River morphology simulation and resilient restoration strategies of Yongding River in Beijing
-
摘要:目的 自20世纪80年代断流以来，永定河下游河道被侵占、破坏严重，2019年和2020年永定河实施生态补水工作。本文选取永定河宛平湖至黄良铁路间河段，模拟不同生态流量和洪水脉冲流量设定下河流形态特征，目的是将补水流量变化与河流形态变化联系，为河流生态修复提供科学支撑。方法 （1）运用Tennant法计算永定河下游生态流量，并选取3种不同等级的生态流量作为后续模拟输入；（2）使用CAESAR-Lisflood 模型模拟3种生态流量和4种洪水脉冲流量下的形态特征。结果 （1）模拟得到3种生态流量下河道内年平均水面面积为439.29 ~ 462.74 hm2，水面高度在40 ~ 52 m之间，最大流速为1.49 ~ 2.24 m/s。河道内侵蚀区域面积为52.18 ~ 77.94 hm2，沉积区域为61.70 ~ 101.39 hm2。4种洪水脉冲流量下，河道内年平均水面面积为637.58 ~ 769.25 hm2，水面高度在42 ~ 55 m之间，最大流速在3.92 ~ 5.85 m/s之间。（2）根据不同河段的形态特征，河道内侵蚀/沉积区域范围和5年一遇洪水淹没范围，提出不同河段修复策略，并确定河道内弹性空间范围。结论 在生态补水工作的促进下，研究河段以及整个永定河北京段断流河段的修复应以自然修复为主，人工修复为辅。在生态修复过程中需要预留充足的河流空间，允许河道形态变化，发挥河道自我修复能力。通过长期的、不间断的人工监测和策略调整，逐渐恢复断流区河流生态系统功能及自然河流景观。Abstract:Objective The downstream channel of Yongding River was occupied and damaged seriously after it was dry from the 1980s. Ecological water replenishments were carried out in 2019 and 2020 for river ecological restoration. The reach between Wanping Lake and Huangliang Railway was selected to simulate the river morphology under different ecological flows and pulse flows. This paper aims to couple different flow discharges with the river spatial morphology to provide information for ecological restoration.Method (1) Ecological flow discharges of different habitat conditions were calculated by Tennant method. And three ecological flow discharges and four pulse flow discharges were selected and set as the hydrology inputs for simulation. (2) The river morphology characteristics under flow discharges above were modelled by CAESAR-Lisflood model.Result (1) The simulation results under different ecological flows were: the annual average wetted areas were 439.29−462.74 ha, water surface heights were 40−52 m, the Max. velocities were 1.49−2.24 m/s, the erosion areas were 52.18−77.94 ha, and the deposition areas were 61.70−101.39 ha. The results under different pulse flows were: the wetted areas were 637.58−769.25 ha, water surface height was 42−55 m, and the Max. velocities were 3.92−5.85 m/s. (2) The restoration alternatives were suggested according to the river spatial morphology characteristics. And the erosion/deposion areas and the flooding areas under 5-year return period flood were identified as the resilient space.Conclusion The study reach and the whole dry downstream of Yongding River in Beijing should be ecologically restored by natural recovery and artificial restoration measures under the implementation of ecological water replenishment. It is necessary to make space for nature to heal itself and for river dynamic processes. And it needs long-term monitoring and adaptive management strategies to rebuild the ecosystem function and the natural river landscape in the future.
-
樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）隶属于松科（Pinaceae）松属（Pinus），是欧洲赤松（P. sylvestris）的一个变种，该树种抗旱、耐寒、耐瘠薄、防风固沙、适应性强，能够在降水量低、土壤贫瘠的沙土上顽强生长，是我国北方干旱和半干旱沙区防风固沙和水土保持的重要树种[1-4]。自1964年樟子松在陕西榆林红石峡引种栽培成功后[5]，经过几十年的推广造林，已成为毛乌素沙区防风固沙造林的常用树种，对陕北沙区生态环境的改善发挥了重要作用[6-8]。营建樟子松种子园的主要目的是为造林绿化和林业生产提供遗传和品质优良的种子[6]，随着樟子松母树年龄和树体高度的增加，采种难度也随之增加，树冠中上部的优质种子难以采收，导致种子质量参差不齐，严重影响了种子的产量和质量[9-10]。因此，矮化樟子松母树已成为沙区樟子松种子园亟待解决的技术问题之一，对种子园母树优质高产和科学管理具有重要意义。
