趙思騰,趙學勇,3,*,李玉霖,3,毛 偉,王 寧,陳 云,盧建男,陳雪萍,王瑞雄,楊小菊

1 中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院,蘭州 730000 2 中國科學院大學,北京 100049 3 中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院奈曼沙漠化研究站,通遼 028300 4 海南大學生態(tài)與環(huán)境學院,海口 570228

地下水是全球水文循環(huán)的重要組成部分。地下水不僅是多種生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定水源,在維系生態(tài)系統(tǒng)功能、保障物種生存條件等方面起關鍵作用[1]。在干旱半干旱生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū),水資源是限制植物種類、數(shù)量和生長的關鍵因素。由于該區(qū)年降雨量少且蒸發(fā)量大,較穩(wěn)定的地下水資源成為植物生長依賴的重要且唯一的水分來源[2—4]。地下水水位主要受降雨和人類活動影響,區(qū)域尺度地形地貌變化也會影響地表到地下水的距離。地下水凈流量的穩(wěn)定取決于以下參數(shù)：植被分布,海拔,土壤類型,和土壤利用模式[5]。雖然該區(qū)地下水位的變化是自然發(fā)生的,但近年來由于人類的過度利用,加速了對地下水的開采,引起了土壤水分養(yǎng)分、植物功能性狀、群落結(jié)構(gòu)的變化等[6—7]。因此,干旱半干旱生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復是實現(xiàn)我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的必由之路,了解清楚地下水埋深變化對植物土壤特征的影響,在植被恢復、土地生產(chǎn)力維持和水資源調(diào)控方面具有重要理論和實踐意義。

全球干旱、半干旱區(qū)主要分布在南北緯15°—35°,并向內(nèi)陸和極地延伸至南北緯55°的地區(qū),我國境內(nèi)的干旱、半干旱區(qū)包括全部的西北地區(qū)以及華北地區(qū)北部、東北地區(qū)西部的部分地區(qū)。該區(qū)水資源的匱缺使得我國成為當今世界受沙化危害較為嚴重的國家之一,沙化類型多,分布范圍廣,制約了我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展[8]。根據(jù)全國沙化土地監(jiān)測結(jié)果顯示,截至2014年我國沙化面積已達1.74106km2,占國土總面積的18.16%。與2009年全國沙化監(jiān)測結(jié)果相比降低了9.0×103km2左右,沙化面積總體呈減少趨勢[9]。從1999年至今,雖然我國沙化情況有明顯改善,但局部地區(qū)仍在擴展[10—11]。

以科爾沁沙地為例,該區(qū)東鄰東北平原,西連內(nèi)蒙古高原,地勢上屬于從高原向平原過渡的地帶[12—17]。由于科爾沁沙地氣候干旱,人口密度高,城市化進程加快,社會經(jīng)濟發(fā)展迅速,土地承載壓力大。同時,過度放牧和開墾等不合理人類活動的長期影響,也促進了嚴重的土地沙漠化、草地退化和土壤鹽漬化。研究表明[18],近幾十年來,過度放牧和抽取地下水灌溉導致地下水位顯著下降。在地下水位相關的模擬試驗中發(fā)現(xiàn),沙地植物生長需水的地下水供給量降低了25%[19]。保護并合理開發(fā)科爾沁沙地地下水,既能穩(wěn)定沙地植被,防止沙地面積擴增,同時可以促進周邊城市的可持續(xù)發(fā)展。

因此,為深入理解我國干旱半干旱生態(tài)脆弱區(qū)對全球環(huán)境變化和人為活動的響應,重點針對干旱半干旱區(qū)的地下水埋深變化與沙地植物、土壤間的相互作用關系的研究進展進行總結(jié),以期為揭示干旱半干旱區(qū)地下水埋深變化對沙地植物土壤系統(tǒng)演變的驅(qū)動作用提供參考,促進干旱半干旱生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)保護與恢復研究的發(fā)展。

