張艷婷,張建軍?,吳曉洪,王建修,段豐沛

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,100083,北京;2.重慶市禾佳香料植物開(kāi)發(fā)有限公司,404000,重慶;3.重慶開(kāi)縣林業(yè)局,405400,重慶開(kāi)縣;4.北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,100083,北京)

長(zhǎng)江三峽工程是當(dāng)今世界上最大的水利樞紐工 程之一,由于防洪、發(fā)電、通航功能的需要,庫(kù)區(qū)水位每年在145～175 m之間交替變化,形成30 m高差、面積達(dá)350 km2的消落帶。三峽庫(kù)區(qū)消落帶面積大,水淹時(shí)間長(zhǎng),具有“冬水夏陸”的特點(diǎn)[1]。由于水庫(kù)水位在一年中周期性漲落,從而產(chǎn)生了水生生態(tài)系統(tǒng)和陸生生態(tài)系統(tǒng)交替出現(xiàn)的現(xiàn)象[2],所以,陸生植物或水生植物并不能完全適應(yīng)消落帶這種環(huán)境條件;又因消落帶長(zhǎng)期處于完全水淹狀態(tài),植物幾乎全部死亡,這對(duì)消落帶的生態(tài)安全造成了嚴(yán)重的威脅[3-4]。正是由于消落帶的這種特殊性,消落帶內(nèi)產(chǎn)生了許多生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,如生物多樣性急劇減少、污染加劇、水土流失嚴(yán)重等[5-7],因此,消落帶治理仍然是世界性難題之一。

近年來(lái),諸多學(xué)者對(duì)三峽庫(kù)區(qū)耐淹植物種蘆葦[6](Phragmites australis)、狗牙根[8](Cynodondactylon)、楓楊[9](Pterocarya stenoptera)等進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),探討其耐淹性,但是很少有在消落帶內(nèi)栽植耐淹植物開(kāi)展長(zhǎng)期沒(méi)頂淹沒(méi)的研究。張建軍等[10]通過(guò)在三峽庫(kù)區(qū)重慶開(kāi)縣157～175 m高程范圍內(nèi)栽植1年生桑(Morus alba)樹苗,對(duì)桑樹的耐淹性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在170～175 m高程范圍內(nèi),桑樹萌發(fā)率可達(dá)62%,而在170 m高程以下的消落帶內(nèi),桑樹保存率很低,初步發(fā)現(xiàn)桑樹的耐淹極限為150 d。該研究為通過(guò)生物措施解決消落帶生態(tài)壞境問(wèn)題提供了很多經(jīng)驗(yàn)與理論;但是,由于消落帶范圍在145～175 m高程之間,170 m高程以下的消落帶還有哪些植物能夠存活和生長(zhǎng),這是三峽庫(kù)區(qū)生物治理消落帶中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。中山杉(Taxodium hybrid‘zhongshanshan’)是由江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所通過(guò)原產(chǎn)北美洲和墨西哥的落羽杉(Taxodium distichum(L.)Rich.)、池杉(Taxodiumascendens.Brongn)3個(gè)樹種進(jìn)行雜交培育出來(lái)的優(yōu)良品種,其耐淹性要優(yōu)于池杉,具有良好的耐水濕特性[11],又有耐堿性強(qiáng)、生長(zhǎng)快的優(yōu)良性狀[12-13],可應(yīng)用于濕地的恢復(fù)與構(gòu)建[14]。為了研究利用中山杉進(jìn)行三峽庫(kù)區(qū)消落帶生物治理的可能性,筆者于2012年4月,在三峽庫(kù)區(qū)重慶萬(wàn)州長(zhǎng)江主河道壤渡鎮(zhèn)高村新月灣的消落帶內(nèi)栽植了2年生的中山杉,利用三峽水庫(kù)水位的漲落變化研究中山杉的耐淹性,以判明中山杉的耐淹極限,提出消落帶內(nèi)中山杉適宜栽植的高程范圍,從而為三峽庫(kù)區(qū)消落帶的生物治理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶萬(wàn)州長(zhǎng)江干流壤渡鎮(zhèn)高村新月灣的消落帶內(nèi),地理坐標(biāo)為 E107°52′22″～ 108°53′25″,N30°24′25″～ 31°14′58″,屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年均降雨量為1 181.2 mm,每年5—9月降雨量約占全年降雨量的60% ～70%,屬典型丘陵地帶。全年氣候溫暖,雨量充沛,四季分明,無(wú)霜期長(zhǎng)達(dá)230 d左右。年平均氣溫18℃,最高氣溫42℃,最低氣溫9℃。研究區(qū)的消落帶類型為緩坡消落帶,坡度小于25°,高程范圍在162～175 m之間,土壤類型為紫色土,原土地利用類型包括水稻田、宅基地和坡耕地。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2012年5月,當(dāng)三峽水庫(kù)水位下降到160 m后,在高程為163～174 m的消落帶內(nèi)采用穴狀整地方式,按照3 m×3 m的株行距栽植2年生的中山杉,所栽中山杉基本信息見(jiàn)表1。2014年3月上旬,當(dāng)三峽庫(kù)區(qū)水位下降到162 m時(shí),對(duì)栽植在高程163～174 m消落帶內(nèi)的中山杉的保存率和生長(zhǎng)狀況進(jìn)行調(diào)查。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

