子牙河水系濱岸帶植物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境的關(guān)系

梁 雪, 何 萍, 任 穎, 錢金平, 戴 霞

(1.河北師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北 石家莊 050024;2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012)

子牙河水系濱岸帶植物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境的關(guān)系

梁 雪1,2, 何 萍2, 任 穎2, 錢金平1, 戴 霞2

(1.河北師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 河北 石家莊 050024;2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012)

[目的] 以海河流域子牙河水系河流濱岸帶植物為對(duì)象，研究影響植物群落結(jié)構(gòu)和分布格局的主要環(huán)境因子，為相關(guān)研究提供依據(jù)。[方法] 2013年6月，在子牙河水系干支流設(shè)置了94個(gè)濱岸帶樣地，調(diào)查植被結(jié)構(gòu)和海拔、護(hù)岸類型、堤外土地利用類型等6個(gè)環(huán)境因子。[結(jié)果] 子牙河水系濱岸帶植物共249種，分屬于51科，166屬。山區(qū)河段濱岸帶有199種植物，分屬于43科，135屬，優(yōu)勢(shì)物種有蘆葦(Phragmitesaustralis)、蒙古蒿(Artemisiamongolica)、荊條(Vitexnegundo)、黃花蒿(Artemisiaannua)等；平原河段濱岸帶有36種植物，分屬于22科35屬，優(yōu)勢(shì)物種主要有蘆葦(P.australis)、反枝莧(Amaranthusretroflexus)等，山區(qū)植物豐富度明顯高于平原區(qū)。[結(jié)論] 海拔高度和堤外土地利用類型與植物群落結(jié)構(gòu)顯著相關(guān)。水熱條件和人類活動(dòng)壓力是影響植被構(gòu)成的主要成因。

子牙河； 植物群落； 環(huán)境因素

文獻(xiàn)參數(shù)： 梁雪, 何萍, 任穎, 等.子牙河水系濱岸帶植物群落結(jié)構(gòu)及其與環(huán)境的關(guān)系[J].水土保持通報(bào)，2017,37(1)：292-296.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.051; Liang Xue, He Ping, Ren Ying, et al. Relationship between plant communities and environment factors in riparian zone along Ziya river[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(1)：292-296.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.01.051

植被的構(gòu)成與空間分布受水熱、土壤、人類活動(dòng)等不同尺度環(huán)境因子的影響。環(huán)境條件的改變也直接或者間接的影響植物的群落結(jié)構(gòu)[1]，植物與環(huán)境關(guān)系一直是生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容[2]，對(duì)了解區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)過程，指導(dǎo)生態(tài)環(huán)境治理和生態(tài)恢復(fù)重建有重要意義。河流濱岸帶范圍包括河流廊道的高低水位之間以及從河流高水位至被洪水影響的高地區(qū)域，是水陸間物質(zhì)、能量和生物的通道[3]。目前研究多集中在湖泊、濕地、河流等范圍內(nèi)水生植物與環(huán)境因子的關(guān)系，對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)濱岸帶植被與環(huán)境的關(guān)系研究較少[4-6]。

子牙河是海河流域5大支流之一，近年干旱少雨[7]，加之河流水系受到人類活動(dòng)的影響和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水的增加，相繼出現(xiàn)斷流[8]，水質(zhì)污染嚴(yán)重。植被是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分之一，植被結(jié)構(gòu)的變化一定程度上反映出河流的退化程度，同時(shí)植被的修復(fù)也是河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的重要任務(wù)。對(duì)子牙河水系濱岸帶植物群落開展調(diào)查并研究其構(gòu)成與環(huán)境因子的關(guān)系，對(duì)了解河流退化成因，指導(dǎo)河流植被修復(fù)意義重大。本文擬在2013年6月對(duì)子牙河植物群落和環(huán)境參數(shù)調(diào)查和測(cè)定的基礎(chǔ)上，采用相關(guān)分析和典范對(duì)應(yīng)分析，探討牙河流域植物群落分布格局與環(huán)境因子的關(guān)系，以期為相關(guān)研究提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

