灘地楊樹(shù)林生態(tài)效應(yīng)研究

灘地楊樹(shù)林生態(tài)效應(yīng)研究

洞庭湖總面積為18908公里2，其中湖南1502公里。洞庭湖是一匯集湘、資、沅、澧等水及汛期部分長(zhǎng)江洪水的過(guò)水性湖泊,每年約有1億t泥沙沉積湖底,形成大面積肥沃的洲土灘地。6～8月為汛期,豐水期最高水位與冬季枯水期最低水位差可達(dá)8～10m,湖南境內(nèi)有冬陸夏水型灘地約22萬(wàn)hm2,其中蘆葦?shù)丶s7萬(wàn)hm2。湖區(qū)是血吸蟲(chóng)病流行重疫區(qū),現(xiàn)有血吸蟲(chóng)病人20.5萬(wàn)人,占全國(guó)血吸蟲(chóng)病總?cè)藬?shù)的24.4%。釘螺是血吸蟲(chóng)傳播的惟一中間宿主,因此,滅螺常成為血吸蟲(chóng)病防治的重要工作。湖南現(xiàn)有有螺灘地面積17.05萬(wàn)hm2,為全國(guó)有螺灘地面積的50.95%,有螺灘地的綜合治理任務(wù)艱巨?！芭d林抑螺”就是在有螺灘地上開(kāi)展以營(yíng)林為主的生物技術(shù)措施來(lái)改善灘地的生態(tài)環(huán)境以降低釘螺密度,尤其是降低感染性釘螺密度,從而降低湖水的血吸蟲(chóng)病感染性,保障疫區(qū)群眾的身體健康。黑楊派南方型楊樹(shù)生長(zhǎng)快、水肥需要量大、無(wú)性繁殖容易,用途廣、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高,并具有一定的耐水淹能力。洞庭湖地處中亞熱帶北部,雨量豐沛、光照充足、水熱同期,土層深厚,有機(jī)質(zhì)、礦物養(yǎng)分豐富,非常適宜于黑楊派南方型楊樹(shù)生長(zhǎng)。因此,楊樹(shù)常成為有螺灘地造林的首選樹(shù)種。灘地每年都要被洪水淹沒(méi),因此,水又常成為灘地楊樹(shù)造林的制約因子。灘地原生植被多為苔草屬Carex、禾亞科Agrostidoideae等草本植物,生長(zhǎng)繁茂,種類(lèi)多,蓋度大。灘地楊樹(shù)抑螺防病林的引進(jìn),新的森林生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境效應(yīng)是人們關(guān)注的焦點(diǎn),本文即為多年研究的結(jié)果。1海灘柳樹(shù)抑螺林造林地選擇1.1間灘地楊樹(shù)生長(zhǎng)量根據(jù)對(duì)沅江東南湖灘地多年的定位觀測(cè),不同高程-淹水時(shí)間灘地楊樹(shù)生長(zhǎng)量見(jiàn)表1。年均淹水85.9d與淹水24.1d、相對(duì)高差為2m的灘地比較,8年時(shí)楊樹(shù)材積減少78.6%,保存率不足20%,屬造林不成功之例。1.2造林地高程的選擇灘地隨高程的降低、淹水時(shí)間的增加,淹水對(duì)楊樹(shù)的生理脅迫作用增強(qiáng),其生長(zhǎng)由適應(yīng)到不適應(yīng)直至死亡。因此,在外灘營(yíng)造楊樹(shù)林,首先要正確選擇造林地。就洞庭湖平原而言,各類(lèi)灘地同屬中亞熱帶濕潤(rùn)氣候帶,土壤成因相似,造林地的選擇主要是對(duì)造林地高程的選擇?；谝陨戏治?