鄱陽湖區(qū)堤防植物多樣性特征與土壤種子庫密度的關系

段 劍,黃浩智,王凌云,黃高華,肖勝生,楊 潔

(1．江西省水土保持科學研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，南昌 330029；2．江西省河道湖泊管理局，南昌 330009)

?

鄱陽湖區(qū)堤防植物多樣性特征與土壤種子庫密度的關系

段 劍1,黃浩智2,王凌云1,黃高華2,肖勝生1,楊 潔1

(1．江西省水土保持科學研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，南昌 330029；2．江西省河道湖泊管理局，南昌 330009)

以鄱陽湖區(qū)重點堤防作為研究對象，采用線路踏查、樣方調(diào)查和種子萌發(fā)相結合的方法，研究不同加固土料堤防地上植物多樣性特征與土壤種子庫密度的關系。結果表明：湖區(qū)重點堤防高等植物共計106種，隸屬于38科，89屬，以草本植物為主，禾本科、菊科和大戟科為優(yōu)勢科；不同加固土料堤防植物多樣性指數(shù)與土壤種子庫密度以水稻土最高，其次是建筑垃圾，山地黏土最低；不同植草模式下0～10 cm土層的土壤種子庫密度以自然修復模式最大，其次是假儉草植草模式，以狗牙根植草模式最??；土壤種子庫密度與地上植物種數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-weiner指數(shù)和Pielou群落均勻度指數(shù)呈顯著正相關，與地上植被密度、重要值呈極顯著正相關，但與Margalef豐富度指數(shù)無顯著相關性。因此，堤防土壤種子庫密度與地上植物多樣性特征之間具有較強的相互作用關系，研究成果對于鄱陽湖區(qū)重點堤防的除險加固與管理維護具有重要意義。

植物多樣性;土壤種子庫; 不同加固土料；堤防; 鄱陽湖

1 研究背景

鄱陽湖是我國第一大淡水湖，在長江流域的洪水調(diào)蓄中發(fā)揮著重要作用。鄱陽湖水位受5條河來水及長江頂托、倒灌雙重影響，汛期持續(xù)時間長，洪澇災害頻繁，給湖區(qū)人民帶來了深重的災難。湖區(qū)圩堤數(shù)量眾多，堤線總長約2 460 km[1]，是該區(qū)工程防洪體系的基礎和主體，肩負著保護湖區(qū)人民生命財產(chǎn)安全的防洪任務。湖區(qū)重點圩堤先后列入國家基建計劃，總體防洪能力得到明顯加強，社會經(jīng)濟效益明顯。隨著鄱陽湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)上升為國家戰(zhàn)略，堤防的景觀生態(tài)護坡已經(jīng)成為一個研究的熱點問題[2-4]。湖區(qū)堤容堤貌差，背水面基本采取草皮防護形式，但因草種適應性和競爭性不同以及管理不到位等原因，圩堤雜草叢生現(xiàn)象普遍，有的還存在較多高桿植物，嚴重影響堤容堤貌，且易產(chǎn)生蟲蟻洞穴，造成安全隱患，并給汛期巡堤查險帶來較大困難。而汛期堤防現(xiàn)狀檢查是防治汛期出現(xiàn)重要險情最為有效的措施之一[5]。此外，土壤種子庫是指存在于土壤表面和土壤中的全部存活種子的總和[6-7]，屬潛在種群，是植物種群生活史上的一個重要階段，對種群的維持和群落的未來格局具有重要影響[8-9]。目前，針對湖區(qū)堤防的研究主要集中在結構穩(wěn)定性[10]、滲流侵蝕[11]等工程安全性[12]方面，而堤防地上植物多樣性特征與地下土壤種子庫相互作用關系的研究鮮見報道。

鑒于此，以《鄱陽湖區(qū)綜合治理規(guī)劃》中的湖區(qū)重點圩堤作為研究對象，調(diào)查堤防植物多樣性特征、物種生活型與土壤種子庫密度等，分析地上植物多樣性特征與土壤種子庫密度的相互作用關系，為堤防護坡草種篩選與生態(tài)護坡提供科學依據(jù)，對堤防汛期及時發(fā)現(xiàn)險情，以及有效控制長江流域洪澇災害的發(fā)生具有重要意義。