1 地下水埋深變化對土壤水分和土壤理化性質(zhì)的影響

干旱半干旱區(qū)限制植被生長的主要因素是土壤水,地下水位埋深變化對土壤水含量大小起著決定性作用[20]。地下水、土壤水、植被作為該區(qū)關鍵生態(tài)要素,彼此間存在著復雜的動態(tài)平衡關系,而抽取地下水灌溉、植樹造林等人類活動破壞原始土體結(jié)構(gòu)、降低地下水位,打破了這種平衡,進而引起植被生長協(xié)同損傷。在干旱半干旱區(qū)降雨少且蒸發(fā)劇烈的脆弱生態(tài)條件下,地下水成為該區(qū)重要且唯一的水分來源,土壤水分的變化主要由地下水埋深決定,其動態(tài)變化被認為是控制該區(qū)整個生態(tài)系統(tǒng)最重要的驅(qū)動力[21—22]。前人通過對3種地下水埋深梯度下1.2—1.4 m土層的含水量進行測定分析發(fā)現(xiàn),土壤含水量隨著地下水埋深的增加而顯著下降,當?shù)叵滤疃瘸^1 m時,20—80 cm土層的土壤含水量提高了29%；然而當?shù)叵滤疃瘸^6 m時,1.2—1.4 m土層的土壤水分與地下水深度無顯著關系[23—24]。此外,較高的植被群落覆蓋度可能會顯著影響地下水埋深[5,25],隨著地下水埋深的增加,土壤內(nèi)水汽傳遞能力逐漸減弱,土壤含水量及其分布特征主要受地下水深度及土壤毛細管輸水能力所能上升的最大高度決定。干旱半干旱區(qū)地下水與土壤理化性質(zhì)之間關系的研究表明,理化性質(zhì)受地下水埋深變化的影響較大[26]。陳冠光在對疏勒河下游地下水埋深與土壤理化性質(zhì)變化關系的研究中發(fā)現(xiàn),隨著地下水水位的下降土壤有機碳、總氮和總磷含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,而土壤pH值相反,其中土壤有機碳和總氮含量在地下水埋深為2.03 m處達到最高,之后逐漸降低；土壤總磷含量在地下水埋深為2.78 m處達到最高后開始降低；土壤pH值在2.03 m處達到最低,之后開始升高[27]。也有研究顯示土壤理化性質(zhì)表現(xiàn)出與此結(jié)果相反的變化趨勢,原因在于極端干旱區(qū)植物根系的水力提升作用將植被所需養(yǎng)分富集在土壤表層[28]。同時,地下水埋深變化也會影響土壤容重,隨著地下水埋深增加,土壤容重變大,導致植被結(jié)構(gòu)和功能惡化[29—31]。由此可見,地下水埋深的增加對土壤水分,土壤總碳,土壤總氮和土壤有效鉀有顯著的負面影響,而土壤容重隨地下水埋深的增加而增加。此外,土壤中的碳含量有助于氮和磷的供應,良好的土壤結(jié)構(gòu)有利于植物生長[32—34]。土壤鹽漬化會明顯降低土地生產(chǎn)力,直接影響植物的生長和植物多樣性[28]。有研究表明[35],土壤表層鹽漬化和地下水礦化程度程度隨著地下水水位的上升而增強,當?shù)叵滤械娜芙恹}上升到土壤表層并隨著水分的蒸發(fā)而積累時,就會發(fā)生土壤鹽漬化。當?shù)叵滤裆顬?—2 m時,由于土壤毛細管水含量的增加,太陽輻射誘導土壤水蒸發(fā)作用加強,致使土表鹽漬化加??；當?shù)叵滤裆顬?—4 m時,毛細管水水位下沉,地下水向大氣的蒸發(fā)量減少,鹽含量降低；當?shù)叵滤裆畛^4 m時,地下水水位降低導致表層土壤毛細管水蒸發(fā)效應減弱,表土含鹽量下降明顯[23]。Hu等的研究發(fā)現(xiàn)高強度的蒸發(fā)和低植被覆蓋度促進了土壤表層的鹽積累,通過脫鹽交換和堿化過程進而導致土壤溶解鹽含量降低和土壤pH值升高[36]。土壤電導率隨著地下水埋深的增加先增加而后迅速下降,土壤pH值則呈現(xiàn)相反的過程[5]。

