張曉,魏青軍,劉亮

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊　830091)

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環(huán)境地質(zhì)

吐魯番盆地地下水與植被的關(guān)系研究

張曉,魏青軍,劉亮

(新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊，新疆 烏魯木齊830091)

摘要：吐魯番盆地是我國西部極端干旱地區(qū)的一個山間盆地，氣候干旱、降雨稀少，荒漠生態(tài)典型，生態(tài)環(huán)境脆弱。文章從植被生長與土壤含水率、含鹽量、地下水礦化度、埋深等方面進行分析，得出吐魯番盆地艾丁湖周緣低濕地植被生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的合理生態(tài)水位為埋深2.5～3.5m?？偨Y(jié)了吐魯番盆地天然綠洲區(qū)的植被隨地下水變化的關(guān)系及其演替模式。

關(guān)鍵詞：地下水；土壤含水率；含鹽量；潛水礦化度；生態(tài)水位；吐魯番盆地

引文格式：張曉,魏青軍,劉亮.吐魯番盆地地下水與植被的關(guān)系研究[J].山東國土資源，2016,32(7)：42-48. ZHANG Xiao, WEI Qingjun, LIU Liang. Research on Relation between Groundwater and Vegetation in Turpan Basin[J].Shandong Land and Resources, 2016,32(7)：42-48.

0引言

吐魯番盆地處于我國西部的極端干旱地區(qū)，屬于天山山脈中的一個近于EW向延伸的山間盆地，北側(cè)為博格達山，南側(cè)是覺羅塔格山、庫魯克塔格，其西為喀拉烏成山。盆地的海拔低，其位于艾丁湖的最低點海拔-155m，是我國陸地的最低點，與北側(cè)的博格達峰和西側(cè)的天格爾峰相對高差分別達5600m和4717m。由于吐魯番盆地與博格達山和喀拉烏成山相對高差大，受焚風(fēng)效應(yīng)和盆地效應(yīng)的影響，導(dǎo)致了盆地現(xiàn)今的極端干旱氣候，年降雨量僅為10～26mm，而蒸發(fā)量卻高達3000mm。

受干熱氣候影響，盆地的荒漠地貌廣泛發(fā)育，在盆地的南、北側(cè)，沿博格達山和覺羅塔格山山前展布大面積的礫漠，它們是由洪積物發(fā)展而來；在盆地的中東部發(fā)育有庫木塔格沙漠；盆地中部的火焰山裸露中、新生代的紅色巖系，這里幾乎寸草不生；在艾丁湖周邊是鹽殼、鹽沼或泥漠。盆地內(nèi)部的植物主要沿溝谷、階地、河漫灘和洪積扇前緣發(fā)育，以及人工種植物。在盆地的邊緣地區(qū)——山地，生長有森林植被?？傮w而言，吐魯番盆地內(nèi)部的植被為干旱的稀樹、荒漠草原景觀[1]，生態(tài)環(huán)境相當脆弱。

吐魯番盆地處新疆自治區(qū)東疆地區(qū)的吐哈聚煤帶，2010年新疆地質(zhì)部門預(yù)測的煤炭資源超過了700億t，隨即自治區(qū)規(guī)劃了“疆煤東運”工程，為給該工程提供供水依據(jù)，開展了東疆煤炭基地地下水勘查項目，同期開展生態(tài)水文地質(zhì)工作，以確保建設(shè)開發(fā)用水與保護生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展*新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊張明江等，新疆東疆地區(qū)煤炭基地地下水勘查吐魯番-哈密盆地地下水勘查總體設(shè)計，2010年。。為此，從土壤含水率、含鹽量、地下水礦化度、埋深幾方面著手探索研究吐魯番盆地天然植被與地下水的關(guān)系。

1數(shù)據(jù)來源與方法

2011年9月，在吐魯番盆地天然植被區(qū)按照植被生長狀況和分布格局布置了301個植被調(diào)查點，主要調(diào)查植被的種類、長勢等；布置了48個植被與地下水關(guān)系調(diào)查點(在天然植被區(qū)施工探井)，主要調(diào)查優(yōu)勢植被的生長與地下水埋深、潛水礦化度、土壤含水率、土壤含鹽量的關(guān)系，總計采集了240組土壤含水率樣品、33組潛水礦化度樣品、357組土壤含鹽量樣品。

