峰叢洼地植被生態需水定額及其影響因素

吳建強,李 林,譚 娟,郭晉川,王 敏,吳衛熊,白 楊,黃 凱,何令祖

1 上海市環境科學研究院,上海 200233 2 廣西壯族自治區水利科學研究院,南寧 530023 3 河北工程大學水利水電學院,邯鄲 056038 4 中國科學院西雙版納熱帶植物園,勐侖 666303

生態需水是在區域自然資源特別是水土資源開發利用條件下,為維護以河流為核心的流域生態系統動態平衡、避免生態系統發生不可逆的退化所需要的臨界水分條件[1]。植被生態需水是指為保障植被能正常生長、發育或植被生態系統維持健康并發揮正常生態系統服務功能而需要消耗的最低水量[2],被認為是退化生態系統恢復與重建的關鍵[3]。不同的植物類型和物種組成與當地的水資源供給狀況相結合具有不同的需水特征。因此,確定合理的植被生態需水區間,對實現水資源的優化配置和生態環境的可持續發展具有重要意義。目前,植被生態需水的研究在國際上已受到廣泛關注,并已成為生態學、水文學和地理學等研究的熱點[3]。國外對于生態需水的研究主要集中于水生生物生長和河流流量的關系以及河流流量與維持生態系統完整性的關系等方面。而國內現有研究主要集中于西北、華北的干旱、半干旱以及半濕潤地區[4]。如劉新華等[5]以干旱區的塔里木河流域為研究對象,對林地的生態需水特征進行了分析;何永濤等[6]針對黃土高原不同林地類型,計算了不同林地的生態需水定額和適宜生態需水量;周丹等[7]利用荒漠植被面積并參考作物蒸散量(ET0)計算西北干旱區近30年間植被生態需水量,發現該地區植被生態需水量以0.11億m3/a的速率逐年減少,并主要受氣候因素影響;呂明權等[8]通過對東北溝流域植被生態需水量的研究表明,該地區植被生態需水量的直接影響因素是土地利用和景觀格局;湯潔等[9]研究發現不同時空尺度土地利用的改變會破壞區域的水資源供需平衡,從而直接影響區域生態需水量。但是對南部喀斯特峰叢洼地區域的植被生態需水研究卻較少,區域植被生態需水及其主要影響因素有待進一步揭示。

廣西巖溶峰叢洼地區,氣候濕潤、降水充沛,降水變化率大且季節分配不均。但是在大多數區域,山多坡陡、河谷深切,且喀斯特溶裂、漏斗發育,導致地表徑流要么快速流入深切河谷,要么快速進入地下水,難以被地表植被利用,植被對水分的調節作用也較小。加之土層淺薄、儲水能力低、入滲系數大,常常出現蒸發量大于降雨量的情況。因此,這一地區水分虧缺嚴重,生態需水不足問題顯得尤為突出。

本研究以廣西田東縣作為巖溶峰叢洼地區的典型代表,基于水文、氣象及地理條件等資料,結合野外實地觀測和植被生態需水定量計算模型構建,研究峰叢洼地不同植物類型在不同時間段的生態需水和生態缺水定額,以期為該區域水資源的高效利用、優化配置與生態環境可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區域位于廣西百色市田東縣(23°16′—24°01′ N,106°53′—107°26′ E),縣域內峰叢洼地地貌區面積為510.79 km2,占縣域總面積的18.19%,是廣西巖溶峰叢洼地的典型代表[10]。屬南亞熱帶季風氣候區,年均氣溫21.9℃,年均降水量1172.3 mm,年均蒸發量1774.7 mm,蒸發量大于降水量,干熱是區域主要的氣候特點。區域內峰叢洼地地形主要表現為四周挺拔的山峰,封閉其間的是較為平直的洼地,相對高差通常為200—300 m,最高可達600 m。該區域人地矛盾突出,人為干擾強烈,水土流失嚴重,生態環境惡化,植被覆蓋率較低,加之土層淺薄,土壤入滲系數大,降水經地表快速進入地下,難以被地表植被吸收,生態缺水現象嚴重。

