吴 敏， 吴立勋， 汤玉喜， 徐世凤， 林建新

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.沅江市林业局， 湖南 沅江 413100)

滩地芦苇和杨树群落对汛期水流及泥沙沉积的影响

吴 敏1， 吴立勋1， 汤玉喜1， 徐世凤1， 林建新2

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.沅江市林业局， 湖南 沅江 413100)

为了解湖区滩地不同植被类型、环境因子对汛期水流速度和泥沙沉积的影响，在汛期对洞庭湖洲滩外的河道及杨树林、芦苇地用流速测算仪定点测量水流速度，用水准仪测量滩地海拔5年间的高程变化，冬(春)天直接测量当年泥沙沉积泥块厚度。结果表明：林外河道中部的水流速度显著高于岸边；河道水流速度受滩地植被类型的影响不明显。芦苇地、杨树林内的水流速度显著低于林外，尤以芦苇地为甚。不同植被类型滩地上的泥沙沉积，以湖岸0～30 m地段为最厚，芦苇地的平均厚度是杨树林的1.25倍。7～11年生滩地杨树林，因泥沙沉积5年海拔平均增高14.65 cm，年均厚度2.93 cm。滩地上的水流所受阻力，芦苇地大于杨树林，流速显著降低；泥沙沉积量芦苇地显著高于杨树林。杨树林内对泥沙沉积厚度影响最大的因子是湖岸距离，淹水时间居第二位，流速影响最小。

滩地； 杨树； 芦苇； 水流速度； 泥沙沉积厚度

杨树自上世纪70年代引入洞庭湖后[1]，对于改变当地树种结构、建立用材林基地、发展杨树产业、固定CO2、开展林业血防工程、改善滩地生态环境等发挥了重要作用[2-4]。但杨树的引入，有人说其是 “有害外来生物” 的入侵，“更替了原始种群”[5]。洞庭湖区有冬陆夏水型滩地约22万hm2[6]。芦苇和杨树是洞庭湖东、南、西3个湿地自然保护区以外滩地上人工经营的主要栽培植物[7-8]。在中、高高程滩地上有大面积杨树人工林，在中、低高程滩地上有大面积人工经营的芦苇，在低位滩地上主要繁衍着多种苔草、莎草类植物[7，9-10]。人工栽培和利用芦苇已有几百年历史[11]。芦苇是滩地形成、发育过程中的自然演替植物；唯自然演替时程长、产量低，并且在高位滩地因淹水时间减少而群落退化。芦苇虽为滩地的原生植物，但目前的芦苇林实际上已成为人工经营的芦苇顶级群落，承载着重要的经济使命[12]。湿地自然保护区外的滩地是宝贵的土地资源，在目前情况下，让其进入植被原始状态的自然演替程序、排除人工干预是不现实的。如何综合考察、科学利用滩地，充分发挥其最大经济效益、生态效益和社会效益，是林业和生态科学工作者进行严谨科学实验研究的重要课题。为此，我们对湖区汛期水流和泥沙沉积进行了2～5年的跟踪监测，以期为洞庭湖湿地非核心自然保护区的滩地进行科学开发、利用提供决策参考。

1 研究区概况

研究区位于沅江市东南湖，以拐棍洲为中心区域，辅以左右两侧河对岸滩地作对照。洞庭湖除东、南、西3区域各有较大连片水域外，其他区域已被滩地区隔成网状河道，人口密度较大，人们各类经济活动频繁。拐棍洲是一宽1～2 km、长数千米的洲滩，地形为四周高、中间低，高低之差可达2.5～3 m。每年汛期多出现在6—8月。滩地于汛期多没于水下，淹水时间因高程而异。滩地上洪水水流多与洲滩长边方向成一定夹角穿洲而过。洲滩除中间部分低槽不宜芦苇生长而保留天然苔草、莎草类植被外，余全部为人工经营的芦苇地和杨树林；杨树林下草木植物茂密，盖度达0.9以上。

2 研究方法

2.1洪水流速测定

为探索滩地主要植被类型对汛期泄洪的影响，试验于2003年7月中旬和2004年7月下旬汛期，乘船于林外河中和林内每隔一定距离抛锚定点，用XHW-1型通用流速测算仪测水面下30 cm处水流速度，5次重复。主要植被类型为不同林龄的杨树林、不同地块的芦苇地。

2.2泥沙沉积厚度测定

2.2.1 杨树林内固定点位5年泥沙沉积总量的测定 于1998年12月对6年生杨树林按高差0.5 m间距用水准仪测设固定点位(固定样地)海拔高程，并实测各点位间的水平距离，5年后(2003年12月)用水准仪再测其高程变化。

2.2.2 不同植被类型及水文条件下泥沙年沉积量的测定 设计影响汛期泥沙沉积的主要因子为植被类型、湖岸距离、淹水时间、洪水流速。根据连续两年对洪水流速的监测，于当年秋(或冬)季，分别对不同林龄的杨树林和不同地块的芦苇地，自湖岸起按一定距离用水准仪测其海拔高程，在其附近取当年汛期泥沙沉积层干后龟裂状土块，测量厚度，重复5次；根据当年附近水文站汛期水位记录，查算各高程点的淹水天数。

