朱永華, 張 生, 孫 標(biāo), 趙勝男, 張 穎, 劉志強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木建筑工程學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特010018;2.呼和浩特環(huán)境科學(xué)研究所, 內(nèi)蒙古 呼和浩特010018; 3.通遼市水利規(guī)劃設(shè)計研究院, 內(nèi)蒙古 通遼市 028000)

西遼河流域農(nóng)牧交錯帶主要分布于中國“三北”地區(qū)，是空間上農(nóng)牧并存，時間上農(nóng)牧交替的廣闊地帶。其復(fù)雜的自然與人為因素，形成了區(qū)域降水—入滲—蒸發(fā)的水文循環(huán)過程，地表水資源匱乏，地下水超采嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境十分脆弱[1]；由于不斷增強(qiáng)的人類作用，地下水水位快速下降和植被退化現(xiàn)象不斷加劇，逐漸成為制約當(dāng)?shù)乜沙掷m(xù)發(fā)展最嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[2-3]。植被退化的本質(zhì)是生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)過程的改變以及生態(tài)系統(tǒng)功能的喪失。在諸多植被分布和演替的限制環(huán)境因子中，水分是主要的因素之一，而地下水埋深和土壤理化特征必然對于土壤水分具有重要影響作用[4]。所以地下水和植被及土壤相關(guān)關(guān)系的研究逐漸成為生態(tài)水文學(xué)研究熱點和重點[5-7]。

圍繞地下水與植被的關(guān)系，國外研究較多的是地下水對植物群落構(gòu)成的影響[8]、植被形態(tài)特征與地下水埋深的響應(yīng)關(guān)系[9]等方面；國內(nèi)研究較多的是地下水水質(zhì)對植被土壤的影響以及植被生產(chǎn)力、植被恢復(fù)等與地下水的相關(guān)關(guān)系。對于西遼河流域通遼平原區(qū)，研究主要圍繞生態(tài)水位、適宜水位，生態(tài)警戒水位和鹽漬臨界深度與植被的關(guān)系[10]等方面。研究大多聚焦楊樹、榆樹和小葉錦雞等喬灌木與地下水之間的關(guān)系[11]，然而針對大流域宏觀的下層草本植被與地下水埋深之間關(guān)系的研究還很有限。例如，一些模型[12]確定下邊界條件時，往往定性地認(rèn)為根部長度為下邊界值，有待進(jìn)一步明確。

受環(huán)境和人類活動等因素控制的土壤粒度特征作為土壤理化性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，可用于揭示土壤中物質(zhì)的遷移狀況，并在生態(tài)環(huán)境的研究中得到了廣泛應(yīng)用[13-15]。許多研究結(jié)果已表明，受土地利用方式[15]、放牧強(qiáng)度和地表覆蓋度等[16]多因素的共同影響，土壤細(xì)顆粒物質(zhì)被逐步分移出去，從而導(dǎo)致出現(xiàn)粗粒化現(xiàn)象及土壤顆粒粒度分布發(fā)生變化。近幾年，土壤顆粒分形特征被廣泛地應(yīng)用到土壤粒度特征拓展研究方面，其不但能夠表征土壤理化特征，還能較好地表征土壤特性空間變異等[17]。因此，基于土壤顆粒機(jī)械組成數(shù)據(jù)，運用分形維數(shù)方法，能夠有效揭示土壤理化特征變化。

