吳明輝，寧虎森，王讓會(huì)，吉小敏，閔首軍，趙福生

(1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210044;2.新疆林業(yè)科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊830002;3.新疆油田公司，新疆 克拉瑪依834000)

水資源已成為干旱區(qū)影響生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一。地下水是水資源的重要組成部分，其水資源量有限、補(bǔ)給速度慢、循環(huán)周期長[1]。在干旱區(qū)水資源的開發(fā)利用過程中，地下水占有非常重要的地位，與生態(tài)環(huán)境有密切的關(guān)系[2-3]。因此，研究干旱區(qū)地下水動(dòng)態(tài)及其合理生態(tài)水位有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。地下水動(dòng)態(tài)是指在自然和人為因素下，地下水的水位、流量、水溫、化學(xué)成分和氣體成分含量等隨時(shí)間改變而發(fā)生的變化[4]。影響地下水動(dòng)態(tài)變化的主要因素包括氣象、水文及人為因素[5-7]。氣象、水文因素主要包括降水、蒸發(fā)、水文等;人為因素主要包括人工開采、灌溉、水利工程等。二者對(duì)地下水水位的升降有直接的影響。在中國干旱區(qū)，降水稀少，地下水與植被生長有密切關(guān)系[8]，通過對(duì)地下水的監(jiān)測和分析，可以掌握地下水動(dòng)態(tài)變化的特征和規(guī)律，對(duì)地下水資源的開發(fā)管理具有重要意義。目前，我國地下水監(jiān)測的主要方法是建立監(jiān)測井，形成監(jiān)測網(wǎng)。20世紀(jì)50年代，我國地下水水位監(jiān)測就已經(jīng)開始[9]，其中大的區(qū)域性監(jiān)測網(wǎng)(如黃河流域或華北平原)主要是在20世紀(jì)70年代初建立的[10]，這些監(jiān)測網(wǎng)的建立為后期相關(guān)的研究工作奠定了基礎(chǔ)。

地下水合理生態(tài)水位是指滿足生態(tài)環(huán)境要求、不造成生態(tài)環(huán)境惡化的地下水位[11]。地下水水位過深或過淺，都不利于植物的生長。地下水位過深，會(huì)導(dǎo)致土壤干旱，植物生長受到水分脅迫，發(fā)生荒漠化;地下水位過淺，會(huì)使土壤發(fā)生鹽漬化，植物生長受到鹽脅迫[12]。在中國干旱區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)具備了脆弱生態(tài)系統(tǒng)的一切性質(zhì)，對(duì)水土資源開發(fā)利用的干擾極為敏感[13]。因此，確定適宜的地下水水位，對(duì)地下水資源的合理開發(fā)利用具有重要意義。近年來，我國很多學(xué)者對(duì)干旱區(qū)地下水合理生態(tài)水位進(jìn)行了研究。例如，郭占榮等人[14]利用平均土壤含水量與地下水埋深進(jìn)行相關(guān)性分析，得出了西北內(nèi)陸地區(qū)天然植被的合理地下水埋深;楊澤元等人[15]利用植被生長狀況與地下水埋深的關(guān)系，分析了陜北風(fēng)沙灘地區(qū)的適宜地下水埋深;王化齊等人[16]，根據(jù)石羊河下游民勤綠洲的具體特點(diǎn)，提出了恢復(fù)生態(tài)適宜地下水位的措施等。

減少大氣中溫室氣體含量的一個(gè)重要方法就是增加碳的吸收，而森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，樹木可以通過光合作用把二氧化碳固定下來。實(shí)施植樹造林是減少二氧化碳排放、應(yīng)對(duì)全球變化的有效途徑之一?？死斠赖貐^(qū)二氧化碳減排林一期工程的完成，對(duì)阻風(fēng)滯沙、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候等具有重要作用，并對(duì)節(jié)能減排工作意義重大。

本研究在對(duì)克拉瑪依地區(qū)減排林區(qū)地下水水位及水質(zhì)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，分析了克拉瑪依減排林區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化，并利用減排林區(qū)植被的生長狀況與地下水埋深的關(guān)系，探討了減排林區(qū)地下水的合理生態(tài)水位，為減排林區(qū)地下水資源的管理利用以及對(duì)下一期造林工程的實(shí)施提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

