南洞庭湖黃土包河不同年齡洲灘生態(tài)特征的初步研究

潘 瑛,謝永宏,陳心勝,李 峰

(1中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程院重點實驗室,湖南長沙 410125;2中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所洞庭湖濕地生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站,湖南長沙 410125;3中國科學(xué)院研究生院,北京 100039)

濕地普遍存在泥沙淤積現(xiàn)象,主要是由河流的沖積作用造成[1]。一般來說,由于水文地理特征的特殊性及其時空變化的不均勻性,各濕地泥沙淤積存在差異,如美國伊利諾斯州每年僅淤積0.5～ 1.0 cm[2],而淤積活躍地區(qū)如美國福爾河甚至達(dá)60～120 cm[3]。泥沙淤積使?jié)竦赝寥览砘再|(zhì)和土壤-植物微環(huán)境發(fā)生了一系列的變化,是影響濕地演替方向的重要驅(qū)動因素之一[4]。此外,地上植被能改善土壤物理結(jié)構(gòu),促進(jìn)環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)及影響濕地泥沙淤積過程等[5],因此植物因素也是決定濕地發(fā)育和演替的重要環(huán)境因素[6,7]。近年來,關(guān)于泥沙淤積對濕地植被演替的研究逐漸成為國際熱點[8,9],但是濕地演替過程中泥沙淤積、土壤理化性質(zhì)及植物群落三者間的關(guān)系還遠(yuǎn)沒有研究清楚,決定濕地演替的關(guān)鍵因子尚不明確。本研究選擇洞庭湖為研究對象對以上問題進(jìn)行探討。

洞庭湖是我國第二大淡水湖泊,具有調(diào)節(jié)江河、凈化水質(zhì)、溝通航運、繁衍水產(chǎn)和改善生態(tài)環(huán)境等重要生態(tài)功能[10]。研究表明,1956～ 1995年間,洞庭湖多年平均沉積泥沙量達(dá) 1.27億噸,占入湖泥沙量的81.2%[11],其中荊江三口及湘、資、沅、澧四水帶來的泥沙沉積是形成洞庭湖洲灘濕地的主要原因。洞庭湖局部地區(qū)泥沙沉積的不均衡性,引起洲灘濕地發(fā)育與演替的差異[12]。調(diào)查發(fā)現(xiàn),洞庭湖濕地演替依泥沙淤積的速度和方式而異。前人對洞庭湖泥沙淤積與洲灘濕地的形成與發(fā)育已有大量的研究[13～15],但是對不同演替階段洲灘生態(tài)特征變化規(guī)律及其關(guān)鍵調(diào)控因子的研究尚未見報道。本文以空間代替時間的方法對不同年齡洲灘濕地土壤特征和植被特征的空間分布規(guī)律及其相關(guān)性進(jìn)行了研究,以揭示洲灘濕地演替的關(guān)鍵環(huán)境因子,為洞庭湖濕地的保護和合理利用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇南洞庭湖黃土包河洲灘濕地為研究對象。黃土包河位于南洞庭湖的北沿,西起沅江縣赤山,東連湘陰縣毫巴 ,研究區(qū)域地理坐標(biāo):E:112°28′07.4″～ 112°35′54.7″,N:28°54′05.7″～ 28°55′28.3″,全 長58.92 km,是一條重要的泄洪、輸沙河道,承擔(dān)著自長江流入的20%～30%的輸沙任務(wù)。由于該區(qū)高洪時期河湖不分,下游分支頗多,水情復(fù)雜,加劇了泥沙淤積程度,故洲灘形成非常活躍,為空間代替時間來研究洲灘濕地演替奠定了基礎(chǔ)。