綜上所述,已有大量關于地下水埋深變化對土壤水分及土壤理化性質(zhì)影響方面的研究,總體可歸納為以下四方面：1)土壤水分含量及其分布特征受地下水埋深變化及土壤毛細管輸水能力的影響較大；2)土壤容重與地下水埋深呈正相關關系；3)不同生境下土壤理化性質(zhì)隨地下水埋深的變化趨勢有顯著差異,原因在于不同物種植物根系的水力提升作用；4)土壤表層鹽漬化程度隨地下水水位的上升而增強,當?shù)叵滤疃瘸^4 m表土含鹽量明顯下降?？梢娫诓煌硹l件地下水水位過高或過低都會對土壤水及土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生負面影響,因此在生境的選擇以及明晰最適地下水埋深方向的工作有待進一步探究。

2 地下水埋深變化對植被特征的影響

地下水也是植物生長發(fā)育過程中從土壤獲取水分養(yǎng)分等物質(zhì)的重要來源之一[37—38]。地下水水位較高則植被密度較大且生長旺盛,地下水水位過低則植被稀疏且長勢較差[39—41]。有研究顯示,在地下水埋深較淺的區(qū)域,胡楊根系與地下水的接觸面積相對較大,水分較為充足,并且漫溢作用較強,植被長勢較好,單位面積生物量較大；隨著地下水埋深加大,植物根系與地下水的接觸面積變小,植被長勢逐漸衰弱,單位面積生物量降低[42—44]。地下水埋深的增加顯著降低了物種豐富度,地上生物量,群落覆蓋率,群落高度和葉面積指數(shù)[5]。但有研究表明,地下水位上升會導致灌木植物的死亡,地下水位下降會使灌木植物得以定植,而導致草本植物生存困難,進而導致該區(qū)物種多樣性降低[41,45]。Carvajal等[46]通過對阿塔卡馬沙漠不同干旱脅迫梯度灌木抗旱策略差異性分析發(fā)現(xiàn),物種多樣性的下降是由干旱地區(qū)內(nèi)陸河流域的草本植物消失引起的,而物種豐富度的最佳地下水深度并不是最淺的地下水深度。張俊等通過對鄂爾多斯高原地下水埋深與淺埋區(qū)植被關系研究發(fā)現(xiàn),地下水位為1.6 m左右時是植被生長發(fā)育較為適宜范圍,并將此水位埋深界定為生態(tài)交錯帶臨界水位,是地下水資源開發(fā)過程中的生態(tài)敏感區(qū)；水位埋深低于0.6 m為濕生、鹽生植被優(yōu)勢區(qū),地下水水位深度超過3.2 m地帶為旱生、沙生植被優(yōu)勢區(qū)[47]。本文論述的重點是沙地植被對地下水埋深變化的響應,由于沙區(qū)降水少,蒸發(fā)強烈,地表水和地下水的含鹽量通常較高[40]。Hao等[48]研究發(fā)現(xiàn)即使塔里木河流域存在良好的水資源條件,高鹽度也能抑制草本植物。該結(jié)果的潛在機制可能是高鹽度生理壓力限制了適應高pH物種的物種數(shù)和物種豐富度,同時群落覆蓋度受地下水深度的影響較大,當?shù)叵滤疃仍黾又撂囟ㄖ禃r受土壤鹽堿的影響,群落覆蓋度降低。Fu等[21]指出,淺根植物和草本植物的結(jié)合可以提高水資源的利用效率,是恢復沙地植被的最佳物種組合,其中干旱區(qū)的沙地植被主要分布在地下水深度為3 m范圍。由此可見,在地下水位較深等水資源受限的條件下,不同物種的根系分布范圍不同,其水分利用策略也有差異[49]。例如淺根植物與深根植物在垂直生態(tài)位的共存方面存在互補現(xiàn)象[50]。同時,受生物過程的影響灌木下土壤會出現(xiàn)養(yǎng)分富集的現(xiàn)象,即“沃島效應”[51],從而給草本植物提供了適宜的生存條件,維系了該區(qū)植物群落物種豐富度與多樣性。

