长江三峡库区消落带中山杉耐淹试验

张艳婷,张建军†,吴晓洪,王建修,段丰沛

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.重庆市禾佳香料植物开发有限公司,404000,重庆;3.重庆开县林业局,405400,重庆开县;4.北京林业大学经济管理学院,100083,北京)

长江三峡工程是当今世界上最大的水利枢纽工 程之一,由于防洪、发电、通航功能的需要,库区水位每年在145～175 m之间交替变化,形成30 m高差、面积达350 km2的消落带。三峡库区消落带面积大,水淹时间长,具有“冬水夏陆”的特点[1]。由于水库水位在一年中周期性涨落,从而产生了水生生态系统和陆生生态系统交替出现的现象[2],所以,陆生植物或水生植物并不能完全适应消落带这种环境条件;又因消落带长期处于完全水淹状态,植物几乎全部死亡,这对消落带的生态安全造成了严重的威胁[3-4]。正是由于消落带的这种特殊性,消落带内产生了许多生态环境问题,如生物多样性急剧减少、污染加剧、水土流失严重等[5-7],因此,消落带治理仍然是世界性难题之一。

近年来,诸多学者对三峡库区耐淹植物种芦苇[6](Phragmites australis)、狗牙根[8](Cynodondactylon)、枫杨[9](Pterocarya stenoptera)等进行室内模拟实验,探讨其耐淹性,但是很少有在消落带内栽植耐淹植物开展长期没顶淹没的研究。张建军等[10]通过在三峡库区重庆开县157～175 m高程范围内栽植1年生桑(Morus alba)树苗,对桑树的耐淹性进行了研究,发现在170～175 m高程范围内,桑树萌发率可达62%,而在170 m高程以下的消落带内,桑树保存率很低,初步发现桑树的耐淹极限为150 d。该研究为通过生物措施解决消落带生态坏境问题提供了很多经验与理论;但是,由于消落带范围在145～175 m高程之间,170 m高程以下的消落带还有哪些植物能够存活和生长,这是三峡库区生物治理消落带中亟待解决的关键问题。中山杉(Taxodium hybrid‘zhongshanshan’)是由江苏省中国科学院植物研究所通过原产北美洲和墨西哥的落羽杉(Taxodium distichum(L.)Rich.)、池杉(Taxodiumascendens.Brongn)3个树种进行杂交培育出来的优良品种,其耐淹性要优于池杉,具有良好的耐水湿特性[11],又有耐碱性强、生长快的优良性状[12-13],可应用于湿地的恢复与构建[14]。为了研究利用中山杉进行三峡库区消落带生物治理的可能性,笔者于2012年4月,在三峡库区重庆万州长江主河道壤渡镇高村新月湾的消落带内栽植了2年生的中山杉,利用三峡水库水位的涨落变化研究中山杉的耐淹性,以判明中山杉的耐淹极限,提出消落带内中山杉适宜栽植的高程范围,从而为三峡库区消落带的生物治理提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于重庆万州长江干流壤渡镇高村新月湾的消落带内,地理坐标为 E107°52′22″～ 108°53′25″,N30°24′25″～ 31°14′58″,属亚热带湿润季风气候,年均降雨量为1 181.2 mm,每年5—9月降雨量约占全年降雨量的60% ～70%,属典型丘陵地带。全年气候温暖,雨量充沛,四季分明,无霜期长达230 d左右。年平均气温18℃,最高气温42℃,最低气温9℃。研究区的消落带类型为缓坡消落带,坡度小于25°,高程范围在162～175 m之间,土壤类型为紫色土,原土地利用类型包括水稻田、宅基地和坡耕地。

2 研究方法

2.1 实验设计

2012年5月,当三峡水库水位下降到160 m后,在高程为163～174 m的消落带内采用穴状整地方式,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见表1。2014年3月上旬,当三峡库区水位下降到162 m时,对栽植在高程163～174 m消落带内的中山杉的保存率和生长状况进行调查。

