三峽庫區消落帶植被生態學特征分析

胡 波，張平倉，任紅玉，羅慧敏，岑 奕

（長江科學院水土保持研究所，武漢 430010）

三峽庫區消落帶植被生態學特征分析

胡 波，張平倉，任紅玉，羅慧敏，岑 奕

（長江科學院水土保持研究所，武漢 430010）

以重慶忠縣石寶寨三峽庫區消落帶為典型案例區，探討了庫區消落帶生物多樣性指數沿坡面的梯級分布格局，并通過典范對應分析探討消落帶植被生態學特征與環境要素的關聯，界定三峽大壩低水位階段影響消落帶植被生態學特征與恢復能力的關鍵環境因子。相關研究結果表明：庫區消落帶植被的生物多樣性指數隨坡面高程變化呈現一定的空間異質性；消落帶植被的分布與土壤物性、河邊距以及海拔等環境要素具有一定的關聯。

三峽大壩；消落帶；生態特征；生物多樣性指數；典范對應分析

由于三峽大壩“蓄清排渾”的運行調度模式引起年內30 m的水位落差，從而在三峽庫區形成面積為348.93 km2的消落帶，由此成為目前我國面積最大的水庫消落帶，也是我國少數幾個水位漲落違反河流自然洪枯規律的水庫消落帶之一［1］。消落帶具有獨特的地理特征和功能屬性，是屬水陸生態系統間的過渡性系統，具有承上啟下的紐帶作用。受庫區水位周期性漲落的影響，消落區成為庫區生態系統中能量與物質流動的活躍地帶，對外界擾動的響應非常敏感，具有生態脆弱性和不穩定性［2］，當其受到的外界擾動超過系統承受閾值，將會導致消落帶功能退化與損害，進而誘發系列生態環境問題。隨著三峽庫區大面積消落帶的出現，系列生態環境問題也隨之產生，生物多樣性銳減，水土流失加劇，生態緩沖帶功能減弱，嚴重威脅庫區的生態景觀和環境安全［3，4］。三峽水庫消落帶問題已引起了國際社會的普遍關注。而目前，生物多樣性變化與生態系統功能已成為國際上生物多樣性研究的主要熱點問題之一［5］?；诖?，本論文選擇三峽庫區消落帶重慶忠縣區段為案例區，探討三峽庫區消落帶植被生態學特征，揭示三峽大壩建設下的消落帶生物多樣性變化規律。

1 數據和方法

1.1 研究區

2009年7－8月，通過選擇三峽庫區重慶忠縣（107°32′－108°14′，北緯30°03′－30°53′）石寶寨典型斷面實施野外考察，開展三峽庫區消落帶植被生態特征及環境因子調查。其中，植被生態特征指標包括物種數、高度、蓋度、生物量（干重、濕重），環境因子包括海拔、土壤含水量、空氣溫濕度、土層厚度、坡度等指標。

1.2 野外調查

1.2.1 樣方及樣帶設置

樣點及樣帶的設置主要是采用樣帶結合樣方法，樣帶依照垂直河流方向進行設置。在樣帶的基礎上設置植被調查樣方，樣方間為等間距設置（5 m），大小為1 m×1 m。樣帶樣方設置示意圖如圖1所示。

1.2.2 調查內容及測量方法

關于調查內容及調查樣帶具體介紹見表1，具體調查指標及測量方法見表2，樣點的分布與樣地背景特征見圖1。

表1 三峽庫區消落帶植被調查樣帶特征表Table 1 Description of vegetation investigation sam ples of falling zone in Three Gorges Reservoir

圖1 樣方特性及分布圖Fig.1 Description of sam p le and its distribution

表2 庫區消落帶環境要素調查指標及測量方法Table 2 Description of investigation parameters and their measuring instruments in the falling zone of TGR area

1.3 數據統計及分析方法

1.3.1 生物多樣性指數分析

生物多樣性指數分析，根據植被生態特征指數進行生物多樣性的空間分布特征分析，具體指標包括Shannon-Wiener指數、均勻度指數、優勢度指數、豐富度指數［6－8］。Shannon-Wiener指數（H）表征群落的復雜程度，即群落中生物種類增多，Shannon-Weaner指數值愈大，群落所含的信息量愈大；均勻度指數（E）表征群落中不同物種的多度、生物量、蓋度或其它指標分布的均勻程度；優勢度指數又稱Simpson指數，表示植物群落內各植物種類處于何種優勢或劣勢狀態的群落測定度，是對多樣性的反面即集中性的度量；豐富度指數（S）可采用單位面積的物種數目表征，即物種密度。

