盐沼植物种子和植株与水沙运动相互作用研究

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河口潮滩湿地位于陆地、河流与海洋的交界处,该区域具有多种经济功能与生态功能,包括抵御风暴潮灾害、净化污染物和为濒危物种提供合适的栖息环境等。近年来,基于自然生态的潮滩修复工程越来越受到关注,盐沼植物作为修复工程的主体,其在潮滩水动力及沉积物环境的成长史贯穿河口潮滩发育、发展始末。因此,对于盐沼植物生长史关键阶段与水动力和沉积物环境相互影响的充分研究,不仅是了解盐沼植物生长史的基础,也是自然生态潮滩修复工程的理论基础。本文以崇明东滩本地优势先锋物种海三棱藨草(Scirpus mariqueter)为研究对象,研究了其个体发育两个重要阶段,即未萌发的种子和有茎、根、叶的植物与水动力(波浪、水流)和沉积物相互运动的过程与控制机制。通过基于光滑粒子流体力学法(Smoothed Particle Hydrodynamics)模型来构建海三棱藨草种子及具有柔性的茎的植物在水动力环境和沉积物环境的模型,归纳得到海三棱藨草种子在波浪环境以及波浪-沉积物环境中其定植阶段水平和垂直方向扩散活动的特点,分析了影响其扩散活动的原因并给出建议海三棱藨草种子在沉积物中的埋藏深度;并分析了海三棱藨草柔性植物在波流共同作用下柔性盐沼植物对水动力环境的影响。不仅为盐沼植物各发育阶段与水动力环境和沉积物环境相互影响提供了基础的认识,也为基于自然环境的潮滩修复工程提供了理论依据。得到的核心认识如下:1.阐明未萌发的海三棱藨草种子,在离岸方向和沿岸方向上的扩散距离与波高呈高度正相关,与水深和种子所处高程呈负相关;当波致切应力达到0.26Pa,未萌发的海三棱藨草种子在两方向上发生扩散距离突变。研究了波高对未萌发的海三棱藨草种子的影响,发现种子扩散距离随着波高增大呈增大趋势,当波致切应力达到0.26 Pa时,种子扩散距离发生突然增加,约70%的种子扩散距离发生在这一波致切应力下;对于水深对未萌发的海三棱藨草种子的影响,种子扩散距离随水深的增大呈现先略有增大后减小,这可能与种子与水深的相对水深有关;对于种源所处高程对未萌发的海三棱藨草种子的影响,种子扩散距离总体上随种子高程增大而减小,种子高程位于2.3 m处种子扩散距离产生小幅度的波动,在不同种源高程处的海三棱藨草种子,其扩散距离受到波高和水深变化的双重影响。2.确定了在波浪作用下,未萌发的海三棱藨草种子与沉积物相互作用过程中种子运动规律;给出在特定条件下未萌发的海三棱藨草种子于沉积物中深度为5~10 cm,该情况下最有利于种子扩散。当未萌发的海三棱藨草种子置于沉积物表层,两者相互作用的过程大致可以分为3个过程:种子短暂上浮;在上浮的过程中,当种子完全浮于沉积物表面之后,在自身重力的作用下,迅速没入沉积物中;随着沉积物运动状态的改变,由床沙转变为悬沙时,因沉积物和海三棱藨草种子自身重力和两者紊动扩散的相互作用,种子开始进行扩散活动。当未萌发的海三棱藨草种子完全埋藏于沉积物中,两者的运动状态呈现“成团”和“不稳定”两个特点。另外,尝试给出当未萌发的海三棱藨草种子大部分置于沉积物表层,小部分埋藏于沉积物(埋藏深度为5~10 cm)中,即未萌发的种子多为初次扩散后落于潮滩时,利于沉积物存在情况下未萌发的海三棱藨草种子扩散。3.揭示波高增大80%,水面和植物粗糙高度处紊动增强,最大分别达到23.2%和16.3%,植物区内部横向紊动强度减弱可达2.5倍;植被前沿为减缓水流的主要区域;完全淹没植被带前约一个相邻茎秆间距位置处出现涡旋。植被前沿引起的水流阻力至少为植被带及植被带后方引起的水流阻力的4倍。随着波高增大,水动力增强,柔性盐沼植物弯曲程度变大,植物高度方向上倒伏点和水流转向出现的位置越来越靠近地面,从植物高度70%处下降到植物高度30%处;沿程方向紊动强度在水面和植物粗糙高度上均有增大,分别为23.2%和16.3%,且植物顶端摆动幅度周期化。流速增大,盐沼植物处于半淹没状态时,植被前沿“壅水”现象不再明显;植被带处于半淹没状态时,流速较小情况下植物受到雷诺切应力变化较大;而植被带处于完全淹没状态时,流速较大情况下植物受到的雷诺切应力变化较大。植被带处于完全淹没状态下,植被带内出现“上升流”;波浪增大,植被前沿约1个相邻茎秆间距范围内,涡旋的尺寸增加了60%的植株株高,发生位置下移20%的植株株高。
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