2 研究區(qū)域

以《鄱陽湖區(qū)綜合治理規(guī)劃》中的湖區(qū)重點圩堤作為研究對象，包括內(nèi)河類型、尾閭類型、臨湖類型和長江類型等。此次調(diào)查的堤段包括20余個重點堤防段，布設樣地30個，調(diào)查堤長總計40 km(圖1)。

圖1 鄱陽湖區(qū)重點堤防調(diào)查樣點布設

3 研究方法

3.1 湖區(qū)堤防的植物組成

采用線路踏查法，調(diào)查記錄堤防的地理位置和出現(xiàn)的植物名稱。對現(xiàn)場不能確定名稱的植物，采集標本帶回室內(nèi)進行鑒定，并制作成蠟葉標本。

3.2 湖區(qū)堤防的植物多樣性特征

根據(jù)野外堤防樣地的調(diào)查情況，堤防建設加固的土料主要有山地黏土、建筑垃圾和水稻土，土料的化學性質詳見表1。采用樣帶取樣方法，區(qū)分不同加固土料，調(diào)查堤防植物群落多樣性特征。具體方法：在選取的重點堤防中，每種土料堤防選取1 km堤防岸線，每隔50 m設置1個10 m×10 m的樣地，沿主對角線方向設置3個1 m×1 m草本樣方，共計180個樣方。記錄樣方內(nèi)所有植物種類、數(shù)量、覆蓋度和高度等指標。

表1 鄱陽湖區(qū)堤防不同加固土料的化學性質

3.3 湖區(qū)堤防的土壤種子庫密度

3.3.1 土壤種子庫野外取樣

2014年早春3—4月份、冬季11—12月份對鄱陽湖區(qū)重點堤防土壤種子庫進行調(diào)查。結合植物調(diào)查的樣方，分0～10 cm和10～20 cm 2個土壤層次，在每個樣方1 m2區(qū)域內(nèi)用圓柱形根鉆取樣器，沿主對角線方向，采集3個直徑7.8 cm、深10 cm的表層土柱，每層土樣混合成1個土樣，共計360個樣品。

3.3.2 土壤種子庫萌發(fā)

采用種子萌發(fā)法確定土壤種子庫的密度。為提高土樣中大多數(shù)物種的萌發(fā)率，用0.2 mm孔徑的土壤篩對土樣進行篩選，萌發(fā)試驗前對土壤先后進行冷、熱處理以助于打破種子休眠。將濃縮處理后的土壤充分混勻后平鋪到25 cm×20 cm×5 cm的萌發(fā)盒中，土壤層厚度不超過1 cm，以保證盡量多的種子萌發(fā)。盒內(nèi)提前裝入約3 cm厚的經(jīng)過120 ℃烘箱處理12 h的細沙。處理好的萌發(fā)盒擺放實驗室人工氣候箱內(nèi)，白天溫度25 ℃、黑夜18 ℃、濕度75%、光周期12 h。每天采用霧噴式澆水一次，種子開始萌發(fā)后每星期統(tǒng)計一次萌發(fā)情況，若連續(xù)2個月無小苗萌發(fā)，實驗即可結束。在種子萌發(fā)過程中，為了能使種子盡可能的萌發(fā)，通常會在移出幼苗之后，將萌發(fā)盒中的土壤進行松動。

3.4 數(shù)據(jù)處理與分析

植物群落多樣性特征分析采用α多樣性指數(shù)[13]，采用Excel和SPSS進行制圖和數(shù)據(jù)分析，采用單因素方差分析和多重比較，檢驗不同加固土加堤防土壤種子庫密度之間的差異顯著性。各分析指數(shù)計算公式如下所述。

物種重要值=(相對頻度+相對密度+

相對覆蓋度+相對高度)/4 ；

(1)

Margalef豐富度指數(shù)：IMa=(S-1)/lnN；

(2)

Simpson多樣性指數(shù)：D=1-∑Pi2；

(3)

Shannon-Weiner多樣性指數(shù)：

Hsw=-∑PilnPi；

(4)

