三峽水庫(kù)消落帶植被重建途徑及其固土護(hù)岸效應(yīng)

鮑玉海, 賀秀斌, 鐘榮華,2, 高進(jìn)長(zhǎng),2, 唐 強(qiáng),2

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610041; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

三峽水庫(kù)消落帶植被重建途徑及其固土護(hù)岸效應(yīng)

鮑玉海1, 賀秀斌1, 鐘榮華1,2, 高進(jìn)長(zhǎng)1,2, 唐 強(qiáng)1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610041; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后將出現(xiàn)一個(gè)落差達(dá)30 m的消落帶，由于庫(kù)水漲落和水文地質(zhì)條件改變，導(dǎo)致其植被破壞，土壤裸露，在降水、庫(kù)水位周期性地漲落和波浪的作用下，土壤侵蝕強(qiáng)烈，如何重建消落帶植被成為廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)三峽水庫(kù)消落帶植被重建的科研實(shí)踐及經(jīng)驗(yàn)，提出了消落帶植被重建的基本思路和途徑，并利用侵蝕針定位觀測(cè)方法，對(duì)比分析了不同植被重建途徑下的固土護(hù)岸效應(yīng)。結(jié)果表明，人工種植草地和自然恢復(fù)草地較其對(duì)照分別減少了土壤侵蝕74%和55%，顯示出極顯著的控制土壤侵蝕的效應(yīng)。而表層土壤受人為擾動(dòng)強(qiáng)烈的傳統(tǒng)耕作耕地土壤侵蝕強(qiáng)度相較于對(duì)照高11%。

三峽水庫(kù); 消落帶; 土壤侵蝕; 植被重建; 固土護(hù)岸

三峽水庫(kù)消落帶是人為調(diào)控水庫(kù)水位形成的反季節(jié)變化的水、陸交錯(cuò)過(guò)渡區(qū)域，落差30 m，岸線長(zhǎng)度5 578 km，面積349 km2，是庫(kù)區(qū)陸域與水域之間的生態(tài)緩沖帶，對(duì)水庫(kù)、庫(kù)岸帶生態(tài)環(huán)境均有重大影響。三峽水庫(kù)消落帶幅度大、面積廣及其長(zhǎng)時(shí)間反季節(jié)性淹水等特性使其形成地球上特殊的地理、水文和生態(tài)單元，備受廣泛關(guān)注[1-4]。在長(zhǎng)期反復(fù)淹水—出露和干—濕交替作用下，消落帶原有生境將發(fā)生劇烈改變[5-9]，許多植物不適應(yīng)新生境而難以生存，原有植被逐漸消亡，植被與生物的多樣性喪失，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，生態(tài)功能衰退，進(jìn)而造成庫(kù)岸地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率增加、土壤侵蝕異常強(qiáng)烈、庫(kù)區(qū)景觀質(zhì)量下降等一系列生態(tài)問(wèn)題，已經(jīng)成為當(dāng)?shù)卣蛧?guó)家關(guān)注的重大環(huán)境問(wèn)題。

消落帶植被是其生態(tài)功能的主體，不僅可以攔截入庫(kù)泥沙和顆粒態(tài)污染物，利用自身根系生長(zhǎng)固土護(hù)岸，還能極大改善景觀效果，創(chuàng)造良好旅游條件[9]。因此，對(duì)植被的恢復(fù)和重建是消落帶生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)和保護(hù)的重點(diǎn)，植被重建也是提高消落帶生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)能力的主要措施之一[10]。但水庫(kù)型消落帶植被恢復(fù)被認(rèn)為是較困難的一項(xiàng)工作，雖有一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作初見(jiàn)成效，如在我國(guó)華南地區(qū)的幾個(gè)水庫(kù)消落帶已經(jīng)篩選出幾種適用于植被恢復(fù)的植物[11]。但這些研究都僅限于短時(shí)間或低水位的水淹。而三峽水庫(kù)消落帶淹水面積廣、深度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，植被恢復(fù)的規(guī)模和難度要遠(yuǎn)大于這些工程。

科學(xué)地構(gòu)建水庫(kù)消落帶的植被及其生態(tài)功能，無(wú)疑將會(huì)促進(jìn)水利水電防洪與發(fā)電功能的高效發(fā)揮，對(duì)維護(hù)庫(kù)岸帶旅游環(huán)境，保持流域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)健康發(fā)展都具有重要意義。本文通過(guò)2007年以來(lái)在三峽水庫(kù)消落帶開(kāi)展植被重建的相關(guān)科研實(shí)踐，介紹了在忠縣庫(kù)段消落帶植被重建工作中的思路和技術(shù)途徑，并對(duì)植被的固土護(hù)岸效應(yīng)進(jìn)行了觀測(cè)分析，以期為庫(kù)區(qū)消落帶的植被生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)提供參考。