1.2 研究方法

(1)野外調(diào)查取樣

調(diào)查于 2009年 4月底進(jìn)行,此時為洪水來臨前植物最活躍的時期。在試驗地選擇不同形成年份(10,20,30,50 a)的9塊洲灘(洲灘基本狀況見表1,其形成時間通過走訪當(dāng)?shù)乩蠞O民和行政部門確定)。在每個洲灘挖取 2～ 3個剖面,各剖面均按 0～ 20,20～ 40,40～ 60 cm分層,用封口袋裝好帶回實驗室。每個采樣點設(shè)置2～3個 1 m×1 m樣方,對植被特征進(jìn)行調(diào)查。采樣的過程中對每個樣點精確定位。此次取樣共含樣點 25個,樣方總數(shù)為 51個。在調(diào)查過程中,因當(dāng)?shù)卮竺娣e種植楊樹(外來種)有可能改變洲灘的固有特性,因此以原生特征(周圍無大面積楊樹)為樣點選擇依據(jù)。

(2)生物特征

以每平方米地上部分的鮮重作為評價生物量的標(biāo)準(zhǔn);物種豐富度采用Menhinick豐富度指數(shù)(1964):R表示每一個樣方中的物種總數(shù),N為全部種的個體數(shù)目;多樣性指數(shù)采用 Shannon-Wiener指數(shù):H=-∑ Pi×log2Pi,Pi表示物種重要值=(相對密度+相對高度+相對蓋度)/300。

(3)土壤理化特征測定

土樣帶回實驗室后,除去植物殘體及土壤動物。將土樣分為兩份,一份用于測定土壤還原性物質(zhì)總量和土壤含水量;一份用于測定土壤顆粒組成、pH、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀。土壤機械組成采用吸管法,分為粗 砂 (直 徑大于 0.25 mm)、細(xì) 砂 (直徑 0.25～ 0.05 mm)、粗 粉粒 (直徑 0.05～ 0.02 mm)、細(xì)粉粒 (直徑0.02～ 0.002 mm)、粘粒 (直徑小于 0.002 mm);全 N采用半微量開氏定氮法;全磷采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法;全鉀采用氫氧化鈉堿熔—火焰光度法;有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法;pH值采用電位法;還原性物質(zhì)總量采用 Al2(SO4)3浸提-K2Cr2O7滴定法;土壤含水量采用烘干法。具體操作參照《土壤理化分析與剖面描述》[16]。

1.3 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理采用統(tǒng)計軟件 SAS8.2,多重比較采用Duncan檢驗,顯著度水平為0.05。因子間相關(guān)分析采用雙變量相關(guān)分析,選擇pearson相關(guān)系數(shù)。選擇單峰模型排序(CCA)用于反映環(huán)境因子對植物群落的影響,由 Canoco for windows 4.5軟件實現(xiàn)。

表1 試驗地概況

2 結(jié)果

2.1 植被特性

在9個洲灘51個樣方內(nèi)共含種子植物67種,隸屬于 26科,57屬;其中物種數(shù)最多的科有禾本科(Gramineae)11種,菊科 (Compositae)8種,唇形科(Lamiaceae)6種。不同年齡洲灘相對密度、相對蓋度、相對高度、重要值及主要伴生種見表2。調(diào)查發(fā)現(xiàn),該地以濕生植物為主,間或有少量中生植物。

黃土包區(qū)域不同年齡洲灘植被特征如表3。經(jīng)方差分析,10年洲灘植物群落的生物量(2.96±1.66 kg/m2,p<0.05)、豐富度指數(shù) (0.43± 0.09,p<0.05)和生物多樣性指數(shù) (0.83±0.07,p<0.01)最低,益草和水芹為其建群種。而在20,30和50年洲灘中,植物群落生物量、豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)顯著增加,Wienner指數(shù)在 30年洲灘中達(dá)到最大值 0.75±0.13,而生物量和 Shannon and Wienner指數(shù)在20,30和50年洲灘中無顯著性差異(p>0.05),蘆葦和荻逐漸代替益草和水芹成為洲灘建群種。

