吳 敏， 吳立勛， 湯玉喜， 徐世鳳， 林建新

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.沅江市林業(yè)局， 湖南 沅江 413100)

灘地蘆葦和楊樹群落對(duì)汛期水流及泥沙沉積的影響

吳 敏1， 吳立勛1， 湯玉喜1， 徐世鳳1， 林建新2

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.沅江市林業(yè)局， 湖南 沅江 413100)

為了解湖區(qū)灘地不同植被類型、環(huán)境因子對(duì)汛期水流速度和泥沙沉積的影響，在汛期對(duì)洞庭湖洲灘外的河道及楊樹林、蘆葦?shù)赜昧魉贉y(cè)算儀定點(diǎn)測(cè)量水流速度，用水準(zhǔn)儀測(cè)量灘地海拔5年間的高程變化，冬(春)天直接測(cè)量當(dāng)年泥沙沉積泥塊厚度。結(jié)果表明：林外河道中部的水流速度顯著高于岸邊；河道水流速度受灘地植被類型的影響不明顯。蘆葦?shù)亍顦淞謨?nèi)的水流速度顯著低于林外，尤以蘆葦?shù)貫樯?。不同植被類型灘地上的泥沙沉積，以湖岸0～30 m地段為最厚，蘆葦?shù)氐钠骄穸仁菞顦淞值?.25倍。7～11年生灘地楊樹林，因泥沙沉積5年海拔平均增高14.65 cm，年均厚度2.93 cm。灘地上的水流所受阻力，蘆葦?shù)卮笥跅顦淞郑魉亠@著降低；泥沙沉積量蘆葦?shù)仫@著高于楊樹林。楊樹林內(nèi)對(duì)泥沙沉積厚度影響最大的因子是湖岸距離，淹水時(shí)間居第二位，流速影響最小。

灘地； 楊樹； 蘆葦； 水流速度； 泥沙沉積厚度

楊樹自上世紀(jì)70年代引入洞庭湖后[1]，對(duì)于改變當(dāng)?shù)貥浞N結(jié)構(gòu)、建立用材林基地、發(fā)展楊樹產(chǎn)業(yè)、固定CO2、開展林業(yè)血防工程、改善灘地生態(tài)環(huán)境等發(fā)揮了重要作用[2-4]。但楊樹的引入，有人說(shuō)其是 “有害外來(lái)生物” 的入侵，“更替了原始種群”[5]。洞庭湖區(qū)有冬陸夏水型灘地約22萬(wàn)hm2[6]。蘆葦和楊樹是洞庭湖東、南、西3個(gè)濕地自然保護(hù)區(qū)以外灘地上人工經(jīng)營(yíng)的主要栽培植物[7-8]。在中、高高程灘地上有大面積楊樹人工林，在中、低高程灘地上有大面積人工經(jīng)營(yíng)的蘆葦，在低位灘地上主要繁衍著多種苔草、莎草類植物[7，9-10]。人工栽培和利用蘆葦已有幾百年歷史[11]。蘆葦是灘地形成、發(fā)育過(guò)程中的自然演替植物；唯自然演替時(shí)程長(zhǎng)、產(chǎn)量低，并且在高位灘地因淹水時(shí)間減少而群落退化。蘆葦雖為灘地的原生植物，但目前的蘆葦林實(shí)際上已成為人工經(jīng)營(yíng)的蘆葦頂級(jí)群落，承載著重要的經(jīng)濟(jì)使命[12]。濕地自然保護(hù)區(qū)外的灘地是寶貴的土地資源，在目前情況下，讓其進(jìn)入植被原始狀態(tài)的自然演替程序、排除人工干預(yù)是不現(xiàn)實(shí)的。如何綜合考察、科學(xué)利用灘地，充分發(fā)揮其最大經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益，是林業(yè)和生態(tài)科學(xué)工作者進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的重要課題。為此，我們對(duì)湖區(qū)汛期水流和泥沙沉積進(jìn)行了2～5年的跟蹤監(jiān)測(cè)，以期為洞庭湖濕地非核心自然保護(hù)區(qū)的灘地進(jìn)行科學(xué)開發(fā)、利用提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于沅江市東南湖，以拐棍洲為中心區(qū)域，輔以左右兩側(cè)河對(duì)岸灘地作對(duì)照。洞庭湖除東、南、西3區(qū)域各有較大連片水域外，其他區(qū)域已被灘地區(qū)隔成網(wǎng)狀河道，人口密度較大，人們各類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁。拐棍洲是一寬1～2 km、長(zhǎng)數(shù)千米的洲灘，地形為四周高、中間低，高低之差可達(dá)2.5～3 m。每年汛期多出現(xiàn)在6—8月。灘地于汛期多沒(méi)于水下，淹水時(shí)間因高程而異。灘地上洪水水流多與洲灘長(zhǎng)邊方向成一定夾角穿洲而過(guò)。洲灘除中間部分低槽不宜蘆葦生長(zhǎng)而保留天然苔草、莎草類植被外，余全部為人工經(jīng)營(yíng)的蘆葦?shù)睾蜅顦淞?；楊樹林下草木植物茂密，蓋度達(dá)0.9以上。