地下水位埋深用鋼卷尺在探井中直接量??；潛水礦化度樣品采集在揭露地下水位的探井中用容器直接采取，送水質(zhì)檢測單位進行水質(zhì)簡分析，取得礦化度數(shù)據(jù)；土壤含水率樣品采集自地表算起，按0.5m,1.0m,2.0m,3.0m,4.0m,5.0m的深度進行采取，直至揭露地下水位，樣品采集后按照土工試驗方法標準(GB/T50123—1999)進行測試并計算土壤含水率數(shù)據(jù)；土壤含鹽量樣品采集自地表算起，按0.00～0.05m,0.05～0.25m,0.25～0.50m,0.50～0.75m,0.75～1.00m,1.00～2.00m,2.00～3.00m的深度進行采取，樣品采集后按照土工試驗方法標準進行易溶鹽測試獲得土壤含鹽量數(shù)據(jù)。

2結(jié)果與分析

2.1土壤含水率

2.1.1土壤含水率特征

土壤含水率受地下水埋深影響極大，隨深度的增加，含水率也會增加，這是一般的規(guī)律。該次工作在盆地艾丁湖周緣及其地下水淺埋地段施工探井，采取土壤含水率(質(zhì)量百分比)樣品和易溶鹽樣品，測試后發(fā)現(xiàn)：隨深度的增加，土的含水率總體上呈現(xiàn)出增加的趨勢，土的含水率的遞增率隨深度增加呈逐漸減小趨勢(圖1)；而隨著地下水埋深的增加，土的含水率總體上呈現(xiàn)出遞減的趨勢(圖2)。

圖1　土壤平均含水率隨深度變化趨勢圖

圖2　不同深度土壤含水率與地下水位埋深關(guān)系趨勢圖(A：0.0～0.5m；B：0.5～1.0m；C：1.0～2.0m；D：2.0～3.0m)

根據(jù)取樣測試結(jié)果，在5m深度范圍內(nèi)，土壤含水率為9.97%～20.10%；不同深度的平均含水率為2.49%～27.27%(表1)。在0.5m時，平均含水率為9.97%；在1.0m時，平均含水率為13.10%；在2.0m時，平均含水率為15.25%；在3.0m時，平均含水率為17.73%；在4.0m時，平均含水率為20.10%；在5.0m時，平均含水率為18.06%?？傊?，土壤含水率在一定深度內(nèi)受地下水位埋深的控制作用明顯，距離水面近，含水率自然會高，反之亦然。

表1　不同深度土壤含水率

2.1.2土壤含水率與NDVI值

天然植被的生長與土壤水關(guān)系非常密切，土壤含水率是限制植物生長發(fā)育的重要生態(tài)因子，植物群落的生長發(fā)育及其適宜生產(chǎn)力是由土壤資源中的土壤水分供給狀況來決定[2-3]。

該次調(diào)查雖然數(shù)據(jù)點較少，但是還是發(fā)現(xiàn)植被生長與土壤含水率的關(guān)系呈線性相關(guān)的趨勢(圖3,NDVI(歸一化植被指數(shù),NDVI值采用NASA對全球免費發(fā)布的MODIS數(shù)據(jù)中的MOD13(陸地二級標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品)，該數(shù)據(jù)內(nèi)容為柵格化的歸一化植被指數(shù)(NDVI)和增強型植被指數(shù)(EVI)，空間分辨率為250m)其值的大小代表植被發(fā)育或覆蓋度的好壞)。從圖3中可以看出：大多數(shù)天然植被生長在10%～30%之間的含水率區(qū)間，這與吐魯番盆地極端干旱生境的耐旱物種的分布是非常適應(yīng)的。盆地內(nèi)分布的植物種類，諸如檉柳、梭梭、駱駝刺、刺山柑、蘆葦都是耐旱的優(yōu)勢物種。

據(jù)該次調(diào)查的結(jié)果，考慮氣候干旱以及日照、降雨影響的深度范圍，以1.0～2.0m深度的土的含水率為例說明這些植物生長的土壤含水率范圍，檉柳的范圍是9.5%～27.70%、梭梭的范圍是3.4%～24.8%、駱駝刺的范圍是0.87%～27.12%、刺山柑的范圍是1.73%～17.85%、蘆葦?shù)姆秶?.45%～36.45%。雖然這些植物較為耐旱，但是維系其正常生長，不至于永久凋萎，還是需要穩(wěn)定的水分供應(yīng)，這在干旱區(qū)，就不得不依靠地下水來維系。