然而，以往的研究很少在地下水埋深變化的條件下，綜合考慮地下水—植被—土壤間的響應(yīng)關(guān)系，無法充分認(rèn)知不同地下水埋深條件下，草原區(qū)植被特征與土壤物理特性的協(xié)同關(guān)系及其變異規(guī)律。為此，本研究以西遼河流域通遼平原區(qū)為研究對象，在摸清其草本植被概況的基礎(chǔ)上，基于實測資料，運用時空替代和土壤單重分形等方法，嘗試將地下水埋深值，即包氣帶厚度作為研究條件，對應(yīng)分析地下水位埋深與植物及土壤地表特征的相關(guān)關(guān)系，以期為草原生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西遼河流域通遼平原區(qū)是內(nèi)蒙古交錯帶的重要組成部分，地處120°～124°E，42°～45°N之間，總面積約為3.30×104km2，其中草地面積多達(dá)1.40×104km2。氣候上呈暖溫帶半濕潤氣候向中溫帶半干旱氣候過渡，年降雨量變化在350—450 mm之間，且時空分布不均，呈西北向東南增加趨勢，時間上80%的降水出現(xiàn)在6—9月[18]；年平均蒸發(fā)量為1 817.4 mm(20 cm蒸發(fā)皿實測值)；研究區(qū)屬西遼河水系，主要支流包括老哈河、西拉木倫河、烏力吉木仁河、教來河、新開河等，但多數(shù)河流已經(jīng)呈常年斷流狀態(tài)；土壤類型主要為潮土、風(fēng)沙土和沙質(zhì)栗鈣土，分別為27.48%，38.25%和22.16%；沙丘、沙地、丘間低地和甸子地共同構(gòu)成研究區(qū)主要地貌類型。植被的斑塊化分布和空間異質(zhì)性較強(qiáng)，草本植被以羊草(Leymuschinensis)、三穗薹草(Carextristachya)、狗尾草(Setariaviridis)、冷蒿(Artemisiafrigida)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、早熟禾(Poaannua)和虎尾草(Chlorisvirgata)等為優(yōu)勢種。

1.2 樣地選擇及采樣

補(bǔ)給水源作為植被演替的驅(qū)動因素，尤其是地下水對植被的補(bǔ)給作用的變化，將研究區(qū)演替的植被群落分為：受降水和地下水共同補(bǔ)給的非地帶性草甸植被和僅受降雨補(bǔ)給的地帶性草原植被。本文采用空間代替時間的方法，結(jié)合上述植被分類，基于研究區(qū)土壤類型分布，于2017年的7月、8月，在西遼河流域通遼平原區(qū)范圍內(nèi)，借助平原區(qū)遙感影像中草地利用類型分布圖，以典型草本植物群落為調(diào)查采樣點，隨機(jī)布設(shè)50 m×50 m采樣點79個。在每個樣地內(nèi)，隨機(jī)設(shè)置3個1.0 m×1.0 m的植被樣方，用于調(diào)查與測定植被地表特征，諸如株數(shù)、蓋度和生物量等指標(biāo)。同時在每個樣方中，用土鉆(規(guī)格：L為1 m，d為10 cm)鉆取地表土壤0—10 cm處的樣品，分別裝入網(wǎng)袋帶回實驗室測量土壤理化性質(zhì)指標(biāo)，共計237份土樣。與此同時，利用土鉆測量每個采樣點的地下水埋深數(shù)據(jù)。

1.3 樣品測定

(1) 土壤養(yǎng)分測定。土壤有機(jī)碳(SOC)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定(NY/T85-1988)；土壤全氮(TN)含量采用半微量凱氏定氮法測定(NY/T83-1987)；土壤全磷(TP)含量采用鉬銻抗比色法測定(NY/T88-1988)。

(2) 土壤粒徑的測定。取風(fēng)干土樣放入Mastersizer3 000激光衍射粒度分析儀(重復(fù)性誤差≤±0.5%，準(zhǔn)確性誤差≤±1.0%)取樣槽中，測定土壤粒徑的體積百分比。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部(USAD)制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)劃分土壤質(zhì)地:極粗砂粒(1 000～2 000 μm)、粗砂粒(500～1 000 μm)，中砂粒(250～500 μm)、細(xì)砂粒(100～250 μm)、極細(xì)砂粒(50～100 μm)、粉粒(2～50 μm)和黏粒(<2 μm)。

1.4 物種多樣性分析

選取植被豐富度指數(shù)、群落種類多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和Hill多樣性指數(shù)作為反映物種多樣性變化指標(biāo)，公式如下：

Margalef豐富度指數(shù)：

D=(S-1)/lnN

(1)

Shannon群落種類多樣性指數(shù)：

(2)

Alatalo均勻度指數(shù)：

(3)

Hill多樣性指數(shù)：

(4)