調(diào)查時(shí)通過(guò)長(zhǎng)江干流岸邊設(shè)置的175 m水位線和水位樁,采用斷面測(cè)量方法確定每棵中山杉所在高程,利用塔尺測(cè)定樹高,利用圍尺測(cè)定胸高直徑,通過(guò)測(cè)試枝條的柔軟度和萌芽情況判斷中山杉存活狀況(調(diào)查時(shí)中山杉已經(jīng)萌芽),同時(shí)記錄中山杉所在地塊的原土地利用類型和坡度(表1)。

在高程為164、172和176 m的消落帶內(nèi),選擇典型部位挖土壤剖面進(jìn)行土壤調(diào)查,在每個(gè)土壤剖面上分別在0～5、5～10、25～30 cm處用100 mL的環(huán)刀取原狀土,之后帶回室內(nèi)進(jìn)行土壤密度和孔隙度的測(cè)定。

在消落帶內(nèi)利用插釬法調(diào)查坡面的侵蝕量,于2013年9月三峽水庫(kù)蓄水前,在170～172 m高程范圍內(nèi)20°的坡面上布設(shè)了100根鋼釬,2014年3月上旬,對(duì)每根鋼釬進(jìn)行調(diào)查,以確定消落帶坡面的侵蝕量。

2.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

消落帶不同高程處的水淹時(shí)間和水淹深度是利用中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司公布的數(shù)據(jù)[15]得出,具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

2.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和表格繪制,用SPSS進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,用Origin8.0作圖。

表1 各高程栽植中山杉基本信息Tab.1 Basic information of Taxodium hybrid ‘Zhongshanshan’ planted at different elevations

表2 不同高程消落帶中山杉的水淹時(shí)間Tab.2 Submerging time of Taxodium hybrid ‘Zhongshanshan’ along the water-fluctuation belt at different elevations

3 結(jié)果與分析

3.1 水淹深度和水淹時(shí)間對(duì)中山杉保存率的影響

表3為萬(wàn)州壤渡鎮(zhèn)高村新月灣消落帶中山杉保存率調(diào)查表?？芍?高程為164和168 m的消落帶內(nèi)有少數(shù)幾株中山杉死亡,保存率分別為91.7%和94.4%,其他高程的消落帶內(nèi)中山杉全部存活,調(diào)查區(qū)的平均保存率為98.1%;174～163 m高程的消落帶水淹時(shí)間長(zhǎng)達(dá)41～168 d,在水淹時(shí)間超過(guò)1個(gè)月的條件下,中山杉的保存率仍保持很高?？梢?jiàn),經(jīng)過(guò)2次175 m水位的淹沒(méi)后,中山杉表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐淹性。通過(guò)調(diào)查,初步發(fā)現(xiàn)水淹深度與水淹時(shí)間對(duì)中山杉保存率沒(méi)有較大影響。

尤其是在高程為163 m的消落帶內(nèi),中山杉經(jīng)過(guò)2次175 m水位的沒(méi)頂淹沒(méi)且每次水淹時(shí)間長(zhǎng)達(dá)168 d后,保存率仍為100%?？梢?jiàn),中山杉具有極強(qiáng)的耐水淹特性,能夠在12 m深的水中忍耐長(zhǎng)達(dá)168 d的沒(méi)頂水淹,可作為生物治理三峽庫(kù)區(qū)消落帶的造林樹種。

