黃壁莊水庫消落區(qū)植物自然分布特征與多樣性研究

董文鵬，陳占輝，霍巧云，史增奎

(河北省水務(wù)中心，河北 石家莊 050224)

水庫消落區(qū)是指由于水庫季節(jié)性水位漲落而使庫區(qū)周邊被淹土地周期性出露于水面的區(qū)域[1]。消落區(qū)作為陸水過渡帶，是水庫重要的生態(tài)緩沖區(qū)，具有維持庫岸穩(wěn)定、凈化水質(zhì)和維持生物多樣性等多種生態(tài)功能，對(duì)于保障水庫安全運(yùn)行具有重要意義。2019年底，我國已建成各類水庫9.8萬余座[2]，大面積的消落區(qū)面臨不同程度的生態(tài)環(huán)境不穩(wěn)定，生態(tài)調(diào)節(jié)功能低，人為活動(dòng)頻繁，存在面源或局部污染，庫岸崩塌等影響水庫防洪安全、水庫水質(zhì)和人居安全的問題。消落區(qū)植被對(duì)減少土壤侵蝕，增強(qiáng)庫岸穩(wěn)定性，降解、吸收有毒有害物質(zhì)，攔截上游來水?dāng)y帶的泥沙及陸上污染物質(zhì)進(jìn)入水庫，發(fā)揮消落區(qū)作為陸水過渡帶的生態(tài)功能有重要作用[3]。本研究依據(jù)黃壁莊水庫消落區(qū)高程、地貌等因素的變化，分析不同地貌和區(qū)域的植被分布特征，旨在為黃壁莊水庫消落區(qū)生物多樣性保護(hù)以及生態(tài)修復(fù)與重建提供科學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 黃壁莊水庫消落區(qū)概況

黃壁莊水庫屬于丘陵-平原型水庫，是滹沱河中下游大(1)型水利樞紐工程，位于河北省石家莊市鹿泉區(qū)、平山縣、靈壽縣交界處，總庫容12.1億m3，水庫正常蓄水位與征地高程為120 m，汛限水位115 m，入庫干流來水被崗南水庫攔蓄，入庫支流為冶河、南甸河。經(jīng)多年庫水位統(tǒng)計(jì)分析，黃壁莊水庫消落區(qū)確定生態(tài)修復(fù)范圍為高程114～120 m，面積28.34 km2，岸線上限長度約115.89 km，地貌主要由庫區(qū)兩岸岸坡、沖積三角洲、庫灣、灘地等組成。受建庫移民靠后安置影響，消落區(qū)內(nèi)人為活動(dòng)頻繁，部分消落區(qū)處于庫岸崩塌前緣，影響人居環(huán)境、庫岸穩(wěn)定及臨水基礎(chǔ)設(shè)施安全。水庫已運(yùn)行60余年，消落區(qū)內(nèi)植被經(jīng)長時(shí)間自然演替形成了較為穩(wěn)定的植被群落，且郁閉度高。但部分區(qū)域村民私圍濫墾面積上千畝(15畝=1 hm2)，大范圍開墾造成消落區(qū)自然植被破壞及土壤侵蝕，農(nóng)業(yè)耕作使用的農(nóng)藥、化肥直接污染水庫水質(zhì)。

2 研究方法

2.1 樣方布設(shè)

于2021年6—8月采用典型取樣法進(jìn)行野外調(diào)查。為了使所選擇的樣點(diǎn)具有代表性，能夠體現(xiàn)和代表消落區(qū)植物生長環(huán)境，且使選取的樣點(diǎn)周邊受環(huán)境影響最小，在水庫周圍根據(jù)地貌共設(shè)置了4個(gè)采樣帶，分為右岸泥質(zhì)消落區(qū)、左岸泥質(zhì)消落區(qū)、左岸沙質(zhì)消落區(qū)、三角洲消落區(qū)，基本涵蓋了水庫的上、中、下游區(qū)域。

2.2 植被調(diào)查

樣方高程在114～120 m區(qū)間，采用典型植被隨機(jī)樣方法，在每個(gè)采樣帶選擇具有明顯代表性的植被區(qū)域，采取隨機(jī)或?qū)蔷€的方法設(shè)置5～9個(gè)樣方。喬、灌木樣地采用5 m×5 m的樣方，草本樣地采用1 m×1 m的草本調(diào)查樣方，記錄樣方內(nèi)物種數(shù)量、蓋度、多度等指標(biāo)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

重要值是一個(gè)綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)，用來評(píng)價(jià)群落中各物種的相對(duì)重要性。首先運(yùn)用Excel 2010軟件對(duì)調(diào)查樣方內(nèi)的植物進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并分別按公式(1)～(6)計(jì)算出頻度、相對(duì)頻度、蓋度、相對(duì)蓋度、密度和相對(duì)密度，再按公式(7)計(jì)算出重要值。公式分別為