考慮到不同植物物種獨有的生物學特性,植物生理性狀可以更準確的預測生態(tài)系統(tǒng)的功能,解決了由于“抽樣”所導致的植物群落特征解釋生態(tài)系統(tǒng)功能變化的局限性[52]。在群落水平上,植物應對環(huán)境變化的響應可以通過葉片功能性狀值表達,即地下水位的下降使土壤含水量降低,進而可能導致葉片和莖水勢降低,氣孔閉合進而導致蒸騰作用減弱[39,53]。過高的地下水位可能會使植物根系區(qū)缺氧,植物根系轉(zhuǎn)換為無氧代謝模式,導致植物死亡[54],潮濕的生境也會減弱植物的水分利用效率和光合作用,同時會降低植物根、葉的組織密度[55]。同時,植物體內(nèi)N、P含量的變化也可以反映植物個體或群體如何應對環(huán)境變化,前人研究發(fā)現(xiàn),干旱區(qū)植物比濕潤區(qū)植物的N、P的養(yǎng)分吸收率更高,地下水水位下降造成的干旱脅迫,會觸發(fā)植物產(chǎn)生高濃度的脫落酸,進而削弱沙地植物代謝和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的能力[56—58]。然而干旱區(qū)植物由于環(huán)境因素限制,土壤中的N、P營養(yǎng)元素較為匱乏,導致植物體內(nèi)N、P含量維持在低水平狀態(tài),這可能是干旱地區(qū)植物應對貧瘠環(huán)境的一種生存策略[27,59]。由于沙地生態(tài)系統(tǒng)水分條件的限制,不同植物依靠其自身生理結(jié)構(gòu)和抗鹽策略促使他們在生長過程中獲取水分和養(yǎng)分的能力也有差異[60]。鹽生植物的枝葉同化形成了發(fā)達的儲水組織和粘液細胞,可以增強細胞的吸水和持水能力,稀釋其體內(nèi)鹽分并維持正常的養(yǎng)分吸收能力[61]；而對于沙地中的糖類植物,其從葉到根的“內(nèi)部除鹽”機制可以保持體內(nèi)的低鹽水平并減弱鹽對植物吸收養(yǎng)分的干擾[62]。喬、灌木較草本植物在形態(tài)上表現(xiàn)出對水分脅迫更強的適應性。干旱區(qū)喬、灌木群落的比葉面積和葉片瞬時水分利用效率在環(huán)境適應方面比草本植物更有優(yōu)勢,多年生草本與一年生草本相比有較強的適應能力[63]。有研究表明[32],一年生植物的比葉面積顯著大于多年生植物,而且一年生植物和多年生植物間的葉干物質(zhì)含量也存在一定的差異。胡楊在干旱條件下為了維持自身的新陳代謝能力,采取減小葉面積和比葉面積,增加葉片厚度、葉組織密度和葉干物質(zhì)量的權衡策略以降低植物體內(nèi)水分蒸騰散失、資源消耗和增強持水、抗逆及葉片養(yǎng)分的貯存能力[64]。隨地下水埋深增加,小枝長度、葉面積、葉生物量的降低和小枝莖粗、葉厚的增加,表明旱區(qū)植物枝葉性狀間存在明顯的權衡關系與協(xié)同適應策略[65],進而說明植物群落水平的表型功能性狀對地下水水位下降導致干旱脅迫的響應程度不同,反映了植物群落應對環(huán)境脅迫的不同形態(tài)適應策略。

綜上所述,植物為了適應地下水埋深的變化,植物群落特征、植物生理性狀及植物根、莖、葉等形態(tài)結(jié)構(gòu)均發(fā)生一定程度的適應性改變,通過深入了解植物特征對地下水埋深變化的適應策略,對研究植物面對未來氣候變化所表現(xiàn)的抗旱性和適應性具有重要作用。