2.2.3 数据处理 试验数据采用DPS数据处理系统[13]进行统计分析。

3 结果与分析

3.1植被及湖岸距离对洪水流速的影响

洞庭湖汛期，滩地多淹没于洪水下，为保持洪水下泄通畅，要求主洪道没有阻碍物。为探索滩地上的不同植被对汛期洪水流速的影响，在沅江东南湖连续两年进行洪水流速测量，2003年7月的实测结果见图1。

图1 不同植被类型及林缘距离的洪水流速曲线图Fig.1 The flow rate curve of different vegetation types with different distance to the bank

由图1可知，汛期河道内的洪水流速，自河道中部至林缘几乎呈线性下降。林(芦)内0-40 m，流速迅速降低，此后变化很小；但杨树林内流速明显高于芦苇地，前者是后者的12.1倍。

2004年7月沅江市东南湖洪水流速的实测结果见表1。由表1可知，不论何种滩地植被类型，林(芦)内洪水的流速均小于林外河道的流速，这主要是因为滩地高出河床，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层为最大，愈接近河床及岸边，流速愈减小。滩地上的水流仅是洪水的旁支侧流，水层浅、摩擦阻力大。与林(芦)外河道洪水流速相比，5、12年生杨树林内的水流速度分别下降67.1%和89.2%，芦苇地水流速度下降98.3%～99.0%；杨树林内水流速度是芦苇地的10～34倍以上。芦苇和杨树是目前滩地上人工经营的主要纤维和用材林种。5～12年生的杨树林，枝下高一般都大于5～9 m，远高于洪水水面；与杨树主干比，芦苇个体数量众多，且茎、叶在3 m以下全部浸没水中，因此其阻水面增加，与流水的总摩擦阻力增大，从而阻缓了水流流速。

表1 不同植被类型滩地洪水流速Tab 1 Theflowrateofdifferentvegetationtypesbeach(m/s)林缘距离(m)12年生杨树林5年生杨树林右岸5年生杨树林左岸芦苇地白沙芦苇地外801 5661 5660 8480 8481 566外200 4980 4980 9780 3360 498林外平均1 0321 0320 9130 5921 032内10 0 2300 3740 130<0 010<0 010内1000 2720 3060 068<0 010<0 010林内平均0 2510 3400 099<0 010<0 010

以杨树(芦苇) 林边缘为界，分别以林内、林外为总体，对不同距离和植被类型观测点的流速作方差分析，结果见表2。由表2可知，林外80 m处与20 m处的水流速度有显著差异(p=0.0392)，而不同植被类型滩地外的河道中的水流速度没有显著差异(p=0.7321)，表明岸上植被类型在汛期对主河道洪水流速没有明显的不同影响。在林内，水流速度在不同林缘距离间差异不显著，在不同植被类型间则差异极显著(p=0.0017)，多重比较结果见表3。

表2 林内外洪水流速方差分析表Tab 2 Varianceanalysisoftheflowrateinandoutofforest总体类别变异来源平方和自由度均方F值p值林外林缘距离1 285911 28599 1120 0392植被类型0 290540 07260 5150 7321林内林缘距离0 000810 00080 7120 4464植被类型0 175540 043940 5160 0017

表3 林内不同植被类型洪水流速Tukey法多重比较Tab 3 Tukeymultiplecomparisonoftheflowrateinforestwithdifferentvegetationtypes植被类型均值(m/s)5%显著水平1%极显著水平拐棍洲5年生杨树林0 3400aA拐棍洲12年生杨树林0 2510aAB挖口子右岸5年生杨树林0 0991bBC挖口子左岸芦苇地0 0100bC白沙乡芦苇地0 0100bC

由表3可知，林内，拐棍洲5年生杨树林与右岸5年生杨树林及各芦苇地间洪水流速均有极显著差异；12年生杨树林与各芦苇地间亦有极显著差异，与挖口子右岸5年生杨树林有显著差异，其余各地类间均无显著差异。

3.2植被及水文因子对泥沙沉积的影响

3.2.1 泥沙沉积与滩地杨树林地海拔高程的增加汛期洪水携带大量泥沙，进入洞庭湖后每年约有1亿t泥沙滞留湖内[14-15]，这是水中混悬颗粒物当流速减小时不可避免的物理现象。1999年—2003年，即7～11年生杨树林，经历了5个汛期的泥沙沉积，滩地的海拔高程增加了。采用水准仪测量海拔高程变化及直接测量最后一年泥沙沉积厚度两种方法的检测结果见表4。

比较两种泥沙厚度检测方法，滩地杨树林地5年海拔高程的年均变化量与第5年泥沙厚度直测值虽不相等，但在不同湖岸距离的变化趋势一致，折线几近平行(见图2)。因此，这两种泥沙沉积厚度的测定方法都是可靠的。受各年汛期洪水泥沙含量不同的影响，2003年所测各点数值均高于1999—2003年各点5年的平均值。由于不同湖岸距离的泥沙沉积厚度不同，湖岸距离加权后，7～11年生杨树林分的年均泥沙沉积厚度为2.93 cm，11年生林地直测平均厚度为4.08 cm。

