江蘇里下河不同濕地植被地下水水位動態(tài)及影響因素

何冬梅，王 磊＊，萬 欣，徐 慶，高德強，左海軍

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

森林植被與地下水之間有著復雜的相互關系。地下水水位變化影響森林群落結構組成與生長狀況，從而影響到整個森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1-2]。同時，森林植被可通過其林冠層對降水的截留作用以及森林土壤對水源的涵養(yǎng)作用，對地下水水位進行調節(jié)[3-4]。在干旱或半干旱地區(qū)，水分是影響植被生長最重要的限制因子，地下水往往是深根植物生長所需的較穩(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途徑獲得生長所需的水分，但是地下水水位的變化仍是影響濕地物種多樣性的一個重要因素[5-7]。目前，關于森林植被與地下水之間相互關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地區(qū)，相關研究則相對較缺乏。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?shù)厮|，而且對提升區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)功能、調節(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象，研究其地下水水位動態(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和保護提供理論參考。

1 研究區(qū)及試驗地概況

里下河地區(qū)地處長江中下游，位于江蘇省中部，西起里運河，東至串場河，北自蘇北灌溉總渠，南抵通揚運河，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)氣候屬北亞熱帶季風濕潤氣侯區(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，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，水資源豐富，緊鄰著名的京杭運河和高郵湖，占地面積約80 hm2。公園內地勢平坦，內有湖泊、河流、坑塘、溝渠等多種類型的水體，濕地面積廣闊，土質主要為粘土。目前，濕地公園內植被主要以池杉群落為典型的植被類型，池杉種植達5萬多株，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97%。

邵伯湖北起高郵湖新民灘，東瀕京杭運河西堤，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70年代，政府開始在邵伯湖西堤外側下部筑灌砌塊石護坡，近年來隨著入江水道下游護岸工程的實施，邵伯湖與高郵湖交匯處西堤一公里路段，建設了50 m寬的平臺和護坡，并且在平臺植樹造林，作防浪林臺。該段防護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

在池杉林和楊樹林內地勢平坦的空地隨機選點，分別采用人工打井（PVC管，6 m）方式，建設2個地下水水位觀測井，每個井高出地面1 m，利用HOBO自動水位記錄儀對觀測井中的地下水水位進行長期觀測。水位記錄儀每0.5 h記錄1次數(shù)據(jù)。

2.2 降水量測量

降水量的測量主要采用人工測量法，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放置3個雨量筒，對每次降水進行收集和測量，每天7:00和19:00各記錄一次降水量數(shù)據(jù)，共記錄了1個水文年（2016年8月10日至2017年9月1日）數(shù)據(jù)。同時利用溫濕度計監(jiān)測研究區(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對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和作圖。

3 結果與分析

3.1 不同類型淡水濕地植被地下水水位月際動態(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個月兩種淡水濕地植被水位月際動態(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、地下水位月際動態(tài)看，兩種典型森林植被地上、地下水位的變化趨勢存在極顯著的差異（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)動態(tài)

從圖2中可看出，在監(jiān)測期的4個不同季節(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。可見，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僅占全年降水總量的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，但是每個月的降水量對應的地下水水位變化趨勢并不是完全一致，而是存在著一定的滯后性。通過pearson相關系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，楊樹林當月的降水量與次月水位之間存在顯著的正相關性（R2= 0.30，P＜ 0.05），表明一定時間內降水對地下水水位變幅的影響存在一定的滯后性，滯后時間在1個月左右。池杉林降水量的季節(jié)變化趨勢與楊樹人工林一致，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顯著的相關性，且降水對地下水水位的補給的滯后性也未在該淡水濕地森林體現(xiàn)出來。

圖 3 楊樹林地下水水位與降水量關系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系

本研究中，從2016年9月至2017年8月，試驗區(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)出極顯著的負相關關系（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結果可得出，兩種典型濕地森林地下水水位的月際動態(tài)和季節(jié)動態(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其地下水水位動態(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)測井的地下水水位變化與森林葉面積指數(shù)的相關性，也得出了同樣的結論。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度、蓄水能力等不同，對地下水水位動態(tài)的調控作用也有差異[13-14]。

相關研究表明，氣象因素會直接或者間接導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源，地下水往往由于降水量的補給而水位上升[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關系，這與于致龍等[22]的研究中，章古臺年內和年際間降水量對地下水水位的上升或者下降的影響均存在時間上的滯后現(xiàn)象一致。幺文和吳淑梅[23]對內蒙古興安盟地區(qū)年內月降水對地下水水位變化的影響進行了分析，同樣得出降水對地下水的補給具有滯后性，滯后時間大約為1個月的研究結果，與本研究中楊樹林的研究結果相符。池杉林月均地下水水位與降水量無顯著的相關性。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鍵因素，對池杉林地下水水位的調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)，地下水水位動態(tài)與降水量變化不是絕對對應的關系。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)出極顯著的負相關關系，這與Mercau等[24]和Chen等[25]的研究結果一致。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重要氣象因子。

5 結論

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性，表明地下水水位動態(tài)變化滯后于降水量變化，滯后時間大約為1個月。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無明顯相關性。楊樹林和池杉林的月均地下水水位與月均氣溫間呈現(xiàn)極顯著的負相關關系，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。