科爾沁草原植被生態(tài)型與地下水位埋深及土壤含水率的關系

科爾沁草原植被生態(tài)型與地下水位埋深及土壤含水率的關系

在生態(tài)系統(tǒng)中，植被是其主要的創(chuàng)造者，是自然環(huán)境的直觀反映。植被與環(huán)境生態(tài)關系的研究一直是生態(tài)系統(tǒng)研究的重要方面。生態(tài)位理論屬于現(xiàn)代生態(tài)學的核心內(nèi)容之一,已在生物種對其環(huán)境條件的適合性測度、種間競爭與共存機制、群落的多樣性維持、種群生存力分析以及資源譜利用等方面得以廣泛的應用。多年來,科爾沁沙地由于氣候變化和人類活動的雙重影響,加速了現(xiàn)代沙漠化進程,是我國沙漠化防治的重點區(qū)域?？茽柷呱车赝恋厣衬谧罱?0a發(fā)生了整體逆轉(zhuǎn),主要是由于當?shù)卣稗r(nóng)牧戶個體加大了治理措施,使相當面積的沙漠化土地面積得到了治理和恢復。但在治理過程中,種植哪種類型植物較適宜,還沒有較明確的依據(jù)。在科爾沁沙地,對生態(tài)環(huán)境起重要作用的是中生和偏旱生植物,而地下水位埋深及土壤水分是決定植物生態(tài)型的重要指標,因此,摸清植物生態(tài)型與地下水位埋深及土壤水分的關系,尤其是定量關系,是恢復生態(tài)環(huán)境采取何種措施、種植哪種植物的重要依據(jù)。宋郁東等人提出了生態(tài)地下水位的概念,張?zhí)煸?、袁長極從不同角度研究了植物生長與地下水位的關系,提出了適宜水位、最佳水位、鹽漬臨界深度和生態(tài)警戒水位等指標,但這些研究基本屬于定性分析。李自珍等人和張麗等人針對少量典型物種,開展了植物生態(tài)型與水分因子關系的定量研究。而針對較大區(qū)域宏觀上植物生態(tài)型與地下水位埋深及土壤水分的定量關系的綜合研究尚不深入。因此,本文在摸清科爾沁沙地植物區(qū)系的基礎上,利用實測資料分析了植物生態(tài)型與地下水位埋深及土壤水分的定量關系,希望能為當?shù)厣鷳B(tài)恢復建設提供決策依據(jù)。1學習方法1.1陰山沙地土壤條件科爾沁沙地位于41°41′40″\_47°39′20″N,116°21′30″\_123°43′00″E之間,屬于遼河中游沖淤積平原,總面積約5.06萬km2。沙地面積的83%分布在內(nèi)蒙古自治區(qū),而其中的65%分布在內(nèi)蒙古通遼市域內(nèi)?？茽柷呱车貫楦珊蛋敫珊档貐^(qū),是典型的農(nóng)牧交錯地,屬大陸性氣候,年降雨量變化在350~450mm之間,年平均蒸發(fā)量為1817.4mm(?20cm蒸發(fā)皿實測值)。土壤主要為風沙土。地形趨勢是南北高翹,中間低平,由西北向東南傾斜。地貌以沙丘(壟)與丘(壟)間洼地、泡沼相間分布為特征。植被覆蓋為草地和零星稀疏灌叢。1.2調(diào)查方法和調(diào)查內(nèi)容2002年7\_10月間,在科爾沁沙地中心地區(qū)2.82萬km2范圍內(nèi),我們以經(jīng)度相隔15′和緯度相隔10′的經(jīng)緯度線的交叉點為調(diào)查試驗點(圖1),共布設調(diào)查試驗點172個。其中M44、N32、H48和G36點(見圖1)為重點調(diào)查試驗點,其余為一般調(diào)查試驗點。對于一般調(diào)查試驗點,我們在調(diào)查點附近選擇典型區(qū)域,進行樣方調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容包括樣方內(nèi)所有植物的名稱、植物生態(tài)型、植物生活型、數(shù)量、高度、蓋度、密度和鮮重等。據(jù)此分析科爾沁沙地植物區(qū)系組成。對于重點調(diào)查試驗點,我們按照以下步驟進行了調(diào)查試驗。目的就是為了分析植物生態(tài)型與地下水位及土壤水分的關系。1)在調(diào)查試驗點附近選擇典型植被樣線。2)在選定樣線上劃分植被生態(tài)型類型帶,確定各類型帶樣方調(diào)查點。3)對各樣方調(diào)查點進行樣方調(diào)查。調(diào)查試驗內(nèi)容除一般調(diào)查試驗點內(nèi)容以外,同時在樣方處開挖土壤剖面至地下水位,分別在植被根系表層、根系層取土樣,用烘干法測定其土壤含水率。