四川盆地丘陵區(qū)不同類型自然溝渠植被分布特征

劉 蓮,趙 原,Matthieu Nsenga Kumwimba,汪 濤①

(1.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川 成都 610041;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.中國科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041)

溝渠作為輸水和排污的主要通道,緊密聯(lián)系居民生活廢水、農(nóng)業(yè)排水與河流湖泊[1]。植被對(duì)溝渠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的維持和生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮具有重要的支撐作用[2]。已有大量國內(nèi)外研究表明,溝渠內(nèi)植物的正常生長對(duì)污水中的氮、磷具有攔截效應(yīng),可以起到凈化水質(zhì)的功效[3-5]。植物的正常生長有賴于水分和土壤中的營養(yǎng)物質(zhì),而土地利用方式影響著土壤養(yǎng)分的遷移規(guī)律,因而不同土地利用方式影響下的植被生長狀況也會(huì)產(chǎn)生差異[6]。目前已有很多學(xué)者研究了平原地區(qū)不同土地利用方式對(duì)植物豐富度、生物量等的影響。王豐川等[7]對(duì)東平湖濕地不同土地利用方式下的草本植物特征進(jìn)行調(diào)查研究,發(fā)現(xiàn)植物物種數(shù)量從大到小表現(xiàn)為原生濕地>人工林>棄耕地。喻丁香等[8]對(duì)盈江縣內(nèi)不同土地利用方式下的野生保護(hù)植物進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn),保護(hù)植物的種密度從高到低依次為保護(hù)區(qū)>公益林>其他區(qū)域。與平原區(qū)相比,山丘區(qū)地勢(shì)起伏較大,溝渠地形、水文過程和溝渠周邊土地利用類型均有別于平原地區(qū),因而山丘區(qū)的溝渠植被分布特征也會(huì)不同于平原地區(qū)。目前,已有不少研究報(bào)道了平原地區(qū)溝渠植被的群落特征。盧濤等[9]研究了三江平原地區(qū)不同溝渠密度下的濕地斑塊植物群落的物種組成和多樣性變化;張娟紅等[10]研究了寧夏平原溝渠邊坡植物群落多樣性及其影響因子。對(duì)山丘區(qū)溝渠植被的分布特征尚未見相關(guān)報(bào)道。

四川盆地丘陵區(qū)地處長江上游腹地,地勢(shì)起伏大,年均降水量也較大,隨著降水徑流日積月累的沖刷,形成了很多天然的排水溝渠。同時(shí)為了能更好地進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與泄洪,也建造了大量的農(nóng)田排水溝渠。這些排水溝渠具有高差跌落、洼坑和小型積水的特點(diǎn),溝渠內(nèi)植被生長十分繁茂。但由于四川盆地丘陵區(qū)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)區(qū),農(nóng)村人口眾多,匯入溝渠的村鎮(zhèn)居民生活廢水具有很高的污染負(fù)荷[11],加之村民缺乏對(duì)溝渠內(nèi)植被群落的管理經(jīng)驗(yàn),任由水花生等惡性雜草生長繁殖,導(dǎo)致溝渠內(nèi)的植被并未很好地發(fā)揮其生態(tài)功能。因此,筆者對(duì)四川盆地丘陵區(qū)溝渠內(nèi)的植被類型及其分布特征進(jìn)行了較為系統(tǒng)的調(diào)查研究,探討了溝渠類型對(duì)溝渠內(nèi)植物分布特征的影響。該研究可為四川盆地丘陵區(qū)溝渠生態(tài)系統(tǒng)的植被研究、長江上游自然溝渠植物多樣性保護(hù)與利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

四川盆地丘陵區(qū)位于長江上游腹地,地處長江以北,劍閣、蒼溪、儀隴等縣以南,龍泉山以東、華鎣山以西,包括9個(gè)市地49個(gè)縣市。土地面積1 200萬hm2,耕地面積占29.5%,林地面積占21.3%,水域面積占7.5%。大部分地區(qū)海拔350～700 m。該區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,溫和濕潤,多年平均氣溫17.5 ℃,年無霜期約為320 d。多年平均降水量為1 000 mm,但年內(nèi)降水量分配不均,降水主要集中在6—9月。該區(qū)土壤以石灰性紫色土為主,主要種植水稻、玉米、小麥等農(nóng)作物[12],四川盆地丘陵區(qū)排水溝渠眾多,溝渠內(nèi)美人蕉、再力花和水竹等鄉(xiāng)土植物生長繁茂。