1.2 研究方法

1.2.1 植被生態需水定額計算方法

植被生態需水定額受植被類型、氣候及土壤水分等因素綜合影響[11]。本研究采用國際通用的Penman-Monteith公式[12]來計算植被生態需水定額。

ETq=Ks×Kt×ET0

(1)

式中,ETq為植被生態需水定額(mm);Kt為植被生態耗水系數,即植被最大需水量與潛在耗水量的比例系數;Ks為土壤水分調節系數;ET0為植被潛在蒸散量(mm)。

1.2.2 植被生態缺水定額計算方法

植被生態缺水定額(Q)根據植被生態需水定額與水分供給特征計算[13],如下式所示：

Q=ETq-α·P

(2)

式中,P為研究區實際的降水量,mm;α為降雨入滲系數。

1.2.3 植被潛在蒸散量計算方法

根據聯合國農糧組織(FAO)的定義,植被潛在蒸散量是指從表面開闊、高度一致、生長旺盛、供水充足、完全遮蓋地面8—15 cm高的綠色草地上所蒸發、騰發的速率[14],它主要與當地的氣候條件有關。根據研究區域多年氣象資料,采用FAO推薦的Penman-Monteith公式進行計算,公式如下：

(3)

式中,ET0為植被潛在蒸散量(mm);Δ為飽和水汽壓對溫度曲線的斜率(kPa/℃);Rn為參考作物表面凈輻射(MJ m-2d-1);G為土壤熱通量(MJ m-2d-1);γ為干濕表常數(kPa/℃);es為飽和水汽壓(kPa);ea為實際水汽壓(kPa);U2為地表2 m的平均風速(m/s)。

1.2.4 植被生態耗水系數計算方法

植被生態耗水系數計算公式[15-16]：

Kt=MDVI×k

(4)

式中,MDVI是植被覆蓋度,%;k是植被生態耗水校正系數。

1.2.5 土壤水分調節系數計算方法

土壤水分調節系數與土壤含水量及土壤質地有關,反映了土壤水分條件對植物蒸散量的影響,采用Jensen公式計算土壤水分調節系數[7]：

(5)

式中,S為土壤的實際含水量(g/kg);S*為土壤臨界含水量(g/kg),一般為田間持水量的70%—80%;Sw為土壤凋萎含水量(g/kg)。

Sw=f×(1.34—1.5)

(6)

式中,f為土壤吸濕系數,%。土壤吸濕系數及田間持水量均需現場采集原狀土樣后進行測定。

當土壤水分充足時,植物蒸散速率與土壤水分含量無關,植物蒸散速率取決于氣象因素和植物類型,取值1.0,在此情況下,實際蒸散量即為潛在蒸散量,也就是植被最大需水定額。研究表明,田間持水量的70%是比較適耕、適播的土壤含水量。根據土壤水分數量指標的劃分,毛管斷裂含水量是植被灌溉的下限,大致相當于田間持水量的65%左右。因此可將田間持水量的70%和毛管斷裂含水量時的植被耗水量分別作為植被的適宜和最小生態需水量,由此確定植被生態需水定額等級[11],如表1所示。

1.2.6 植物群落調查

2015年1月,在田東縣峰叢洼地研究區域開展植被樣方調查,結合海拔垂直梯度及坡度坡向變化,隨著海拔由低到高,樣區植物群落呈現明顯的農作物-草本-灌木-喬木的演替規律,其主要優勢植物群落分別為：甘蔗(Saccharumofficinarum)群落、五節芒(Miscanthusfloridulus)群落、灰毛漿果楝(Cipadessacinerascens)群落和青岡(Cyclobalanopsisglauca)群落。

表1 植被生態需水定額等級

1.2.7 野外觀測方法

(1)觀測時間及樣地設置

分別于2015年冬(1月)、春(4月)、夏(8月)和秋(11月)4個季節,開展田東縣峰叢洼地樣區優勢植物群落實地觀測。每個群落在相同海拔高度各選擇3個樣地,大小分別為青岡20 m×20 m,灰毛漿果楝10 m×10 m,五節芒和甘蔗2 m×2 m,現場記錄各樣地海拔、坡向、坡度及植物群落高度、蓋度、物種組成等指標。

