胡 順，凌 抗，王俊友，喬樹鋒，葛孟琰，孫自永，馬 瑞

（中國地質(zhì)大學（武漢）環(huán)境學院, 湖北 武漢 430078）

西北內(nèi)陸流域的濕地在維護生物多樣性、改善小氣候、防止荒漠化和固碳等方面具有重要價值，但因干旱少雨、水資源匱乏，加之水資源的過度利用，導致西北內(nèi)陸流域濕地生態(tài)系統(tǒng)退化嚴重，其保護和修復極為迫切。生態(tài)輸水作為干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境修復的主要方式之一，在西北內(nèi)陸流域濕地修復中發(fā)揮著重要的作用[1]。

地下水作為濕地水文系統(tǒng)的重要組成部分，其水位因生態(tài)輸水而發(fā)生明顯的波動，對植物群落組成、根系分布和水分利用策略等產(chǎn)生重要的影響[2]。在解釋濕地植物群落的變化時，地下水埋深的時空變化比土壤性質(zhì)、pH 等指標更具有說服力[3-5]。在塔里木河下游河岸帶濕地，草本植物主要分布在近河岸地下水埋深較小的區(qū)域，而喬木和灌木則分布在遠離河岸地下水埋深較大的區(qū)域，原因是不同地下水埋深導致土壤水分狀態(tài)存在明顯差異，同時不同植被對土壤水分狀態(tài)適應性具有差別[6]。地下水埋深是植物根系分布深度的主要驅(qū)動力，且兩者呈線性相關(guān)，較淺的根系可以使植物避免因過淺的地下水埋深而導致缺氧脅迫，較深的根系可以使植被利用埋深較大的地下水[7-9]。植物水分利用策略會因地下水水位波動及時調(diào)整，以最大程度減少因干旱導致的脅迫[10-11]。在美國西南部河岸濕地，檉柳在地下水水位下降后迅速做出響應，并將其主要水源由地下水向土壤水轉(zhuǎn)變[12]；在西北干旱區(qū)青土湖濕地，白刺灌叢表現(xiàn)出隨著地下水埋深增大，其水分來源逐漸變?yōu)樯顚哟蔚耐寥浪偷叵滤甗13]?？傊?，干旱區(qū)內(nèi)陸流域濕地的演化過程與地下水具有緊密的聯(lián)系，實質(zhì)上是濕地植被與地下水交互作用產(chǎn)生的結(jié)果。因此，有必要從水文地質(zhì)角度探索地下水與濕地生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同演化機制[14]，但目前相關(guān)研究成果較少[15-16]。

本文以西北典型內(nèi)陸流域石羊河流域內(nèi)的青土湖濕地為研究對象，基于建立的地下水-濕地生態(tài)系統(tǒng)多要素一體化動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡，通過分析濕地與地下水的交互作用，揭示了西北典型內(nèi)陸流域地下水與濕地生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同演化機制。相關(guān)研究成果將為研究區(qū)及其他類似地區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為我國西北干旱區(qū)第三大內(nèi)陸流域石羊河流域內(nèi)的青土湖濕地（圖1），屬溫帶大陸性干旱荒漠氣候，年平均氣溫7.8 ℃，年平均降水量約120 mm，年平均水面蒸發(fā)量可達2 640 mm。青土湖濕地地處民勤綠洲東北角，對于阻止沙漠從東北方向向民勤綠洲入侵發(fā)揮著重要作用，具有重要的生態(tài)價值。自20世紀50年代，因石羊河流域上游河道蓄水工程的建設和中游紅崖山水庫的營建，忽視了水庫以下河道的生態(tài)需水問題，使青土湖失去了補給水源，于1959年完全干涸。為恢復青土湖濕地生態(tài)功能，自2010年起每年8—11月進行生態(tài)輸水，生態(tài)水自紅崖山水庫放出后經(jīng)襯砌的輸水渠道直達青土湖。

