江蘇里下河不同濕地植被地下水水位動(dòng)態(tài)及影響因素

何冬梅，王 磊＊，萬(wàn) 欣，徐 慶，高德強(qiáng)，左海軍

(1. 江蘇省林業(yè)科學(xué)研究院 江蘇 南京 211153；2. 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所 北京 100091)

森林植被與地下水之間有著復(fù)雜的相互關(guān)系。地下水水位變化影響森林群落結(jié)構(gòu)組成與生長(zhǎng)狀況，從而影響到整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-2]。同時(shí)，森林植被可通過其林冠層對(duì)降水的截留作用以及森林土壤對(duì)水源的涵養(yǎng)作用，對(duì)地下水水位進(jìn)行調(diào)節(jié)[3-4]。在干旱或半干旱地區(qū)，水分是影響植被生長(zhǎng)最重要的限制因子，地下水往往是深根植物生長(zhǎng)所需的較穩(wěn)定的水源之一；而在降水充沛、水資源豐富的地區(qū)，雖然植物可以通過多個(gè)途徑獲得生長(zhǎng)所需的水分，但是地下水水位的變化仍是影響濕地物種多樣性的一個(gè)重要因素[5-7]。目前，關(guān)于森林植被與地下水之間相互關(guān)系的研究大部分集中在干旱和半干旱地區(qū)，而在水資源豐富的濕潤(rùn)地區(qū)，相關(guān)研究則相對(duì)較缺乏。江蘇里下河平原地區(qū)，水網(wǎng)密布，濕地面積廣闊，具有大面積的人工淡水濕地森林，不僅能凈化當(dāng)?shù)厮|(zhì)，而且對(duì)提升區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)功能、調(diào)節(jié)區(qū)域水分平衡、保持生物多樣性、蓄洪防旱、改善生態(tài)環(huán)境、維持人類的生存和發(fā)展起到重要作用[8]。本研究以江蘇省里下河平原兩種典型的淡水濕地森林為研究對(duì)象，研究其地下水水位動(dòng)態(tài)變化特征及其影響因素，為里下河地區(qū)淡水濕地植被的恢復(fù)和保護(hù)提供理論參考。

1 研究區(qū)及試驗(yàn)地概況

里下河地區(qū)地處長(zhǎng)江中下游，位于江蘇省中部，西起里運(yùn)河，東至串場(chǎng)河，北自蘇北灌溉總渠，南抵通揚(yáng)運(yùn)河，是江淮流域下游典型的平原水網(wǎng)區(qū)[9]。里下河平原四周高，中間低，呈碟型，俗稱“鍋底洼”，分布著豐富的河流、湖泊、泥炭、沼澤和湖灘濕地，以濕生、沼生等水生植物居多。該區(qū)氣候?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤(rùn)氣侯區(qū)，又處于濱江臨海，全年平均氣溫14.5 ℃，多年平均降水量約1 000 mm，雨量充沛、陽(yáng)光充足、四季分明、植物資源豐富[10]。地帶性植被為北亞熱帶落葉闊葉與常綠闊葉混交林為主，喬木林中主要優(yōu)勢(shì)樹種有楊樹（Populus deltoidesMarshall ）、柳樹（Salix babylonicaLinn.）、刺槐（Robinia pseudoacaciaLinn.）、水杉（Metasequoia glyptostroboidesHu et W. C. Cheng）、池杉（Taxodium ascendensBrongn）、黑松（Pinus thunbergiiParl.）等。本研究選取了里下河平原兩種典型的植被，包括池杉針葉林和楊樹闊葉林（35’楊，Populus deltoidescv.35）。其中，池杉林位于江蘇東湖濕地公園內(nèi)，而楊樹林位于高郵邵伯湖岸堤。

