崇明島南岸不同植物配置模式護(hù)岸能力及優(yōu)化策略研究

崇明島南岸不同植物配置模式護(hù)岸能力及優(yōu)化策略研究海岸帶侵蝕是全球沿海城市普遍面臨的一大難題。為此,如何減少海岸侵蝕保護(hù)海岸帶一直是全球廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。崇明島南岸正是面臨同樣問(wèn)題的地區(qū)之一。為減少海岸侵蝕保護(hù)海岸帶,早在上世紀(jì)50年代,縣水利局就利用灘涂濕地植物——蘆葦(Phragmitesaustralis),構(gòu)建成了蘆葦群落護(hù)岸帶。在過(guò)去的幾十年中,蘆葦群落對(duì)崇明南岸岸灘的穩(wěn)定發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而,它正面臨著新的挑戰(zhàn)。近年南岸深水航道建設(shè)及青草沙水庫(kù)的建設(shè)勢(shì)必將加劇對(duì)南岸岸灘的沖刷和侵蝕,使南岸坍勢(shì)更為嚴(yán)重。同時(shí)也將對(duì)原有蘆葦群落的護(hù)岸能力提出更高要求。為提升原有蘆葦群落的護(hù)岸能力,在2002和2006年,崇明縣水利局在考慮樹(shù)種耐濕性、耐鹽堿性等特性后,從針葉喬木與闊葉喬木,垂直根型與散生根型喬木中篩選出池杉(Taxodiumascendens)、垂柳(Salixbabylonica)兩種喬木,在主要防護(hù)岸段沿240cm-370cm潮位線將其分別以2×2m種植密度增配于原有蘆葦群落中,分別構(gòu)建成池杉—蘆葦群落和垂柳—蘆葦群落。目前南岸植物護(hù)岸模式為蘆葦群落、4齡垂柳—蘆葦群落、8齡垂柳—蘆葦群落、4齡池杉—蘆葦群落和8齡池杉—蘆葦群落。對(duì)此,究竟哪種植物配置模式的護(hù)岸能力最佳一直是崇明南岸護(hù)岸林帶建設(shè)與管理中普遍關(guān)注的問(wèn)題。要回答好這一關(guān)鍵問(wèn)題,則主要取決于下述三個(gè)問(wèn)題的回答：各季節(jié)各植物群落的護(hù)岸特點(diǎn)如何,及各植物群落護(hù)岸能力的季節(jié)變化規(guī)律如何?垂柳—蘆葦群落和池杉—蘆葦群落的護(hù)岸能力隨喬木樹(shù)齡的增加產(chǎn)生怎樣的變化?研究區(qū)域岸灘侵蝕過(guò)程及侵蝕季節(jié)性變化規(guī)律如何?本研究利用阻力系數(shù)比、土壤水穩(wěn)性指數(shù)和根長(zhǎng)密度三項(xiàng)指標(biāo)對(duì)低潮位(240-270cm潮位線與侵蝕陡坎間岸灘)、中潮位(240-270cm與300-320cm潮位線間岸灘)、高潮位(300-320cm與350-370cm潮位線間岸灘),春季、夏季與秋冬季蘆葦群落、4齡垂柳群落、8齡垂柳群落、4齡池杉群落和8齡池杉群落的地上部分與地下部分護(hù)岸能力進(jìn)行了分析,總結(jié)出了各潮位不同植物群落護(hù)岸能力的季節(jié)變化規(guī)律,并結(jié)合研究區(qū)域岸灘侵蝕過(guò)程與侵蝕季節(jié)性變化規(guī)律,指出了崇明南岸護(hù)岸林帶建設(shè)與管理現(xiàn)存的主要問(wèn)題,并提出了相應(yīng)的優(yōu)化建議,期望能為未來(lái)南岸護(hù)岸林帶的建設(shè)與管理提供科學(xué)依據(jù)。主要研究結(jié)果與結(jié)論如下：1)蘆葦群落在各潮位各季節(jié)對(duì)水流的阻力作用最大,在春夏兩季對(duì)中、高潮位岸灘表土層的保護(hù)能力最強(qiáng)從植物地上部分的阻力系數(shù)比分析,在春季、夏季、秋冬季,蘆葦群落的阻力系數(shù)比均高于四種喬草群落,表明蘆葦群落對(duì)水流的阻力作用最大,這與蘆葦群落內(nèi)蘆葦密度最大有關(guān)。