王業(yè)春，雷 波，張 晟

(重慶環(huán)境科學研究院，重慶401147)

三峽庫區(qū)消落帶不同水位高程植被和土壤特征差異*

王業(yè)春，雷 波，張 晟＊＊

(重慶環(huán)境科學研究院，重慶401147)

植被和土壤是消落帶生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分.本研究選擇三峽庫區(qū)腹地忠縣境內(nèi)的3個地質(zhì)地貌和土地利用歷史相似的近自然消落帶，對不同水位高程(160 m和170 m)植被群落和土壤特征進行研究，結(jié)果表明:一年生草本在消落帶植物物種數(shù)中比例高達72.4%，而多年生草本僅為27.6%;不同水位高程植被物種組成完全相同，且蓋度、生物量、生物多樣性指數(shù)均沒有顯著差異;隨著水位高程變化，群落優(yōu)勢物種存在一定差異，即160 m高程優(yōu)勢種為多年生狗牙根(Cynodon dactylon)，而170 m高程為一年生白酒草(Conyza japonica);土壤容重、含水量、pH、有機質(zhì)、總氮、總磷在160 m和170 m水位高程間均沒有顯著差異.因此，160 m和170 m水位高程在淹水時間和深度上的差異造成群落優(yōu)勢種的不同，而對當前植被和土壤特征并沒有顯著影響.

三峽庫區(qū);消落帶;水位高程;植被;土壤

三峽水庫2009年全面建成，根據(jù)“蓄清排濁”的水位調(diào)度方案及目前實際運行結(jié)果，庫區(qū)已形成大面積的消落帶，成為我國最大的人工濕地，其生態(tài)環(huán)境特征與黃河流域等其他大型水庫消落帶、自然濕地相比，存在三個顯著特征:1)水位落差大(30 m)，淹水時間長且存在明顯淹水梯度;2)水位漲落節(jié)律與蓄水前的自然消落帶完全相反，即冬水夏陸;3)面積大，分布區(qū)域廣泛且周圍城鎮(zhèn)密集，消落帶生態(tài)系統(tǒng)干擾頻繁［1-2］.然而消落帶是影響三峽水庫生態(tài)環(huán)境安全的關鍵區(qū)域之一［3］，對水土流失、養(yǎng)分循環(huán)和非點源污染有著顯著的緩沖和過濾作用，并對維持較高的生物生產(chǎn)力和生物多樣性等具有積極作用，也是三峽庫區(qū)水質(zhì)安全保障的屏障［4］.因此三峽庫區(qū)消落帶的生態(tài)環(huán)境引起國內(nèi)外的廣泛關注［5-6］.

目前關于三峽庫區(qū)消落帶植被和土壤的研究分別集中在植被恢復與重建［7-9］，淹水前后消落帶土壤養(yǎng)分及重金屬模擬與調(diào)查研究［10-13］等方面.如孫榮等［14］調(diào)查分析了三峽庫區(qū)澎溪河開縣段植物群落物種多樣性隨水位高程的變化梯度及空間格局.常超等［15］研究了三峽工程蓄水對庫區(qū)土壤理化特性及養(yǎng)分含量的影響.過去研究大都集中在2008年或2009年175 m蓄水前［15-16］，而175 m蓄水后的研究很少.相關研究表明消落帶的植被和土壤特性除受到水文條件變化影響以外［17-18］，還受地形、土壤質(zhì)地、人為干擾［19-21］等影響.然而以往的研究，尤其是野外研究并沒有充分考慮或規(guī)避這些因素［4，10，22］.因此，本研究選擇3個地質(zhì)地貌特征、土地利用歷史等相似的近自然狀態(tài)消落帶，研究不同水位高程消落帶生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤特征及差異來揭示水庫高水位運行后消落帶現(xiàn)狀，擬為三峽水庫消落帶的科學管理提供理論支持.

