黨學(xué)亞，盧 娜，顧小凡，金曉媚

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054；2.中國地質(zhì)調(diào)查局干旱-半干旱地區(qū)地下水與生態(tài)重點實驗室，陜西 西安 710054；3.陜西省水資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710054；4.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083)

柴達木盆地位于青藏高原東北部，是一個巨大的礦產(chǎn)與能源資源盆地，也是國家在建的最大循環(huán)經(jīng)濟試驗區(qū)，承擔著支撐青海經(jīng)濟社會發(fā)展、保護三江源，支援西藏建設(shè)的重任。在青海實施了生態(tài)立省戰(zhàn)略，大部分省域被劃定為保護區(qū)的情況下，柴達木幾乎是青海唯一可開發(fā)礦產(chǎn)，變資源優(yōu)勢為經(jīng)濟優(yōu)勢的地區(qū)，又被稱作為青海發(fā)展的“經(jīng)濟眼”和帶動青藏經(jīng)濟的“發(fā)動機”。區(qū)內(nèi)的格爾木、德令哈、烏蘭、諾木洪-宗加及烏圖美仁平原是柴達木循環(huán)經(jīng)濟的核心布局區(qū)與主要用水區(qū)(圖1)。根據(jù)柴達木盆地重點地區(qū)1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查報告[1]以及柴達木盆地地下水資源及其環(huán)境問題調(diào)查評價報告[2]：柴達木盆地干旱少雨，內(nèi)部平原區(qū)水資源基本來自周邊山區(qū)的徑流輸入，多年平均量為5 630×106m3/a。其中4 244×106m3/a為出山河流在沖洪積扇滲漏形成的地下水。因此，地下水是柴達木經(jīng)濟社會發(fā)展依賴的主要水源。與此同時，地下水在沖洪積扇前緣泄出后與地表水共同作用形成了綠洲植被，其又是維持盆地綠洲生態(tài)的重要水源。故循環(huán)經(jīng)濟試驗區(qū)開發(fā)利用水資源必須查明地下水與生態(tài)植被的關(guān)系。

圖1 柴達木盆地主要植物種群分布圖Fig.1 Distribution map of the main plant populations in the Qaidam Basin

目前，生態(tài)植被與地下水關(guān)系的調(diào)查研究從技術(shù)思路到方法手段均已成熟。楊澤元等通過調(diào)查提出了陜北風(fēng)沙灘地區(qū)生態(tài)安全的地下水位埋深為1.5～5 m[3]；張茂省等采用水文地質(zhì)調(diào)查與遙感定量分析相結(jié)合的方法，研究認為陜北能源化工基地風(fēng)沙灘地區(qū)影響植被生態(tài)的潛水位埋深不超過7 m[4]；金曉媚等通過遙感分析并輔以野外驗證的方法，研究了銀川平原、黑河下游綠洲帶及柴達木烏圖美仁和都蘭地區(qū)地下水與植被的關(guān)系[5-8]，得出適宜植被的水位埋深和TDS為銀川平原水位埋深2～4 m、TDS<2.5 g/L，黑河下游綠洲帶水位埋深2～5 m，烏圖美仁地區(qū)水位埋深<2 m、TDS<3.5 g/L，都蘭地區(qū)水位埋深1.7 m、TDS<3 g/L。本文利用2010年以來，在柴達木盆地實施的系列1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查項目獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過研究平原生態(tài)植被與地下水的關(guān)系，厘定出對柴達木盆地具有普適性且便于宏觀層面科學(xué)決策采用的生態(tài)植被的地下水閾值，以期為柴達木循環(huán)經(jīng)濟試驗區(qū)基于風(fēng)險管控制定地下水開發(fā)利用方案提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)由格爾木、德令哈、烏蘭、諾木洪-宗加、烏圖美仁5個位于昆侖山和祁連山山前的第四系河湖相沉積平原組成。從河流出山口至下游終端湖，昆侖山前的烏圖美仁、格爾木、諾木洪-宗加地區(qū)地貌形態(tài)依次為洪積平原、沖洪積平原、沖湖積平原和湖積平原，而祁連山前的德令哈、烏蘭地區(qū)為洪積平原、沖洪積平原、沖湖積平原，幾乎不存在湖積平原。