1.2 樣品采集

調(diào)查于2014 年6 月進(jìn)行,采樣點(diǎn)分布在綿陽、德陽、南充、遂寧、達(dá)州等地,采樣點(diǎn)分布見圖1。

圖1 四川盆地丘陵區(qū)溝渠采樣點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sampling points in the hilly area of Central Sichuan Basin

按隨機(jī)調(diào)查的方法布設(shè)采樣點(diǎn),沿省道線,每隔10 km左右調(diào)查不同類型的溝渠,所選溝渠盡量偏離主道,遠(yuǎn)離城市或工業(yè)區(qū)或畜禽集中養(yǎng)殖區(qū),每個(gè)采樣點(diǎn)均利用GPS定位。根據(jù)周邊土地利用類型的不同,將四川盆地中部丘陵區(qū)溝渠分為居民區(qū)溝渠、水田溝渠、旱地溝渠和荒地溝渠4種類型,各種類型溝渠基本特征見表1。居民區(qū)溝渠主要選擇在農(nóng)村村落或小型集鎮(zhèn)附近,采樣點(diǎn)一般布置在居民區(qū)下游(離居民區(qū)至少1 km),避免在污水集中排放點(diǎn)采樣。其他類型溝渠以源頭溝渠為主。

確定采樣溝渠后,根據(jù)溝渠地形確定采樣段面,一般選擇比較均勻的溝渠段面,段面長在50～100 m之間。根據(jù)植被的生長狀況,選擇分布均勻、有代表性的樣地布設(shè)采樣點(diǎn),用GPS記下采樣點(diǎn)的海拔等相關(guān)環(huán)境信息,同時(shí)用標(biāo)尺測量溝渠尺寸和水位,利用流速儀測定溝渠水流流速(溝渠具體特征參數(shù)如表1所示)。每個(gè)采樣點(diǎn)根據(jù)溝渠植被狀況采集植物樣方1～3個(gè),樣方面積為0.5 m×0.5 m。

表1 四川盆地丘陵區(qū)調(diào)查溝渠基本特征Table 1 The basic characteristics of the studied ditches in the hilly area of Central Sichuan Basin

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示不同溝渠類型間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

1.3 樣品分析

對(duì)分布均勻、有代表性的溝渠植被進(jìn)行抽樣調(diào)查,樣方面積為0.5 m×0.5 m,調(diào)查記錄樣方內(nèi)植物種類、優(yōu)勢(shì)種、植物鮮重、植物干重、植物蓋度等指標(biāo)。植物種類、物種數(shù)、優(yōu)勢(shì)種采用目測法測得。植物蓋度采用網(wǎng)格目測法估算,即將溝渠植被群落劃分為一定數(shù)量0.5 m×0.5 m的樣方,再對(duì)樣方逐一目視估測,取其平均值得到溝渠植被蓋度。此外,齊地刈割樣方內(nèi)所有植物的地上部分,將鮮樣分類裝入自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，采用百分之一的電子天平測其植物鮮重,再在60 ℃的烘箱中烘干至恒重,測定干重得到生物量[13]。

1.4 計(jì)算方法

由于物種多樣性指數(shù)繁多,所以選用目前國內(nèi)外普遍認(rèn)可的4種物種多樣指數(shù)來表征,即物種豐富度指數(shù)(R)、Simpson辛普森指數(shù)/優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(HP)和Pielou多樣性指數(shù)/均勻度指數(shù)(SW)[14]。計(jì)算每個(gè)樣方的植物物種多樣性指數(shù)時(shí)按照4種溝渠類型歸類,分別相加后取其平均值,得到居民區(qū)溝渠、水田溝渠、旱地溝渠、荒地溝渠的物種多樣性指數(shù)。

R=S,

(1)

D=1-Σ[Ni(Ni-1)/N(N-1)]=

1-ΣPi2,

(2)

HP=-Σ(Pi×lnPi),

(3)

SW=-Σ(Pi×lnPi)/lnS。

(4)

式(1)～(4)中,S為出現(xiàn)在樣方中的物種數(shù);Ni為第i個(gè)物種的物種數(shù);N為樣方中植物總種數(shù);Pi為第i個(gè)物種的物種數(shù)在樣方植物總數(shù)中的占比。