关于种子园母树矮化和结实方面的研究，国内外已有大量报道。地中海白松（P. halepensis）[11]、欧洲赤松[12]、火炬松（P. taeda）[13]、辐射松（P. radiate）[14-16]、红松（P. koraiensis）[17-18]、油松（P. tabulaeformis）[19]、长白落叶松（Larix olgensis）[20]、杏仁桉（Eucalyptus regnans）[21]经过修剪、摘心、截冠等矮化处理后，结实量和种子品质均有所提高。洪永辉等[22-23]和谭小梅等[24]对马尾松二代种子园内的61个无性系母树进行截干处理，发现马尾松母树经过处理后分枝角变大，枝下高降低，冠幅增加，侧枝结果率、球果产量和籽粒质量均提高，采种成本大幅度下降。黄开勇等[25]对杉木种子园大龄母树进行截杆矮化处理，发现大多数杉木无性系母树截杆处理后种子产量明显提高，种子质量明显改善。戴俊等[26]研究发现杉木种子园内经截杆处理后的大部分无性系母树种子的发芽率、发芽势和发芽指数明显提高，且用其种子繁殖的子代苗木地径和苗高均显著高于未截杆处理母树种子繁殖的子代苗木。
目前关于樟子松矮化处理方面的研究报道相对较少。王曼[27]研究发现对老龄樟子松母树进行疏枝、截顶、截轮枝3种修剪措施后，樟子松母树结实量下降；王福森等[10]研究发现幼龄樟子松母树截冠矮化处理后，樟子松母树的单果质量和单株结实量分别提高了46.7%和95.5%，种子的质量增加了107%，发芽率和发芽势分别提高了8.1%和3.1%。截冠处理对樟子松壮龄母树结实方面的影响尚未见报道。本试验以榆林市樟子松种子园的壮龄母树为研究对象，对其进行截冠处理，并以相同系号的未截冠樟子松母树作为对照，研究截冠前后球果产量、球果大小、种子产量及质量指标的变化情况，揭示截冠处理对樟子松壮龄母树结实的影响，探索樟子松壮龄母树管理的关键技术，为樟子松种子园壮龄母树的优质高产和科学管理提供基础资料。
1. 材料方法
1.1 试验地概况
研究区设在陕西省榆林市樟子松种子园（109°46′02″ ~ 109°46′30″E、38°09′06″ ~ 38°09′27″N），位于榆林市城南约15.2 km处，地处毛乌素沙地南缘与黄土丘陵区过渡地带，平均海拔1 024 m。该种子园为西北地区最大的樟子松种子园，属温带半干旱大陆性季风气候，园内年平均气温8.1 ~ 10.7 ℃，极端低温− 32.7 ℃，极端高温38.6 ℃，年平均降水量432 mm，降水主要集中于7—9月，蒸发量大于1 900 mm，年平均风速5.1 m/s，最大风速为28.1 m/s。土壤为沙土和盖沙黄土，通透性好，有机质含量低，为0.32% ~ 0.54%，pH值为6.9 ~ 7.6。研究样地内主要植物有角茴香（Hypecoum erectum）、虎尾草（Chloris virgata）、角蒿（Incarvillea sinensis）、沙打旺（Astragalus adsurgens）、醉马草（Achnatherum inebrians）、冰草（Agropyron cristatum）。目前樟子松种子园内有68个无性系母树，主要源自内蒙古红花尔基天然樟子松林和榆林当地。研究区域内有18个樟子松无性系，树龄均为24年，平均胸径17.16 cm，平均冠幅4.69 m，定植密度5.0 m × 5.0 m。
1.2 试验方法
2016年3月8日至3月11日，对研究区内的18个樟子松无性系母树，按照冠幅不超过10 cm、树高不超过20 cm和胸径不超过1.5 cm的标准，每个无性系挑选出6株樟子松母树用于试验，每个无性系随机选取3株母树进行截冠处理，截去顶部3轮枝，余下的轮枝在每枝距离树干2/3处进行拉枝垂吊处理，并以相同无性系未截冠母树作为对照，截冠处理与未截冠处理的母树均采用相同的抚育管理措施，每年进行正常的施肥和人工除草各1次。
2018年11月15日至20日，对樟子松母树所有球果进行采摘，分别装袋标记。对截冠处理和对照组樟子松的单果质量、单株球果质量、单株种子质量、出籽率、球果的长径和短径、种子千粒质量和优良度8个指标进行测定分析，以此研究截冠处理对樟子松壮龄母树结实的影响。
1.3 数据分析
数据采用Excel 2016和DPS 17.1软件进行处理。对截冠处理母树和未截冠处理母树的各项指标进行统计分析，出籽率（SY）、截冠处理母树各指标相对于未截冠处理母树单个无性系的增益值（Gn）及平均增益值（GA）按照如下公式计算。
SY=P/C×100%, (1) 式中：P为单株种子质量，C为单株球果质量。
Gn=(An−Bn)/Bn×100% (2) 式中：An是第n个无性系樟子松母树截冠处理的指标测定值，Bn为第n号无性系母树未截冠处理的指标测定值。
GA=(G1+G2+G3+⋅⋅⋅Gn)/n×100% (3) 式中：G1、G2、G3、···Gn代表第1、2、3···n个无性系的增益值，n为无性系数量。
采用两配对样本t检验法对单果质量、单株球果质量、单株种子质量、出籽率4个产量指标在截冠处理与对照之间的差异进行分析。
2. 结果与分析
2.1 截冠处理对樟子松壮龄母树球果和种子产量的影响
以截冠处理的18个无性系樟子松母树作为一个样本，以未截冠相对应系号樟子松母树作为另一个样本，进行配对t检验，截冠处理母树与未截冠母树各产量指标的t检验结果见表1。从表1可知，截冠处理母树与未截冠处理母树的单果质量和单株球果质量2个产量指标没有显著性差异（P > 0.05），说明截冠处理对单果质量和单株球果质量影响不显著。樟子松母树的单株种子质量和出籽率在截冠处理与对照之间存在显著差异（P < 0.05），说明截冠处理对种子产量具有显著影响。
表 1 截冠处理母树与未截冠母树各产量指标的配对t检验结果Table 1. Comparing sample t-test results on yield index of mother trees under top pruning and non-top pruning产量指标 Yield index 均值 Mean 标准差 Standard deviation t值 t value 自由度 df P值 P value 单果质量 Single cone mass − 1.022 5.286 0.820 17 0.423 3 单株球果质量 Cone mass per tree − 43.41 688.228 0.268 17 0.792 2 单株种子质量 Seed mass per tree − 5.448 10.492 2.203 17 0.041 7 出籽率 Seed-production rate − 0.408 0.595 2.910 17 0.009 8 2.2 截冠处理对樟子松壮龄母树球果产量的增益分析
截冠处理对樟子松壮龄母树的球果产量增益分析见表2。截冠处理后樟子松母树无性系单果质量增益值在− 62.41% ~ 235.04%之间，平均增益值为24.86%。其中10个无性系母树单果质量为正增益（1、6、28、47、29、13、60、46、34、21），其余8个无性系母树单果质量为负增益。樟子松壮龄母树无性系单株球果质量的增益值在− 61.82% ~ 189.47%之间，平均增益值为23.82%。7个无性系母树单株球果质量为正增益（1、6、47、29、60、34、21），11个无性系母树单株球果质量为负增益。从平均增益值来看，截冠后樟子松壮龄母树球果产量呈增长状态，说明截冠在一定程度上能提高樟子松壮龄母树球果产量。
表 2 截冠处理对樟子松壮龄母树的球果产量增益分析Table 2. Gain analysis on cone yield of aged Pinus sylvestris var. mongolica mother trees after top pruning无性系号
Clone No.对照
CK截冠处理