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況與消落帶選擇

忠縣(30°03'03″～30°35'35″N，107°32'42″～108°14'00″E)地處三峽庫區(qū)腹部，長江由西南向東北橫貫全境.該區(qū)屬亞熱帶東南季風氣候，年平均氣溫18.2℃，＞10℃的年積溫為5891.4℃，年均降雨量為1172.1 mm，多集中在6－8月［23］.為了減少土壤類型、地形地貌、人類活動干擾等對植被和土壤的影響，本文選擇3個坡度、坡向、土地利用歷史等相似的近自然狀態(tài)消落帶(彼此間隔＞0.5 km).各消落帶基本情況詳見表1.

表1 消落帶的基本情況Tab.1 Fundamental information of three drawdown areas

1.2 野外植物群落調(diào)查與土壤取樣

三峽水庫水位調(diào)度使得不同水位高程間淹水時間和深度上存在明顯差異.考慮到取樣時期為三峽水庫洪水調(diào)度階段，水位大都在140～155 m波動(圖1)，因此本研究只設置了2個水位高程:160 m(范圍為158～162 m)和170 m(范圍為 168～172 m).2010年 8月25－31日，每個消落帶在不同水位高程范圍內(nèi)沿河流方向設置一條200 m的樣線，然后等距離布置10個1 m×1 m草本樣方，用于草本群落調(diào)查.由于蓄水前人為清庫，175 m以內(nèi)喬木和灌木已被清除，目前消落帶內(nèi)基本為草本植物［5］，所以野外植被調(diào)查只涉及到草本.首先調(diào)查樣方內(nèi)植物總蓋度、植物物種名、密度、物種蓋度、高度等，隨后對樣方內(nèi)所有植株地上部分進行刈割，稱量其鮮重，并取全部或部分鮮樣帶回實驗室待烘干.同時在每條樣線上采用多點混合取樣法分層(0～10 cm和10～20 cm)采集土壤，每高程同層土壤共收集3個混合樣.三個消落帶共調(diào)查90個草本樣方，采集36個土壤樣品.

圖1 三峽大壩壩前水位波動［24］Fig.1 Water-level fluctuation in front of Three Gorges Dam(Jan.，2008 － Aug.，2010)

1.3 多樣性指數(shù)［25］

1.4 樣品處理與分析

采集的植物樣品用烘干法(75℃，48 h)測定其干重，推算樣方草本地上生物量干重.對于土壤樣品，待其風干后去除雜物及石塊，經(jīng)過瑪瑙研缽處理后過100目尼龍篩，貯存在塑料自封袋.土壤分析測試指標及其方法:含水量(烘干法(105℃，12 h))、容重(環(huán)刀法)、pH(玻璃電極法)、有機質(zhì)(SOM，重鉻酸鉀容量法)、總氮(TN，半微量凱氏法)和總磷(TP，X射線熒光光譜法［26］).

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

不同高程(160 m和170 m)植被生物量(鮮重和干重)、蓋度、多樣性指數(shù)、土壤理化和養(yǎng)分含量的差異分析采用非參數(shù)的兩兩比較.土壤理化及養(yǎng)分含量相關關系采用Spearman相關分析，所有統(tǒng)計分析運用SPSS 17.0進行處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 消落帶不同高程植被的生物學特征

2.1.1 植被組成、生物量和蓋度 三個消落帶共出現(xiàn)98個物種，分屬于28科、69屬.其中以菊科(18種)和禾本科(13種)為優(yōu)勢科，分別占總物種的18.4%、13.3%.多年生草本僅27種占27.6%，而一年生草本71種占72.4%.

盡管160 m、170 m高程淹水時間分別為334和90 d，存在明顯差異(圖1)，但群落物種組成卻完全相同，即98個物種在兩高程中均出現(xiàn).160 m高程群落鮮重和干重分別為1.36±0.34、0.53±0.11 kg/m2，170 m高程群落鮮重和干重分別為0.84±0.11、0.38±0.04 kg/m2，不同高程群落的鮮重和干重間均沒有顯著差異;與群落生物量一樣，不同高程群落蓋度(160 m和170 m分別為68.9%±5.9%和66.6%±5.2%)也沒有顯著差異.

