007软件对数据进行处理，SPSS进行离差平方和聚类分析、单因素方差分析、相关性和回归分析，Origin 8.5拟合曲线及作图。

2 结果

2.1 地下水埋深的时空分布

2.1.1 地下水埋深的空间分布

根据西大湖湿地12个观测井连续3年来获取的地下水埋深平均值数据自身具有的内在联系或相似程度，通过SPSS软件将数据集进行聚类分析、分组，使其达到组内的数据点具有最大的相似性或相关性、不同组的数据点不相关的目标[14-15]，凸显湿地不同区域地下水埋深和土壤含水量的空间变化特征。聚类分析的结果为三类区域：第Ⅰ类包括1、2、3、4号观测点，地下水埋深较浅，年均水埋深变化在2.9～28.7 cm；第Ⅱ类包括7、8、9、10号观测点，地下水埋深处于中间，年均水埋深变化在24.4～47.5 cm；第Ⅲ类包括5、6、11、12号，地下水埋深最深，年均水埋深变化在50.1～86.8 cm。

根据3年间各观测点地下水埋深年均值得到图2，可以看出，湿地内各观测点之间的地下水埋深差异较大，地下水埋深最浅的观测点为1号，水埋深年际变化在2.9～4.4 cm，地下水埋深最深的观测点为12号，水埋深年际变化在80.2～86.8 cm，二者年均水埋深相差80 cm之多。2015-2017年12个观测点地下水埋深年均值均未超过1 m，属于浅层地下水[16]，一定程度上反映出西大湖湿地地下水位高、埋藏浅的特点。

图2 不同年份各观测点地下水埋深特征Figure 2 Groundwater depth characteristics at the different observation points for each year

2.1.2 地下水埋深的时间变化

图3 不同年份地下水埋深月变化特征Figure 3 Monthly changes in groundwater depth characteristics for the different years

根据聚类分析划分的3类区域，利用每个区域内4个观测井的水埋深月平均值得到图3、表1数据。对比分析2015、2016、2017年地下水埋深随时间变化情况，可看出3类不同区域地下水埋深年内变化曲线走势大致相同，呈波浪式变化，峰值均出现在7、8月，低值出现在12月至次年3月，西大湖湿地地下水埋深表现出夏秋季深，冬春季浅的特点。从图3还可看出，3类不同区域观测点的地下水埋深月变化有明显的差异，Ⅰ类区域水埋深变化范围在0～40 cm，Ⅱ类区域水埋深在15～70 cm，Ⅲ类区域水埋深在40～100 cm。总体来看Ⅲ类区域各月间水位波动较大，是因为5、6号观测点临近引水渠，6-8月黑河不定期的泛洪导致引水渠水位较高，外源水侧渗致使临近的5、6号观测点水位上升，而正常观测期则较深，说明该区域地下水受到外来水的干扰较大。由表1可看出地下水埋深年均值2016年(42.28 cm)＞2017年(38.88 cm)＞2015年(34.33 cm)，极差值2016年最大，说明2016年地下水埋深最深且年内变化较大，年际间变化不显著(P＞0.05)。3年间不同区域地下水埋深均表现为Ⅲ类＞Ⅱ类＞Ⅰ类，而变异系数则为Ⅰ类＞Ⅱ类＞Ⅲ类，说明地下水埋深越浅的区域水位在年内变化越大。

表1 不同年份地下水埋深特征描述性统计Table 1 Descriptive statistics for the groundwater depth characteristics in each year

2.2 土壤水分的时空分布

2.2.1 土壤水分的空间分布

由12个观测点土壤含水量年均值(图4)可看出，水平方向上各观测点区域土壤含水量变化大，土壤含水量表现为由1号到12号观测点逐渐减小的趋势，其中1、2号观测点土壤含水量最高且与其他各点差异较大，两测点含水量在90%～125%，12号观测点含水量最低，在15%～20%，最大和最小含水量观测点间水分值相差100%左右。3年期间，土壤含水量最大值出现在2016年1号观测点，最小值出现在2016年12号观测点，分析其原因主要是受地下水埋深差异的影响。

图4 不同年份各观测点平均土壤水分Figure 4 Average soil water moisture at the observation points for the different years

根据3类区域4个固定样方的不同深度土壤含水量年均值得到图5，可以看出不同分类区域内土壤含水量随深度的增加表现出不同的变化趋势。Ⅰ类区域土壤含水量在55%～100%，随着土层深度的增加表现出先增大再减小的趋势，土壤含水量呈中聚型[17]。Ⅱ类、Ⅲ类区域土壤含水量表现为自上而下逐渐增大的趋势，主要是因为表层土壤受太阳辐射蒸发作用强烈，随着深度的增加蒸发作用减弱，地下水补给作用增强的影响。Ⅰ类区域土壤含水量明显高于Ⅱ类、Ⅲ类区域，此外Ⅰ类区域上下土层之间的含水量差异也较大，Ⅱ类、Ⅲ类区域则差异小。

图5 不同年份土壤水分随深度变化特征Figure 5 Variation in soil water moisture characteristics at the different depths for each year