Top pruning treatment单个无性系截冠后球果产量增益值
Gain value of cone yield of single clone after top pruning/%单果质量
Single cone mass/g单株球果质量
Cone mass per tree/g单果质量
Single cone mass/g单株球果质量
Cone mass per tree/g单果质量
Single cone mass单株球果质量
Cone mass per tree51 9.16 541.43 7.88 533.10 − 13.97 − 1.54 11 7.13 374.93 4.53 281.21 − 36.47 − 25.00 5 7.99 1 140.72 7.24 733.75 − 9.39 − 35.68 7 9.28 1 608.56 7.22 1 265.94 − 22.20 − 21.30 1 6.45 1 308.45 21.61 3 527.86 235.04 169.62 53 11.14 1 412.40 7.36 539.27 − 33.93 − 61.82 6 6.09 634.09 9.63 1 085.75 58.13 71.23 28 5.49 693.81 6.31 639.31 14.94 − 7.86 47 5.92 190.58 15.72 456.31 165.54 139.43 29 6.5 1 473.43 10.10 1 750.91 55.38 18.83 13 9.61 1 680.89 11.03 1 659.67 14.78 − 1.26 38 8.61 1 728.75 6.68 1 198.34 − 22.42 − 30.68 60 5.21 585.68 9.10 1 275.45 74.66 117.77 46 6.23 1 508.47 6.32 1 039.56 1.44 − 31.09 30 13.54 1 301.56 5.09 761.10 − 62.41 − 41.52 40 8.29 1 002.52 4.80 526.41 − 42.10 − 47.49 34 9.00 1 560.54 11.47 1 993.02 27.44 27.71 21 4.54 137.91 6.49 399.21 42.95 189.47 平均增益值
Average gain value/ / / / 24.86 23.82 注：“/”代表此项内容不存在。下同。Notes：“/” represents this content non-existents.The same below. 2.3 截冠处理对樟子松壮龄母树种子产量的增益分析
截冠处理对樟子松壮龄母树种子产量的增益分析见表3。截冠处理后樟子松单株种子质量的增益值在− 65.94% ~ 273.26%之间，其中仅有3个樟子松无性系单株种子质量为负增益（28、38、53），其余15个无性系为正增益。种子出籽率也出现了类似的结果，樟子松种子出籽率的增益值在− 39.33% ~191.38%之间，5个无性系母树种子出籽率为负增益（1、30、38、53、60），其余13个无性系为正增益。单株种子质量的平均增益值是81.38%，出籽率的平均增益值是55.94%，说明截冠处理能提高樟子松壮龄母树种子产量。
表 3 截冠处理对樟子松壮龄母树种子产量增益分析Table 3. Gain analysis on seed yield of aged Pinus sylvestris var. mongolica mother trees after top pruning无性系号
Clone No.对照
CK截冠处理
Top pruning treatment单个无性系截冠后种子产量增益值
Gain value of seed yield of single clone after top pruning/%单株种子质量
Seed mass per tree/g出籽率
Seed-production rate/%单株种子质量
Seed mass per tree/g出籽率
Seed-production rate/%单株种子质量
Seed mass per tree出籽率
Seed-production
rate51 5.11 0.94 10.88 2.04 112.92 117.02 11 3.80 1.01 13.14 1.12 245.79 10.89 5 9.19 0.81 16.85 2.30 83.35 183.95 7 22.36 1.39 22.42 1.77 0.27 27.34 1 13.05 1.00 30.61 0.87 134.56 − 13.00 53 15.21 1.08 5.18 0.96 − 65.94 − 11.11 6 4.86 0.77 16.31 1.5 235.6 94.81 28 11.66 1.68 11.04 1.73 − 5.32 2.98 47 4.77 0.6 7.97 1.09 67.09 81.67 29 20.19 1.37 29.48 1.68 46.01 22.63 13 21.36 1.27 33.17 2.00 55.29 57.48 38 41.35 2.39 17.43 1.45 − 57.85 − 39.33 60 8.34 1.42 14.93 1.17 79.02 − 17.61 46 17.26 1.14 19.63 1.89 13.73 65.79 30 16.08 1.24 19.35 1.23 20.34 − 0.81 40 12.98 1.29 19.96 1.89 53.78 46.51 34 9.05 0.58 33.78 1.69 273.26 191.38 21 7.26 0.51 19.82 1.46 173.00 186.27 平均增益值
Average gain value/%/ / / / 81.38 55.94 2.4 截冠处理对樟子松壮龄母树球果大小的影响
截冠处理对樟子松壮龄母树球果大小的影响见表4。从增益值分析可知，截冠后樟子松壮龄母树球果的平均短径增益值在− 29.36% ~ 42.23%之间，平均增益值为− 0.25%，其中有11个无性系为正增益，7个无性系为负增益。截冠后樟子松壮龄母树球果的平均长径增益值在− 31.59% ~ 43.31%之间，平均增益值为1.37%，其中有7个无性系为正增益，11个无性系为负增益。表5为截冠处理与未截冠处理母树的球果大小指标的配对t检验结果，不难看出，截冠处理与对照母树的球果长径和球果短径均无显著差异（P > 0.05），说明截冠对樟子松壮龄母树球果大小的影响不显著。
表 4 截冠处理对樟子松壮龄母树球果大小的影响Table 4. Effects of top pruning on cone size of aged Pinus sylvestris var. mongolica mother trees无性系号
Clone No.对照
CK截冠处理
Top pruning treatment单个无性系截冠后球果大小增益值
Gain value of cone size of single clone after top pruning/%球果短径
Cone short diameter/mm球果长径
Cone long diameter/mm球果短径
Cone short diameter/mm球果长径
Cone long diameter/mm球果短径
Cone short
diameter球果长径
Cone long