表3 不同高程中山杉保存率Tab.3 Preserving rate of Taxodium hybrid ‘Zhongshanshan’_______at different elevations

表4 不同坡度中山杉保存率Tab.4 Preserving rate of Taxodium hybrid ‘Zhongshanshan’_______at different gradients

3.2 坡度和原土地利用類型對(duì)中山杉保存率的影響

表4為不同坡度條件下中山杉的保存率統(tǒng)計(jì)表?？梢钥闯?在坡度較緩(＜5°)的消落帶內(nèi),中山杉的保存率為100%,5°～10°的消落帶內(nèi)中山杉保存率為96.4%,10°～15°的消落帶內(nèi)中山杉保存率為91.4%,而15°～20°的消落帶內(nèi)中山杉保存率也高達(dá)100%?？梢?jiàn),不同坡度的消落帶內(nèi)中山杉保存率不同,但無(wú)明顯規(guī)律。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知,不同坡度的消落帶內(nèi)中山杉保存率差異顯著(P＜0.05),說(shuō)明坡度對(duì)中山杉的保存率存在顯著影響,但消落帶的坡度與中山杉保存率之間的內(nèi)在關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

表5為消落帶不同原土地利用類型條件下中山杉保存率。可見(jiàn),只在坡耕地有少數(shù)中山杉死亡,其他消落帶原土地利用類型上栽植的中山杉保存率均為100%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出,栽植在不同消落帶原土地利用類型上的中山杉,其保存率差異性不顯著(P＞0.05)。這說(shuō)明消落帶的原土地利用類型對(duì)中山杉的保存率并無(wú)顯著影響,中山杉可以栽植在消落帶內(nèi)各種土地利用類型上。

表5 不同原土地利用類型中山杉保存率Tab.5 Preserving rate of Taxodium hybrid ‘Zhongshanshan’_______under different original land use types

3.3 水淹深度和水淹時(shí)間對(duì)中山杉樹高的影響

表6為不同高程的消落帶內(nèi)中山杉樹高胸徑統(tǒng)計(jì)表?？梢钥闯?消落帶內(nèi)各高程上栽植的中山杉平均樹高均超過(guò)了3.5 m,平均樹高最大值(3.88 m)出現(xiàn)在174 m高程的消落帶內(nèi),同時(shí)樹高的最大值(6.5 m)出現(xiàn)在163 m的高程范圍內(nèi)。

圖1為不同高程的消落帶內(nèi)中山杉平均樹高與水淹深度的對(duì)比圖?？梢钥闯?中山杉的平均樹高在各高程范圍內(nèi)變化比較平穩(wěn),并沒(méi)有隨著水淹深度的增加而減小,其中一個(gè)原因可能是因?yàn)樵?67 m深、水淹時(shí)間為128 d時(shí)(表6),這段時(shí)間大致是每年10月中旬至次年2月上中旬(表2顯示,出露時(shí)間為2014-02),植物正好處于冬季休眠期;因此,在167～175 m段,水淹時(shí)間和水淹深度基本上對(duì)植物高生長(zhǎng)沒(méi)有太大影響;而植物生長(zhǎng)旺季在每年3月至8月,此時(shí)示范區(qū)土地已基本全部露出,因此,樹高的變化差異不大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出,不同水淹深度(水淹時(shí)間)下中山杉的樹高不存在顯著性差異(P＞0.05),即水淹深度(水淹時(shí)間)對(duì)中山杉的高生長(zhǎng)不存在顯著影響。但最大樹高總體呈減少趨勢(shì),而最小樹高總體呈增加趨勢(shì),胸徑也具有相同的變化。這可能與不同高程的坡度地形條件、樣本數(shù)等信息有關(guān),但具體原因還需要進(jìn)一步研究。

3.4 坡度和原土地利用類型對(duì)中山杉樹高的影響

表7為不同坡度的消落帶上栽植的中山杉平均樹高與平均胸徑統(tǒng)計(jì)表?？梢钥闯?5°以下的消落帶內(nèi)栽植的中山杉平均樹高為3.61 m,5°～10°的消落帶內(nèi)栽植的中山杉平均樹高為3.83 m,10°～15°的消落帶內(nèi)栽植的中山杉平均樹高為3.77 m,15°～20°的消落帶內(nèi)栽植的中山杉平均樹高為3.63 m?？芍?經(jīng)過(guò)2次175 m水位的淹沒(méi)后,中山杉保存率與消落帶坡度之間無(wú)明顯規(guī)律,但經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出,不同坡度的消落帶上生長(zhǎng)的中山杉樹高存在顯著性差異(P＜0.05)?？梢?jiàn)坡度對(duì)中山杉高生長(zhǎng)存在一定的影響,但其內(nèi)在關(guān)系還有待進(jìn)一步探討。

