庫水漲落對烏東德庫區(qū)消落帶植物生長影響初步研究

于 江，萬 丹，周火明，甘國權(quán)，趙 姹，歐陽德和，劉 波

（1.中國三峽建設(shè)管理有限公司環(huán)境保護部，成都 610023；2.長江水利委員會長江科學院 重慶分院，重慶 400026；3.三峽水利樞紐梯級調(diào)度通信中心昆明調(diào)控中心，昆明 530102；4.武漢長江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，武漢 430010）

干熱河谷是我國西南山區(qū)特有的一種生態(tài)系統(tǒng)類型，分布于元江、怒江、金沙江、瀾滄江及其支流地區(qū)，區(qū)域氣候高溫干燥，水熱失衡[1]。長期以來，在自然因素和人為干擾綜合影響下，干熱河谷地區(qū)水土流失嚴重、自然植被遭受嚴重破壞，成為我國生態(tài)環(huán)境最為脆弱地區(qū)之一[2]。近年來，隨著西南山區(qū)水利水電開發(fā)，干熱河谷地區(qū)出現(xiàn)大面積消落帶區(qū)域。消落帶的出現(xiàn)可能引發(fā)一些環(huán)境問題，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。庫區(qū)消落帶是由于水電站建設(shè)運行，人為調(diào)控水位變動規(guī)律而產(chǎn)生的陸地生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶。消落帶植被具有保持水土、保護生物多樣性、美化環(huán)境等重要生態(tài)功能[3]。受水位波動影響，庫區(qū)消落帶原有植物生長受限，植物多樣性降低，易產(chǎn)生庫區(qū)崩塌等地質(zhì)危害，影響庫區(qū)安全運行與生態(tài)環(huán)境[4-5]。因此，開展干熱河谷庫區(qū)消落帶植被恢復對庫區(qū)生態(tài)環(huán)境改善及水庫安全運行具有重要意義。本研究以烏東德水電站庫區(qū)消落帶為例，開展植被恢復試驗，以期為干熱河谷庫區(qū)消落帶生態(tài)修復提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與實踐經(jīng)驗。

1 試驗區(qū)概況

1.1 試驗區(qū)位置

烏東德水電站庫區(qū)消落帶試驗區(qū)建立于2019—2020年，位于云南省楚雄彝族自治州武定縣己衣鎮(zhèn)新民村西北部近金沙江右岸（圖1），沿978 m高程岸線長3 km，面積約30 hm2，海拔952～975 m，坡度15°～20°。土壤類型主要為黃棕壤，氣候特征是炎熱干燥，降雨量少而蒸發(fā)旺盛。根據(jù)消落帶不同高程水淹時間和深度，將試驗區(qū)分為消落帶下段（952～960 m）、中段（960～970 m）和上段（970～975 m）三段修復區(qū)，篩選種植了多種植物，以期改善庫區(qū)生態(tài)環(huán)境。

圖1 烏東德水電站庫區(qū)消落帶試驗區(qū)位置Fig.1 The location of water-level fluctuation experimental zone in Wudongde Reservoir

1.2 烏東德蓄水水位

從2020年1月至2021年5月，烏東德水庫運行方式為：2020年1月15日順利實現(xiàn)下閘蓄水，1月30日蓄水至895 m，完成第一階段蓄水；2020年5月6日，啟動第二階段蓄水，6月5日蓄水至死水位945 m，完成第二階段蓄水；2020年8月3日啟動第三階段蓄水，8月7日蓄水至汛限水位952 m，8月23日蓄水至運行控制水位965 m，按照965 m水位控制運行。烏東德水電站于2020年12月19日啟動蓄水試驗工作，12月21日蓄至968 m，在968 m臺階停留3 d；12月26日蓄至970 m，在970 m臺階停留8 d；2021年1月9日蓄至972 m，至2月27日維持在972 m臺階控制運行；2月28日至4月2日，烏東德壩前水位維持在973 m及以上運行，其間最高運行水位為974.3 m。4月3日起，烏東德水庫水位逐步回落，至5月27日，水位消落至汛限水位952 m。烏東德庫區(qū)水位具體變化如圖2所示，消落帶不同高程段淹水時間如表1所示。

圖2 烏東德水庫2020年3月至2021年4月水位變化Fig.2 The change of water level in Wudongde Reservoir from March 2020 to April 2021