子牙河位于海河流域的中南部，由發(fā)源于太行山東坡的滏陽(yáng)河和源于五臺(tái)山北坡的滹沱河匯成，兩河于獻(xiàn)縣臧家橋匯合后，始名子牙河，跨越山西、河北、天津3省市，地理位置介于北緯36°03′—39°35′，東經(jīng)112°20′—117°50′，河流全長(zhǎng)375 km，流域面積4.69×104km2，其中山區(qū)面積3.10×104km2，平原面積1.56×104km2，是海河流域第二大水系?？傮w地勢(shì)西北高東南低，西北燕山太行山山地海拔500～1 000 m以上，部分地區(qū)超過1 500 m，東南部海拔標(biāo)高低于50 m，沿海地區(qū)在4 m以下[9]。

1.2 研究方法

1.2.1 布點(diǎn)原則 在全流域內(nèi)2～5級(jí)河流，干流和其重要支流上均布點(diǎn)。河系結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，樣地?cái)?shù)越多；盡量與水文、水質(zhì)站點(diǎn)重合；在城鎮(zhèn)和明確排污口的上游和下游分別布點(diǎn)，對(duì)于特點(diǎn)均一的河段減少樣地?cái)?shù)。子牙河水系共設(shè)94個(gè)樣地。

1.2.2 植物調(diào)查 在預(yù)設(shè)的樣地，在具有植物代表性的約15 m長(zhǎng)的河段范圍內(nèi)，垂直于河流方向設(shè)3條樣帶。每條樣帶分坡腳、坡中、坡上，分別設(shè)置3個(gè)1 m×1 m小樣方，力圖包括濕生、中生和旱生植物類型。記錄樣方植物總蓋度、物種名稱及其分蓋度和平均高度。每個(gè)樣地的9個(gè)樣方結(jié)果進(jìn)行綜合平均。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法確認(rèn)種名的植物，采集樣本帶回實(shí)驗(yàn)室，對(duì)照《中國(guó)植物志》和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)[10-11]及相關(guān)文獻(xiàn)或請(qǐng)植物分類學(xué)專家進(jìn)行鑒定。

1.2.3 環(huán)境因子調(diào)查 在環(huán)境因子調(diào)查中，共設(shè)6個(gè)環(huán)境因子，分別是海拔、降水量、斷面平均水深、堤外土地類型、護(hù)岸類型和河岸形態(tài)。獲取方法如下：① 海拔數(shù)據(jù)，用GPS現(xiàn)場(chǎng)測(cè)取。② 降水量，通過海河流域降水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的多年降水量平均值，應(yīng)用ArcGIS 9.3軟件插值形成降水量等值線，根據(jù)樣地位置得取數(shù)值。③ 斷面平均水深，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。④ 護(hù)岸類型，根據(jù)自然和透水特性分為4類賦值[12](如表1所示)。⑤ 河岸形態(tài)，根據(jù)人工改造程度分為3類賦值(表2)。⑥ 堤外土地利用類型土地利用類型共有7類。根據(jù)人為干擾梯度賦值(表3)。

表1 護(hù)岸類型

表2 河岸形態(tài)

表3 堤外土地利用類型

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

(1) 物種重要值。

重要值=(相對(duì)高度+相對(duì)蓋度+相對(duì)頻率)/3

(2) 典范對(duì)應(yīng)分析(canonical correspondence analysis， CCA)。樣地與環(huán)境因子的相關(guān)性、植物物種與環(huán)境因子的相關(guān)性利用國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)軟件Canoco 4.5進(jìn)行分析。CCA分析是一種非線性多元直接梯度分析方法，可將研究對(duì)象排序和環(huán)境因子排序表示在一個(gè)圖上，結(jié)果直觀明顯[13]。以群落中各物種的重要值作為CCA分析中植物數(shù)據(jù)的變量。分析之前剔除了頻度小于5%的植物[14]，減少偶見種對(duì)排序的影響，使結(jié)果更為準(zhǔn)確直觀。

(3) 環(huán)境因子的相關(guān)性分析。由PASW Statistics 18統(tǒng)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)。

2 數(shù)據(jù)結(jié)果

2.1 植物群落的種類組成及優(yōu)勢(shì)種

子牙河水系94個(gè)樣地共記錄249種植物(表4)，分別屬51科、166屬。屬的數(shù)量較多的有，菊科(Compositae)42屬，禾本科(Gramineae)41屬，藜科(Chenopodiaceae)25屬，豆科(Leguminosae)15屬，毛茛科(Ranunculaceae)8屬，莎草科(Cyperaceae)13屬，唇形科(Labiatae)7屬；有24科僅包含1屬。山區(qū)河段濱岸帶主要有199種植物，分屬于43科135屬，平原河段濱岸帶主要有36種植物，分屬于22科35屬。