減排林毗鄰克拉瑪依市農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)，位于準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣的湖積平原，距離克拉瑪依市區(qū)約20 km ，面積6.67×103hm2，位于東經(jīng) 84°57′1.8″—85°5′19.5″，北緯 45°23′15.24″—45°30′38.7″，最低海拔 258 m，最高海拔276 m，高差為18 m，屬典型的溫帶大陸性干旱荒漠氣候。氣候特點(diǎn)是寒暑差異懸殊，冬季嚴(yán)寒，年極端最低溫度可達(dá)-35.9℃，夏季高溫炎熱，年極端最高氣溫可達(dá)42.9℃，降水稀少而蒸發(fā)強(qiáng)烈，日照時(shí)間長。年降水量多年平均為105.3 mm，潛在蒸發(fā)量多年平均為3 545 mm。無霜期長，年平均為225 d。

研究區(qū)外土地利用類型以林地，居民區(qū)，荒地為主。研究區(qū)內(nèi)土地利用類型主要為林地，減排林營造時(shí)間為2001年，樹種以俄羅斯楊(P.russkii Jabl.)、沙棗(Elaeagnusangustifolia L.)、檉柳(Tamarix spp.)、蘆葦(Phragmitesaustralis)、新疆楊(Populus bolleana L.)、榆樹(Ulmus pumila)、駱駝刺(Alhagi sparsifolia)、梭梭(Haloxylon ammodendron)為主。

1.2 研究方法

在克拉瑪依農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)布設(shè)52眼地下水監(jiān)測井[17]的基礎(chǔ)上，2009年8月，對(duì)減排林區(qū)內(nèi)的18眼監(jiān)測井進(jìn)行了地下水位和水質(zhì)的監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，減排林區(qū)地下水埋深為0.85～17.90 m。同時(shí)，對(duì)減排林區(qū)地下水的水溶性鹽分進(jìn)行了測試分析，項(xiàng)目包括電導(dǎo)率 ，礦化度，全鹽，HCO-3 ，K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，，pH 共 12 項(xiàng)指標(biāo)，分析方法均采用常規(guī)分析法[18]。

利用研究區(qū)遙感影像，結(jié)合研究區(qū)自然地理本底特征，用便攜GPS定位儀定位，在減排林區(qū)每個(gè)監(jiān)測井旁設(shè)置10 m×10 m標(biāo)準(zhǔn)樣地，在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)，選取1 m×1 m樣方，進(jìn)行群落學(xué)調(diào)查。并調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)植被的種類、數(shù)量、胸徑、高度、蓋度等[19]。通過對(duì)減排林地下水以及植被的調(diào)查取樣分析，研究生態(tài)水文與減排林內(nèi)植被生長狀況的密切關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水動(dòng)態(tài)變化

2.1.1 地下水水位變化特征 地下水按其埋藏條件主要可分為潛水和承壓水，潛水面距地面的距離稱為潛水埋藏深度，即地下水埋深?；?009年減排林區(qū)內(nèi)18眼地下水監(jiān)測井對(duì)地下水水位的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過IDM反距離權(quán)重法[20]進(jìn)行插值，得到減排林地下水埋深等值線分布圖(圖1)。

從圖1中可以看出，減排林區(qū)地下水埋深出現(xiàn)了規(guī)律性分布，即靠近10#樣地，地下水埋深較小;靠近S20#樣地，地下水埋深較大。主要原因可能是由于10#樣地靠近克拉瑪依農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)，由于農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)長期的引水灌溉，導(dǎo)致該區(qū)域地下水埋深較小。S20#樣地靠近克拉瑪依市區(qū)(市區(qū)內(nèi)可能由于地下水開采，導(dǎo)致地下水埋深變大)和荒漠植被區(qū)(干旱少水，地下水埋深較大)。因此，從10#樣地到S20#樣地，地下水埋深變大。從實(shí)地監(jiān)測結(jié)果來看，減排林地下水埋深最小值出現(xiàn)在10#，為0.85 m;最大值出現(xiàn)在S20#，為17.90 m。

圖1 地下水埋深等值線分布圖

基于2005年8月和2009年8月克拉瑪依地區(qū)減排林地下水埋深的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取監(jiān)測井6眼(8#，9#，10#，15#，18#，20#)，分別比較了同一監(jiān)測井在2005年 8月和 2009年 8月的地下水埋深(圖 2)。