(2)蒸騰速率測定

采用美國LI-COR公司的LI- 6400便攜式光合呼吸測量系統測定植物蒸騰速率,測定時間均為晴朗天氣的9:00—10:00間。每個樣地選取3株長勢良好、無病蟲害的植物作為樣木,每株樣木再分別選取高、中、低3片健康葉片進行蒸騰速率測定,每個葉片連續采集6個穩定的數據,測定結果取其平均值。

(3)葉面積指數測定

采用美國LI-COR公司的LAI- 2200植物冠層分析儀對每個樣地的葉面積指數LAI進行觀測。每個樣地沿對角線測定3次,每次記錄10個數據,單次測定結果取其平均值。

(4)環境因子測定

環境因子主要測定土壤容重、土壤含水率、土壤吸濕系數、田間持水量和空氣溫濕度等指標,每個樣地均重復測定3次。其中,土壤容重采用環刀法,在樣地樣木周邊去除表面凋落物后,采用100 cm3環刀采集好土壤后帶回實驗室測定;土壤含水率采用烘干法,在各樣地樣木附近采集0—20 cm深度的土樣80—100 g,現場去除根系和雜物并測定濕重后,即刻帶回實驗室在105℃下烘干至恒重,通過計算獲取;土壤吸濕系數則是同樣在各樣地樣木附近采集0—20 cm深度土樣100 g,帶回實驗室烘干至恒重后置于敞開空間,自由吸收空氣水分至飽和后稱重,通過計算獲取;田間持水量按NY/T1121.1規定的方法,在各樣地樣木附近用100 cm3環刀采集原狀土樣后,帶回實驗室測定并通過計算獲得;空氣溫濕度采用手持式RS溫濕度計在測定植物蒸騰速率的同時進行測定。

1.2.8 數據分析方法

利用SPSS軟件,采用單因子分析法,揭示植被生態需水定額與環境因子之間及各環境因子相互之間的關系。采用多元線性逐步回歸方法分析現場觀測數據,確定植被生態需水定額的主要影響因子及其影響程度。

2 結果與分析

2.1 植被生態需水定額

基于4種優勢植物群落樣地植被生理生態、環境因子的測定結果,計算不同植被的最佳生態需水、適宜生態需水和最小生態需水定額,結果如圖1所示?？芍?4種植物群落最大、適宜、最小生態需水定額在不同季節呈現同樣的規律,均是8月份最大,1月份最小;甘蔗群落年度月均最大、適宜和最小生態需水定額分別為26.23、18.36 mm和17.05 mm,五節芒群落分別是36.85、25.80 mm和23.95 mm,灰毛漿果楝群落分別是23.99、16.80 mm和15.60 mm,青岡群落分別是34.71、24.30 mm和22.56 mm;4種植物群落最大生態需水定額明顯高于適宜生態需水定額,兩者相差均達7.00 mm以上,而適宜與最小生態需水定額相差較小,均小于2.00 mm。整體而言,灰毛漿果楝群落在整個生長周期的生態需水定額均小于其他3個植物群落,說明灰毛漿果楝在整個生長過程中滿足自身生長所需的水分為4種植物中最低;而五節芒群落則是最高,說明與其他3種植物相比,五節芒需要更多的水分才能維持其正常生長。

圖1 不同植物生態需水定額對比Fig.1 The comparison of vegetation ecological water requirements quota

根據式(2)計算獲得4種植物群落生態缺水定額如表1所示。結果顯示,4種植物群落的生態缺水定額也均是8月份最高,11月份次之,1月份最低;甘蔗群落年度月均最大、適宜和最少生態缺水定額分別為19.64、11.77 mm和10.46 mm,五節芒群落分別是30.26、19.21 mm和17.37 mm,灰毛漿果楝群落分別是17.40、10.20 mm和9.00 mm,青岡群落分別是28.12、17.71 mm和15.97 mm。同樣,五節芒的生態缺水定額最高,灰毛漿果楝最低,說明4種植物整個生長過程中,五節芒缺水狀況比較嚴重,而灰毛漿果楝缺水量則相對較低。