表1 烏東德庫區(qū)消落帶不同高程段持續(xù)淹水時間Table 1 Continuous flooding time of different elevation sections in the Wudongde Reservoir

1.3 植被概況

2020年3—4月在烏東德水電站消落帶修復區(qū)內(nèi)種植經(jīng)篩選的植物物種，包括喬木中山杉（Taxodium hybrid‘zhongshanshan'）、池杉（Taxodium ascendens）、烏桕 （Sapium sebiferum）、楓楊 （Pterocarya stenoptera）、桑樹 （Morus alba）、構(gòu)樹（Broussonetia papyrifera）、銀合歡（Leucaenaleucocephala），灌木小桐子（Jatropha curcas）、中華蚊母樹（Distylium chinense）、小梾木（Cornus paucinervis）、秋華柳（Salix variegate）、花椒（Zanthoxylum bungeanum Maxim），以及草本狗牙根（Cynodon dactylon）、蒼耳 （Xanthium sibiricum）、狗尾草（Setaria viridis）等植物。消落區(qū)上、中、下段依次配置喬木、灌木、草本（圖3），構(gòu)成單一或者復合的群落；沿著消落區(qū)上、中、下段分栽草本植株，并設(shè)置草種播種試驗帶，撒播狗牙根、狗尾草和蒼耳種子，植物種植設(shè)計詳見表2。在修復區(qū)附近，選擇與修復區(qū)土壤、坡度、海拔等條件相近區(qū)域，設(shè)置對照區(qū)，對照區(qū)內(nèi)不進行修復及苗木種植，且保留當?shù)卦参?。試驗區(qū)苗木栽植后進行日常養(yǎng)護。

表2 植物種植設(shè)計Table 2 The design of planting

圖3 烏東德庫區(qū)消落帶植物種植示意圖Fig.3 Schematic diagram of planting in water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

2 研究方法

在水位上漲前和水位消退后，根據(jù)不同高程修復區(qū)、不同植物物種、不同苗木大小分別調(diào)查栽種植物的生長存活狀況。逐株調(diào)查并記錄植物高度、基/米徑（木本植物）、葉片顏色、萌芽狀況、物候期、存活狀態(tài)等生長指標。其中高度采用精度為0.1 cm的鋼卷尺和測高桿測量，基徑采用精度為0.01 mm的游標卡尺測量，米徑采用精度為0.1 cm的圍尺測量，單位均為cm；肉眼觀察植物萌芽、存活、葉片顏色和物候期等生長指標；觀察記錄植物生長環(huán)境變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 淹水后植物生長存活現(xiàn)狀

3.1.1 木本植物

消落帶上段（970～975 m）不同喬木物種及苗木大小存活率分析結(jié)果顯示，φ=10 cm的苗木中，存活率較高的物種依次是烏桕、桑樹、楓楊、池杉、中山杉，均超過80%，其中烏桕存活率達88.5%；φ=5 cm的苗木中，存活率較高的物種依次是楓楊、桑樹、構(gòu)樹、烏桕、中山杉，均達到了50%，其中楓楊存活率達81.4%；φ=3 cm的苗木中，存活率較高的物種依次是烏桕、銀合歡、中山杉，均達到了50%，其中烏桕存活率達70.0%，如圖4所示。

圖4 喬木存活率Fig.4 The survival rate of trees

消落帶上段（970～975 m），同樣大小φ=3 cm的小梾木、秋華柳、小桐子、花椒存活率分別為93.8%，86.5%，19.4%和0，d=1 cm的中華蚊母樹存活率為52.5%（表3），說明小梾木、秋華柳、中華蚊母樹可適應干熱河谷消落帶生境，而小桐子、花椒不適宜在干熱河谷消落帶區(qū)域生長。另外，現(xiàn)場觀察到種植的小梾木和秋華柳開花結(jié)果，生長良好（圖5）。

