旱区荒漠封闭湿地植被对生态输水的响应

郝 静，张光辉，崔浩浩，董海彪

（1.中国地质调查局自然资源综合调查指挥中心, 北京 100055；2.中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061）

我国西北内陆干旱/半干旱区，降水量少、蒸发强烈，生态环境脆弱[1]。内陆河流发源于上游山区，流经中下游盆地，最终在河流末端形成尾闾湖湿地生态系统。石羊河流域长期以来由于过分强调社会经济发展规模，中下游盆地水资源过度开发利用，导致进入尾闾湖的水量骤减甚至消亡，引起下游尾闾湿地地下水水位下降、植被枯萎、湿地沙漠化等严重的生态灾难[2]。人工输水是解决下游生态问题的重要举措，并取得了良好效果，如塔里木河流域[3]、艾丁湖流域[4]、疏勒河流域[5]、黑河流域[6]、石羊河流域[7]等都通过人工输水的方式引起生态过程积极响应，地下水位迅速回升，土壤沙化程度逆转，流域下游脆弱的植物群落结构得以重建。人工输水是以一种极端水干扰区域土壤水盐短期内再分配从而引起生态系统变化[8-9]，并引发植物群落组成结构及空间结构在短期内的演变的过程。

青土湖湿地植被类型以荒漠植被为主，白刺(Nitraria tangutorum)是该地区广泛分布的天然植被代表，然而季节性的人工河道输水，使得距输水渠道不同距离的样地土壤含水率、样地植被(白刺)的水分来源、样地植被物种分布面积及频度发生变化[10]。季节性人工河岸两侧作为河水、地下水作用最为强烈的区域，其植被水分来源是连接水文过程和生态过程的纽带，定量研究植被吸用的水分来源及土壤、植被对人工输水的响应特征，可以预测在水源发生变化的情况下植被种群时空分布的更替规律[11-17]。已有研究成果表明在非输水季及输水季的非湖面覆盖区域，植被生态因子所直接利用的是波动式升降的地下水、部分包气带(土壤)水及少量的空气凝结水[18]。为了揭示研究区大气降水、土壤水或地下水等水源对旱区天然植被生存与生长的贡献程度，首先要了解被研究的植被茎秆水中氢氧稳定同位素与大气降水、土壤水和地下水等水源中氢氧同位素之间相关关系。刘淑娟等[8]研究显示植被茎秆水同位素线性曲线与土壤水同位素线性曲线关系最为密切，但是其斜率及截距存在明显差异，这是由于土壤水不是植被茎秆水的全部来源，降水、河道输水及当地强烈蒸发都会对地下水位产生综合影响，只是降水、河道输水及地下水可能都需要转换为土壤水才能被白刺所吸收。姜生秀等[19]首先定性判定了植被潜在水源，认为植被主要吸收的是不同深度的土壤水，然后定量分析了距水面不同距离的白刺样地吸用不同深度土壤水的比例。本研究认为，虽然土壤是其主要的潜在水源，但是降水、河水、地下水在降水前后也会被白刺所吸收且吸收比例不容忽视，为了验证这个问题，本研究进一步解析了降水前及降水后，与水面不同距离的白刺，其吸用不同深度土壤水、降水、河道输水及地下水的比例。同时，探讨了输水前后季节性人工河道两侧白刺灌丛样地的土壤水分与湖面距离的变化关系；分析了白刺灌丛种群分布对人工输水的延时响应特征。研究成果可为以湿地生态保护为目标的最佳输水模式的识别奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

石羊河流域下游尾闾湖泊青土湖自然湿地，位于39°07′07″ N，103°37′53″ E，被腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠边缘夹击，它是阻挡沙漠南进的生态屏障(图1)。海拔高度为1 292～1 310 m，微地貌以流动沙丘为主。该区年平均气温为7.8 ℃，年平均降水量为113 mm，降水主要集中于7 月-9 月，占全年降水总量的73%，蒸发量达2 600 mm 以上，蒸发量远大于降水量。该地区土壤主要为壤质砂土及湖相沉积物为母质的砂土，荒漠植被以白刺、柽柳(Tamarix chinensis)、骆驼蓬(Peganum harmala)等为主要植被类型。在青土湖地区，由于季节性人工输水形成湖面和湿地还有广泛的芦苇(Phragmites communis)生长[17]。青土湖自然湿地与天然植被生态对地下水埋藏状况具有强烈依赖性，地下水的地表生态功能受损，导致该地区植被退化和湿地的荒漠化。直到2010 年红崖山水库向下游生态输水，在经过连续10 年的生态补水后，形成季节性水面[20]。