2.2 实验方法

调查时通过长江干流岸边设置的175 m水位线和水位桩,采用断面测量方法确定每棵中山杉所在高程,利用塔尺测定树高,利用围尺测定胸高直径,通过测试枝条的柔软度和萌芽情况判断中山杉存活状况(调查时中山杉已经萌芽),同时记录中山杉所在地块的原土地利用类型和坡度(表1)。

在高程为164、172和176 m的消落带内,选择典型部位挖土壤剖面进行土壤调查,在每个土壤剖面上分别在0～5、5～10、25～30 cm处用100 mL的环刀取原状土,之后带回室内进行土壤密度和孔隙度的测定。

在消落带内利用插钎法调查坡面的侵蚀量,于2013年9月三峡水库蓄水前,在170～172 m高程范围内20°的坡面上布设了100根钢钎,2014年3月上旬,对每根钢钎进行调查,以确定消落带坡面的侵蚀量。

2.3 数据来源

消落带不同高程处的水淹时间和水淹深度是利用中国长江三峡集团公司公布的数据[15]得出,具体数据见表2。

2.4 数据处理

用Excel软件进行数据整理和表格绘制,用SPSS进行数据分析,用Origin8.0作图。

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 不同高程消落带中山杉的水淹时间Tab.2 Submerging time of Taxodium hybrid ‘Zhongshanshan’ along the water-fluctuation belt at different elevations

3 结果与分析

3.1 水淹深度和水淹时间对中山杉保存率的影响

表3为万州壤渡镇高村新月湾消落带中山杉保存率调查表。可知:高程为164和168 m的消落带内有少数几株中山杉死亡,保存率分别为91.7%和94.4%,其他高程的消落带内中山杉全部存活,调查区的平均保存率为98.1%;174～163 m高程的消落带水淹时间长达41～168 d,在水淹时间超过1个月的条件下,中山杉的保存率仍保持很高。可见,经过2次175 m水位的淹没后,中山杉表现出了优异的耐淹性。通过调查,初步发现水淹深度与水淹时间对中山杉保存率没有较大影响。

尤其是在高程为163 m的消落带内,中山杉经过2次175 m水位的没顶淹没且每次水淹时间长达168 d后,保存率仍为100%。可见,中山杉具有极强的耐水淹特性,能够在12 m深的水中忍耐长达168 d的没顶水淹,可作为生物治理三峡库区消落带的造林树种。

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 坡度和原土地利用类型对中山杉保存率的影响

表4为不同坡度条件下中山杉的保存率统计表。可以看出,在坡度较缓(＜5°)的消落带内,中山杉的保存率为100%,5°～10°的消落带内中山杉保存率为96.4%,10°～15°的消落带内中山杉保存率为91.4%,而15°～20°的消落带内中山杉保存率也高达100%。可见,不同坡度的消落带内中山杉保存率不同,但无明显规律。经统计分析可知,不同坡度的消落带内中山杉保存率差异显著(P＜0.05),说明坡度对中山杉的保存率存在显著影响,但消落带的坡度与中山杉保存率之间的内在关系还有待进一步研究。

表5为消落带不同原土地利用类型条件下中山杉保存率。可见,只在坡耕地有少数中山杉死亡,其他消落带原土地利用类型上栽植的中山杉保存率均为100%。经统计分析得出,栽植在不同消落带原土地利用类型上的中山杉,其保存率差异性不显著(P＞0.05)。这说明消落带的原土地利用类型对中山杉的保存率并无显著影响,中山杉可以栽植在消落带内各种土地利用类型上。

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

3.3 水淹深度和水淹时间对中山杉树高的影响

表6为不同高程的消落带内中山杉树高胸径统计表。可以看出,消落带内各高程上栽植的中山杉平均树高均超过了3.5 m,平均树高最大值(3.88 m)出现在174 m高程的消落带内,同时树高的最大值(6.5 m)出现在163 m的高程范围内。