表2 田東樣點不同植被類型生態缺水定額特征

2.2 植被生態需水影響因子分析

2.2.1 單因子分析

借助SPSS軟件,采用單因子分析方法,揭示植被生態需水定額與植物生理生態、環境因子之間,以及各因子之間的關系,結果如表2所示。植被生態需水定額與葉面積指數、植被覆蓋度、空氣溫度和土壤容重等均呈現出極顯著的正相關關系(P<0.01),相關系數分別為0.68、0.70、0.51和0.63;與土壤田間持水量則呈現出顯著負相關,相關系數為-0.417(P<0.05)。各影響因子間也呈現出了不同的相關關系,如植被覆蓋度和葉面積指數之間呈現極顯著的相關性(P<0.01,R2=0.55),而海拔與大氣壓之間呈極顯著負相關(P<0.01,R2=-0.88),表明這些因子之間并不是相互獨立的,而是相互影響的。進而說明植被葉面積指數、覆蓋度以及土壤容重、含水率等因子并不是獨立作用于植被生態需水定額,而是通過相互作用產生的綜合影響。

表3 植被生態需水單因子分析

**表示極顯著水平,P<0.01;*表示顯著水平,P<0.05

2.2.2 多元回歸分析

影響植被生態需水定額的各因子間具有較高的相關性,說明它們之間可能存在嚴重的自相關,為進一步研究影響植被生態需水定額的關鍵因子及其影響程度,采用多元線性逐步回歸,對數據進行分析,結果如表3所示。

由表3可知,僅有植被覆蓋度、土壤容重、土壤含水率和潛在蒸散4個指標被選入預測模型,相關水平均達到了極顯著(P<0.01),說明這4個指標是影響植被生態需水定額的主要指標。從相關系數來看,植被覆蓋度的回歸系數最大,達到25.39,說明其對植被生態需水定額的影響最大;其次是土壤容重,回歸系數為15.45。

結合多元線性逐步回歸分析的結果,得出植被生態需水定額的預測模型,模型的R2= 0.913,說明入選模型的因子對植被生態需水定額能進行很好的預測。

ETq=-62.98+25.39VC+15.45SBD+0.755SWC+0.379ET0(R2= 0.913)

(7)

式中,ETq為植被生態需水定額;VC為植被覆蓋度;SBD為土壤容重;SWC為土壤含水率;ET0為植被潛在蒸散量。

表4 植被生態需水多因子回歸分析(R2 = 0.913)

3 討論

作為生態需水研究的重要組成內容,植被生態需水可為區域植被生態恢復和重建提供重要科學依據[17]。本研究選取的巖溶峰叢洼地區域石漠化及水土流失嚴重,生態環境惡劣,植被退化較為明顯[18],因此,開展該區域植被生態需水研究顯得尤為必要。自然植被具有較強的水源涵養功能[19-21],它可能通過冠層截留、枯枝落葉層截持和土壤保持等方式對降水進行截留[22-23],從而消減降水進入地下水或形成地表徑流的量,這對于生態缺水嚴重的廣西巖溶峰叢洼地區域的植被來說是非常重要的。因此,為實現生態系統和水資源的可持續和高效管理,應充分發揮自然植被的水源涵養功能。而優化配置植被種類與構成,是充分發揮植被水源涵養功能的重要舉措。例如,郭軍庭等[24]對晉西黃土區小流域現有林分進行調整,從而使其水源涵養功能提高了35.99%。陳祥偉等[25]運用層次分析法對嫩江上游二道橋小流域水源涵養林植被的空間配置結構進行優化,使其土壤層有效貯水量提高了33.05%,水源涵養能力顯著增加。

