库水涨落对乌东德库区消落带植物生长影响初步研究

2022-10-13周火明甘国权欧阳德和

三峡生态环境监测 2022年3期

于江，万丹，周火明，甘国权，赵姹，欧阳德和，刘波

（1.中国三峡建设管理有限公司环境保护部，成都 610023；2.长江水利委员会长江科学院重庆分院，重庆 400026；3.三峡水利枢纽梯级调度通信中心昆明调控中心，昆明 530102；4.武汉长江科创科技发展有限公司，武汉 430010）

干热河谷是我国西南山区特有的一种生态系统类型，分布于元江、怒江、金沙江、澜沧江及其支流地区，区域气候高温干燥，水热失衡[1]。长期以来，在自然因素和人为干扰综合影响下，干热河谷地区水土流失严重、自然植被遭受严重破坏，成为我国生态环境最为脆弱地区之一[2]。近年来，随着西南山区水利水电开发，干热河谷地区出现大面积消落带区域。消落带的出现可能引发一些环境问题，对区域生态环境产生一定影响。库区消落带是由于水电站建设运行，人为调控水位变动规律而产生的陆地生态系统与水生生态系统的过渡带。消落带植被具有保持水土、保护生物多样性、美化环境等重要生态功能[3]。受水位波动影响，库区消落带原有植物生长受限，植物多样性降低，易产生库区崩塌等地质危害，影响库区安全运行与生态环境[4-5]。因此，开展干热河谷库区消落带植被恢复对库区生态环境改善及水库安全运行具有重要意义。本研究以乌东德水电站库区消落带为例，开展植被恢复试验，以期为干热河谷库区消落带生态修复提供基础数据与实践经验。

1 试验区概况

1.1 试验区位置

乌东德水电站库区消落带试验区建立于2019—2020年，位于云南省楚雄彝族自治州武定县己衣镇新民村西北部近金沙江右岸（图1），沿978 m高程岸线长3 km，面积约30 hm2，海拔952～975 m，坡度15°～20°。土壤类型主要为黄棕壤，气候特征是炎热干燥，降雨量少而蒸发旺盛。根据消落带不同高程水淹时间和深度，将试验区分为消落带下段（952～960 m）、中段（960～970 m）和上段（970～975 m）三段修复区，筛选种植了多种植物，以期改善库区生态环境。

图1 乌东德水电站库区消落带试验区位置Fig.1 The location of water-level fluctuation experimental zone in Wudongde Reservoir

1.2 乌东德蓄水水位

从2020年1月至2021年5月，乌东德水库运行方式为：2020年1月15日顺利实现下闸蓄水，1月30日蓄水至895 m，完成第一阶段蓄水；2020年5月6日，启动第二阶段蓄水，6月5日蓄水至死水位945 m，完成第二阶段蓄水；2020年8月3日启动第三阶段蓄水，8月7日蓄水至汛限水位952 m，8月23日蓄水至运行控制水位965 m，按照965 m水位控制运行。乌东德水电站于2020年12月19日启动蓄水试验工作，12月21日蓄至968 m，在968 m台阶停留3 d；12月26日蓄至970 m，在970 m台阶停留8 d；2021年1月9日蓄至972 m，至2月27日维持在972 m台阶控制运行；2月28日至4月2日，乌东德坝前水位维持在973 m及以上运行，其间最高运行水位为974.3 m。4月3日起，乌东德水库水位逐步回落，至5月27日，水位消落至汛限水位952 m。乌东德库区水位具体变化如图2所示，消落带不同高程段淹水时间如表1所示。

图2 乌东德水库2020年3月至2021年4月水位变化Fig.2 The change of water level in Wudongde Reservoir from March 2020 to April 2021

表1 乌东德库区消落带不同高程段持续淹水时间Table 1 Continuous flooding time of different elevation sections in the Wudongde Reservoir

1.3 植被概况

2020年3—4月在乌东德水电站消落带修复区内种植经筛选的植物物种，包括乔木中山杉（Taxodium hybrid‘zhongshanshan'）、池杉（Taxodium ascendens）、乌桕（Sapium sebiferum）、枫杨（Pterocarya stenoptera）、桑树（Morus alba）、构树（Broussonetia papyrifera）、银合欢（Leucaenaleucocephala），灌木小桐子（Jatropha curcas）、中华蚊母树（Distylium chinense）、小梾木（Cornus paucinervis）、秋华柳（Salix variegate）、花椒（Zanthoxylum bungeanum Maxim），以及草本狗牙根（Cynodon dactylon）、苍耳（Xanthium sibiricum）、狗尾草（Setaria viridis）等植物。消落区上、中、下段依次配置乔木、灌木、草本（图3），构成单一或者复合的群落；沿着消落区上、中、下段分栽草本植株，并设置草种播种试验带，撒播狗牙根、狗尾草和苍耳种子，植物种植设计详见表2。在修复区附近，选择与修复区土壤、坡度、海拔等条件相近区域，设置对照区，对照区内不进行修复及苗木种植，且保留当地原生植物。试验区苗木栽植后进行日常养护。