图1 研究区及样地图Figure 1 Location of the study area and plots

1.2 样地设置方法

本研究于2019 年7 月-9 月开展野外调查，在研究区选择季节性人工河岸带天然植被群落白刺灌丛为研究对象，并设立监测样地。样地布设以水面为中心向外围延伸，在每个样带上以河道水面边缘为起始点，沿地下水流向调查至沙地边缘(图1)，目的是揭示样地与河道水面不同距离的白刺灌丛生态差异特征和供水充分程度相关性，探究植被群落生态变化对生态输水的响应特征，具体方法如下：

1)在距水面0、50、100、150、200、250、300 m等距离设置观测样地，共设置大样方51 个(表1、图1)，对植被群落进行观测，挖掘植物群落变化对生态输水的动态响应。

表1 样地调查点及野外试验内容Table 1 Sample site survey and soil parameters

2)从群落所在空间中，根据样地地形地貌、土壤类型、地下水位埋深及地表植被类型(草本、灌木和乔木)等基本信息。划分不同的组合确定调查样方。

3)对样地内不同小样方(对应着不同水位埋深、土壤含水量和含盐量)白刺的生态学特征(盖度、高度、生长状况等)及生物多样性(频度)等进行调查测定。样方面积为10 m × 10 m = 100 m2，周围留有10 m 的缓冲区，按照五点法在样方四角和中心各 设 置1 m × 1 m 的 小 样 方1 个，共 设 置 小 样 方255 个。在每个样方内采集不同深度土壤样品2～6 个，用于分析测试。

1.3 样品采集方法

研究区输水河岸带样地内优势植被白刺的开花季节为每年5 月-6 月和落叶季节为9 月-10 月，因此选定样品采集时间为2019 年7 月降水前后和2019 年8 月河道输水前后。主要检测指标有：次降水量、植被茎秆、分层土壤、地下水及输水河道中水的δD、δ18O 值。

1)植被茎秆样品采集：选择具有代表性的白刺灌丛，采集长势和形态大小均匀的4～5 根、每根5 cm 长的木栓化茎秆；将枝条段的外皮和韧皮部去掉分为3 组，作为平行样，将采集的茎秆样放入8 mL 的用帕拉胶膜密封的硼硅酸盐玻璃瓶中，将玻璃瓶在-10 ℃下冷冻，然后进行植被水分的提取和δD、δ18O 的测定[21-23]。

2)降水样品采集：利用自制的雨水采集器，对植被取样点观测期内发生的所有降水事件进行收集，放入8 mL 的硼硅酸盐玻璃瓶中，用帕拉胶膜(parafilm)密封，并在2 ℃下冷藏。用于δD、δ18O 值的测定。

3)土壤水及地下水样品采集：在采集植被样品同时，同步开展4 个监测点的土壤样品采集，采用沃特兰德钻在茎秆采样的植被周围钻取土壤，在地表0-10 cm、10 cm 以下每20 cm 间隔分层取土样，深度视灌丛下地下水埋深情况而定；采集样品后立刻放入硼硅酸盐玻璃瓶中，并用帕拉胶膜密封；土壤样品的水分在提取前应放在-10 ℃下冷冻。在观测孔内，采集地下水样品，取原水样50～100 mL，用帕拉胶膜(parafilm)密封，并在2 ℃下冷藏，所有样品样点采集3 组重复样。

1.4 同位素测试方法

1)选取δD、δ18O 作为示踪同位素，以植被茎秆水为标准，查找不同深度的土壤水同位素组成，若两者相同，则可以确定植被吸用土壤水的主要层位；通过不同深度土壤含水量的变化规律，以及地下水、河水与降水的同位素特征，分析各潜在来源水的补排关系，从而确定植被水分的初始来源。

2)利用低温真空蒸馏技术对土壤和植被样品进行水分提取，然后基于MAT253 同位素质谱仪进行氘氧稳定同位素测定。同位素D 和18O 含量分别用δD 和δ18O 表示，将测试结果以相对于维也纳标准平均 海 水(vienna standard mean ocean water, VSMOW)的千分值偏差表示[2,23-24]，测试精度为0.5‰ (δD)和0.1‰(δ18O)。