式中：D——多樣性指數(shù)；S——樣方中物種總數(shù)；N——樣方中全部種的株數(shù)；P——植被密度；i——第i種植被；r——調(diào)查樣方個數(shù)；Na——物種相對豐度Pi在可變參數(shù)為a(相應(yīng)權(quán)重)時的Hill多樣性指數(shù)，可變參數(shù)a≥0，≠1，且規(guī)定a=0時，Na=S，S——樣方內(nèi)的物種數(shù)；a=1時，Na=eD，D——Shannon-Wiener多樣性指數(shù)；a=2時，Na=1/D，D——Simpson多樣性指數(shù)；且隨著a的增大，Hill多樣性指數(shù)的值受低豐度物種的影響逐漸減小，豐度高的物種對群落多樣性的貢獻(xiàn)率占主導(dǎo)地位。

1.5 土壤參數(shù)分析

(1) 表征土壤粒級組成和質(zhì)地信息的函數(shù)土壤顆粒體積分形維數(shù)(Dv)，其分形維數(shù)的表達(dá)式為

lg〔V(r

(5)

式中：Ri——兩篩分粒級間粒徑的平均值；Rmax——最大粒級土粒的平均直徑；V(r

(2) 土壤粒度參數(shù)計算。

①粒徑(φ)，其公式為：

φ=-log2d

(6)

式中：d——顆粒直徑(mm)。

②平均粒徑(d0)，其公式為：

(7)

(3) 表征土壤顆粒分布的離散程度，其值越小表示土壤顆粒分布越集中，顆粒分選性越好的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ0)，按照標(biāo)準(zhǔn)偏差σ0取值大小一般劃分為7個分選級別：σ0<0.35，分選性極好；0.35<σ0≤0.50，分選性好；0.50<σ0≤0.71，分選較性好；0.71<σ0≤1.00，分選性中等；1.00<σ0≤2.00，分選性較差；2.00<σ0≤4.00，分選性差；σ0>4.00，分選性極差。其公式為:

(8)

(4) 表征樣品粒度分布集中狀態(tài)指標(biāo)峰態(tài)(Kg)，其取值范圍劃分為6個峰態(tài)等級：Kg≤0.67，很寬平；0.673.00，極尖窄。其公式為：

Kg=(φ95-φ5)/2.44(φ75-φ25)

(9)

(5) 表征土壤顆粒粒度頻率曲線的對稱性的指標(biāo)偏度(SK)，其劃分為5個等級：-1.0≤SK<-0.3，極負(fù)偏；-0.3≤SK<-0.1，負(fù)偏；-0.1≤SK<0.1，近于對稱；0.1≤SK<0.3，正偏；0.3≤SK<1.0極正偏。其公式為：

(10)

(6) 表征各樣地土壤粒度累積頻率間平均距離(D)，其公式為：

(11)

式中：P——某一樣地土壤的粒度累積頻率；(k-1)——自由度；k=5。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007，SPSS 19.0和Origin 9.1等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被特征變化分析

2.1.1 植被地表特征 由表1可知，隨著植被演替過程的發(fā)生，樣方中植被優(yōu)勢種從羊草、苔草和隱子草逐漸演變到以早熟禾、虎尾草和灰綠藜為優(yōu)勢種的草地類型，呈現(xiàn)出溫帶草甸草原和典型草原在自然狀態(tài)之下的一種演替形態(tài)。說明隨著補(bǔ)給水分(特別是地下水)條件的變化，研究區(qū)植被群落演替表現(xiàn)為非地帶性草甸植被向地帶性典型草原植被的演替過程。

不同地下水埋深條件下，草地地上群落生物量及植被蓋度變化顯著。隨著水分補(bǔ)給情況的變化，生物量和蓋度呈顯著先升高后降低的趨勢。生物量和蓋度在地下水埋深2—3 m處出現(xiàn)峰值。經(jīng)調(diào)查，在地下水埋深0—1 m處，出現(xiàn)的植物種為13種，主要包含隱子草群落；在地下水埋深1—2 m處，出現(xiàn)的植物種為20種，主要有羊草、隱子草和寸草苔等群落；隨著地下水埋深的不斷增加，多年生的羊草、隱子草等優(yōu)勢建群種不再出現(xiàn)，種群植被數(shù)量略有下降，具有指示草地退化的一年生早熟禾、虎尾草等群落開始出現(xiàn)，一年生的植被在樣方中所占比重逐漸增大。