3 土壤理化性狀、地形因素與植物群落關系研究

3.1 土壤理化性狀與植物群落關系

土壤在為植物生長提供物理支撐、調(diào)節(jié)養(yǎng)分和水分有效性、判定生產(chǎn)力等方面起著重要作用[34,66—69]。通過改善土壤物理質(zhì)量(如降低土壤容重、增加孔隙度和團聚體穩(wěn)定性)可以恢復植被,改善受干擾生態(tài)系統(tǒng)的完整性[70—72]。土壤水是干旱半干旱區(qū)植被生長的重要限制性因子,土壤水除了依賴降雨補給,地下水埋深的變化對土壤水分影響明顯,土壤依靠毛細管拉力將地下水上提到植物根系分布區(qū)供其利用,而土壤毛細管上升力因土壤質(zhì)地有所差異,毛細水在沙土中的上升高度可以達到73 cm,在壤土中的高度可以達到100 cm[73]。有研究結(jié)果表明,土壤水分的增加會降低物種豐富度[74],而大多數(shù)的研究結(jié)果顯示土壤水分的增加會提高物種豐富度[75—76],造成這種差異的原因可能是由于土壤水分增加使得植物長勢好、密度大,加劇了種間競爭,進而導致物種豐富度的降低,而旱區(qū)植物種間競爭的影響較小[77]。同時,在降雨量變化較大的情況下,土壤酸堿度限制了細菌多樣性并抑制了真菌菌根在植物根部定植的能力進而影響土壤碳儲量[78],加劇了植被斑塊中土壤微生物群落的差異性,并隨著土壤含水量的降低,淋溶作用減弱,差異更顯著[79],使土壤養(yǎng)分的空間變異性成為植物適應對策和植被分布模式的重要驅(qū)動因素。土壤養(yǎng)分的變化也會影響土壤真菌群落組成,進而影響植物物種多樣性及葉片生理功能[80]。

此外,植被恢復也會影響土地生產(chǎn)力,植物物種的根系和凋落物改變其生物和非生物土壤環(huán)境,進而影響其自身或其后代演替。這種類型的反饋可能是負向的(導致土壤群落、化學和物理等土壤條件的變化對同一物種個體的凈生長產(chǎn)生減少效應),中性的(凈效應是土壤群落的所有影響為零),或正向的(同一物種的植物或后續(xù)個體的生長受到凈土壤效應的促進作用)。負反饋效應可能導致植物的退化,也可能導致幼苗死亡[69]。然而,自然界中可能存在更積極的植物-土壤反饋作用,例如植物物種對土壤養(yǎng)分分解與吸收的特定策略,即一些植物物種所表現(xiàn)出的所謂的歸屬地優(yōu)勢效應,積極的植物-土壤反饋會促進優(yōu)勢發(fā)展。同時,為了解植物-土壤反饋效應如何影響植物群落動態(tài),需要將直接反饋效應與間接反饋效應進行比較,不同的植物種類往往對土壤質(zhì)量具有物種特異性影響[81—82]。前人研究黃土高原風水蝕區(qū)植被恢復對土壤物理性質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)次生天然草地表層(0—20 cm土層)土壤物理性質(zhì)(容重、平均粒徑、大團聚體等)得到顯著改善,而補植灌叢(檸條)效果不明顯[83]。也有研究表明,由于灌木冠幅下土壤養(yǎng)分富集特性,為草本植物提供了適宜的生存條件,草本植物的生長也反饋到了土壤淺層區(qū),使其具有更大的持水能力和孔隙度,促進了植被蓋度和物種豐度[66,84—85]。

因此,生態(tài)系統(tǒng)的地上和地下過程決定了植物-土壤的互饋機制,并影響植物群落的組成和養(yǎng)分循環(huán)過程,進而影響生態(tài)系統(tǒng)功能,如植物和其他群落之間的相互作用,保護地下水資源和防止水土流失[69]。