2 研究方法

2.1洪水流速測(cè)定

為探索灘地主要植被類型對(duì)汛期泄洪的影響，試驗(yàn)于2003年7月中旬和2004年7月下旬汛期，乘船于林外河中和林內(nèi)每隔一定距離拋錨定點(diǎn)，用XHW-1型通用流速測(cè)算儀測(cè)水面下30 cm處水流速度，5次重復(fù)。主要植被類型為不同林齡的楊樹林、不同地塊的蘆葦?shù)亍?/p>

2.2泥沙沉積厚度測(cè)定

2.2.1 楊樹林內(nèi)固定點(diǎn)位5年泥沙沉積總量的測(cè)定 于1998年12月對(duì)6年生楊樹林按高差0.5 m間距用水準(zhǔn)儀測(cè)設(shè)固定點(diǎn)位(固定樣地)海拔高程，并實(shí)測(cè)各點(diǎn)位間的水平距離，5年后(2003年12月)用水準(zhǔn)儀再測(cè)其高程變化。

2.2.2 不同植被類型及水文條件下泥沙年沉積量的測(cè)定 設(shè)計(jì)影響汛期泥沙沉積的主要因子為植被類型、湖岸距離、淹水時(shí)間、洪水流速。根據(jù)連續(xù)兩年對(duì)洪水流速的監(jiān)測(cè)，于當(dāng)年秋(或冬)季，分別對(duì)不同林齡的楊樹林和不同地塊的蘆葦?shù)?，自湖岸起按一定距離用水準(zhǔn)儀測(cè)其海拔高程，在其附近取當(dāng)年汛期泥沙沉積層干后龜裂狀土塊，測(cè)量厚度，重復(fù)5次；根據(jù)當(dāng)年附近水文站汛期水位記錄，查算各高程點(diǎn)的淹水天數(shù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[13]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1植被及湖岸距離對(duì)洪水流速的影響

洞庭湖汛期，灘地多淹沒(méi)于洪水下，為保持洪水下泄通暢，要求主洪道沒(méi)有阻礙物。為探索灘地上的不同植被對(duì)汛期洪水流速的影響，在沅江東南湖連續(xù)兩年進(jìn)行洪水流速測(cè)量，2003年7月的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同植被類型及林緣距離的洪水流速曲線圖Fig.1 The flow rate curve of different vegetation types with different distance to the bank

由圖1可知，汛期河道內(nèi)的洪水流速，自河道中部至林緣幾乎呈線性下降。林(蘆)內(nèi)0-40 m，流速迅速降低，此后變化很??；但楊樹林內(nèi)流速明顯高于蘆葦?shù)?，前者是后者?2.1倍。