降水同位素的月平均值为降水量的加权平均值(δw)，其计算方法如下：

式中：Pi和δi分别为每次降水事件的降水量和同位素值。

采用烘干称重法测定土壤含水量，公式如下：

土壤水和植被水的氢氧同位素，采用相对于维也纳标准平均海水(VSMOW) 的千分值偏差表示：

式中：Rsamp和Rstan分别为样品和国际通用标准物中元素的轻重同位素之比(18O/16O)，测试精度分别为0.5‰ (δD) 和0.1‰(δ18O)。

1.5 基于多元线性混合模型的水分来源分析

分析植被水分来源主要是基于多元线性混合(IsoSource)模型。该模型可以不受水源个数和测定同位素种类的限制，当植被水源较多时，能够准确求解各自的贡献率。计算时根据土壤水分的同位素分布特征，将相邻土壤层同位素特征相近的土壤层进行合并，并利用模型来计算各深度土壤水对白刺水分利用的贡献率，在计算中，部分增量一般设置为0.1，而质量平衡公差不能小于0.3 × 增量 × 水源间差异最大同位素组成的差值。最终，计算可得各水源对白刺水分利用的贡献范围。

1.6 数据处理方法

本研究采用SPSS 19.0 对监测和测试数据进行分析，采用最小显著差数(LSD)法对数据进行多重比较，在0.05 水平上检验其显著性；采用Origin 2016 绘制文中图表。

2 结果与分析

2.1 各水源同位素关系拟合特征

基于研究区多年测试的降水数据，拟合该地区的大气降水线性曲线为：yδD= 7.045 8xδ18O+ 2.168 7(R2= 0.947)，相对于全国大气降水线斜率、截距都偏小(中国大气降水线：yδD= 7.9xδ18O+ 8.2)，由于旱区蒸发强烈、气候干燥、雨滴在云底干燥的大气中发生部分分馏，同位素的贫化严重，形成旱区普遍存在的低斜率现象，这也反映了该地区自然地理和气候条件[25]。上述降水特征对河水和不同深度土壤水中的δD 和δ18O 同位素特征将产生重要影响。研究区 的 地 下 水 同 位 素 线 性 拟 合 曲 线 为yδD= 11.328 1xδ18O+ 5.148 1 (R2= 0.981)；土壤水同位素线性曲线为yδD=2.328 2xδ18O-33.689 8 (R2= 0.964)；植被茎秆水同 位 素 线性曲线为yδD= 3.240 1xδ18O-32.766 8 (R2=0.938)，以各水源同位素线性曲线的交织关系来看(图2)，植被茎秆水与土壤水之间关系最为密切，与地下水之间关系最弱，与降水之间存在一定关系。

图2 各水源δD 和δ18O 的线性关系拟合曲线Figure 2 Linear correlation between delta δD and delta δ18O of the water sources

2.2 输水对不同距离样地土壤水分的影响特征

为验证输水湖面对其周边200 m 范围内土壤特性是否有显著影响，研究中样带为0～1 000 m，分析输水前(2019 年4 月)和输水后(2019 年8 月)与输水渠道不同距离土壤水分的垂直分布特征。通过对比可知(图3)，各样带灌丛总体上土壤水分较输水前有明显提升，且随着土层深度的增加而逐渐增加，在70-140 cm 间存在一个峰值，然后又逐渐减小。距水面0～200 m水平范围的白刺灌丛土壤水分随样地与水面距离的增加而逐渐减小，0 m 样地的灌丛不同土层土壤平均水分最高(34.01%) (图3c)，200 m 样地灌丛土壤平均水分最低(16.97%) (图3c)。250～1000 m 灌丛样地不同土层土壤平均水分大小在250、300 和500 m之间没有明显的变化规律(图3d)，可见该区段白刺灌丛样地土壤水分分布与其距输水河道的距离关系不密切。

图3 距河岸不同距离的白刺灌丛土壤含水率垂向变化Figure 3 Vertical variation of soil moisture in the Nitraria tangutorumnebkhas at different distances from riverbanks

2.3 水分来源贡献率定量解析

本研究结合实测土层含水率和δD (δ18O)变化情况，将土层划分为浅层(0-100 cm)，中层(100-200 cm)和深层(200-350 cm)，基于多元线性模型示踪，分别解析了各水源在同一时段对距河道不同距离的植被群落的植被生长贡献率，在不同时段距河道同一距离的植被生长的贡献率(表2、表3)。

2.3.1 与输水渠道不同距离的样地植被水分来源贡献率变化特征

在同一时段(2019 年8 月29 日-8 月31 日)，距输水河道300 m 以内的白刺样地，其茎秆水中河水的平均贡献率18.13%，浅、中层土壤水的平均贡献率分别为36.96%和21.94%，深层土壤水平均贡献率为16.25%；在距河道水体300～1 000 m 范围的白刺灌丛，其茎秆水中河水的平均贡献率为13.31%，中、深层土壤水的平均贡献率分别为17.65%和36.73% (表2)，地下水的平均贡献率(11.56%)相对距河道水体300 m 以内的地下水平均贡献率(6.42%)增大近一倍。

