长白山区沟谷乌拉苔草(Carex. meyeriana) 沼泽湿地水文物理效应.doc

徐惠风等：长白山区沟谷乌拉苔草（Carex. meyeriana）沼泽湿地水文物理效应 1275
长白山区沟谷乌拉苔草（Carex. meyeriana）
沼泽湿地水文物理效应
徐惠风1, 2, 3，金研铭3，刘兴土2，陈景文1
1. 大连理工大学环境科学院, 辽宁 大连 116024; 2. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130012；
3. 吉林农业大学农学院，吉林 长春 130118

摘要：通过对长白山区沟谷乌拉苔草（C. meyeriana）沼泽湿地和三江平原乌拉苔草沼泽湿地土壤物理性质和乌拉苔草根系生物量的测定，对水文物理效应进行了分析，结果表明：长白山区沟谷乌拉苔草沼泽湿地的土壤孔隙度小于三江平原乌拉苔草沼泽湿地，容重和体积质量则高于三江平原乌拉苔草沼泽湿地。土壤蓄水能力低于三江平原乌拉苔草沼泽湿地；乌拉苔草发达的根系具有强大的蓄水能力，尤以根鞘的蓄水能力最强，蓄水可以占鲜质量的91.1%~93.72% ，比根系蓄水能力高出2.54%~33.94%。由此得知乌拉苔草沼泽湿地的具有巨大的蓄水能力，是天然的水调节器。通过分析可知其水文物理过程对沼泽湿地对其上游河流具有调节作用，同时还可以保存上游河流生物多样性，以及严重的影响着水面以下化学过程的发生。
关键词：长白山区沟谷；乌拉苔草沼泽湿地；水文物理效应
中图分类号：P343.4 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）06-1274-04
湿地在维护区域生态平衡中具有特殊的功能。在蓄水、调节河川径流、补充地下水和维持区域水平衡中发挥着重要作用。湿地是天然的蓄水库，在时空上可分配不均的降水，通过湿地的吞吐调节，可减轻或避免水旱灾害。以小流域为单元，研究植被建设和土地利用结构调整对水文过程的影响，受到水文研究工作者的广泛重视，很多学者进行了大量研究[1-4]。其共同点是强调了流域植被类型和土地利用结构与水行为要素间的关系[5-6]。国内也开展了类似的研究[7-8]。其基本结论是流域产水量随植被覆盖的减少而增大[9]；而有关沟谷湿地的水文尤其是典型植被湿地的水文物理效应未见报道。研究湿地水文物理过程将会对水土保持、植被建设和土地利用结构调整以及河川径流和区域水循环的研究能够奠定一定的理论基础。因此，本文针对沟谷沼泽典型植物乌拉苔草湿地的水文物理效应进行了研究。
1 自然概况及研究方法
1.1 自然概况
本研究区位于吉林省东部敦化市黄泥河大川，地处东经127°28′至129°13′，北纬42°42′至44°31′。 海拔523.7 m，属中温带湿润气候区。
乌拉苔草（Carex. meyeriana）一般集中生长在长期地表积水，地表有泥炭及草根层的堆积形成，其厚度一般为50~200 cm。适宜的土壤为泥炭沼泽土、泥炭土，呈微酸性反应，pH值为6~7。植被盖度为60%~70%，高40~50 cm。以乌拉苔草为单优势种，常伴生有修氏苔草，二者共同形成草丘，水的化学类型为HCO3-Mg·Ca型。群落的植物种类较多，有18科29种。
1.2 研究方法
1.2.1 技术路线
在乌拉苔草沼泽湿地。2002年6~9月。挖1 m3剖面，根据不同的土壤发育划分为4个层面：表土层(0 cm)、A层（0~30 cm）、B层(30~60 cm)、C层 (60~90 cm)。采用环刀分割法取出土样马上带回实验室测定。
1.2.2 取样与测定方法
土壤容重采用环刀法；土壤体积质量采用容量瓶法。
根与根鞘采用土柱法（monolith method），取体积为：9000 cm3的立柱。在每个地上生物量样方内设一个地下生物量样方，3次重复。带回实验室，用水冲洗干净（无泥、沙砾为止）。然后取立柱中优势种的乌拉苔草的地下部分，分开根和根鞘进行称鲜质量，之后放置于80 ℃的烘干箱中烘干至恒质量。
3 结果与分析
3.1 乌拉苔草沼泽湿地的水文物理性质
从水循环过程来看，湿地的水流动较缓，一般
处于停滞状态，而且积水不深，但是湿地土壤中以及湿地的草根层中存在有大量的水，包括重力水、毛细管水、薄膜水、渗透水等。湿地的水一般来源于大气降水、地表径流和地下水补给，湿地水面蒸发以及植物蒸腾是湿地水支出的主要形式。
表1 三江平原和敦化沟谷湿地土壤水文物理性质比较
Table 1 Comparision between physical properties of Sanjiang
marsh and those of Dunhua riparian wetland
取样深度
/(cm)
体积质量
/(kg·m-3)
容重
/(g·cm-2)
总孔隙度(%)
沼泽类型
0~15（三江平原）
表土层（敦化）
30
60
90
1.890
2.015
2.065
2.375