2004年7月沅江市東南湖洪水流速的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，不論何種灘地植被類型，林(蘆)內(nèi)洪水的流速均小于林外河道的流速，這主要是因?yàn)闉┑馗叱龊哟?，河槽仍是水流下泄的主通道。河道里水流速度以河道中部的上中層為最大，愈接近河床及岸邊，流速愈減小。灘地上的水流僅是洪水的旁支側(cè)流，水層淺、摩擦阻力大。與林(蘆)外河道洪水流速相比，5、12年生楊樹林內(nèi)的水流速度分別下降67.1%和89.2%，蘆葦?shù)厮魉俣认陆?8.3%～99.0%；楊樹林內(nèi)水流速度是蘆葦?shù)氐?0～34倍以上。蘆葦和楊樹是目前灘地上人工經(jīng)營(yíng)的主要纖維和用材林種。5～12年生的楊樹林，枝下高一般都大于5～9 m，遠(yuǎn)高于洪水水面；與楊樹主干比，蘆葦個(gè)體數(shù)量眾多，且莖、葉在3 m以下全部浸沒(méi)水中，因此其阻水面增加，與流水的總摩擦阻力增大，從而阻緩了水流流速。

表1 不同植被類型灘地洪水流速Tab 1 Theflowrateofdifferentvegetationtypesbeach(m/s)林緣距離(m)12年生楊樹林5年生楊樹林右岸5年生楊樹林左岸蘆葦?shù)匕咨程J葦?shù)赝?01 5661 5660 8480 8481 566外200 4980 4980 9780 3360 498林外平均1 0321 0320 9130 5921 032內(nèi)10 0 2300 3740 130<0 010<0 010內(nèi)1000 2720 3060 068<0 010<0 010林內(nèi)平均0 2510 3400 099<0 010<0 010

以楊樹(蘆葦) 林邊緣為界，分別以林內(nèi)、林外為總體，對(duì)不同距離和植被類型觀測(cè)點(diǎn)的流速作方差分析，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，林外80 m處與20 m處的水流速度有顯著差異(p=0.0392)，而不同植被類型灘地外的河道中的水流速度沒(méi)有顯著差異(p=0.7321)，表明岸上植被類型在汛期對(duì)主河道洪水流速?zèng)]有明顯的不同影響。在林內(nèi)，水流速度在不同林緣距離間差異不顯著，在不同植被類型間則差異極顯著(p=0.0017)，多重比較結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 林內(nèi)外洪水流速方差分析表Tab 2 Varianceanalysisoftheflowrateinandoutofforest總體類別變異來(lái)源平方和自由度均方F值p值林外林緣距離1 285911 28599 1120 0392植被類型0 290540 07260 5150 7321林內(nèi)林緣距離0 000810 00080 7120 4464植被類型0 175540 043940 5160 0017

表3 林內(nèi)不同植被類型洪水流速Tukey法多重比較Tab 3 Tukeymultiplecomparisonoftheflowrateinforestwithdifferentvegetationtypes植被類型均值(m/s)5%顯著水平1%極顯著水平拐棍洲5年生楊樹林0 3400aA拐棍洲12年生楊樹林0 2510aAB挖口子右岸5年生楊樹林0 0991bBC挖口子左岸蘆葦?shù)? 0100bC白沙鄉(xiāng)蘆葦?shù)? 0100bC

由表3可知，林內(nèi)，拐棍洲5年生楊樹林與右岸5年生楊樹林及各蘆葦?shù)亻g洪水流速均有極顯著差異；12年生楊樹林與各蘆葦?shù)亻g亦有極顯著差異，與挖口子右岸5年生楊樹林有顯著差異，其余各地類間均無(wú)顯著差異。