以洞庭湖東南湖為例,外灘用于楊樹(shù)造林,在流水情況下,以灘地年均淹水時(shí)間為依據(jù),可將灘地劃分為3類(lèi):年均淹水30d以?xún)?nèi)(海拔33m以上)的,可造速生豐產(chǎn)林;淹水30～65d(海拔33～31.5m)的,可作一般用材林、防浪護(hù)堤林、抑螺防病林造林,其10年生林地材積比淹水24d的下降約10%～30%;淹水時(shí)間超過(guò)65d(海拔31.5m以下)的灘地,如不采取挖溝抬壟等工程措施以提高地面高程,則不宜直接用作楊樹(shù)造林。由此可見(jiàn),外灘楊樹(shù)抑螺林只有海拔高程適宜才能保證造林成功。今后,在三峽水庫(kù)對(duì)汛期洪峰的調(diào)節(jié)作用下,洞庭湖汛期水位將有所下降,可用于楊樹(shù)造林的灘地面積亦將有所增加。2海灘柳樹(shù)對(duì)釘螺群的消失的影響2.1地下水位和土壤含水率的變化在灘地生態(tài)系統(tǒng)諸因子中,高程是主導(dǎo)因子,它決定了汛期的淹水時(shí)間;退水后,還將影響灘地的地下水位、土壤含水量,影響草本植物的種類(lèi)分布和生長(zhǎng),從而通過(guò)水因子狀況影響釘螺的活動(dòng)及密度分布。同一灘地在不同高程—淹水時(shí)間條件下的水因子狀況與螺情見(jiàn)表3。表3表明,在汛期到來(lái)之前,灘地地下水位和土壤含水率均隨高程的降低而升高,釘螺的活螺框出現(xiàn)率和活螺密度也隨高程的降低而增加。釘螺具有兩棲性,喜水濕,它的活動(dòng)、取食、繁殖與水因子關(guān)系密切,其密度分布與灘地的淹水時(shí)間、地下水位、土壤含水率間的相關(guān)關(guān)系可用多元線(xiàn)性回歸方程式表述如下:其中:y—活螺密度,(只/0.11m2);x1—年淹水時(shí)間,(d);x2—地下水位,(m);x3—土壤含水率,(%);為了便于比較各因子對(duì)釘螺密度分布影響力度的大小,現(xiàn)對(duì)表3中的淹水時(shí)間、地下水位、土壤含水率及活螺密度數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,得標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)多元線(xiàn)性回歸方程式如下:比較回歸方程式各自變量系數(shù)大小可知,在地下水位(x2)、淹水時(shí)間(x1)和土壤含水率(x3)3個(gè)環(huán)境因子中,對(duì)釘螺密度影響最大的是地下水位,其次是淹水時(shí)間,土壤含水率第三。2.2灘地不同高程對(duì)螺情的影響在有螺宜林灘地上營(yíng)造楊樹(shù)抑螺林,隨著林分蓄積和郁閉度的逐年增加,灘地的森林生態(tài)環(huán)境逐漸形成,林地的光照、水分、植被等釘螺生存、繁殖、取食等環(huán)境因子亦發(fā)生改變,從而影響到釘螺的種群分布。沅江拐棍洲不同高程的楊樹(shù)人工林及苔草—蘆葦對(duì)照地的釘螺定位監(jiān)測(cè)的結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)對(duì)不同高程—淹水時(shí)間灘地楊樹(shù)人工林造林后11年的定位觀測(cè),其結(jié)果表明:有螺灘地采用南方型黑楊造林后,活螺框出現(xiàn)率、活螺密度均呈明顯下降趨勢(shì),且隨林齡增加,其下降幅度增大。在外灘造林不經(jīng)冬季間種的粗放經(jīng)營(yíng)條件下,若以造林第2年春季的螺情為分析基準(zhǔn),12年生的灘地楊樹(shù)林內(nèi)的活螺密度下降85.2%～100%,活螺框出現(xiàn)率下降80.3%～100%;而同一洲灘、植被為苔草—蘆葦?shù)姆菞顦?shù)人工林灘地的活螺密度、活螺框出現(xiàn)率,在11年內(nèi)則分別增加了108.2%和120.1%。