表2 植物种植设计Table 2 The design of planting

图3 乌东德库区消落带植物种植示意图Fig.3 Schematic diagram of planting in water-level-fluctuating zone of Wudongde Reservoir

2 研究方法

在水位上涨前和水位消退后，根据不同高程修复区、不同植物物种、不同苗木大小分别调查栽种植物的生长存活状况。逐株调查并记录植物高度、基/米径（木本植物）、叶片颜色、萌芽状况、物候期、存活状态等生长指标。其中高度采用精度为0.1 cm的钢卷尺和测高杆测量，基径采用精度为0.01 mm的游标卡尺测量，米径采用精度为0.1 cm的围尺测量，单位均为cm；肉眼观察植物萌芽、存活、叶片颜色和物候期等生长指标；观察记录植物生长环境变化。

3 结果与分析

3.1 淹水后植物生长存活现状

3.1.1 木本植物

消落带上段（970～975 m）不同乔木物种及苗木大小存活率分析结果显示，φ=10 cm的苗木中，存活率较高的物种依次是乌桕、桑树、枫杨、池杉、中山杉，均超过80%，其中乌桕存活率达88.5%；φ=5 cm的苗木中，存活率较高的物种依次是枫杨、桑树、构树、乌桕、中山杉，均达到了50%，其中枫杨存活率达81.4%；φ=3 cm的苗木中，存活率较高的物种依次是乌桕、银合欢、中山杉，均达到了50%，其中乌桕存活率达70.0%，如图4所示。

图4 乔木存活率Fig.4 The survival rate of trees

消落带上段（970～975 m），同样大小φ=3 cm的小梾木、秋华柳、小桐子、花椒存活率分别为93.8%，86.5%，19.4%和0，d=1 cm的中华蚊母树存活率为52.5%（表3），说明小梾木、秋华柳、中华蚊母树可适应干热河谷消落带生境，而小桐子、花椒不适宜在干热河谷消落带区域生长。另外，现场观察到种植的小梾木和秋华柳开花结果，生长良好（图5）。

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

图5 小梾木与秋华柳Fig.5 Cornus paucinervis and Salix variegate

3.1.2 草本植物

根据观察，同种草本植物在消落带不同高程段（上、中、下段）生长差别较小。撒播的狗牙根和狗尾草草种在消落带水位上涨前发芽，但受当地优势草本植物扭黄茅（Heteropogon contortus）、三芒草（Aristida adscensionis）等影响，种子发芽率较低；淹后水退，岸坡淤积泥沙，之前撒播种子区域未见狗牙根植株。淹水前分栽的狗牙根植株由于当地优势草本影响生长受限，淹水后出露的狗牙根植株仍有存活且已萌发新芽。苍耳在水淹之前未发芽，淹水出露后发芽，生长良好。当地优势草本植物扭黄茅、三芒草在淹水前生长良好，淹水出露后未见存活植株，详见表4。

表4 草本植物生长状况Table 4 Growth of herbaceous plants

3.2 乡土植物与引进植物生长比较

对对照区和试验区现场观察发现，在消落带上段（970～975 m）海拔974～975 m区域生长较好的植物有当地物种银合欢、构树和斑茅（Saccharum arundinaceum），引进物种中华蚊母树。在消落带海拔970～975 m区域生长较好的当地物种有桑树、苍耳、苘麻（Abutilon theophrasti）、鬼针草（Bidens pilosa）、狗牙根，引进物种有池杉、中山杉、乌桕、枫杨、小梾木、秋华柳等植物。在海拔970～975 m区域生长较差的物种有乡土植物车桑子（Dodonaea viscosa）、疏序黄荆（Vitex negundo f.laxipaniculata）、木棉（Bombax ceiba）、滇刺枣（Ziziphus mauritiana）、皇竹草（Pennisetum sinese Roxb）、金合欢（Acacia farnesiana）、小桐子、扭黄茅，引进物种花椒、菖蒲（Acorus calamus），详见表5。