每個(gè)樣地選取重要值最大的植物作為優(yōu)勢(shì)種。25個(gè)山區(qū)樣地中，蘆葦在7個(gè)樣地中表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)種，蒙古蒿、荊條、黃花蒿分別在2個(gè)樣地中表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)種。在平原區(qū)69個(gè)樣地中，蘆葦在22個(gè)樣地中表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)種，反枝莧在8個(gè)樣地中表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)種，葎草在5個(gè)樣地中表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)種，狗尾草、苘麻在3個(gè)樣地中表現(xiàn)為優(yōu)勢(shì)種。

2.2 環(huán)境因子相關(guān)性

通過PASW Statistics18軟件將環(huán)境因子6個(gè)變量進(jìn)行相關(guān)分析。斷面平均水深與河岸形態(tài)負(fù)相關(guān)(-0.273)。降水量與護(hù)岸類型呈負(fù)相關(guān)(-0.721)。海拔、斷面平均水深、降水量3個(gè)環(huán)境因子與其他環(huán)境因子相關(guān)性較小，堤外土地類型、護(hù)岸類型和河岸形態(tài)3種環(huán)境因子相關(guān)性明顯。

表4 環(huán)境因子的Pearson相關(guān)性分析

注:**為在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)； *為在0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

2.3 樣地F與環(huán)境因子CCA分析結(jié)果

DCA分析，長(zhǎng)度梯度與第一軸的值為3.567，介于3～4之間，選擇CCA或者RDA排序均可[15]。圖1是子牙河流域94個(gè)樣地和6個(gè)環(huán)境因子為原始數(shù)據(jù)作的CCA排序圖。樣組的分布受海拔因子的影響最大，樣組Ⅰ與樣組Ⅳ處于海拔較高的山區(qū)，受人類活動(dòng)的干擾較少，樣組Ⅱ，Ⅲ處在海拔較低的平原區(qū)，護(hù)岸類型和堤外土地類型均偏向人工形態(tài)。

2.4 物種與環(huán)境因子相關(guān)性

剔除頻度小于5%的物種，共有96種植物。CCA排序圖(圖2)上明顯反映出96種植物對(duì)環(huán)境因子不同的適應(yīng)特點(diǎn)，可將96種植物分成4個(gè)組(表5)。種組Ⅰ受海拔梯度的影響顯著；種組Ⅱ護(hù)岸形態(tài)多為人工修筑且堤外土地類型以工廠、城區(qū)為主；種組Ⅲ分布在降雨量較多的平原低海拔地區(qū)，河岸形態(tài)以人工與自然混合為主。種組Ⅳ分布區(qū)的堤外土地類型以林草地、農(nóng)用地為主，河岸形態(tài)偏向于自然。

圖1 子牙河水系濱岸帶樣地與環(huán)境因子CCA二維排序圖

圖2 子牙河水系濱岸帶植物物種與環(huán)境因子CCA二維排序圖

2.5 物種的環(huán)境適應(yīng)性

應(yīng)用PASW Statistics 18軟件針對(duì)全部249種植物所屬海拔和堤外土地利用類型進(jìn)一步開展相關(guān)

性分析，58個(gè)物種與海拔高度顯著正相關(guān)，8個(gè)物種與海拔顯著負(fù)相關(guān)(表6)。8個(gè)物種與堤外土地類型顯著正相關(guān)，3個(gè)物種與堤外土地類型顯著負(fù)相關(guān)(表7)。

3 討 論

3.1 物種特征

從調(diào)查記錄物種的科別類型來(lái)看，表現(xiàn)出物種向菊科、禾本科和這樣的世界性大科集中，同時(shí)又向少種科和區(qū)域性單種科分散的特點(diǎn)[16]。

在優(yōu)勢(shì)種類型上，高海拔區(qū)域優(yōu)勢(shì)種為蘆葦、蒙古蒿、荊條、黃花蒿，蒙古蒿+黃花蒿群落具有生境適應(yīng)性強(qiáng)耐瘠薄的特點(diǎn)[17-18]，荊條是太行山區(qū)常見的小灌木。低海拔區(qū)域優(yōu)勢(shì)種為蘆葦、反枝莧、葎草。反枝莧+葎草群落具有適應(yīng)性極強(qiáng)，既喜濕潤(rùn)又喜干旱，抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)，為常見田間雜草[19-20]。優(yōu)勢(shì)種在一定程度上反映了山區(qū)和平原的物種和環(huán)境差異特征。