图1为不同高程的消落带内中山杉平均树高与水淹深度的对比图。可以看出,中山杉的平均树高在各高程范围内变化比较平稳,并没有随着水淹深度的增加而减小,其中一个原因可能是因为在167 m深、水淹时间为128 d时(表6),这段时间大致是每年10月中旬至次年2月上中旬(表2显示,出露时间为2014-02),植物正好处于冬季休眠期;因此,在167～175 m段,水淹时间和水淹深度基本上对植物高生长没有太大影响;而植物生长旺季在每年3月至8月,此时示范区土地已基本全部露出,因此,树高的变化差异不大。经统计分析得出,不同水淹深度(水淹时间)下中山杉的树高不存在显著性差异(P＞0.05),即水淹深度(水淹时间)对中山杉的高生长不存在显著影响。但最大树高总体呈减少趋势,而最小树高总体呈增加趋势,胸径也具有相同的变化。这可能与不同高程的坡度地形条件、样本数等信息有关,但具体原因还需要进一步研究。

3.4 坡度和原土地利用类型对中山杉树高的影响

表7为不同坡度的消落带上栽植的中山杉平均树高与平均胸径统计表。可以看出,5°以下的消落带内栽植的中山杉平均树高为3.61 m,5°～10°的消落带内栽植的中山杉平均树高为3.83 m,10°～15°的消落带内栽植的中山杉平均树高为3.77 m,15°～20°的消落带内栽植的中山杉平均树高为3.63 m。可知,经过2次175 m水位的淹没后,中山杉保存率与消落带坡度之间无明显规律,但经统计分析得出,不同坡度的消落带上生长的中山杉树高存在显著性差异(P＜0.05)。可见坡度对中山杉高生长存在一定的影响,但其内在关系还有待进一步探讨。

表8为不同消落带原土地利用类型条件下中山杉树高和胸径统计结果。可见,不同消落带原土地利用类型上栽植的中山杉平均树高的差异不大,经数理统计分析得出,消落带原土地利用类型对中山杉高生长没有显著影响(P＞0.05)。

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

图1 不同高程中山杉平均树高与水淹深度对比图Fig.1 Average tree height and water depth of Taxodium hybrid ‘Zhongshanshan’ at different elevations

表7 不同坡度消落带上栽植的中山杉树高与胸径统计结果Tab.7 Tree height and DBH of Taxodium hybrid‘Zhong-________shanshan’planted under different gradients

表8 中山杉不同消落带原土地利用类型树高胸径统计表Tab.8 Tree height and DBH of Taxodium hybrid‘Zhongshan-______shan’planted under different original land use types

3.5 水淹深度和水淹时间对中山杉胸径的影响

由表6可知,消落带内各高程栽植的中山杉平均胸径均超过了4 cm,平均胸径最大值(5.13 cm)出现在172 m高程范围内,最小值(4.18 cm)出现在169 m高程,其差值为0.95 cm。调查的所有中山杉中,胸径最大值为8.2 cm(高程为163 m),胸径最小值为3.0 cm(高程为163 m)。由图2可以看出,中山杉胸径随高程的增加呈现总体增大的趋势,经数理统计分析得出,不同水淹深度(水淹时间)条件下中山杉的胸径存在显著性差异(P＜0.05)。这表明水淹深度(水淹时间)对中山杉的胸径生长存在显著影响,但二者之间的关系还有待于进一步研究。

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

3.6 坡度和原土地利用类型对中山杉胸径的影响

由表7可知,5°以下消落带内栽植的中山杉平均胸径为4.35 cm,5°～10°的消落带内栽植的中山杉平均胸径为4.61 cm,10°～15°的消落带内栽植的中山杉平均胸径为4.59 cm,15°～20°的消落带内栽植的中山杉平均胸径为4.18 cm。经数理统计分析得出,不同坡度下中山杉胸径间存在显著性差异(P＜0.05),即消落带的坡度对中山杉的胸径生长有显著影响,但二者之间的关系还有待于进一步研究。

