崇明岛南岸不同植物配置模式护岸能力及优化策略研究

论文摘要

海岸带侵蚀是全球沿海城市普遍面临的一大难题。为此,如何减少海岸侵蚀保护海岸带一直是全球广泛关注的热点问题。崇明岛南岸正是面临同样问题的地区之一。为减少海岸侵蚀保护海岸带,早在上世纪50年代,县水利局就利用滩涂湿地植物——芦苇（Phragmites australis）,构建成了芦苇群落护岸带。在过去的几十年中,芦苇群落对崇明南岸岸滩的稳定发挥了关键作用。然而,它正面临着新的挑战。近年南岸深水航道建设及青草沙水库的建设势必将加剧对南岸岸滩的冲刷和侵蚀,使南岸坍势更为严重。同时也将对原有芦苇群落的护岸能力提出更高要求。为提升原有芦苇群落的护岸能力,在2002和2006年,崇明县水利局在考虑树种耐湿性、耐盐碱性等特性后,从针叶乔木与阔叶乔木,垂直根型与散生根型乔木中筛选出池杉（Taxodium ascendens）、垂柳（Salix babylonica）两种乔木,在主要防护岸段沿240cm-370cm潮位线将其分别以2×2m种植密度增配于原有芦苇群落中,分别构建成池杉—芦苇群落和垂柳—芦苇群落。目前南岸植物护岸模式为芦苇群落、4龄垂柳—芦苇群落、8龄垂柳—芦苇群落、4龄池杉—芦苇群落和8龄池杉—芦苇群落。对此,究竟哪种植物配置模式的护岸能力最佳一直是崇明南岸护岸林带建设与管理中普遍关注的问题。要回答好这一关键问题,则主要取决于下述三个问题的回答：各季节各植物群落的护岸特点如何,及各植物群落护岸能力的季节变化规律如何?垂柳—芦苇群落和池杉—芦苇群落的护岸能力随乔木树龄的增加产生怎样的变化?研究区域岸滩侵蚀过程及侵蚀季节性变化规律如何?本研究利用阻力系数比、土壤水稳性指数和根长密度三项指标对低潮位（240-270cm潮位线与侵蚀陡坎间岸滩）、中潮位（240-270cm与300-320cm潮位线间岸滩）、高潮位（300-320cm与350-370cm潮位线间岸滩）,春季、夏季与秋冬季芦苇群落、4龄垂柳群落、8龄垂柳群落、4龄池杉群落和8龄池杉群落的地上部分与地下部分护岸能力进行了分析,总结出了各潮位不同植物群落护岸能力的季节变化规律,并结合研究区域岸滩侵蚀过程与侵蚀季节性变化规律,指出了崇明南岸护岸林带建设与管理现存的主要问题,并提出了相应的优化建议,期望能为未来南岸护岸林带的建设与管理提供科学依据。主要研究结果与结论如下：1)芦苇群落在各潮位各季节对水流的阻力作用最大,在春夏两季对中、高潮位岸滩表土层的保护能力最强从植物地上部分的阻力系数比分析,在春季、夏季、秋冬季,芦苇群落的阻力系数比均高于四种乔草群落,表明芦苇群落对水流的阻力作用最大,这与芦苇群落内芦苇密度最大有关。从土壤水稳性指数分析,在春夏两季的中、高潮位,0-20cm表土层中,芦苇群落的土壤水稳性指数和根长密度均显著性的高于乔草群落（P<0.05）。如与芦苇群落土壤水稳性指数相比,在春季中潮位4龄垂柳群落、8龄垂柳群落、4龄池杉群落、8龄池杉群落分别减少了13.2%（P<0.05）、42.8% （P<0.05）、16.2% （P<0.05）、11.7% （P<0.05）,高潮位它们分别小13.7%（P<0.05）、42.3% （P<0.05）、11.1% （P<0.05）、10.0% （P<0.05）；夏季中潮位它们也分别减少了29.1% （P<0.05）、40.4% （P<0.05）、31.0% （P<0.05）、21.6%（P<0.05）,高潮位分别低了8.2% （P<0.05）、47.9% （P<0.05）、21.5% （P<0.05）、12.0% （P<0.05）。土壤水稳性指数（y）主要受根长密度（x）的影响,二者的关系可用指数函数Y=aeb/x表示。2)4龄垂柳群落在各潮位各季节对岸滩20-50cm土层的保护能力最强；8龄池杉群落在低潮位各季节及中、高潮位秋冬季对岸滩滩面的保护能力最强从阻力系数比分析,所有乔草群落的阻力系数比均低于芦苇群落,这与乔草群落中芦苇密度低于芦苇群落内芦苇密度有关。