圖1 研究區(qū)及監(jiān)測點布置圖Fig.1 Location of the study area and the monitoring sites

研究區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系松散巖類孔隙水，孔隙水賦存在研究區(qū)內(nèi)廣泛分布的第四系礫砂、中粗砂、細砂、粉砂和黏土等構(gòu)成的含水層中。生態(tài)輸水前，研究區(qū)地下水受降水及凝結(jié)水的入滲補給和地下水的側(cè)向補給。生態(tài)輸水后，輸水渠道和湖泊的下滲補給成為研究區(qū)地下水的主要來源。研究區(qū)地下水主要以蒸散發(fā)和側(cè)向徑流的形式排泄，其中蒸散發(fā)是主要的排泄方式。青土湖濕地內(nèi)植被類型以矮化木本、半木本或肉質(zhì)泌鹽荒漠植被為主，包括蘆葦、白刺、鹽爪爪、枸杞、駱駝蓬、梭梭等，其中優(yōu)勢物種為蘆葦和白刺。生態(tài)輸水工程開始前，白刺多、蘆葦少；生態(tài)輸水開始后，地下水水位得到了明顯的提升，并促使蘆葦顯著恢復，現(xiàn)狀條件下濕地核心區(qū)域呈現(xiàn)出蘆葦多、白刺較少的特征，形成了以蘆葦為代表植物的依賴于地下水的植被生態(tài)系統(tǒng)。

1.2 數(shù)據(jù)

如圖1 中所示，在青土湖濕地內(nèi)構(gòu)建了地下水-濕地生態(tài)系統(tǒng)多要素一體化動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡，用于收集地下水、土壤、氣象、植被等數(shù)據(jù)，同時在植物生理監(jiān)測點開展了土壤水與植物水取樣測定δD、δ18O。收集了衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)用于區(qū)域尺度湖面和植被監(jiān)測。

（1）生態(tài)輸水時間與水量

從甘肅省水利廳石羊河流域管理局收集了2010—2019年紅崖山水庫向青土湖濕地的生態(tài)輸水情況（表1）。放水時間集中在8—11月，近年來水庫放水量約為3 200×104m3，入湖水量約為2 200×104m3。

表1 2010—2019年紅崖山水庫向青土湖濕地放水時間Table 1 The release time of water from Hongyashan Reservoir to Qingtu Lake Wetland from 2010 to 2019

（2）地下水埋深與土壤含水率

構(gòu)建的動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡內(nèi)擁有9 個地下水監(jiān)測點，構(gòu)成2 個地下水監(jiān)測剖面（剖面1：G01—G05、剖面2：G07—G10）。此外，在G01 監(jiān)測點附近石羊河流域管理局設置了1 個長期地下水水文觀測站，其年平均地下水埋深變化如圖2 所示。研究區(qū)有10 個土壤含水率監(jiān)測點V01—V10（剖面1：V01—V06，剖面2：V07—V10），每個監(jiān)測點的監(jiān)測深度分別為10，25，50，75，100，150，200，250，300 cm（深度受2018年7月潛水面影響，潛水面以下無監(jiān)測）。監(jiān)測網(wǎng)絡內(nèi)的地下水和土壤含水率監(jiān)測時間為2018年9月—2021年3月。

圖2 青土湖濕地長期監(jiān)測站的地下水埋深變化Fig.2 Variation of groundwater depth at the long-term monitoring station of the Qingtu Lake Wetland

（3）植物類型與根系

2019年7 月，在土壤含水率監(jiān)測點附近進行了樣方尺度（1 m×1 m）的植被類型與根系調(diào)查。使用網(wǎng)格紙，繪制樣方簡圖，標注植物種類及其分布位置、面積。利用挖掘法獲得了以10 cm 為間隔的土壤層內(nèi)根長密度，進而得到根系分布特征。

（4）土壤水與植物水穩(wěn)定同位素

2019年5、7 、9月，在圖1 中V01—V09、V11 處，采集了優(yōu)勢物種蘆葦和白刺木栓化莖干和分層土壤（10，20，35，50，70，90，120，150，180，230，300 cm 深度，潛水面以下無采樣），用于土壤水與植物水提取并進行δD、δ18O 穩(wěn)定同位素測定。

（5）遙感數(shù)據(jù)

本研究所需的綠、紅、近紅外和中紅外波段反射率數(shù)據(jù)來自Landsat 7、8 衛(wèi)星，時間跨度為2009—2018年。反射率數(shù)據(jù)的空間分辨率為30 m，衛(wèi)星回訪周期為每16 天1 次，但由于云層影響導致影像缺失，收集到衛(wèi)星影像2009年8—9月2 幅，2010年7—9月4幅，2011年7月1 幅，2012年8—9月2 幅。衛(wèi)星遙感影像用于提取青土湖濕地的湖面面積和計算圖1 研究區(qū)周邊10 km 范圍內(nèi)的植被覆蓋度。