全盆地降水量<300 mm，主要集中在6—9月。降水呈現(xiàn)山區(qū)多平原區(qū)少、東部多西部少的空間分布特征。其中，山區(qū)降水量100～300 mm，平原區(qū)降水量20～200 mm，祁連山前的德令哈平原、烏蘭平原100～200 mm，諾木洪-宗加、格爾木、烏圖美仁平原約50 mm。研究區(qū)以特征荒漠[9]為主，植被稀疏，種類不足200種，主要是高度抗旱與耐鹽堿的灌木、半灌木和草本，分布于礫石戈壁、洪積平原上的沙漠地帶，結(jié)構(gòu)簡單[10-11]。砂礫質(zhì)洪積平原，潛水位埋深>20 m、土壤總鹽0.6%～1%，植物群落建群種主要為膜果麻黃、駝絨藜、梭梭、篙葉豬毛菜和合頭草；綠洲所在的洪積平原前緣和沖積平原中后部，潛水位埋深3～10 m、TDS在1～5 g/L，地表土壤為灰棕色沙質(zhì)鹽化的荒漠土，表層易溶鹽含量5%～10%，植物群落主要為檉柳和梭梭；沖積平原前部和湖積平原后緣，潛水位埋深2～3 m，TDS在5～10 g/L，土壤為荒漠鹽土，表層含鹽量為6%～10%，有較厚的鹽結(jié)皮，植物建群種主要為梭梭、檉柳和多汁鹽生的鹽爪爪等；沖積平原前緣和湖積平原區(qū)，潛水位埋深<2 m，TDS在10～50 g/L，土壤為鹽生草甸土和草甸鹽土，表層含鹽量>10%，多具鹽殼，植物群落隨著潛水位埋深減小依次為芨芨草鹽生草甸、蘆葦與賴草鹽生草甸和濕生雜草類、鹽角草鹽生草甸和沼澤化鹽生草甸。

本研究區(qū)從河流出山口向下游的終端湖泊，德令哈平原和烏蘭平原植被生態(tài)依次為戈壁礫石荒漠、地下水泄出帶與沖洪積細土平原綠洲，而烏圖美仁、格爾木、諾木洪-宗加3處平原有所不同，在戈壁帶、綠洲帶下游分布有大面積寸草不生的鹽沼荒漠[12-19]。各塊區(qū)除共同具有蒿葉豬毛菜、冰草、駝絨藜、合頭草、賴草等植被種群外，還有各自獨特的建群植物種類，從而使得植被群落結(jié)構(gòu)有所不同。其中：格爾木平原區(qū)以蘆葦、羅布麻、黑枸杞、白刺、膜果麻黃、沙蒿、紅柳為主；德令哈平原區(qū)以為蘆葦、白刺、紅柳、枇杷柴、沙蒿、芨芨草、鹽爪爪、黑枸杞、梭梭混生為主；烏蘭平原區(qū)以蘆葦、鹽爪爪、沙蒿為主，同時伴生有檉柳、白刺、梭梭等；諾木洪-宗加平原區(qū)主要為蘆葦、沙蒿、紅柳、白刺、沙拐棗混生；烏圖美仁平原區(qū)以蘆葦為主，其間混生少量紅柳和白刺(圖1)。主要植物類型的習(xí)性和適生環(huán)境見表1。