1 研究區(qū)概況

2 植被重建思路及途徑

2.1 植被重建思路

三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行后，消落帶原有陸生生態(tài)系統(tǒng)演變?yōu)樗懡惶婵刂频纳鷳B(tài)系統(tǒng)，原來(lái)適應(yīng)陸生環(huán)境生長(zhǎng)的植物物種逐步消亡演替，而植被演替過(guò)程需要多長(zhǎng)時(shí)間尚未有明確定論。整個(gè)消落帶的植物種類將較以前的陸生環(huán)境大為減少，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能簡(jiǎn)化。因此，篩選適宜在消落帶生長(zhǎng)的物種和維持植物生長(zhǎng)需要的基質(zhì)環(huán)境是植被重建的基礎(chǔ)。同時(shí)，植物耐淹、耐旱等生理特性差異造成其對(duì)水位變動(dòng)的適應(yīng)性不同，而且植被生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建要經(jīng)過(guò)合理的物種搭配，正確的物種搭配構(gòu)建的生態(tài)屏障所取得的環(huán)境效益要遠(yuǎn)超過(guò)單種植被[12]。因此，三峽水庫(kù)消落帶植被重建需根據(jù)消落帶水位漲落節(jié)律、生境特點(diǎn)及其區(qū)位生態(tài)服務(wù)功能，突出不同海拔梯度的植被生長(zhǎng)環(huán)境、人為干擾和抗干擾能力、生態(tài)服務(wù)功能需求等方面，以水陸兩棲、根系發(fā)達(dá)、截污能力強(qiáng)、生物量可回收利用和景觀效果優(yōu)良的本地植物物種為主，因地制宜、合理配置、分區(qū)治理(圖1)。

圖1 三峽水庫(kù)消落帶植被重建思路

2.2植被重建途徑

中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院植物所、中國(guó)科學(xué)院武漢植物園，于2007年開(kāi)始在忠縣庫(kù)段消落帶開(kāi)展了消落帶適生植物篩選及生態(tài)系統(tǒng)重建的科學(xué)研究實(shí)踐工作，進(jìn)行了消落帶多功能復(fù)合系統(tǒng)重建研究試驗(yàn)。目前已篩選出抗旱耐淹且具護(hù)坡效應(yīng)的狗牙根(Cynodondactylon(Linn.) Pers.)、雙穗雀稗(Paspalumpaspaloides(Michx.) Scribn.)、牛鞭草(Hemarthriaaltissima(Poir.) Stapf et C.E.Hubb.)、野古草(ArundinellasetosaTrin.)、桑樹(shù)(MorusalbaL.)、旱柳(SalixmatsudanaKoidz.)、池杉(TaxodiumascendensBrongn)、荷花(NelumbonuciferaGaertn.)等十余個(gè)耐淹植物品種，形成了一系列解決三峽水庫(kù)消落帶植被重建的技術(shù)途徑(圖2)。

圖2 三峽水庫(kù)消落帶植被重建主要途徑

2.2.1 自然恢復(fù) 土壤種子庫(kù)是植被自然恢復(fù)的一個(gè)重要繁殖體來(lái)源[13-14]。三峽水庫(kù)消落帶自然資源豐富，植物種類繁多。根據(jù)2006年156 m蓄水以后的調(diào)查，高等植物189種(56科)，其中木本13種，草本176種(1 a生草本占絕大部分，多年生草本較少)。但由于三峽水庫(kù)蓄水之后的人為清庫(kù)，消落帶內(nèi)喬木和灌木已被人為清除，自然植被以草本為主。通過(guò)盧志軍等[15]在三峽庫(kù)區(qū)不同地理位置消落帶開(kāi)展的土壤種子庫(kù)萌發(fā)試驗(yàn)表明，蓄水初期(2007—2008年)消落帶的45個(gè)土壤種子庫(kù)共萌發(fā)20科45種植物，萌發(fā)的幼苗總平均密度是4 578粒/m2。因此，作為一個(gè)重要的繁殖體來(lái)源，在消落帶植被重建過(guò)程中，土壤種子庫(kù)萌發(fā)驅(qū)動(dòng)下的植被自然恢復(fù)應(yīng)該被考慮在內(nèi)。在人類活動(dòng)較少、坡度5°以下、土層較深厚的消落帶區(qū)域，可利用自然生物群落發(fā)展規(guī)律，使一些具有較強(qiáng)繁殖能力和適應(yīng)能力較廣的1 a生草本和多年生草本一方面從土壤種子庫(kù)萌發(fā)，另一方面依靠消落帶上緣物種自然傳播，完成自然植被的恢復(fù)演替。