表8為不同消落帶原土地利用類型條件下中山杉樹高和胸徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？梢?jiàn),不同消落帶原土地利用類型上栽植的中山杉平均樹高的差異不大,經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出,消落帶原土地利用類型對(duì)中山杉高生長(zhǎng)沒(méi)有顯著影響(P＞0.05)。

表6 不同高程中山杉樹高胸徑Tab.6 Tree height and DBH of Taxodium hybrid‘Zhongshanshan’ planted at different elevations

圖1 不同高程中山杉平均樹高與水淹深度對(duì)比圖Fig.1 Average tree height and water depth of Taxodium hybrid ‘Zhongshanshan’ at different elevations

表7 不同坡度消落帶上栽植的中山杉樹高與胸徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.7 Tree height and DBH of Taxodium hybrid‘Zhong-________shanshan’planted under different gradients

表8 中山杉不同消落帶原土地利用類型樹高胸徑統(tǒng)計(jì)表Tab.8 Tree height and DBH of Taxodium hybrid‘Zhongshan-______shan’planted under different original land use types

3.5 水淹深度和水淹時(shí)間對(duì)中山杉胸徑的影響

由表6可知,消落帶內(nèi)各高程栽植的中山杉平均胸徑均超過(guò)了4 cm,平均胸徑最大值(5.13 cm)出現(xiàn)在172 m高程范圍內(nèi),最小值(4.18 cm)出現(xiàn)在169 m高程,其差值為0.95 cm。調(diào)查的所有中山杉中,胸徑最大值為8.2 cm(高程為163 m),胸徑最小值為3.0 cm(高程為163 m)。由圖2可以看出,中山杉胸徑隨高程的增加呈現(xiàn)總體增大的趨勢(shì),經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出,不同水淹深度(水淹時(shí)間)條件下中山杉的胸徑存在顯著性差異(P＜0.05)。這表明水淹深度(水淹時(shí)間)對(duì)中山杉的胸徑生長(zhǎng)存在顯著影響,但二者之間的關(guān)系還有待于進(jìn)一步研究。

圖2 不同高程中山杉平均胸徑Fig.2 Average DBH of Taxodium hybrid ‘Zhongshanshan’planted at different elevations

3.6 坡度和原土地利用類型對(duì)中山杉胸徑的影響

由表7可知,5°以下消落帶內(nèi)栽植的中山杉平均胸徑為4.35 cm,5°～10°的消落帶內(nèi)栽植的中山杉平均胸徑為4.61 cm,10°～15°的消落帶內(nèi)栽植的中山杉平均胸徑為4.59 cm,15°～20°的消落帶內(nèi)栽植的中山杉平均胸徑為4.18 cm。經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出,不同坡度下中山杉胸徑間存在顯著性差異(P＜0.05),即消落帶的坡度對(duì)中山杉的胸徑生長(zhǎng)有顯著影響,但二者之間的關(guān)系還有待于進(jìn)一步研究。

由表8可知,栽植在消落帶不同原土地利用類型上的中山杉平均胸徑間差異不大,經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出,消落帶原土地利用類型對(duì)中山杉胸徑生長(zhǎng)沒(méi)有顯著性影響(P＞0.05)。

