三峡库区消落带适生树种水淹生理生态研究

第1章 绪论 1.1 三峡库区消落带水文环境特征 水体和陆地系统之间的交错带有狭义和广义两种定义，广义指靠近水边受水流直接影响的植物群落及其生长环境，狭义指从水陆交界处至河水或湖水影响消失的地带。本书中的消落带是指季节性水位消涨或水库水位调节而使周边被淹没土地周期性地出露于水面的一段特殊区域(徐梦，2015)。消落带作为水生生态系统与陆生生态系统的过渡地带，是流域生态系统中一个特殊的组成部分，并在其中发挥着重要的作用，具有显著的生态、社会和经济价值(童笑笑等，2018)。 三峡工程建设完工后，根据水库运行方案，库区在汛期6～9月其水位降至*低的145 m，汛期后10月开始蓄水，至11月上旬蓄水到*高水位175 m，并保持到12月，之后水位开始逐步回落，次年的l～4月降到156 m，至5月底降到145 m。由此形成了垂直落差达30 m、面积达309.54 km2的三峡库区消落带；但由于湖北、重庆库区防护工程及调节坝建设减少了消落区面积，三峡库区消落带的实际面积为278.77 km2(张志永等，2010)。三峡库区消落带是三峡库区周边陆地生态系统与库区水体生态系统物质、能量和信息转移与转化的活跃地带(洪明，2011)，具有明显的环境因子、生态过程和植物群落梯度，对水土流失、养分循环和非点源污染有较强的缓冲和过滤作用，是生态环境中十分脆弱的敏感地带(梁俭，2016)。 我国长江流域是世界上拥有拟建或在建大坝*多的流域，已被世界自然基金会(WWF)和世界资源研究所认为是当前流域生态系统受到威胁*为严重的流域之一(张志强等，2007)。与未成库之前的河流消落区相比，三峡库区消落带具有面积大、水淹时间长、水淹深度深等特点，同时淹水季节也由原来的夏季改变为冬季。这些环境变化对消落带产生了极大的影响，主要包括以下几个方面。 (1)消落带原生植被大量退化、生物多样性逐渐减少，景观质量下降(王晓荣等，2010)。周期性水淹将导致消落带植物群落发生演替，形成在生活型上主要以下部及中下部一年生、多年生草本和上部灌木为主的植物群落分布格局；物种数目与物种的多样性也相对贫乏(康义，2010)。蓄水到175 m水位将直接淹没120科358属550种植物，l45 m水位以下的植物将被**性淹没并全部死亡，保护物种巫溪叶底珠(Securinega wuxiensis)、荷叶铁线蕨(Adiantum reniforme var.sinense Y.X.Lin)、狭叶瓶尔小草(Ophioglossum thermale Kom.)和松叶蕨[Psilotum nudum(L.)Beauv.]等的生存将受到较大影响；资源植物柑橘(Citrus reticulata Blanco)、龙眼(Dimocarpus longan Lour.)、荔枝(Litchi chinensis Sonn.)、油桐[Vernicia fordii(Hemsl.)Airy Shaw]将被淹没较重，少数生境特殊的藻类也将从库区消失(谭淑端等，2008)。 (2)水土流失增加。周期性蓄水导致水流速度减缓，泥沙大量沉降，土体长时间受高水位水体浸泡、冲刷，加上人类频繁活动的干扰，引起消落带水土流失加重，泥沙淤积增强，崩塌滑坡活动频繁(鲍玉海和贺秀斌，2011)。 (3)水体富营养化日趋加重。库区周期性水淹加速土壤氮、磷的释放(沈雅飞等，2016)，且流速降低后，水体透光性增加，致使湖泊型蓝、绿藻类生物量急剧增加，水华频发(邱光胜等，2011)。 (4)污染严重，疫病隐患突出(谭淑端等，2008；程瑞梅等，2010)。消落带是水体和陆地的交错带，极易受到水体和陆地的交叉污染。水位下降时，大量水体漂浮物如固体垃圾、动植物残体等滞留在消落带内，污染消落带土壤；在汛期，化肥、农药、生活污水、工业废水等一起随径流进入水体，由于水流变缓，水体自净能力下降，水质污染越来越严重。