同時(shí)對(duì)血防尤為重要的是楊樹(shù)人工林內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)感染性釘螺,表明灘地楊樹(shù)人工林對(duì)野糞污染的隔離、阻斷十分有效。灘地抑螺林是一開(kāi)放性的濕地生態(tài)系統(tǒng),它既具有人工林系統(tǒng)的特性,如森林生態(tài)環(huán)境的逐步形成,同時(shí)又具有灘地濕地生態(tài)系統(tǒng)所固有的生態(tài)特征,如汛期灘地的淹水性及由水體的流動(dòng)所帶來(lái)的動(dòng)、植物種類(lèi)遷移、傳播的便捷性。因此,表觀的灘地楊樹(shù)人工林的螺情變化既有人工林生態(tài)系統(tǒng)的抑螺效應(yīng),又有釘螺在汛期漂移所帶來(lái)的外源性增加。由表5可知,在同一灘地不同高程的楊樹(shù)人工林內(nèi),釘螺密度雖然都有隨林齡增加而降低之趨勢(shì),但在某些年(如1999年,2002年)卻又都同時(shí)顯現(xiàn)螺情顯著上升的反?，F(xiàn)象。由水情分析可知,此現(xiàn)象是由于此前汛期灘地的淹水時(shí)間比常年大為增加,從而導(dǎo)致外源性釘螺凈移入數(shù)量的增加所致。在常年水情下,隨著林齡的增加,林內(nèi)的光照強(qiáng)度減弱、林下植被生物量減少、地下水位降低、土壤含水率降低,表明楊樹(shù)人工林的森林生態(tài)環(huán)境的演變,對(duì)于釘螺的生存、繁衍是一種逆向演變,且隨林齡的增加而加強(qiáng),因此,灘地楊樹(shù)造林的抑螺效果是顯著的,持久的。2.3不同林齡的挖溝抬壟排南方型黑楊雖具有一定的耐水淹能力,但在湖區(qū)灘地上造林,水仍是一限制因子。一般情況下,灘地楊樹(shù)造林地的選擇,在流水情況下,年均淹水時(shí)間以不超過(guò)65d為宜。年均淹水時(shí)間超過(guò)65d,其造林成活率、尤其是保存率很低,易風(fēng)倒;林木單株材積下降約40%～80%。為了擴(kuò)大有螺灘地生物環(huán)改范圍、增加楊樹(shù)造林面積,采取挖溝抬壟措施以提高地面高程、減少淹水時(shí)間是行之有效的。工程整地造林將形成溝底、壟面及未被撓動(dòng)的保留帶等具有環(huán)境差異的地帶,它們對(duì)釘螺的活動(dòng)及繁衍亦產(chǎn)生不同的影響。沅江目平湖同一洲灘、同一高程、不同林齡的挖溝抬壟楊樹(shù)林地的春季螺情調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出:1)在挖溝抬壟整地楊樹(shù)人工林內(nèi),在林地的不同局部環(huán)境,釘螺的密度分布不同,活螺框出現(xiàn)率、活螺密度從小到大依次為:壟面﹤保留帶﹤溝壁坡面、溝底﹤蘆葦(對(duì)照)地。這種密度分布狀況,首先符合灘地釘螺密度分布在一定海拔高程范圍內(nèi)隨高程降低、淹水時(shí)間增加而增加的普遍規(guī)律;其次,由于挖溝、抬壟,灘地的排水狀況得到了改善,尤其是壟面,淹水時(shí)間減少,地下水位和土壤含水率降低,不僅有利于楊樹(shù)生長(zhǎng),同時(shí)對(duì)釘螺的活動(dòng)和繁殖亦產(chǎn)生抑制效應(yīng),活螺密度顯著降低;第三,挖溝抬壟的楊樹(shù)林內(nèi),不論是壟面還是保留帶或溝底,與同一地段、相同高程的蘆葦?shù)叵啾?