表2 黃土包河洲灘植被組成概況

表3 不同演替階段洲灘濕地生物學(xué)特征

2.2 土壤特征

2.2.1 土壤物理特征

土壤物理特征如表4所示。在10年洲灘中,細(xì)砂粒所占百分比最大(62.2±4.4%),其次為細(xì)粉粒(21.6±2.7%)和粘粒(6.9± 1.2%)。隨著形成年份的增加,細(xì)砂粒和粗砂粒(>0.05 mm)極顯著減少,而細(xì)粉粒和粘粒百分比顯著增加。細(xì)砂粒百分比分別減少27.4%,47.2%和 47.6%,而細(xì)粉粒分別增加 14.6%,27.5%和 27.4%,粘粒分別增加 8.7%,22.9%和14.3%。但經(jīng)方差分析,在20,30和50年洲灘間土壤顆粒組成無顯著性差異(p>0.05)。不同形成年份土壤間土壤含水量同樣存在顯著性差異(p<0.05),其在10年洲灘中含量最低(20.1±1.5%)。

表4 不同年齡洲灘濕地土壤物理性質(zhì)特征的空間分布特征

2.2.2 土壤化學(xué)特征

土壤化學(xué)性質(zhì)如表5所示。10年洲灘土壤營養(yǎng)物質(zhì)含量明顯低于20,30和50年洲灘。隨著洲灘年齡的增加,有機質(zhì)含量從 0.68± 0.046%(10年洲灘 )分別增加至 1.30± 0.057%,1.53± 0.103%和 1.67±0.041%,呈極顯著增加的趨勢;全氮 (0.083±0.006%)和全鉀(20.51±0.44 g/kg)在 10年洲灘中含量最低,50年洲灘中含量最高;還原性物質(zhì)總量和全磷在不同年齡洲灘間無顯著性差異。10年和20年洲灘土壤pH值大于 30和 50年洲灘,兩階段存在極顯著性差異。

2.3 土壤特征與生物學(xué)特征間的相關(guān)分析

相關(guān)分析表明,土壤細(xì)砂粒與絕大部分環(huán)境變量相關(guān),例如,與pH和粗砂粒顯著正相關(guān),而與有機質(zhì)、粘粒、細(xì)粉粒、生物多樣性指數(shù)極顯著負(fù)相關(guān),與土壤含水量、全鉀及生物量顯著負(fù)相關(guān)。這表明隨著土壤細(xì)砂粒百分比的減少,土壤理化性質(zhì)及植被狀況得到改善,因此通過分析土壤細(xì)粉粒含量可以間接的得知不同年齡洲灘土壤和植被狀況,從而可以作為洲灘濕地演替的指示因子。

表5 不同演替階段洲灘濕地土壤化學(xué)性質(zhì)特征的空間分布特征

2.4 CCA排序

將25個樣點及植被分別進(jìn)行CCA排序。經(jīng)分析,CCA的前兩個排序軸特征值分別為 0.639和 0.506,總特征值2.584。前兩軸累積貢獻(xiàn)率分別為 33.9%和61.7%。這表明本分析中環(huán)境變量可以較好的解釋群落結(jié)構(gòu)變化,反映物種分布與性質(zhì)之間的關(guān)系。根據(jù)前兩個排序軸做出二維排序圖(圖1),與第一軸相關(guān)性最高的環(huán)境變量是細(xì)砂粒百分比,同時還與有機質(zhì)、粗砂粒、含水量、全鉀及粗粉粒極顯著或顯著相關(guān)。第二軸與全鉀相關(guān)性最高,此外還與pH、有機質(zhì)、細(xì)粉粒、細(xì)砂粒及總還原性物質(zhì)總量極顯著或顯著相關(guān)。

樣方和物種 CCA排序圖見圖 1,2。除河形洲(6,7)外,10年洲灘樣方集中在排序軸右側(cè),此區(qū)間建群種為益草和水芹,它們對低營養(yǎng)條件、高砂粒含量及堿性環(huán)境有很強的忍耐力,能夠適應(yīng)洲灘形成早期極度惡劣的環(huán)境。50年洲灘樣方集中在左下方,此區(qū)間土壤環(huán)境狀況最好,如營養(yǎng)物質(zhì)含量最高,砂粒百分比最低。益草和水芹逐漸從群落中消失,蘆葦和荻最終成為該區(qū)間的建群種。20,30年洲灘樣方處在條件適中的左上方,為10年洲灘向 50年洲灘演變的過渡階段。