由表8可知,栽植在消落带不同原土地利用类型上的中山杉平均胸径间差异不大,经数理统计分析得出,消落带原土地利用类型对中山杉胸径生长没有显著性影响(P＞0.05)。

3.7 水淹后中山杉生理变化

中山杉是落叶乔木树种,经过没顶水淹后大多数中山杉叶子全部脱落,但在本次调查中发现了5棵退水后仍保持整株全绿的植株,这5株中山杉的生长环境见表9。这5株中山杉中有2株生长在水淹时间超过了100 d、高程在170 m以下的消落带,另外3株的淹没时间也都超过了30 d。尤其是在水淹时间为154 d的165 m高程范围内有1株中山杉退水后仍保持全绿状态,其树高是3.3 m,胸径是3.7 cm,水淹深度达到了10 m;170 m高程范围内保持全绿状态的中山杉水淹时间也达到了100 d,水淹深度5 m。这些保持全绿的中山杉与其他落叶的中山杉一样,均为2012年5月栽植的苗木,在调查时已经被水位为175 m的库区蓄水周期性地淹没了2次(2012-10—2013-03、2013-09—2014-03),目前生长状况良好,这5棵全绿中山杉为将来消落带生物治理时常绿树种的选育奠定了基础。

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

3.8 消落带土壤物理性质及土壤侵蚀

通过在高程176、172和164 m消落带内进行土壤调查发现,经过水淹的土壤,在水压力作用下土壤逐渐变得紧实,土壤密度增大,如176、172和164 m高程的土壤密度分别为1.38、1.42和1.58 g/cm3,总孔隙度减小,如176、172和164 m高程的总孔隙度分别为44.1%、42.0%和38.9%。可见,随着水淹深度和水淹时间的加大,土壤孔隙状况将变差,会影响中山杉的生长。

三峡水库从2013年9月蓄水开始到2014年3月调查时为止,因波浪侵蚀造成的土壤流失量高达3万5 600.82 t/km2。可见,即使栽植了中山杉,土壤侵蚀仍比较严重。

4 结论与建议

1)中山杉具有极强的耐淹性,能够在163 m高程(水淹时间长达168 d)以上的消落带内正常生长,具有很好的适应性。

2)水淹深度与水淹时间不会对中山杉的高生长产生较大影响,但对于胸径的生长存在一定影响。消落带坡度与原土地利用类型对于中山杉树高胸径有不同的作用,前者对中山杉高生长与胸径生长具有一定的影响,但后者对其树高胸径生长没有影响。

3)经过长时间的水淹后,中山杉的生理特性有可能发生改变,调查中发现的5株水淹后仍然保持全绿的中山杉将对其选育产生重大影响,可以作为水淹胁迫对树木生理特性影响的样本进行深入研究,也可以利用这5株中山杉进行无性繁育,培育“常绿”的中山杉,这样就可以在三峡水库退水后在长江沿岸的消落带内形成常绿的防护林带,从而在生物治理消落带的同时形成绿色的生态屏障。

4)随着水淹深度和水淹时间的增加,土壤的物理性质将会变差,这对于退水后中山杉尽快恢复生长十分不利,因此,建议对水淹后中山杉栽植穴进行松土,以改善土壤的孔隙状况和通气性。

5)三峡水库蓄水后由于行船和风浪在消落带内很容易造成土壤侵蚀,如果不采取有效措施,即使栽植了中山杉,消落带内的水土流失也比较严重。因此,在栽植中山杉的同时,建议在中山杉的株间、行间混交耐淹的饲料桑或狗牙根等树草种,形成对消落带地面的有效覆盖,防止波浪对消落带的侵蚀。

中山杉是耐淹性极强的树种,但是具体的耐淹机制以及各环境因素对中山杉的影响仍需要进一步研究。