江蘇東湖濕地公園地處江蘇省中部，高郵市北郊，溝渠坑塘縱橫交錯(cuò)，水資源豐富，緊鄰著名的京杭運(yùn)河和高郵湖，占地面積約80 hm2。公園內(nèi)地勢(shì)平坦，內(nèi)有湖泊、河流、坑塘、溝渠等多種類型的水體，濕地面積廣闊，土質(zhì)主要為粘土。目前，濕地公園內(nèi)植被主要以池杉群落為典型的植被類型，池杉種植達(dá)5萬(wàn)多株，占地面積約有35 hm2，是里下河地區(qū)規(guī)模最大的池杉純林。本研究所選樣地（119 27'33" E，32 53'21" N）的池杉種植于上世紀(jì)80年代初，平均樹高約13.6 m，平均胸徑21.2 cm，冠幅2.2 m × 2.0 m，郁閉度達(dá)90%。池杉林下植被主要為草本植物，包括竊衣[Torilis scabra（ Thunb.） DC.]、 水 芹 [Oenanthe javanica（ Bl.） DC.]、 雀 麥 （Bromus japonicusThunb. ex Murr.） 、 烏 蘞 莓 [Cayratia japonica（ Thunb.）Gagnep.]、 蛇 莓 [Duchesnea indica（ Andr.）Focke]、 葎 草 [Humulus scandens（ Lour.） Merr].、旱麥草 [Eremopyrum triticeum（Gaertn.）Nevski]、酢漿草（Oxalis corniculataLinn.）、野老鸛草（Geranium carolinianumLinn.）等17種，蓋度達(dá)97%。

邵伯湖北起高郵湖新民灘，東瀕京杭運(yùn)河西堤，西為高郵、邗江兩縣市沿湖地區(qū)，南抵六閘以下歸江河道口。上世紀(jì)70年代，政府開始在邵伯湖西堤外側(cè)下部筑灌砌塊石護(hù)坡，近年來(lái)隨著入江水道下游護(hù)岸工程的實(shí)施，邵伯湖與高郵湖交匯處西堤一公里路段，建設(shè)了50 m寬的平臺(tái)和護(hù)坡，并且在平臺(tái)植樹造林，作防浪林臺(tái)。該段防護(hù)林類型主要包括柳樹純林、楊樹純林和楊、柳樹混交林。本研究選取楊樹純林為對(duì)象（樣地119°22′37″E，32°42′13″ N），楊樹樹齡約8 a，平均樹高13.2 m，平均胸徑約14.5 cm，平均冠幅6.3 m × 5.4 m，郁閉度達(dá)95%以上。林下植被稀少，僅有少量樹高約1.5 m、平均胸徑1.2 cm的小桑樹；草本植物平均蓋度約26.4%，主要包括澤漆（Euphorbia helioscopiaLinn.）、烏蘞莓、馬蘭[Kalimeris indica（Linn.）Sch.-Bip.]、一年蓬 [Erigeron annuus（Linn.）Pers.]、打碗花（Calystegia hederaceaWall.）、青蒿（Artemisia carvifoliaBuch.-Ham. ex Roxb.）、碎米薺（Cardamine hirsutaLinn.）、辣蓼 [Polygonum flaccidum（ Meissn.） Steward]等11種植物。

2 研究方法

2.1 地下水水位監(jiān)測(cè)

在池杉林和楊樹林內(nèi)地勢(shì)平坦的空地隨機(jī)選點(diǎn)，分別采用人工打井（PVC管，6 m）方式，建設(shè)2個(gè)地下水水位觀測(cè)井，每個(gè)井高出地面1 m，利用HOBO自動(dòng)水位記錄儀對(duì)觀測(cè)井中的地下水水位進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)。水位記錄儀每0.5 h記錄1次數(shù)據(jù)。

2.2 降水量測(cè)量

降水量的測(cè)量主要采用人工測(cè)量法，即分別在江蘇高郵東湖濕地公園池杉林和高郵邵伯湖楊樹林附近空曠地隨機(jī)放置3個(gè)雨量筒，對(duì)每次降水進(jìn)行收集和測(cè)量，每天7:00和19:00各記錄一次降水量數(shù)據(jù)，共記錄了1個(gè)水文年（2016年8月10日至2017年9月1日）數(shù)據(jù)。同時(shí)利用溫濕度計(jì)監(jiān)測(cè)研究區(qū)的溫度和濕度等氣象因子。

2.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 20.0和Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型淡水濕地植被地下水水位月際動(dòng)態(tài)

楊樹林和池杉林2016年9月至2017年8月地上、地下水水位月際動(dòng)態(tài)變化見圖1。從圖中可以看出，除了2016年12月和2017年1月，其余10個(gè)月兩種淡水濕地植被水位月際動(dòng)態(tài)均呈現(xiàn)出極顯著的差異性（P＜ 0.01）。楊樹林平均水位為地下0.15 m，月際間變化幅度較大，在地下0.72 m至地上0.62 m范圍間變化。池杉林平均水位為0.17 m，月際變化幅度相對(duì)較小，水位變化在-0.08 m～0.35 m之間變化，全年幾乎處于淹水狀態(tài)。從地上、地下水位月際動(dòng)態(tài)看，兩種典型森林植被地上、地下水位的變化趨勢(shì)存在極顯著的差異（P＜ 0.01），除了2016年10—12月份楊樹林水位高于池杉林外，其余9個(gè)月均為池杉林月均水位高于楊樹林（圖 1）。2016年 10月—2017年1月，楊樹林處于淹水狀態(tài)，且地上水位最高值出現(xiàn)在2016年11月份，為0.63 m，地下水位最低值出現(xiàn)在6月份，為-0.72 m；池杉林地上、地下水位月際變化趨勢(shì)較緩，最大值出現(xiàn)在2月份，而最小值出現(xiàn)在8月份。