同時用水準儀測量各樣方處的相對地面高程。在對地下水位埋深的測量中,對于地下水位埋深較淺的樣方,直接量取地下水位埋深;但對于地下水位埋深較大的樣方,由于在每一個重點調(diào)查試驗點處所打的樣線均屬于小區(qū)域范圍,所以沿樣線直線方向上水力坡度基本穩(wěn)定,由此通過地下水位埋深較淺的相距最遠的兩個樣方點的地下水位埋深及其兩點的相對地面高程便可計算出小區(qū)域地下水水力坡度,然后通過下式即可確定出地下水位埋深較大的樣方處的地下水位埋深值。式中:Δ高為地下水位埋深較大樣方處的地下水位埋深;Δ低為地下水位埋深較小樣方處的地下水位埋深;ΔH為兩樣方點相對地面高程差;L為兩樣方之間的距離;J為樣線所處區(qū)域地下水水力坡度。1.3植物生態(tài)型的相關分析和序列選取1)對于植物區(qū)系組成分析,我們主要采用分類統(tǒng)計的方法。2)對于各樣方主體植物生態(tài)型類型的確定,采用樣方主成分分析方法,利用樣方中各類植物生態(tài)型的鮮重和數(shù)量進行對比,進而確定該樣方的植物主體生態(tài)型類型。3)對于植物生態(tài)型與地下水位埋深的相關關系分析,我們對各植物生態(tài)型按照由濕生\_中生\_中旱生\_旱生的次序分別賦予1、2、3、4生態(tài)類型取值,以各樣方的該值所組成的序列與其對應的地下水位埋深序列進行相關分析。4)對于植物生態(tài)型與地下水位及土壤水分的定量關系的確定,首先單獨分析各重點調(diào)查試驗點數(shù)據(jù),即各樣線樣方植物生態(tài)型序列與其對應的地下水位埋深和土壤水分序列的對應范圍,然后將四個重點調(diào)查試驗點的分析結(jié)果進行疊加,得出綜合對應范圍,即植物生態(tài)型與地下水位及土壤水分的定量對應關系。2結(jié)果與分析2.1植物生態(tài)的組成和實驗要點針對172個調(diào)查試驗點的調(diào)查試驗資料,結(jié)合前人在本地區(qū)所作的系列植被調(diào)查分析工作,統(tǒng)計分析了研究區(qū)的植物區(qū)系組成狀況。2.1.1裸子植物種間分布經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計,科爾沁沙地共有植物850種,分別隸屬于414屬、103科。其中裸子植物2科、2屬,分別為松科(松屬)和麻黃科(麻黃屬);被子植物101科、412屬。2.1.2灌木與草本植物植被比例經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計,科爾沁沙地喬木占總數(shù)的5.76%;灌木占總數(shù)的7.76%;草本植物占總數(shù)的86.47%。其中,多年生草本植物占63.06%,一年生草本植物占23.41%。2.1.3植物種類及生物量根據(jù)水分條件對植物生態(tài)型進行分類,科爾沁沙地各植物生態(tài)型所占總數(shù)比重分布見圖2。由圖2可知,科爾沁沙地無超旱生植物,以中生植物為主,占總量的53.15%;偏旱生植物(旱生、中旱生、旱中生植物)數(shù)量居第二位,占總量的23.77%;偏濕生植物(濕生、濕中生植物)數(shù)量較偏旱生植物略少,占總量的16.08%;此外還有少量的水生植物和耐鹽植物,占總量的7%。由此可見,該地區(qū)地下水位埋深較淺的低甸子地面積也占一定比例。2.1.4分類依據(jù)信息經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計分析,在科爾沁沙地,東亞成分、世界分布種、達烏里-蒙古成分、華北與東北成分、泛北極區(qū)系成分等5種成分數(shù)量為751種,占總量的88.35%。2.1.5試驗點概況在M44、N32、H48和G36(見圖1)這四個重點調(diào)查試驗點所作的樣線調(diào)查中,各樣線的樣方序列及其對應的植物生態(tài)型見圖3。四個重點調(diào)查試驗點共計22個樣方,圖3中G36-1表示重點調(diào)查試驗點G36樣線中的1號樣方,而其所對應的橫坐標軸即為該樣方中植物的主體生態(tài)型,對應的縱坐標值即為該樣方處所對應的地下水位埋深。