從土壤水穩(wěn)性指數(shù)分析,在春夏兩季的中、高潮位,0-20cm表土層中,蘆葦群落的土壤水穩(wěn)性指數(shù)和根長(zhǎng)密度均顯著性的高于喬草群落(P<0.05)。如與蘆葦群落土壤水穩(wěn)性指數(shù)相比,在春季中潮位4齡垂柳群落、8齡垂柳群落、4齡池杉群落、8齡池杉群落分別減少了13.2%(P<0.05)、42.8%(P<0.05)、16.2%(P<0.05)、11.7%(P<0.05),高潮位它們分別小13.7%(P<0.05)、42.3%(P<0.05)、11.1%(P<0.05)、10.0%(P<0.05)；夏季中潮位它們也分別減少了29.1%(P<0.05)、40.4%(P<0.05)、31.0%(P<0.05)、21.6%(P<0.05),高潮位分別低了8.2%(P<0.05)、47.9%(P<0.05)、21.5%(P<0.05)、12.0%(P<0.05)。土壤水穩(wěn)性指數(shù)(y)主要受根長(zhǎng)密度(x)的影響,二者的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)Y=aeb/x表示。2)4齡垂柳群落在各潮位各季節(jié)對(duì)岸灘20-50cm土層的保護(hù)能力最強(qiáng)；8齡池杉群落在低潮位各季節(jié)及中、高潮位秋冬季對(duì)岸灘灘面的保護(hù)能力最強(qiáng)從阻力系數(shù)比分析,所有喬草群落的阻力系數(shù)比均低于蘆葦群落,這與喬草群落中蘆葦密度低于蘆葦群落內(nèi)蘆葦密度有關(guān)。從土壤水穩(wěn)性指數(shù)分析,在0-20cm表土層中,與其它四種群落相比,8齡池杉群落在低潮位各季節(jié)及中、高潮位秋冬季具有最大的土壤水穩(wěn)性指數(shù)和根長(zhǎng)密度。如在秋冬季,與8齡池杉群落相比,中潮位蘆葦群落、4齡垂柳群落、8齡垂柳群落和4齡池杉群落下的土壤水穩(wěn)性指數(shù)均分別少7.2%、6.6%、32.7%、2.8%；高潮位它們的土壤水穩(wěn)性指數(shù)則分別減少了19.6%、14.9%、42.9%(P<0.05)、21.8%。在20-50cm土層,在各潮位各季節(jié),五種植物群落中4齡垂柳群落的土壤水穩(wěn)性指數(shù)與根長(zhǎng)密度最高。如在低潮位,4齡垂柳群落之后,春季的土壤水穩(wěn)性指數(shù)大小依次為8齡池杉群落、4齡池杉群落、蘆葦群落、8齡垂柳群落,它們分別比4齡垂柳群落低34.5%(P<0.05)、39.8%(P<0.05)、46.5%(P<0.05)、51.8%(P<0.05)；夏季則分別是8齡池杉群落>4齡池杉群落>8齡垂柳群落>蘆葦群落,它們與4齡垂柳群落相比,分別降低了0.04%、19.6%(P<0.05)、37.4%(P<0.05)、44.9%(P<0.05)；秋冬季則分別是8齡池杉群落>蘆葦群落>4齡池杉群落>8齡垂柳群落,與4齡垂柳群落相比,它們均分別下降了10.1%、46.0%(P<0.05)、49.9%(P<0.05)和50.0%(P<0.05)。土壤水穩(wěn)性指數(shù)主要受根長(zhǎng)密度影響,二者的關(guān)系為指數(shù)函數(shù)Y=aeb/x。3)各潮位各植物群落地上部分阻力系數(shù)比的季節(jié)變化規(guī)律是由春季向夏季和秋冬季增加,地下根系固岸能力的季節(jié)變化規(guī)律則是由春夏兩季向秋冬季減小各植物群落地上部分阻力系數(shù)比的變化規(guī)律均是春季低,夏季與秋冬季較高,由春季向夏季、秋冬季增加。阻力系數(shù)比的變化規(guī)律與群落內(nèi)蘆葦密度緊密相關(guān)。