從物種多樣性上，山區(qū)條件受人為干擾較小，有199種植物；平原區(qū)受人類干擾程度較大，植物物種趨于單一化，僅36種。雖然山區(qū)河流物種數(shù)量較多，但是多數(shù)物種出現(xiàn)頻度低于5%，可見生境受威脅程度較高。

表5 子牙河水系濱岸帶植物(剔除低頻物種)與環(huán)境因子CCA排序分組結(jié)果

3.2 植物對(duì)環(huán)境因子的適應(yīng)性

根據(jù)植物對(duì)海拔高度的適應(yīng)性分析，平車前、鼬瓣花、金蓮花、三裂繡線菊、無(wú)芒雀麥、草地風(fēng)毛菊、多裂委陵菜、穿龍薯蕷、角盤蘭、瓣蕊唐松草、歪頭菜、蒔蘿蒿、小龍膽、茴茴蒜、蕨麻僅出現(xiàn)在高海拔地區(qū)，其中低頻出現(xiàn)在高海拔山區(qū)的物種有虎尾草、毛馬唐、鼬瓣花、歪頭菜、賴草、披堿草，與海拔顯著負(fù)相關(guān)的物種只分布在平原地區(qū)的物種有馬唐、牛筋草、苘麻、虎尾草、反枝莧、馬齒莧、鱧腸。

與土地利用顯著相關(guān)的物種有紅蓼、節(jié)節(jié)草、蒺藜、藨草、蘆葦、荊三稜、早開堇菜、薄荷、藎草、旋覆花、水苦荬，節(jié)節(jié)草、藨草、蘆葦、荊三稜、薄荷、藎草、水苦荬適應(yīng)較自然的環(huán)境，而紅蓼、蒺藜、早開堇菜、旋覆花更適應(yīng)人工環(huán)境。

與降水量的關(guān)系并不顯著，主要是因?yàn)榻邓颗c海拔梯度的變化在空間上并不一致。子牙河平原降水量平均為550 mm，在山區(qū)以五臺(tái)山為中心形成了650 mm的降水量高值點(diǎn)而山區(qū)越向西，降水量越低，樣點(diǎn)降水量最低的為350 mm。而海拔梯度與人類活動(dòng)強(qiáng)度顯著相關(guān)。另外，河岸帶植物與局地尺度上受河水補(bǔ)給的土壤水分關(guān)聯(lián)性更大。

水深對(duì)岸上的植物影響也不顯著，但是從水深與河岸形態(tài)負(fù)相關(guān)的結(jié)果來(lái)看，自然狀態(tài)的河流往往比較寬淺，而人為改造后的河流水較深。

表6 子牙河水系濱岸帶植物與海拔因子的相關(guān)性

表7 牙河水系濱岸帶植物與堤外土地類型因子的相關(guān)性

4 結(jié) 論

通過對(duì)子牙河水系濱岸帶植物群落構(gòu)成與環(huán)境因子之間的相互關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，海拔高度與堤外土地類型對(duì)群落結(jié)構(gòu)的影響最顯著。山區(qū)物種遠(yuǎn)較平原區(qū)豐富，且在樣地中低頻出現(xiàn)的物種較多，表現(xiàn)出這類物種在該水系的瀕危狀態(tài)。平原區(qū)物種以各類抗干擾的雜草居多，建議在參照研究結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)子牙河水系濱岸帶進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，注重植被多樣性配置，構(gòu)建合理、近自然的植物群落。

[1] Round F E.The Ecology of Algae[M].London: Cambridge University Press, 1981.

[2] 簡(jiǎn)敏菲,徐鵬飛,余厚平,等.樂安河—鄱陽(yáng)湖濕地植物群落分布及其環(huán)境影響因子[J].環(huán)境科學(xué)研究,2015,28(3)：408-417.

[3] 左倬,由文輝,汪冬冬.上海青浦區(qū)不同用地類型河流濱岸帶生境及植物群落組成[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2011,20(1):116-121.

[4] 龍海建,洪劍明,胡東,等.拒馬河北京段濕地植物群落的種類組成及區(qū)系分析[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,32(1):49-53.