Pielou群落均勻度指數(shù)：

Jsw=-∑(PilnPi)/lnS。

(5)

式中：i=1，2，3，…，S，S為物種數(shù)目；N為全部物種個體總數(shù)；Pi=Mi/M，Mi為樣地中第i物種的重要值；M為樣地中物種重要值的總和，且∑Mi=M。

4 結果分析

4.1 湖區(qū)堤防植物的組成特征

4.1.1 湖區(qū)堤防植物生活型組成

圖2 鄱陽湖區(qū)重點堤防植物生活型組成

鄱陽湖區(qū)重點堤防高等植物共計106種，隸屬于38科，89屬。植物生活型統(tǒng)計結果見圖2。湖區(qū)重點堤防植物以草本植物為主，共74種，占總種數(shù)的69.81%，其中禾草有馬唐、狗尾草、狗牙根、假儉草、早熟禾、牛筋草、白茅、結縷草等19種，非禾草有節(jié)節(jié)草、爵床、鬼針草、一年蓬、飛蓬、長萼堇菜、紫花地丁、酢漿草、斑地錦、葉下珠、蛇莓、雞眼草、破銅錢、積雪草、車前等55種；喬木、灌木和藤本植物分別為8，21，3種，分別占總種數(shù)的7.55%，19.81%，2.83%。

4.1.2 湖區(qū)堤防植物的優(yōu)勢類群

優(yōu)勢科統(tǒng)計分析結果(表2)表明：含8種以上的科有禾本科、菊科和大戟科3科，占總科數(shù)的7.89%，占總種數(shù)的35.85%，是研究區(qū)分布最廣的優(yōu)勢科。含有2～8種的科有蝶形花科、蓼科、薔薇科、堇菜科、莧科、酢漿草科、傘形科、茄科、玄參科、馬鞭草科、鴨跖草科、菝葜科、莎草科等16科。單種科有海金沙科、蕨科、松科、商陸科、藜科、千屈菜科、楊柳科、?？啤⑹n麻科等19科。研究區(qū)優(yōu)勢屬不明顯，含3種以上的屬僅有蓼屬(5種)、懸鉤子屬(3種)、堇菜屬(3種)，合計占總種數(shù)的12.36%。

表2 鄱陽湖區(qū)重點堤防植物的優(yōu)勢科、屬

統(tǒng)計研究區(qū)物種的重要值及其頻度分布，發(fā)現(xiàn)堤防植物的優(yōu)勢種主要以草本植物為主，如狗牙根、馬唐、狗尾草、鬼針草、牛筋草等，其重要值分別為0.39，0.22，0.15，0.13，0.12；分布較為廣泛的物種主要為馬唐、狗牙根、鬼針草、狗尾草、牛筋草等，頻度分別為88.89%，77.78%,66.67%,62.96%,48.15%?？梢钥闯龇植紡V泛的物種同時也是該區(qū)域的優(yōu)勢種。這些物種的根莖、種子繁殖能力非常強，是堤防植物群落的建群和先鋒植物。

4.2 不同加固土料堤防植物的多樣性特征

比較4種多樣性指數(shù)(圖3)發(fā)現(xiàn)，3種加固土料堤防的植物群落多樣性特征差異較大。水稻土、建筑垃圾和山地黏土的Margalef豐富度指數(shù)分別為7.69，3.85，4.30，在豐富度上，水稻土明顯大于建筑垃圾和山地黏土；植物群落Simpson指數(shù)分別為0.61，0.43，0.47，大小順序為水稻土>山地黏土>建筑垃圾；Shannon-weiner指數(shù)分別為5.38，4.87，3.05，大小順序為水稻土>建筑垃圾>山地黏土；Pielou群落均勻度指數(shù)分別為1.51，1.68，1.02，大小順序為建筑垃圾>水稻土>山地黏土。因此，植物群落多樣性以水稻土最高，其次為建筑垃圾，山地黏土最低；植物群落均勻度以山地黏土相對較差。