3.2植被及水文因子對(duì)泥沙沉積的影響

3.2.1 泥沙沉積與灘地楊樹林地海拔高程的增加汛期洪水?dāng)y帶大量泥沙，進(jìn)入洞庭湖后每年約有1億t泥沙滯留湖內(nèi)[14-15]，這是水中混懸顆粒物當(dāng)流速減小時(shí)不可避免的物理現(xiàn)象。1999年—2003年，即7～11年生楊樹林，經(jīng)歷了5個(gè)汛期的泥沙沉積，灘地的海拔高程增加了。采用水準(zhǔn)儀測(cè)量海拔高程變化及直接測(cè)量最后一年泥沙沉積厚度兩種方法的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

比較兩種泥沙厚度檢測(cè)方法，灘地楊樹林地5年海拔高程的年均變化量與第5年泥沙厚度直測(cè)值雖不相等，但在不同湖岸距離的變化趨勢(shì)一致，折線幾近平行(見(jiàn)圖2)。因此，這兩種泥沙沉積厚度的測(cè)定方法都是可靠的。受各年汛期洪水泥沙含量不同的影響，2003年所測(cè)各點(diǎn)數(shù)值均高于1999—2003年各點(diǎn)5年的平均值。由于不同湖岸距離的泥沙沉積厚度不同，湖岸距離加權(quán)后，7～11年生楊樹林分的年均泥沙沉積厚度為2.93 cm，11年生林地直測(cè)平均厚度為4.08 cm。

表4 7～11年生楊樹林海拔高程的5年變化量Tab 4 Altitudechangesof7～11yearsoldpoplarplantationinfiveyears湖岸距離(m)實(shí)測(cè)高程(m)1998-122004-045年年均增高2003年泥沙厚度(m)4633 3333 590 0520 06713532 8332 960 0260 03923232 3332 460 0260 03633431 8331 960 0260 03739731 3331 470 0280 038

圖2 兩種方法檢測(cè)的泥沙年沉積量Fig.2 The annual sedimentation thickness measured by two methods

3.2.2 不同植被類型灘地的泥沙沉積量 經(jīng)歷2004年汛期后，對(duì)拐棍洲區(qū)域3種不同植被類型灘地泥沙的年沉積量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同植被類型灘地泥沙年沉積量Fig.3 The annual sedimentation thickness of different vegetation types beach

同一區(qū)域、同一汛期、不同植被類型灘地的泥沙沉積量，經(jīng)加權(quán)平均，楊樹林地年均3.68 cm，蘆葦?shù)?.57～4.62 cm，后者是前者的1.24～1.26倍。經(jīng)檢驗(yàn)，泥沙沉積量在植被類型間差異不顯著(p=0.064 1)，在不同湖岸距離間差異極顯著(p=0.001 2)，以湖岸10 m處的沉積量為最高，30 m處次之。在楊樹林內(nèi)，湖岸0～30 m范圍內(nèi)，泥沙沉積平均厚度是湖岸30～270 m的1.5倍，在蘆葦?shù)貏t是1.8倍。此現(xiàn)象表明，不論何種類型植被的灘地，汛期泥沙沉積均以湖岸30 m范圍內(nèi)為最多，而且，尤以蘆葦?shù)貫樯?。這也清楚地說(shuō)明了洲灘地形四周高、中間低的形成原因。

3.2.3 影響泥沙沉積的水文因子 11年生楊樹林汛期泥沙沉積厚度及相關(guān)水文情況見(jiàn)表5。

表5 汛期泥沙沉積厚度及水文情況Tab 5 Thesedimentationthicknessandhydrologicalconditioninfloodperiod湖岸距離(m)淹水時(shí)間(天)洪水流速(m/s)泥沙厚度(cm)30110 2278 540120 1126 760130 1145 790150 1154 7130180 1173 9170200 1113 6230270 1033 6330450 1523 7400560 0393 8

考察湖岸距離、淹水時(shí)間、洪水流速諸水文因子對(duì)泥沙沉積的綜合影響，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)直接作多元回歸分析，其回歸方程式如下:

Y=C0+C1X1+C2X2+C3X3=

3.416 448-0.040 249 59X1+

0.278 945 3X2+11.458 92X3

復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.945 313，

決定系數(shù)R2=0.893 617

式中：Y——泥沙厚度(cm)

X1——湖岸距離(m)

X2——年淹水時(shí)間(天)

X3——洪水流速(m/s)

為便于考察各回歸系與因變量間的相關(guān)關(guān)系，將各指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后作多元回歸，各指標(biāo)的回歸系數(shù)及顯著性見(jiàn)表6。

標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)絕對(duì)值的大小體現(xiàn)了該變量對(duì)方程貢獻(xiàn)率的大??；偏相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值的大小，體現(xiàn)了該變量與因變量相關(guān)關(guān)系的緊密程度。因此，2003年在11年生楊樹林內(nèi)，對(duì)林內(nèi)泥沙沉積厚度影響最大的因子是湖岸距離，呈負(fù)相關(guān)，距離越大，泥沙沉積量越??；淹水時(shí)間呈正相關(guān)，影響居第二位；洪水流速影響最小。

表6 相關(guān)系數(shù)及顯著水平Tab 6 Correlationcoefficientandsignificancelevel項(xiàng)目回歸系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)偏相關(guān)系數(shù)t值p值C03 416453 3200 021湖岸距離-0 04025-3 06256-0 8814 1540 0092003年淹水時(shí)間0 278952 577210 8483 5720 016洪水流速11 458920 327420 6471 9000 116

4 結(jié)論與討論

(1) 河道中部與岸邊的水流速度差異顯著，以中部為最高，但灘地的不同植被類型對(duì)河道中的洪水流速影響不顯著。在林內(nèi)，水流速度在不同林緣距離間差異不顯著，但在不同植被類型間差異極顯著。5、12年生楊樹林內(nèi)的水流速度較林外分別下降67.1%和89.2%，蘆葦?shù)剌^林外下降98.3%～99.0%；楊樹林內(nèi)水流速度是蘆葦?shù)氐?0～34倍以上。蘆葦?shù)厮魉俣鹊募眲∠陆?，與其個(gè)體數(shù)多、阻水面大、與水流總摩擦阻力增加有關(guān)。

(2)在相似水文條件下，洲灘5年生楊樹林泥沙沉積厚度，在湖岸0～30 m地段平均為5.3 cm，30～270 m地段3.5 cm；蘆葦?shù)胤謩e為7.9 cm和4.3 cm。就林分總體而言，楊樹林地泥沙沉積年均厚度3.68 cm，蘆葦?shù)?.60 cm，后者是前者的1.25倍。

(3)對(duì)林內(nèi)泥沙沉積厚度影響最大的因子是湖岸距離，呈負(fù)相關(guān)，距離越大，沉積量越小；淹水時(shí)間呈正相關(guān)，居第二位；洪水流速影響最小。

(4)7～11年生灘地楊樹林，因泥沙沉積5年海拔加權(quán)平均增高14.65 cm，年均厚度為2.93 cm。

(5)蘆葦是洞庭湖灘地原生植物種群，對(duì)汛期洪水流速、泥沙沉積雖有一定影響，但由于其經(jīng)濟(jì)、生態(tài)地位，它的存在無(wú)法否定；相較而言，楊樹的影響則要小得多，將其說(shuō)成有害生物入侵，是言過(guò)其實(shí)的，沒(méi)有根據(jù)的。

[1] 趙天錫，陳章水. 中國(guó)楊樹集約載培[M]. 北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

[2] 徐云彪，王志遠(yuǎn)，杜海波. 楊樹引種在生態(tài)建設(shè)中的重要作用[J]. 生物技術(shù)世界，2013(7)：40.

[3] 趙書喜. 南方型楊樹引種與發(fā)展戰(zhàn)略研究[J]. 湖南林業(yè)科技，1994，21(3)：1-3.