从土壤水稳性指数分析,在0-20cm表土层中,与其它四种群落相比,8龄池杉群落在低潮位各季节及中、高潮位秋冬季具有最大的土壤水稳性指数和根长密度。如在秋冬季,与8龄池杉群落相比,中潮位芦苇群落、4龄垂柳群落、8龄垂柳群落和4龄池杉群落下的土壤水稳性指数均分别少7.2%、6.6%、32.7%、2.8%；高潮位它们的土壤水稳性指数则分别减少了19.6%、14.9%、42.9%（P<0.05）、21.8%。在20-50cm土层,在各潮位各季节,五种植物群落中4龄垂柳群落的土壤水稳性指数与根长密度最高。如在低潮位,4龄垂柳群落之后,春季的土壤水稳性指数大小依次为8龄池杉群落、4龄池杉群落、芦苇群落、8龄垂柳群落,它们分别比4龄垂柳群落低34.5%（P<0.05）、39.8%（P<0.05）、46.5%（P<0.05）、51.8%（P<0.05）；夏季则分别是8龄池杉群落>4龄池杉群落>8龄垂柳群落>芦苇群落,它们与4龄垂柳群落相比,分别降低了0.04%、19.6% （P<0.05）、37.4% （P<0.05）、44.9% （P<0.05）；秋冬季则分别是8龄池杉群落>芦苇群落>4龄池杉群落>8龄垂柳群落,与4龄垂柳群落相比,它们均分别下降了10.1%、46.0%（P<0.05）、49.9%（P<0.05）和50.0%（P<0.05）。土壤水稳性指数主要受根长密度影响,二者的关系为指数函数Y=aeb/x。3)各潮位各植物群落地上部分阻力系数比的季节变化规律是由春季向夏季和秋冬季增加,地下根系固岸能力的季节变化规律则是由春夏两季向秋冬季减小各植物群落地上部分阻力系数比的变化规律均是春季低,夏季与秋冬季较高,由春季向夏季、秋冬季增加。阻力系数比的变化规律与群落内芦苇密度紧密相关。春季正处于芦苇萌芽期,及受上年冬末芦苇收割的影响,因而此时芦苇密度较低阻力系数比也低；夏季进入芦苇旺盛生长期,群落内芦苇密度较高阻力系数比大；进入秋冬季虽然进入芦苇开花期,但群落内芦苇密度依然较大阻力系数比也高。各植物群落内表土层和深土层土壤水稳性指数的季节变化规律,则正好与阻力系数比的变化相反,表现为秋冬季最低,春夏两季高,由春夏两季向秋冬季减小。这与群落根长密度的季节变化相关。春季是植物萌芽阶段,夏季是植物旺盛生长阶段,这两季地下根系生长的速度超过根系衰退的速度,所以春夏两阶段的根系量大,根长密度长,土壤水稳性指数较高。秋冬季进入植物生长末期,根系生长速度比春夏逐渐放慢,所以根长密度小,土壤水稳性指数也就低。4)4龄与8龄乔草群落相比,垂柳群落根系固岸能力随垂柳树龄增加而减小,池杉群落地下部分固岸能力随池杉树龄增加而增大研究区域岸滩侵蚀驱动力主要为潮流,侵蚀过程包括滩面侵蚀和侵蚀陡坎蚀退两类,岸滩稳定更为依靠地下根系作用。4龄垂柳与8龄垂柳群落,各潮位各季节各土层,8龄垂柳群落的土壤水稳性指数均显著性低于4龄垂柳群落（P<0.05）,表明垂柳群落的固岸能力并没有随垂柳树龄的增大而增强,而是随之减弱。其原因可能在于在2×2m的种植密度下,随着树龄增加,具有伞形树冠的垂柳对其林内的“遮光效应”也在不断增加,下层光线的减弱影响了群落内喜光植物芦苇生长,造成8龄垂柳群落内芦苇密度极显著的低于4龄垂柳群落（P<0.01）,显著的降低了群落的根长密度（P<0.05）,从而表现出8龄垂柳群落的土壤水稳性指数与根长密度皆低于4龄垂柳群落。相反,对于4龄与8龄池杉群落,虽然也同为2×2m的种植密度,但8龄池杉群落的土壤水稳性指数和根长密度在各潮位各季节各土层均高于4龄池杉群落,池杉群落的固岸能力随池杉树龄增加而增强。原因可能是池杉属慢生树种,树冠为狭圆锥形,对林内芦苇的遮光影响不如快生伞形树冠的垂柳。5)崇明南岸护岸林带建设与管理中存在：侵蚀陡坎区域缺乏有效防护、护岸植物群落结构配置不合理、群落内芦苇地上部分冬季收割高度过低等问题目前南岸侵蚀陡坎上仍多为芦苇群落。