圖3 鄱陽湖區(qū)不同加固土料堤防植物多樣性指數(shù)變化

注：不同小寫字母代表不同土料類型或植被模式之間差異顯著(P<0.05) 圖4 鄱陽湖區(qū)不同加固土料堤防的土壤種子庫密度

4.3 不同加固土壤堤防的土壤種子庫密度

由不同加固土壤堤防的土壤種子庫分析結果(圖4)可知，種子庫密度大小規(guī)律為，水稻土土壤種子庫密度最大，其次為建筑垃圾，山地黏土最少；其中對于0～10 cm的土層，水稻土(7 609粒/m2)>建筑垃圾(3 442粒/m2)>山地黏土(753粒/m2)，差異顯著(P<0.05，下同)；對于10～20 cm的土層，水稻土(972粒/m2)、建筑垃圾(1 323粒/m2)、山地黏土(1 040粒/m2)間，無顯著差異。

不同植被模式下的土壤種子庫密度大小規(guī)律為，假儉草植草、自然修復模式大于狗牙根植草模式，其中0～10 cm土層，自然修復模式(6 154粒/m2)>假儉草植草模式(4 255粒/m2)>狗牙根植草模式(3 120粒/m2)，差異顯著；10～20 cm土層，假儉草植草模式(3 314粒/m2)>狗牙根植草模式(2 473粒/m2)>自然修復模式(1 370粒/m2)，差異顯著。此外，不同土料類型與植草模式下0～10 cm的土壤種子庫數(shù)量明顯多于10～20 cm土層，這與前人的研究結果一致[14-15]。

4.4 湖區(qū)堤防植物多樣性與土壤種子庫的相關性分析

相關性分析發(fā)現(xiàn)(表3)，轉換對數(shù)的土壤種子密度與轉換對數(shù)的物種數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-weiner指數(shù)和Pielou群落均勻度指數(shù)呈顯著正相關(P<0.05)，與轉化對數(shù)的地上植被密度和重要值呈極顯著正相關(P<0.01)，而與Margalef豐富度指數(shù)無顯著相關性。堤防地下土壤種子庫的密度大小對地上植物多樣性特征與物種的結構特征存在較好的相關性。

表3 湖區(qū)重點堤防土壤種子庫密度與地上植物多樣性指數(shù)的相關系數(shù)

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。

5 討 論

堤防植物調(diào)查結果發(fā)現(xiàn)，禾本科、菊科是研究區(qū)分布最廣的優(yōu)勢科。這也是堤防高桿雜草防除的主要對象[16]。在堤防日常管理中應尤其注重禾本科與菊科高桿雜草的防除工作。篩選堤防植草護坡草種應考慮低矮、匍匐生長且迅速的禾本科、菊科先鋒植物。

3種加固土料堤防土壤種子庫密度差異顯著，可能與加固土料的前期土地利用方式有關。李陽兵等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨土地利用強度增加，巖溶山區(qū)土壤種子庫的類別和數(shù)量減少；李生等[18]發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型的土壤種子庫在0～5 cm土壤差異顯著。土壤種子庫與其地上植物的多樣性特征具有密切聯(lián)系[19]，但二者的相關性研究說法不一。本文中土壤種子庫密度與地上植被多樣性特征存在顯著的相關性，與前人的研究結果一致，劉瑞雪等、趙麗婭、Luo等[8，20-21]研究發(fā)現(xiàn)，土壤種子庫密度與地上植被密度、蓋度、物種數(shù)呈顯著相關，也有無顯著相關性的報道[22]。劉慶艷等[23]研究發(fā)現(xiàn)，地上植被Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)隨演替的進行而逐漸增大，土壤種子庫發(fā)揮了重要作用。因此，隨著植物群落演替的進行，地上植物多樣性特征與地下種子庫密度二者的相關性規(guī)律值得深入探討。湖區(qū)圩堤迎水坡、背水坡、消落帶、常露區(qū)等生境的植物分布規(guī)律也有待進一步深入研究。

6 結 論

鄱陽湖區(qū)重點堤防調(diào)查高等植物共計106種，隸屬于38科，89屬。生活型以草本植物為主，禾草19種，非禾草55種，占總種數(shù)的69.81%；喬木、灌木和藤本植物為8，21，3種，占總種數(shù)的7.55%，19.81%，2.83%。優(yōu)勢科以禾本科、菊科與大戟科為主，優(yōu)勢種主要有狗牙根、馬唐、狗尾草、鬼針草、牛筋草等。