研究表明，同一时间段，距离河道较近(距河道水体300 m 内)的监测样地植被灌丛主要吸用浅中层土壤水和河水，浅层土壤水同位素特征更趋近于河水同位素特征，由于该地段易接受河水渗漏补给，浅部土壤水分含量较大；距离河道较远(距河道水体300～1 000 m 范围)的监测样地植被吸用各层土壤水，植被茎秆水同位素特征更趋近于地下水同位素特征，由于远离河道，浅层土壤水分接受河道补给量较小，而中深层土壤水主要来源于地下水的毛细上升补给。

2.3.2 降水对同一监测样地植被水分来源贡献率的影响

同一监测样地，降水日(2019 年7 月7 日)前后的白刺根系主要吸水层位不同。在降水前，白刺主要利100-350 cm 深度的中、深层土壤水分。在降水后，白刺主要利用100 cm 深度以浅的土层水分，浅、中层土壤水平均贡献率分别为39.15%和28.09%，深层土壤水平均贡献率下降到14.75%，地下水的平均贡献率下降到1.86%，降水的平均贡献率为4.26%(表3)，距离输水河道300～1 000 m 的监测样地同样是浅层土壤水贡献率明显增大(表2、表3)。

表2 基于IsoSource 模型与河岸不同距离的白刺灌丛降水前水分利用比例Table 2 Ratio of water use before rainfall for the Nitraria tangutorumnebkhas with different distances to the riverbank based on the IsoSource model

表3 基于IsoSource 模型与河岸不同距离的白刺灌丛降水后水分利用比例Table 3 Ratio of water use after rainfall for the Nitraria tangutorumnebkhas with different distances to the riverbank based on the IsoSource model

研究表明，同一监测样地，在降水前中、深层(100-350 cm)土壤水分对荒漠植被的贡献率较大，因为夏季的降水前的温度较高，根系活性较大和土壤水分亏缺比较严重，所以植被以吸用较多的深层土壤水，植被茎秆水同位素特征趋近于地下水同位素特征；在降水后浅部(0-100 cm)土壤水分含量较高，易于植被吸用，植被同位素特征趋近于降水或河水同位素特征。这是因为降水补给地下水位，当地下水位浅埋时通过支持毛细作用大幅上升，向植被根系土层输运水分，从而影响了天然植被根系土层水分缺亏状况，这些特征表明无论降水、地下水、土壤水如何转化，天然植被根系土层直接吸收的还是以土壤水为主。

2.4 生态输水前后植被种群频度的响应特征

通过研究区2010-2019 年样方调查数据和遥感解译数据，样地内的植被物种样方调查，在多年生态输水累积影响下，白刺物种频度年际变化特征如图4 所示。其中2011 年为输水第2 年，白刺频度最高；2019 年白刺频度最低。对比同一输水年份、距河道水体不同距离处白刺的频度呈现远离输水渠道的(距河道水体400～500 m)样地白刺种群频度大，濒临河道水体样地的的白刺种群频度较小，突显生态输水对旱生植被物种频度的影响。

调查结果分析表明(图4)，在距离水面100 m 范围以内的样方白刺出现的频度相对较低，都在15%以下，最低是8.34%，且呈逐年减小的趋势；在距离水面100 m 范围以外的所有样方白刺出现的频度都在15%以上，在距离水面200～300 m 的范围内白刺出现的频率均在18.22%以上，连续输水使得白刺的相对频率逐年降低。芦苇出现的频度恰恰与白刺相反，在距离水面0 m 的范围内芦苇出现的频率较多，但在距水面300～500 m 的范围内芦苇出现的频度相对较少(5.54%)，但呈逐年增加趋势。连续输水使得白刺出现的相对频率逐年减少，截止到2019 年调查时，白刺频度共减少了7.65%。

图4 不同输水年份植被的种群频度随样地距水面边缘距离的变化Figure 4 Change of population frequency of the population of vegetation with the distance to water margin in different years of water delivery

