干旱区天然植被恢复的合理生态水位研究综述

干旱区天然植被恢复的合理生态水位研究综述*郑丹1陈亚宁1王忠运,21中国科学院新疆生态与地理所，乌鲁木齐830011；2新疆奎屯市水管处，奎屯833200关键词：干旱区天然植被合理生态水位1引言干旱区天然植被作为干旱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。植被和生态环境相互关系的研究一直是植物生态系统的重要方面，干旱区植物群落和生态环境关系的研究将更好的阐明干旱区生态环境状况和环境因子影响生态环境的变化趋势。而作为干旱区最关键的生态环境因子，水不仅是干旱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与表土，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，其它生态因子的变化，对植物生长产生的影响不大，即不起限制因子的作用〔1～3〕。因此，对干旱区天然植被恢复的合理生态水位研究，我们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，衡量在变化了的水位、水质条件下土壤所能生存的植被，这样有利于生态建设与保护以及在极端条件下还可预测土地变为盐土、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。针对这一事态，国内外一些学者已经展开了有关天然植被恢复的合理生态水位研究，并取得了一些进展。2国内外研究2.1国外天然植被恢复的合理生态水位研究内容生态水文学（eco-hydrology）是20世纪90年代以来兴起的一门边缘学科，就是研究涉及水文学和生态学两方面问题的科学。生态水文学常被生态学家用来描述湿地中地下水位与植物分布的关系，但也可以被用来描述其他环境中植物与水分关系。而现在，越来越多的水文学家关注水流速度如何影响河道内植被的生长以及河流状态与滨水植物生态过程的相互关系。生态水文关系在干旱区的生态系统也具有同样重要的作用。生态学家从微观的个体植物生理水分与生长的关系研究，发展到关注区域水文循环过程对植被群落演替与生态过程的关系研究。这样由于生态学与水文学的广泛交叉与相互渗透，逐渐形成了生态水文学。在生态水文学的形成和发展过程中，有关干旱区天然植被恢复的合理生态水位研究成为生态水文学的重要内容而得到世界各国学者的广泛关注。国外干旱区生态水文学研究的一个典型例证集中在地中海地区。且Hiler、Benze与杨建峰等就同时指出干旱区最优地下水位埋深为1.5m,这里值得一提的是对于沙生柽柳天然幼苗的研究也表明其着生于地下水位埋深大于1.2m的丘间地湿地，与上面的研究结果也刚好相符。美国学者JonathanL、Horton等人针对植物在不同地下水位埋深的生理反应进行了研究，提出了植物进行光合等生理作用的地下水位埋深阈值；由于土壤盐渍化与浅层地下水位会同时存在，高盐度直接影响作物产量及*资助项目：国家自然科学基金重点项目（90102007）和中国科学院知识创新重大项目（KZCX1-08-03）资助通讯作者：陈亚宁，E-mail:[e-mail]:0991-7885432土壤质量，澳大利亚学者R.Ri通过LEACHC模型建立土壤盐渍化与地下水位深度之间的模拟，对土壤含盐量进行研究发现：土壤盐渍化的大小取决于土壤的物理特性、地下水位埋深及其作用的根系深度〔4〕。2.2国内研究2.2.1国内研究相关概念国内有关学者从不同角度研究了植物生长与地下水位的关系提出了沼泽化水位、盐渍化水位、适宜生态水位、生态胁迫水位、荒漠化水位、临界深度及最佳水文地质环境等概念。