3.2 地形因素與植物群落關系

歸一化植被指數(shù)(NDVI)基于紅色和近紅外反射率監(jiān)測植被數(shù)量和狀況的時空變化,對許多植被群落特征響應敏感,例如由于葉片結(jié)構(gòu)和功能不同而導致植被生物量和生理狀態(tài)有差異,從而使植物冠層對太陽輻射的吸收和反射產(chǎn)生顯著變化,并有助監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[86—88]。實際上,不同植被的NDVI值取決于自然環(huán)境條件是否適合其自身生長,而植被的生長受環(huán)境因素(溫度,水文條件和光照)的影響很大,小尺度區(qū)域的地下水埋深等環(huán)境因素主要取決于地形的變化。坡向通過影響太陽輻射、蒸散和降水的重新分布導致微環(huán)境的分化[89]；坡度、坡位通過重力影響土壤水分入滲,排水,而徑流和日照強度對土壤含水量的變化起著重要的作用[90]；相對高度決定了土壤和植被的垂直地帶性分布,并且對土壤水分的再分配具有重要影響[91]。相關研究表明,NDVI受坡度的影響很大,但隨縱橫比變化的影響并不明顯[92]。干旱半干旱區(qū)降水不均且地下水位較低,土壤含水量少且蒸發(fā)大,植被變化更依賴降水[88]。有研究發(fā)現(xiàn),通過構(gòu)建坡度和坡向的相互作用模型,了解到坡度和坡向間具有抑制作用,主要原因是隨著降雨逐漸減少,導致坡度對NDVI的正效應隨縱橫比的增加而減小；相反,當坡度變大時,土壤水分在重力作用下相對較小,因此縱橫比對NDVI的正效應隨坡度的增加而降低。也有研究發(fā)現(xiàn)該結(jié)論適用于坡度與相對高度的相互作用,主要是因為坡度的增加使土壤水分相對較小,這導致高度對NDVI的正效應隨坡度的增加而減小。但由于海拔的升高,受坡度影響的日照條件基本不變[92]。研究表明[93],植被恢復的重點應該是在特定地形條件下不同植被類型的NDVI最大值或最小值范圍,NDVI值較大的區(qū)域具有更多的物質(zhì)循環(huán),能量流和信息交換,這是發(fā)揮生態(tài)功能和生態(tài)服務價值的核心區(qū)域；而NDVI值很小的區(qū)域,它比NDVI值大的區(qū)域不穩(wěn)定,并且是生態(tài)保護的關鍵區(qū)域。通過閾值回歸分析,發(fā)現(xiàn)地形因素必須在合理范圍內(nèi)才能使植物更好地生長[94]。

綜上所述,植被恢復的區(qū)域應集中在相似地形,在地形因子達到最大值時增加此類植被的種植；當?shù)匦我蜃舆_到最小值時,保護原始植被群落的結(jié)構(gòu)和數(shù)量,盡可能避免人為干擾和破壞；不適合耕種的區(qū)域應退還給林草地或沙地,以使其符合生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)律并發(fā)展為更健康穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)[95]。

4 地下水埋深對沙地土壤養(yǎng)分與植被特征協(xié)同演變的驅(qū)動作用

土壤理化性質(zhì)和植被特征是決定干旱半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要因素,植物的生長可以改變土壤的結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分以及附近的微氣候條件,土壤條件也會影響植物的生長發(fā)育過程,二者在生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、地表能量平衡和水資源可利用性之間存在著緊密的耦合關系。水分是干旱半干旱區(qū)植被生長的重要限制性因子,地下水埋深的變化決定了土壤含水量,地下水也會與土壤容重、土壤pH相互作用,直接影響植物生長條件[5]。植被蓋度和群落組成結(jié)構(gòu)可能也會改變土壤條件,從而影響土壤養(yǎng)分的輸入和循環(huán)[96]。這些結(jié)果證實,地下水—植物—土壤三者間的互饋作用會影響植物群落的結(jié)構(gòu)和土壤特性(圖1)。以科爾沁沙地為例,科爾沁沙地地處農(nóng)牧交錯帶,也是氣候變化與農(nóng)業(yè)發(fā)展的敏感地帶。獨特的氣候加之人類對自然資源的過度利用造成了缺水以及養(yǎng)分匱乏的現(xiàn)狀,植物為了融入自然適應自然逐漸形成了地下水依賴型的物種組成[14]。物種依靠地下水表面以上的毛細管水生存和生長,地下水水位的變化直接影響植物個體的生長和群落結(jié)構(gòu)組成。近年來,由于人類對地下水資源的不合理利用和氣候變化造成的地下水埋深增加,對該區(qū)植被生長生存構(gòu)成嚴重威脅,且旱區(qū)較濕潤區(qū)植物空間異質(zhì)性高,植物對土壤養(yǎng)分的變化尤為敏感[28]。干旱區(qū)相關研究發(fā)現(xiàn),地下水的埋深和礦化度是植被蓋度變化的主要影響因素[5]。也有研究顯示,地下水埋深對喬、灌木的影響要大于對草本的影響,這與物種水分利用策略有關[49]。同時,植物群落特征改善和物種組成優(yōu)化會影響土壤化學成分,有助于植物土壤系統(tǒng)間養(yǎng)分循環(huán)[96],植被組成結(jié)構(gòu)的變化也會改變土壤物理結(jié)構(gòu),例如對土壤顆粒的組成產(chǎn)生影響,主要表現(xiàn)為沙質(zhì)土含量降低,壤土含量上升[67]。例如喬、灌木植物由于沃島效應明顯改善了其附近土壤條件[51]。也有一些機會主義者,他們擁有相對寬廣的小生境(如多枝檉柳和蘆葦),通常具有較高的比葉面積和葉氮含量,可以在路邊、鹽沼和更干旱的地區(qū)生存[27]。在生理功能方面,物種間對土壤水分和養(yǎng)分的需求存在差異；在形態(tài)特征方面,不同物種根的形態(tài)不同,其對土壤水的吸收能力也不同。

