胡 波，張平倉，任紅玉，羅慧敏，岑 奕

（長江科學院水土保持研究所，武漢 430010）

三峽庫區(qū)消落帶植被生態(tài)學特征分析

胡 波，張平倉，任紅玉，羅慧敏，岑 奕

（長江科學院水土保持研究所，武漢 430010）

以重慶忠縣石寶寨三峽庫區(qū)消落帶為典型案例區(qū)，探討了庫區(qū)消落帶生物多樣性指數(shù)沿坡面的梯級分布格局，并通過典范對應分析探討消落帶植被生態(tài)學特征與環(huán)境要素的關聯(lián)，界定三峽大壩低水位階段影響消落帶植被生態(tài)學特征與恢復能力的關鍵環(huán)境因子。相關研究結果表明：庫區(qū)消落帶植被的生物多樣性指數(shù)隨坡面高程變化呈現(xiàn)一定的空間異質性；消落帶植被的分布與土壤物性、河邊距以及海拔等環(huán)境要素具有一定的關聯(lián)。

三峽大壩；消落帶；生態(tài)特征；生物多樣性指數(shù)；典范對應分析

由于三峽大壩“蓄清排渾”的運行調度模式引起年內30 m的水位落差，從而在三峽庫區(qū)形成面積為348.93 km2的消落帶，由此成為目前我國面積最大的水庫消落帶，也是我國少數(shù)幾個水位漲落違反河流自然洪枯規(guī)律的水庫消落帶之一［1］。消落帶具有獨特的地理特征和功能屬性，是屬水陸生態(tài)系統(tǒng)間的過渡性系統(tǒng)，具有承上啟下的紐帶作用。受庫區(qū)水位周期性漲落的影響，消落區(qū)成為庫區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中能量與物質流動的活躍地帶，對外界擾動的響應非常敏感，具有生態(tài)脆弱性和不穩(wěn)定性［2］，當其受到的外界擾動超過系統(tǒng)承受閾值，將會導致消落帶功能退化與損害，進而誘發(fā)系列生態(tài)環(huán)境問題。隨著三峽庫區(qū)大面積消落帶的出現(xiàn)，系列生態(tài)環(huán)境問題也隨之產生，生物多樣性銳減，水土流失加劇，生態(tài)緩沖帶功能減弱，嚴重威脅庫區(qū)的生態(tài)景觀和環(huán)境安全［3，4］。三峽水庫消落帶問題已引起了國際社會的普遍關注。而目前，生物多樣性變化與生態(tài)系統(tǒng)功能已成為國際上生物多樣性研究的主要熱點問題之一［5］?；诖耍菊撐倪x擇三峽庫區(qū)消落帶重慶忠縣區(qū)段為案例區(qū)，探討三峽庫區(qū)消落帶植被生態(tài)學特征，揭示三峽大壩建設下的消落帶生物多樣性變化規(guī)律。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)

2009年7－8月，通過選擇三峽庫區(qū)重慶忠縣（107°32′－108°14′，北緯30°03′－30°53′）石寶寨典型斷面實施野外考察，開展三峽庫區(qū)消落帶植被生態(tài)特征及環(huán)境因子調查。其中，植被生態(tài)特征指標包括物種數(shù)、高度、蓋度、生物量（干重、濕重），環(huán)境因子包括海拔、土壤含水量、空氣溫濕度、土層厚度、坡度等指標。

1.2 野外調查

1.2.1 樣方及樣帶設置

樣點及樣帶的設置主要是采用樣帶結合樣方法，樣帶依照垂直河流方向進行設置。在樣帶的基礎上設置植被調查樣方，樣方間為等間距設置（5 m），大小為1 m×1 m。樣帶樣方設置示意圖如圖1所示。