依据前述研究结果,仅在中高潮位春夏两季对表土层有较强护岸能力的芦苇群落将很难满足减缓或阻止陡坎后退的需要。因此对侵蚀关键区域——侵蚀陡坎缺乏有效防护是当前南岸护岸林带建设与管理中存在的最大问题。护岸植物群落结构配置的不合理主要体现在植物护岸模式的选择及建设缺乏与岸滩侵蚀过程、季节性变化规律相结合及垂柳种植密度和池杉树龄选择欠合理等方面。首先,最佳植物护岸模式的选择应结合岸滩的侵蚀过程和“春夏储秋冬输”或“春夏输秋冬储”的季节性变化规律,依据各配置模式在各季节的护岸特点,从低潮位至高潮位分梯级的选择最优植物护岸模式。然而目前南岸护岸林带为单一连续式,即采用同一植物配置模式从低潮位至高潮位连续呈片种植。其次,在护岸林带日常管理中,缺乏对8龄垂柳群落中垂柳2×2m种植密度的调整,导致垂柳下芦苇密度锐减,使8龄垂柳群落的护岸能力低于4龄垂柳群落,影响其护岸能力。另外,对于池杉群落,与其它植物配置模式相比,4龄池杉群落的护岸能力并不理想,这可能与池杉属慢生树种有关。每年12月至来年1月对芦苇地上部分进行齐地收割,以保证第二年萌芽期芦苇能有充足光照是崇南海岸带管理中的一项重要管理措施。然而,应当指出的是,齐地收割的方式将使岸滩滩面直接暴露于潮流的冲刷中,加速地表凋落物随潮流流失的速度,加快滩面沉积物的流失速度。6)根据研究区域岸滩的侵蚀过程,侵蚀季节性变化在“春夏储秋冬输”和“春夏输秋冬储”情景模式下,岸滩需采用不同植物配置方式研究区域岸滩侵蚀过程包括侵蚀陡坎蚀退和滩面侵蚀两种类型。本研究假定研究区域内岸滩侵蚀季节变化规律存在“春夏储秋冬输”“春夏输秋冬储”两种可能情景。若侵蚀季节性变化属“春夏储秋冬输”,植物根系固岸作用的低峰期恰与侵蚀高峰期相符,结合前面研究结果,在陡坎区域,要减缓或防止陡坎后退,可选择对表土和深土层护岸能力高的垂柳—芦苇的配置方式,对此还需考虑增加灌木树种,提高表土的稳定性。而侵蚀陡坎下区域可选择灌木—镳草配置模式。同时,对于侵蚀陡坎位于低潮位岸滩（此类岸滩属侵蚀程度较轻）,除了陡坎及其之下区域外,中潮位和高潮位应选择高龄池杉—芦苇的植物配置方式,因其在秋冬季表土层的根长密度最高,对表土层的保护效果最好；对于侵蚀陡坎位于中潮位岸滩（此类岸滩属侵蚀程度较高）,除了陡坎及其之下区域外,高潮位应选择高龄池杉—芦苇模式；若侵蚀陡坎位于高潮位（此类岸滩属侵蚀严重岸滩）,陡坎及以上区域应选择高龄池杉—芦苇或垂柳—灌木—芦苇的配置方式,而侵蚀陡坎下区域可选择灌木—镳草配置模式。若侵蚀季节性变化规律为“春夏输秋冬储”,植物根系固岸作用的高峰期正与侵蚀高峰期相符。则在陡坎区域应选择垂柳—灌木—芦苇的配置方式,而在侵蚀陡坎之下区域可选择灌木—镳草配置模式。此外,对于侵蚀陡坎位于低潮位岸滩,除侵蚀陡坎及之下区域外,中潮位和高潮位则可保持芦苇群落的植物配置模式,因为它不仅对水流的阻力作用最大,而且在春夏两季表土层的土壤水稳性指数和根长密度均最高,更有利于保护岸滩滩面。对于侵蚀陡坎位于中潮位岸滩,除侵蚀陡坎及之下区域外,高潮位仍应保持芦苇群落。若侵蚀陡坎位于高潮位,则陡坎区域应选择高龄池杉—芦苇或垂柳—灌木—芦苇的配置方式,而侵蚀陡坎下区域可选择灌木—镳草配置模式。以上需要增配灌木的植物配置模式,灌木可以考虑选择耐水湿、耐荫、浅根系的种类,如细叶水团花（Adina rubella）、赤杨（Alnus tinctoria）、花叶柳（Salix integra cv. Hakuro Nishiki）、海滨木槿（Hibiscus hamabo）。考虑到林带未来整体的景观效果,还可以选择与池杉、垂柳同功能群的乔木树种,增强林带的观赏价值。如选择落羽杉（Taxodium distichum）、水杉（Metasequoia glyptostroboides）、江南桤木（Alnus trabeculosa）、沼生栎（Quercus palustris）等树种。