3.7 水淹后中山杉生理變化

中山杉是落葉喬木樹種,經(jīng)過(guò)沒(méi)頂水淹后大多數(shù)中山杉葉子全部脫落,但在本次調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了5棵退水后仍保持整株全綠的植株,這5株中山杉的生長(zhǎng)環(huán)境見(jiàn)表9。這5株中山杉中有2株生長(zhǎng)在水淹時(shí)間超過(guò)了100 d、高程在170 m以下的消落帶,另外3株的淹沒(méi)時(shí)間也都超過(guò)了30 d。尤其是在水淹時(shí)間為154 d的165 m高程范圍內(nèi)有1株中山杉退水后仍保持全綠狀態(tài),其樹高是3.3 m,胸徑是3.7 cm,水淹深度達(dá)到了10 m;170 m高程范圍內(nèi)保持全綠狀態(tài)的中山杉水淹時(shí)間也達(dá)到了100 d,水淹深度5 m。這些保持全綠的中山杉與其他落葉的中山杉一樣,均為2012年5月栽植的苗木,在調(diào)查時(shí)已經(jīng)被水位為175 m的庫(kù)區(qū)蓄水周期性地淹沒(méi)了2次(2012-10—2013-03、2013-09—2014-03),目前生長(zhǎng)狀況良好,這5棵全綠中山杉為將來(lái)消落帶生物治理時(shí)常綠樹種的選育奠定了基礎(chǔ)。

表9 退水后全綠中山杉基本信息Tab.9 Basic information of Taxodium hybrid ‘Zhongshanshan’ that was still green after water-break

3.8 消落帶土壤物理性質(zhì)及土壤侵蝕

通過(guò)在高程176、172和164 m消落帶內(nèi)進(jìn)行土壤調(diào)查發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)水淹的土壤,在水壓力作用下土壤逐漸變得緊實(shí),土壤密度增大,如176、172和164 m高程的土壤密度分別為1.38、1.42和1.58 g/cm3,總孔隙度減小,如176、172和164 m高程的總孔隙度分別為44.1%、42.0%和38.9%?？梢?jiàn),隨著水淹深度和水淹時(shí)間的加大,土壤孔隙狀況將變差,會(huì)影響中山杉的生長(zhǎng)。

三峽水庫(kù)從2013年9月蓄水開(kāi)始到2014年3月調(diào)查時(shí)為止,因波浪侵蝕造成的土壤流失量高達(dá)3萬(wàn)5 600.82 t/km2。可見(jiàn),即使栽植了中山杉,土壤侵蝕仍比較嚴(yán)重。

4 結(jié)論與建議

1)中山杉具有極強(qiáng)的耐淹性,能夠在163 m高程(水淹時(shí)間長(zhǎng)達(dá)168 d)以上的消落帶內(nèi)正常生長(zhǎng),具有很好的適應(yīng)性。

2)水淹深度與水淹時(shí)間不會(huì)對(duì)中山杉的高生長(zhǎng)產(chǎn)生較大影響,但對(duì)于胸徑的生長(zhǎng)存在一定影響。消落帶坡度與原土地利用類型對(duì)于中山杉樹高胸徑有不同的作用,前者對(duì)中山杉高生長(zhǎng)與胸徑生長(zhǎng)具有一定的影響,但后者對(duì)其樹高胸徑生長(zhǎng)沒(méi)有影響。

3)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的水淹后,中山杉的生理特性有可能發(fā)生改變,調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的5株水淹后仍然保持全綠的中山杉將對(duì)其選育產(chǎn)生重大影響,可以作為水淹脅迫對(duì)樹木生理特性影響的樣本進(jìn)行深入研究,也可以利用這5株中山杉進(jìn)行無(wú)性繁育,培育“常綠”的中山杉,這樣就可以在三峽水庫(kù)退水后在長(zhǎng)江沿岸的消落帶內(nèi)形成常綠的防護(hù)林帶,從而在生物治理消落帶的同時(shí)形成綠色的生態(tài)屏障。

4)隨著水淹深度和水淹時(shí)間的增加,土壤的物理性質(zhì)將會(huì)變差,這對(duì)于退水后中山杉盡快恢復(fù)生長(zhǎng)十分不利,因此,建議對(duì)水淹后中山杉栽植穴進(jìn)行松土,以改善土壤的孔隙狀況和通氣性。

5)三峽水庫(kù)蓄水后由于行船和風(fēng)浪在消落帶內(nèi)很容易造成土壤侵蝕,如果不采取有效措施,即使栽植了中山杉,消落帶內(nèi)的水土流失也比較嚴(yán)重。因此,在栽植中山杉的同時(shí),建議在中山杉的株間、行間混交耐淹的飼料?；蚬费栏葮洳莘N,形成對(duì)消落帶地面的有效覆蓋,防止波浪對(duì)消落帶的侵蝕。

中山杉是耐淹性極強(qiáng)的樹種,但是具體的耐淹機(jī)制以及各環(huán)境因素對(duì)中山杉的影響仍需要進(jìn)一步研究。