表1 通遼平原區(qū)不同地下水埋深條件下草地植被狀況

注：n為樣點數(shù)。

2.1.2 植被多樣性變化特征 在植被演替過程中，水分補(bǔ)給條件對研究區(qū)草原植物群落多樣性、均勻度及豐富度等指數(shù)影響較大。香濃指數(shù)、均勻度指數(shù)和豐富度指數(shù)是表述物種多樣性最常用的指數(shù)[19]。由表2可知，隨著草地地下水埋深的增加，植被的多樣性、優(yōu)勢度指數(shù)及均勻度指數(shù)均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。說明當(dāng)草地地下水埋深為2—3 m時，物種的多樣性呈最大值，群落組成最為復(fù)雜，且穩(wěn)定性最高。而植被地下水埋深在0—1 m時，多種植被多樣性指數(shù)反而處于低水平，說明地下水埋深較低會造成群落組成單一、穩(wěn)定性降低。以地下水埋深2—3 m為界限區(qū)間，物種多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)以及均勻度指數(shù)出現(xiàn)中間高、兩邊低的趨勢。與此同時。在地下水埋深>4 m處，植被多樣性指數(shù)略有回升，說明植被類型已經(jīng)演替到另一類型。通過分析研究區(qū)物種多樣性指數(shù)與地下水埋深的關(guān)系，揭示了隨著地下水埋深梯度的增加，物種多樣性呈波動式變化，兩者具有密切關(guān)系。

表2 通遼平原區(qū)不同地下水埋深條件下草地多樣性指數(shù)

大部分學(xué)者[20]基于3種指數(shù)對植被與氣候、地下水與土壤水等進(jìn)行了研究。但由于這些指數(shù)都是基于一定樣方內(nèi)單一的指標(biāo)計算得出，其之間的相關(guān)性顯著，因此對于揭示植被與各個環(huán)境因子的內(nèi)在規(guī)律具有一定的限制性。為了更加客觀的揭示地下水埋深與植被多樣性之間的關(guān)系，本文選取了具有可變參數(shù)的Hill多樣性指數(shù)進(jìn)行研究。通過野外調(diào)查和室內(nèi)數(shù)據(jù)整理，分析不同地下水埋深相對應(yīng)調(diào)查點的Hill多樣性指數(shù)分布情況(詳見圖1)。

圖1 通遼平原區(qū)不同參數(shù)條件下草地Hill多樣性指數(shù)

隨著參數(shù)的增大，各埋深梯度上的多樣性指數(shù)整體呈下降趨勢。各個埋深處多樣性指數(shù)變化趨勢大體相同，降低幅度隨著參數(shù)的增大逐漸減小，多樣性指標(biāo)值大小順序為2—3 m>1—2 m>0—1 m>(>4 m)>3—4 m；這也從另一方向證明了表2的結(jié)論，該區(qū)域植被地下水埋深值并不是越小越好，地下水水位過高反而會減低群落的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由地下水埋深2～3 m處的多樣性指數(shù)可知，在這范圍內(nèi)，物種分布均勻，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且多種多樣性指數(shù)均為最大值。

2.2 不同地下水埋深條件下土壤粒度組成及理化特征

由表3不同地下水埋深條件下土壤理化特征可知，本研究不同地下水埋深條件的土壤粒度組成均表現(xiàn)為以黏粒、粉粒和極細(xì)粒為主，粉粒平均體積百分含量分別為81.42%，61.83%，84.78%，62.77%和52.03%。對顆粒組成進(jìn)一步分析，地下水埋深2—3 m處粉粒平均含量呈最大值，隨著地下水埋深的升高，粉粒含量呈下降趨勢，大于4 m處的粉粒平均含量最低。黏粒平均百分含量除在0—1 m地下水埋深處較高外，其余樣地黏粒平均百分含量均在10%以下；各樣地表層粗砂和極粗砂含量為0，極細(xì)粒、細(xì)沙和中砂含量隨著地下水埋深的增加呈先減少后增加趨勢，地下水埋深2—3 m處為拐點。以上結(jié)果表明研究區(qū)土壤顆粒隨著地下水埋深的增加呈先變細(xì)后變粗的趨勢。再通過對土壤化學(xué)特征分析可知，土壤氮、磷和碳含量在地下水埋深0—2 m處均呈波動變化，在3 m以上處呈遞減趨勢，且在0—1 m處呈最大值。