表4 7～11年生杨树林海拔高程的5年变化量Tab 4 Altitudechangesof7～11yearsoldpoplarplantationinfiveyears湖岸距离(m)实测高程(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

图2 两种方法检测的泥沙年沉积量Fig.2 The annual sedimentation thickness measured by two methods

3.2.2 不同植被类型滩地的泥沙沉积量 经历2004年汛期后，对拐棍洲区域3种不同植被类型滩地泥沙的年沉积量进行监测，结果见图3。

图3 不同植被类型滩地泥沙年沉积量Fig.3 The annual sedimentation thickness of different vegetation types beach

同一区域、同一汛期、不同植被类型滩地的泥沙沉积量，经加权平均，杨树林地年均3.68 cm，芦苇地4.57～4.62 cm，后者是前者的1.24～1.26倍。经检验，泥沙沉积量在植被类型间差异不显著(p=0.064 1)，在不同湖岸距离间差异极显著(p=0.001 2)，以湖岸10 m处的沉积量为最高，30 m处次之。在杨树林内，湖岸0～30 m范围内，泥沙沉积平均厚度是湖岸30～270 m的1.5倍，在芦苇地则是1.8倍。此现象表明，不论何种类型植被的滩地，汛期泥沙沉积均以湖岸30 m范围内为最多，而且，尤以芦苇地为甚。这也清楚地说明了洲滩地形四周高、中间低的形成原因。

3.2.3 影响泥沙沉积的水文因子 11年生杨树林汛期泥沙沉积厚度及相关水文情况见表5。

表5 汛期泥沙沉积厚度及水文情况Tab 5 Thesedimentationthicknessandhydrologicalconditioninfloodperiod湖岸距离(m)淹水时间(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

考察湖岸距离、淹水时间、洪水流速诸水文因子对泥沙沉积的综合影响，对实测数据直接作多元回归分析，其回归方程式如下:

Y=C0+C1X1+C2X2+C3X3=

3.416 448-0.040 249 59X1+

0.278 945 3X2+11.458 92X3

复相关系数R=0.945 313，

决定系数R2=0.893 617

式中：Y——泥沙厚度(cm)

X1——湖岸距离(m)

X2——年淹水时间(天)

X3——洪水流速(m/s)

为便于考察各回归系与因变量间的相关关系，将各指标数据标准化后作多元回归，各指标的回归系数及显著性见表6。

标准回归系数绝对值的大小体现了该变量对方程贡献率的大小；偏相关系数绝对值的大小，体现了该变量与因变量相关关系的紧密程度。因此，2003年在11年生杨树林内，对林内泥沙沉积厚度影响最大的因子是湖岸距离，呈负相关，距离越大，泥沙沉积量越小；淹水时间呈正相关，影响居第二位；洪水流速影响最小。

表6 相关系数及显著水平Tab 6 Correlationcoefficientandsignificancelevel项目回归系数标准回归系数偏相关系数t值p值C03 416453 3200 021湖岸距离-0 04025-3 06256-0 8814 1540 0092003年淹水时间0 278952 577210 8483 5720 016洪水流速11 458920 327420 6471 9000 116

4 结论与讨论

(1) 河道中部与岸边的水流速度差异显著，以中部为最高，但滩地的不同植被类型对河道中的洪水流速影响不显著。在林内，水流速度在不同林缘距离间差异不显著，但在不同植被类型间差异极显著。5、12年生杨树林内的水流速度较林外分别下降67.1%和89.2%，芦苇地较林外下降98.3%～99.0%；杨树林内水流速度是芦苇地的10～34倍以上。芦苇地水流速度的急剧下降，与其个体数多、阻水面大、与水流总摩擦阻力增加有关。

(2)在相似水文条件下，洲滩5年生杨树林泥沙沉积厚度，在湖岸0～30 m地段平均为5.3 cm，30～270 m地段3.5 cm；芦苇地分别为7.9 cm和4.3 cm。就林分总体而言，杨树林地泥沙沉积年均厚度3.68 cm，芦苇地4.60 cm，后者是前者的1.25倍。

(3)对林内泥沙沉积厚度影响最大的因子是湖岸距离，呈负相关，距离越大，沉积量越小；淹水时间呈正相关，居第二位；洪水流速影响最小。

(4)7～11年生滩地杨树林，因泥沙沉积5年海拔加权平均增高14.65 cm，年均厚度为2.93 cm。

(5)芦苇是洞庭湖滩地原生植物种群，对汛期洪水流速、泥沙沉积虽有一定影响，但由于其经济、生态地位，它的存在无法否定；相较而言，杨树的影响则要小得多，将其说成有害生物入侵，是言过其实的，没有根据的。

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(文字编校：张 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”农村领域国家科技计划课题“林业血防生态安全体系构建技术研究与示范”(2011BAD38B07)。

S 792.119

A

1003-5710(2014)04-0013-05

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