豐富度指數 S＝樣方物種數。

式中：Pi表示第i個種的多度比例；S代表出現物種的個數；ni表示第i個物種的個體數；N代表出現物種的個數總數。

1.3.2 典范對應分析

典范對應分析（Canonical correspondence analysis，CCA），通過運用數量生態學的方法分析庫區消落帶植被分布特征，采用典范對應分析分析了不同環境因子對植被分布變化的影響程度。通過構建分析矩陣，即按照矩陣模式構建數據矩陣，將生物數據和環境數據導入CANOCO軟件進行CCA分析［9］。其中，在進行CCA分析［10］時，需要根據物種環境關系累計解釋量界定排序軸，選擇相關性最大的排序軸進行排序。解釋量表征環境因子對植被分布變化的影響程度，解釋量越大反映了其對應的環境因子對物種分布影響程度越高。

2 結 果

2.1 庫區消落帶植被生物多樣性指數分析

基于野外調查數據資料，根據生物多樣性指數計算公式，經計算可得沿垂直河流流向等間距樣點的植被生物多樣性指數（圖2）。

通過對生物多樣性指數的空間分布特征進行分析，可知：庫區消落帶植被的生物多樣性指數隨坡面高程變化呈現一定的空間異質性，在150m及160 m左右分別出現拐點（圖2，表3）。

圖2 三峽庫區消落帶植被生物多樣性指數分析Fig.2 Ecological diversity index analyses of vegetation in the falling zone of TGR area

表3 消落帶生物多樣性指數空間變化特征表Table 3 Description of the spatial change characteristics of ecological diversity indexes

究其原因，對于145 m高程位置，暴露時間較短，植被未能得到有效恢復，物種單一，其主要受三峽水庫年內調度所引發的水位波動的影響；對于160 m位置，由于往年（2008年以前）水庫蓄水未蓄到該高程線，暴露時間較長（表4），且土壤肥力較好，該區域已成為間隔式農業種植帶，其受到大壩波動調蓄水位與岸坡土地利用的綜合影響；對于150 m位置，其位于常淹水位以及間隔式農業種植帶之間，處于大壩波動調蓄水位與岸坡土地利用影響的過渡帶，受水位波動影響較大，類似于自然的水陸過渡帶，具有一定的生態恢復力。

表4 不同海拔梯度下庫區消落帶暴露與累積淹沒時間Table 4 Exposed time and cumulate submerge time in the falling zone in different altitudes

2.2 庫區消落帶植被生態特征指數與環境因子關聯分析

將三峽庫區消落帶植被調查數據導入CANOCO軟件（version 4.5）進行CCA分析。通過對消落帶草本特征值及物種-環境關系累計解釋量的分析，可得消落帶植被的第一、二軸的特征值最大，因此分別選擇第一、二軸進行排序，通過分析可得庫區消落帶植被CCA植物群落排序圖（圖3）。

由圖3可知，三峽庫區蓄水后，庫區消落帶植被的空間分布與消落帶土壤水分、土壤厚度具有顯著的正相關關系，表征土壤水分較多的區域比水分貧瘠區域的植被生長較為茂密，物種較豐富；而作為側面反映土壤養分含量的土壤厚度，隨著土壤厚度的增加，消落帶植被物種優勢度增加，同時，物種的生物量增大。對于外界環境因素河邊距與海拔而言，其與植被生態學特征呈現顯著的負相關關系。其中，隨著海拔的升高，消落區植被物種的生物量增加、物種優勢度增加，而物種豐富度下降，其一方面反映了海拔對消落帶植被生態學特征的影響，另一方面，反映了消落區土地利用方式對植被空間分布的影響。

圖3 三峽庫區消落帶植被CCA植物群落排序圖Fig.3 Vegetation community permutation axes of herb the falling zone of TGR area

3 結論與討論

（1）據調查區域的生物多樣性指數分析可知：消落帶植被的生物多樣性指數隨坡面高程變化呈現一定的空間異質性，并隨海拔梯度的升高呈現波動上升或波動下降趨勢。通過初步分析，導致其空間異質性的主要原因有：①受三峽水庫水位波動的影響，該影響主要體現在低水位區域；②受消落帶土地利用的影響，該影響主要體現在消落帶中上部區域?；诖?，消落帶生態學特征分布的人為影響要素指標可歸納為：三峽水庫水位波動特征（消落帶暴露時間長、消落帶累積淹沒時間長等）、消落帶土地利用方式（類型、面積等）。