2．2土壤含鹽量

2.2.1土壤鹽分特征

吐魯番盆地的土壤含鹽量,通過采樣測試,土的pH值平均值為7.32，根據(jù)酸堿分級標準，呈弱堿性。0.00～0.05m土層含鹽量平均值為16.07%，0.05～0.25m土層含鹽量平均值為10.04%，0.25～0.50m土層含鹽量平均值為5.02%，0.50～0.75m土層含鹽量平均值為4.79%，0.75～1.00m土層含鹽量平均值為4.46%，總體上呈T型分布[4]。0.00～0.05m>0.05～0.25m>0.25～0.50m>0.50～0.75m>0.75～1.00m(由于鹽分在1.00m以下變化微小，在此不再贅述)，說明鹽分在蒸發(fā)作用下表聚現(xiàn)象明顯，而隨著深度的增加，鹽分直接受土壤的毛細作用和潛水礦化度控制。

圖4　不同深度土的含鹽量與NDVI值散點圖(A：0.25～0.50m；B：0.75～1.00m；C：1.00～2.00m；D：2.00～3.00m)

2.2.2土壤鹽分與NDVI值

土壤鹽分的分布直接控制了植物根系的生長范圍，從圖4(A)中可以看出，表層0.25～0.50m深度，含鹽量低于2.0%，NDVI值范圍較寬，NDVI值可達0.7，含鹽量高于2.0%，植被生長明顯受到抑制，而高于7.0%，植被幾乎不發(fā)育；0.75～1.00m 深度(B)，土壤鹽分的高低與植被生長還保持著表層的特征，但是到了1.00～2.00m(C),2.00～3.00m(D)，可以看出植被生長與一定深度的含鹽量有密切的關(guān)系。

2.3潛水礦化度與NDVI

盆地處于干旱地區(qū)，土壤鹽漬化現(xiàn)象很嚴重，鹽漬化的輕重程度決定了植物可否存活，而鹽漬化與地下水及其礦化度有著千絲萬縷的聯(lián)系。為此，需要研究潛水礦化度與植被生長的關(guān)系。

采用NDVI(歸一化植被指數(shù))與潛水礦化度的關(guān)系來研究植被與其的關(guān)系，顯得較為便利，可以從宏觀上說明潛水礦化度對植被生長影響(圖5)，盆地內(nèi)的天然植被區(qū)隨著潛水礦化度的增加，植被指數(shù)NDVI值也隨著降低，說明植被生長狀況越來越差。

圖5　NDVI值與潛水礦化度散點圖

(1)潛水礦化度小于2600mg/L時，干旱區(qū)的各種類型植物長勢均較好，植物群落呈隨機狀分布，植被覆蓋度較高，NDVI值最高可達0.7。這一范圍所見植物種類較多，調(diào)查中的大部分植被種類均可見到，主要有梭梭、檉柳、蘆葦、駱駝刺、鹽爪爪、鹽節(jié)木、香蒲、花花柴、異果霸王等。

(2)潛水礦化度大于2600mg/L，小于19000mg/L時，植物種類大為減少，植物群落呈簇狀、零星狀分布，植被覆蓋度較低，一般在0.4以下。這一范圍，所見的植物種類主要是鹽柴類灌木和喜水耐鹽堿的物種，主要有梭梭、檉柳、鹽節(jié)木、鹽爪爪、鹽穗木、蘆葦?shù)取?/p>

(3)潛水礦化度大于19000mg/L時，植物種類稀少，多是一些耐干旱而依靠降雨、洪水等生長的短命植物或生長于湖相沉積層中的粘土透鏡體中的耐鹽堿物種，呈零星狀生長，長勢很差。

此外，在調(diào)查盆地南部的硝爾布拉克溝谷時，發(fā)現(xiàn)地下水礦化度在8000mg/L時，蘆葦長勢良好，高度可達到3m以上；隨著礦化度的增高到12000mg/L時，蘆葦?shù)拈L勢就大大變差，枝干細弱，高度也降到0.4m以下；而到17000mg/L時，蘆葦已經(jīng)消失，僅見一些殘枝敗葉。

2.4地下水位埋深

2.4.1地下水位埋深與NDVI值

在干旱地區(qū)，地下水埋深與植被生長被認為有著很好的關(guān)聯(lián)關(guān)系[5]。在吐魯番盆地，雖然數(shù)據(jù)量較少，但是已經(jīng)得到了很好的體現(xiàn)。為驗證地下水位埋深與植被生長的關(guān)系，應(yīng)用NDVI值來衡量這一關(guān)系，是非常簡便的方法(圖6)。從圖中可以看出：隨著地下水位埋深的增加，NDVI值也隨著下降，植被的生長狀況也隨著逐漸變差。