1.2.2 調查內容及測量方法

關于調查內容及調查樣帶具體介紹見表1，具體調查指標及測量方法見表2，樣點的分布與樣地背景特征見圖1。

表1 三峽庫區(qū)消落帶植被調查樣帶特征表Table 1 Description of vegetation investigation sam ples of falling zone in Three Gorges Reservoir

圖1 樣方特性及分布圖Fig.1 Description of sam p le and its distribution

表2 庫區(qū)消落帶環(huán)境要素調查指標及測量方法Table 2 Description of investigation parameters and their measuring instruments in the falling zone of TGR area

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析方法

1.3.1 生物多樣性指數(shù)分析

生物多樣性指數(shù)分析，根據(jù)植被生態(tài)特征指數(shù)進行生物多樣性的空間分布特征分析，具體指標包括Shannon-Wiener指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢度指數(shù)、豐富度指數(shù)［6－8］。Shannon-Wiener指數(shù)（H）表征群落的復雜程度，即群落中生物種類增多，Shannon-Weaner指數(shù)值愈大，群落所含的信息量愈大；均勻度指數(shù)（E）表征群落中不同物種的多度、生物量、蓋度或其它指標分布的均勻程度；優(yōu)勢度指數(shù)又稱Simpson指數(shù)，表示植物群落內各植物種類處于何種優(yōu)勢或劣勢狀態(tài)的群落測定度，是對多樣性的反面即集中性的度量；豐富度指數(shù)（S）可采用單位面積的物種數(shù)目表征，即物種密度。

豐富度指數(shù) S＝樣方物種數(shù)。

式中：Pi表示第i個種的多度比例；S代表出現(xiàn)物種的個數(shù)；ni表示第i個物種的個體數(shù)；N代表出現(xiàn)物種的個數(shù)總數(shù)。

1.3.2 典范對應分析

典范對應分析（Canonical correspondence analysis，CCA），通過運用數(shù)量生態(tài)學的方法分析庫區(qū)消落帶植被分布特征，采用典范對應分析分析了不同環(huán)境因子對植被分布變化的影響程度。通過構建分析矩陣，即按照矩陣模式構建數(shù)據(jù)矩陣，將生物數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)導入CANOCO軟件進行CCA分析［9］。其中，在進行CCA分析［10］時，需要根據(jù)物種環(huán)境關系累計解釋量界定排序軸，選擇相關性最大的排序軸進行排序。解釋量表征環(huán)境因子對植被分布變化的影響程度，解釋量越大反映了其對應的環(huán)境因子對物種分布影響程度越高。

2 結 果

2.1 庫區(qū)消落帶植被生物多樣性指數(shù)分析

基于野外調查數(shù)據(jù)資料，根據(jù)生物多樣性指數(shù)計算公式，經(jīng)計算可得沿垂直河流流向等間距樣點的植被生物多樣性指數(shù)（圖2）。

通過對生物多樣性指數(shù)的空間分布特征進行分析，可知：庫區(qū)消落帶植被的生物多樣性指數(shù)隨坡面高程變化呈現(xiàn)一定的空間異質性，在150m及160 m左右分別出現(xiàn)拐點（圖2，表3）。

圖2 三峽庫區(qū)消落帶植被生物多樣性指數(shù)分析Fig.2 Ecological diversity index analyses of vegetation in the falling zone of TGR area

表3 消落帶生物多樣性指數(shù)空間變化特征表Table 3 Description of the spatial change characteristics of ecological diversity indexes

究其原因，對于145 m高程位置，暴露時間較短，植被未能得到有效恢復，物種單一，其主要受三峽水庫年內調度所引發(fā)的水位波動的影響；對于160 m位置，由于往年（2008年以前）水庫蓄水未蓄到該高程線，暴露時間較長（表4），且土壤肥力較好，該區(qū)域已成為間隔式農業(yè)種植帶，其受到大壩波動調蓄水位與岸坡土地利用的綜合影響；對于150 m位置，其位于常淹水位以及間隔式農業(yè)種植帶之間，處于大壩波動調蓄水位與岸坡土地利用影響的過渡帶，受水位波動影響較大，類似于自然的水陸過渡帶，具有一定的生態(tài)恢復力。