其活螺框出現(xiàn)率,活螺密度都有明顯下降,表明低位洲灘蘆葦?shù)夭扇⊥跍咸殴こ檀胧┱?、營(yíng)造楊樹(shù)人工林,整體生態(tài)環(huán)境得到改善,且是釘螺繁衍的逆向演變。2)在灘地高程和立地條件一致的低位蘆葦?shù)?挖溝抬壟造林,其釘螺的活螺框出現(xiàn)率和活螺密度均隨林齡的增加而降低,表明在以空間換時(shí)間的釘螺密度分布研究中,灘地楊樹(shù)人工林的抑螺作用也是逐年增強(qiáng)的。3)1996年的春季螺情調(diào)查,在溝底及蘆葦?shù)鼐l(fā)現(xiàn)感染性釘螺,而2003年的春季查螺則均無(wú)感染性釘螺存在,分析其原因,前者當(dāng)時(shí)因造林面積較小,造林后沒(méi)有采取護(hù)林、隔離措施,使大批耕牛得以進(jìn)入,造成野糞污染所致。因此,造林后的護(hù)林、隔離是減少野糞污染,阻斷血吸蟲(chóng)傳播的重要環(huán)節(jié)。3海灘上的楊樹(shù)抑螺林對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響3.1防洪壩外鎮(zhèn)壓林的防浪保護(hù)效應(yīng)防洪大堤外的楊樹(shù)防浪護(hù)堤林帶,汛期能有效地降低風(fēng)速、降低水流速度、減弱風(fēng)浪對(duì)大堤的沖擊力,可節(jié)約防汛器材和人力,保護(hù)堤垸安全。3.2蘆地的縱向阻水作用灘地楊樹(shù)造林后的前3年,其莖干、枝葉在汛期一般會(huì)部分浸在水中,對(duì)水流會(huì)產(chǎn)生一定阻滯作用;4年生以后,通過(guò)適當(dāng)修枝可使枝下高高于汛期洪水水位,枝葉阻水問(wèn)題即不復(fù)存在,此后的阻水作用產(chǎn)生于樹(shù)干。當(dāng)造林株行距為4m×6m、胸徑為20～28cm時(shí),其縱向阻水面為3.3%～4.7%。與灘地最大面積的纖維植物-蘆葦群落比較,24株/m2的蘆葦?shù)?其莖干縱向阻水面為5.9%,同時(shí)在每m3的空間內(nèi)還有1.48m2的葉片,在二者的共同阻滯作用下,蘆葦?shù)氐淖杷饔帽葪顦?shù)林強(qiáng)得多。據(jù)汛期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,在同一洲灘、相同水流條件下,4年生林內(nèi)20m處水的流速為0.17m/s,蘆葦?shù)貎?nèi)20m處水的流速為0.05m/s,蘆葦?shù)厮牧魉俳档?0.6%。3.3合及其型比楊樹(shù)林灘地的泥沙沉積量,主要與湖岸距離的關(guān)系當(dāng)水的流速由高變低時(shí),水中攜帶的泥沙即會(huì)沉積下來(lái),且其沉積量與流速有關(guān):流速愈慢,沉積愈多。在同一灘地條件下,4年生林地、蘆葦?shù)啬嗌吵练e厚度見(jiàn)表6。表6顯示,兩植被類(lèi)型灘地的泥沙沉積量均隨距湖岸距離的增加而減小,但蘆葦?shù)氐慕捣葪顦?shù)林大。0～60m范圍內(nèi),蘆葦?shù)啬嗌吵练e量大于楊樹(shù)林,90～170m范圍內(nèi)蘆葦?shù)氐哪嗌澈穸确炊∮跅顦?shù)林,表明蘆葦在汛期對(duì)水流有顯著的阻滯、降速作用,使泥沙在流經(jīng)蘆葦?shù)氐那捌诋a(chǎn)生大量沉降、水中所含泥沙減少,從而使后段蘆葦?shù)氐哪嗌吵练e量減少。就泥沙平均厚度而言,蘆葦?shù)厥菞顦?shù)林的1.16倍,蘆葦?shù)氐哪嗌吵练e量大于楊樹(shù)林。