2.4.2地下水埋深與植被生長

盆地內(nèi)植被的分布格局對地下水埋深有著一定的響應(yīng)關(guān)系(圖7、圖8)，地下水水位埋深小于2.0m條件下，低濕地植被占比大于70%，水位埋深在2.0m以內(nèi)變化時,會出現(xiàn)低濕地植被群系的演替,但仍會保持低濕地植被的格局。水位埋深大于2.0m后，會出現(xiàn)低濕地的萎縮與低濕地植被的退化。因此，2.0m的水位埋深界線可稱為低濕地植被退化的警戒水位。水位埋深介于2.0～3.5m時，屬低濕地植被區(qū)與耐旱、耐鹽植被的過渡地帶，隨水位埋深的增加，低濕地植被比重漸次降低，耐旱、耐鹽的地帶性植被比重增加，并出現(xiàn)中生植被。水位埋深大于2.5m后，會出現(xiàn)低濕地植被的漸次消失，因此2.5m的水位埋深界線可稱為低濕地植被消失的警戒水位。水位埋深大于2.5m時，低濕地植被將消失，與地下水埋深關(guān)系不是很密切的耐旱、耐鹽植被是非敏感區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢植被，耐旱、耐鹽的地帶性植被比重也會隨水位埋深增加而增大[6]。

2.5植被分布格局

通過植被調(diào)查發(fā)現(xiàn)：在吐魯番盆地，隨地下水埋深的增加，植物群落由灌木-草本群落組成逐漸演替為單一的草本群落。從植被發(fā)育演替的規(guī)律看，吐魯番盆地的植被群落有3種模式：

圖6　NDVI值與地下水位埋深變化趨勢圖

圖7　地下水埋深與植被類型分布圖

圖8　地下水埋深與植被分布百分比堆積圖

(1)在沖洪積扇的頂部、中上部，地層巖性多為砂礫石，地下水埋藏深度大于30m，土壤含水量依靠洪水和降雨貢獻。在這一地段，植被多為耐旱物種，從生長多種植被(梭梭、檉柳、鹽穗木、花花柴、刺山柑、翼果霸王等)演替為生長花花柴、刺山柑、翼果霸王的演替模式。

(2)在沖洪積扇的中下部，地層巖性多為砂、粉土，地下水埋藏深度在30～10m之間，土壤含水量依靠降雨和少量地下水貢獻。在這一地段，植被多為耐旱、耐鹽堿物種，從生長蘆葦、駱駝刺、白刺的生物群落演替為生長單一駱駝刺的演替模式。

(3)在沖洪積扇的下部以至艾丁湖干湖區(qū)，地層巖性多為粉土、粘土、粉砂，地下水埋藏深度小于10m地區(qū)，土壤含水量主要依靠地下水貢獻。在這一地段，植被多為耐鹽堿物種，從生長蘆葦、鹽穗木、檉柳演替為只生長鹽穗木或檉柳的演替模式[7]。

3結(jié)論

(1)干旱荒漠區(qū)植物生存的主要水源就是地下水，地下水的埋深將會控制植被所賴以生存的土壤的含水率以及含鹽量，最終使土壤含水率和含鹽量共同控制了植被群落的發(fā)育特征[8]，①在含水率高、含鹽量低的農(nóng)田邊緣的植被生態(tài)區(qū)，植被種類相對多樣；②在含水率低、含鹽量低的荒漠植被生態(tài)區(qū)，單一物種的駱駝刺則成為絕對的優(yōu)勢物種；③在含水率高、含鹽量高的荒漠植被生態(tài)區(qū)，超鹽生的鹽穗木、鹽生—超鹽生的細穗檉柳則成為優(yōu)勢物種；④在含水率高、含鹽量極高的荒漠區(qū)，植被幾乎不發(fā)育，僅在粘土透鏡體發(fā)育區(qū)存在零星發(fā)育的超鹽生的檉柳(筆者認為植被生長所需的水估計與粘性土的超濾作用有關(guān))。從上述土壤含水率、含鹽量、潛水的礦化度與NDVI值的變化趨勢就不難得出結(jié)論。

(2)地下水與天然植被之間有著復(fù)雜的關(guān)系，它涉及地下水、土壤、植被等相互之間的動態(tài)平衡，而干旱區(qū)生物過程微弱，生態(tài)系統(tǒng)規(guī)模小、穩(wěn)定性低、地下水的變化會直接影響天然植被的生長發(fā)育，進而與脆弱生態(tài)環(huán)境的保育有著十分密切的關(guān)系，控制合理的地下水位是維系干旱區(qū)植被生態(tài)的根本措施。經(jīng)過調(diào)查確定吐魯番盆地合理的生態(tài)水位是2.5～3.5m(地下水位埋深)，梭梭、檉柳、駱駝刺、蘆葦、鹽穗木等這些吐魯番盆地的優(yōu)勢物種可以正常生長發(fā)育。在控制目前地下水位不變的條件下，保證每年的入湖水量是非常重要的。