2 研究方法

2.1 地表水-土壤-地下水相互作用分析

地表水-土壤-地下水相互作用是濕地與地下水交互作用的核心。依據(jù)地下水監(jiān)測剖面1 和土壤含水率監(jiān)測剖面1 的數(shù)據(jù)，利用克里金空間插值獲得剖面尺度的土壤含水率連續(xù)分布，通過討論土壤含水率和地下水的時空變化規(guī)律，進而分析地表水-土壤-地下水的相互作用。

2.2 湖面提取與植被覆蓋度計算

采用修正歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）[17]提取濕地湖面：

式中：G—綠波段反射率；

MIR—中紅外波段反射率。

當MNDWI大于0 時表示水體，其他覆蓋類型MNDWI均小于等于0。

采用歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）[18]計算植被覆蓋度（FVC）[19]：

式中：NIR—近紅外波段反射率；

R—紅波段反射率；

NDVIsoil—裸土的NDVI值；

NDVIveg—純植被覆蓋的NDVI值。

NDVIsoil、NDVIveg分別取NDVI累積分布0.5%和99.5%對應的NDVI值。

2.3 濕地優(yōu)勢植被物種的水分利用策略分析

基于分層土壤水與蘆葦、白刺植物水的δD、δ18O穩(wěn)定同位素值，利用MixSIAR 模型[20]定量計算各層土壤水對植物水分利用的貢獻率，討論植被的水分利用策略。MixSIAR 模型為：

式中：Y—植物水的穩(wěn)定同位素值；

μn—第n層土壤水的穩(wěn)定同位素值；

pn—第n層土壤水對植物水分利用的貢獻率，其值為0～1。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)輸水情形下地表水-土壤-地下水相互作用過程

由圖2 可知，自2010年生態(tài)輸水后，地下水水位得到了明顯抬升，并于2017年之后地下水埋深年平均值趨于穩(wěn)定。為進一步分析地下水埋深的空間變化特征，由圖3 可知，進入8月后，各個監(jiān)測點的地下水埋深因生態(tài)輸水出現(xiàn)了明顯下降。隨著濕地中心地下水水位的升高，地下水開始向側(cè)向補給。距離濕地中心較遠位置的監(jiān)測點地下水埋深出現(xiàn)一定程度的降低。進入3月之后，由于氣溫上升，地表水以及凍結(jié)的表層土壤水消融補給地下水，監(jiān)測點的地下水水位表現(xiàn)出一定程度的回升，G04 及G05 點位的回升效果最為顯著。在此之后，隨著氣溫的不斷上升，各點位的地下水埋深不斷增大，直到7月底達到最大。

圖3 各地下水監(jiān)測點的埋深變化Fig.3 Variation of groundwater depths at the monitoring sites

不同時間剖面1 的土壤含水率插值結(jié)果見圖4。由圖可知，各個監(jiān)測點包氣帶的土壤含水率具有一定差異，表明不同點位受生態(tài)輸水影響的程度不同，地理位置是影響點位之間差異的重要原因，地勢越低或越靠近濕地中心位置的區(qū)域更易受到生態(tài)輸水的補給。同時，地勢較低的區(qū)域排泄能力較差，不易產(chǎn)生較大程度的水分波動。多數(shù)點位土壤含水率在年內(nèi)均呈現(xiàn)明顯的“上干下濕”狀態(tài)，表明該區(qū)域受到的降雨補給較少。

生態(tài)輸水情形下濕地地表水-土壤-地下水的相互作用關(guān)系為：在夏季末和秋季生態(tài)輸水后，湖水面積增大，湖水位上升，湖水補給地下水，導致地下水水位從濕地中心至濕地周圍逐步上升，從而使包氣帶下界面上升，土壤含水率增大。進入冬季后，濕地湖面凍結(jié)，湖水位下降，湖水仍補給地下水，但總體來說，湖水對地下水的補給量減小，地下水水位下降，包氣帶表層凍結(jié)。以上過程顯示了生態(tài)輸水后地表水轉(zhuǎn)化為地下水和土壤水的儲存過程。在春季，凍土和湖面消融導致地下水水位略有回升，深部含水率維持在較高水平。在夏季沒有輸水的情況下，湖水面積減小到年內(nèi)最低水平，地下水水位下降，部分區(qū)域地下水與湖水的補排關(guān)系改變?yōu)榈叵滤a給湖水，包氣帶表層含水率減小，毛細帶深度下降。

