锡林河流域优势种群水位阈值分析

刘华琳，徐晓民，焦 瑞，梁文涛

（水利部牧区水利科学研究所水资源研究室，呼和浩特010020）

Maitre 1999年首次提出了地下水与植被两者之间的相互关系，指出植被在地下水与地表水系统的相互作用中起着关键作用，这是由于植被对地下水的直接和间接影响，以及植被群落对地下水的依赖性造成的［1］。2005年，Lamontagne等［2］以沿河区域及热带草原为分析地貌，对地下水位与植被的影响关系进行了研究探讨。国内学者对于该领域的研究以概念的阐述入手，主要聚焦于包气带岩性与地下水位的分布特征展开。1989年，颜铭［3］最先以新疆北部的沙漠边缘为分析对象，提出了不同植被的生长对于地下水的化学成本需求及水位深度的要求。20世纪90年代末，侯印伟［4-5］、马龙等［6］以石羊河流域的地貌特征为分析对象，严登华等［7-9］、左其亭等［10］研究了灌木群在生长中对于地下水位深度的要求。

锡林河流域位于内蒙古自治区锡林浩特市，地处我国北方典型草原区腹地，降水稀少、蒸发强烈，属于生态脆弱草原区。天然植被作为研究区生态系统中的重要组成部分，是生态系统的主要生产者，是自然环境中最直观的反映，在抑制荒漠化过程和保护生物多样性等方面有着重要意义。作为干旱草原区最关键的生态因子，水不仅是干旱草原区绿洲生态系统构成、稳定和发展的基础和依据，而且决定着干旱草原区绿洲化过程与荒漠化过程两类极具对立与冲突性的生态环境演化过程。干旱区草原生物过程微弱，生物生态系统规模小、稳定性低，地下水的变化会直接影响天然植物的生长发育，与干旱草原区脆弱生态环境的保育有十分密切的关系。影响天然植被生长的土壤水分和盐分与地下水位高低密切相关。地下水位过高，在蒸发的作用下，溶解于地下水中的盐分沿毛管上升水流积聚于表土，使土壤发生盐渍化，对植物产生盐胁迫；地下水位过低，毛管上升水流不易到达植物根系层，使上层土壤干旱，植物生长受到水分胁迫而生长不良，植物生命活动受到明显的抑制，大部分衰败、退化与死亡。只有当地下水位处于最佳生态水位时，植被生长较好，其他生态因子的变化对植物生长产生的影响不大，即不起限制因子的作用。因此，对干旱区天然植被恢复的合理生态水位研究，首先要充分了解现有植被物种生存的适宜性阈值（生长的最佳阈值，能忍受的极限值），揭示水资源与植被间的耦合关系。探明地下水与土壤环境（土壤含水量、积盐量）及植被生长之间的相互复杂关系，确定适宜生态水位及最佳水文地质环境，利用所了解的植被生存环境条件来探索研究区植被群落的演替规律，在干旱草原区合理使用地下水后以植被的背景值作为标准，衡量在变化后的水位、水质条件下土壤中所能生存的植被，这样有利于生态建设与保护，特别是在极端条件下还有利于预测土地变为盐土、沙漠化的程度，对于干旱区合理开发利用和保护地下水，保持良好的土壤环境和植被正常生长，促进生态环境的良性循环有十分重要的意义。

根据上述生态适宜性理论，生物种与环境因子之间的非线性关系多符合单峰二次曲线模型，其中最常用的是高斯模型，即正态曲线。由于适宜生态水位是通过对表征植被生长状态的指标量同地下水位埋深进行统计分析来确定的。从已有研究来看，多数植被物种同环境之间关系通常都是符合高斯模型的，采用高斯模型进行拟合比进行简单的相关分析和回归分析效果更好，能够更精确地确定环境因子的约束量，从而有利于定量确定植被生态水位区间。本研究以前期的水质调研及植被分析［11］为数据来源，考察地下水位埋深及植被样方的采集调研的作用关系，探讨锡林河流域几种优势种群与地下水位埋深的影响关系，探究地下水位埋深与植被生态两者之间的影响作用机制，确定适宜植被生长的水位阈值，从而为保障植被生长、实现草原水资源统筹管理提供相应的理论根基。