diameter51 19.17 ± 0.30 45.77 ± 1.72 19.81 ± 0.39 42.22 ± 1.43 3.34 -7.75 11 18.51 ± 0.16 40.21 ± 1.20 16.10 ± 0.75 35.78 ± 0.30 − 13.00 − 11.02 5 18.69 ± 0.57 42.66 ± 1.42 19.07 ± 0.45 35.84 ± 2.37 2.05 − 15.99 7 20.37 ± 0.62 45.18 ± 1.21 18.44 ± 0.14 43.86 ± 2.65 − 9.46 − 2.92 1 18.51 ± 0.55 35.45 ± 1.23 20.60 ± 0.07 38.31 ± 1.33 11.29 8.07 53 17.34 ± 0.67 47.49 ± 0.12 18.43 ± 0.50 40.58 ± 0.95 6.29 − 14.54 6 20.60 ± 0.07 38.13 ± 1.33 19.73 ± 0.27 45.19 ± 1.61 − 4.22 18.52 28 21.18 ± 0.47 31.94 ± 2.21 17.61 ± 0.22 35.92 ± 1.59 − 16.86 12.45 47 16.28 ± 0.61 40.08 ± 3.85 23.16 ± 0.41 57.44 ± 1.23 42.23 43.31 29 19.02 ± 0.20 35.32 ± 1.49 20.11 ± 0.98 40.80 ± 1.04 5.73 15.53 13 21.91 ± 0.44 43.40 ± 2.69 22.49 ± 0.73 36.11 ± 2.86 2.65 − 16.8 38 23.91 ± 0.46 40.94 ± 1.51 16.89 ± 0.28 34.57 ± 1.73 − 29.36 − 15.56 60 16.58 ± 0.70 29.48 ± 3.56 19.36 ± 0.30 41.77 ± 2.52 16.74 41.71 46 17.33 ± 0.41 40.45 ± 2.75 17.68 ± 0.51 37.08 ± 1.31 2.02 − 8.34 30 16.58 ± 1.21 51.69 ± 2.73 17.66 ± 0.43 35.36 ± 2.29 6.51 − 31.59 40 20.65 ± 0.17 36.50 ± 1.99 16.14 ± 0.88 35.50 ± 0.86 − 21.83 − 2.74 34 20.68 ± 0.29 42.58 ± 1.81 22.60 ± 0.48 52.22 ± 1.77 9.27 22.64 21 21.94 ± 0.39 33.54 ± 2.12 18.01 ± 0.30 32.80 ± 0.50 − 17.9 − 2.22 平均增益值
Average gain value/ / / / − 0.25 1.37 表 5 截冠处理母树与未截冠母树球果大小指标的配对t检验结果Table 5. Comparing sample t-test results on cone size index of mother trees under top pruning and non-top pruning球果大小指标 Cone size index 均值 Mean 标准差 Standard deviation t值 t value 自由度 df P值 P value 球果短径 Cone short diameter 0.297 8 3.201 0.395 17 0.698 0 球果长径 Cone long diameter − 0.030 0 8.227 0.016 17 0.987 8 2.5 截冠处理对樟子松壮龄母树种子质量的影响
截冠处理对樟子松壮龄母树种子质量的影响见表6，对增益值进行分析可知，樟子松母树无性系截冠后种子千粒质量增益值范围为− 41.8% ~ 68.60%，平均增益值为7.43%，其中仅有6个负增益（5、7、11、28、38、51），其余12个都为正增益；单个无性系截冠后种子优良度增益值为6.25% ~ 45.00%之间，平均增益值为24.96%，且优良度增益全为正增益。截冠处理母树与未截冠母树的种子质量指标的配对t检验结果（见表7），截冠处理母树与对照母树种子千粒质量无显著差异（P > 0.05），截冠处理与对照母树种子优良度有显著差异（P < 0.05），截冠处理对种子千粒质量无明显影响，对种子优良度有明显影响。说明截冠处理可以提高樟子松母树种子质量。
表 6 截冠处理对樟子松壮龄母树种子质量的影响Table 6. Effects of top pruning on seed quality of aged Pinus sylvestris var. mongolica mother trees无性系号
Clone No.对照
CK截冠处理
Top pruning treatment单个无性系截冠后种子质量增益值
Gain value of seed quality of single clone after top pruning/%种子千粒质量
Thousand seed mass/g优良度
Seed soundness /%种子千粒质量
Thousand seed mass/g优良度
Seed soundness/%种子千粒质量
Thousand seed
mass优良度
Seed soundness51 10.48 ± 0.02 45 ± 1.28 8.72 ± 0.02 54 ± 1.56 − 16.79 20.00 11 9.45 ± 0.07 48 ± 1.35 7.95 ± 0.04 55 ± 1.78 − 15.87 14.58 5 7.89 ± 0.04 55 ± 1.02 7.04 ± 0.04 62 ± 1.87 − 10.77 12.73 7 8.36 ± 0.06 54 ± 1.32 6.11 ± 0.07 67 ± 1.71 − 26.91 24.07 1 9.10 ± 0.08 44 ± 1.09 13.2 ± 0.03 57 ± 2.43 45.05 29.55 53 7.04 ± 0.08 49 ± 1.43 9.57 ± 0.01 62 ± 2.10 35.94 26.53 6 7.42 ± 0.06 55 ± 1.52 8.50 ± 0.04 61 ± 1.37 14.56 10.91 28 7.56 ± 0.13 47 ± 1.76 4.40 ± 0.04 57 ± 1.56 − 41.80 21.28 47 7.62 ± 0.05 38 ± 1.24 9.86 ± 0.01 53 ± 1.62 29.40 39.47 29 5.86 ± 0.06 40 ± 1.31 9.88 ± 0.02 58 ± 2.02 68.60 45.00 13 8.83 ± 0.03 51 ± 1.27 11.13 ± 0.03 61 ± 1.74 26.05 19.61 38 9.73 ± 0.03 48 ± 1.42 7.39 ± 0.06 51 ± 2.48 − 24.05 6.25 60 7.18 ± 0.08 38 ± 1.24 7.90 ± 0.03 50 ± 1.91 10.03 31.58 46 8.85 ± 0.11 41 ± 1.44 8.96 ± 0.02 53 ± 2.13 1.24 29.27 30 7.96 ± 0.03 39 ± 1.09 8.03 ± 0.02 53 ± 1.53 0.88 35.90 40 7.75 ± 0.03 53 ± 1.53 8.86 ± 0.01 59 ± 1.41 14.32 11.32 34 6.41 ± 0.06 47 ± 1.43 7.69 ± 0.04 66 ± 2.66 19.97 40.43 21 7.84 ± 0.03 52 ± 1.47 8.15 ± 0.03 68 ± 1.73 3.95 30.77 平均增益值