表3 灌木存活率Table 3 The survival rate of shrub

圖5 小梾木與秋華柳Fig.5 Cornus paucinervis and Salix variegate

3.1.2 草本植物

根據(jù)觀察，同種草本植物在消落帶不同高程段（上、中、下段）生長差別較小。撒播的狗牙根和狗尾草草種在消落帶水位上漲前發(fā)芽，但受當?shù)貎?yōu)勢草本植物扭黃茅（Heteropogon contortus）、三芒草（Aristida adscensionis）等影響，種子發(fā)芽率較低；淹后水退，岸坡淤積泥沙，之前撒播種子區(qū)域未見狗牙根植株。淹水前分栽的狗牙根植株由于當?shù)貎?yōu)勢草本影響生長受限，淹水后出露的狗牙根植株仍有存活且已萌發(fā)新芽。蒼耳在水淹之前未發(fā)芽，淹水出露后發(fā)芽，生長良好。當?shù)貎?yōu)勢草本植物扭黃茅、三芒草在淹水前生長良好，淹水出露后未見存活植株，詳見表4。

表4 草本植物生長狀況Table 4 Growth of herbaceous plants

3.2 鄉(xiāng)土植物與引進植物生長比較

對對照區(qū)和試驗區(qū)現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在消落帶上段（970～975 m）海拔974～975 m區(qū)域生長較好的植物有當?shù)匚锓N銀合歡、構(gòu)樹和斑茅（Saccharum arundinaceum），引進物種中華蚊母樹。在消落帶海拔970～975 m區(qū)域生長較好的當?shù)匚锓N有桑樹、蒼耳、苘麻（Abutilon theophrasti）、鬼針草（Bidens pilosa）、狗牙根，引進物種有池杉、中山杉、烏桕、楓楊、小梾木、秋華柳等植物。在海拔970～975 m區(qū)域生長較差的物種有鄉(xiāng)土植物車桑子（Dodonaea viscosa）、疏序黃荊（Vitex negundo f.laxipaniculata）、木棉（Bombax ceiba）、滇刺棗（Ziziphus mauritiana）、皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）、金合歡（Acacia farnesiana）、小桐子、扭黃茅，引進物種花椒、菖蒲（Acorus calamus），詳見表5。

表5 鄉(xiāng)土植物與引進植物生長狀況Table 5 Growth of indigenous plants and introduced plants

3.3 植物生長影響

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及觀察，除了消落帶水位上漲水淹的主要影響，影響烏東德庫區(qū)消落帶植物生長的環(huán)境因素還有氣候、病蟲害、浪蝕等，可分為生物因素與非生物因素。

（1）非生物因素。高溫干旱的氣候條件是影響淹水前后修復區(qū)植物生長最主要的非生物因素。植物栽植初期葉片枯黃，部分植株樹皮灼傷，栽植后平均15 d才開始萌發(fā)新芽，生長恢復緩慢。另外，烏東德庫區(qū)船艇航行產(chǎn)生較大沖擊波浪，侵蝕庫岸，消落帶修復區(qū)出現(xiàn)庫岸坍塌（圖6），部分植物傾倒，根系外露，植物生長受限。

圖6 消落帶修復區(qū)坍塌庫岸Fig.6 The collapsed reservoir bank in experimental waterlevel-fluctuating zone

（2）生物因素。當?shù)夭荼局参锱S茅、三芒草等生長較快，植株高度平均在80～100 cm，在生長競爭中占有絕對優(yōu)勢，栽植草本植株生長與撒播草種萌芽受到抑制。另外，栽植初期灌木秋華柳、小梾木植株上發(fā)現(xiàn)不同程度病蟲害（圖7），栽植池杉、中山杉死亡苗木根部也發(fā)現(xiàn)白蟻蟲害，影響植物生長。

圖7 小梾木與秋華柳病蟲害Fig.7 Diseases and insect pests in Cornus paucinervis and Salix variegates