頻度(%)=出現(xiàn)某物種的樣方數(shù)/全部樣方數(shù)

(1)

(2)

蓋度(%)=樣方內(nèi)某物種垂直投影面積/樣方面積

(3)

相對(duì)蓋度(%)=某物種蓋度/所有物種總蓋度

(4)

密度=樣方中某物種數(shù)量/樣方面積

(5)

相對(duì)密度(%)=某物種密度/所有物種密度

(6)

物種重要值(%)=(相對(duì)頻度+相對(duì)蓋度+相對(duì)密度)/3

(7)

在重要值的基礎(chǔ)上計(jì)算Gleason豐富度指數(shù)(R)、Shannon-Wiener指數(shù)(H′)、Pielou均勻度指數(shù)(E)、Simpson指數(shù)(D)[4-5]，公式為

R=S/lnA

(8)

(9)

E=H′/lnS

1906年4月18日凌晨05時(shí)12分，舊金山的居民不同程度地被一強(qiáng)烈的震動(dòng)或巨大的呼嘯聲喚醒，從床上跌撞下來，許多人不能在地板上站穩(wěn)，他們的建筑開始劇烈搖晃。以舊金山近海的震中為起始點(diǎn)，該地震以朝西北和東南兩個(gè)方向使圣安德烈斯斷層破裂，強(qiáng)烈震撼了整個(gè)加州北部海岸。觀察細(xì)心的人士報(bào)告說強(qiáng)烈震動(dòng)持續(xù)了45～60s。許多可靠的觀察員還報(bào)告了兩個(gè)相隔25～30s的強(qiáng)烈震動(dòng)脈沖（可能是大破裂的子事件）。該地震被當(dāng)?shù)氐?臺(tái)地震儀和世界各地的90個(gè)臺(tái)站（作為不斷增多的全球地震臺(tái)網(wǎng)的一部分）記錄到。第二天，《紐約時(shí)報(bào)》用頭版刊登了在奧爾巴尼的紐約州博物館記錄的1906年地震的地震圖。

(10)

(11)

式中：S為物種數(shù)量；A為樣方面積；Pi為第i種植物的重要值。

從不同地貌、高程、生境類型等角度對(duì)植物優(yōu)勢(shì)科、屬、種及生活型組成、優(yōu)勢(shì)度進(jìn)行植被群落結(jié)構(gòu)特征分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 消落區(qū)植物種類組成特征

植物種類組成是植物多樣性的根本，更是生物多樣性的重要支撐。本次調(diào)查共記錄到黃壁莊水庫消落區(qū)被子植物44科99屬130種。按生活型統(tǒng)計(jì)，喬木共計(jì)6科10屬10種；灌木共計(jì)8科8屬8種；草本植物共計(jì)38科90屬112種，包括一、二年生草本23科51屬67種，多年生草本24科39屬45種。草本植物中有水生植物13科13屬18種，其中挺水植物10種，浮水植物3種，沉水植物5種。黃壁莊水庫消落區(qū)植物種數(shù)以草本植物占比最大，而一、二年生草本約占植物總種數(shù)的50%。

根據(jù)表1與表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，黃壁莊水庫消落區(qū)植物中含10種及以上植物種數(shù)的科總計(jì)3科，包括菊科(11屬17種)、禾本科(12屬17種)、蓼科(2屬10種)，占總科數(shù)的6.82%，但包含的植物種數(shù)占到植物總種數(shù)的33.85%，是消落區(qū)的優(yōu)勢(shì)科；含5～9種植物的科共計(jì)5科，包括藜科(3屬5種)、十字花科(8屬8種)、豆科(6屬7種)、旋花科(4屬5種)、莎草科(3屬5種)，占總科數(shù)的11.36%，包含的物種數(shù)占植物總種數(shù)的23.08%；含3～4種植物的科共計(jì)6科，占總科數(shù)的13.64%，包含的物種數(shù)占植物總種數(shù)的16.15%；

表1 黃壁莊水庫消落區(qū)植物科、屬組成統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表2 黃壁莊水庫消落區(qū)植物優(yōu)勢(shì)屬

含2種及以下植物種數(shù)的科共30科，占總科數(shù)的68.18%，包含的物種數(shù)占植物總種數(shù)的26.92%。

3.2 不同類型消落區(qū)生物多樣性指數(shù)

在所劃分的4個(gè)調(diào)查樣帶中，木本植物出現(xiàn)頻度較高的為旱柳、楊、白榆等。由于消落區(qū)喬木群落和灌木群落類型和分布面積相對(duì)較少，群落結(jié)構(gòu)也較簡單，因此不再對(duì)其進(jìn)行物種多樣性分析，僅對(duì)草本植物進(jìn)行分析。