不同加固土料堤防地上植物多樣性特征與土壤種子庫密度，以水稻土最大，其次是建筑垃圾，山地黏土最??；土壤種子庫主要分布在0～10 cm的土層，不同植草模式下0～10 cm土層的土壤種子庫密度大小順序：自然修復模式>假儉草植草模式>狗牙根植草模式。

堤防土壤種子密度與地上植被物種數(shù)、Simpson指數(shù)、Shannon-weiner指數(shù)和Pielou群落均勻度指數(shù)呈顯著正相關(P<0.05)，與地上植被密度和重要值呈極顯著正相關(P<0.01)，但與Margalef豐富度指數(shù)無顯著相關性。

致謝：江西省水土保持科學研究院宋月君、趙佳鼎、康金林等在本研究中給予了無私的幫助，謹表謝意。

[1] 水利部長江水利委員會. 鄱陽湖區(qū)綜合治理規(guī)劃[R]. 武漢：水利部長江水利委員會， 2010.

[2] 陳小華, 李小平. 河道生態(tài)護坡關鍵技術及其生態(tài)功能[J]. 生態(tài)學報, 2007, 27(3): 1168-1176.

[3] QU X M, SHU J L, WU F P. Integration and Demonstration of Sand Dikes Ecological Protection Technology[C]∥Geosynthetics in Civil and Environmental Engineering, Geosynthetics Asia 2008 Proceedings of the 4th Asian Regional Conference on Geosynthetics. Shanghai, China. June 17-20, 2008: 811-814.

[4] 高 強, 顏學恭. 假儉草生態(tài)學特性及在水利工程中的應用研究[J]. 長江科學院院報, 2010, 27(11): 86-88.

[5] 賈金生, 侯瑜京, 崔亦昊, 等. 中國的堤防除險加固技術[J]. 中國水利, 2005, (22): 13-16.

[6] SIMPSON R L, LERCK M A, PARKER V T. Ecology of Soil Seed Banks[M]. New York: Academic Press，1989.

[7] 王國棟, MIDDLETON B A, 呂憲國, 等. 農(nóng)田開墾對三江平原濕地土壤種子庫影響及濕地恢復潛力[J]. 生態(tài)學報, 2013, 33(1): 205-213.

[8] 劉瑞雪, 詹 娟, 史志華, 等. 丹江口水庫消落帶土壤種子庫與地上植被和環(huán)境的關系[J]. 應用生態(tài)學報, 2013, 24(3): 801-808.

[9] TERARAI F, GAERTNER M, JACOBS S M,etal. Resilience of Invaded Riparian Landscapes: The Potential Role of Soil-stored Seed Banks[J]. Journal of Environmental Management, 2015, 55(1): 86-99.

[10]吳興征, 趙進勇. 堤防結構風險分析理論及其應用[J]. 水利學報, 2003, (8): 79-85.

[11]朱建強, 歐光華, 言 鴿.長江中下游堤防滲流侵蝕機理及其治理[J]. 水土保持學報, 2001, 15(5): 6-9.

[12]胡 韜, 李青云, 介玉新, 等.長江堤防工程安全性綜合評價系統(tǒng)開發(fā)[J]. 長江科學院院報, 2004, 21(3): 36-40.

[13]張金屯. 數(shù)量生態(tài)學[M]. 北京: 科學出版社,2011.

[14]HUGHES F K, YOUNG T P. The Soil Seed Bank and Its Relationship to the Aboveground Vegetation in Deciduous Forests in New York City[J]. Urban Ecosystems, 1998, 2(1): 43-59.

[15]SHANG Z H, DENG B, DING L M,etal. The Effects of Three Years of Fencing Enclosure on Soil Seed Banks and Relationship with Above-ground Vegetation of Degraded Alpine Grasslands of the Tibetan Plateau[J].Plant and Soil, 2013, 364(1): 229-244.

[16]林圣玉, 敖躍飛, 張 龍, 等. 贛撫大堤護坡草坪雜草調(diào)查及化學防除研究[J]. 中國水土保持, 2014, (4): 50-53.