论文目录

摘要

Abstract

第1章前言

1.1 研究背景

1.2 国内外研究进展

1.2.1 植物地上部分的护岸作用研究综述

1.2.2 植物地下部分的护岸作用研究综述

1.2.3 研究现状小结

1.3 研究目的与意义

1.4 拟解决的关键问题和可能的创新点

1.4.1 拟解决的关键问题

1.4.2 可能的创新点

第2章试验材料与方法

2.1 研究区域概况

2.2 研究技术路线

2.3 研究方法

2.3.1 阻力系数比

2.3.2 土壤水稳性指数

2.3.3 其它相关参数

2.3.4 数据分析

第3章低潮位各植物配置模式护岸能力分析

3.1 春季各植物配置模式护岸能力分析

3.1.1 各配置模式阻力系数比分析

3.1.2 各配置模式土壤水稳性指数分析

3.1.3 护岸能力的综合分析

3.2 夏季各植物配置模式护岸能力分析

3.2.1 各配置模式阻力系数比分析

3.2.2 各配置模式土壤水稳性指数分析

3.2.3 护岸能力综合分析

3.3 秋冬季各植物配置模式护岸能力分析

3.3.1 各配置模式阻力系数比分析

3.3.2 各配置模式土壤水稳性指数分析

3.3.3 护岸能力综合分析

3.4 低潮位各植物配置模式护岸能力的季节变化规律

3.4.1 阻力系数比的季节变化规律

3.4.2 土壤水稳性指数的季节变化规律

3.5 小结

第4章中潮位各植物配置模式护岸能力分析

4.1 春季各植物配置模式护岸能力分析

4.1.1 各配置模式阻力系数比分析

4.1.2 各配置模式土壤水稳性指数分析

4.1.3 护岸能力综合分析

4.2 夏季各植物配置模式护岸能力分析

4.2.1 各配置模式阻力系数比分析

4.2.2 各配置模式土壤水稳性指数分析

4.2.3 护岸能力综合分析

4.3 秋冬季各植物配置模式护岸能力分析

4.3.1 各配置模式阻力系数比分析

4.3.2 各配置模式土壤水稳性指数分析

4.3.3 护岸能力综合分析

4.4 中潮位各植物配置模式护岸能力的季节变化规律

4.4.1 阻力系数比的季节变化规律

4.4.2 土壤水稳性指数的季节变化规律

4.5 小结

第5章高潮位各植物配置模式护岸能力分析

5.1 春季各植物配置模式护岸能力分析

5.1.1 各配置模式阻力系数比分析

5.1.2 各配置模式土壤水稳性指数分析

5.1.3 护岸能力综合分析

5.2 夏季各植物配置模式护岸能力分析

5.2.1 各配置模式阻力系数比分析

5.2.2 各配置模式土壤水稳性指数分析

5.2.3 护岸能力综合分析

5.3 秋冬季各植物配置模式护岸能力分析

5.3.1 各配置模式阻力系数比分析

5.3.2 各配置模式土壤水稳性指数分析

5.3.3 护岸能力综合分析

5.4 高潮位各植物配置模式护岸能力的季节变化规律

5.4.1 阻力系数比的季节变化规律

5.4.2 土壤水稳性指数的季节变化规律

5.5 小结

第6章崇明南岸护岸林带优化策略

6.1 崇明南岸岸滩侵蚀的过程

6.2 崇明南岸岸滩侵蚀的季节性变化规律

6.3 南岸护岸林带建设与管理的现状分析与问题探讨

6.3.1 侵蚀陡坎缺乏有效防护

6.3.2 护岸林带的植物配置模式结构欠合理

6.3.3 芦苇地上部分收割高度过低

6.4 优化原则

6.4.1 增强侵蚀陡坎稳定性原则

6.4.2 增强岸滩坡面稳定性原则

6.4.3 保育底栖生物的原则

6.4.4 兼顾景观观赏功能的原则

6.5 优化建议

6.5.1 情景1:侵蚀季节变化规律为"春夏储秋冬输"型

6.5.2 情景2:侵蚀季节变化规律为"春夏输秋冬储"型

第7章讨论

7.1 植物护岸能力评价指标

7.2 根长密度对土壤水稳性指数的影响

7.3 土壤有机质对土壤水稳性指数的影响

7.4 根系竞争与植物群落根系固岸能力差异

第8章结论

附录1

附录2

附录3

参考文献

致谢

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