总结对生态水位的定义为：由于干旱区降水稀少，地带性荒漠植被十分稀疏，对生态环境起重要作用的是依靠地下水而发育的非地带性中生和旱中生植被，它们主要分布在河旁、湖边及扇缘溢水带，其生长状况与地下水埋深关系十分密切。因此，把维持地带性自然植被生长所需水分的浅层地下水位称作生态地下水位（简称生态水位）。当地下水位埋深处于适宜生态水位时，植被生长最好，即生态因子强度发生一些变化，对植物产生不大的影响，即不起限制因子的作用。当处在荒漠化水位的植物，生态因子偏离应区时会发生微小改变，植物就会发生显著的变化，地下水位越接近荒漠化水位或盐渍化水位，植物生长就会越受到抑制，对水位变化的反应就越敏感。当地下水位下降超过荒漠化水位时，植物生命活动受到明显的限制，即使深根系的乔木和灌木的水分利用也较困难，天然植被衰败退化或死亡，沙漠化程度增加，并由固定、半固定沙丘逐渐演变成半流动和流动沙丘。樊自立〔5-6〕将1m以内地下水埋深定义为沼泽化水位、1～2m内地下水埋深定义为盐渍化水位、2～4m内地下水埋深定义为适宜生态水位、4～6m地下水埋深，即对植物生长发育产生胁迫的地下水位也称生态警戒水位、地下水埋深大于6m定义为荒漠化水位。2.2.2国内研究内容及计算方法国内许多研究都证实了干旱区地下水环境的变化对脆弱生态环境的影响以及与沙漠化、盐渍化的关系十分密切。地下水位和水质的变化直接影响沙生、旱生植物的生长发育,土壤次生盐渍化在分布上与地下水具有趋势性正均衡态的地区相吻合,高的地下水位、强烈的地面蒸发以及与之相伴的地下水和土壤中盐分的累积为其特点。土地沙化则相反,河水断流、地下水位下降、水质变化是其产生的主要原因,尽管干旱区以植被衰退为标志的土地沙化并非完全是由于水源条件变化而引起。合理的地下水位及水质对保持良好的土壤水盐状况和植被生长发育的重要性。国内对天然植被恢复的合理生态水位研究方法可以概括为定性研究和定量研究：（1）定性研究：国内许多有关天然植被恢复的合理生态水位研究都集中在定性的研究上：崔亚莉、邵景力针对西北干旱特定的生态环境条件，通过凝结水对沙生植物作用的分析以及地下水埋深对植物生长和土壤盐渍化影响的分析，认为保持合理的生态地下水位是防止植物死亡和土地荒漠化的关键。张元明、陈亚宁等应用数量分类（数量分类常应用双向指示种分类法（Two-wayIndicatorSpeciesAnalysis,TWINSPAN））和排序方法，对新疆塔里木河中游地区植被进行多元统计分析，从定量角度以CCA（基于对应分析发展而来的典范对应分析(Canonicalcorrespondenceanalysis,CCA)）排序图直观地揭示了决定塔里木河中游地区植物群落分布的环境因子主要是地下水位和土壤含水量，并建立了回归模型。汤梦玲、徐恒力、曹李靖等人在西北地区的气候及水资源的基本特征的基础上，分析了植被的分带、生存适应性及演替与地下水的关系，并阐述了地下水开采对植被的影响。结果表明：植被的分布、生存和演替主要受控于水盐条件。（2）定量研究：张丽、董增川等深入研究了植物生长与地下水位的关系，定量描述它们之间的关系，以生态适宜性理论为基础，根据塔里木河干流流域典型植物的随机抽样调查资料，建立了干旱区几种典型植物生长与地下水位关系的对数正态分布模型。根据建立的模型得出干旱区典型植物的最适地下水位、适宜地下水位区间及其对环境因子的忍耐度。与同是干旱区的黑河流域下游额济纳旗实测及调查资料进行比较分析，结果是合理的，从而证明模型也是合理的〔7〕。3天然植被下合理生态水位的界定一个地区的合理生态水位，应在一个范围区间内，可以用上限和下限来表征。