湖北省濕地植物多樣性調查與生態(tài)修復策略研究

劉德榮，吳 瀾，劉 蘭，黃曉蓉，龔 娟，廖 芮，廖 晶，杜 斌，柯 俊

(中建三局工程設計有限公司，湖北 武漢 430000)

濕地是自然保護地生態(tài)保護的重要建設板塊，在經濟快速發(fā)展的當下，可合理、科學地解決濕地自然保護與地區(qū)開發(fā)間的矛盾[1]。湖北作為全國濕地大省，湖北地區(qū)內的湖泊分布廣泛，湖泊數量也相比其他地區(qū)甚為繁多，湖北省的濕地區(qū)域數量在全國排名第三，濕地面積總量在全國躍居首位，這種客觀條件使得對湖北省濕地進行研究具有更加重要的生態(tài)理論意義和生態(tài)保護實踐價值。

然而，目前關于湖北省濕地的研究相對匱乏，關于湖北省濕地的分布特征及其影響因素的相關研究幾乎未涉及?；谥参锒鄻有员Ｗo的濕地修復研究雖有不少，但多偏重于濕地物理生境構建與植被群落恢復，且未見有關在合理布置研究點的基礎上利用算法、函數等進行科學量化的研究[2-4]。許多基于植物多樣性的濕地生態(tài)保護工作均存在研究植物品種單一、未統(tǒng)籌考慮水域生態(tài)系統(tǒng)整體恢復等問題；而科學合理的物種搭配是受損生態(tài)系統(tǒng)科學修復的關鍵技術核心[5-6]。由于我國濕地生態(tài)修復技術理論和實踐積累不足，致使湖北省濕地恢復過程中植物群落的快速重建缺乏指導與有效參考[7]，使得濕地生態(tài)修復目標的實現更加困難。將機器學習應用于分布式任務調度算法和分布式設備協(xié)調算法中，基于此對分布式任務調度算法和分布式設備協(xié)調算法進行實驗驗證[8]，該研究思路對湖北省濕地生態(tài)修復策略研究具有借鑒價值。

本研究在對湖北省各濕地區(qū)域的調查樣點合理布設的基礎上，對湖北省濕地進行數據可視化研究。首先采用ArcGIS核密度分析法來研究樣點的分布規(guī)律，其次用多樣性指數算法對臨港濕地的浮游植物做出評價，在物種多樣性和譜系多樣性下以PSV(Phylogenetic species variability)和PSE(Phylogenetic species evenness)指數來計算湖北省濕地植物多樣性特征。在此研究前提下得出基于植物多樣性調查的湖北省濕地生態(tài)修復策略。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況與調查樣點布設

湖北省地處我國中東部，地跨東經108°21′42″～116°07′50″，北緯29°01′53″～33°6′47″，土地總面積18.59萬km2。地勢總體上呈東、西、北三面環(huán)山，中間低平且向南敞開的不完整盆地。其中，山地占比56%，丘陵占比24%，平原湖區(qū)占比20%。境內河流骨干為長江，支流有漢江、沮水、漳水、清江、東荊河、陸水、灄水、倒水、舉水、巴水、浠水、富水等。湖泊主要分布在江漢平原，其中包含天然湖泊755個，湖泊水面面積合計達2 706.851 km2。

湖北省濕地植物多樣性調查樣點布設如圖1所示。

圖1 湖北省濕地調查樣點布設Fig.1 Layout of wetland survey sample points in Hubei Province

在該調查樣點分布圖中，綠色實心點即為所選擇的濕地分布樣點，共設置采樣點位66個，其中武漢6個、黃石1個、十堰6個、荊州6個、宜昌8個、襄陽6個、荊門5個、孝感5個、黃岡9個、咸寧6個、隨州3個、恩施1個、仙桃1個、天門1個、潛江1個、神農架1個。所布設的各調查點位均設置在水體濱岸淺水區(qū)(深度<1.0 m)，以便綜合測量濕地植物多樣性。

1.2 調查樣點數據處理方法

運用核密度分析法進行調查樣點的布設探究，運作原理如圖2所示。

由圖2可知，核密度分析法首先要對所獲取的樣本區(qū)域進行獨立成分分析，再對所獲取的樣本進行收斂成功與否的判定，若收斂成功，即對所獲取的樣本進行多維核密度估計，并進行取樣，恢復樣本的相關性；若收斂未成功，則再對樣本進行多維核密度估計，取樣后無需恢復樣本相關性，直接與另一結果共同進行混合樣本處理，便可結束核密度分析流程[4，9]。

本研究在ArcGIS 10.3下建立并運行了湖北省國家濕地空間數據庫，利用核密度分析工具對湖北省各城市濕地區(qū)域的分布分區(qū)域進行熱點范圍內的可視化數量探測，以進行核密度分布探測分析。核密度分析方法通過現有的距離衰減函數來科學度量并縝密研究獲取要素密度的即時變化特征[10]，根據此結果來深度探索空間多方位全領域中的樣本熱點分布概況和樣本分布變化特征。

