跨流域調(diào)水工程植被監(jiān)測及結(jié)果分析研究

劉曉燕

0 前言

引漢濟(jì)渭工程所涉區(qū)域?yàn)榍貛X的核心區(qū)域，而秦嶺是我國中部最重要的生態(tài)安全屏障。秦嶺是我國南北氣候、地質(zhì)、土壤、水系、生物五大自然地理要素的天然分界線，具有涵養(yǎng)水源、維護(hù)生物多樣性和水土保持等重要生態(tài)服務(wù)功能。秦嶺以南為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，歸屬于長江流域，植被基帶為北亞熱帶常綠落葉闊葉混交林，秦嶺以北為暖溫帶半濕潤半干旱季風(fēng)氣候，歸屬于黃河流域，植被基帶為暖溫帶落葉闊葉林。這種明顯的分界作用使得秦嶺對中國的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了一般山脈，秦嶺也因此被列為具有世界意義的陸地生物多樣性關(guān)鍵地區(qū)。引漢濟(jì)渭工程建設(shè)對周邊區(qū)域勢必會造成一定的擾動，開展植被監(jiān)測既可以了解工程建設(shè)對植被的影響，也可為后工程期植被恢復(fù)提供依據(jù)和建議。

1 植被的監(jiān)測方案

1.1 監(jiān)測點(diǎn)選取

分別在受工程影響最嚴(yán)重的三個(gè)水源工程區(qū)，即黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐和黃池溝配水中心，選擇最為典型的植被群落建立固定樣地（表1），通過對固定樣地內(nèi)群落物種的組成和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行定位調(diào)查監(jiān)測，掌握工程實(shí)施過程中植被群落的變化，揭示水利工程建設(shè)時(shí)期陸地植被群落演變過程。

表1 陸地植被監(jiān)測樣地的地理植被信息

1.2 監(jiān)測對象和指標(biāo)的選取

不同類型的生態(tài)系統(tǒng)中具體監(jiān)測指標(biāo)差異巨大，自然生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測一般包括生物指標(biāo)和非生物指標(biāo)兩部分。而非生物指標(biāo)更能反映人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾與破壞。相反，生物是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的主要載體，可以反映生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能狀況以及干擾對生態(tài)環(huán)境的破壞。因此，大部分生境監(jiān)測和評價(jià)工作選擇生物參數(shù)作為主要指標(biāo)來開展生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測[1]?；诖耍狙芯繛榱藴?zhǔn)確反映水利工程對工程水源區(qū)植物群落的干擾，選擇以生物指標(biāo)為主，非生物指標(biāo)為輔的原則，生物指標(biāo)具體包括種群水平和群落水平，而考慮到土壤環(huán)境和群落環(huán)境對群落結(jié)構(gòu)和功能不可忽略的作用，同時(shí)以土壤環(huán)境和群落環(huán)境作為非生物指標(biāo)開展監(jiān)測，具體見表2。

表2 陸地植被監(jiān)測對象和選取指標(biāo)

2 監(jiān)測方法

2.1 調(diào)查方案

首先確定植被群落調(diào)查的最小面積。為準(zhǔn)確了解施工區(qū)植被群落的物種組成和結(jié)構(gòu)狀況，確定其取樣監(jiān)測的最小面積是開展群落調(diào)查的第一步。確定最小面積最常用的研究方法是種—面積關(guān)系模型，具體做法為：在選定的典型植被群落內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)1200 m2（分別由12個(gè)l0 m×l0 m的相鄰格子樣方組成）的樣地，并對樣地內(nèi)的所有物種進(jìn)行定位調(diào)查，逐一記錄所有喬木、灌木、草本以及幼苗的種類、高度、坐標(biāo)位置、胸徑、郁閉度和蓋度等。同時(shí)根據(jù)野外收集的原始數(shù)據(jù)，分別把兩個(gè)1200m2的樣地劃分成11個(gè)樣地，樣地的面積符合槽式遞增的規(guī)律[2]，即 12 m2，48 m2，108 m2，192 m2，300 m2，432 m2，588 m2，768 m2，972 m2，1064～1200 m2。獲得的調(diào)查數(shù)據(jù)采用4條飽和種—面積曲線方程對最小面積以及重要值—面積曲線(IVAC)分別進(jìn)行研究，以其最終確定該植被群落監(jiān)測調(diào)查的最小面積。