2.2.2 人工種植林草 三峽水庫(kù)蓄水之前為旱生灌草地、森林采伐跡地或棄耕旱地的消落帶，淹水之后一般植被覆蓋率偏低，而且土壤淺薄、坡度多在5°以上。這些區(qū)域自然恢復(fù)難度大，恢復(fù)過(guò)程所需時(shí)間長(zhǎng)，需要人為干預(yù)采取林草種植措施重建植被。人工植被重建首先以草先行，選擇狗牙根、牛鞭草、雙穗雀稗、野古草等一些適合消落帶氣候和水文環(huán)境的草本植物。在草本植物生長(zhǎng)的同時(shí)，進(jìn)行桑樹(shù)、旱柳、池杉等灌木及喬木的栽種。并沿海拔梯度(145～175 m)，依據(jù)不同植被類型的生物學(xué)特性，依次進(jìn)行1 a生或多年生草本種植(145～160 m)、喬灌草混交種植(160～175 m)。

2.2.3 平緩宜農(nóng)土地季節(jié)性利用 消落帶土地耕作利用主要是季節(jié)性開(kāi)發(fā)利用，即在充分考慮消落帶水位消漲規(guī)律、汛期洪水、當(dāng)?shù)剞r(nóng)事活動(dòng)等因素的基礎(chǔ)上，以滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)期所要求的最短時(shí)間為前提，對(duì)消落帶不同海拔高程的土地進(jìn)行季節(jié)性利用。如生產(chǎn)周期較短的作物(玉米、短季節(jié)蔬菜等)布局在海拔較低的160～165 m的區(qū)域；生產(chǎn)周期較長(zhǎng)的作物(油料作物、瓜果作物等)布局在海拔較高的165～175 m區(qū)域。海拔145～160 m間的消落帶，每年有7～8個(gè)月的時(shí)間被水淹沒(méi)，可利用時(shí)間相對(duì)較短，并且易受汛期洪水的短期淹沒(méi)，該區(qū)域不宜大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用。同時(shí)為了最大程度地保護(hù)消落帶的生態(tài)環(huán)境，對(duì)消落帶土地資源的農(nóng)業(yè)利用必須做到在生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)都實(shí)行無(wú)公害清潔生產(chǎn)、免耕技術(shù)和農(nóng)業(yè)廢棄物回收利用，實(shí)施合理輪作、套間混種、用養(yǎng)結(jié)合。農(nóng)村居民點(diǎn)及移民新村附近消落帶，優(yōu)先安排就近后靠農(nóng)村移民進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植利用，禁止畜禽散放式養(yǎng)殖。

2.2.4 水生植物構(gòu)建景觀植被 旅游風(fēng)景名勝區(qū)(含游人視線范圍)、農(nóng)村開(kāi)闊較平坦大面積消落帶和生態(tài)景觀結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)段消落帶，按照景觀塑造和生態(tài)緩沖凈化要求進(jìn)行植被生態(tài)系統(tǒng)培育建設(shè)。在三峽水庫(kù)蓄水前，消落帶區(qū)域內(nèi)有大量的水稻田，采取一定措施利用荷花、睡蓮(NymphaeatetragonaGeorgi)、黃菖蒲(IrispseudacorusLinn.)等水生植物進(jìn)行濕地植被恢復(fù)，同時(shí)在坡度平緩的地段種植池杉、旱柳等植物。在美化景觀的同時(shí)，這些水生植物具有一定的保持水土和消耗土壤養(yǎng)分功能，能夠降低營(yíng)養(yǎng)元素向水庫(kù)水體的釋放，此外，部分水生植物果實(shí)如蓮子和藕都具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，能夠給當(dāng)?shù)剞r(nóng)民帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)收入。

3 植被重建的固土護(hù)岸效應(yīng)