春季正處于蘆葦萌芽期,及受上年冬末蘆葦收割的影響,因而此時(shí)蘆葦密度較低阻力系數(shù)比也低；夏季進(jìn)入蘆葦旺盛生長(zhǎng)期,群落內(nèi)蘆葦密度較高阻力系數(shù)比大；進(jìn)入秋冬季雖然進(jìn)入蘆葦開(kāi)花期,但群落內(nèi)蘆葦密度依然較大阻力系數(shù)比也高。各植物群落內(nèi)表土層和深土層土壤水穩(wěn)性指數(shù)的季節(jié)變化規(guī)律,則正好與阻力系數(shù)比的變化相反,表現(xiàn)為秋冬季最低,春夏兩季高,由春夏兩季向秋冬季減小。這與群落根長(zhǎng)密度的季節(jié)變化相關(guān)。春季是植物萌芽階段,夏季是植物旺盛生長(zhǎng)階段,這兩季地下根系生長(zhǎng)的速度超過(guò)根系衰退的速度,所以春夏兩階段的根系量大,根長(zhǎng)密度長(zhǎng),土壤水穩(wěn)性指數(shù)較高。秋冬季進(jìn)入植物生長(zhǎng)末期,根系生長(zhǎng)速度比春夏逐漸放慢,所以根長(zhǎng)密度小,土壤水穩(wěn)性指數(shù)也就低。4)4齡與8齡喬草群落相比,垂柳群落根系固岸能力隨垂柳樹(shù)齡增加而減小,池杉群落地下部分固岸能力隨池杉樹(shù)齡增加而增大研究區(qū)域岸灘侵蝕驅(qū)動(dòng)力主要為潮流,侵蝕過(guò)程包括灘面侵蝕和侵蝕陡坎蝕退兩類,岸灘穩(wěn)定更為依靠地下根系作用。4齡垂柳與8齡垂柳群落,各潮位各季節(jié)各土層,8齡垂柳群落的土壤水穩(wěn)性指數(shù)均顯著性低于4齡垂柳群落(P<0.05),表明垂柳群落的固岸能力并沒(méi)有隨垂柳樹(shù)齡的增大而增強(qiáng),而是隨之減弱。其原因可能在于在2×2m的種植密度下,隨著樹(shù)齡增加,具有傘形樹(shù)冠的垂柳對(duì)其林內(nèi)的“遮光效應(yīng)”也在不斷增加,下層光線的減弱影響了群落內(nèi)喜光植物蘆葦生長(zhǎng),造成8齡垂柳群落內(nèi)蘆葦密度極顯著的低于4齡垂柳群落(P<0.01),顯著的降低了群落的根長(zhǎng)密度(P<0.05),從而表現(xiàn)出8齡垂柳群落的土壤水穩(wěn)性指數(shù)與根長(zhǎng)密度皆低于4齡垂柳群落。相反,對(duì)于4齡與8齡池杉群落,雖然也同為2×2m的種植密度,但8齡池杉群落的土壤水穩(wěn)性指數(shù)和根長(zhǎng)密度在各潮位各季節(jié)各土層均高于4齡池杉群落,池杉群落的固岸能力隨池杉樹(shù)齡增加而增強(qiáng)。原因可能是池杉屬慢生樹(shù)種,樹(shù)冠為狹圓錐形,對(duì)林內(nèi)蘆葦?shù)恼诠庥绊懖蝗缈焐鷤阈螛?shù)冠的垂柳。5)崇明南岸護(hù)岸林帶建設(shè)與管理中存在：侵蝕陡坎區(qū)域缺乏有效防護(hù)、護(hù)岸植物群落結(jié)構(gòu)配置不合理、群落內(nèi)蘆葦?shù)厣喜糠侄臼崭罡叨冗^(guò)低等問(wèn)題目前南岸侵蝕陡坎上仍多為蘆葦群落。依據(jù)前述研究結(jié)果,僅在中高潮位春夏兩季對(duì)表土層有較強(qiáng)護(hù)岸能力的蘆葦群落將很難滿足減緩或阻止陡坎后退的需要。因此對(duì)侵蝕關(guān)鍵區(qū)域——侵蝕陡坎缺乏有效防護(hù)是當(dāng)前南岸護(hù)岸林帶建設(shè)與管理中存在的最大問(wèn)題。護(hù)岸植物群落結(jié)構(gòu)配置的不合理主要體現(xiàn)在植物護(hù)岸模式的選擇及建設(shè)缺乏與岸灘侵蝕過(guò)程、季節(jié)性變化規(guī)律相結(jié)合及垂柳種植密度和池杉樹(shù)齡選擇欠合理等方面。