3.2.1 植物種類的頻度

由圖1可知，右岸泥質(zhì)消落區(qū)草本植物出現(xiàn)頻度較高的有苘麻、水蓼、水稗、狗牙根、委陵菜等；左岸沙質(zhì)消落區(qū)草本植物出現(xiàn)頻度較高的有蒼耳、水蓼、鬼針草、水稗、艾蒿等；左岸泥質(zhì)消落區(qū)草本植物出現(xiàn)頻度較高的有水稗、水蓼、苘麻、扁稈藨草、菟絲子等；三角洲消落區(qū)草本植物出現(xiàn)頻度較高的有水稗、水蓼、苘麻、菟絲子、蘆葦、蒼耳等。

整個(gè)黃壁莊水庫消落區(qū)草本植物出現(xiàn)頻度較高的有水蓼、水稗、苘麻、蒼耳、蘆葦、鬼針草、菟絲子、扁稈藨草、狗牙根、委陵菜、翼果薹草、艾蒿、野大豆等，其中水蓼、水稗、苘麻呈現(xiàn)明顯的優(yōu)勢(shì)，是黃壁莊水庫消落區(qū)中絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)種。

3.2.2 重要值

由圖2可知，不同類型消落區(qū)的優(yōu)勢(shì)種存在明顯差異。根據(jù)樣方調(diào)查結(jié)果，右岸泥質(zhì)消落區(qū)共調(diào)查到草本植物29種，重要值≥5%的植物種有狗牙根、苘麻、扁稈藨草、水稗、白茅、蘆葦；左岸泥質(zhì)消落區(qū)共有31種草本植物，重要值≥5%的植物種有水稗、狗牙根、披堿草、蘆葦、水蓼、田旋花、葎草；左岸沙質(zhì)消落區(qū)共有32種草本植物，重要值≥5%的植物種有苘麻、水稗、水蓼、扁稈藨草、艾蒿、蘆葦；三角洲消落區(qū)共有35種草本植物，重要值≥5%的植物種有水稗、水蓼、翼果薹草、苘麻、蘆葦。

整個(gè)黃壁莊水庫消落區(qū)中，依重要值分析，菊科、禾本科、蓼科植物占優(yōu)勢(shì)地位。樣地內(nèi)重要值≥5%的草本植物有6種，占草本植物總種數(shù)的10.17%，貢獻(xiàn)了62.43%的重要值。重要值排名前6的物種分別是水稗、水蓼、苘麻、狗牙根、蘆葦、扁稈藨草。

3.2.3 多樣性指數(shù)

由表3知，在4種消落區(qū)類型中，物種豐富度最高的為左岸沙質(zhì)消落區(qū)，Gleason豐富度指數(shù)為15.388 8；其次為三角洲消落區(qū)，Gleason豐富度指數(shù)為14.596 1；再次為左岸泥質(zhì)消落區(qū)，Gleason豐富度指數(shù)為13.463 1；最低的為右岸泥質(zhì)消落區(qū)，Gleason豐富度指數(shù)為10.988 8。Simpson指數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)均以左岸泥質(zhì)消落區(qū)為最大，由此可知，不管優(yōu)勢(shì)種還是稀有種，左岸泥質(zhì)消落區(qū)均較多。從物種Pielou均勻度指數(shù)來看，右岸泥質(zhì)消落區(qū)物種分布最均勻。

根據(jù)黃壁莊水庫消落區(qū)所調(diào)查草本樣方，黃壁莊水庫消落區(qū)草本植物Gleason豐富度指數(shù)為15.686 5，Simpson 指數(shù)為0.920 8，Shannon-Wiener指數(shù)為2.960 8，Pielou均勻度指數(shù)為0.480 4。

3.3 不同水位的物種重要值

在消落區(qū)高水位調(diào)查到38種植物，低水位僅發(fā)現(xiàn)29種植物，高水位的物種多樣性要高于低水位。在消落區(qū)高水位重要值較高的葎草、野大豆等很多物種在低水位并未被發(fā)現(xiàn)，且不同水位的優(yōu)勢(shì)種也有較大區(qū)別。高水位中按照重要值大小排序前4名依次是艾蒿、蘆葦、披堿草、苘麻(見表4)，低水位中按照重要值大小排序前4名依次是狗牙根、水稗、水蓼、扁稈藨草(見表5)。

表4 高水位不同草本植物的物種重要值(前10名)

表5 低水位不同草本植物的物種重要值(前10名)