圖 1 不同濕地植被地下水水位月際動(dòng)態(tài)Fig. 1 Monthly variation of groundwater level under different wetland forests

3.2 不同類型淡水濕地森林地下水水位季節(jié)動(dòng)態(tài)

從圖2中可看出，在監(jiān)測(cè)期的4個(gè)不同季節(jié)，兩種濕地森林植被差異性顯著（P＜ 0.01）。池杉林常年處于淹水狀態(tài)，春季、夏季和冬季水位均顯著高于楊樹林水位。池杉林水位為：冬季 ＞ 春季 ＞秋季 ＞ 夏季，冬季和春季地上水位最高值分別為0.30 m和0.27 m，顯著高于夏季的水位；而楊樹林水位為：秋季 ＞ 冬季 ＞ 春季 ＞ 夏季。楊樹林秋季和冬季處于淹水狀態(tài)，水位顯著高于春季和夏季；春季和夏季的水位較低，分別為-0.34 m和-0.68 m?？梢?，池杉林和楊樹林夏季的水位均低于其他季節(jié)。

圖 2 不同濕地植被地下水水位季節(jié)動(dòng)態(tài)Fig. 2 Seasonal variation of groundwater level under different wetland forests

3.3 不同類型淡水濕地植被地下水水位與降水量的關(guān)系

從圖3和圖4中可知，楊樹林和池杉林秋季和夏季的降水量較大，其中秋季降水量最大，分別占全年降水總量的44.21%和49.58%。冬季和春季降水量偏少，尤其是池杉人工林春季的降水量?jī)H占全年降水總量的7.96%。圖3中，受不同季節(jié)降水的影響，楊樹林經(jīng)過秋季豐富的降水后，其水位在11月份達(dá)到最高值；隨后由于冬季和春季降水量減少，水位開始逐漸下降，一直到第二年夏初6月份降到最低。從圖3可看出，楊樹林水位的變化雖然受降水量影響，但是每個(gè)月的降水量對(duì)應(yīng)的地下水水位變化趨勢(shì)并不是完全一致，而是存在著一定的滯后性。通過pearson相關(guān)系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，楊樹林當(dāng)月的降水量與次月水位之間存在顯著的正相關(guān)性（R2= 0.30，P＜ 0.05），表明一定時(shí)間內(nèi)降水對(duì)地下水水位變幅的影響存在一定的滯后性，滯后時(shí)間在1個(gè)月左右。池杉林降水量的季節(jié)變化趨勢(shì)與楊樹人工林一致，但其月平均水位變幅較小，幾乎不受降水量的影響。通過相關(guān)性分析可得出，池杉林月均地下水水位與其月平均降水量之間均無(wú)顯著的相關(guān)性，且降水對(duì)地下水水位的補(bǔ)給的滯后性也未在該淡水濕地森林體現(xiàn)出來(lái)。

圖 3 楊樹林地下水水位與降水量關(guān)系Fig. 3 The relationship of precipitation and groundwater level under the Poplar forest

圖 4 池杉林地下水水位與降水量關(guān)系Fig. 4 The relationship of precipitation and groundwater level under the Taxodium ascendens forest

3.4 不同類型淡水濕地植被地下水水位與氣溫的關(guān)系

本研究中，從2016年9月至2017年8月，試驗(yàn)區(qū)平均氣溫為21.05 ℃，其中秋季（2016年9—12月）平均氣溫為21.19 ℃，冬季（2016年12月—2017年2月）平均氣溫為10.12 ℃，春季（2017年3—5月）平均氣溫為20.91 ℃，夏季（2017年6—8月）平均氣溫為31.81 ℃，且呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化規(guī)律。通過回歸分析發(fā)現(xiàn)（圖5、圖6），楊樹林和池杉林的月均地下水水位與月均氣溫之間均呈現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（其中，楊樹林R2= 0.56，P＜ 0.01; 池杉林R2=0.74，P＜ 0.01）。