圖2 核密度分析法運作原理Fig.2 Operation principle of kernel density estimation method

利用Shannon-Wiener(H′)多樣性指數、Margalef(D′)豐富度指數、Simpson(D)多樣性指數、Pielou(J)均勻度指數，對湖北省濕地浮游植物在公式算法基礎上作出數據化評價。各多樣性指數計算方法分別為：

H′=-∑(Ni/N)log2(Ni/N)

(1)

D′=(S-1)/lnN

(2)

(3)

J=H′/lnS

(4)

式中：Ni為第i種植物個體數；N為植物個體總數；Pi為第i種植物個體數占植物個體總數的百分比，即Pi=Ni/N；S為總類數。

由于本研究中被子植物多樣性同時包括了物種多樣性和譜系多樣性2個方面的研究模塊。湖北省濕地植物多樣性以植物豐富度和Shannon-Wiener指數表示，分別通過R 3.6.1軟件中vega軟件包的“specnumber”和“diversity”函數來計算多樣性特征。譜系樹是通過V.PhyloMaker軟件包中的“phylo. maker”函數來構建特征空間分布變量狀態(tài)。譜系多樣性用PSV指數和PSE指數來表示函數關系變量，分別通過R 3.6.1軟件中picante軟件包中的“psv”和“pse”函數來計算指數值[11]。在此基礎上，利用指數函數分別計算不同粒度上每個垂直層次的物種和譜系多樣性變化規(guī)律與特征，通過t檢驗來比較組塊分布間的細微差異，在多重比較下通過得出的P值為發(fā)現率驗證方式提供科學性、系統(tǒng)性的校正[12-13]。

2 結果與分析

2.1 湖北省濕地面積分布特征

通過湖北省濕地調查樣點布設(圖1)可知，湖北省濕地分布概況總體上為鄂西分布相對較少，鄂中以及鄂東的濕地分布相對較多，此分布結果與湖北省整個地勢呈自西向東的傾斜具有內在一致性。湖北省各城市的濕地總面積明細和濕地分布占比如圖3和圖4所示。

圖3 湖北省各城市濕地總面積Fig.3 Total wetland area of cities in Hubei Province

從圖4中可以看出，在湖北省的17個地級城市中，黃岡、宜昌市的濕地建設區(qū)域數量最多，分別為9個和8個，武漢、荊州、襄陽、咸寧、十堰市并列第三，數量均為6個，這些地級市的濕地區(qū)域總數占全省的71.21%；鄂州市無濕地區(qū)域分布，神農架、恩施、仙桃、天門、潛江市濕地區(qū)域建設數量均僅為1個。湖北省濕地資源極其豐富，因此對國家濕地區(qū)域有關申報的積極性相較于其他省份更高，湖北省濕地總面積在全國排名靠前。在湖北省17個地市中，黃岡、宜昌市濕地總面積最大，武漢、荊州、襄陽、咸寧、十堰市濕地總面積次之，這些城市的濕地區(qū)域面積總數相加達到湖北省濕地總面積的71.2%；其他如鄂州市無濕地區(qū)域建設，仙桃、神農架、潛江、恩施以及天門等城市的濕地區(qū)域面積總數相對較少。究其原因，除十堰市外，濕地區(qū)域分布較多的城市幾乎均地處鄂東沿江平原和江漢平原，這些區(qū)域的一大優(yōu)點就是水資源非常豐富，對于植物多樣性的維護建設極具優(yōu)勢，也為濕地區(qū)域的產生、建設和維護創(chuàng)造了便利條件。

圖4 湖北省各城市濕地分布占比Fig.4 Wetland distribution proportion of cities in Hubei Province

2.2 湖北省濕地植物群落特征

湖北省濕地浮游植物各門類分布如圖5所示。

圖5 湖北省濕地浮游植物各門類分布Fig.5 Phyla distribution of wetland phytoplankton in Hubei Province

湖北省濕地浮游植物共計有7門62屬110種(其中包含若干數量未被鑒定種)，從圖5可以看出，綠藻門種類數量最多，占比達37.27%，其次分別是硅藻、藍藻等。金藻、隱藻、甲藻的種類數量最少。由此可知，浮游植物的密度范圍為632×104～2 646×104個/L，均值達1 620×104個/L；植物量為0～1.80 g/m2(均值為0.60 g/m2)。

2.3 湖北省濕地植物多樣性分析

湖北省各城市濕地植物多樣性指數的單因素方差顯著性分析如圖6所示。

圖6 湖北省各城市濕地植物多樣性指數Fig.6 Wetland plant diversity index of cities in Hubei Province

由圖6分析表明，湖北省各城市植物多樣性的Shannon-Wiener指數的平均值在0.86～3.35范圍，Simpson指數平均值在0.27～0.78范圍，Margalef指數平均值在1.49～3.38范圍，Pielou指數平均值在0.25～0.77范圍。在所有城市中，黃岡市、武漢市、宜昌市的植物多樣性最好，神農架、仙桃和黃石的植物多樣性最差。但是，僅從一個單一維度來參考植物多樣性分布將存在誤差，因為該城市濕地總面積或者數量較少也會影響到物種多樣性，因此，結合圖4(湖北省各城市濕地分布占比)可全方位、多領域地考察植物多樣性。分析結果表明，恩施、武漢、襄陽市的植物多樣性最優(yōu)。