黃壁莊水庫消落區(qū)以一年生草本、二年生草本和多年生草本3類生活型居多，也分布有少量灌木和小喬木。在低水位一年生草本占據(jù)優(yōu)勢(shì)，而在高水位多年生草本的占比較高。這是由于消落區(qū)低水位區(qū)域露出地面的時(shí)間更短，且水陸無規(guī)律交替頻繁，一年生草本能夠在水位下降時(shí)迅速占據(jù)有利空間發(fā)芽生長，以最短的時(shí)間完成生命周期，并產(chǎn)生下一代種子；而高水位區(qū)域露出地面的時(shí)間更多，相對(duì)于一年生草本植物每年都要重新經(jīng)歷發(fā)芽生長的全生命周期來說，多年生草本能夠利用原有根系更快生長，并占據(jù)更多的生長空間和資源養(yǎng)分，更具有種群優(yōu)勢(shì)。

3.4 植被群落類型多樣性

由表6知，黃壁莊水庫消落區(qū)植被群落類型31種，除楊樹人工林群落、刺槐人工林群落和蓮群落外其他均為自然群落，其中喬木群落4種、灌木群落7種、草本群落20種，草本群落占主體地位，約占總體群落類型的64.52%。群落按生境類型統(tǒng)計(jì),濕生或水生群落19種,陸生群落12種,其中蘆葦群落、水蓼群落、扁稈藨草群落、水稗群落等濕生群落類型常隨水位變化，既占據(jù)陸生生境又占據(jù)水生生境，表現(xiàn)出較明顯的多態(tài)適應(yīng)性。

表6 黃壁莊水庫消落區(qū)植被群落類型統(tǒng)計(jì)(按生境類型統(tǒng)計(jì))

4 結(jié)論與討論

黃壁莊水庫消落區(qū)約有被子植物44科99屬130種，以草本植物為主，其中菊科、禾本科和蓼科為優(yōu)勢(shì)科，水蓼、水稗、苘麻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種，蒼耳、蘆葦、鬼針草、菟絲子、扁稈藨草、狗牙根也占有較高優(yōu)勢(shì)度。在低水位區(qū)一年生草本植物占據(jù)優(yōu)勢(shì)，隨高程增加多年生草本植物的優(yōu)勢(shì)度呈明顯增加趨勢(shì)，直至高于征地高程的庫岸喬灌木本植物成為優(yōu)勢(shì)種，由此植被群落組成也表現(xiàn)出明顯的由水生、濕生向中生、旱生分布的趨勢(shì)。消落區(qū)分布有植被群落31種，以草本群落為主，濕生、水生群落占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。

黃壁莊水庫左岸沙質(zhì)消落區(qū)物種豐富度指數(shù)最高，左岸泥質(zhì)消落區(qū)的多樣性指數(shù)最高,右岸泥質(zhì)消落區(qū)物種分布均勻度最高，總體上左岸的物種多樣性高于右岸和三角洲。植物多樣性組成常受海拔、地貌、土壤及人為干擾狀況等多因素影響，水庫左岸區(qū)坡度陡,高程變化大,地貌類型多樣,水生、濕生、中生和旱生植物均有較多分布；右岸區(qū)以平緩?fù)怂疄┑貫橹?，植物組成上中生和旱生植物分布較少，物種分布也最均勻；三角洲區(qū)坡度平緩，地貌類型單一，若無人為干擾，易于發(fā)育成良好的原生濕生和水生植被，目前由于普遍開墾，對(duì)其物種多樣性影響程度較高。

消落區(qū)主要出露時(shí)間為5—9月，屬于本區(qū)的夏季，植物種類變化難以表現(xiàn)出通常的季節(jié)變化。但由于此期熱量高，且灘地水分充足，土壤肥沃，有機(jī)質(zhì)含量多為3～6 g/kg，因此植物生長繁茂。由于不同植物生長速度的差異，群落外貌和不同植物種類的優(yōu)勢(shì)度仍表現(xiàn)出顯著的季相變化。如下游三角洲區(qū)域的野大豆，在6—8月逐漸演替為群落優(yōu)勢(shì)種，部分區(qū)域的植被也由蒼耳、苘麻等群落演替為野大豆群落。此外，一些多年生植物如蘆葦、荻、芒、狗牙根等在一年生植物群落中的優(yōu)勢(shì)度也有增加的趨勢(shì)。因此，對(duì)消落區(qū)生態(tài)修復(fù)應(yīng)合理分區(qū)，對(duì)地勢(shì)高、水淹時(shí)間短的區(qū)域應(yīng)適當(dāng)控制一年生植物的生長，或采取一定的人為栽植措施，逐漸使其演替為多年生耐水淹植被，增強(qiáng)灘地的防護(hù)能力。

總體上，黃壁莊水庫消落區(qū)多年生草本植物和喬灌木本植物在其適生區(qū)域重要值偏低，因此消落區(qū)植被修復(fù)方向可以按高程選擇適合的多年生草本植物或喬灌樹種，尤其是應(yīng)種植或恢復(fù)護(hù)岸林、護(hù)坡灌叢、灘地蘆葦群叢和灘地狗牙根群叢等，以增加本區(qū)優(yōu)勢(shì)植被群落的面積，從而增強(qiáng)消落區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。