Average gain value/ / / / 7.43 24.96 表 7 截冠处理与未截冠母树种子质量指标的配对t检验结果Table 7. Comparing sample t-test results on seed quality index of mother trees under top pruning and non-top pruning种子质量指标 Seed quality index 均值 Mean 标准差 Standard deviation t值 t value 自由度 df P值 P value 种子千粒质量 Thousand seed mass − 0.445 2.133 0.885 17 0.388 5 种子优良度 Seed soundness − 11.278 4.390 10.900 17 0.000 1 3. 讨 论
樟子松无性系种子园母树的矮化技术，既能降低樟子松母树结实高度便于球果采集，又能促进樟子松结实和提高种子的产量和质量，近年来成为种子园母树科学经营管理的研究热点[10,28-29]。本研究对樟子松种子园18个无性系壮龄母树进行截冠处理，发现截冠处理母树和未截冠处理母树的单果质量和单株球果质量的统计学未达到显著水平，但二者的增益值分别达24.84%和23.82%，说明截冠在一定程度上能提高樟子松壮龄母树球果产量；这和辐射松[14]、油松[19]、大龄杉木[25]的研究结果一致。本研究发现，樟子松壮龄母树截冠处理后单株种子质量和种子出籽率明显提高，平均增益值分别达81.38%、55.94%，配对t检验显示差异显著，说明截冠处理对种子产量有明显促进作用。这和幼龄樟子松[10]、红松[18]、油松[19]、大龄杉木[25]、马尾松[30]的研究结果一致。一般来说，截冠处理消除了顶端优势，营养物质向母树中下部运输，同时冠幅增加，通风透光条件得到改善，树势增强，从而提高了母树的产量。
目前关于樟子松矮化处理和种子结实方面的研究报道不多。王福森等[10]研究发现截冠处理后樟子松母树的单果质量增加了46.7%，单株结实量增加了95.5%，种子产量增加了1.07倍。本研究发现截冠处理后樟子松母树的单果质量、单株结实量和种子的产量增加值均低于王福森等[10]的研究结果。原因可能是前者的试验研究区位于黑龙江省龙江县错海林场，降水量相对较高、蒸发量相对低；而本研究的试验区域位于毛乌素沙地，降雨量少、蒸发量大[31]，生长环境较前者相对恶劣；另一个原因可能是，前者在幼龄期对樟子松母树进行截冠处理，而本研究是壮龄期对樟子松母树进行截冠处理，幼龄樟子松的恢复能力比壮龄樟子松的恢复能力强。这和王玉光等[18]的研究结果一致，即红松母树在幼龄截干矮化后结实量比在壮龄期截干矮化结实量大。本研究发现截冠处理后12个无性系母树种子千粒质量增加，全部无性系母树种子优良度提高，说明截冠处理能明显提高樟子松母树的种子优良度和种子质量。这和王福森等[10]对幼龄樟子松母树的研究结果一致。
截冠处理对松科和杉科（Taxodiaceae）树种球果大小的影响的研究报道较少。谭小梅等[24]研究发现马尾松经截冠处理后球果的长径和短径分别增加了8.02%和7.44%。黄开勇等[25]研究发现，截冠处理对杉木球果大小有一定影响，对球果长径和球果短径在同一无性系之间影响一致。本研究发现，截冠处理对樟子松母树球果大小也有一定的影响，但对球果长径和球果短径在同一无性系之间影响不一致。分析原因可能是不同树种的生物学特性导致的差异，或者是截冠处理影响了球果长径和短径的变化，具体原因需进一步研究。
樟子松壮龄母树截干后单果质量、单株球果质量、单株种子质量、出籽率和种子千粒质量5个指标，在不同无性系之间差异较大，不同指标间规律性不强，原因可能是樟子松不同无性系截冠处理后表现不同，也可能是截冠处理选择样本的重复数过少造成的，具体原因尚需进一步探索。本研究还发现7个无性系（1、6、21、28、34、47、60）母树的单果质量和单株球果质量增益值均为正值，8个无性系（5、7、11、28、30、40、51、53）母树的单果质量和单株球果质量增益值均为负值。在今后的研究中，根据本试验的研究结果分别对截冠处理后单果质量和单株球果质量增益值为正值和负值的母树进行挑选，重新配置样地，然后进行截冠处理，同时增加无性系母树的重复株数，以此得到更为科学客观的结果。
值得一提的是，对于樟子松种子园壮龄母树来说，经过多次截冠处理来降低母树高度，不一定符合生产实际，主要原因是多次截干处理会造成樟子松树势衰弱，病虫害频发等问题[6,10]，此外也增加了成本。在实际的樟子松种子园经营管理中，最好的方法是对壮龄母树一次截冠使其降低到合理高度，且截冠处理以后要对樟子松母树进行科学和精心的管护。因此，樟子松母树截冠处理后，对其进行4个方向的拉枝垂吊处理，改变枝条的生长方向，缓和枝条长势，建立良好的冠形结构。这样处理会增加樟子松母树的空间利用率，改善母树的光照条件，增加樟子松对病虫害的抵抗能力，也可以促进花芽分化，增加有效结实部位，同时促进营养物质在树体合理分配，提高结实的产量和种子质量。
4. 结 论
对种子园18个无性系樟子松壮龄母树进行截冠处理，对比分析截冠处理和未截冠处理对樟子松壮龄母树球果产量、种子产量、球果大小及种子质量的影响，主要结论如下：
（1）截冠处理对母树单果质量和单株球果质量2个指标影响不显著，其平均增益值分别达24.84%和23.82%；说明截冠处理在一定程度上能提高樟子松壮龄母树球果产量。截冠处理对母树单株种子质量和种子出籽率有明显影响，说明截冠处理能明显提高樟子松壮龄母树种子产量。截冠处理对球果长和短径均无明显影响，截冠处理对樟子松壮龄母树球果大小影响不显著。
（2）截冠处理后大部分无性系母树种子千粒质量为正增益，全部无性系母树种子优良度为正增益。说明截冠处理可以提高樟子松壮龄母树种子质量。总之，本研究证明截冠可以提高樟子松壮龄母树产量和种子质量。
-
![]()
图 2 3种情景下7月份水面范围与水深分布
Figure 2. Water depth distribution under three scenarios in July
![]()
图 3 3种情景下研究河段平均水面高度分布
Figure 3. Average water surface height distribution under three scenarios
![]()
图 4 3种情景下研究河段7月份流速分布
Figure 4. Velocity distribution and Max. velocity under three scenarios
![]()
图 6 不同期洪水脉冲流量下水面范围及水深分布
Figure 6. Water depth distribution under different pulse flow discharges
![]()
图 7 不同期洪水脉冲流量下研究河段平均水面高度分布
Figure 7. Average water surface height distribution under different pulse flow discharges
![]()
图 8 不同洪水脉冲流量下流速分布
Figure 8. Velocity distribution under different pulse flow discharges
表 1 Tennant法中河流水生栖息地状态与年平均流量关系