2.4 湖北省濕地植物生活型及生態(tài)型分析

對湖北省濕地植物的生活型進行分析，植物長期適應某一生存環(huán)境條件后，通過生理、結構以及外部形態(tài)的變化便可很直觀地反映出植物對其所處的生存環(huán)境的適應性強弱。通過參照RaunKiaer的植物生活型分類法并依據濕地保護區(qū)內植物生活周期特點，將湖北省濕地雜草植物分為六大類(圖7)。

圖7 湖北省濕地植物生活型分析Fig.7 Life forms of wetland plants in Hubei Province

由圖7可知，草本植物是湖北省濕地區(qū)域中植物生活型的主體性存在，共計96種(占總種數的74.78%)，其中，多年生草本數量有68種(占總種數的57.43%)，如小林堿茅、矮大黃、橡膠草以及布爾根河霸王等；2年內生草本數量有24種(占總種數的17.35%)，例如硬萼軟紫草、地錦以及草木犀等；灌木數量有19種(占總種數的14.29%)，如多枝檉柳、白皮錦雞兒以及落花薔薇等；半灌木數量有11種(占總種數的7.73%)，如大葉白麻、戈壁藜等；寄生植物有2種(占總種數1.55%)，為鹽生肉蓯蓉和肉蓯蓉；喬木有2種(占總種數的1.59%)，分別是胡楊和疏齒柳。

對湖北省濕地植物的生態(tài)型進行分析，由于植物對水分及鹽分的適應性不同，可根據此差別將植物分為旱生、中生、鹽生以及濕生4類(圖8)。

圖8 湖北省濕地植物生態(tài)型分析Fig.8 Ecotypes of wetland plants in Hubei Province

由圖8可知，湖北省濕地植物生態(tài)型以旱生植物為主，共50種(占總種數的39.68%)，其次為中生植物，共49種(占總種數的38.89%)，鹽生植物有19種(占總種數的15.08%)，濕生植物最少，僅8種(占總種數的6.35%)。

將該地區(qū)植物生態(tài)型與生活型結合分析發(fā)現：(1)旱生植物分布最廣，如蛇麻黃、沙拐棗、合頭草等，主要分布在保護區(qū)內的礫石戈壁、荒漠平原、干旱的山間低地與干河谷；(2)中生植物如多型大蒜芥、白毛花旗桿、紅干酸模、長毛莢黃耆、掌葉多裂委陵菜等，主要分布在保護區(qū)內核心區(qū)基地周圍以及部分緩沖區(qū)周圍；(3)鹽生植物如木本補血草、鹽角草等，主要分布在保護區(qū)內土壤較潮濕的鹽土或結皮鹽土的鹽漬化或輕鹽漬化草甸區(qū)域；(4)濕生植物如水蔥、長芒棒頭草、具剛毛荸薺、海乳草等，主要分布在保護區(qū)北部、東北部局部地段,由于泉水溢出而形成小面積的水域或濕地。

3 結論

基于ArcGIS核密度分析法、多樣性指數計算法以及PSV和PSE指數計算法的植物多樣性分析的湖北省濕地生態(tài)修復調查，量化植物多樣性研究中的抽象指標，助力湖北省濕地生態(tài)修復策略。該研究方法的優(yōu)勢在于對湖北省各城市濕地分布進行科學布點的基礎上，通過量化特征性能和實證科學研究，在數字基礎上出具有理論依據和數據依據的標準化決策。湖北省濕地區(qū)域分布具有非常明顯的空間集聚分布特征，且湖北省濕地生態(tài)建設既有理想的發(fā)展條件，也有樂觀的發(fā)展?jié)摿?。研究結果表明，在湖北省濕地生態(tài)系統(tǒng)的自我調節(jié)功能受損后，主要從濕地基本功能、濕地植物多樣性及濕地結構規(guī)劃3個方面進行修復。利用生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復能力來恢復天然的濕地生態(tài)系統(tǒng)，并以植物多樣性保護為切入點，循序漸進地修復濕地生態(tài)。為此，對湖北省濕地采取的修復策略主要是科學規(guī)劃植物分布、全方位進行清淤截污，合理控制水位變化等策略。受制于目前可獲取的原始數據資料的有限性，本研究中實證結果所具有的代表性和客觀性有待加強。但是，將ArcGIS核密度分析法、多樣性指數計算法等數學思維方式運用于湖北省濕地生態(tài)修復構建極具突破性探究，不僅為湖北省濕地植物多樣性調查以及濕地生態(tài)修復貢獻決策依據，也為有關植物多樣性調查和濕地生態(tài)修復等相關研究提供理論借鑒和技術啟發(fā)。