4 討論

消落帶受長期水位漲落影響，植被自然恢復較慢，且效果不甚理想。相對而言，人工恢復能快速重建消落帶植物群落，促進群落生物量的累積，加速植被恢復進程[6]。在烏東德庫區(qū)消落帶修復試驗中，前期的植物篩選借鑒了已有庫區(qū)消落帶植物耐淹機制研究成果，尤其是三峽庫區(qū)[7]。在烏東德庫區(qū)消落帶修復區(qū)生長較好的植物，如引進植物池杉、中山杉、烏桕、楓楊、秋華柳、小梾木等，鄉(xiāng)土植物蒼耳、苘麻、桑樹、狗牙根等在其他氣候區(qū)消落帶有大量的生長適應相關(guān)研究與修復實踐，其水淹響應與適應機制也取得了一定研究進展[8-10]。研究表明，這些植物會根據(jù)水淹強度調(diào)整自身生長策略，生理指標發(fā)生相應改變，如光合速率下降、抗氧化酶含量波動等，而不同植物面對水淹具有明顯的生理指標與形態(tài)差異。例如，楓楊、桑樹、秋華柳等在水淹誘導下產(chǎn)生有利于吸收氧氣的不定根[11-12]；池杉、中山杉在水淹環(huán)境中可以產(chǎn)生膝狀根，促進呼吸[13]；蒼耳、苘麻生長期短、果實輕、抗逆性強，能夠在水位落下后在消落區(qū)生長[14-15]。相對而言，鄉(xiāng)土植物車桑子、滇刺棗、扭黃茅等經(jīng)歷水淹后存活較差，銀合歡、構(gòu)樹、斑茅也僅在消落帶最上端生長，這些鄉(xiāng)土植物長期生長在干熱河谷，可采取干旱適應策略調(diào)整自身功能性狀，如葉面積、葉片厚度等，以適應干熱氣候[16]，因此耐淹能力較差。淹水后米徑10 cm的喬木苗木存活率更高，研究表明苗木地上部分粗壯，地下根系發(fā)達，莖根比越小，其抗性越強，移栽的成活率也越高[17]。在本試驗中，相比于小米徑苗木，大規(guī)格苗木在抗旱、耐淹等方面可能具有更強的抗性，因此存活更好。

植物生長影響因素分為生物因素與非生物因素。氣象資料顯示，試驗區(qū)所處干熱河谷年均溫19～22℃，大于或等于10℃積溫多在6 500～8 000℃，年均降水量630～800 mm，年均蒸發(fā)量2 050～3 650 mm，蒸發(fā)量是降水量的3～6倍[18]，干熱的氣候條件成為修復區(qū)淹水前后植物生長主要限制因素。引進植物原生生長環(huán)境條件與修復區(qū)存在差異，且修復區(qū)氣候條件惡劣，因此引進植物的生長容易出現(xiàn)病蟲害，并在與鄉(xiāng)土植物的競爭中處于劣勢。

另外，根據(jù)研究結(jié)果及現(xiàn)場調(diào)查，對干熱河谷庫區(qū)消落帶生態(tài)修復提出以下建議：

（1）稀樹灌草叢植被類型區(qū)域消落帶修復不適宜撒播草本種子，當?shù)夭荼救缗S茅、三芒草等生長占據(jù)絕對優(yōu)勢，撒播草種萌芽及生長較差。

（2）建議土壤松散、坡度較陡的岸坡采取工程加固措施。

（3）狗牙根植株集中成片種植，易成活，且水土保持作用明顯，建議優(yōu)化狗牙根種植模式。

（4）植物需要增加防沖、防倒支撐等輔助生長措施，避免樹干傾斜根系外露，影響植物生長。

（5）消落帶上段偶爾水淹區(qū)域可適當種植當?shù)厣阅脱椭参?，如銀合歡、構(gòu)樹、斑茅等，低海拔嚴格篩選配置耐淹及耐旱植物。

（6）大規(guī)格苗木成活率較高，建議適當種植大規(guī)格苗木。

（7）后續(xù)進行長期生態(tài)監(jiān)測，觀察植物生長存活變化。

5 結(jié)語

本文通過2020年3月至2021年5月期間對烏東德水電站消落帶修復試驗區(qū)及對照區(qū)植物進地調(diào)查，結(jié)合定性與定量分析方法系統(tǒng)分析了區(qū)域植物生長存活狀況，得到以下結(jié)論：

（1）池杉、中山杉、烏桕、楓楊、桑樹等大規(guī)格苗木存活更好。

（2）鄉(xiāng)土植物銀合歡、構(gòu)樹、斑茅在消落帶上段能生長存活。

（3）適宜用于干熱河谷庫區(qū)消落帶修復的植物有池杉、中山杉、烏桕、楓楊、秋華柳、小梾木、桑樹、蒼耳、苘麻、鬼針草、狗牙根；不適宜植物有車桑子、疏序黃荊、木棉、滇刺棗、皇竹草、金合歡、小桐子、扭黃茅、花椒、菖蒲。

（4）修復區(qū)植物生長限制因素有高溫干旱、浪蝕、病蟲害以及種間競爭等。