首先,最佳植物護(hù)岸模式的選擇應(yīng)結(jié)合岸灘的侵蝕過(guò)程和“春夏儲(chǔ)秋冬輸”或“春夏輸秋冬儲(chǔ)”的季節(jié)性變化規(guī)律,依據(jù)各配置模式在各季節(jié)的護(hù)岸特點(diǎn),從低潮位至高潮位分梯級(jí)的選擇最優(yōu)植物護(hù)岸模式。然而目前南岸護(hù)岸林帶為單一連續(xù)式,即采用同一植物配置模式從低潮位至高潮位連續(xù)呈片種植。其次,在護(hù)岸林帶日常管理中,缺乏對(duì)8齡垂柳群落中垂柳2×2m種植密度的調(diào)整,導(dǎo)致垂柳下蘆葦密度銳減,使8齡垂柳群落的護(hù)岸能力低于4齡垂柳群落,影響其護(hù)岸能力。另外,對(duì)于池杉群落,與其它植物配置模式相比,4齡池杉群落的護(hù)岸能力并不理想,這可能與池杉屬慢生樹(shù)種有關(guān)。每年12月至來(lái)年1月對(duì)蘆葦?shù)厣喜糠诌M(jìn)行齊地收割,以保證第二年萌芽期蘆葦能有充足光照是崇南海岸帶管理中的一項(xiàng)重要管理措施。然而,應(yīng)當(dāng)指出的是,齊地收割的方式將使岸灘灘面直接暴露于潮流的沖刷中,加速地表凋落物隨潮流流失的速度,加快灘面沉積物的流失速度。6)根據(jù)研究區(qū)域岸灘的侵蝕過(guò)程,侵蝕季節(jié)性變化在“春夏儲(chǔ)秋冬輸”和“春夏輸秋冬儲(chǔ)”情景模式下,岸灘需采用不同植物配置方式研究區(qū)域岸灘侵蝕過(guò)程包括侵蝕陡坎蝕退和灘面侵蝕兩種類型。本研究假定研究區(qū)域內(nèi)岸灘侵蝕季節(jié)變化規(guī)律存在“春夏儲(chǔ)秋冬輸”“春夏輸秋冬儲(chǔ)”兩種可能情景。若侵蝕季節(jié)性變化屬“春夏儲(chǔ)秋冬輸”,植物根系固岸作用的低峰期恰與侵蝕高峰期相符,結(jié)合前面研究結(jié)果,在陡坎區(qū)域,要減緩或防止陡坎后退,可選擇對(duì)表土和深土層護(hù)岸能力高的垂柳—蘆葦?shù)呐渲梅绞?對(duì)此還需考慮增加灌木樹(shù)種,提高表土的穩(wěn)定性。而侵蝕陡坎下區(qū)域可選擇灌木—鑣草配置模式。同時(shí),對(duì)于侵蝕陡坎位于低潮位岸灘(此類岸灘屬侵蝕程度較輕),除了陡坎及其之下區(qū)域外,中潮位和高潮位應(yīng)選擇高齡池杉—蘆葦?shù)闹参锱渲梅绞?因其在秋冬季表土層的根長(zhǎng)密度最高,對(duì)表土層的保護(hù)效果最好；對(duì)于侵蝕陡坎位于中潮位岸灘(此類岸灘屬侵蝕程度較高),除了陡坎及其之下區(qū)域外,高潮位應(yīng)選擇高齡池杉—蘆葦模式；若侵蝕陡坎位于高潮位(此類岸灘屬侵蝕嚴(yán)重岸灘),陡坎及以上區(qū)域應(yīng)選擇高齡池杉—蘆葦或垂柳—灌木—蘆葦?shù)呐渲梅绞?而侵蝕陡坎下區(qū)域可選擇灌木—鑣草配置模式。若侵蝕季節(jié)性變化規(guī)律為“春夏輸秋冬儲(chǔ)”,植物根系固岸作用的高峰期正與侵蝕高峰期相符。則在陡坎區(qū)域應(yīng)選擇垂柳—灌木—蘆葦?shù)呐渲梅绞?而在侵蝕陡坎之下區(qū)域可選擇灌木—鑣草配置模式。此外,對(duì)于侵蝕陡坎位于低潮位岸灘,除侵蝕陡坎及之下區(qū)域外,中潮位和高潮位則可保持蘆葦群落的植物配置模式,因?yàn)樗粌H對(duì)水流的阻力作用最大,而且在春夏兩季表土層的土壤水穩(wěn)性指數(shù)和根長(zhǎng)密度均最高,更有利于保護(hù)岸灘灘面。對(duì)于侵蝕陡坎位于中潮位岸灘,除侵蝕陡坎及之下區(qū)域外,高潮位仍應(yīng)保持蘆葦群落。若侵蝕陡坎位于高潮位,則陡坎區(qū)域應(yīng)選擇高齡池杉—蘆葦或垂柳—灌木—蘆葦?shù)呐渲梅绞?而侵蝕陡坎下區(qū)域可選擇灌木—鑣草配置模式。以上需要增配灌木的植物配置模式,灌木可以考慮選擇耐水濕、耐蔭、淺根系的種類,如細(xì)葉水團(tuán)