Table 1 Ecological flow of the study area relations between aquatic habitat condition and mean annual flow described by the Tennant method for river
水生栖息地状态
Aquatic habitat condition for river4—9月年平均
流量百分比
Percentage of mean annual flow from
April to September/%10月—次年3月年
平均流量百分比
Percentage of mean annual flow
from October to March/%脉冲/最大
Flushing flow/Max.200 200 最佳范围
Optimum range60 ~ 100 60 ~ 100 极好 Outstanding 60 40 好 Excellent 50 30 较好 Good 40 20 一般 Fair 30 10 较差 Poor 10 10 严重退化
Severe degradation< 10 < 10 
下载: 导出CSV
表 2 研究区生态流量计算结果
Table 2 Ecological flow of the study area
栖息地状态
Aquatic habitat condition各月份生态流量值 Monthly ecological flow/(m3·s−1) 总量/亿m3
Total discharge/
108 m31月
Jan.2月
Feb.3月
Mar.4月
Apr.5月
May6月
Jun.7月
Jul.8月
Aug.9月
Sep.10月
Oct.11月
Nov.12月
Dec.极好 Outstanding 7.04 7.82 28.24 23.80 8.97 17.12 78.85 56.36 31.07 13.78 10.23 8.03 7.72 好 Excellent 5.28 5.87 21.18 19.83 7.48 14.27 65.71 46.97 25.90 10.33 7.67 6.02 6.27 较好 Good 3.52 3.91 14.12 15.86 5.98 11.42 52.56 37.57 20.72 6.89 5.11 4.01 4.81 一般 Fair 1.76 1.96 7.06 11.90 4.49 8.56 39.42 28.18 15.54 3.44 2.56 2.01 3.36 较差 Poor 1.76 1.96 7.06 3.97 1.50 2.85 13.14 9.39 5.18 3.44 2.56 2.01 1.45 月平均流量(1920—1951年)
Mean monthly flow (1920−1951)17.59 19.56 70.61 39.66 14.95 28.54 131.41 93.93 51.79 34.44 25.57 20.07 14.53
下载: 导出CSV
表 3 模拟流量输入设定
Table 3 Flow discharge inputs for simulations
模拟情景 Simulation scenario 流量设定 Flow discharge input 长期模拟
Lomg-term modeling好状态对应流量 Discharge of excellent condition 丰水期50%，枯水期30% 50% in wet season, 30% in dry season 一般状态对应流量 Discharge of fair condition 丰水期30%，枯水期10% 30% in wet season, 10% in dry season 较差状态对应流量 Discharge of poor condition 丰水期10%，枯水期10% 10% in wet season, 10% in dry season 短期模拟
Short-term modeling1年一遇 1-year return period flood 130 m3/s 2年一遇 2-year return period flood 190 m3/s 3年一遇 3-year return period flood 380 m3/s 5年一遇 5-year return period flood 820 m3/s
下载: 导出CSV
表 4 3种情景下研究区水面面积
Table 4 Water surface area under the three scenarios
水面面积/hm2
Water surface area/haS1
(好 Excellent)S2
(一般 Fair)S3
(较差 Poor)全年平均水面面积
Annual average water
surface area439.35 439.29 462.74 最大水面面积
Max. water surface area531.70 518.92 501.82 最小水面面积
Min. water surface area404.37 414.20 442.06 差值 Difference 127.33 104.72 59.76
下载: 导出CSV
表 5 3种情景下河流动态变化过程中发生侵蚀、沉积的范围 hm2
Table 5 Erosion and deposition areas in the three scenarios
ha 项目
ItemS1
(好 Excellent)S2
(一般Fair)S3
(较差 Poor)侵蚀区域 Erosion area 77.94 65.91 52.18 沉积区域 Deposition area 101.39 86.52 61.70
下载: 导出CSV
表 6 不同洪水脉冲流量下研究区水面面积分布统计
Table 6 Wetted area under different pulse flow discharges
项目
Item1年一遇
1-year return period2年一遇
2-year return period3年一遇
3-year return period5年一遇
5-year return period水面面积/hm2 Water surface area/ha 637.58 651.58 705.38 769.25
下载: 导出CSV
表 7 流速及护岸材质类型
Table 7 Channel velocity and suggested bank materials
流速 Flow velocity/(m·s−1) 护岸类型 Riverbank type 备注 Note < 0.5 自然状态 Natural bank 种植各类湿生植物均可 Planted with riparian vegetation 1 草坪、芦苇等 Grasses and reeds, etc 覆盖率70%以上 > 70% coverage 2 草坪及灌木 Grasses and shrubs 耐水湿灌木 Riparian shrubs 3 生态袋等柔性材料 Biodegradable geotextiles 生态袋、抛石等 Geotextile erosion control bags or stone 4 石笼、竹笼等 Stone or bamboo cages, etc 可种植灌木 Resprouting shrubs > 5 硬质护岸 Concrete revetments 混凝土坡框较好 Concrete frame 注：此表引自参考文献[38]。Note: this table is cited from reference [38].