2.494
0.45
1.002
1.01
1.08
1.18
76.2
50.3
51.1
54.5
52.7
乌拉苔草—小叶章沼泽
乌拉苔草—修氏苔草
注：引自季中淳，七虎林河水文特征，1965；引自陈刚起 三江平原沼泽对河川径流影响的初步探讨

湿地一般发育在负地貌类型中，长期积水，生长着茂密的植物，其下根茎交织，残体堆积。潜育沼泽一般也有几十厘米草根层。草根层疏松多孔，具有很强的持水能力，它能保持大于本身绝对干重的3～5倍的水量。沼泽不仅能储蓄大量水分，还能通过植物蒸腾和水分蒸发，把水分源源不断地送回大气中，从而增加空气湿度，在水的自然循环中起着良好的作用。据实验研究，1 hm2的沼泽在生长季节可蒸发掉7415 t水分。沼泽土的孔隙度很大，多为80%～90%。泥炭土、泥炭沼泽土和腐殖质沼泽土的表层容重和体积质量很小，容重0.1～0.3 Mg·m-3[10]。经采样测定，长白山沟谷型乌拉苔草沼泽湿地土壤的体积质量，表土和各深度均大于2 kg·m-3在2.0～2.5 kg·m-3之间，容重为1.0～1.18，均大于三江平原洪河农场沼泽，总孔隙度为50%～55%之间，却小于三江平原沼泽（表1）。说明长白山区敦化乌拉苔草沼泽湿地土壤比三江平原洪河农场沼泽湿地持水能力小，因此在雨季，该湿地表面很容易积水。且积水量与降雨量直接相关。
土壤容重与孔隙度是反映土壤物理性质的两项重要指标。土壤的土壤容重与孔隙度受土壤发育状况的影响。由于不同表层的枯落物组成及地下根系的生长发育状况、枯落物的分解状况等存在差异,因此造成土壤物理化学性质的差异。土壤非毛管孔隙度则反映了土壤持水能力的大小。从表1看出，三江平原的乌拉苔草沼泽湿地的土壤容重小于长白山沟谷乌拉苔草沼泽湿地土壤；孔隙度大于长白山沟谷乌拉苔草沼泽湿地土壤。说明三江平原乌拉苔草沼泽湿地比长白山沟谷乌拉苔草沼泽湿地具有更强的土壤持水能力。
3.2 乌拉苔草根系持水量
乌拉苔草植物对过湿的土壤和嫌气的环境适应的一种生态学表象为分蘖节分布于地表，每年从分蘖节向上长出新的茎和叶，向下生长不定根，便于从地表获得氧气，随着泥炭的不断堆积其分蘖节不断上移，使植物体免遭埋没，年复一年生长，形成了草丘[11]。形成了根系发达，由根和根鞘组成。且盘根错节、相互交织的复杂的地下器官。
乌拉苔草地下总生物量鲜质量为0.31~0.68 g·cm-3，干物质质量为0.13~0.06 g·cm-3。其根系的含水量为0.18~0.62 g·cm-3，占鲜质量的质量分数为58.06%~91.18%，说明根含水量非常大；根鞘的含水量为0.26~0.62 g·cm-3，占鲜质量的质量分数为91.1%~93.72%，说明根鞘的含水量高与根含水量。说明乌拉苔草根系蓄水量中根鞘所占的比重大（图1）。

图1 乌拉苔草地下生物量各器官鲜质量与干质量之比
Fig. 1 The ratio of fresh weight to dry weight of each fraction
of underground biomass

