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(guò)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(guò)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(shù)種有楊樹(shù)（Populus deltoidesMarshall ）、柳樹(shù)（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(shù)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(shù)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(shù)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(kāi)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(shù)造林，作防浪林臺(tái)。該段防護(hù)林類型主要包括柳樹(shù)純林、楊樹(shù)純林和楊、柳樹(shù)混交林。本研究選取楊樹(shù)純林為對(duì)象（樣地119°22′37″E，32°42′13″ N），楊樹(shù)樹(shù)齡約8 a，平均樹(shù)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(shù)高約1.5 m、平均胸徑1.2 cm的小桑樹(shù)；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(shù)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(shù)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(shù)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(jiàn)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(shù)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(shù)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(shù)林（圖 1）。2016年 10月—2017年1月，楊樹(shù)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(shù)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(shù)林水位為：秋季 ＞ 冬季 ＞ 春季 ＞ 夏季。楊樹(shù)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?jiàn)，池杉林和楊樹(shù)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(shù)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(shù)林經(jīng)過(guò)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(kāi)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(shù)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(guò)pearson相關(guān)系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，楊樹(shù)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(shù)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(guò)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(shù)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(guò)回歸分析發(fā)現(xiàn)（圖5、圖6），楊樹(shù)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(shù)林R2= 0.56，P＜ 0.01; 池杉林R2=0.74，P＜ 0.01）。

圖 5 楊樹(shù)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(shù)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(shù)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(guò)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(shù)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(guò)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)林，且長(zhǎng)期處于淹水狀態(tài)。楊樹(shù)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(shù)林的平均地下水水位均顯著較低。楊樹(shù)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(shù)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。