3.4不同林齡下楊樹(shù)林地下水位的變化垸外灘地楊樹(shù)造林后,隨著林齡的增加,林分的郁閉度逐年增大,樹(shù)冠長(zhǎng)度及葉面積指數(shù)在一定范圍內(nèi)也呈上升趨勢(shì)。沅江拐棍洲6～11年生楊樹(shù)人工林的地下水位變化見(jiàn)表7。表7的定位觀測(cè)顯示,灘地楊樹(shù)人工林的地下水位總的變化趨勢(shì)是隨林齡的增加而降低。楊樹(shù)是喜光的強(qiáng)陽(yáng)性樹(shù)種,蒸騰強(qiáng)度大,1m2的葉面,12h的蒸騰量高達(dá)4.4L。當(dāng)林地葉面積指數(shù)為4～5時(shí),每平方米林地每日的蒸騰量達(dá)17.6～22L,折算水柱高度為1.76～2.20cm,其降低地下水位的作用顯著。尤其是6、7月份,是楊樹(shù)林地葉面積指數(shù)達(dá)最大值季節(jié),生長(zhǎng)旺盛,蒸騰強(qiáng)度大,蒸騰耗水作用強(qiáng),其降低地下水位的作用更加顯著。地下水位降低,可促使土壤含水率下降;釘螺的活動(dòng)和繁殖都需要有水的蔭濕環(huán)境,土壤含水率降低,釘螺密度下降。4灘地的釘螺密度與環(huán)境因子的關(guān)系1)灘地楊樹(shù)生長(zhǎng)量隨淹水時(shí)間的增加而減少。洞庭湖外灘用楊樹(shù)營(yíng)造抑螺防病林,在流水情況下,灘地年均淹水30d以?xún)?nèi)的,可達(dá)速生豐產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn);灘地年均淹水30～65d的,其材積下降10%～30%;年均淹水時(shí)間超過(guò)65d的灘地,如不采取挖溝抬壟等工程措施,則造林保存率、生長(zhǎng)量均極低,不宜直接用作楊樹(shù)造林。2)灘地地下水位接近于地面與湖水水位高差之中點(diǎn)。地下水位隨灘地高程的增加或湖水水位的降低而降低。秋冬季地下水位常低于春季。3)灘地楊樹(shù)人工林的地下水位隨林齡的增加而降低。4)灘地的釘螺密度分布與此前汛期淹水時(shí)間、地下水位、土壤含水率等環(huán)境因子有關(guān)。淹水時(shí)間長(zhǎng)、地下水位高、土壤含水率高,都有助于增加活螺密度;其中以地下水位對(duì)釘螺密度影響最大,汛期淹水時(shí)間次之,土壤含水率第三。5)灘地楊樹(shù)人工林內(nèi)的活螺框出現(xiàn)率、活螺密度總的變化趨勢(shì)是隨林齡的增加、地下水位的降低而降低,體現(xiàn)出灘地楊樹(shù)人工林生態(tài)系統(tǒng)的抑螺機(jī)制的有效性和持續(xù)性。當(dāng)某年汛期的淹水時(shí)間顯著增加時(shí),由于外源性釘螺的漂移、流入,則該年秋季和第2年春季的螺情指標(biāo)會(huì)顯著上升,屬環(huán)境因子的突變而引起的偶發(fā)效應(yīng)。6)低位灘地采取挖溝抬壟、提高地面高程、減少淹水時(shí)間的造林整地措施,林地亦具有顯著的抑螺效果,其活螺框出現(xiàn)率、活螺密度均隨林齡的增加而降低,釘螺的密度分布由小到大依次為:壟面﹤保留帶﹤溝壁坡面、溝底﹤蘆葦(對(duì)照)地。7)楊樹(shù)抑螺林與蘆葦?shù)乇容^,在汛期的阻水效應(yīng)比蘆葦?shù)匦?蘆葦?shù)貎?nèi)洪水流速是楊樹(shù)林內(nèi)29.4%;汛期蘆葦?shù)貎?nèi)泥沙沉積是楊樹(shù)林地的1.16倍同一灘地不同高程-淹水時(shí)間的楊樹(shù)胸徑、樹(shù)高生長(zhǎng)量隨