1.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Eecel 2013軟件分析,采用Sigma Plot 10.0軟件作圖。采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析,采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溝渠植物種類與優(yōu)勢(shì)物種分析

四川盆地丘陵區(qū)調(diào)查的72條自然溝渠中植物共有16科20種(表2),其中居民區(qū)溝渠、水田溝渠、旱地溝渠和荒地溝渠內(nèi)植物樣方分別為10、75、27和9個(gè)。調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn),所調(diào)查溝渠的優(yōu)勢(shì)物種主要有水花生、過江草、水蓼、水芹菜、野薄荷、菖蒲、茭白、野燕麥、稗草和四葉草,其中以水花生和過江草為主要的優(yōu)勢(shì)種,過江草頻度為46.09%,水花生頻度為38.26%。植物頻度從大到小依次為過江草(46.09%)>水花生(38.26%)>水芹菜(4.35%)>菖蒲(3.48%)>水蓼(1.74%)=茭白(1.74%)>野薄荷(0.87%)>野燕麥(0.87%)=四葉草(0.87%)=稗草(0.87%)。

2.2 溝渠植物物種多樣性指數(shù)

通過計(jì)算得到不同類型溝渠植物的物種多樣性指數(shù)(圖2)。4種類型溝渠的Patrick豐富度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)范圍分別在4.00～6.53、0.79～0.83、1.82～2.14和1.14～1.41之間。4種溝渠的Patrick豐富度指數(shù)大小順序表現(xiàn)為旱地溝渠>荒地溝渠>水田溝渠>居民區(qū)溝渠,且旱地溝渠豐富度指數(shù)與其他3種類型溝渠具有顯著相關(guān)性(P<0.05),說明旱地溝渠植物種類較為豐富,居民區(qū)植物種類較為簡單;4種溝渠的Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)大小順序表現(xiàn)為旱地溝渠>居民區(qū)溝渠>水田溝渠>荒地溝渠,但它們直接的多重比較結(jié)果差異不顯著;4種溝渠Shannon-Wiener多樣性指數(shù)大小順序表現(xiàn)為旱地溝渠>水田溝渠>荒地溝渠>居民區(qū)溝渠,且旱地溝渠多樣性指數(shù)與其他3種溝渠類型指數(shù)差異性顯著(P<0.05),說明旱地溝渠的植物物種數(shù)量較多;4種溝渠的Pielou均勻度指數(shù)大小順序表現(xiàn)為水田溝渠>居民區(qū)溝渠>荒地溝渠>旱地溝渠,且水田溝渠植被的Pielou均勻度指數(shù)與其他3種類型溝渠均勻度指數(shù)之間差異性顯著(P<0.05),這說明水田溝渠中的植被分布較均勻。

表2 調(diào)查溝渠植物種類及頻度特征Table 2 The plant species and frequency characteristics of the studied ditches

“—”表示溝渠中存在該植物,但頻度較低,可忽略不計(jì)。

同一幅圖中直方柱上方英文小寫字母不同表示各溝渠類型間物種多樣性指數(shù)差異顯著(P<0.05)。

2.3 溝渠植被蓋度與生物量分析

2.3.1蓋度

蓋度指植物地上部分的垂直投影面積與樣方面積之比,它可以反映植被的茂密程度和植物進(jìn)行光合作用面積的大小[15]。圖3列出了4種類型溝渠的植被平均蓋度。4種溝渠植被蓋度平均值大小順序?yàn)樗餃锨?65.12%)>居民區(qū)溝渠(40.00%)>旱地溝渠(35.63%)>荒地溝渠(27.52%)。方差分析結(jié)果表明,水田溝渠植被蓋度與其他類型溝渠植被蓋度有顯著性差異(P<0.05)。這可能與不同類型溝渠營養(yǎng)鹽狀況和水文條件有關(guān)。水田溝渠水體和沉積物養(yǎng)分含量較高[12],且長期滯水,從而導(dǎo)致水田溝渠植被覆蓋度最高;盡管旱地溝渠水體和沉積物養(yǎng)分含量也較高,但存在間歇性的干涸;而荒地溝渠不僅營養(yǎng)鹽含量較低,且存在間歇干涸,導(dǎo)致其植被覆蓋度最低。