表1 柴達木盆地主要植物類型的適生環(huán)境一覽表

另外，研究區(qū)農(nóng)業(yè)種植和城鄉(xiāng)綠化貢獻了大面積的人工綠地。5個塊區(qū)中除烏圖美仁人煙稀少，生態(tài)植被基本保持天然狀態(tài)外，其它4區(qū)是柴達木盆地的人口密集區(qū)，城鄉(xiāng)綠化與以種植枸杞為特色的高原農(nóng)業(yè)活動強烈。1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查顯示，格爾木、德令哈、烏蘭及諾木洪-宗加的綠洲帶上，地下水位埋深3～4 m以深的地段是當?shù)厥锌h級城鎮(zhèn)以及農(nóng)場、鄉(xiāng)村的所在地，形成橫貫沖洪積扇前緣，寬度3～4 km、面積70～215 km2不等的農(nóng)業(yè)種植帶(表2)。其中，城鄉(xiāng)綠化與防風(fēng)固沙種植了大量毛白楊、小葉楊等喬木。這些喬木根系深度一般在2.7～4.5 m[20-21]，在多數(shù)種植區(qū)夠及不到地下水，成活與生長發(fā)育主要依靠滴管或漫灌維系。

2 研究方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究方法

本研究采用生態(tài)水文地質(zhì)調(diào)查與遙感定量分析相結(jié)合的方法進行。水位埋深、TDS含量數(shù)據(jù)為柴達木盆地系列1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查工作在2010—2016年植物生長季6—9月獲得的實測數(shù)據(jù)。其中，水位埋深通過自計水位儀監(jiān)測和人工監(jiān)測獲得，儀器監(jiān)測頻率6次/月，人工統(tǒng)測數(shù)據(jù)為2次/年。TDS數(shù)據(jù)在青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院實驗室測試。遙感數(shù)據(jù)為MOD13Q1數(shù)據(jù)集，其內(nèi)容為歸一化差值植被指數(shù)(NDVI)，空間分辨率為250 m×250 m，每16 d一期數(shù)據(jù)，每年23期[22]。像元的NDVI值介于-1和1之間，數(shù)值越大表示所對應(yīng)的地面植被覆蓋度越高，反之所對應(yīng)地面植被覆蓋度越低。該套植被指數(shù)有2000年4月至今的數(shù)據(jù)，可免費獲取。本研究選用其中與地下水位及TDS獲取時間同期的8期NDVI數(shù)據(jù)，并進行最大值合成，以表征該時間段內(nèi)的植被覆蓋狀況。具體的數(shù)據(jù)范圍限定在地下水位埋深<10 m的區(qū)域內(nèi)，但這一區(qū)域內(nèi)無植被生長的烏圖美仁平原與格爾木平原鹽沼平原除外。

表2 生態(tài)景觀規(guī)模及城鄉(xiāng)綠植規(guī)模

2.2 數(shù)據(jù)處理

表1顯示區(qū)內(nèi)主要植物根系深度一般小于4 m，沙拐棗小于6 m、紅柳和檉柳小于10 m，但適生水位埋深一般不超過3 m、根深較大的紅柳和檉柳適生水位埋深在4～5 m。故篩選埋深小于10 m區(qū)域的水位、TDS及NDVI數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，數(shù)據(jù)量及樣點控制面積與密度見表3。

首先將水位埋深進行插值，得到每個像元空間上對應(yīng)的水位埋深與NDVI數(shù)據(jù)；再將水位埋深以0.1 m為間隔，對每一區(qū)間上的NDVI值進行平均取值，得到NDVI均值與潛水位埋深關(guān)系曲線，確定地下水位閾值；其次，將調(diào)查點所處像元的NDVI值與同期對應(yīng)的TDS含量繪制成散點圖，得到NDVI與TDS含量的關(guān)系，確定生態(tài)植被的地下水TDS閾值；綜合兩者厘定出能夠包容整個研究區(qū)天然生態(tài)植被的地下水閾值。