[4] 吳立勛，湯玉喜，吳 敏. 洞庭湖區(qū)楊樹引種試驗(yàn)[J]. 湖南林業(yè)科技，2003，30(3)：12-15.

[5] 侯志勇，謝永宏，趙啟鴻，等. 洞庭湖濕地植物資源現(xiàn)狀及保護(hù)與可持續(xù)利用對(duì)策[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2013，34(2)：181-185.

[6] 湖南省國(guó)土委員會(huì)辦公室. 洞庭湖區(qū)整治開發(fā)綜合考察研究專題報(bào)告[R]. 長(zhǎng)沙： 湖南省國(guó)土委員會(huì)辦公室，1985.

[7] 雷璇，楊波，蔣衛(wèi)國(guó)，等. 東洞庭濕地植被格局變化及其影響因素[J]. 地理研究，2012，31(3)：461-470.

[8] 張運(yùn)雄，陳金山，馬樂(lè)凡. 洞庭湖區(qū)蘆葦生產(chǎn)發(fā)展戰(zhàn)略探討[J]. 湖南造紙，2012(4)： 11-15.

[9] 方精云. 長(zhǎng)江中游濕地生物多樣性保護(hù)的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[10] 吳立勛，湯玉喜，吳 敏，等. 洞庭湖灘地楊樹造林與草本植物物種多樣性研究[J]. 湖南林業(yè)科技，2005，32(6)：9-15.

[11] 趙家榮. 蘆葦和荻的栽培與利用[M]. 北京： 金盾出版社，2002.

[12] 王 萌，王玉彬，陳章和. 蘆葦?shù)姆N質(zhì)資源及在人工濕地中的應(yīng)用[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2010，16(4)：590-595.

[13] 唐啟義. DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

[14] 湖南師范學(xué)院地理系. 湖南農(nóng)業(yè)地[M]. 長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1981.

[15] 郭其述. 洞庭湖的演替及其綜合治理[M]. 長(zhǎng)沙：湖南科技情報(bào)所，1981.

(文字編校：張 珉)

Effectofreedandpoplarplantationontheflowrateandsedimentationthicknessinthefloodperiodonthebeach

WU Min1， WU Lixun1， TANG Yuxi1， XU Shifeng1， LIN Jianxin2

(1.Hunan Academy of Forestry， Changsha 410004， China； 2.Forestry Bureau of Yuanjiang City， Yuanjiang 413100， China)

In order to find the effects on flood flow velocity and sedimentation by different vegetation types in lake beaches and environmental factors，the effect of reed and poplar plantation on the flow rate and sedimentation thickness in the flood period in Dongting Lake area was studied.The flow rate of water stream，poplar plantation and reed beach was investigated by the fluid velocity in the flood period at fixed point，the altitude changes were also conducted by the digital levels，and the sedimentation was measured directly in winter or spring.The results showed that，the flow rate in the middle of water stream was higher significantly than that in the bank，and the flow rate was slightly affected by the type of beach vegetation.The flow rate in the reed and poplar plantation was lower obviously than that of the plantation outside，especially in the reed beach.The sedimentation of different vegetation types was the maximum thickness at the 0～30 m in the bank，and the thickness of reed beach was 1.25 times of that of the poplar plantation.The altitude increased 14.65 cm in 5 years in the 7～11 years old poplar plantation in the beach，and the average annual thickness was 2.93 cm.The resistance of flow rate in reed beach was higher than that in poplar plantation，and the sedimentation in reed beach was also higher than that in poplar plantation.The affecting factor of sedimentation thickness of poplar plantation was the distance to the lake bank，flooding time and flow rate in order.

beach； poplar； reed； flow rate； sedimentation thickness

2013-12-10

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題“林業(yè)血防生態(tài)安全體系構(gòu)建技術(shù)研究與示范”(2011BAD38B07)。

S 792.119

A

1003-5710(2014)04-0013-05

10. 3969/j. issn. 1003-5710. 2014. 04. 003