受到污染的环境容易滋生各种病原体，可能导致疾病的暴发，从而威胁到人们的健康，不利于库区的长远发展。 1.2 三峡库区消落带植被重建理论 对三峡库区消落带的合理利用不仅可以充分利用库区资源，促进库区经济、社会可持续发展，而且有益于三峡工程的正常运行。植被作为河流生态系统的重要组成部分，在固土护坡、保持水土、净化水质、塑造河流景观等方面具有极其重要的功能。因此，采取植物修复措施对受损河道进行生态修复，能重建河道生态环境，恢复河流健康，实现人与自然的和谐共处。恢复与重建三峡库区退化生态系统植被，对于实现水利建设与环境保护的和谐发展、恢复和改善三峡库岸植被景观、恢复消落带及流域生态系统功能、防止水土流失、延长水库使用寿命、推进流域生态管理、促进库区经济发展等均具有十分重要的意义。 1.植被重建的必要性 目前对于库岸带的生态环境治理，还未找出令各个利益相关方均能接受的行之有效的方法。常见的治理方法主要包括工程措施和生物修复措施。工程措施耗资巨大、破坏生态环境，往往事倍功半，如德国莱茵河工程修复，但该方法可应用于消落带内坡度较陡的区域。而生物修复措施具有良好的可行性，且能形成良性循环，如美国佛罗里达州大柏树湿地植物生态修复(肖协文等，2012)。生物修复措施具有多重生态效益和景观效益，是消落带生态修复的主要途径。因此，通过对两栖适生植物的筛选合理地构建多植物群落是实现消落带植被恢复与重建的合理方法。 合理构建植物群落对于重建三峡库区消落带植被、恢复消落带功能、维持三峡工程运行安全和修复长江流域退化生态系统均具有十分重要的意义。王莉和刘艳峰(2010)认为农民对库区土地进行陡坡开垦、顺坡耕种是导致三峡库区水土流失的重要原因。对三峡库区进行生态环境建设首先要解决的突出问题是土壤侵蚀(鲍玉海和贺秀斌，2011)，土壤侵蚀会造成大量泥沙淤积，影响水库运行安全，人工构建消落带植被是解决库区土壤侵蚀问题的正确选择。植物可以涵养水源，截留泥沙与污染物，改良土壤，增加地面覆盖，减轻江水对岸坡的冲刷，提高库区生物多样性，并能美化环境。在消落带进行植被修复，可增大消落带的植被覆盖率，从而拦截水土流失产生的大量泥沙，并吸收污染物质和水体中的营养物质，减少河道泥沙淤积，减轻水体污染，使消落带生态环境质量和景观质量逐渐改善(樊大勇等，2015)。因此，在三峡库区消落带进行人工植被构建能够有效保护消落带土壤，净化水体，美化库区环境，保证三峡水库的正常运行。 2.植被重建的可行性 国外对植被构建的研究中比较著名的有宫胁造林法(王仁卿等，2002)。宫胁昭在对日本植被进行全面、详细的调查后提出了乡土树种造林法(Miyawaki，1987)，并与Fujiwara 等(1993)总结之后将其命名为宫胁造林法。这种方法是将本地调查得到的优势树种用于构建本地多物种群落，以缩短群落的演替时间，尽快形成相对稳定的顶级群落。此方法已得到大量应用，并已在日本很多地区成功造林。近年来，乡土物种在河岸修复中的优势逐渐被人们所重视。 根据三峡水库消落带水位节律、生境特点及服务功能，研究者们已经筛选出部分两栖适生植物。许多学者也通过野外实地调查对三峡库区消落带内的植物进行了研究，发现消落带内的植物虽然受到周期性水淹的干扰，但仍有部分植物能够适应消落带的恶劣环境(樊大勇等，2015)，并能单独或与其伴生种形成群落。由此说明植被构建是可行的。针对消落带植被构建问题，许多学者进行了研究。由于消落带与滨岸缓冲带下部的环境条件相似，学者对滨岸缓冲带植被配置所做的大量研究的成果可以被借鉴运用到消落带上。张建春和彭补拙(2003)对安徽潜山县潜水退化河岸带滩地进行了6年的生态恢复重建实验，设计出两种滩地植物群落结构优化配置模式：模式A是元竹(Phyllostachys spp.)-枫杨(Pterocarya stenoptera C.DC.)-苔草(Carex spp.)