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        三峽水庫(kù)近壩段消落區(qū)植物群落分布特征研究

        2022-12-05 13:16:40軍,徐劍,邱文,李豪,李
        人民長(zhǎng)江 2022年11期
        關(guān)鍵詞:建群蒼耳牙根

        張 定 軍,徐 成 劍,邱 利 文,李 豪,李 政

        (1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司流域樞紐運(yùn)行管理中心 長(zhǎng)江珍稀植物研究所,湖北 宜昌 443000; 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010)

        0 引 言

        水庫(kù)消落區(qū)是由于水庫(kù)調(diào)度導(dǎo)致交替出現(xiàn)水庫(kù)淹沒(méi)和出露的區(qū)域,是水陸之間進(jìn)行物質(zhì)、能量、信息交換的生態(tài)過(guò)渡帶[1]。長(zhǎng)江三峽工程是世界上最大的水利樞紐工程,大壩總長(zhǎng)3 035 m,三峽庫(kù)區(qū)是三峽水庫(kù)蓄水后形成的人工湖泊[2],總面積1 084 km2,水面寬度60~1 000 m,淹沒(méi)陸地面積632 km2。三峽水庫(kù)“蓄清排渾”的調(diào)度方式,在高程145~175 m之間形成了垂直落差約30 m、面積約349 km2的巨大消落區(qū)[3]。三峽水庫(kù)消落區(qū)在反季節(jié)調(diào)蓄下春夏出露成陸,冬季淹沒(méi),兩岸消落區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)受到影響,大部分植物無(wú)法承受這種長(zhǎng)時(shí)間、高深度的水淹,導(dǎo)致植物多樣性降低。失去植被保護(hù)的消落區(qū)景觀效果降低,水土流失加劇,更多的污染物進(jìn)入水體,成為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的敏感帶和易污染、易破壞帶[4]。

        目前已有較多有關(guān)水庫(kù)消落區(qū)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[5]、土地利用[6-7]、土壤環(huán)境[8]和生態(tài)重建[9]等方面的試驗(yàn)和研究。對(duì)消落區(qū)植被的研究也已成為三峽水庫(kù)生態(tài)恢復(fù)、重建的核心問(wèn)題。植被是所有河流河岸帶及水庫(kù)消落區(qū)的重要生態(tài)系統(tǒng)組分,國(guó)內(nèi)外對(duì)河岸帶植被研究較多[10-13],然而,水庫(kù)消落區(qū)植被組成和群落演替[14-17],植物耐水淹適應(yīng)機(jī)制等方面[18-19]仍處于探索階段。

        因此,在特殊的反季節(jié)水位變動(dòng)情況下,探究大型水庫(kù)消落區(qū)植被的物種組成、豐度格局、空間分布變化情況,是消落區(qū)植物生態(tài)研究領(lǐng)域十分重要的科學(xué)問(wèn)題[20]。本文選擇三峽水庫(kù)近壩段消落區(qū),重點(diǎn)調(diào)查和分析三峽庫(kù)區(qū)消落區(qū)植物群落物種豐富度格局,解釋水位調(diào)控與消落區(qū)植物群落空間分布和物種豐富度間的生態(tài)學(xué)關(guān)系,以及消落區(qū)植物群落對(duì)季節(jié)性淹沒(méi)的環(huán)境適應(yīng)情況,為三峽水庫(kù)消落區(qū)植物群落變化和消落區(qū)植被生態(tài)恢復(fù)提供參考。

        1 數(shù)據(jù)與方法

        1.1 研究區(qū)域

        本研究選取三峽大壩上游約20 km范圍內(nèi)的3處典型消落區(qū),典型消落區(qū)地理位置如圖1所示。調(diào)查樣地分別為左岸的秭歸縣郭家壩鎮(zhèn)、蘭陵溪村和右岸夷陵區(qū)太平溪鎮(zhèn)龍?zhí)镀捍?。根?jù)地形、坡度條件,秭歸縣郭家壩鎮(zhèn)位于童莊河河口,為緩坡消落帶,秭歸縣蘭陵溪村和夷陵區(qū)太平溪鎮(zhèn)龍?zhí)镀捍鍨槎钙孪鋷А?/p>