從圖3可以看出,在這四個重點調(diào)查試驗點22樣方的植物生態(tài)型類型中,為中生植物類型的樣方數(shù)量居第一位,其次為偏旱生植物,最后為濕生植物,這與上述科爾沁沙地各植物生態(tài)型類型組成比例是一致的,也說明所選取的4個重點調(diào)查試驗點具有一定的代表性。2.2地下水位埋深的測量對4個重點調(diào)查試驗點共計22個樣方的地下水位埋深(見圖3)序列和對應的植物生態(tài)型取值序列進行相關分析,其相關系數(shù)為0.81,說明植物生態(tài)型與地下水位埋深相關性很好,即植物生態(tài)型類型的分布在一定程度上取決于地下水位埋深。根據(jù)各樣方植物生態(tài)型與其對應的地下水位埋深變化范圍,經(jīng)疊加后確定出植物生態(tài)型與地下水位埋深的定量關系,其結(jié)果列入表1。由表1可知,濕生、中生、中旱生和旱生植物各有一個地下水位埋深變化范圍,分別為0.45~1.66m、0.95~2.20m、2.20~4.59m和3.45~7.45m。并且濕生植物與中生植物有一個地下水位埋深過渡范圍,即0.95~1.66m,在這個地下水位埋深范圍內(nèi),既有中生植物,又有濕生植物;中旱生植物和旱生植物也有一個地下水位埋深過渡范圍,即3.45~4.59m,在這個地下水位埋深范圍內(nèi),既有中旱生植物,又有旱生植物。2.3不同地下水位埋深對植物生態(tài)型的影響4個重點調(diào)查試驗點各個樣方所對應的植物根系表層和根系層土壤含水率見圖4,為便于比較說明,我們將圖3中各重點調(diào)查試驗點的各個樣方處的地下水位埋深也對應地放入圖4中,由圖4可以看出,各重點調(diào)查試驗點地下水位埋深與土壤含水率具有很好的一一對應關系,即隨著地下水位埋深的加大,植物根系表層和根系層土壤含水率逐漸減小。這是因為,當?shù)叵滤宦裆钶^淺時,地下水面以上的毛管水上升帶可以波及到植物根系層以內(nèi),地下水位埋深越小,根系層內(nèi)的土壤含水率就越高,也就是說,地下水位埋深對植物生態(tài)型類型分布的影響是通過改變植物根系層土壤含水率來實現(xiàn)的。當?shù)叵滤宦裆钶^大時,毛管水上升帶不能波及到植物根系層最深部,植物只能吸收表層土壤中的水分,這種情況下的植被生長與地下水位埋深基本沒有關系。根據(jù)4個重點調(diào)查試驗點22個樣方的土壤含水率及植物生態(tài)型,經(jīng)疊加后得出植物生態(tài)型與土壤水分的定量關系,其結(jié)果列入表1。由表1可知,濕生、中生、中旱生和旱生植物有一個植物根系土壤表層含水率變化范圍,分別為2.70%~25.54%、0.80%~13.32%、0.41%~2.25%和0.28%~0.44%;有一個植物根系層含水率變化范圍,分別為5.59%~54.80%、3.59%~9.19%、0.71%~3.59%和0.16%~0.78%;而且濕生植物與中生植物有一個植物根系土壤表層含水率和植物根系層含水率過渡范圍,分別為2.70%~13.32%和5.59%~9.19%,在該范圍內(nèi),既有濕生植物又有中生植物;中旱生植物與旱生植物有一個植物根系土壤表層含水率和植物根系層含水率過渡范圍,分別為0.41%~0.44%和0.71%~0.78%,在該范圍內(nèi),既有中旱生植物又有旱生植物。3結(jié)論和建議3.1植物根系表層土壤含水率的變化1)植物生態(tài)型的分布與地下水位埋深相關性很好,即植物生態(tài)型的分布在一定程度上取決于地下水位埋深。2)濕生、中生、中旱生和旱生植物有一個地下水位埋深變化范圍,分別為0.45~1.66m、0.95~2.20m、2.20~4.59m和3.45~7.45m。3)濕生、中生、中旱生和旱生植物有一個植物根系土壤表層含水率變化范圍,分別為2.70%~25.54%、0.80%~13.32%、0.41%~2.25%和0.28%~0.44%;有一個植物根系層含水率變化范圍,分別為5.59%~54.80%、3.59%~9.19%、0.71%~3.59%和0.16%~0.78%。4)濕生植物與中生植物有一個地下水位埋深過渡范圍,即0.95~1.66m;有一個植物根系土壤表層含水率過渡范圍,即2.70%~13.32%;有一個根系層土壤含水率過渡范圍,即5.59%~9.19%。5)中旱生植物和旱生植物有一個地下水位埋深過渡范