1 研究区概况

研究区域整体呈现北低南高的特征，南部以丘陵地带为主，北部主要以平原为主，海拔1 000—1 300 m。锡林河纵贯中部，形成河间盆地，间有沼泽。研究区地貌分为高平原丘陵地区、熔岩台地区、低缓丘陵地和沙丘沙漠地区。地貌特征的形成主要与岩性、地质的基本构造及水系的控制息息相关。地层在分布上为低山，局部较高，主要以细中砂及粉细砂为主，整体隶属于大兴安岭山系。锡林浩特的山岳属于侵蚀地形，在地理位置上，以北为大梁—沃莫尔褶皱带，以南为锡林浩特复背斜。天然的地壳活动形成了具有独特地貌特征的拗陷盆地，内部松散的地质结构为水资源的存储行程了天然的屏障，根据科学调研，含水层的最高厚度可以高达95 m，其中上层及下层的涌水量分别为500—1 000 m3/d、1 000—3 000 m3/d。

选取以大针茅（Stipagrandis）为优势地带群落，主要以旱生灌木及生禾草层为基本标志，旱生丛生禾草大针茅为地带性植被的核心构造，其中优势种分别为克氏针茅（StipakryloviiRoshev.）及旱生丛生禾草，还包括多年生禾草羊草（LeymuschinensisTzvel.）、冰草（AgropyroncristatumGaertn.）、冷蒿（Artemisia frigidaWilld.Sp.Pl.）、糙隐子草（CleistogenessquarrosaKeng）等。该区域受自然条件的限制，主要以旱生植物为主，其他植物稀缺。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographical location map of the research area

2 研究区地下水的空间分布特征

2.1 地下水位统测优化

研究区浅层地下水的长期监测孔数量较少，监测时间较短。针对这一问题，本研究通过一定范围的水位统测掌握地下水位的分布特征，于2017年不同时段对研究区地下水位进行统测。在统测的基础上，充分融合现行的数值模拟技术、地形详细图形及Kriging算法插值技术等进行检测，对区域内部所设置的网点进行统筹分布，实现优化设计。

2.2 统测的插值分析

在前期得到散点地下水位值的基础上，采用插值方法绘制等值线图［12-15］。通过Kriging插值法绘图，水位等值线图与参考水位等值线图的背景网格密度均为30 m×30 m。按照Kriging插值的原理，采用散点检测的方式，对区域内任何目标采用加权平均数的方式进行概要，具体公式为：

式中，γ(xi-x0)为方差函数值；μ为拉格朗日乘子。

基于上述算法的特点，精度仅仅与方差函数、观测点的设置密度等存在关联，而与实测值无关，所以插值结果可以更好地反映数据的空间变异性。利用这一特点可以预先设计监测网的密度。

通过野外数据收集整理后，利用ArcGIS平台中采用Kriging插值方法进行绘图和统计分析，汇总得出了地下水位的分布状况，采用图1的等值线来进行标示。基于实践分析，发现参考水位的等值线与实际测量水位等值线的整体分布形态基本一致，这在一定程度上说明选取地貌特征及试验的模拟方式较为合理，能够客观反映地下水的分布状况。根据基于测绘的结果发现，在选定的区域范畴内地下水位的高度区间为900—1 380 m。研究区域内，河谷两岸及分水岭部分内的水力梯度呈现出上升趋势，其余部分变化较为平缓，这与区域内的地貌特征呈现出一致的特征。在实测水位进行插值以前，利用ArcGIS软件中的空间数据探索分析模块（ESDA），对研究区地下水位数据进行趋势分析。分析表明，地下水位埋深自西北向东南呈现较明显的上升趋势（图3）。

图2 锡林河流域地下水位等值线Fig.2 Isolinemap of groundwater level in Xilin River Basin

图3 锡林河流域地下水位趋势分析Fig.3 Trend analysis of groundwater level in Xilin River Basin

3 优势种群样方植被光谱测量

本研究中植被覆盖程度主要是指在研究区域内，个体或总体在地表上的垂直投影所形成的区域面积与样本面积的绝对比值。该指标在一定程度上反映了地表植物进行光合作用的程度、地表植被的存有率等，是衡量区域生态环境及群落生长的重要参考依据。植被的覆盖程度对于分析区域内土壤的侵蚀、植物的有效生长、系统生态均具有重要的评价效应，它是综合评估土地盐渍化、退化及沙漠化的重要指标。