(3)從植被生長與不同深度土壤的含鹽量的趨勢圖可以看出當深度達到2.0m以深，植被生長與含鹽量的關(guān)系不再密切，而數(shù)據(jù)點也相當分散，說明隨著深度的增加，植被生長與含鹽量的關(guān)系逐漸淡化，說明土壤含鹽量對植被的控制隨著深度的增加，控制作用逐漸減弱，而表層1.0m深度范圍的含鹽量對植被的控制作用非常明顯，這可能也是鹽漬化治理的關(guān)鍵——有效降低表層土壤的含鹽量才能種植農(nóng)作物[9]。

(4)多年來，艾丁湖水影響著周邊的植被生態(tài)，但隨著湖水的干涸，地下水成為影響湖周生態(tài)的重要因素。入湖水量則是對艾丁湖周緣植被生長的補給水源，隨著人類活動的加強，入湖水量越來越少，往往都集中在植物需水量最小的冬季，年復(fù)一年，湖周的植被生態(tài)在物競天擇的自然規(guī)律下，不斷地因為缺水而演替、退化。艾丁湖周的植被生態(tài)是多年演替-演化的結(jié)果，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，一旦遭到破壞，很難恢復(fù)。從目前的生態(tài)水文地質(zhì)條件來看，控制合理的地下水水位是維持與保護植被生態(tài)的關(guān)鍵。經(jīng)過測算，維系艾丁湖400km2的植被生態(tài)，從植被蒸發(fā)蒸騰的量來估計，每年需要0.8～1.5×108m3的水量進入艾丁湖區(qū)。

總的來說，若采取一定措施，如上游地區(qū)節(jié)約用水，增加下游的入湖水量；合理用水，減少水源損失；限制水庫明渠發(fā)展，減少水源蒸滲損失；嚴禁亂砍亂挖固沙植物，杜絕亂挖駱駝刺、沙棗樹等防風(fēng)植物等現(xiàn)象，艾丁湖周圍地區(qū)的植被生態(tài)環(huán)境在若干年后會有所好轉(zhuǎn)。當然，這是一項長期而且艱巨的任務(wù)。

(5)該文是在水文地質(zhì)的角度下通過宏觀指標研究吐魯番盆地天然植被與土壤含水率、含鹽量、地下水埋深、潛水礦化度等的關(guān)系分析，并綜合繪制地下水埋深與植被類型分布圖、植被分布百分比堆積圖的基礎(chǔ)上得出的結(jié)論，在實踐中操作方便，能快速確定一個地區(qū)的優(yōu)勢植被與地下水的關(guān)系及其演替模式，對于干旱區(qū)植被生態(tài)環(huán)境建設(shè)有一定的指導(dǎo)意義，尤其是對一些亟待快速恢復(fù)植被生態(tài)的地區(qū)。

致謝：該文在撰寫過程中得到了西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所黃金廷副研究員，中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)孫強教授的指導(dǎo)，在此表示誠摯的感謝。

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收稿日期：2015-12-23；

修訂日期：2016-01-20；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

基金項目：新疆自治區(qū)人民政府與國土資源部合作“三五八”項目(項目編號：2010005)

作者簡介：張曉(1984—),女,陜西商南人,工程師,主要從事水工環(huán)地質(zhì)相關(guān)領(lǐng)域的勘查工作；E-mail:372167048@qq.com

中圖分類號：X171.1

文獻標識碼：B

Research on Relation between Groundwater and Vegetation in Turpan Basin

ZHANG Xiao, WEI Qingjun, LIU Liang

(No.1 Hydrogeology and Engineering Geology Exploration Team of Xinjiang Geology and Mineral Bureau, Xinjiang Urumqi 830091, China)

Abstract:Turpan basin is an extremely arid mountain basin of western China. It has the characteristics of dry climate, scarce rainfall, typical desert ecosystem and weak ecological environment. In this paper, from aspects of the relation between the growth of vegetation, soil moisture, soil salinity, groundwater salinity and depth, it is concluded that reasonable ecological water level of peripheral ecological sustainable development in Aydin Lake of Turpan basin is 2.5～3.5m. The relation and changes of vegetation succession model in Turpan basin with groundwater have been summarized.

Key words:Groundwater; soil moisture; salt content; diving salinity; ecological water level; Turpan basin