圖1 25個采樣點與土壤性質(zhì)的CCA排序

3 討論

李景保等人研究表明[17],四水粒徑為 0.005～0.025 mm的泥沙含量占 53.8%～ 67.9%,而三口該粒徑級泥沙含量只占31.8%～ 42.6%;>0.05 mm粒徑級泥沙含量四水僅占 31.8%～42.4%,而三口卻占54.9%～68.7%。10年洲灘土壤顆粒組成狀況與其一致,結(jié)合黃土包河地理特征(承擔(dān)長江來沙20%～ 30%的輸沙任務(wù)),我們推斷 10年洲灘土壤顆粒組成主要由長江來沙的性質(zhì)決定。隨著洲灘形成年份的增加,洲灘地勢逐漸抬高,灘地出露的時間逐漸增長,落淤的時間縮短,泥沙淤積對洲灘顆粒組成的影響逐漸減弱,而生物因素逐漸增強。相關(guān)分析表明,土壤細(xì)砂粒百分比與植物群落多樣性指數(shù)極顯著負(fù)相關(guān),與生物量顯著負(fù)相關(guān),而細(xì)粉粒和粘粒百分比與生物多樣性指數(shù)顯著正相關(guān)。

植物對土壤顆粒組成的影響主要表現(xiàn)在兩個方面:1)植物根系分泌的代謝物質(zhì)進(jìn)入土壤改變土壤的物理性質(zhì),同時植物細(xì)根不斷地生長、死亡,其分解產(chǎn)物極大地促進(jìn)了土壤團聚體的形成[18,19];2)由于植物對侵蝕土壤的攔截作用,減弱了雨水對細(xì)粒徑顆粒的沖刷作用,使土壤中細(xì)粒徑顆粒含量增加[20]。土壤含水量的變化與土壤狀況的改善有關(guān)。相關(guān)分析表明,土壤含水量與粘粒和細(xì)粉粒顯著正相關(guān),而與細(xì)砂粒顯著負(fù)相關(guān)。這是因為粘粒顆粒小,比表面積大,吸附能力強,保水也較強。此外,粘粒含量增加還促進(jìn)了土壤的膨脹、可塑性及離子交換等物理性質(zhì)[21]。綜上所述,泥沙淤積是造成 10年洲灘新生洲灘土壤物理性質(zhì)和生物特征的主要因子,然而隨著洲灘形成時間的增加,生物因素對土壤的物理改良作用逐漸增強。

圖2 物種與土壤性質(zhì)間的CCA排序

洲灘土壤化學(xué)性質(zhì)的變化同樣受泥沙淤積和植被因素影響。從總的趨勢看,早期砂粒比重過大使土壤養(yǎng)分極易隨水體流失,同時強烈的淤積也不利植物的生長,植物凋落物很少,使土壤有機質(zhì)、全鉀和全氮含量低。隨著洲灘濕地演替時間的延長,有機質(zhì)、全氮、全鉀含量逐漸增加。這是因為:1)與地上植被有關(guān)。土壤有機質(zhì)和全氮含量與植物凋落物的分解直接相關(guān)[22,23],相關(guān)分析表明,土壤有機質(zhì)和全鉀含量與群落生物量顯著正相關(guān);2)土壤溶液中的K+和 P含量與土壤粘粒含量相關(guān)[24]。相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)土壤全鉀與粉粒百分比顯著正相關(guān)?？梢?植被狀況的改善不僅直接增加了土壤營養(yǎng)物質(zhì)的含量,還通過改良土壤性質(zhì)增加了其保肥能力,從而間接促進(jìn)了營養(yǎng)物質(zhì)的積累。綜上所述,決定洲灘演變的因素有兩個,一個是泥沙淤積,決定新生洲灘的土壤和植被特征;另一個是植被因素,決定 10年后洲灘土壤理化性質(zhì)。因此,決定洲灘演變的關(guān)鍵因子是不斷轉(zhuǎn)變的。由于本研究只對形成時間小于50年的洲灘進(jìn)行了調(diào)查,50年后的洲灘其演替關(guān)鍵因子是否還會改變有待進(jìn)一步研究。

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