表3 樣本數(shù)量統(tǒng)計

3 結(jié)果與討論

3.1 NDVI與水位埋深關(guān)系

NDVI值與潛水位埋深散點圖及NDVI均值與潛水位埋深關(guān)系曲線見圖2。

(1)各塊區(qū)NDVI散點均有較集中的水位埋深分布區(qū)間。格爾木平原NDVI散點分布的水位埋深區(qū)間主要在0.3～3.5 m，在3.5～8.2 m有一定分布、8.2～10 m極少分布；德令哈平原NDVI散點分布的水位埋深區(qū)間主要在0.3～2.6 m，在2.6～10 m有顯明分布且高值點較多；烏蘭平原NDVI散點密集分布的水位埋深區(qū)間為0.3～2.6 m和4.3～8 m，在2.3～4.3 m有較密集分布；諾木洪-宗加平原NDVI散點密集分布的水位埋深區(qū)間為0.3～2.6 m，其中高值點集中分布于0.6～2.3 m；烏圖美仁平原NDVI散點密集分布的水位埋深區(qū)間為0.5～2.6 m。

圖2 柴達木盆地典型平原區(qū)NDVI與潛水位埋深關(guān)系Fig.2 Diagram of NDVI and groundwater table in the typical plain area of the Qaidam Basin

(2)塊區(qū)NDVI均值曲線除格爾木與德令哈形態(tài)類似外，總體差異明顯，但高值區(qū)有著共同的水位埋深區(qū)間。格爾木曲線呈多峰谷波浪形態(tài)。NDVI均值在水位埋深小于3.5 m時變化平穩(wěn)、大于3.5 m時顯著跳蕩、大于5.3 m時總體呈降低趨勢。埋深0～1 m和1.4～5.3 m為高值區(qū)，峰頂在0.3和3.1 m；同時在埋深1～1.4 m形成了低值區(qū)，谷底在1.3 m。德令哈曲線形態(tài)與格爾木較為相似，NDVI均值總體較高，在水位埋深小于4.2 m時起伏變化較平滑，大于4.2 m時起伏劇烈且NDVI均值呈現(xiàn)明顯跳蕩性的降低趨勢，但在埋深接近7 m后NDVI均值有增大趨勢。在0～1 m、1.2～2.2 m和2.4～3.6 m形成了 3個高值區(qū)，峰頂在0.4，1.3，2.5和3.2 m，峰值大小不等；同時在1～1.2 m和2.2～2.4 m形成了NDVI均值相對較小的低谷區(qū)，谷底在1.1和2.3 m。烏蘭曲線總體呈“臺地起峰式”形態(tài)，“臺地”對應(yīng)的水位埋深在2.1～6.3 m，區(qū)間跨度較大、NDVI均值相對較高，并在2.3，3.2，3.7和4.7 m形成了多個幅度不等的峰值；“臺地”兩側(cè)NDVI均值急速減小，但在埋深0.8 m處出現(xiàn)了小峰值、1.1 m處出現(xiàn)了低谷值。諾木洪-宗加的NDVI均值總體呈正態(tài)分布，在0.9～2.5 m對應(yīng)著相對高值區(qū)，其間的1.4～1.9 m為突出的高值區(qū)，峰值在1.7 m；水位埋深大于3.5 m時，NDVI均值趨向不變。烏圖美仁的NDVI均值曲線總體為接近完整的“彎弓”形態(tài)，埋深0.4～2.3 m對應(yīng)著相對高值區(qū)，峰值在0.9 m，其間水位埋深1.8～2.3 m對應(yīng)的NDVI均值變化不明顯；埋深2.3～2.8 m時 NDVI均值急劇減小，埋深大于2.8 m趨于穩(wěn)定。橫向?qū)Ρ雀鲏K區(qū)可見，烏圖美仁NDVI均值絕對值最高，其次是德令哈、格爾木、烏蘭，諾木洪-宗加最低?？傮w上1.4～3.5 m是各塊區(qū)高NDVI均值共同對應(yīng)的水位埋深。結(jié)合表1判斷，±0.3 m、±0.9 m、±2.1 m、±3.1 m等峰值應(yīng)是幾種不同結(jié)構(gòu)植被群落適宜的地下水位埋深；相對而言，水位埋深±1.1 m不利于植被的生長發(fā)育。