表4 不同海拔梯度下庫區(qū)消落帶暴露與累積淹沒時間Table 4 Exposed time and cumulate submerge time in the falling zone in different altitudes

2.2 庫區(qū)消落帶植被生態(tài)特征指數(shù)與環(huán)境因子關聯(lián)分析

將三峽庫區(qū)消落帶植被調查數(shù)據(jù)導入CANOCO軟件（version 4.5）進行CCA分析。通過對消落帶草本特征值及物種-環(huán)境關系累計解釋量的分析，可得消落帶植被的第一、二軸的特征值最大，因此分別選擇第一、二軸進行排序，通過分析可得庫區(qū)消落帶植被CCA植物群落排序圖（圖3）。

由圖3可知，三峽庫區(qū)蓄水后，庫區(qū)消落帶植被的空間分布與消落帶土壤水分、土壤厚度具有顯著的正相關關系，表征土壤水分較多的區(qū)域比水分貧瘠區(qū)域的植被生長較為茂密，物種較豐富；而作為側面反映土壤養(yǎng)分含量的土壤厚度，隨著土壤厚度的增加，消落帶植被物種優(yōu)勢度增加，同時，物種的生物量增大。對于外界環(huán)境因素河邊距與海拔而言，其與植被生態(tài)學特征呈現(xiàn)顯著的負相關關系。其中，隨著海拔的升高，消落區(qū)植被物種的生物量增加、物種優(yōu)勢度增加，而物種豐富度下降，其一方面反映了海拔對消落帶植被生態(tài)學特征的影響，另一方面，反映了消落區(qū)土地利用方式對植被空間分布的影響。

圖3 三峽庫區(qū)消落帶植被CCA植物群落排序圖Fig.3 Vegetation community permutation axes of herb the falling zone of TGR area

3 結論與討論

（1）據(jù)調查區(qū)域的生物多樣性指數(shù)分析可知：消落帶植被的生物多樣性指數(shù)隨坡面高程變化呈現(xiàn)一定的空間異質性，并隨海拔梯度的升高呈現(xiàn)波動上升或波動下降趨勢。通過初步分析，導致其空間異質性的主要原因有：①受三峽水庫水位波動的影響，該影響主要體現(xiàn)在低水位區(qū)域；②受消落帶土地利用的影響，該影響主要體現(xiàn)在消落帶中上部區(qū)域。基于此，消落帶生態(tài)學特征分布的人為影響要素指標可歸納為：三峽水庫水位波動特征（消落帶暴露時間長、消落帶累積淹沒時間長等）、消落帶土地利用方式（類型、面積等）。

通過對消落帶植被分布的自然影響要素分析，可知：庫區(qū)消落帶植被的空間分布與消落帶土壤水分、土壤厚度具有顯著的正相關關系，而與河邊距、海拔呈現(xiàn)顯著的負相關關系。

（2）基于消落帶植被分布的人為驅動力與自然影響要素分析，三峽庫區(qū)消落帶空間區(qū)域劃分標準可歸結為兩類：其一，根據(jù)水位波動特征及海拔要素；其二，根據(jù)土地利用方式及土壤特征要素。

合理的消落區(qū)空間區(qū)域劃分可為有效實施消落區(qū)生態(tài)修復奠定良好的基礎，但由于三峽庫區(qū)消落帶涉及區(qū)域較廣，區(qū)域特征差異大；同時，三峽水庫運行過程中河道形態(tài)的改變必然導致形成新的水位漲落和汛期洪水過程，將會改變消落區(qū)的泥沙淤沖和生態(tài)環(huán)境變化［11］。因此，不同區(qū)域的庫區(qū)消落帶其劃分標準還需進行相應的細化研究，消落區(qū)生態(tài)恢復工程策略也需要有針對性的進行。