表2 不同水位高程(160 m和170 m)物種重要值Tab.2 The values of species with different water-level altitudes(160 m and 170 m)

2.1.2 生物多樣性和物種重要值 160 m和170 m高程的Patrick豐富度指數(shù)為11.3±0.3、13.0 ±0.9，Simpson 多樣性指數(shù)分別為0.80 ±0.03、0.80 ± 0.02，Shannon-Wiener指數(shù)為2.0 ±0.1、2.1 ±0.1，Pielou 均勻度指數(shù)分別為0.81 ±0.03、0.80 ±0.02，四個多樣性指數(shù)在兩高程間均沒有顯著差異.

160 m和170 m高程植物群落中重要值在前10位物種中只有狗牙根和酢漿草為多年生草本外，其他8個物種均為一年生草本(表2).隨著高程增加，群落優(yōu)勢種出現(xiàn)了變化，160 m和170 m高程優(yōu)勢物種分別為多年生狗牙根和一年生草本白酒草.優(yōu)勢種狗牙根重要值由24.8(160 m高程)降至17.7(170 m高程).與狗牙根相反，白酒草重要值在160 m高程僅為8.2，而在170 m高程突然增至 20.6，因此成為該高程優(yōu)勢種(表2).

2.2 消落帶不同高程土壤特征

除了160 m高程0～10 cm層土壤有機質(zhì)明顯高于10～20 cm外，不同高程(160 m和170 m)及其不同土壤層(0～10 cm和10～20 cm)間土壤容重、含水量、pH、有機質(zhì)、總氮和總磷均無顯著差異(圖2).土壤含水量與容重呈顯著負相關(P＜0.05)，而與土壤有機質(zhì)和總氮呈顯著正相關(P＜0.05);土壤容重與有機質(zhì)和總氮呈顯著負相關(P＜0.05);土壤總氮與有機質(zhì)呈顯著正相關(P＜0.05);總磷相對獨立，與其他土壤參數(shù)均沒有顯著相關性(P＞0.05)(表3).

圖2 不同水位高程(160 m和170 m)土壤容重、含水量、pH、SOM、TN和TPFig.2 The content of soil bulk density，water content，pH，SOM，TN and TP with different water-level altitudes(160 m and 170 m)

表3 土壤含水量、容重、pH、有機質(zhì)、總氮和總磷的相關關系Tab.3 The correlationship between soil water content，bulk density，pH，SOM，TN and TP

3 討論

3.1 消落帶植被特征及高程差異

研究結(jié)果表明三峽庫區(qū)消落帶物種組成以一年生草本植物(物種比例為72.4%)為主，國內(nèi)外其它相關研究也證實了這一結(jié)論［9，14，29］.白寶偉等［27］在研究三峽庫區(qū)自然消落帶發(fā)現(xiàn)草本中一年生草本占40%～48%，而蓄水后消落帶一年生草本植物的比例有所增加.同樣在研究淹水對秭歸消落帶植被組成影響時發(fā)現(xiàn)，淹沒區(qū)一年生草本占52%，多年生草本占29%，而未淹沒區(qū)分別為20.5%、36.36%［9］，這意味著淹水提高了一年生植物的比例［29-30］.導致這種現(xiàn)象的主要原因可能與不同生活型草本植物對水淹的響應和適應不同有關:一方面一年生草本植物主要靠種子繁殖，其特點是生活史短、繁殖力強，最能適應持久和強度干擾［31］;其次，一年生草本植物生活周期短，其生長發(fā)育時期正好與消落帶成陸期一致.即使在三峽消落帶出露時間較短的低水位高程，也可以完成從萌發(fā)到開花結(jié)果的生活過程，且能夠在退水后蓄水前完成其生活史，次年依靠土壤種子庫或者臨近種源開始新的生長周期.因此，一年生草本植物能夠很好地利用和適應消落帶的這種反季節(jié)淹水與成陸的動態(tài)變化［9］.另一方面多年生植物需要長時間來完成整個生命周期，在淹水情況尤其是完全淹水情況下大都難以存活［14］.但有些多年生植物通過地上匍匐莖或地下根狀莖(如狗牙根、牛鞭草Hemarthria altissima)，這些耐水淹的多年生植物種類較少且大都集中分布在消落帶較低高程內(nèi).因此，一年生植物和多年生植物對水淹的適應與響應共同造成了一年生植物在群落中的較高比例.