表3 通遼平原區(qū)不同地下水埋深條件下草地土壤參數(shù)

2.3 不同地下水埋深條件下土壤粒度參數(shù)

由表4可知，本研究區(qū)不同地下水埋深條件下的樣地土壤平均粒徑數(shù)值分別為4.12，3.07，2.99，4.81，4.22 μm。由此可知，地下水埋深3—4 m處的樣地土壤平均粒徑最大，其次為在>4 m，0—1 m和1—2 m處的樣地，最小值出現(xiàn)在2—3 m處。這表明伴隨著植被對地下水補(bǔ)給的需求不同，造成地表植被特征發(fā)生變化的同時，土壤的平均粒徑也呈現(xiàn)不斷粗化的趨勢。標(biāo)準(zhǔn)偏差大小順序依次為(>4 m)>1—2 m>3—4 m>0—1 m>2—3 m，其分選級別分別為較差、差、較差、較差和差。偏度等級分別為近于對稱、近于對稱、近于對稱、負(fù)偏和負(fù)偏。除3 m以下處外，其余樣地表土頻率曲線形態(tài)不對稱，樣地波峰偏向粗粒度一側(cè)，細(xì)粒一側(cè)有一低的尾部，顆粒以粗組分為主，其中地下水埋深3—4 m處土壤顆粒組成較>4 m處草地更粗，顆粒組成以粉粒為主，僅含有少量黏粒，土壤顆粒分布較不對稱，總體偏向于粗顆粒的一側(cè)，人為擾動對土壤粗化作用明顯。各種樣地峰態(tài)均屬很尖窄，地下水埋深1—2 m和3—4 m處的樣地土壤顆粒分布較其他樣地集中。由表3可知，各樣地中粉粒為優(yōu)勢顆粒，這與其偏度為近于對稱(數(shù)值均為近于0的負(fù)數(shù))一致。這表明顆粒組成向細(xì)粒物質(zhì)集中，而地下水埋深3 m以上處表現(xiàn)為向粗顆粒集中，極細(xì)砂和細(xì)砂含量增多，其偏度也表現(xiàn)為負(fù)偏。由于土壤分形維數(shù)數(shù)值大小與黏粒、粉粒等細(xì)顆粒含量呈正相關(guān)，與礫石、極粗沙等粗顆粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[21]，研究區(qū)不同地下水埋深條件下的土壤分形維數(shù)變化不大，但地下水埋深0—1 m和3—4 m處分形維數(shù)呈最小值，2—3 m處其值最大，這也與表3中各種樣地顆粒組成粗細(xì)情況一致。

表4 不同地下水埋深條件下草地土壤顆粒參數(shù)

2.4 不同地下水埋深條件下土壤顆粒頻率分布曲線

土壤顆粒累計頻率分布曲線常用于分析土壤顆粒的分布情況，不僅可定性地獲取偏度、峰度等信息，還可以從曲線的陡峻屬性判斷顆粒顆粒分布均勻情況[21]。分別以不同地下水埋深條件樣地的表層土壤粒徑累計頻率及不同樣地間的平均距離值繪制分布曲線(圖2)，可以看出不同樣地粒徑分布存在差異，樣地地下水埋深2—3 m處的土壤顆粒分布均勻程度表現(xiàn)最好，且顆粒組成較細(xì)。地下水埋深0—2 m和>4 m處的表土累積分布曲線介于埋深2—3 m和3—4 m之間。地下水埋深3—4 m處土壤顆粒分布開始時變化較快，但約在45 μm后開始變緩，并緩慢升高，說明顆粒多集中在大于45 μm范圍以外，結(jié)合表1和表3中數(shù)據(jù)，可知其顆粒分選性相對于其他草地呈最差，顆粒均較粗且分選性差，這也印證了該處地下水埋深對植被影響較大時，對土壤顆粒結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生一定影響。