        圖1 三峽水庫(kù)消落區(qū)調(diào)查點(diǎn)地理位置

        1.2 研究方法

        為了研究三峽庫(kù)區(qū)的植物群落分布與生長(zhǎng)影響因素,采取植物樣方現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的方法。調(diào)查時(shí)間為2020年9月11~12日,此時(shí)三峽水庫(kù)最低水位為154.50 m,調(diào)查點(diǎn)最低高程為158.00 m。調(diào)查樣地的坡度采用多功能坡度測(cè)量?jī)x測(cè)定,使用GPS定位儀確定消落區(qū)經(jīng)緯度信息和樣方的高程。為分析不同高程的植物群落分布特征,將消落區(qū)區(qū)域高程分為155~160 m、161~165 m、165~175 m 3個(gè)區(qū)間。每個(gè)高程區(qū)間再根據(jù)具體的地形、坡度、高程等設(shè)置調(diào)查的樣方。得到樣方的基本信息后,調(diào)查樣塊內(nèi)植物的種類、高度。同種植物測(cè)量5株,取平均高度作為其生長(zhǎng)高度,目測(cè)植物覆蓋度,植物數(shù)量少時(shí)按照株數(shù)來(lái)記錄。物種多樣性指數(shù)選取Shannon-Wiener指數(shù)計(jì)算,利用Excel 2016處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),利用SPSS 23.0軟件分析數(shù)據(jù)。

        2 主要結(jié)果

        2.1 空間分布特征

        不同地理位置消落區(qū)植物群落種類分布隨著高程的變化如表1所列。從表1可以看出,不同地理位置消落區(qū)的植物種類具有差異性,即使是同一個(gè)地區(qū)的植物種類也有所不同。龍?zhí)镀涸诓煌叱叹哂?個(gè)建群種,8種植物,并在兩個(gè)高程范圍內(nèi)均存在狗牙根和狗尾草。張家灣消落區(qū)在不同高程具有兩個(gè)建群種,10種植物,并且兩個(gè)高程范圍內(nèi)都存在狗牙根。蘭陵溪村在不同高程具有兩個(gè)建群種,6種植物,并在兩個(gè)高程范圍內(nèi)都含有酸模葉蓼。在龍?zhí)镀?、蘭陵溪村三峽庫(kù)區(qū)消落區(qū)植物物種組成成分比較接近,龍?zhí)镀旱貐^(qū)植被整體增長(zhǎng)趨勢(shì)較均勻。

        表1 三峽水庫(kù)消落區(qū)植物分布

        蒼耳為種子繁殖,能夠耐受深度10 m以上的長(zhǎng)期水淹,因此生長(zhǎng)在中低高程消落區(qū)。相比于蒼耳,狗牙根具有種子和根莖兩性繁殖能力,不僅能適應(yīng)水淹,待水位降低土地出露,種子及根莖能很快發(fā)芽、生長(zhǎng),恢復(fù)較快,因此廣泛分布于3個(gè)高程梯度。高海拔消落區(qū)比低海拔消落區(qū)土地出露時(shí)間更長(zhǎng),更有利于狗牙根成為先鋒物種。

        2.2 物種豐富度

        3個(gè)調(diào)查樣地共調(diào)查植物種類14種,其中草本植物12種,分別為艾蒿、狗尾草、狗牙根、鬼針草、鐵莧菜、葉下珠、草木犀、酸模葉蓼、十字馬塘、霧水葛、小飛蓬、扁穗莎草,其中狗牙根和艾蒿為多年生植物,草木犀為兩年生植物,其余為1年生植物。灌木1種,為蒼耳。喬木僅有1種,為烏桕。

        從表1可以看出,不同地理位置的消落區(qū)植物種類存在差別。155~160 m高程區(qū)間物種為8種,分別為狗牙根、狗尾草、蒼耳、酸模葉蓼、鐵莧菜、草木犀、葉下珠和鬼針草,并且平均每個(gè)調(diào)查區(qū)域有5種。161~165 m高程區(qū)間物種為11種,分別為蒼耳、十字馬唐、葉下珠、狗尾草、鬼針草、蒼耳、酸模葉蓼、霧水葛、小飛蓬、扁穗莎草、草木犀,并且平均每個(gè)調(diào)查區(qū)域有7種。165~175 m高程區(qū)間物種為4種,分別為艾蒿、狗尾草、狗牙根、鬼針草,并且平均每個(gè)調(diào)查區(qū)域僅出現(xiàn)2.5種。3個(gè)高程區(qū)多樣性指數(shù),分別是0.73±0.27,1.61±0.36和0.41±0.22,消落區(qū)物種豐富度隨著高程增加呈先升高后降低的趨勢(shì)。