通過對消落帶植被分布的自然影響要素分析，可知：庫區消落帶植被的空間分布與消落帶土壤水分、土壤厚度具有顯著的正相關關系，而與河邊距、海拔呈現顯著的負相關關系。

（2）基于消落帶植被分布的人為驅動力與自然影響要素分析，三峽庫區消落帶空間區域劃分標準可歸結為兩類：其一，根據水位波動特征及海拔要素；其二，根據土地利用方式及土壤特征要素。

合理的消落區空間區域劃分可為有效實施消落區生態修復奠定良好的基礎，但由于三峽庫區消落帶涉及區域較廣，區域特征差異大；同時，三峽水庫運行過程中河道形態的改變必然導致形成新的水位漲落和汛期洪水過程，將會改變消落區的泥沙淤沖和生態環境變化［11］。因此，不同區域的庫區消落帶其劃分標準還需進行相應的細化研究，消落區生態恢復工程策略也需要有針對性的進行。

（3）通過對不同海拔梯度的植被生態學特征分析，可知：在海拔介于145～160 m區間，暴露時間大于120 d、累積淹沒時間低于600 d的區域，受上游來沙養分的自然沉降、植物種子補給以及消落區生態恢復力的綜合影響，該區域生態系統具有一定的自然恢復能力；但對于受水庫水位波動影響較頻繁的低水位區域，其恢復能力較弱，植被生長較為困難。

對于生態恢復能力較弱的區域，尤其是受水庫水位大幅度反季節漲落影響的區域而言，由于該區域還具有水陸過渡帶的典型特征，但隨著該區域生態恢復能力的逐漸削弱或喪失，使得其生態屏障功能損失，從而使得水土流失和面源污染直接影響到三峽庫區，威脅三峽水庫的水環境安全和可持續發展［12，13］。因此，三峽庫區消落帶水位波動頻繁區自然恢復力與生態防護工程將是下一步工作的重點。

（4）盡管本研究通過調查與分析獲得了一些初步結果與結論；但由于三峽庫區消落帶涉及范圍廣、不同區域特性多樣，而且本次調查僅僅圍繞三峽庫區消落帶重慶忠縣石寶寨區段，因此，關于大范圍以及宏觀尺度上的消落帶植被生態學特征將在下一步研究中著重開展。

致謝：感謝成都山地所何慶斌研究員、文安邦研究員為此次研究提供的技術支持，感謝成都山地所重慶忠縣野外試驗站嚴冬春博士、汪濤博士等人在野外調查中給予的幫助。

［1］ 蘇維詞，趙純勇，楊 華.三峽庫區消落區自然條件及其開發利用評價——以重慶庫區為例［J］.地理科學，2009，29（2）：268－271.（SUWei-ci，ZHAO Chun-yong，YANG Hua.Evaluation on natural conditions ofwater-level-fluctuating zone（WLFZ）in Three-Gorges Reservoirtaking Chongqing section of Three Gorges Reservoir as a case［J］.Scientia Geographica Sinica，2009，29（2）：268－271.（in Chinese））

［2］ 蘇維詞，楊 華，羅有賢，等.三峽庫區漲落帶的主要生態環境問題及其防治措施［J］.水土保持研究，2003，10（4）：196－198.（SUWei-ci，YANG Hua，LUO You-xian，et al.Eco-environmental problems of the water-level-fluctuating zone in Three-Gorges Reservoir and their countermeasures［J］.Research of Soil and Water Conservation，2003，10（4）：196－198.（in Chinese））

［3］ 陳國階.三峽庫區發展態勢與問題［J］.長江流域資源與環境，2003，12（2）：107－114.（CHEN Guo-jie.Situation and problems in the Three Gorges Reservoir area［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2003，12（2）：107－114.（in Chinese））

［4］ 劉 春，姜德義，任 松.三峽庫區消落帶典型地質災害成因分析［J］.中國礦業，2004，13（10）：53－55.（LIU Chun，JIANG De-yi，REN Song.Analysis of causeof classic ecological catastrophe in fluctuating belt of the Three Gorges Reservoir area［J］.China Mining Magazine，2004，13（10）：53－55.（in Chinese））

［5］ 李延梅，牛 棟，張志強，等.國際生物多樣性研究科學計劃與熱點述評［J］.生態學報，2009，29（4）：2116－2124.（LIYan-Mei，NIUDong，ZHANG Zhi-Qiang，etal.Review of international scientific programmes and frontiers of biodiversity research［J］.Acta Ecologica Sinica，2009，29（4）：2116－2124.（in Chinese））

［6］ 馬克平，劉玉明.生物群落多樣性的測度方法Ⅰα多樣性的測度方法（上）［J］.生物多樣性，1994，2（3）：162－168.（MA Ke-ping，LIU Yu-ming.Methods ofmeasure on biological community diversityⅠα-diversity（part1）［J］.Chinese Biodiversity，1994，2（3）：162－168.（in Chinese））