3.2 生態(tài)輸水對濕地植被生態(tài)系統(tǒng)恢復的作用機制

自2010年9月生態(tài)輸水開始后，青土湖濕地出現(xiàn)了隨時間變化的湖面，見圖5（a）。生態(tài)輸水期間，濕地內(nèi)湖面逐漸增大，冬季最大可達14 km2，生態(tài)輸水停止后，濕地湖面面積因蒸發(fā)和下滲逐漸縮小，于下次生態(tài)輸水前在夏季末達到最小面積約1 km2。由此可知，濕地內(nèi)大面積區(qū)域經(jīng)歷了季節(jié)性淹水，且主要淹水時間在秋、冬、春季。青土湖濕地周邊10 km 范圍內(nèi)的植被覆蓋度也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化特征，見圖5（b）。每年的11月至次年2月是各個區(qū)間植被覆蓋面積的最低點，6—9月是各個區(qū)間植被覆蓋面積的最高點。但是，各區(qū)間的植被覆蓋面積之間也存在一定的差異。當年生態(tài)輸水形成的最大湖面面積與次年7月（植被生長最旺盛時）各植被覆蓋度對應面積之間的相關(guān)性見表2。由表可知，湖面積增大主要影響的是0～50%植被覆蓋度的區(qū)域，植被覆蓋度大于50%的區(qū)域幾乎不受影響。

圖5 （a）青土湖濕地湖面面積及（b）周邊10 km 范圍植被覆蓋度隨時間的變化Fig.5 Changes of the lake area (a) and surrounding vegetation coverage within 10 km (b) with time

表2 當年生態(tài)輸水形成的最大湖面面積與次年7月各植被覆蓋度對應面積的相關(guān)性Table 2 Correlations between the largest lake surface area formed by ecological water transport in the current year and the area of vegetation coverage at different levels in July of the following year

當年生態(tài)輸水形成的湖面面積，對于提高次年濕地內(nèi)植被覆蓋度具有重要作用。自2010年開始的生態(tài)輸水，對研究區(qū)地下水水位的持續(xù)下降有著很好的遏制作用，地下水水位增高會有效減小濕地湖水對地下水的入滲補給，對湖面維持有重要作用。圖4 顯示，雖然生態(tài)輸水是在夏季末和秋季進行，由于湖水的補給作用，地下水水位上升，包氣帶毛細帶水上升，土壤可保持較高的含水率，并一直維持到次年春季，從而可供植物進行返青時利用。另外，冬春季的凍融過程也可增大淺層土壤含水率。生態(tài)輸水時，尤其對于淺層分布有黏性土壤的地區(qū)地表徑流會有一定的下滲，可以增大水流途徑上的土壤含水率。通過地表水-土壤-地下水之間的相互作用，夏季末及秋季生態(tài)輸水使得淺層土壤含水率維持在一定的水平，從而保證了次年植被的恢復與生長。

圖4 剖面1 不同時間土壤含水率插值結(jié)果Fig.4 Interpolation results of soil moisture in profile 1 at different times

3.3 濕地植被水分利用策略與地下水的關(guān)系

植被根系分布特征對于分析植物水分利用策略具有重要的意義，圖6 展示了2 條監(jiān)測剖面上的植被類型、植被根系集中分布區(qū)域和地下水埋深。由圖可知，地下水埋深是影響植物群落結(jié)構(gòu)（物種組成和密度）與根系分布的主要因素，具體表現(xiàn)為：

圖6 監(jiān)測剖面各監(jiān)測點植被根系集中分布區(qū)特征Fig.6 Characteristics of the concentrated distribution area of vegetation root at each monitoring point in the monitoring profiles

（1）對于相同的植物物種，當潛水埋深較淺時，根系集中分布在表層，根長密度隨深度增大而遞減；隨著潛水埋深的加大，其根系分布有加深的趨勢，這種生態(tài)適應有利于植物從更大的垂向空間范圍內(nèi)獲取水分。