        消落區(qū)常見(jiàn)的植物群落有蒼耳群落、狗牙根群落、鬼針草群落、艾蒿群落等。各群落中建群種主要有蒼耳、狗牙根、鬼針草、艾蒿等。對(duì)每個(gè)地區(qū)進(jìn)行分析,龍?zhí)镀合鋮^(qū)在不同高程具有3個(gè)建群種,9種植物,分別為狗牙根、狗尾草、蒼耳、艾蒿、酸模葉蓼、鐵莧菜、草木犀、葉下珠和鬼針草。蘭陵溪消落區(qū)在不同高程具有兩個(gè)建群種,10種植物,為蒼耳、十字馬唐、葉下珠、狗尾草、鬼針草、蒼耳、酸模葉蓼、霧水葛、小飛蓬、扁穗莎草。張家灣消落區(qū)在不同高度具有兩個(gè)建群種,5種植物,分別為鬼針草、狗牙根、狗尾草、蒼耳、草木犀。其中,張家灣消落區(qū)有1個(gè)擁有兩個(gè)建群種的群落,共建種分別為鬼針草和狗牙根。

        2.3 植物生長(zhǎng)高度

        不同高程植物生長(zhǎng)高度變化如圖2所示,植被生長(zhǎng)高度隨高程增加呈先升高后降低的趨勢(shì)。高程161~165 m區(qū)域植被生長(zhǎng)高度最高,平均有0.95 m。高程155~160 m植被生長(zhǎng)高度最低,平均僅0.33 m。對(duì)每個(gè)群落進(jìn)行分析,在3個(gè)高程均有分布的狗牙根群落的高度均沒(méi)有太大變化,為0.18~0.20 m。龍?zhí)镀汉吞m陵溪消落區(qū)的蒼耳群落高度分別為0.60 m和1.10 m,艾蒿群落和鬼針草群落高度分別為0.70 m和0.80 m。

        圖2 不同高程下植物生長(zhǎng)高度

        建群種個(gè)數(shù)和建群種高度分別與植物生長(zhǎng)高度的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知,植被生長(zhǎng)高度與建群種數(shù)和建群種高度具有顯著相關(guān)性,群落生長(zhǎng)高度隨著建群種數(shù)和建群種高度的增加而增加。3個(gè)調(diào)查地區(qū)建群種有蒼耳、鬼針草、狗牙根、艾蒿。其中,張家灣消落區(qū)具有一個(gè)擁有兩個(gè)建群種(共建種)的群落,共建種分別為鬼針草和狗牙根,并且相比于其他狗牙根群落,該群落平均高度顯著高于其他3個(gè)。

        圖3 植物生長(zhǎng)高度分別與建群種個(gè)數(shù)和建群種高度的關(guān)系

        分別對(duì)坡度與物種豐富度和植物生長(zhǎng)高度進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn),如圖4所示。由圖4可知,群落豐富度與坡度沒(méi)有相關(guān)關(guān)系,植被生長(zhǎng)高度與坡度也不存在相關(guān)關(guān)系。

        圖4 坡度分別與物種豐富度和植物生長(zhǎng)高度的關(guān)系

        3 討 論

        3.1 植物群落空間分布特征

        不同地理位置的消落區(qū)的植物種類具有差異性,同一高程區(qū)間的不同消落區(qū)之間植物種類存在顯著差異性,同一個(gè)地區(qū)的不同高程區(qū)間植物種類也有所不同,并且每個(gè)地區(qū)消落區(qū)空間異質(zhì)性較大,表明地理空間差異是影響植被群落種類和物種多樣性的重要因素。已有研究表明,消落區(qū)植物群落物種的分布格局受空間位置、水淹時(shí)間、地形、基質(zhì)類型等環(huán)境因子的調(diào)節(jié)作用,并且三峽水庫(kù)消落區(qū)植被群落隨高程梯度的變化而變化[21]。另外有研究發(fā)現(xiàn),坡度會(huì)通過(guò)泥沙沉積影響消落帶的植被分布及范圍[22]。綜上可知,消落區(qū)物種空間格局的分布依賴于環(huán)境因子和植物特性,是綜合作用的結(jié)果。