下载: 导出CSV
-
[1] Belletti B, Nardi L, Rinaldi M, et al. Assessing restoration effects on river hydromorphology using the process-based morphological quality index in eight European river reaches[J]. Environmental Management, 2018, 61: 69−84.
[2] 王文君, 黄道明. 国内外河流生态修复研究进展[J]. 水生态学杂志, 2012, 33 (4):142−146. Wang W J, Huang D M. Research progress of river restoration research at home and abroad[J]. Journal of Hydroecology, 2012, 33 (4): 142−146.
[3] Sear D A. River restoration and geomorphology[J]. Aquatic Conservation: Marine and Freshwater Ecosystems, 1994, 4: 169−177. doi: 10.1002/aqc.3270040207
[4] Karr J R. Defining and measuring river health[J]. Freshwater Biology, 1999, 41(2): 221−234. doi: 10.1046/j.1365-2427.1999.00427.x
[5] Vietz G J, Finlayson B L. Geomorphological effects of flow alteration on rivers[M]//Horne A C, Webb J A, Stewardson M J, et al. Water for the environment: from policy and science to implementation and management. New York: Academic Press, 2017: 83−100.
[6] Poff N L, Allan J D, Bain M B, et al. The natural flow regime[J]. BioScience, 1997, 47: 769−784. doi: 10.2307/1313099
[7] Molnar P, Burlando P, Wolfgang R. Integrated catchment assessment of riverine landscape dynamics[J]. Aquatic Sciences, 2002, 64: 129−140. doi: 10.1007/s00027-002-8061-1
[8] Poff N L, Richter B D, Arthington A H, et al. The ecological limits of hydrologic alteration (ELOHA): a new framework for developing regional environmental flow standards[J]. Freshwater Biology, 2010, 55(1): 147−170. doi: 10.1111/j.1365-2427.2009.02204.x
[9] Lytle D H, Poff N L. Adaptation to natural flow regimes[J]. Trends in Ecology and Evolution, 2004, 19: 94−100. doi: 10.1016/j.tree.2003.10.002
[10] Richter B D, Thomas G A. Restoring environmental flows by modifying dam operations[J]. Ecology and Society, 2007, 12(1): 12. doi: 10.5751/ES-02014-120112
[11] Arthington A H, Naiman R J, McClain M E, et al. Preserving the biodiversity and ecological services of rivers: new challenges and research opportunities[J]. Freshwater Biology, 2010, 55(1): 1−16. doi: 10.1111/j.1365-2427.2009.02340.x
[12] 张君伟, 万超, 杜志国, 等. 永定河生态用水保障机制研究[J]. 北京水务, 2020(5):1−4. Zhang J W, Wan C, Du Z G, et al. Study on the protection mechanism of ecological water usage of Yongding River[J]. Beijing Water, 2020(5): 1−4.
[13] 董哲仁, 孙东亚, 王俊娜, 等. 河流生态学相关交叉学科进展[J]. 水利水电技术, 2009, 40(8):36−43. doi: 10.3969/j.issn.1000-0860.2009.08.010 Dong Z R, Sun D Y, Wang J N, et al. Progresses of interdisciplines to river ecology[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2009, 40(8): 36−43. doi: 10.3969/j.issn.1000-0860.2009.08.010
[14] 董哲仁, 张晶, 赵进勇. 环境流理论进展述评[J]. 水利学报, 2017, 48(6):670−677. Dong Z R, Zhang J, Zhao J Y. Comments upon progress of environmental flows assessments[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2017, 48(6): 670−677.
[15] 杨志峰, 崔保山, 孙涛, 等. 湿地生态需水机理、模型和配置[M]. 北京: 科学出版社, 2012. Yang Z F, Cui B S, Sun T, et al. Mechanism, model and allocation of ecological water requirement for wetlands[M]. Beijing: Science Press, 2012.
[16] Tharme R E. A global perspective on environmental flow assessment: emerging trends in the development and application of environmental flow methodologies for rivers[J]. River Research and Applications, 2003, 19(5−6): 397−441. doi: 10.1002/rra.736
[17] Tennant D L. Instream flow regimens for fish, wildlife, recreation and related environmental resources[J]. Fisheries, 1976, 1(4): 6−10. doi: 10.1577/1548-8446(1976)001<0006:IFRFFW>2.0.CO;2
[18] Mosley M P. Flow requirements for recreation and wildlife in New Zealand rivers: a review[J]. Journal of Hydrology, 1983, 22(2): 152−174.
[19] 吕孙云, 许银山, 兰岚, 等. 基于优化-模拟技术的生态库容研究[J]. 水科学进展, 2013, 24(3):402−409. Lü S Y, Xu Y S, Lan L, et al. Study of ecological storage based on optimization simulation technique[J]. Advances in Water Science, 2013, 24(3): 402−409.
[20] 雍婷, 许银山, 梅亚东. 基于生态流量要求的调度图优化及生态库容研究[J]. 水力发电学报, 2013, 32(1):89−95. Yong T, Xu Y S, Mei Y D. Study on optimization of operation curve and ecological storage based on ecological flow demand[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2013, 32(1): 89−95.
[21] 张士锋, 刘晓菲, 李瑞, 等. 永定河北京段生态需水量研究[J/OL]. 水资源研究, 2016(2): 108−119 [2020−03−03]. http://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=668952103. Zhang S F, Liu X F, Li R, et al. Study on environmental flow in Beijing section of Yongding River [J/OL]. Journal of Water Resources Research, 2016 (2): 108−119 [2020−03−03]. http://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=668952103.