土壤粒度累積頻率間平均距離反映了樣地間顆粒差異情況，本研究中不同樣地土壤粒度累積頻率間平均距離最大值出現(xiàn)在30 μm處左右。這不僅說明研究區(qū)土壤整體差異在30 μm時較大，而且也證實其為研究區(qū)易風(fēng)蝕顆粒為粉粒。由圖2的柱狀圖可知，樣地中土壤小于1 mm粒度組分總體上隨著地下水埋深增加而降低，與此同時，2—3 m處的粗顆粒(表層>1 mm)逐漸增多。這說明隨著地下水補(bǔ)給條件的變化，地表植被發(fā)生演變，土壤顆粒也隨之發(fā)生轉(zhuǎn)變。

圖2 不同地下水埋深條件下土壤顆粒頻率分布

3 討 論

草地植被特征在地下水埋深變化過程中表現(xiàn)最直觀和敏感，不僅是地下水變化的一種重要指征，也是草地生態(tài)系統(tǒng)功能改變的主要測度。本研究中，隨著草地地下水埋深的不斷增加，優(yōu)勢種植被生態(tài)型由中生向旱生發(fā)生轉(zhuǎn)變，地表特征也隨之發(fā)生變化。且隨著草地地下水埋深下降程度的加劇，優(yōu)良牧草的種類及產(chǎn)量逐漸降低。分析其原因，可能是由于半干旱區(qū)的環(huán)境因素加劇了草原生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性和不穩(wěn)定性。且在地下水變化過程中，地下水埋深對應(yīng)著適合本生境的典型優(yōu)勢種植被類型，并對植物群落數(shù)量和分布格局以及群落的結(jié)構(gòu)和功能都有不同程度的影響；與此同時，其也通過相關(guān)作用造成土壤流失和地表組成物質(zhì)粗化等進(jìn)而影響群落類型和特征的演變。西遼河流域平原區(qū)是典型的半干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，地下水埋深與草本植被的分布演變及土壤顆粒特征必然存在一定的內(nèi)在聯(lián)系。研究區(qū)草地土壤水分含量與植被群落多樣性指數(shù)和地表特征等均顯著正相關(guān)，隨著地下水埋深的不斷增加，植物生長所需的水分條件發(fā)生變化，植物地表特征與多樣性指數(shù)也相應(yīng)變化，其中生物量、蓋度和多種多樣性指數(shù)均在地下水埋深2—3 m處出現(xiàn)峰值。以上結(jié)果揭示出研究區(qū)優(yōu)勢植被由多年生深根植被向一年生淺根植被過渡，地下水埋深2—3 m處可能為植被演變臨界閾范圍值；與此同時，研究結(jié)果還揭示出0—1 m的地下水埋深可能抑制了植被生長，這可能與研究區(qū)具有強(qiáng)烈的蒸散發(fā)，使得地下水埋深較低處土壤鹽堿化明顯，從而在很大程度上限制了植被生長；而>4 m的地下水埋深值同時也可能被相應(yīng)的植被種群所適應(yīng)。即根據(jù)不同地下水補(bǔ)給條件提出不同的植被恢復(fù)政策與方法，對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)等具有重要現(xiàn)實意義。