        3.2 物種豐富度和植物生長(zhǎng)高度

        已有研究表明,隨著高程增加,多樣性指數(shù)及植物高度均值均呈增加趨勢(shì)[23]。消落區(qū)物種豐富度均隨著高程增加呈先升高后降低的趨勢(shì),在消落區(qū)中部達(dá)到峰值。消落區(qū)高海拔地區(qū)水淹時(shí)間短,狗牙根等生長(zhǎng)能力強(qiáng)的先鋒物種在群落中取得生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),導(dǎo)致其他種群生態(tài)位較少。然而,消落區(qū)高程較低區(qū)域(155~160 m)水淹時(shí)間長(zhǎng),光合作用和呼吸作用進(jìn)程因停滯太久,不能滿足植被生長(zhǎng)基本需求,這與孫榮等[17]在三峽澎溪河的研究結(jié)果一致;其次,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)在消落區(qū)中部達(dá)到峰值后出現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),可能與坡度逐漸增加,土層逐漸變薄等環(huán)境因素有關(guān)。因此,消落區(qū)物種豐富度均隨著高程增加呈先升高后降低的趨勢(shì)。其他河岸植物多樣性的研究表明,物種豐富度隨著高程的升高在河岸帶高程的中部達(dá)到峰值[24-25]。太大和太小的水位變化都會(huì)引起生物多樣性的減少,這較好地契合了中度干擾理論,即在中等程度的水淹下物種豐富度最大。

        消落區(qū)群落高度均隨著高程增加呈先升高后降低的趨勢(shì),這可能是綜合因素影響的結(jié)果。首先,中度干擾下的中部高程梯度物種多樣性提高,引起種群競(jìng)爭(zhēng),植物為獲得光照、雨水等資源而拔高,導(dǎo)致群落整體高度提高。例如蒼耳群落,161~165 m高程區(qū)間植株高度顯著高于155~160 m高程區(qū)間。其次,建群種本身對(duì)群落結(jié)構(gòu)和內(nèi)部環(huán)境有明顯的控制作用。本研究結(jié)果表明,建群種個(gè)數(shù)和建群種高度與植物生長(zhǎng)高度具有顯著的相關(guān)性,表明建群種高度對(duì)植被高度具有主導(dǎo)作用。再者,建群種數(shù)量的增加有利于生態(tài)系統(tǒng)抵抗力和群落穩(wěn)定性,從而為植被生長(zhǎng)提供良好條件,提高群落整體高度。

        此外,本研究中植物群落高度與建群種高度有關(guān)。不同的建群種本身生長(zhǎng)特性具有明顯差異。鬼針草為一年生植物,競(jìng)爭(zhēng)能力弱,建群種高度高。蒼耳屬于一年生植物,競(jìng)爭(zhēng)能力弱,建群種高度高。因此高程161~165 m之間的鬼針草群落和蒼耳群落平均高度較高。狗牙根屬于多年生禾本科植物,競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng),建群種高度低。艾蒿作為多年生菊科蒿屬植物,競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng),主根明顯,建群種高度較高,因此生長(zhǎng)在165~175 m高程區(qū)間的艾蒿群落平均高度較高。

        大量研究表明,坡度影響消落區(qū)的植被分布、蓋度和生長(zhǎng)[26-29],因?yàn)槠露仍叫?,泥沙沉積越多,坡度越大,淤積層越少[30]。淤積層板結(jié)會(huì)影響植物光和作用和呼吸作用,抑制植物生長(zhǎng)[22]。然而,本研究發(fā)現(xiàn)群落物種豐富度和高度均與坡度沒(méi)有相關(guān)關(guān)系,可能是由于調(diào)查區(qū)域坡度在20°~45°之間,坡度差異較小。

        4 結(jié) 論

        三峽庫(kù)區(qū)近壩段不同高程的消落區(qū)的植物種類具有差異性,消落區(qū)物種分布空間格局依賴于地理位置環(huán)境因子的綜合作用,并與植物特性、水淹時(shí)間等因素有關(guān)。消落區(qū)不同高程區(qū)間的植物群落差異明顯,物種種類變化較大,高度不一。物種豐富度隨著高程增加呈先升高后降低的趨勢(shì),在161~165 m高程區(qū)間物種豐富度達(dá)到最大,表明水淹情況下物種豐富度對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。群落高度均隨著高程增加呈先升高后降低的趨勢(shì),這可能是中度干擾間接調(diào)節(jié)作用,是建群種個(gè)數(shù)及建群種高度綜合因素影響的結(jié)果,但坡度對(duì)消落帶植被沒(méi)有影響。

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