3 讨论

研究区位于我国西北内陆干旱区，荒漠植被在长期演化过程中形成了特有的水分利用机制。从2010 年，在经过连续11 年的生态补水后形成季节性水面, 湖泊面积波动会产生明显的环境效应。青土湖水面形成加剧了距水面边缘0～200 m 处的土壤理化性质变化，土壤细粒及养分出现富集[14,25-26]。姜生秀等[19]研究认为随样地与人工湖面距离的增加，0～200 m 范围白刺灌丛土壤水分逐渐减小，250～600 m 样地土壤水分的影响不明显。本研究显示距水面0～200 m 水平范围的白刺灌丛，受河道水补给能力不断减弱的影响，土壤水分随样地与水面距离的增加而逐渐减小；250～1 000 m 水平范围白刺灌丛样地土壤水分分布与其距输水河道的距离关系不密切。与上述结论总体相一致。但是，本研究对比了输水前各样带白刺灌丛不同深度的土壤水分，对比后发现0～300 m 水平范围样地，土壤水分有明显增加，300～1 000 m 土壤水分增加并不明显。在两个维度的对比研究中，200 m 样地与300 m样地哪个才是输水的最远影响距离？本研究认为，尽管200 m 以后白刺灌丛土壤水分与其距河道距离没有明显的相关性，但是其样带不同深度土壤水分都有一定的提升，可以判定人工输水对该区段土壤含水量是有一定影响的，只是可能距离渠道越远响应的时间越延时，其响应的程度也越弱。如果对延时响应的规律做定量的研究，则需要从输水第1 天开始连续动态监测不同样带土壤含水率并建立的相应数学模型，目前该青土湖地区尚未有该方面的研究，也是本研究在下步研究中需要关注的一个方向。

青土湖多年连续输水后形成水面，且面积逐年成倍增加。这不仅决定于历年注入湖水量，也与区域土壤以沙土为主相关，也受水体积留的时间影响。随着注水时间的延长，水体向周围侧渗，增加了后期注水面积，使水域中心、边缘、过水区域、输水廊道出水口及其渠道周围地区的土壤含水量显著增加，使得该区域的地下水得到持续补充，这种积累叠加效应，在地下水位变化中表现的更为突出，但地下水位变化表现为延时性。这种变化与塔里木河输水过程的河岸地下水位变化相类似[27-28]。

研究区植被灌丛在非输水季(2019 年4 月)，通过转换吸用不同水源的利用比例，适应干旱驱动协迫向较深土层吸用水分而维持生存和生长，包括地下水通过支持毛细水输运给土壤水分，植被通过增强根冠比等生理生态特征的调控来适应干旱胁迫等恶劣生境。在生态输水之后，累积输水使得水面面积不断扩大，流沙不断推移，致使白刺等旱生植被水淹的频次越来越多；同时，渠道输水渗漏使得河岸带两侧地下水获取较多的河水补给，土壤含水率也随之大幅增加，土壤理化性质也随之改变，植被群落抵御盐分胁迫等恶劣生境能力增强。累积生态输水促进了喜水植被芦苇等植物的生长和旱生植被的衰退。由于与输水渠道不同距离处的白刺灌丛其土壤水分受到不同程度的干扰，总体趋势为距离河道越近(0～200 m)，峰值土壤水分(70-140 cm)增加越多，白刺灌丛群落衰退面积越大；随着样地与输水渠道距离的增加，峰值土壤水分改变越小，植被群落越保持稳定。且随着输水累积年份的增加，研究区地下水位提升的越多(输水季平均地下水位为3～5 m)，输水河岸带两侧白刺灌丛分布频度随之减少。湿地季节性输水造成干旱区生境的改变是引起白刺种群的衰减主要原因。

4 结论

1)植被监测样地与距离河道水体距离越近，其相应的土壤含水率越高，白刺灌丛样地土壤水分先是随之土层深度的增加而逐渐增加，在70-140 cm间存在一个峰值，然后又逐渐减小；距水面200～1 000 m 水平范围(同一土层深度)灌丛样地土壤水分分布与其距输水河道的距离关系不密切；距水面0～200 m 水平范围(同一土层深度)的白刺灌丛受河道水补给能力不断减弱的影响，土壤水分随样地与水面距离的增加而逐渐减小，呈现出近河道土壤水分对人工输水的空间响应特征。

2)不同水源对白刺生长用水的贡献程度及贡献范围也不同：土壤水对白刺生长的平均贡献率在降水前后均为最大；同一时段与河岸不同距离的观测样地，白刺根系主要吸水层位不同，距离河岸越近土壤含水率越高，植被吸用浅层土壤水和河水的比例越大。同一观测样地降水前与降水后白刺根系主要吸水层位不同，降水后深层土壤水吸用比例降低，呈现出旱区荒漠封闭湿地白刺种群的吸用水层位对与人工输水面的距离呈现出空间响应特征。

3)在多年生态输水累积影响下，河岸带植被(白刺)物种频度逐渐降低；同一输水年份，随着样地与河道水体距离的增近，白刺种群频度降低，物种也必将衰减，发生旱生植被群落向喜水植被群落的转变，突显旱生植被物种频度对生态输水的延时响应特征，反映了荒漠植被对引起其生态系统变化的极端水干扰的短期内水分利用策略再分配的过程。