在農(nóng)牧交錯帶地區(qū)，由地下水埋深變化引起的土壤包氣帶變化是土壤退化最重要的原因之一。包氣帶在水循環(huán)中具有其獨特的地位和功能，其水分來源主要包括大氣降水的入滲以及地表水體的滲漏和通過毛細(xì)作用輸送的水分等[22]。西遼河流域通遼平原區(qū)地表水匱乏，隨著全球氣溫的上升，蒸發(fā)量不斷增加，降水對地下水補(bǔ)給作用由于地下水埋深的不斷增加，即包氣帶逐漸增厚，而不斷減弱[23]，必將對土壤理化特征產(chǎn)生影響。土壤粗化不僅造成土壤的緊實度發(fā)生變化，還會對土壤水分等其他物理性質(zhì)產(chǎn)生影響作用。本研究表明土壤容重隨著草地地下水埋深變化而發(fā)生變化，土壤容重與平均粒徑極顯著正相關(guān)，而植被多樣性和土壤分形維數(shù)與其呈極顯著負(fù)相關(guān)。隨著草地地下水埋深的加劇，土壤含水量降低，這與魏彬等[24]通過對土壤含水量與地下水埋深的關(guān)系進(jìn)行分析所得結(jié)論相似，即地下水埋深是影響土壤含水量的重要因素，土壤含水量與地下水埋深之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。土壤水分的減少不僅會直接影響草地特征的變化，特別是生產(chǎn)力和覆蓋度的減少，且還會導(dǎo)致表土更加容易遭到侵蝕。本文通過含水率與其他環(huán)境指標(biāo)相關(guān)性分析，也證實其對植被生長和土壤理化性質(zhì)具有一定影響作用。另一方面，胡曉蕾等[25]通過陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉試驗站的野外試驗，證實隨著包氣帶的增厚，分形維數(shù)呈減小趨勢變化。本文的結(jié)論與這些前人成果較為相似，即隨著地下水埋深的增加，研究區(qū)土壤分形維數(shù)總體呈減少趨勢，但是經(jīng)歷先增加后減少的過程，這可能也與地表植被對土壤作用影響有關(guān)[25]。綜上所述，草地地下水變化在引起土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞的同時使土壤含水量降低，最終導(dǎo)致草地植被發(fā)生演替。

近年來，研究區(qū)耕地面積不斷擴(kuò)張，形成眾多斑塊化的草地。與此同時，大量機(jī)電水井用于灌溉農(nóng)田，造成研究區(qū)地下水埋深加劇，出現(xiàn)地下水漏斗區(qū)，進(jìn)而嚴(yán)重影響植被生長，地表細(xì)粒物質(zhì)極易被吹蝕；此外，由于補(bǔ)給條件的變化，植被蓋度不同程度地減少，缺乏保護(hù)的土層蒸發(fā)加劇，土體變干并逐漸疏松，一旦形成破口，風(fēng)蝕將向表土以下發(fā)展并逐漸擴(kuò)張，使得研究區(qū)土壤粗化愈加嚴(yán)重。研究區(qū)中地下水埋深0—1 m和3—4 m處草本植被蓋度和生物量最低，與之相對應(yīng)的是其分形維數(shù)也最小，土壤較粗化，雖然粉粒含量較高，但是細(xì)砂和中砂比例升高，顆粒組成較分散，致使表土細(xì)粒物質(zhì)被吹蝕[26]。采取有效的地下水保護(hù)措施，不僅對作物生長十分有利，還兼具保水功能，從而防止土壤細(xì)粒物質(zhì)被吹蝕。同時作物生長也在改良土壤，形成寶貴的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，促進(jìn)保水保肥，提高土體的抗風(fēng)蝕能力，這對于土壤本身較干旱貧瘠的干旱半干旱地區(qū)尤為重要。

4 結(jié) 論

通過對西遼河流域通遼平原區(qū)不同地下水埋深條件下草地樣方的植被地表特征和地表(0—10 cm)土壤的粒度組成進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1) 隨著地下水埋深變化，研究區(qū)植被群落的演替表現(xiàn)為非地帶性草甸植被向地帶性典型草原植被的演替過程。不同地下水埋深條件下植被各種多樣性指標(biāo)值大小順序為2—3 m>1—2 m>0—1 m>(>4 m)>3—4 m。

(2) 研究區(qū)表層土壤粒度組成以粉粒為主，通過對土壤顆粒平均粒徑、顆粒分形維數(shù)及分選級別等指標(biāo)進(jìn)行分析，研究區(qū)土壤隨著地下水埋深條件變化逐漸呈粗化。

(3) 土壤粒度分布頻率曲線和粒度累積頻率間平均距離顯示研究區(qū)粒徑為30 μm附近顆粒為易風(fēng)蝕顆粒，且地下水埋深條件變化，對研究區(qū)植被及土壤具有一定的影響作用。