160 m和170 m群落基本參數(shù)(蓋度、生物量、多樣性指數(shù))沒有顯著差異，可能與兩高程間物種組成相同有關.群落以一年生植物為主，一年生草本植物能夠很好地利用和適應消落帶的蓄水與出露的動態(tài)變化［9］.本研究中160 m和170 m高程在野外調(diào)查時已經(jīng)歷了約190 d(3－9月)和270 d(1－10月)落干，這足以讓各高程消落帶草本植物完成其萌芽、定居、生長或繁殖過程，最終導致160 m和170 m高程群落蓋度、生物量、多樣性指數(shù)沒有顯著差異.

隨著高程增加，群落優(yōu)勢種出現(xiàn)了變化，即160 m高程優(yōu)勢種為多年生狗牙根而在170 m高程被一年生白酒草替代.三峽庫區(qū)其它區(qū)域的消落帶也存在相似的現(xiàn)象.如孫榮等［14］和王強等［16］在研究澎溪河流域消落帶植被組成時發(fā)現(xiàn)，隨高程增加各梯度植物群落發(fā)生明顯變化，各群落優(yōu)勢種從適應水生的水蓼(Polygonum hydropiper)等過渡到陸生的白茅(Imperata cylindrica)，伴生種也由扁穗牛鞭草(Hemarthria compressa)等濕生植物過渡到蒼耳、小白酒草(Conyza canadensis)等旱生植物.這顯然和不同海拔高程環(huán)境有著必然聯(lián)系，特別是水淹時間［32］.另外，出現(xiàn)優(yōu)勢物種的替代現(xiàn)象可能與群落內(nèi)物種間的競爭結(jié)果變化有著密切關系.消落帶成陸初期(如170 m高程每年2月或3月開始出露)氣溫較低，草本植物并未返青或萌發(fā)，但隨著氣溫上升首先是多年生植物返青［33］，同時一年生草本種子開始萌發(fā).顯然在成陸初期和相當長時間內(nèi)多年生草本比一年生草本的競爭能力及種群擴散能力要強，在此期間群落將會以多年生植物占優(yōu)勢.隨著成陸時間增加，一年生草本的快速生長與擴張改變了整個群落的微生境，如光照環(huán)境，使得一年生植物和多年生植物種間競爭結(jié)果發(fā)生變化，即在此期間群落將會從多年生占優(yōu)勢逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐荒晟参镎純?yōu)勢.在本研究中，多年生狗牙根在成陸時間相對較短的低水位160 m高程中占據(jù)優(yōu)勢地位，但在出露時間較長的170 m高程，優(yōu)勢植物變?yōu)橐荒晟拙撇?

3.2 消落帶土壤特征及高程差異

其他流域研究及三峽庫區(qū)消落帶模擬實驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過淹水，酸性土壤pH升高，堿性土壤pH降低.隨著淹水時間延長，pH最終都將趨于中性［11，34］.但本研究中淹水時間較長的170 m高程土壤pH與160 m相比并沒有明顯上升或下降.這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與本研究的取樣時間有關.水位下降消落帶出露后土壤再次暴露，形成了一個與淹水還原條件截然相反的氧化環(huán)境，土壤pH可能存在一定的恢復.到取樣時(8月底)，因為160 m和170 m高程土壤已經(jīng)歷了190 d落干以上，導致土壤pH值在不同高程間并沒有顯著差異.另外，土壤pH一般隨土壤含水量增加有升高的趨勢，尤其是酸性土壤［35］.本研究中160 m和170 m高程土壤含水量也沒有明顯差異，從側(cè)面解釋了不同高程pH的無差異性.