直方柱上方英文小寫字母不同表示各溝渠類型間植被蓋度差異顯著(P<0.05)。

2.3.2生物量

生物量是評(píng)價(jià)植被群落生產(chǎn)力的重要指標(biāo),可以很好地反映濕地生態(tài)系統(tǒng)植被的生長狀況和群落的演替規(guī)律[16]。圖4列出了4種不同類型溝渠植物地上部平均生物量。

直方柱上方英文小寫字母不同表示各溝渠類型間地上部生物量差異顯著(P<0.05)。

不同類型溝渠內(nèi)植物地上部平均生物量大小順序表現(xiàn)為居民區(qū)溝渠(454.63 g·m-2)>水田溝渠(409.66 g·m-2)>旱地溝渠(361.73 g·m-2)>荒地溝渠(317.81 g·m-2),方差分析結(jié)果表明4種類型溝渠植被地上生物量之間具有顯著性差異(P<0.05)。居民區(qū)溝渠植被地上部生物量較大,主要因?yàn)榫用駞^(qū)溝渠內(nèi)的植被類型以單位面積生物量較大的植物居多,而盡管水田溝渠植被覆蓋度較大,但其植被類型以單位面積生物量較小的植物為主。

3 討論

3.1 四川盆地丘陵區(qū)溝渠植被群落狀況分析

水花生和過江草是危害性極大的入侵物種[17],作為四川盆地丘陵地區(qū)溝渠內(nèi)的主要優(yōu)勢(shì)物種,對(duì)溝渠生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成了潛在的威脅。水花生生長繁殖能力極強(qiáng),當(dāng)其入侵生長于某個(gè)區(qū)域時(shí),會(huì)快速地繁殖和生長,抑制并排擠鄉(xiāng)土植物,使植物群落物種趨于單一化,降低生態(tài)系統(tǒng)中的生物多樣性[18]。此外,其茂盛的莖葉在水域中形成厚重的墊狀物,堵塞了溝渠的水道,不僅對(duì)水流運(yùn)輸和農(nóng)田灌溉造成不利的影響,且增加了溝渠中固體類物質(zhì)的沉積,嚴(yán)重污染了溝渠水質(zhì),是目前急需防除的惡性雜草之一[19]。雖然也有一些研究表明水花生對(duì)水體有一定的凈化效果[20],但與其他植物相比其凈水能力低于蘆葦、香根草和水葫蘆等植物[21-22],且綜合危害性較大,不適于大面積生長。由于水花生和過江草的入侵,目前四川盆地丘陵區(qū)溝渠植物群落結(jié)構(gòu)已向單一化的趨勢(shì)發(fā)展,溝渠植被狀況不容樂觀。長期以往下去會(huì)對(duì)溝渠系統(tǒng)生態(tài)功能的發(fā)揮造成嚴(yán)重影響。因此,在今后溝渠植被的管理過程中應(yīng)著重關(guān)注水花生和過江草等入侵雜草的生長態(tài)勢(shì),盡量減緩繁殖能力極強(qiáng)的植物的擴(kuò)散蔓延,促進(jìn)其他多種植物的共同生長,以形成一個(gè)群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性強(qiáng)的溝渠生態(tài)系統(tǒng),為溝渠生態(tài)功能的發(fā)揮提供有利的支撐作用。

3.2 不同類型溝渠植被分布差異的原因及改進(jìn)建議

土地利用結(jié)構(gòu)和功能的不同會(huì)導(dǎo)致植被覆蓋類型及其組合規(guī)律不同,周邊土地利用類型能明顯影響溝渠內(nèi)植物的物種多樣性、蓋度和地上生物量[7,23]。有研究表明,周邊土地不同利用方式下產(chǎn)生的水源和固體類物質(zhì)中所含元素類型及含量不同,導(dǎo)致溝渠的水質(zhì)狀況和土壤組成成分不同,從而形成了不同的植物生長環(huán)境,這可能是不同類型溝渠內(nèi)植被生長狀況不同的主要原因[24]。