［7］ 馬克平，劉玉明.生物群落多樣性的測度方法Ⅰα多樣性的測度方法（下）［J］.生物多樣性，1994，2（4）：231－239.（MA Ke-ping，LIU Yu-ming.Methods ofmeasure on biological community diversityⅠα-diversity（part2）［J］.Chinese Biodiversity，1994，2（4）：162－168.（in Chinese））

［8］ 張光訓，付紹春.鷹咀界天然林保護區甜櫧林群落多樣性研究［J］.湖南林業科技，2009，36（4）：21－24.（ZHANG Guang-xun，FU Shao-chun.Studies on community diversity of Castanopsis eyrei forest in Yingzuijie Natural ForestReserve［J］.Hunan Forestry Science＆Technology，2009，36（4）：21－24.（in Chinese））

［9］ TER BRAAK C JF，SMILAUER P.CANOCO Reference manual and CanoDraw forWindows User’s guide：Software for Canonical Community Ordination（version4.5）［M］.USA：Microcomputer Power，2002.

［10］張金屯.植被數量生態學方法［M］.北京：中國科學技術出版社，1995.（Zhang Jin-tun.Methods of Quantitative Vegetation Ecology［M］.Beijing：Chinese Science and Technology Press，1995.（in Chinese））

［11］邵景安.三峽水庫蓄水后長江水系重慶段河道形態的變化特征［J］.資源科學，2008，30（9）：1431－1436.（SHAO Jin-gan.Characteristics of shape changes of riverway in the Chongqing Reaches of the Yangtze River after impoundment of Three Gorges Reservoir［J］.Resources Science，2008，30（9）：1431－1436.（in Chinese））

［12］韓 勇.三峽庫區消落帶污染特性及水環境影響研究［D］.重慶：重慶大學，2007.（HAN Yong.Study on pollution character and water environment impact of the wetdry zones in the Three Gorges Reservoir［D］.Chongqing：Chongqing University，2007.（in Chinese））

［13］萬成炎，馬沛明，常劍波，等.三峽水庫生態防護帶建設的初步探討［J］.長江科學院院報，2009，26（1）：9－11.（WAN Cheng-yan，MA Pei-ming，CHANG Jian-bo，etal.Preliminary study on ecological protection zone construction of Three Gorges Reservoir［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009，26（1）：9－11.（in Chinese））

（編輯：曾小漢）

Study on Vegetation Ecological Characteristics of Falling Zone in Three Gorges Reservoir

HU Bo，ZHANG Ping-cang，REN Hong-yu，LUO Hui-min，CEN Yi
（Department of Soil and Water Conservation，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，CHINA）

Influenced by Three Gorges Reservoir operationmode of“storing the clear water and releasing themuddy water”，the falling zone has developed in the Three Gorges Reservoir area，which covers 348.93 km2areas.And owing to the typical characteristics of alternation of submergence and emergence and wide change extent ofwater level，the falling zone has complicated ecological characteristics.Atmeanwhile，this characteristics，to identify the ecological characteristic of vegetation in wet-dry zone，this characteristics plays an important role to ecological restoration project in the falling zone.On the basis of this，this paper selected the falling zone in Zhongxian Shibaozhai of ZHONG county as a study case to analyze the vegetation ecological characteristics.Firstly，ecological diversity index（EDI）was used to analyze the spatial distribution pattern of vegetation ecological diversity.Secondly，canonical correspondence analysis（CCA）was adopted to find the correlation between environmental factors and typical ecological characteristic.Then，by CCA analysis，key environmental factors，which influence the vegetation ecological characteristics，were found in this study.The result shows：with the change of slope height，the EDIof vegetation in the falling zone presents spatial heterogeneity；there have two turning points in the position of 150 m and 160 m；there exist remarkable positive correlations among vegetation distribution and soil water content，soil thickness，and negative correlations among vegetation distribution and altitude，river distance.

Three Gorges Project；falling zone；ecological characteristic；ecological diversity index；canonical correspondence analysis

X171.4：

A

1001－5485（2010）11－0081－05

2010-09-10

國家科技支撐計劃課題（2008BAD98B02）；長江科學院博士啟動基金項目（CKSQ2010079）；中央級公益性科研院所基本科研業務費項目（YWF0904）

胡 波（1980-），男，山東日照人，博士，工程師，主要從事生態過程與環境響應的研究，（電話）15927599212（電子信箱）hubchina＠hotmail.com。