[22] 顾斌杰, 王富世, 宋磊, 等. 永定河官厅山峡生态需水量计算及配置方案研究[J]. 北京水务, 2017(2):12−18. doi: 10.3969/j.issn.1673-4637.2017.02.004 Gu B J, Wang F S, Song L, et al. Calculation and configuration of ecological water requirements for Yongding River Guanting Gorge[J]. Beijing Water, 2017(2): 12−18. doi: 10.3969/j.issn.1673-4637.2017.02.004
[23] Li C W, Kang L. A new modified Tennant method with spatial-temporal variability[J]. Water Resource Management, 2014, 28: 4911−4926. doi: 10.1007/s11269-014-0746-4
[24] 董哲仁, 张晶, 赵进勇. 生态流量的科学内涵[J]. 中国水利, 2020(15):15−19. doi: 10.3969/j.issn.1000-1123.2020.15.007 Dong Z R, Zhang J, Zhao J Y. Scientific connotation of ecological flow[J]. China Water Resources, 2020(15): 15−19. doi: 10.3969/j.issn.1000-1123.2020.15.007
[25] 中央人民政府水利部水文局. 华北区水文资料海河流域永定河水系水位、气象(1912—1949年)[R]. 北京: 中央人民政府水利部水文局, 1954. Ministry of Water Resources Hydrographic Office of Central People’s Government. Water level and weather hydrological data in 1912−1949 of Yongding River System in Haihe River Basin[R]. Beijing: Ministry of Water Resource Hydrographic office of Central People’s Government, 1954.
[26] 中央人民政府水利部水文局. 华北区水文资料海河流域永定河水系流量、含沙量(1918—1949)[R]. 北京: 中央人民政府水利部水文局, 1954. Ministry of Water Resources Hydrographic Office of Central People’s Government. Flow and sediment concentration data in 1918−1949 of Yongding River System in Haihe River Basin[R]. Beijing: Ministry of Water Resource Hydrographic Office of Central People’s Government, 1954.
[27] Junk W J, Bayley P B, Sparks R E. The flood pulse concept in river-floodplain systems[J]. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 1989, 106: 110−127.
[28] Death R G, Fuller I C, Macklin M G. Resetting the river template: the potential for climate-related extreme floods to transform river geomorphology and ecology[J]. Freshwater Biology, 2015, 60(12): 2477−2496. doi: 10.1111/fwb.12639
[29] Talbot C J, Bennett E M, Cassell K, et al. The impact of flooding on aquatic ecosystem services[J]. Biogeochemistry, 2018, 141: 439−461. doi: 10.1007/s10533-018-0449-7
[30] 潘安君. 永定河“以水开路、用水引路”生态补水探索[J]. 北京水务, 2020(3):1−3. Pan A J. Ecological water replenishment in Yongding River[J]. Beijing Water, 2020(3): 1−3.
[31] Coulthard T J, Hicks D M, van de Wiel M J. Cellular modelling of river catchments and reaches: advantages, limitations and prospects[J]. Geomorphology, 2007, 90: 192−207. doi: 10.1016/j.geomorph.2006.10.030
[32] Coulthard T J, Neal J C, Bates P D, et al. Integrating the LISFLOOD-FP 2D hydrodynamic model with the CAESAR model implications for modelling landscape evolution[J]. Earth Surface Processes and Landform, 2013, 38(15): 1897−1906. doi: 10.1002/esp.3478
[33] Coulthard T J, van de Wiel M J. Quantifying fluvial non linearity and finding self organized criticality? Insights from simulations of river basin evolution[J]. Geomorphology, 2007, 91(3−4): 216−235. doi: 10.1016/j.geomorph.2007.04.011
[34] 谢军, 汪明, 刘凯. 震后极端降雨下流域产沙及物质运移规律模拟: 以四川省洪溪河流域为例[J]. 水土保持研究, 2019, 26(1):1−7. Xie J, Wang M, Liu K. Material migration patterns of basin after earthquake under extreme rainfall: a case study on Hongxi Basin of Sichuan Province[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2019, 26(1): 1−7.
[35] Coulthard T J, Macklin M G, Kirkby M J. A cellular model of Holocene upland river basin and alluvial fan evolution[J]. Earth Surface Processes and Landforms, 2002, 27: 269−288. doi: 10.1002/esp.318
[36] van de Wiel M J, Coulthard T J, Macklin M G, et al. Embedding reach-scale fluvial dynamics within the CAESAR cellular automaton landscape evolution model[J]. Geomorphology, 2007, 90: 283−301. doi: 10.1016/j.geomorph.2006.10.024
[37] Beechie T J, Sear D A, Olden J D, et al. Process-based principles for restoring river ecosystems[J]. BioScience, 2010, 60(3): 209−222. doi: 10.1525/bio.2010.60.3.7
[38] 刘毅, 朱晨东, 李其军. 生态型河流护岸工程指南[Z]. 日本河边整备中心(北京水利协会内部资料), 2003: 31. Liu Y, Zhu C D, Li Q J. Guidelines for ecological riverbank engineering[Z]. Japan River Restoration Center (internal files of Beijing Hydraulic Engineering Society), 2003: 31.
-
期刊类型引用(6)
1. 林秀云，孙圆，刘晨曦，姚睿涵，周春国，曹林，曹福亮. 依据地面激光扫描数据的杉木材积建模与造材. 东北林业大学学报. 2022(01): 33-39 . 
百度学术
2. 李沛婷，赵庆展，田文忠，马永建. 结合无人机载LiDAR点云法向量的K-means++聚类精简. 国土资源遥感. 2020(02): 103-110 . 百度学术
3. 程子阳，任国全，张银. 扫描线段特征用于三维点云地面分割. 光电工程. 2019(07): 111-120 . 百度学术
4. 蔡越，徐文兵，梁丹，邓愫愫，李翀. 基于激光回波强度判别毛竹年龄. 中国激光. 2018(01): 272-280 . 百度学术
5. 曾碧，黄文. 一种融合多特征聚类集成的室内点云分割方法. 计算机工程. 2018(03): 281-286 . 百度学术
6. 田青华，白瑞林，李杜. 基于改进欧氏聚类的散乱工件点云分割. 激光与光电子学进展. 2017(12): 316-324 . 百度学术
其他类型引用(7)
计量
- 文章访问数: 1943
- HTML全文浏览量: 587
- PDF下载量: 127
- 被引次数: 13