土壤有機質(zhì)是土壤穩(wěn)定性的重要保障［35］.濕地土壤的有機質(zhì)主要來源于土壤有機質(zhì)的礦化和動植物殘體的分解，其輸出主要包括分解和侵蝕損失［36］.有研究表明土壤經(jīng)常處于淹水狀態(tài)，其氧化還原電位低，形成了大量還原性物質(zhì)，有利于有機質(zhì)積累，再加上淹水缺氧微生物活動受阻，有機質(zhì)分解減緩;而夏季落干暴露后，氧氣含量增加且溫度上升，微生物活動迅速加強，促進了有機質(zhì)分解，有機質(zhì)含量最終降低［4］.在本研究中160 m和170 m高程土壤相同層間并沒有顯著差異，可能與不同高程間有機質(zhì)積累、分解及土壤有機質(zhì)本底、地上植被等因素有關，需要進一步深入分析.

總氮與有機質(zhì)間有著密切相關關系，因為土壤中氮素主要以有機態(tài)存在，因此有機質(zhì)含量越高其總氮含量也越高［37］.本研究中土壤有機質(zhì)和總氮也呈顯著正相關(P＜0.05).與土壤氮素不同，磷素受土壤母質(zhì)的影響較大［38］.相關分析表明土壤總磷與有機質(zhì)和總氮沒有顯著相關性(P＞0.05)，同時不同水位高程土壤總磷也沒有顯著差異，這可能與不同高程土壤母質(zhì)特征基本一致有關.值得注意的是，三峽庫區(qū)消落帶土壤理化特性及養(yǎng)分含量變化是一個受多方面及長時期因素影響的過程［16］，各種因素的影響方式及影響過程都有待于進一步研究.

4 結(jié)論

1)一年生草本物種豐度在消落帶群落中占據(jù)絕對優(yōu)勢.這表明與多年生草本相比，一年生草本植物更能夠適應消落帶環(huán)境變化，因此對退水后消落帶植被的自然恢復具有重要作用.

2)160 m和170 m高程在淹水時間和深度上的差異導致了各高程優(yōu)勢種的不同，但對物種組成、生物量、蓋度和多樣性指數(shù)并沒有顯著影響.

3)因此從土壤養(yǎng)分全量來看，不同水位高程土壤對當年三峽庫區(qū)蓄水水體有機質(zhì)、氮、磷釋放潛力是大致相同的.

致謝:重慶環(huán)境科學院王目通、重慶師范大學生命科學學院吳江林和龍富波參與了野外植被調(diào)查與土壤采集工作，西南大學園藝學院李先源教授對植被標本進行了鑒定，在此表示感謝!

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Differences in vegetation and soil characteristics at different water-level altitudes in the drawdown areas of Three Gorges Reservoir area

WANG Yechun，LEI Bo＆ZHANG Sheng
(Chongqing Academy of Environmental Science，Chongqing 401147，P.R.China)

Vegetation and soil are the key components of the drawdown area of Three Gorges Reservoir.To investigate characteristics of vegetation and soil from water-level altitude of 160 m and 170 m，three drawdown areas with similar geological environment and history of land-use in Zhongxian County were chosen.Results indicated that percent of annual and perennial herbaceous species in drawdown area were 72.4%and 27.6%，respectively.There were no significant differences in species composition，coverage，biomass and biodiversity index between 160 m and 170 m.With water-level altitude changing，the dominant species of plant community varied.Cynodon dactylon was the dominant species at 160 m，while Conyza japonica at 170 m.Soil bulk density，water content，pH，SOM，TN and TP at 160 m and 170 m did not differ significantly.Therefore，it seems reasonable to suggest that their different dominant species resulted from the different inundation period and water depth in those areas between 160 m and 170 m，which did not play a significant role in current vegetation and soil development.

Three Gorges Reservoir area;drawdown areas;water-level altitude;vegetation;soil

＊ 國家水體污染控制與治理科技重大專項項目(2009ZX07104-003-01)資助.2011－10－14收稿;2011－11－13收修改稿.王業(yè)春，男，1980 年生，博士;E-mail:wangyechun@yahoo.com.

＊＊ 通信作者;E-mail:shengzsts@126.com.