根據(jù)圖2，減排林區(qū)地下水埋深2009年(平均值4.64 m)明顯小于2005年(平均值7.78 m)。主要原因是由于減排林靠近農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)，受農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)灌溉水的影響，減排林地下水埋深有變小趨勢。且減排林采取的是引水地面灌溉，除蒸發(fā)和植物利用外，大部分侵入地下，補(bǔ)給了淺層地下水，同時(shí)由于植被具有涵養(yǎng)水源的作用，因此，減排林區(qū)地下水埋深呈減小趨勢。從圖2中可以看出，減排林18#處地下水埋深變小的幅度最大，已由2005年的12.61 m變?yōu)?009年的4.69 m。主要原因是由于18#靠近荒漠植被區(qū)，開發(fā)前，由于受荒漠氣候的影響，其地下水埋深較大，開發(fā)后，由于受植被和灌溉水的影響，其地下水埋深變小幅度較大。由于15#處林區(qū) 95%以上有蟲害，屬嚴(yán)重蟲害林區(qū)，部分林木已被砍伐，且受動(dòng)物擾動(dòng)較大，減排林15#處地下水埋深有增大趨勢。

2.1.2 地下水理化性質(zhì)變化特征 基于2005年8月和2009年8月對(duì)克拉瑪依地區(qū)減排林地下水水質(zhì)的分析數(shù)據(jù)，選取監(jiān)測井 5眼(9#，10#，15#，18#，20#)，比較了各監(jiān)測井在2005年8月和2009年8月地下水的礦化度(圖3)。從圖3中可以看出，2009年減排林區(qū)地下水礦化度明顯低于2005年(已由2005年的22.67 g/L變?yōu)?009年的5.35 g/L)。其中，減排林15#處地下水礦化度值降為1.01g/L，已達(dá)到農(nóng)用水標(biāo)準(zhǔn)[16](＜1.70 g/L)。減排林18#處礦化度下降的幅度最大，主要原因可能是18#處地下水埋深變小的幅度比較大(已由2005年8月的12.61 m變?yōu)?009年8月的4.69 m)。這說明在減排林區(qū)地下水埋深變淺的同時(shí)，地下水的礦化度也在變小，對(duì)植被的生長具有正效應(yīng)。

圖2 2005年與2009年地下水埋深比較

根據(jù)2009年對(duì)減排林地下水水質(zhì)的監(jiān)測結(jié)果，10#，15#，18#，20#處地下水礦化度分別為 2.722，1.010，5.434和1.924 g/L，均已達(dá)到植被一般生長狀態(tài)的需求[21]。減排林 9#處地下水礦化度為15.676 g/L，主要原因是9#靠近荒漠植被區(qū)，地下水埋深較大(6.01 m)。

圖3 2005年與2009年地下水礦化度比較

基于對(duì)減排林地下水水質(zhì)的分析結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了減排林地下水理化性質(zhì)特征(表1)。從表1中可以看出 ，地下水中的全鹽，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，的變異系數(shù)屬強(qiáng)變異性(變異系數(shù)小于10%屬于弱變異性，變異系數(shù)在10%～100%之間屬于中等變異性，變異系數(shù)大于100%屬于強(qiáng)變異性[17])。

地下水中Mg2+(147.02%)和Cl-(145.11%)的空間變異性最大，表明地下水中的Mg2+和Cl-的變化最明顯。其次是Na+(132.32%)和全鹽(128.27%)，再次是Ca2+(110.62%)和SO24-(110.00%)，表明其變化較為明顯。減排林 T15#處地下水中的Mg2+(3.02g/L)，Cl-(24.939g/L)以 及 全 鹽(52.695 g/L)含量均出現(xiàn)最大值，可能原因是地下水埋深較大(8.15 m)，礦化度(54.464 g/L)也較大，且其Na+含量為14.000 g/L，表明減排林地下水中陰陽離子具有明顯的耦合特征。

表1 地下水理化性質(zhì)特征

2.2 合理生態(tài)水位分析

2.2.1 植被蓋度與地下水水位的關(guān)系 植被蓋度，是指植物群落的總體或個(gè)體地上部分的垂直投影面積與樣方面積之比的百分?jǐn)?shù)[11]。植被蓋度是衡量植被長勢的一個(gè)重要指標(biāo)，一般來說，植被蓋度大，表明植被生長處的地下水埋深適宜、植被長勢好;植被蓋度小，表明植被生長處的地下水埋深過大或過小，植被長勢差。