3.2 NDVI與TDS含量的關(guān)系

NDVI與TDS含量關(guān)系見圖3。隨著TDS的增大，NDVI散點分布總體呈現(xiàn)密度減小、高值點減少的變化特征。TDS≤1.5 g/L時，散點密集，NDVI高值點密度大，植被生長發(fā)育最好；1.5 g/L7.5 g/L時，散點極少、NDVI值均在0.35以下，植被生長發(fā)育差。

圖3 柴達木典型平原區(qū)潛水TDS與植被指數(shù)的關(guān)系圖Fig.3 Diagram of NDVI and groundwater TDS in thetypical plain area in the Qaidam Basin

3.3 討論

研究區(qū)塊NDVI值高低對應(yīng)的水位埋深區(qū)間既有相同之處也有顯著差異，反映各塊區(qū)植被既受共同因素的作用，也受到了不同因素的影響。從NDVI均值的絕對值看，烏圖美仁最高，其次是德令哈、格爾木、烏蘭，最低是諾木洪-宗加。對照研究區(qū)的自然條件，烏圖美仁平原降水少，但有柴達木盆地第一大河那棱格勒河提供地表和地下水源；德令哈平原降水相對較多，同時柴達木盆地第四大河巴音河提供地表和地下水源，另外較大規(guī)模的農(nóng)業(yè)種植與城鄉(xiāng)綠化；格爾木平原降水少，但柴達木盆地第二大河格爾木河提供地表和地下水源，另外也有較大規(guī)模的農(nóng)業(yè)種植與城鄉(xiāng)綠化；烏蘭平原降水量最大，河流較小，但農(nóng)業(yè)種植與城鄉(xiāng)綠化面積占比高；諾木洪-宗加平原降水少，河流規(guī)模小，農(nóng)業(yè)種植與城鄉(xiāng)綠化面積占比低。由此可見，研究區(qū)生態(tài)植被受河流規(guī)模與大小、降水量和人類活動共同影響，其中河流大小與規(guī)模占主導(dǎo)，其次是降水量大小，農(nóng)業(yè)種植與城鄉(xiāng)綠化規(guī)模。其中河流大小與規(guī)模實際反映了河流對地表水和地下水以及對綠洲、濕地植物種群與植被群落的控制。對此，結(jié)合研究區(qū)主要植物種群的適生環(huán)境與植被群落結(jié)構(gòu)特征、地下水位與TDS，以及人工植被規(guī)模，以不利于植物生長的1.1 m水位埋深為界分區(qū)段做進一步分析研究。

(1)1.1 m以淺的區(qū)段，NDVI均值在水位埋深0.3、0.4、0.8、0.9 m處出現(xiàn)峰值，在±1.1 m出現(xiàn)谷值。該區(qū)段一般處于泉水泄出帶、河道與湖濱地帶，是蘆葦、賴草、鹽爪爪、白刺等水生、濕生植被或濕生耐鹽堿植被的主要分布區(qū)。其中的泉水泄出帶及其上游河道以及淡水湖的湖濱地帶地下水TDS與土壤含鹽較低，而泉水泄出帶下游地帶的河道鹽堿灘頭及咸水湖湖濱地帶TDS與土壤含鹽較高。推斷±1.1 m是初始鹽漬化的水位埋深，峰值對應(yīng)的0.3～0.4 m是適宜水生與濕生植被的水位埋深、0.8～0.9 m是適宜濕生耐鹽堿植被的水位埋深；峰值不連續(xù)出現(xiàn)的NDVI均值洼地是受到了地下水TDS含量高的影響，植被生長受到抑制所致。