圖 5 楊樹林地下水水位與月均氣溫的關(guān)系Fig. 5 The relationship of monthly temperature and groundwater level under the Poplar forest

圖 6 池杉林地下水水位與月均氣溫的關(guān)系Fig. 6 The relationship of monthly temperature and groundwater level under the Taxodium ascendens forest

4 討論

從里下河地區(qū)池杉林和楊樹林這兩種淡水濕地森林植被地下水水位的觀測(cè)結(jié)果可得出，兩種典型濕地森林地下水水位的月際動(dòng)態(tài)和季節(jié)動(dòng)態(tài)都存在極顯著的差異。池杉林幾乎全年處于淹水狀態(tài)，楊樹林水位季節(jié)變化明顯，秋季和冬季水位較高，表明不同森林植被對(duì)其地下水水位動(dòng)態(tài)的影響程度不同[11]。Csafordi等[12]通過分析匈牙利大草原不同植被覆蓋下的20口地下水監(jiān)測(cè)井的地下水水位變化與森林葉面積指數(shù)的相關(guān)性，也得出了同樣的結(jié)論。不同森林植被，由于其樹木的蒸騰作用以及森林土壤的蒸散強(qiáng)度、蓄水能力等不同，對(duì)地下水水位動(dòng)態(tài)的調(diào)控作用也有差異[13-14]。

相關(guān)研究表明，氣象因素會(huì)直接或者間接導(dǎo)致地下水水位的變化[15-17]。降水是森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)過程中重要的輸入因子，是生態(tài)系統(tǒng)中地表水、地下水、土壤水及植物水分等的主要來(lái)源，地下水往往由于降水量的補(bǔ)給而水位上升[18-21]。在里下河平原地區(qū)，楊樹林月均降水量與次月的地下水水位之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，這與于致龍等[22]的研究中，章古臺(tái)年內(nèi)和年際間降水量對(duì)地下水水位的上升或者下降的影響均存在時(shí)間上的滯后現(xiàn)象一致。幺文和吳淑梅[23]對(duì)內(nèi)蒙古興安盟地區(qū)年內(nèi)月降水對(duì)地下水水位變化的影響進(jìn)行了分析，同樣得出降水對(duì)地下水的補(bǔ)給具有滯后性，滯后時(shí)間大約為1個(gè)月的研究結(jié)果，與本研究中楊樹林的研究結(jié)果相符。池杉林月均地下水水位與降水量無(wú)顯著的相關(guān)性。這是由于池杉林所處的東湖濕地公園水網(wǎng)密布，水流串通，降水量不是影響地下水水位變化的關(guān)鍵因素，對(duì)池杉林地下水水位的調(diào)控作用小于干旱或半干旱地區(qū)[24]，即使是降水量較少的冬季和春季，池杉林地下水水位也較高，受降水影響程度較小。因此，在水資源豐富的地區(qū)，地下水水位動(dòng)態(tài)與降水量變化不是絕對(duì)對(duì)應(yīng)的關(guān)系。本研究中楊樹林和池杉林月均地下水水位與月均氣溫表現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與Mercau等[24]和Chen等[25]的研究結(jié)果一致。主要是由于氣溫升高，植被蒸騰作用和地面蒸發(fā)增加等原因，地下水水位通常會(huì)表現(xiàn)出一定程度降低[26-27]。表明在水資源豐富的里下河平原，氣溫是影響兩種典型類型濕地森林地下水水位變化的一個(gè)重要?dú)庀笠蜃印?/p>

5 結(jié)論

里下河地區(qū)，楊樹林和池杉林的平均地上、地下水水位分別為地下0.15 m和地上0.17 m。楊樹林月際間平均水位變化幅度較大，而池杉林地上、地下水水位大部分月份均大于楊樹林，且長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)。楊樹林水位隨季節(jié)變化而逐漸降低，而池杉林地下水水位從秋季到冬季逐漸上升到最高后，在第二年春季和夏季逐漸降低。相對(duì)于其他季節(jié)，夏季池杉林和楊樹林的平均地下水水位均顯著較低。楊樹林當(dāng)月的降水量與次月的平均地下水水位之間存在顯著的相關(guān)性，表明地下水水位動(dòng)態(tài)變化滯后于降水量變化，滯后時(shí)間大約為1個(gè)月。在水資源豐富的池杉林，其地下水水位受降水量影響較小，二者之間的變化趨勢(shì)無(wú)明顯相關(guān)性。楊樹林和池杉林的月均地下水水位與月均氣溫間呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明該研究區(qū)森林植被地上、地下水水位受氣溫因素的影響較大。