基于對(duì)克拉瑪依地區(qū)減排林14個(gè)樣地植被總蓋度的調(diào)查，建立減排林區(qū)植被總蓋度與地下水埋深的關(guān)系(表2)。從表中可以看出，在減排林區(qū)內(nèi)，當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.5～4.0 m范圍內(nèi)時(shí)，樣方內(nèi)植被的總蓋度平均值達(dá)到最大值(53.8%)，表明地下水埋深在此范圍內(nèi)，植被的長勢較好。當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮?.5 m或大于4 m時(shí)，樣方內(nèi)植被的總蓋度平均值均變小，主要原因是地下水埋深過小，植物的生長會(huì)受到鹽脅迫;地下水埋深過大，植物的生長會(huì)受到水分脅迫，二者都不利于植物的生長。平均蓋度為53.8%的4個(gè)樣方對(duì)應(yīng)的地下水埋深分別為2.67，2.81，2.93，3.53 m;平均蓋度為47.5%的4個(gè)樣方對(duì)應(yīng)的地下水埋深分別為 4.06，4.37，4.64，4.69 m。說明減排林在此地下水埋深范圍內(nèi)，植被的長勢較好。

2.2.2 植被生長狀況與地下水埋深的關(guān)系 克拉瑪依減排林，降水稀少，其植被的生長狀況與地下水埋深密切相關(guān)。一般情況下，地下水埋深過淺，在蒸發(fā)作用下，溶解在地下水中的鹽分沿毛管上升水流在表土聚集，使土壤發(fā)生鹽漬化;地下水埋深過大，毛管上升水流不能到達(dá)植物根系層，使土壤干旱，發(fā)生荒漠化，二者均不利于植物生長[12]。

表2 地下水埋深與植被總蓋度關(guān)系

2009年8月，對(duì)減排林區(qū)內(nèi)不同水埋深的植被生長狀況進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查，包括植被的胸徑、蓋度、冠幅等。把林區(qū)內(nèi)植被的生長狀況劃分為4個(gè)等級(jí)。長勢良好:植被長勢很好，枝繁葉茂，少數(shù)樣方植被有輕微蟲害;長勢較好:植被生長狀況較好，大多數(shù)樣方植被有輕微蟲害;長勢一般:植株稀疏，蟲害較嚴(yán)重;長勢差:植株稀疏，蟲害嚴(yán)重，葉子脫落嚴(yán)重。并總結(jié)了減排林區(qū)內(nèi)4種主要代表性植物的生長狀況與地下水埋深的關(guān)系(表3)。

從表中可以看出，當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮?.3 m時(shí)，4種植物的長勢均一般，這與樊自立等人[12]的研究基本一致，即當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮? m時(shí)，地表蒸發(fā)強(qiáng)烈、土壤積鹽量高，不利于植物生長。當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.3～4.0 m范圍內(nèi)時(shí)，4種植物均長勢偏好。當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.0～6.0 m范圍內(nèi)時(shí)，4種植物輕微蟲害，長勢較好。當(dāng)?shù)叵滤裆钤?.0～8.0 m范圍內(nèi)時(shí)，地下水埋深較深，地下水難以被植物根系很好的利用，4種植物長勢一般。當(dāng)?shù)叵滤裆钤诖笥?.0 m時(shí)，地下水難以被植物根系吸收，4種植物均長勢很差，其植物植株稀少、蟲害嚴(yán)重、且葉子脫落嚴(yán)重。

從表2—3對(duì)減排林地下水埋深與植物生長狀況關(guān)系的分析結(jié)果可以看出，克拉瑪依減排林地下水合理生態(tài)水位為2.5～5.0 m。

表3 主要植被生長狀況與地下水埋深的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)減排林地下水埋深出現(xiàn)了規(guī)律性分布，從10#樣地到S20#樣地，地下水埋深變大。與2005年相比，2009年減排林區(qū)地下水的水位和礦化度呈減小趨勢。

(2)減排林地下水中的全鹽，Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-的變異系數(shù)屬強(qiáng)變異性，空間變化最明顯;HCO-3和K+屬中等變異性，且地下水中K+含量缺乏;地下水的pH值屬于弱變異性。

(3)通過建立減排林區(qū)主要植被的長勢與地下水埋深關(guān)系可以得出，克拉瑪依減排林地下水合理生態(tài)水位為2.5～5.0 m。

致謝 本研究的相關(guān)工作得到了張慧芝高級(jí)工程師、古麗尼莎高級(jí)工程師、徐德福副教授和李琪、郭靖、孔維財(cái)、呂妍、左成華等同志的幫助，在此表示衷心的感謝。

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