天然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)的确定也由于不同地区的气候、土壤质地等因素不同，同一种植物在不同地区其适应生长的潜水埋深范围可能存在差异。地下水位临界埋深的上界值指控制土壤表层积盐量在天然植被生长范围内的最小地下水埋深，这并不是绝对不允许土壤积盐，只是积盐不能危害植物的生长，该值是一个随季节不同、地点不同而变化的地下水动态；其下界值指不引起天然植被衰败的最大地下水埋深，其值因植物种类不同、地理环境不同等有较大差异。在自然条件下，研究地下水临界埋深与天然植被衰败，往往受到注意的是土壤含水量，潜水埋深又决定了土壤含水量的多少，因此归根到底，潜水埋深是控制天然植被生长状况的决定因素。因此对天然植被恢复的合理生态水位研究，确定合理生态水位下界值，宋郁东、樊自立等根据实测的30个剖面数据对干旱区土壤含水量与地下水埋深建立了如下模型：θ=35.72exp(-0.185H)式中：θ—土壤剖面平均含水量（%）；H—地下水位埋深（m）；若按此式计算，当地下水位埋深1.0～2.5m时，平均土壤含水量为26.1%，为新疆平原区毛管持水量的96.3%，因此，此埋深对植物生长十分有利；当地下水位埋深在2.5～4.5m时，平均土壤含水量位19%，为新疆平原区毛管持水量的70%，仍在植物适宜生长的范围内；当地下水位埋深在4.5～6.5m时，平均土壤含水量为13.1%，接近部分植物的凋萎系数；当地下水位埋深在6.5～10m时，平均含水量8.2%，基本小于植物的凋萎含水量，植物衰败枯死。但是，不同地区由于气候、土壤质地等因素不同，同一种植物在不同地区其适应生长的潜水埋深范围可能存在差异，根据塔里木河流域地下水蒸发观测数据，潜水蒸发在2m是个转折点，潜水埋深2m时，土壤积盐速率加快，随地下水埋深增加土壤积盐速率呈指数下降。潜水埋深大于其极限蒸发深度（4.0～4.5），土壤水分不能满足植物需要，既潜水埋深HHmax时，蒸发强度E=0。对于干旱区地下水位埋深在4.5m以上，土壤水分就能基本满足乔、灌木生长需水，不会发生荒漠化；4.5-6.0m，土壤水分亏缺，植被开始退化，受沙漠化潜在威胁，是警戒水位；6.0～10.0m，土壤含水量小于凋萎含水量，植被枯衰，是沙漠化普遍出现的水位。因此，对具体地区来说，则以大多数植被的地下水临界埋深作为植被的地下水临界埋深指标。如在内陆盆地大多数植被呈良好生长状态的潜水埋深下限指标是2.0～2.5m，出现稀疏衰败状态的潜水埋深临界指标是4.0～4.5m。而在塔里木河流域，天然植被的最适宜地下水位埋深是2.0～4.0m，陈亚宁等通过研究地下水位与植物生理变化关系，首次揭示了塔里木河下游胡杨生存的合理生态水位、胁迫地下水位和临界地下水位，由于生态输水，在距河道一定范围内的地下水位出现了显著的升高。再者，不同种属植物的抗旱性能及生长所要求的地下水位是不同的，这是由不同植物体生理特性决定的。由于生态输水造成地下水位的升高随距离远近而表现不同时，地表植被的响应也不同，深根系植被响应范围较大，如胡杨、柽柳等。而浅根系植被(如许多草本植被)受水分条件的制约响应范围相对要小，结果表明河道附近地下水埋深能够维持在3.5～4.5m之间为塔里木河下游胡杨生存的合理地下水埋深，4.5m以下为胡杨正常生长的胁迫埋深，而当地下水埋深在9～10m之间时，为塔里木河下游胡杨生存（死亡）的临界地下水位〔8〕。以上这一切还有待于做大量的生态调查工作,也许在弄清了天然植被恢复的合理生态水位后，对西部大开发的生态保护会有极好的借鉴意义。4结语总结国内外干旱区天然植被与地下水位关系的，对合理生态水位研究的有关概念、内容和定性、定量计算方法做了概述，得出天然植被的最适宜地下水埋深是2.0～4.0m，1m以内地下水埋深定义为沼泽化水位、1～2m内地下水埋深