3.3 乌拉苔草沼泽湿地蓄水与水调节效应
湿地，尤其沼泽湿地，其剖面结构自上而下一般为草根层、腐殖质层或泥炭层、潜育层和母质层（一般为粘土或亚粘土）。草根层、腐殖质层或泥炭层矿质颗粒很少，孔隙较大，具有较强的蓄水和透水能力[12]。三江平原沼泽和沼泽化土壤的草根层和泥炭层，孔隙度为72％～93％，饱和持水量达830%～1030％，最大持水量为400％～600％，它能保持大于其土壤本身质量3～9倍或更高的蓄水量，出水系数值0.5。
三江平原别拉洪河流域的沼泽率高达45％，自然调节系数为0.678，与天然湖泊的调节系数相近。挠力河中游菜嘴子站由于沼泽的作用(沼泽率为32.7％)，夏季洪峰值较上游宝清站(沼泽仅有零星分布)减少了l／2，并使汛期向后推迟。湿地可减缓洪水流速，避免所有洪水在同一时间到达下游，降低下游洪峰水位，减轻洪水危害。并使河溪的水流量比没有湿地时保持更长的时间，所以说湿地是天然流量调节器。
湿地形成、存在的最主要因子和演变的最主要条件是水，自然界和人类活动影响下湿地的水文状况决定了自身的存废兴衰和状态、类型、功能的变化，而这些变化又作用于周围的自然和社会环境。乌拉苔草沼泽湿地土壤的孔隙度在50.3%~54.5%之间，小于三江平原洪河农场沼泽湿地的土壤孔隙度，但也具有较大的调蓄水分功能。乌拉苔草丛根具有较大的蓄水能力，其根鞘和根含水量也较大。因此在雨季降水时，可以通过根丛、根系蓄水，也可以通过土壤的孔隙和草丘间蓄水。在干旱的季节，根丛和根系所含有的水分依然能够保持湿地的水分和湿地环境，起到调节水分的作用。另外乌拉苔草由于有大量草丘的分布，地表粗糙度大，在洪水来临时，可以减缓洪水流速，降低下游洪峰水位，减少洪水灾害。
湿地作为天然水资源库，它不是一个简单的物理系统，而是具有明显代谢特征的有机整体，由此具有特殊的储水、输水、供水及调节功能。湿地植物的正常生长所需要的水分就是植物需水量．其中蒸腾耗水和土壤蒸发，占植物需水量的99％，因而把植物需水量近似理解为植物叶面蒸腾和棵间土壤蒸发的水量之和。所以说，沼泽湿地水文物理效应是沼泽湿地水分和沼泽植被蒸腾散水的循环效应。
4 结果与讨论
水分环境（hydrdogical enviromment）包括水的数量、质量及其时空动态变化过程。本研究的乌拉苔草沼泽湿地季节性积水深度在0~90 cm，在季节空间上形成了独特的生境条件。乌拉苔草完成生长史直接影响着该湿地的积水，对该湿地的形成产生着重要的影响同时也影响着该湿地生物群落的演替。乌拉苔草湿地的积水及其植物本身的蓄水对于上游河流物种种群的生命力是非常必要的，而且由季节性积水是水生演替逐渐向陆生演替过渡，水的连通性的丧失会导致种群的隔离以及鱼类和其他生物的局部灭绝。
如果季节性积水流量的丧失会导致鱼类无法进入湿地或回水区，改变了水生生物的食物网结构，滩涂植被复原能力降低或消失；植被生长的速度减缓。因此，乌拉苔草沼泽湿地土壤本身的水文物理过程延续了这个悲剧的发生，也提醒我们在保护湿地的同时，重视湿地植被本身的水分循环至关重要。
另外，乌拉苔草沼泽湿地在水文物理过程中还进行着化学过程的发生，水面以下形成强还原区，但在水－土界面上常有一氧化薄层。发生于还原环境中的C、N、P、S、Fe、Mn转化的不同状态都影响着这些元素对生态系统所起的作用；乌拉台草植物本身的蒸腾作用也进行着生物化学过程。湿地土壤不仅仅是许多湿地化学转化发生的场所，而且还是许多湿地植物所需的有效化学物质的主要储存地。

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The Hydrologic-physical effects of Carex meyeriana
in the Changbai Mountain valley

XU Huifeng 1, 2, 3, YAN Yanming 3, LIU Xingtu 2, CHEN Jingwen 1
1. School of Environmental and Biological Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;
2. Northeast Institute of Geography and Agricultural Ecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130012, China;
3. Agricultural College, Northeast Agricultural University, Changchun 130012, China

Abstract: The root biomass and hydrologic-physical effects of Carex meyeriana in the Changbai Mountain Valley and Sanjiang Plain were studied. Comparing with the same vegetation in the Sanjiang Plain, the soil porosity in the Changbai Mountain is lower, the bulk weight and volumetric mass are higher, the water holding capacity, however, is lower. The flourishing roots take the responsibility of the higher water holding capacity of Carex meyeriana. The epithelial sheath has higher water holding capacity with 91.1%~93.72%, 2.54%~33.94% higher than that of root. The hydrologic-physical effects of wetland could regulate the flow, maintain the upstream biodiversity, and even influence the chemical reactions underwater.
Key words: Changbai Mountain region; valley mire wetland; Carex meyeriana; hydrologic-physical effects