消落帶土壤侵蝕受植被、波浪、降雨、地形、土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)等因素共同影響。為了分析植被重建的固土護(hù)岸效應(yīng)，于2008年對(duì)研究區(qū)地形條件一致的自然恢復(fù)草地、人工種植草地、點(diǎn)播耕地和傳統(tǒng)耕作耕地分別布設(shè)了侵蝕針樣方，每個(gè)樣方3 m×3 m，侵蝕針長(zhǎng)度為60 cm，直徑0.6 cm，在樣方內(nèi)按50 cm距離呈7行×7列的網(wǎng)格狀、共49根侵蝕針垂直坡面釘入地表，侵蝕針上端與地表齊平，次年退水后用鋼卷尺測(cè)量侵蝕針出露長(zhǎng)度，獲取土壤侵蝕厚度，共進(jìn)行了連續(xù)4 a的定位觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)與其對(duì)照(未種植任何植被)的對(duì)比表明，消落帶植被可以顯著降低土壤侵蝕強(qiáng)度，其中人工種植草地減蝕效應(yīng)可達(dá)到74%，其次為自然恢復(fù)草地，減蝕效應(yīng)為55%。但是傳統(tǒng)耕作耕地由于每年均對(duì)表層土壤進(jìn)行翻耕擾動(dòng)，其侵蝕強(qiáng)度最為劇烈，土壤侵蝕模數(shù)達(dá)到92 474 t/(km2·a)。

表1 消落帶不同植被重建條件下的土壤侵蝕情況

4 結(jié)論與討論

在消落帶植被重建過(guò)程中，利用土壤種子庫(kù)進(jìn)行自然恢復(fù)的方法應(yīng)該被考慮在內(nèi)。對(duì)臨近城鎮(zhèn)、居民點(diǎn)和重要景區(qū)等區(qū)位比較重要的重點(diǎn)部位消落帶，可根據(jù)區(qū)位地形和海拔梯度條件，采取人工種植林草、平緩宜農(nóng)土地季節(jié)性利用和水生植物構(gòu)建景觀植被等途徑進(jìn)行植被重建。

在三峽水庫(kù)消落帶進(jìn)行植被重建固土護(hù)岸效應(yīng)顯著，無(wú)論是人工種植草地還是自然恢復(fù)草地均可減少土壤侵蝕強(qiáng)度。此外，人為擾動(dòng)后的消落帶土壤侵蝕加劇明顯，因此應(yīng)盡量避免對(duì)消落帶土壤的人為擾動(dòng)，季節(jié)性農(nóng)耕利用只可在平緩?fù)恋厣线M(jìn)行，同時(shí)大力推廣免耕技術(shù)的應(yīng)用，減少表層土壤結(jié)構(gòu)和植被的破壞?？傊?，三峽水庫(kù)消落帶植被重建需深入分析消落帶主要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，根據(jù)區(qū)位生態(tài)服務(wù)功能需求和地形條件因勢(shì)利導(dǎo)提出不同的重建途徑，同時(shí)對(duì)所構(gòu)建的人工植被進(jìn)行長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)，以評(píng)估植物物種選擇和重建方式是否切實(shí)可行。

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RevegetationandItsEffectsonSoilReinforcementintheRiparianZoneofThree-GorgeReservoir

BAO Yu-hai1, HE Xiu-bin1, ZHONG Rong-hua1,2, GAO Jin-chang1,2, TANG Qiang1,2

(1.KeyLaboratoryofMountainSurfaceProcessesandEcologicalRegulation,InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Impoundment of the Three-gorge Reservoir (TGR) has formed 349 km2riparian zones with a 30 m annual water level fluctuating between 145 m and 175 m. Severe soil erosion has taken place within riparian landscape as the results of overlaid hydrological alternations, vegetation replacement and soil physic-chemical changes. How to restore the vegetation becomes a regional hot spot issue. Through the system summary on the scientific research practices and experiences of the vegetation reconstruction in Three-gorge Reservoir, the vegetation reconstruction basic strategy and ways are proposed in this study. Meanwhile, the soil erosion of different vegetation reconstruction was observed by erosion pins. The results show that the planted grass can reduce the soil erosion by 74%, followed by 55% in the natural grassland. The soil erosion intensity of traditional farmland is 11% higher than the control because of the intensive artificial disturbance in surface soil.

Three-Gorge Reservoir; riparian zone; soil erosion; revegetation; soil reinforcement

2014-01-15

：2014-03-03

中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目(KZCX2XB309-02);國(guó)家自然科學(xué)青年基金(41201272);中國(guó)科學(xué)院西部之光人才培養(yǎng)計(jì)劃一般項(xiàng)目

鮑玉海(1981—),男,山東成武人,博士,助理研究員,主要從事消落帶土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)研究。E-mail:byh@imde.ac.cn

X171.4; S157.2

：A

：1005-3409(2014)06-0171-04