（3）通過對不同海拔梯度的植被生態(tài)學特征分析，可知：在海拔介于145～160 m區(qū)間，暴露時間大于120 d、累積淹沒時間低于600 d的區(qū)域，受上游來沙養(yǎng)分的自然沉降、植物種子補給以及消落區(qū)生態(tài)恢復力的綜合影響，該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)具有一定的自然恢復能力；但對于受水庫水位波動影響較頻繁的低水位區(qū)域，其恢復能力較弱，植被生長較為困難。

對于生態(tài)恢復能力較弱的區(qū)域，尤其是受水庫水位大幅度反季節(jié)漲落影響的區(qū)域而言，由于該區(qū)域還具有水陸過渡帶的典型特征，但隨著該區(qū)域生態(tài)恢復能力的逐漸削弱或喪失，使得其生態(tài)屏障功能損失，從而使得水土流失和面源污染直接影響到三峽庫區(qū)，威脅三峽水庫的水環(huán)境安全和可持續(xù)發(fā)展［12，13］。因此，三峽庫區(qū)消落帶水位波動頻繁區(qū)自然恢復力與生態(tài)防護工程將是下一步工作的重點。

（4）盡管本研究通過調查與分析獲得了一些初步結果與結論；但由于三峽庫區(qū)消落帶涉及范圍廣、不同區(qū)域特性多樣，而且本次調查僅僅圍繞三峽庫區(qū)消落帶重慶忠縣石寶寨區(qū)段，因此，關于大范圍以及宏觀尺度上的消落帶植被生態(tài)學特征將在下一步研究中著重開展。

致謝：感謝成都山地所何慶斌研究員、文安邦研究員為此次研究提供的技術支持，感謝成都山地所重慶忠縣野外試驗站嚴冬春博士、汪濤博士等人在野外調查中給予的幫助。

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（編輯：曾小漢）

Study on Vegetation Ecological Characteristics of Falling Zone in Three Gorges Reservoir

HU Bo，ZHANG Ping-cang，REN Hong-yu，LUO Hui-min，CEN Yi
（Department of Soil and Water Conservation，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，CHINA）

Influenced by Three Gorges Reservoir operationmode of“storing the clear water and releasing themuddy water”，the falling zone has developed in the Three Gorges Reservoir area，which covers 348.93 km2areas.And owing to the typical characteristics of alternation of submergence and emergence and wide change extent ofwater level，the falling zone has complicated ecological characteristics.Atmeanwhile，this characteristics，to identify the ecological characteristic of vegetation in wet-dry zone，this characteristics plays an important role to ecological restoration project in the falling zone.On the basis of this，this paper selected the falling zone in Zhongxian Shibaozhai of ZHONG county as a study case to analyze the vegetation ecological characteristics.Firstly，ecological diversity index（EDI）was used to analyze the spatial distribution pattern of vegetation ecological diversity.Secondly，canonical correspondence analysis（CCA）was adopted to find the correlation between environmental factors and typical ecological characteristic.Then，by CCA analysis，key environmental factors，which influence the vegetation ecological characteristics，were found in this study.The result shows：with the change of slope height，the EDIof vegetation in the falling zone presents spatial heterogeneity；there have two turning points in the position of 150 m and 160 m；there exist remarkable positive correlations among vegetation distribution and soil water content，soil thickness，and negative correlations among vegetation distribution and altitude，river distance.

Three Gorges Project；falling zone；ecological characteristic；ecological diversity index；canonical correspondence analysis

X171.4：

A

1001－5485（2010）11－0081－05

2010-09-10

國家科技支撐計劃課題（2008BAD98B02）；長江科學院博士啟動基金項目（CKSQ2010079）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目（YWF0904）

胡 波（1980-），男，山東日照人，博士，工程師，主要從事生態(tài)過程與環(huán)境響應的研究，（電話）15927599212（電子信箱）hubchina＠hotmail.com。