（2）自湖心向湖岸，隨著潛水埋深的加大，從蘆葦單物種群落過渡到蘆葦+白刺群落，最后變?yōu)樗笏?白刺+蘆葦群落，由濕生植物向旱生植物演替。有趣的是，隨著環(huán)境中的水資源減少，物種豐度在增多，說明在干旱區(qū)，大多數(shù)植物都進化出了對缺水脅迫的適應機制，反而對淹水脅迫的耐受性較差，從而使得在干旱區(qū)濕地環(huán)境中，淹水脅迫成了控制物種多樣性的重要因素。

（3）隨著潛水埋深的加大和包氣帶的增厚，根系在垂向上的分層現(xiàn)象更加明顯，這主要是因為隨著可利用水分的減少，物種間的水分競爭加劇，從而導致生態(tài)位在空間上的分化。

利用式（4）和同位素數(shù)據(jù)，計算了不同深度土壤水分對青土湖濕地蘆葦與白刺植物水的貢獻率，春季（5月）、夏季（7月）和秋季（9月）的結(jié)果見圖7 和圖8。圖中隨深度變化的綠色柱狀圖表示各深度土壤水分對植物水貢獻率的相對大小。由圖可知，離湖距離引起地下水埋深差異是影響植物用水策略的主要因素。當外部水源供應的土壤水分足以供植物吸收利用時，就有可能替代地下水，成為干旱地區(qū)內(nèi)陸植物在干旱期的重要水源。受連續(xù)輸水疊加效應的影響，水面面積逐漸增加，促進蘆葦?shù)葷竦刂参锏纳L。在湖面周圍，蘆葦可以直接利用湖水。隨著距湖面距離的增加，蘆葦?shù)闹饕粗饾u由淺層土壤水向中深層土壤水過渡，最終轉(zhuǎn)變?yōu)闇\層土壤水。白刺也表現(xiàn)出類似的模式。受長期地下水水位上升的影響，湖面附近的白刺既利用淺層土壤水又利用地下水；離湖面較遠的白刺則傾向于利用中層土壤水，這與白刺根系發(fā)育的分布特征密切相關(guān)。但對于距離湖面極遠的植物，如V06、V11 樣地，生態(tài)輸水對植物生境的影響不大，植物用水策略沒有明顯變化。

圖7 剖面1 不同深度土壤水對植物水的貢獻率Fig.7 Contribution rate of soil water at different depths to plant water in profile 1

圖8 剖面2 不同深度土壤水對植物水的貢獻率Fig.8 Contribution rate of soil water to plant water at different depths in profile 2

植物在生態(tài)輸水影響下表現(xiàn)出靈活的水分利用策略，以適應生長環(huán)境的改善。由于生態(tài)輸水發(fā)生在生長季中后期，隨著生長季的推移，青土湖濕地植物的水分脅迫呈先上升后下降的趨勢。受生態(tài)輸水的影響，從春季到夏季再到秋季，青土湖濕地2 種典型植被蘆葦和白刺的吸水層位呈先下降后上升的趨勢，主要是地下水-土壤-地表水之間相互作用形成的土壤水環(huán)境導致的。

4 結(jié)論

（1）夏季末與秋季的生態(tài)輸水會形成較大范圍的湖面，湖水通過入滲補給地下水使得地下水埋深減小，并引起土壤濕度增加；冬春季湖水及土壤凍融有助于減緩地下水水位下降和土壤含水率降低；生態(tài)輸水后形成較低地下水埋深和較高土壤含水率以及植被吸水層位特征，表明生態(tài)水通過儲存在地下水及土壤中而作用于次年的植被恢復與生長；在進行生態(tài)輸水時，增大湖面面積有助于植被覆蓋度的增加。

（2）濕地地表水-土壤-地下水相互作用所形成的土壤水環(huán)境是影響濕地植被類型、根系分布和水分利用策略的主要原因，其中地下水埋深是關(guān)鍵性因素。距離湖面越遠，地下水埋深增大，植被類型種類增多，根系分布深度增加，同時植被更傾向于利用深層土壤水。

總之，本研究基于構(gòu)建的地下水-濕地生態(tài)系統(tǒng)多要素一體化動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡，初步揭示了西北典型內(nèi)陸流域地下水與濕地生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)同演化機制，可為研究區(qū)及其他類似地區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)恢復提供一定的科學依據(jù)。