在確定群落監(jiān)測的最小面積之后，分別在各監(jiān)測區(qū)域建立固定樣地。用GPS定位，并放置永久性紅色標(biāo)記，對每一株喬木樹種掛牌標(biāo)記，并記錄如下內(nèi)容：樣地生境調(diào)查監(jiān)測表（海拔、坡度、坡向、土壤特征、動物活動特點(diǎn)、人為干擾強(qiáng)度等）；群落調(diào)查監(jiān)測表（每個(gè)物種的多度、蓋度、平均高度、頻度、生活力等）；木本植物種群調(diào)查監(jiān)測表（進(jìn)行每木檢尺，主要指標(biāo)有高度、冠幅、枝下高、胸圍等）[3]；活地被物及附生植物調(diào)查監(jiān)測表（各物種的多度、蓋度和著生高度的上下限等）。每年分季節(jié)對監(jiān)測區(qū)域樣地內(nèi)群落的物種組成和特征進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查記錄。

此外，為了監(jiān)測調(diào)查土壤環(huán)境的變化，在樣地內(nèi)進(jìn)行了土壤樣品的采集，取樣方法為梅花狀取樣，每塊樣地用土壤環(huán)刀取土樣5份，并帶回實(shí)驗(yàn)室分別測定各理化指標(biāo)。按照2004年12月9日國家環(huán)境保護(hù)總局發(fā)布并實(shí)施的《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，測定土壤密度，用加熱K2Cr2O7容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量，用NH4F-HCl浸提鉬銻鈧比色法測定速效磷含量，用電位法測pH值，全N含量采用半微量克氏定氮法測定。

2.2 數(shù)據(jù)分析

為了反映群落內(nèi)物種組成及各物種對群落的貢獻(xiàn)，對在群落基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查的基礎(chǔ)上分析各物種的重要值，重要值計(jì)算公式為：重要值IV=相對高度+相對多度+相對蓋度[4]。

為反映植被群落的環(huán)境特征及其物種的適應(yīng)特征，選擇生活型譜來反映植被群落的物種適應(yīng)特征和環(huán)境特征。本研究采用應(yīng)用最廣泛的由丹麥植物生態(tài)學(xué)家C.Raunkiaer建立的分類系統(tǒng)[5]，即根據(jù)植物的外貌特征將群落內(nèi)的物種分為：高位芽植物、地上芽植物、地面芽植物、隱芽植物、一年生植物等。具體方法為：首先，弄清整個(gè)地區(qū)（或群落）所有的植被種類，列出植物具體名錄，并確定每種植物的生活型，然后把同一種生活型的植物歸并到一起。按下列公式計(jì)算：

某一生活型的百分率=該地區(qū)該生活型的植物種數(shù)/該地區(qū)全部植物的種數(shù)×100

為準(zhǔn)確反映監(jiān)測群落的物種多樣性及穩(wěn)定性，本文多樣性的測度指標(biāo)選用豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)和物種多樣性指數(shù)3類[6]。計(jì)算公式如下：

其中：Pi為種i的相對重要值，Pi=ni/N；為種i的重要值；N為種i所在樣地所有種的重要值之和；S為種i所在樣地的物種種類之和。

3 植被群落的監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 植被群落物種組成

黃金峽監(jiān)測樣地位于調(diào)水區(qū)黃金峽庫區(qū)，樣地距施工區(qū)1.6 km, 小氣候向陽、干燥，典型植被為次生灌叢為主，常見優(yōu)勢種有黃櫨（Cotinus coggygria）、狼牙刺（Sophora viciifolia）、荊條（Vitex negundo）等，并混有槲櫟（Quercus aliena）、栓皮櫟（Quercus variabilis）、鹽膚木（Rhus chinensis）等喬木樹種。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，監(jiān)測樣地包括豆科、薔薇科、忍冬科、毛茛科、菊科、樺木科、茜草科、漆樹科、殼斗科、椴樹科和唇形科等科共計(jì)36個(gè)物種，基本涵蓋了本區(qū)域的優(yōu)勢科和優(yōu)勢種，群落物種豐富度較高，物種組成和群落結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。生活型譜可以反映生境的氣候狀況和受人為活動干擾的狀況，黃金峽監(jiān)測樣地生活型依次為：高位芽植物(39.28%)，層間植物（14.28%），地上芽植物(9.51%)，地面芽植物(25%)，地下芽植物(4.71%)，一年生植物（7.14%）（圖 1）。