2.2.2 土壤水分的时间变化

对比分析2015、2016、2017年不同区域、不同深度土壤含水量时间变化特征图(图6)，可看出Ⅰ类区域土壤含水量与Ⅱ类和Ⅲ类区域有明显差别，Ⅰ类区域土壤含水量高于Ⅱ、Ⅲ类，且呈波浪式变化，含水量变化在50%～100%，其中水分最低值出现在7、8、9月，Ⅰ类区域不同深度土层含水量 20-40 cm＞0-20 cm＞40-60 cm，中间层含水量高于表层和底层。Ⅱ类区域土壤含水量稍高于Ⅲ类，Ⅱ类区域含水量变化在30%～40%，Ⅲ类区域含水量变化在20%～30%，二者土壤水分变化曲线都近似直线，说明Ⅱ、Ⅲ类区域土壤含水量月际变化小。

3年间Ⅰ类区域土壤含水量极差值和变异系数均高于Ⅱ、Ⅲ类区域，极差变化范围在17.39%～27.74%，变异系数在8.47%～12.78%，说明Ⅰ类区域土壤含水量随时间的变化波动较大；Ⅱ、Ⅲ类区域变化小，较平稳(表2)。从年际间看，2016年极差和变异系数均大于其他两年，说明2016年土壤含水量变化差异较大。年均土壤含水量2015年(46.79%)＞2016年(45.36%)＞2017年(43.10%)，年际间变化不显著(P＞0.05)，随着时间推移有下降趋势。

图6 不同年份、不同深度土壤水分月变化特征Figure 6 Monthly soil water moisture change characteristics for the different years and depths

2.3 地下水埋深与土壤水分的关系分析

由于地下水埋深和土壤含水量在2015-2017年的5-11月同步观测，分别选取三类区域地下水埋深和土壤含水量同步观测平均值，分析比较二者之间的相关性，并对比不同拟合模型(线性、二次多项式、对数、指数)发现线性模型拟合度最优(图7)。相关性分析表明，土壤含水量和地下水埋深之间存在极显著负相关关系(P＜0.01)，0-20、20-40、40-60 cm深度土层含水量和地下水埋深相关系数分别为：Ⅰ类区域-0.73、-0.68、-0.38，Ⅱ类区域为-0.76、-0.60、-0.66，Ⅲ类区域为-0.72、-0.69、-0.61，可以看出三类不同区域均以0-20 cm深度土壤含水量和地下水埋深相关性最高。对不同深度土壤含水量和地下水埋深做进一步回归分析，并拟合回归方程，对比各方程F值和R2值可看出，各区域拟合方程均以0-20 cm深度土壤含水量和地下水埋深拟合度最优，最终确定0-20 cm深度土壤含水量与地下水埋深关系的线性方程能够最大程度上表述二者之间的关系。

表2 不同年份土壤水分特征描述性统计Table 2 Soil water moisture descriptive statistics for each year

3 讨论

3.1 湿地生态系统的稳定对地下水位变化的响应

本研究采用离差平方和聚类法，将地下水埋深值进行聚类分组，分类结果中各组观测点完全符合实际地下水埋深分布特点。固定样带和地下水埋深观测井的设置是沿水分梯度由浅水处依次向外设置的，所以理论上地下水埋深应该是由1号到12号观测点逐渐加深，而实际观测中5、6号观测点地下水埋深值表现出异常，这是因为5、6号观测点两侧临近有深度1.8 m左右的引水渠，地下水径流面倾向于水渠，地下潜水侧渗补给水渠，致使地下水埋深较深，而在黑河泛洪期6-8月，引水渠水量较大、水位较高时，是因得到了外源水侧渗的直接补给，5、6号观测点地下水埋深又较浅, 12号观测点的外侧也有引水渠，同样造成地下水埋深较深。因此，引水渠的开挖较大影响了湿地地下水埋深的时间变化和空间分布，进而影响到土壤水分分布的差异，说明人类生产活动打破了湿地的水量平衡是造成湿地退化的主要原因。

对湿地生态系统而言，存在“水文情势→生境→生物群落”的决定关系[7]，同时伴随湿地水循环产生的物质循环和能量流动，也是湿地生态系统形成与演化的关键要素。本研究中，人工开挖引水渠的活动使得西大湖湿地水循环过程出现干扰和波动，从而改变了不同区域的生境状况。一方面引起植被群落的更替，主要表现在Ⅰ类区域多为芦苇、嵩草、海乳草(Glaux maritima)等,Ⅱ类区域多为蕨麻和冰草，Ⅲ类区域多为芨芨草和盐地碱蓬，随着土壤水分的降低，植被盖度减小，植物种类也减少，并向着旱生环境的方向演替。另一方面，湿地土壤环境也在水分降低的过程中趋于恶化，湿地土壤类型由Ⅰ类区域丰富的腐殖质和泥炭土，到Ⅱ类区域草甸盐土及盐碱土，再到Ⅲ类区地表土壤出现沙化。植被向旱生方向演替和土壤环境趋于恶化是对西大湖湿地生态环境退化最直观的表现，况且本研究还表明湿地土壤含水量存在下降的趋势，势必会威胁到湿地生态系统的结构和功能。