圖1 地下水埋深與土壤植物關系框架圖Fig.1 Relationship between groundwater depth and soil plants

因此,在研究地下水埋深變化對植物土壤系統(tǒng)發(fā)育驅(qū)動作用時,不但需要考慮環(huán)境因素,還需考慮到不同植物種群或群落的影響。

5 基于地下水埋深數(shù)據(jù)和模型算法預測未來沙地植物土壤演替趨勢

植物特征與環(huán)境因子之間的關系能夠很好的解釋植物群落和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能變化,以及預測生態(tài)系統(tǒng)將如何應對未來地下水埋深變化。預測植被變化趨勢是確定并解決未來環(huán)境發(fā)展動向問題的有效途徑。地下水埋深變化對沙地生態(tài)環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展具有深遠的影響,綜合環(huán)境因子對植被土壤進行預測和評價對現(xiàn)代生態(tài)環(huán)境保護和管理工作非常重要,也是恢復生態(tài)學走向科學修復、精準治沙的一個關鍵步驟[97]。綜上所述,在理解地下水埋深對植物土壤系統(tǒng)演變的驅(qū)動作用基礎上,應加強預測模型的研究,本文對前人研究方法作了歸納,并比較分析了模型方法的優(yōu)勢及局限性,僅供參考。

模型預測從研究方法進行分類,可分為確定性方法和隨機方法。確定性方法有解析法、數(shù)值法、物理模擬法；非確定性方法包括回歸分析法、頻譜分析法、時間序列法、模糊方法、灰色聚類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法以及根據(jù)研究區(qū)的實際情況將兩種或兩種以上的預測方法組合起來構(gòu)成的新方法。例如時間序列法是應用比較廣泛的一種科學分析方法?，F(xiàn)已廣泛應用于地下水資源評價、預報和管理當中。自回歸模型(AR)、滑動平均模型(MA)、自回歸滑動平均模型(AR-MA)等模型常用于地下水位預報。這些模型的應用給大區(qū)域尺度地下水動態(tài)預報分析帶來了極大的便利[98]。近年來,將傳統(tǒng)生態(tài)學與模型算法等現(xiàn)代地理信息處理技術相結(jié)合,基于環(huán)境因子動態(tài)數(shù)據(jù)對沙地植被土壤進行模擬預測與結(jié)果驗證成為了生態(tài)恢復研究中的熱點[99—101],國內(nèi)外也積累了大量的研究成果。國內(nèi)有學者通過采用傳統(tǒng)經(jīng)驗模型對土壤水分特征曲線進行擬合分析,比較了不同模型的擬合效果[102]。也有研究顯示,通過用AR時間序列分析方法預測了土壤水分動態(tài)變化趨勢,經(jīng)過驗證得到了較好的結(jié)果[103]。葛翔宇等[104]將BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法、隨機森林算法、超限學習機算法與光譜數(shù)據(jù)相結(jié)合,建立了土壤養(yǎng)分反演預測模型,結(jié)果較好。國外也有大量相關研究,Soylu M E等[105]運用HYDRUS- 1D模型量化了半干旱草原區(qū)0—250 cm地下水埋深對蒸散的影響,并得出土壤質(zhì)地和地下水深度是影響蒸散性能關鍵參數(shù)的結(jié)論。也有研究通過計算植被指數(shù)與土壤水分含量之間的滯后秩相關來評估土壤含水量[106]。Araya-Lopez等[107]通過多時相Sentinel- 2圖像和支持向量機回歸算法預測了安第斯草地土壤水的空間分布格局。