(2)1.1～10 m的區(qū)段，基本處于河道兩岸的高漫灘、鹽漬化階地與沖湖積平原，是蘆葦、鹽爪爪、芨芨草、羅布麻、膜果麻黃、白刺、紅柳、檉柳、沙蒿等濕生耐鹽、中生、旱生植被，以及人工植被的主要分布區(qū)。該區(qū)段NDVI均值在水位埋深1.4～3.5 m時較高，說明是耐鹽、中生及旱生植被生長適宜的水位埋深區(qū)間。此區(qū)間內(nèi)各塊區(qū)NDVI均值峰、谷對應(yīng)的水位埋深有所不同，大致與其植被群落結(jié)構(gòu)差異相匹配。同時該區(qū)段NDVI均值在格爾木、德令哈水位埋深3 m以深區(qū)段存在顯著的跳躍變化，在烏蘭存在寬泛的高值區(qū)，明顯受到了農(nóng)業(yè)種植與城鄉(xiāng)綠化的影響。為此，通過忽視跳躍點考察總體變化趨勢來消除這種干擾，將曲線由大致平穩(wěn)向急劇下降轉(zhuǎn)變的拐點水位埋深作為天然植被的地下水位閾值。結(jié)果顯示：諾木洪-宗加地區(qū)NDVI均值變化的拐點出現(xiàn)在3.5 m；格爾木和德令哈地區(qū)NDVI均值變化的拐點水位埋深為5.3 m；烏蘭地區(qū)NDVI均值在5.3 m也有反應(yīng)，呈現(xiàn)由高值向穩(wěn)態(tài)跌落。這些反映出區(qū)內(nèi)生態(tài)植被能夠獲取5.3 m以淺深度的地下水。對照區(qū)內(nèi)大量分布著的紅柳、檉柳、白刺、梭梭、沙拐棗等植物最大根系深度可見，二者基本匹配。此結(jié)果與前人在陜北風(fēng)沙灘地區(qū)[3-4]、銀川平原[5]、黑河下游綠洲帶[6]、柴達木地區(qū)[7-8]已有的相關(guān)研究結(jié)論基本一致。故以5.3 m作為地下水位閾值。此限值對烏圖美仁和諾木洪—宗加地區(qū)生態(tài)植被具有包容性，應(yīng)用到宏觀尺度決策上對維護植被生態(tài)安全是有利的。

(3)在植被依賴地下水生長的區(qū)域，TDS含量高低影響植物的生長狀況；隨著TDS的增大，植被生長發(fā)育會逐漸受到抑制。地下水TDS>7.5 g/L的區(qū)域極不適宜植被生長，幾乎無植物存在。因此，認定研究區(qū)生態(tài)植被的地下水質(zhì)閾值是TDS為7.5 g/L(圖3)。

4 結(jié)論

(1)柴達木盆地內(nèi)部平原荒漠植被為主要特征。綠洲生態(tài)植被受河流形成的地表水、地下水，以及大氣降水控制，同時也明顯受到了農(nóng)業(yè)種植與城鄉(xiāng)綠化的影響。

(2)柴達木盆地平原區(qū)天然植被的地下水位閾值為5.3 m；其對各區(qū)塊具有包容性，可供水資源開發(fā)利用時控制區(qū)域地下水位的宏觀決策做參考?！?.1 m是初始鹽漬化的水位埋深，0.3～0.4 m、0.8～0.9 m分別是適宜水生與濕生植被、濕生耐鹽堿植被的水位埋深區(qū)間；1.4～3.5 m是適宜耐鹽植被、中生植被及旱生植被的水位埋深區(qū)間；5.3 m是旱生植被依賴地下水的最大水位埋深，水位埋深5.3 m以深區(qū)域的天然植被基本與地下水無關(guān)。

(3)柴達木盆地平原區(qū)天然植被生長的地下水水質(zhì)閾值是TDS為7.5 g/L。TDS≤1.5 g/L適宜植被生長，1.57.5 g/L不適宜植被生長。