植被覆盖度的计算方法可分为遥感监测和地表实测两大类，虽然植被覆盖度的遥感方法已经得到广泛应用，但地面或近地表的植被覆盖度测量仍然在研究和应用中具有重要意义，故选择在地面进行植被覆盖度测量。从数码照片中快速、准确地获取植被覆盖度的关键环节是利用计算机技术对图像进行分析和处理，将图像的植被部分和非植被部分自动、正确地区分，从而计算出植被覆盖度，最后利用批处理技术计算批量数码照片的植被覆盖度。为了得到草地植被覆盖度的数码照片，在研究区域调查1 m×1 m样方，每个试验点用尼龙绳圈出100 cm×100 cm的拍摄样本，相机在试验点1.8 m高处对所选样本进行垂直拍摄。选用正负二值化处理（NDI法）得到样方内植被的覆盖度。

表1 锡林浩特市2017年植被覆盖度Table 1 Vegetation coverage in Xilinhaote city in 2017

图4 锡林河流域植被覆盖度与地下水位埋深拟合曲线趋势分析Fig.4 Analysis on the trend of fitting curve of vegetationcoverage and groundwater depth in the Xilin River Basin

4 基于高斯模型的植被水位阈值

大多数植被物种与地下水位之间关系通常都符合高斯模型，采用高斯模型进行拟合分析效果能够更准确地确定环境因子的约束量，从而有利于定量确定植被生态水位区间。建立植被同地下水位的指数模型：()fx＝eax+bx+c。采用Matlab软件编程对植被进行回归分析，通过分析所得的单峰曲线对植被生长适宜的水位区间进行讨论。

优势植被是植被群落的主体，对植被群落具有控制性，且样本数量多，而偶见种和伴生种由于样本数量少，不足以分析出规律。因此，主要对优势植被总多度同地下水位埋深进行回归分析（图4），建立数学模型。由该模型可知，当区域地下水位埋深在1.9 m时，样方植被总多度达到最大值，埋深区间在1—3 m时，最适宜植被生长。

对研究区内各主要优势植被样方进行回归分析表明，其中大部分植被盖度和水位埋深符合正态分布，建立植被同水位埋深分布的数学模型。结合公式计算得到优势种群（克氏针茅、大针茅和羊草）的生存适宜水位区间、植被生长盖度最高时所对应的地下水位埋深（表2）。

表2 植被盖度埋深关系模型表Table 2 M odel table of vegetation coverage depth

针对研究区内优势种群克氏针茅、大针茅和羊草的植被盖度与地下水位埋深拟合图如图5。

图5 植被盖度与水位埋深拟合Fig.5 Vegetation coverage and the fitting diagram of water level depth

结果表明，当地下水位埋设小于1 m时，潜水蒸发耗水量大，容易形成盐渍化，除适于部分耐碱植被和沼泽植被生长外对其他植被生长不适；地下水位埋深在1—3 m时植被群落以滩地为生境的喜水和中生植被为主，如羊草等，且长势最好，植被覆盖度高；地下水位埋深在3—5 m时，部分喜水和中生植被不能生长，植被覆盖度和多度明显下降，此埋深区间最适宜耐旱植被（如克氏针茅和大针茅）生长。

5 结论

锡林河流域地下水位埋深受人为开采影响较大，在市区及北部等地下水集中开采的煤矿开采地区出现较明显的降落漏斗。调查显示，几种优势种群的地下水位埋深均为10 m以下。（1）克氏针茅的地下水位埋深最大6.5 m，最小0.5 m，在3.8 m时植被盖度达到最大值。植被盖度与地下水埋深相关的关系明显，即在3.4—5.2 m时盖度最大，然后随水位埋深增大而降低。（2）大针茅的地下水埋深最大8.5 m，最小0.5 m，在4 m时植被盖度达到最大值。植被盖度与地下水埋深相关的关系明显，即在3—5 m时盖度最大，然后随水位埋深增大而降低。（3）羊草的地下水埋深最大3 m，最小0.8 m，在1.7 m时植被盖度达到最大值。植被盖度与地下水埋深相关的关系明显，即在0.9—2.5 m时盖度最大，然后随水位埋深增大而降低。

总体而言，植被总盖度与地下水埋深存在一定的相关性，一般来说，地下水位埋深较浅的地区，植被总盖度较高，地下水位埋深较大的地区植被总盖度较小。但是就不同植被类型而言，不同的植被与地下水的相关程度存在差异，研究区内优势种群大针茅、克氏针茅和羊草湿生植被对地下水位埋深的依赖性比较高。