[5] 郝占慶,郭水良.長(zhǎng)白山北坡草本植物分布與環(huán)境關(guān)系的典范對(duì)應(yīng)分析[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2003,23(10):2000-2008.

[6] 楊麗標(biāo),韓小勇,孫璞,等.巢湖藻類組成與環(huán)境因子典范對(duì)應(yīng)分析[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011,30(5):952-958.

[7] 邢瑞華.子牙河流域水環(huán)境問題及對(duì)策探討[J].河北水利,2005(10):35

[8] 董功強(qiáng).淺析子牙河流域水資源管理與保護(hù)[J].河北水利水電技術(shù),2004(3):10-11.

[9] 李濤.子牙河流域地表水與地下水聯(lián)合模擬[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2005.

[10] 中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所.中國(guó)植物物種信息數(shù)據(jù)庫(kù)[EB/OL].(2010-07-10)[2015-04-07].http:∥db.kib.ac.cn/.

[11] 中科院植物研究所.中國(guó)自然標(biāo)本館[EB/OL](2010-11-16)[2015-04-07].http:∥www.nature-museum.net/.

[12] Davenport A J, Gurnell A M, Armitage P D.Classifying urban rivers[J].Water Science and Technology, 2001,43(9):147-155.

[13] Hill M O, Gauch Jr H G.Detrended correspondence analysis: An improved ordination technique[J].Vegetatio, 1980,42(1/2/3):47-58.

[14] Leira M, Sabater S.Diatom assemblages distribution in catalan rivers, NE Spain, in telation to chemical and physiographical factors[J].Water Research, 2005,39(1):73-82.

[16] 劉瑞雪.丹江口水庫(kù)水濱帶植被特征及其與環(huán)境因素的關(guān)系[D].武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

[17] 莊瑤,孫一香,王中生,等.蘆葦生態(tài)型研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2010,30(8):2173-2181.

[18] 王晉萍,董麗佳,桑衛(wèi)國(guó).不同氮素水平下入侵種豚草與本地種黃花蒿、蒙古蒿的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[J].生物多樣性,2012,20(1):3-11.

[19] 楊允菲,王德利,張寶田,等.松嫩平原蒙古蒿無(wú)性系種群結(jié)構(gòu)的研究(英文)[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2003,12(3):8-15.

[20] 高政權(quán),孟春曉.葎草研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(31):9982-9984.

Relationship Between Plant Communities and Environment Factors in Riparian Zone Along Ziya River

LIANG Xue1,2, HE Ping2, REN Ying2, QIAN Jinping1, DAI Xia2

(1.CollegeofResourceandEnvironmentalScience,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang,Hebei050024,China; 2.StateEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofRegionalEcologicalProcessesandFunctionsAssessment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012,China)

[Objective] The study aims to find out factors that influence the plant community structure and distribution pattern in the riparian zone along Ziya river, and provide references for related research. [Methods] In June, 2013, we investigated plant community structure and six environmental factors in 94 plots including altitude, levee type and land use type outside the levee in the Ziya river system. [Results] Totally, we found 249 species, which covers 51 families and 166 genera， of which, 199 species covering 43 families and 135 genera were found in the mountain regions in the mountainous region and 36 species covering 22 families and 35 genera were found in the plain.Phragmitesaustralis,Artemisiamongolica,Vitexnegundo,Artemisiaannuawere the dominant species in the mountain rivers andP.australis,Amaranthusretroflexus in the plain rivers. The species richness in mountain was significantly higher than that in the plain areas. [Conclusion] The altitude and the land use type outside levee significantly associated with the plant community structure. Hydrothermal conditions and human activities are the main factors affecting the vegetation composition and spatial distribution.

Ziya river; plant community; environmental factor

2015-04-07

2015-05-26

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)“海河流域河流生態(tài)完整性影響機(jī)制與恢復(fù)途徑研究”(2012ZX07203-006)

梁雪(1988—),女(漢族),山西省太原市人,碩士研究生,研究方向?yàn)榄h(huán)境影響評(píng)價(jià)與規(guī)劃。E-mail:liangxue176@163.com。

何萍(1968—),女(漢族),遼寧省凌海市人,博士,研究員,主要從事流域生態(tài)研究。E-mail:heping@craes.org.cn。

A

1000-288X(2017)01-0292-05

X173