[17]李陽兵, 魏朝富, 李先源, 等. 土地利用方式對巖溶山地土壤種子庫的影響[J]. 山地學報, 2002, 20(3): 319-324.

[18]李 生, 張守攻, 姚小華, 等. 黔中石漠化地區(qū)不同土地利用方式對土壤環(huán)境的影響[J]. 長江流域資源與環(huán)境, 2008, 17(3): 384-389.

[19]王曉榮, 程瑞梅, 肖文發(fā), 等. 三峽庫區(qū)消落帶水淹初期地上植被與土壤種子庫的關系[J]. 生態(tài)學報, 2010, 30(21): 5821-5831.

[20]趙麗婭, 李鋒瑞, 王先之. 草地沙化過程地上植被與土壤種子庫變化特征[J]. 生態(tài)學報, 2003, 23(9): 1745-1756.

[21]LUO H, WANG K Q. Soil Seed Bank and Aboveground Vegetation in Jinshajiang Hot-Dry River Valley Hillslope Vegetation Restoration Site[J]. Acta Ecologica Sinica, 2006, 26(8): 2432-2442.

[22]THOMPSON K, GRIME J P. Seasonal Variation in the Seed Banks of Herbaceous Species in Ten Contrasting Habitats[J]. Journal of Ecology, 1979, 67(3): 893-921.

[23]劉慶艷, 王國棟, 姜 明, 等. 三江平原溝渠土壤種子庫特征及其與地上植被的關系[J]. 植物生態(tài)學報, 2014, 38(1): 17-26.

(編輯：趙衛(wèi)兵)

Relation Between Plant Diversity Indexes and Soil Seed Bankof Typical Dikes in Poyang Lakeside

DUAN Jian1, HUANG Hao-zhi2, WANG Ling-yun1, HUANG Gao-hua2, XIAO Sheng-sheng1, YANG Jie1

(1.Jiangxi Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention,Jiangxi Provincial Institute of Soil and Water Conservation, Nanchang 330029, China; 2.Jiangxi Provincial Channel and Lake Administration, Nanchang 330009, China)

With major dikes in Poyang Lakeside as a case study, aboveground vegetation was investigated by means of route surveying and quadrate method in different typical dikes. Soil seed banks were investigated with quadrate method on dikes where aboveground vegetation was sampled, and germination method was used to identify density of seed banks. Our objective was to determine the characteristics of aboveground vegetation and their relationships withsoil seed banks. The results showed that the aboveground vegetation was composed of 106 species in 89 genera of 36 families in the study area. The main families are Gramineae, Compositae and Euphorbiaceae. The species life of aboveground vegetation is mainly composed of herbaceous species. Moreover, plant diversity and soil bank density followed the order of paddy soil>construction trash>mountain clay. The soil seed bank density of planting grass pattern at 0～10 cm depth was significantly less than that of natural recovery mode, which had the greater aboveground plant diversity. Soil seed density was significantly (P<0.05) correlated with the ground vegetation species, Simpson index, Shannon-weiner index and Pielou evenness index, and also significantly (P<0.01)correlated with the ground vegetation density and importance value, while had no significant correlation with Margalef abundance index. Therefore, there were mutual impacts between aboveground vegetation and soil seed bank density in different typical dikes. The relationships have played a key role in strengthening and eliminating dangers of embankment engineering.

plant diversity; soil seed bank; different reinforcing materials; dike; Poyang Lakeside

2015-10-10;

2016-02-20

江西省水利科技計劃項目(KT201313，KT201519)；江西省科技計劃項目(20132BBF60074)

段 劍(1988-)，男，江西永新人，博士研究生，從事水土保持與植被恢復方面的研究，(電話)0791-88828102(電子信箱)djlynn20@126.com。

楊 潔(1958-)，女，江西南昌人，教授級高級工程師，博士，從事水文水資源方面的研究，(電話)0791-88828186(電子信箱)zljyj@126.com。

10.11988/ckyyb.20150844

2017,34(1):45-49，70

S154.4

A

1001-5485(2017)01-0045-05