土壤植被預測領域積累了大量的研究成果,但是由于地下水-植被-土壤是一個復雜的耦合或復合系統(tǒng),影響該系統(tǒng)的因素很多,目前的預測模型都只是盡可能的接近實際狀況。鑒于此,模型與預測因子的選擇還需從更多方面考慮,同時也要顧及預測因子間的相互作用。預測因子的選擇上大多從專家打分或從相關性強弱入手進行權重評價,還無法做到絕對的客觀,這有待進一步研究。通過對地下水埋深變化的精準分析,然后基于此分析結(jié)果進行建模和分析地下水埋深變化引起的土壤水分時空分布特征,并解析地下水埋深—土壤水分—植被特征三者關系,探索科學合理的植被土壤協(xié)同演變預測方法,為沙地生態(tài)系統(tǒng)防災、減災、受災評估等提供一定的科學依據(jù)。

因此,今后相關研究應基于近年地下水埋深定點實測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地形因素等多源數(shù)據(jù),建立植被土壤數(shù)據(jù)庫和預測因子數(shù)據(jù)庫,并結(jié)合模型算法的相關分析技術對地下水埋深變化情境下的沙地植被土壤演變過程進行模擬預測,構(gòu)建地下水埋深變化對植被和土壤協(xié)同演變的驅(qū)動模式、研究方法體系和定量研究途徑。

6 展望

氣候與土地利用方式變化將對未來生態(tài)系統(tǒng)變化產(chǎn)生更為深刻的影響。中國北方干旱半干旱區(qū)正在經(jīng)歷以地下水埋深增加、自然生態(tài)系統(tǒng)退化,人工生態(tài)系統(tǒng)維持更為依賴地下水資源的過程,迫切需要在植被、土壤、地下水埋深和未來可預期用水方式、規(guī)模之間建立科學、合理的關系。本文分析了干旱半干旱區(qū)地下水埋深變化所引起的土壤水分變化對沙地植物土壤系統(tǒng)造成潛在影響的研究進展,闡述了當?shù)叵滤惶幱诓煌秶鷷r土壤植物特征的變化情況?？傊?水資源匱缺對植物及土壤特征影響方面的研究較多,但對地下水埋深變化這一驅(qū)動因子所引起的土壤水分變化對植物土壤系統(tǒng)產(chǎn)生的潛在影響方面的研究還存在諸多不足,鑒于此,建議今后圍繞以下幾個方面強化研究的深度、廣度和關系分析。

1)加強干旱半干旱區(qū)地下水埋深變化對土壤水分狀況的影響機制研究。選擇不同氣候條件(降雨量等)、土地利用方式(抽取地下水灌溉等)、生態(tài)保護策略(大面積造林等)等條件的地下水利用強度因子與土壤水分狀況的變化進行同步監(jiān)測,深入地下水埋深變化對土壤水分的影響機制。

2)加強對干旱半干旱區(qū)地下水埋深變化所引起的土壤水分狀況與土壤植被生理生態(tài)協(xié)同變化規(guī)律的研究?？茖W嚴謹?shù)闹贫ㄔ囼灧桨?通過集成野外植被跟蹤調(diào)查、高精度植物生理監(jiān)測、高空間分辨率無人機監(jiān)測等技術,建立健全能夠代表區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)及其要素變化的定位監(jiān)測樣地系統(tǒng),多尺度一體化探究地下水埋深與植物土壤特征的協(xié)同變化規(guī)律。

3)加強干旱半干旱區(qū)復雜條件下的地下水埋深變化特征結(jié)合植物生理生態(tài)指示性因子進行綜合分析,從靜態(tài)到動態(tài)、從定性向定量、從單一學科向多學科交叉融合的方向發(fā)展。探究不同植物對干旱脅迫的適應策略,直擊植物抗旱本質(zhì),進一步開展不同地下水埋深情況下植物抗旱能力的綜合評價。

4)加強干旱半干旱區(qū)地下水埋深變化趨勢對植物土壤特征影響的預測模型研究。在對本文前4部分進行深入研究的基礎上,建立不同地下水埋深條件下土壤水分狀況變化對植物土壤特征的影響評價與預測模型。

綜合以上幾點,提升未來生態(tài)情景預測、模擬與驗證水平,為干旱半干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律研究、趨勢預測和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)、技術支撐和數(shù)據(jù)服務。