三河口監(jiān)測樣地位于調(diào)水區(qū)三河口庫區(qū)，樣地距施工區(qū)2.1 km，小氣候蔭蔽、潮濕，典型植被以落葉闊葉混交林為主，優(yōu)勢種有栓皮櫟、槲櫟、化香（Platycarya strobilacea）、毛梾（Cornus walteri）、臭椿（Ailanthus altissima）等。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，監(jiān)測樣地包括薔薇科、忍冬科、、毛茛科、菊科、禾本科、莎草科、山茱萸科、樟科、殼斗科、堇菜科、椴樹科、木樨科、山礬科、木通科、葡萄科、薯蕷科和蕓香科等共計(jì)48個(gè)物種，基本涵蓋了本區(qū)域的優(yōu)勢科和優(yōu)勢種，群落物種豐富度較高，物種組成和群落結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。三河口監(jiān)測樣地生活型依次為：高位芽植物(42.85%)，層間植物（12.32%），地上芽植物(8.08%)，地面芽植物(24.4%)，地下芽植物(4.20%)，一年生植物（4.08%）（圖 1）。

黃池溝監(jiān)測樣地位于受水區(qū)出水口，樣地距施工區(qū)3.2km，典型植被以落葉闊葉混交林為主，優(yōu)勢種有栓皮櫟、銳齒槲櫟（Quercusalienavar.acuteserrata）、野胡桃（Juglans cathayensis）、刺槐（Robiniapseudoacacia）等。由于本區(qū)域鄰近村落，植被受人為干擾嚴(yán)重，調(diào)查植被種?；煊忻├酰–astanea seguinii）、柿樹（Diospyros kaki）等經(jīng)濟(jì)樹種。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本監(jiān)測樣地包括豆科、薔薇科、柿樹科、胡桃科、菊科、禾本科、楊柳科、茜草科、漆樹科、殼斗科、堇菜科、薯蕷科等共計(jì)32個(gè)物種，基本涵蓋了本區(qū)域的優(yōu)勢科和優(yōu)勢種，群落物種豐富度一般，受人為干擾，物種組成和群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。黃池溝監(jiān)測樣地生活型依次為：高位芽植物(42.28%)，層間植物（10.2%），地上芽植物(6.71%)，地面芽植物(29.08%)，地下芽植物(5.57%)，一年生植物（6.14%）（圖 1）。

3.2 群落土壤理化性質(zhì)

土壤理化性質(zhì)的變化是驅(qū)動群落演替的主要因素。通過取樣分析發(fā)現(xiàn)，三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的土壤理化性狀差異不明顯，總體都偏酸性，表明其淋溶過程較強(qiáng)。另外，三河口的土壤容重較低，但總體來說，其有機(jī)質(zhì)含量、pH值、全N以及速效P含量較高，這與該區(qū)域植被群落所處的水熱條件較好有關(guān)，而黃金峽和黃池溝受自然和人為干擾原因水熱條件相對較差，所以有機(jī)質(zhì)含量、pH值、全N以及速效P含量相對較低。但總體來說，目前三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)植被群落的土壤肥力和結(jié)構(gòu)狀況均良好，后期應(yīng)持續(xù)監(jiān)測調(diào)查，以揭示工程建設(shè)對周邊土壤環(huán)境的影響。