然而,峰叢洼地區域獨特的水文特征,主要表現為石灰性淋溶系數大,水土流失嚴重。該區域的植被常受溫濕、降水時空分布不均的限制,導致地帶性植被退化、種屬減少、結構單一的格局。盡管本研究中選用的優勢植物,在其他區域也有分布,但獨特的區域特征,形成了這些植被獨特的需水習性[26]。本研究結果表明,草本植物五節芒,在整個生長周期內,生態需水定額最大,其次是喬木青岡,灌木灰毛漿果楝的生態需水定額最小。因此,該區域植被生態恢復應選擇以灌木為主喬木為輔的植物群落結構,如灰毛漿果楝、青岡等。本研究結果部分得出了4種優勢植物在不同季節的最小生態需水定額,說明了不同的植物對水分需要的最低狀態及其敏感性。而從不同植被生態缺水的情況來看,8月的生態缺水定額最多,尤其是五節芒。當水分供給低于最小生態需水定額時,植物的生長就會受到抑制,并導致該區域的植被與生態退化。說明在炎熱的夏季,雖然降雨量有所增加,但是在高溫狀態下,植物和地表蒸散量也顯著提高,在地層不保水的巖溶峰叢洼地區,就會使得植物缺水現象更加凸顯,水分的保持和水資源的合理配置,在高溫季節對于維持植被生態需水就顯得尤為重要。

優化群落中植物配置可從較大尺度上緩解區域水資源短缺狀況,然而不同植物對環境因子有著不同的適應性,通過分析不同環境因子對峰叢洼地區植被生態需水定額的影響研究,則可為該區域的植被生態需水調控提供理論指導。本研究表明,該區域植被生態需水定額與植被覆蓋度、葉面積指數、土壤容重、空氣溫度呈極顯著正相關(P<0.01),與土壤含水率呈顯著正相關(P<0.05),而與田間持水量呈顯著負相關(P<0.05)。逐步回歸分析結果表明,植被覆蓋度、土壤容重、土壤含水率和潛在蒸散4個因子入選回歸方程,且能解釋91.3%的植被生態需水定額的變化。這說明,在消除各環境因子之間的自相關關系后,最終確定對植被生態需水定額產生影響的環境因子為植被覆蓋度、土壤容重和土壤含水率,其中植被生態需水則與植被覆蓋度呈正比。相關研究也表明,地表徑流量隨植被覆蓋度的增加而減少[8,27-28]。因此,在植被恢復過程中,可通過人為調控植被覆蓋度以確定地表徑流和植被生態需水之間的平衡點,從而緩解區域生態缺水問題。而植被生態需水定額之所以與土壤容重和土壤含水率呈正比,可能是因為土壤容重越大,土壤越緊實且儲水能力也越低,土壤含水率也隨之降低[29-31],而植被生長所需的其他水分反而增大;而植被生態需水定額與田間持水量成負相關,則是因為它與土壤水分調節系數成反比,而土壤水分調節系數與土壤臨界水量(田間持水量的70%—80%計)成反比所致,究其原因,田間持水量越高,植物可利用水分越多,調節系數也就越小,從而需水定額就會降低。由此可見,峰叢洼地區土壤結構的改良對緩解區域生態缺水也尤為關鍵。

4 結論

(1)從不同生長周期來看,峰叢洼地區4種典型植物群落生態需水定額均呈現出夏季最高、冬季最低的變化趨勢;就不同植物類型而言,灰毛漿果楝群落月均最大、適宜和最小生態需水定額最低,分別為23.99、16.80 mm和15.60 mm,五節芒群落則最大,分別為36.85、25.80 mm和23.95 mm。而植被生態缺水定額呈現出與需水定額一致的變化規律。

(2)相關性分析表明,植被生態需水定額與植被覆蓋度、葉面積指數、空氣溫度和土壤容重呈極顯著正相關,而與土壤田間持水量呈顯著負相關;且各影響因子之間也存在一定的相關關系,表明植物生理生態和環境因子對植被生態需水定額的影響是綜合而非獨立的。

3)逐步回歸分析表明,峰叢洼地區植被生態需水定額的預測模型為ETq=-62.98+25.39VC+15.45SBD+0.755SWC+0.379ET0,R2= 0.913),回歸系數從大到小的因子依次是植被覆蓋度、土壤容重、土壤含水率以及潛在蒸散,該模型能較好地對植被生態需水定額進行預測。