图7 各区域地下水埋深和土壤水分散点分布及线性拟合图Figure 7 Distribution and linear fitting of groundwater depth and soil water moisture for the various regions

3.2 水分变化衍生出的问题

本研究结果表明，在Ⅱ、Ⅲ类区域土壤含水量随着深度的增加而增加，这主要是受地下水补给的影响，而Ⅰ类区域土壤含水量则形成中间层高于表层和底层的中聚型，该结果与李玫等[18]对若尔盖湿地不同退化程度土壤水分的研究结果以及克里雅绿洲[17]土壤含水量垂直分布类型相似，主要是因为Ⅰ类区域地下水位高，致使潜水溢出，地表长期淹水，植被枯落物处于未分解和半分解状态，形成较厚的腐殖质层，加之草本植物根系较浅，形成特有的土壤剖面形态，表现为表层毡状草皮及腐殖质层，其下为泥炭层和浅育层。表层腐殖质土壤的含持水能力要低于泥炭层土壤[19]，致使土壤含水量在20-40 cm深度土层达到最大值，而随着土层深度的增加，土壤紧实度加大，土壤含水量又随之减小。

从湿地地下水埋深和土壤水分的时间变化来看，地下水埋深夏秋深，冬春浅，土壤水分在7、8、9月份最低，三类区域地下水埋深年内变化呈波浪式曲线。出现这种变化的原因是湿地周边为农业生产区，夏秋季因农业灌溉抽取地下水较多，加之气温高蒸发量大所致，也有可能是地球运动引力变化引起的地下水位季节变化特征，期间出现的小波动也可能是因为短期降雨、河流泛洪等因素的干扰。土壤含水量的年内变化Ⅰ类区域比较活跃，对地下水位的升降更为敏感，而Ⅱ、Ⅲ类区域变化较小，比较稳定，因此一旦湿地的水量平衡被打破，最先引起水埋深较浅区域的生境迅速发生改变。

西大湖湿地生态系统是黑河流域水循环和水资源的重要组成部分，既是供水用户，又是用水户，如何能最大程度的发挥湿地水源涵养功能，保持健康的水循环，如何测算基本湿地生态需水量将会成为以后研究的重点方向，有望能够为湿地植被恢复和水资源可持续利用提供科学依据。

3.3 土壤水分和水埋深的关系

地下水埋深和土壤含水量相关分析表明不同深度含水量与地下水埋深之间存在显著负相关的关系，可以说明地下水位是造成土壤水分差异的重要因素。3个不同区域均以0-20 cm土层深度含水量对地下水埋深变化的响应程度最高，说明其最具有代表性，可能是因为本研究区湿地地下水属于浅层地下水，地下水位高，土壤水分相对比较充裕，浅层土壤的水分对地下水埋深变化最为敏感[20]，因此可以通过0-20 cm深度土壤含水量来估算湿地地下水埋深。水资源的开发利用减少了湿地补给水源，改变了湿地水文过程和水量平衡，关系到湿地生态系统的可持续性，因此，对湿地地下水资源进行实时监管，不仅能够优化水资源的天然配置和丰枯水调节，还能有效防止湿地退化。

地下水埋深 2016 年＞2017 年＞2015 年，土壤含水量 2015 年＞2016年＞2017年，虽然近 3 年地下水埋深和土壤含水量月际间变化较大，年际间变化不显著(P＞0.05)，但土壤水分有逐年下降趋势。湿地是敏感的水文系统，流入量和流出量发生微小的变化，都会导致湿地地下水位的下降和湿地消失[21]，同时土壤水分变化是多种因素共同作用的结果，包括水分输入、存储、输出的动态平衡[22]。因此，土壤水分是否持续下降？地下水埋深是否会加深？这些问题需要对湿地长期监测才能予以解答。另外，微观尺度内影响土壤水分变化的因素还有短期强降水、微地形、土壤质地、植被状况等[19]，其影响机制有待进一步研究。

4 结论

1)西大湖湿地地下水埋深空间差异大，水埋深年内变化呈波浪式曲线，夏秋埋深深，冬春埋深浅，水埋深较浅的区域年内变化最为剧烈。地下水埋深 2016 年 (42.28 cm)＞2017 年 (38.88 cm)＞2015年(34.33 cm)，年际间变化不显著。

2)西大湖湿地土壤含水量空间分配不均，水平方向上差异较大，地下水埋深浅的区域月际变化剧烈，竖直方向上水埋深浅的区域水分变化也剧烈，其中20-40 cm深度土壤含水量最高。土壤水分2015年(46.79%)＞2016 年(45.36%)＞2017 年 (43.10%)，年际间变化不显著，但有下降趋势。

3)土层深度为0-20 cm的土壤含水量与地下水埋深的负相关性最高，最具有代表性，可通过该层土壤含水量来粗略估算地下水埋深的变化。