表3 監(jiān)測樣地土壤理化性質(zhì)（采樣時(shí)間為7～9月）

3.3 群落物種多樣性

群落物種多樣性是一個(gè)群落結(jié)構(gòu)和功能復(fù)雜性的度量值，研究物種的多樣性可以更好地認(rèn)識一個(gè)群落的組成、變化以及發(fā)展過程，同時(shí)，對植物群落物種多樣性的測定也可以有效反映群落及其環(huán)境的保護(hù)狀況，這對預(yù)防和控制珍稀瀕危物種的喪失有很大的意義[7]。本文三個(gè)監(jiān)測樣地中，三河口監(jiān)測點(diǎn)水熱條件較好，群落物種多樣性最高，尤其喬木層的物種多樣性較高；黃金峽監(jiān)測點(diǎn)位于陽坡，相對干燥，群落物種多樣性相對較低，且灌木和草本層物種多樣性對群落物種多樣性貢獻(xiàn)較大；黃池溝監(jiān)測點(diǎn)因受人為干擾嚴(yán)重，物種多樣性較低，草本層物種多樣性對群落物種多樣性貢獻(xiàn)最大（表4）。注：H：Shannon 多樣性指數(shù)；R：Margalef豐富度指數(shù)；Jh：Pielou 均勻度指數(shù)；D：Simpson多樣性指數(shù)。

表4 監(jiān)測點(diǎn)植物群落物種多樣性特征

從物種多樣性角度分析，黃金峽和黃池溝區(qū)域群落的穩(wěn)定性較差，可能對環(huán)境變化敏感性強(qiáng)，尤其工程實(shí)施過程中對水環(huán)境的影響可能會影響植物群落物種組成和多樣性。

4 綜合評價(jià)

植被群落是生態(tài)系統(tǒng)中最為穩(wěn)定的生物組分，對外界的干擾抵抗力較強(qiáng)。通過本研究對植被群落的物種組成和群落結(jié)構(gòu)調(diào)查狀況來看，目前工程的實(shí)施除了不可避免的導(dǎo)致周邊部分植被面積減少外，并沒有引起群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境上的明顯變化。對比調(diào)查數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測樣地的物種組成和多樣性未發(fā)現(xiàn)明顯變化，僅少數(shù)物種多度有微小變化，與喬木和灌木相比，草本植物的多樣性變化更明顯（圖2），尤其菊科、豆科等耐旱類植物有所增加，表明工程實(shí)施可能對周邊微環(huán)境已經(jīng)造成一定影響，應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測，做好預(yù)警和恢復(fù)工作。此外，黃金峽由于處在陽坡，目前以旱生灌叢為主，但是隨著未來周邊水位的上漲，群落生境的水分限制會明顯改善，可能會深刻改變現(xiàn)有植被群落的原有生境，因此未來該植被群落可能會向中生和濕生化群落發(fā)展，后期隨著工作進(jìn)展應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)群落草本植物多樣性年際變化

5 結(jié)論與建議

通過本文調(diào)查與分析，目前工程的實(shí)施除了不可避免的導(dǎo)致周邊部分植被面積減少外，并沒有引起群落結(jié)構(gòu)和環(huán)境上的明顯變化。但是黃金峽和黃池溝區(qū)域群落的穩(wěn)定性較差，可能對環(huán)境變化敏感性強(qiáng)，尤其工程實(shí)施過程中對水環(huán)境的影響可能會影響植物群落物種組成和多樣性。建議減少工程建設(shè)對植被群落及其關(guān)鍵種的直接破壞，工程開發(fā)要盡量避開重要生態(tài)功能的植被類型，繼續(xù)加強(qiáng)植被群落的動態(tài)監(jiān)測。

[1]胡俊，沈強(qiáng)，陳明秀，池仕運(yùn)，胡菊香.生態(tài)監(jiān)測指標(biāo)選擇的探討[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2014，30(4).

[2]林宇.廣西大石圍天坑群天坑森林物種多樣性研究[D].廣西師范大學(xué)，2005.

[3]吳甘霖，黃敏毅，段仁燕，趙凱.不同強(qiáng)度旅游干擾對黃山松群落物種多樣性的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2006,12.

[4]郝朝運(yùn).瀕危植物七子花種群生態(tài)學(xué)和遺傳多樣性研究[D].浙江師范大學(xué)，2005.

[5]章家恩.生態(tài)學(xué)常用實(shí)驗(yàn)研究方法與技術(shù) [M].化學(xué)工業(yè)出版社，2006，12.

[6]吳甘霖，黃敏毅，段仁燕，趙凱.不同強(qiáng)度旅游干擾對黃山松群落物種多樣性的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26（12）.

[7]鄭鳳英，杜偉，茍學(xué)文.威海市區(qū)黑松林群落的物種多樣性特征[J].生態(tài)環(huán)境，2008，5.