类型，模式B是意杨(Populus euramevicana cv.'I-214')-紫穗槐(Amorpha fruticosa L.)-河柳(Salix chaenomeloides Krimura)-苔草类型，结果表明恢复重建后河岸带滩地生态系统的生物多样性和稳定性增加，环境得到改善。刘云峰和刘正学(2006)将库区植被重建分成了横向上和纵向上的重建。在横向上根据不同的地貌类型选择合适的植物，在纵向上根据水位深度不同分为4层：145～155 m适宜选耐受性强、根系发达、不定芽萌生快且易于进行营养繁殖的草本植物；155～165 m宜选根系发达、生长较快的草本植物或小灌木；165～173 m宜选多种草本植物和灌木为建群种，构建复合植被；173～177 m宜选根系发达、匍匐生长的适生植物构建乔灌草合理配置的复合植被。马义虎(2011)根据深圳市水库的水热条件和土壤养分条件将消落带立地类型划分为土质岸坡、低洼湿地、土石崖坡和岩质崖坡，并根据它们各自的环境条件提出相应的植被恢复措施。鲍玉海等(2014)通过总结已有的实验经验，提出了低海拔(145～160 m)种植一年生或多年生草本植物、高海拔(160～175 m)种植乔灌草混交植被的思路。童笑笑等(2018)通过实地调查发现，澎溪河消落带的植物群落包括：狗牙根[Cynodon dactylon(L.)Pers.]＋雀稗(Paspalum thunbergii Kunth ex Steud.)、狗尾草[Setaria viridis(L)Beauv.]＋狗牙根、黄荆(Vitex negundo L.)、白茅[Imperata cylindrica(L.)Beauv.]＋鬼针草(Bidens pilosa L.)和苔草群落5类。杨好星(2016)根据华南地区新丰江水库消落带自身特性，将其划分为土质型、岛屿型及岩质型3种类型，并提出了不同的修复方案：土质型消落带主要选用铺地黍(Panicum repens L.)和水翁[Cleistocalyx operculatus (Roxb.)Merr]，辅以其他适生辅助植物；岛屿型消落带选用铺地黍、水翁和狗牙根进行修复；岩质型消落带则选用葛藤[Argyreia seguinii(Levl.)van.ex Levl]和蟛蜞菊[Wedelia chinensis(Osbeck.)Merr.]进行修复。 3.植被重建的技术性 在库区进行植被构建需要综合考虑各方面的影响因素，如库区周期性水淹对植物的干扰、泥沙沉降对植物的掩埋以及库区水土流失严重程度与土壤贫瘠状况等。其中，首先要考虑参选植物的适宜性。三峡库区以年度为周期的季节性水位调节方式，使消落带土壤含水量呈现出一系列梯度性变化特征。消落带不同海拔适宜种植的物种不同，这主要是由物种露出水面的时间差异所致。在保护利用过程中，对植物的筛选需要注意以下几个方面：①具有良好耐淹性能，露出水面后具有快速且旺盛的返青恢复生长能力；②以水陆两栖乡土物种为主，其生长节律与库区未来水分节律尽量一致；③具备一定的观赏价值；④对外来物种的引入要考虑生态安全问题；⑤耐贫瘠、耐粗放管理，抗病虫害和抗旱能力强；⑥既耐水淹，同时也具备一定的抗泥沙掩埋能力；⑦具有发达的根系，固土保土效果好，能固定河岸，防止堤坡因河水的冲刷而垮塌；⑧截污和富集污染物的能力强，能有效地拦截从岸坡流向库区的有害化学物质以及吸附水体中的氮、磷和其他物质；⑨不含或不释放任何有毒物质，能保证水产资源和陆生动物的正常生长和生产。 在对退化生态系统的研究中，我们发现种类贫乏是其特征之一。对退化生态系统进行恢复时的主要任务之一就是改善生态系统环境，使植被恢复，进而使生物多样性得以恢复。受反季节性水淹等的影响，目前三峡库区消落带内的植被覆盖率普遍较低，能适应消落带环境而存活下来的少量植物一般会形成单优群落或与其伴生种共存，但物种生物多样性很低。单一的植被很容易受到消落带恶劣环境的影响，一旦被破