以植物的地上生物量來說,居民區(qū)溝渠內(nèi)植物的地上生物量較大,這是因?yàn)榫用駞^(qū)溝渠的水體主要來源于村鎮(zhèn)居民隨意排放的生活廢水和街面徑流,這些水體未經(jīng)任何處理,富含極高的氮磷養(yǎng)分[25]。氮磷是植物生長的必需營養(yǎng)元素,充足的氮磷供應(yīng)使得植物生長旺盛,生物量也明顯高于其他氮磷含量較低的水體。但是,從植物多樣性來看,人為干擾程度越高,植物多樣性越低[26]。處在居民區(qū)周邊的溝渠由于受到人類和動(dòng)物的干擾頻率高且強(qiáng)度大,再加上污染程度較大的生活污水匯入溝渠中,對(duì)溝渠中水生植物的生長會(huì)造成一定的威脅,能適應(yīng)這種環(huán)境的植物種類較少,所以使得居民區(qū)溝渠內(nèi)的植物物種豐富度較小,群落結(jié)構(gòu)也較為簡單。從溝渠植被覆蓋度來看,水田溝渠植被覆蓋度較高,荒地溝渠植被覆蓋度較低,這很大可能與周邊水田的墾殖和施肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)有關(guān)[12]。在四川盆地丘陵區(qū),當(dāng)?shù)卮迕駛兏鶕?jù)氣象變化,一般選在5—6月對(duì)夏季作物進(jìn)行播種施肥,當(dāng)降雨產(chǎn)生徑流時(shí)流露在土層表面的氮磷肥便會(huì)隨著徑流匯入周邊溝渠中,為溝渠植物生長帶去充足的養(yǎng)分。水田溝渠中水體和沉積物養(yǎng)分含量較高[12],且長期滯水,從而導(dǎo)致水田溝渠植被覆蓋度最高。而處于荒地周邊的溝渠因水源和養(yǎng)分均不足,且存在間歇干涸,導(dǎo)致溝渠內(nèi)植物的生長狀況也較其他類型溝渠植物差,植被覆蓋度較低。

周邊土地利用類型不同對(duì)溝渠內(nèi)植被的生長狀況也會(huì)造成不同的影響。為了使溝渠內(nèi)植被最大化地發(fā)揮其生態(tài)功能,建議在今后的溝渠植被管理中可人為增加溝渠內(nèi)植物的物種數(shù),保證各植物均衡發(fā)展,提高溝渠植被的抵抗力;對(duì)溝渠植被采取合適的刈割管理方式,確定恰當(dāng)?shù)呢赘顣r(shí)間、刈割頻率等,保證刈割后有利于植物的生長;對(duì)于受干擾活動(dòng)較大的居民區(qū)溝渠,應(yīng)在溝渠邊坡做好防護(hù)工作?？衫脰艡诜乐垢魃镞M(jìn)入溝渠內(nèi),減少對(duì)溝渠植被的擾動(dòng);此外,對(duì)于荒地溝渠常年干涸的情況,可采取支渠引水的方式,將水源充足的地方與荒地溝渠連接,使各溝渠常年水流不斷,保證溝渠內(nèi)植物對(duì)水分的正常需求。

總的來說,影響溝渠植物多樣性的因素還有很多,比如水的理化性質(zhì)(水溫、pH值和電導(dǎo)率等)、人為擾動(dòng)等因素,尚需結(jié)合其他因素做進(jìn)一步的分析,以更綜合地了解溝渠植被分布的差異,并制訂出全面的改進(jìn)措施,對(duì)溝渠植被的管理提供有效的科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

(1)四川盆地中部丘陵區(qū)溝渠植被狀況不容樂觀。盡管自然溝渠內(nèi)植物種類眾多,但優(yōu)勢(shì)種較少,且僅以危害性大的過江草和水花生為主,其出現(xiàn)的頻度分別為46.09%和38.26%。

(2)物種多樣性指數(shù)結(jié)果表明,居民區(qū)溝渠植物種類較為單一,優(yōu)勢(shì)種明顯,群落結(jié)構(gòu)較為簡單。旱地溝渠植物種類較為豐富,群落結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。水田溝渠和荒地溝渠植物分布較為均勻。

(3)不同類型溝渠中的植被蓋度和生物量差異顯著。其中,植被蓋度平均值大小順序?yàn)樗餃锨?居民區(qū)溝渠>旱地溝渠>荒地溝渠,植物地上部平均生物量大小順序?yàn)榫用駞^(qū)溝渠>水田溝渠>旱地溝渠>荒地溝渠。