表5 乡土植物与引进植物生长状况Table 5 Growth of indigenous plants and introduced plants

3.3 植物生长影响

根据现场调查及观察，除了消落带水位上涨水淹的主要影响，影响乌东德库区消落带植物生长的环境因素还有气候、病虫害、浪蚀等，可分为生物因素与非生物因素。

（1）非生物因素。高温干旱的气候条件是影响淹水前后修复区植物生长最主要的非生物因素。植物栽植初期叶片枯黄，部分植株树皮灼伤，栽植后平均15 d才开始萌发新芽，生长恢复缓慢。另外，乌东德库区船艇航行产生较大冲击波浪，侵蚀库岸，消落带修复区出现库岸坍塌（图6），部分植物倾倒，根系外露，植物生长受限。

图6 消落带修复区坍塌库岸Fig.6 The collapsed reservoir bank in experimental waterlevel-fluctuating zone

（2）生物因素。当地草本植物扭黄茅、三芒草等生长较快，植株高度平均在80～100 cm，在生长竞争中占有绝对优势，栽植草本植株生长与撒播草种萌芽受到抑制。另外，栽植初期灌木秋华柳、小梾木植株上发现不同程度病虫害（图7），栽植池杉、中山杉死亡苗木根部也发现白蚁虫害，影响植物生长。

图7 小梾木与秋华柳病虫害Fig.7 Diseases and insect pests in Cornus paucinervis and Salix variegates

4 讨论

消落带受长期水位涨落影响，植被自然恢复较慢，且效果不甚理想。相对而言，人工恢复能快速重建消落带植物群落，促进群落生物量的累积，加速植被恢复进程[6]。在乌东德库区消落带修复试验中，前期的植物筛选借鉴了已有库区消落带植物耐淹机制研究成果，尤其是三峡库区[7]。在乌东德库区消落带修复区生长较好的植物，如引进植物池杉、中山杉、乌桕、枫杨、秋华柳、小梾木等，乡土植物苍耳、苘麻、桑树、狗牙根等在其他气候区消落带有大量的生长适应相关研究与修复实践，其水淹响应与适应机制也取得了一定研究进展[8-10]。研究表明，这些植物会根据水淹强度调整自身生长策略，生理指标发生相应改变，如光合速率下降、抗氧化酶含量波动等，而不同植物面对水淹具有明显的生理指标与形态差异。例如，枫杨、桑树、秋华柳等在水淹诱导下产生有利于吸收氧气的不定根[11-12]；池杉、中山杉在水淹环境中可以产生膝状根，促进呼吸[13]；苍耳、苘麻生长期短、果实轻、抗逆性强，能够在水位落下后在消落区生长[14-15]。相对而言，乡土植物车桑子、滇刺枣、扭黄茅等经历水淹后存活较差，银合欢、构树、斑茅也仅在消落带最上端生长，这些乡土植物长期生长在干热河谷，可采取干旱适应策略调整自身功能性状，如叶面积、叶片厚度等，以适应干热气候[16]，因此耐淹能力较差。淹水后米径10 cm的乔木苗木存活率更高，研究表明苗木地上部分粗壮，地下根系发达，茎根比越小，其抗性越强，移栽的成活率也越高[17]。在本试验中，相比于小米径苗木，大规格苗木在抗旱、耐淹等方面可能具有更强的抗性，因此存活更好。

植物生长影响因素分为生物因素与非生物因素。气象资料显示，试验区所处干热河谷年均温19～22℃，大于或等于10℃积温多在6 500～8 000℃，年均降水量630～800 mm，年均蒸发量2 050～3 650 mm，蒸发量是降水量的3～6倍[18]，干热的气候条件成为修复区淹水前后植物生长主要限制因素。引进植物原生生长环境条件与修复区存在差异，且修复区气候条件恶劣，因此引进植物的生长容易出现病虫害，并在与乡土植物的竞争中处于劣势。

另外，根据研究结果及现场调查，对干热河谷库区消落带生态修复提出以下建议：

（1）稀树灌草丛植被类型区域消落带修复不适宜撒播草本种子，当地草本如扭黄茅、三芒草等生长占据绝对优势，撒播草种萌芽及生长较差。

（2）建议土壤松散、坡度较陡的岸坡采取工程加固措施。

（3）狗牙根植株集中成片种植，易成活，且水土保持作用明显，建议优化狗牙根种植模式。

（4）植物需要增加防冲、防倒支撑等辅助生长措施，避免树干倾斜根系外露，影响植物生长。

（5）消落带上段偶尔水淹区域可适当种植当地稍耐淹植物，如银合欢、构树、斑茅等，低海拔严格筛选配置耐淹及耐旱植物。

（6）大规格苗木成活率较高，建议适当种植大规格苗木。

（7）后续进行长期生态监测，观察植物生长存活变化。