四川盆地丘陵區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.中國科學院成都山地災害與環境研究所,四川 成都 610041;2.中國科學院大學,北京 100049;3.中國科學院山地表生過程與生態調控重點實驗室,四川 成都 610041)

溝渠作為輸水和排污的主要通道,緊密聯系居民生活廢水、農業排水與河流湖泊[1]。植被對溝渠系統結構的維持和生態服務功能的發揮具有重要的支撐作用[2]。已有大量國內外研究表明,溝渠內植物的正常生長對污水中的氮、磷具有攔截效應,可以起到凈化水質的功效[3-5]。植物的正常生長有賴于水分和土壤中的營養物質,而土地利用方式影響著土壤養分的遷移規律,因而不同土地利用方式影響下的植被生長狀況也會產生差異[6]。目前已有很多學者研究了平原地區不同土地利用方式對植物豐富度、生物量等的影響。王豐川等[7]對東平湖濕地不同土地利用方式下的草本植物特征進行調查研究,發現植物物種數量從大到小表現為原生濕地>人工林>棄耕地。喻丁香等[8]對盈江縣內不同土地利用方式下的野生保護植物進行調查發現,保護植物的種密度從高到低依次為保護區>公益林>其他區域。與平原區相比,山丘區地勢起伏較大,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,因而山丘區的溝渠植被分布特征也會不同于平原地區。目前,已有不少研究報道了平原地區溝渠植被的群落特征。盧濤等[9]研究了三江平原地區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。對山丘區溝渠植被的分布特征尚未見相關報道。

四川盆地丘陵區地處長江上游腹地,地勢起伏大,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。同時為了能更好地進行農業生產與泄洪,也建造了大量的農田排水溝渠。這些排水溝渠具有高差跌落、洼坑和小型積水的特點,溝渠內植被生長十分繁茂。但由于四川盆地丘陵區是傳統農業區,農村人口眾多,匯入溝渠的村鎮居民生活廢水具有很高的污染負荷[11],加之村民缺乏對溝渠內植被群落的管理經驗,任由水花生等惡性雜草生長繁殖,導致溝渠內的植被并未很好地發揮其生態功能。因此,筆者對四川盆地丘陵區溝渠內的植被類型及其分布特征進行了較為系統的調查研究,探討了溝渠類型對溝渠內植物分布特征的影響。該研究可為四川盆地丘陵區溝渠生態系統的植被研究、長江上游自然溝渠植物多樣性保護與利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

四川盆地丘陵區位于長江上游腹地,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個市地49個縣市。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%。大部分地區海拔350～700 m。該區氣候屬亞熱帶季風氣候,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,但年內降水量分配不均,降水主要集中在6—9月。該區土壤以石灰性紫色土為主,主要種植水稻、玉米、小麥等農作物[12],四川盆地丘陵區排水溝渠眾多,溝渠內美人蕉、再力花和水竹等鄉土植物生長繁茂。

1.2 樣品采集

調查于2014 年6 月進行,采樣點分布在綿陽、德陽、南充、遂寧、達州等地,采樣點分布見圖1。

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

按隨機調查的方法布設采樣點,沿省道線,每隔10 km左右調查不同類型的溝渠,所選溝渠盡量偏離主道,遠離城市或工業區或畜禽集中養殖區,每個采樣點均利用GPS定位。根據周邊土地利用類型的不同,將四川盆地中部丘陵區溝渠分為居民區溝渠、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。居民區溝渠主要選擇在農村村落或小型集鎮附近,采樣點一般布置在居民區下游(離居民區至少1 km),避免在污水集中排放點采樣。其他類型溝渠以源頭溝渠為主。

確定采樣溝渠后,根據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。根據植被的生長狀況,選擇分布均勻、有代表性的樣地布設采樣點,用GPS記下采樣點的海拔等相關環境信息,同時用標尺測量溝渠尺寸和水位,利用流速儀測定溝渠水流流速(溝渠具體特征參數如表1所示)。每個采樣點根據溝渠植被狀況采集植物樣方1～3個,樣方面積為0.5 m×0.5 m。

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

表中數據為平均值±標準差;同一列數據后英文小寫字母不同表示不同溝渠類型間某指標差異顯著(P<0.05)。

1.3 樣品分析

對分布均勻、有代表性的溝渠植被進行抽樣調查,樣方面積為0.5 m×0.5 m,調查記錄樣方內植物種類、優勢種、植物鮮重、植物干重、植物蓋度等指標。植物種類、物種數、優勢種采用目測法測得。植物蓋度采用網格目測法估算,即將溝渠植被群落劃分為一定數量0.5 m×0.5 m的樣方,再對樣方逐一目視估測,取其平均值得到溝渠植被蓋度。此外,齊地刈割樣方內所有植物的地上部分,將鮮樣分類裝入自封袋中帶回實驗室，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 計算方法

由于物種多樣性指數繁多,所以選用目前國內外普遍認可的4種物種多樣指數來表征,即物種豐富度指數(R)、Simpson辛普森指數/優勢度指數(D)、Shannon-Wiener多樣性指數(HP)和Pielou多樣性指數/均勻度指數(SW)[14]。計算每個樣方的植物物種多樣性指數時按照4種溝渠類型歸類,分別相加后取其平均值,得到居民區溝渠、水田溝渠、旱地溝渠、荒地溝渠的物種多樣性指數。

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為出現在樣方中的物種數;Ni為第i個物種的物種數;N為樣方中植物總種數;Pi為第i個物種的物種數在樣方植物總數中的占比。

1.5 數據處理

數據采用Eecel 2013軟件分析,采用Sigma Plot 10.0軟件作圖。采用SPSS 21.0軟件進行數據的統計與分析,采用LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 溝渠植物種類與優勢物種分析

四川盆地丘陵區調查的72條自然溝渠中植物共有16科20種(表2),其中居民區溝渠、水田溝渠、旱地溝渠和荒地溝渠內植物樣方分別為10、75、27和9個。調查結果發現,所調查溝渠的優勢物種主要有水花生、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勢種,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

通過計算得到不同類型溝渠植物的物種多樣性指數(圖2)。4種類型溝渠的Patrick豐富度指數、Simpson優勢度指數、Shannon-Wiener多樣性指數和Pielou均勻度指數范圍分別在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豐富度指數大小順序表現為旱地溝渠>荒地溝渠>水田溝渠>居民區溝渠,且旱地溝渠豐富度指數與其他3種類型溝渠具有顯著相關性(P<0.05),說明旱地溝渠植物種類較為豐富,居民區植物種類較為簡單;4種溝渠的Simpson優勢度指數大小順序表現為旱地溝渠>居民區溝渠>水田溝渠>荒地溝渠,但它們直接的多重比較結果差異不顯著;4種溝渠Shannon-Wiener多樣性指數大小順序表現為旱地溝渠>水田溝渠>荒地溝渠>居民區溝渠,且旱地溝渠多樣性指數與其他3種溝渠類型指數差異性顯著(P<0.05),說明旱地溝渠的植物物種數量較多;4種溝渠的Pielou均勻度指數大小順序表現為水田溝渠>居民區溝渠>荒地溝渠>旱地溝渠,且水田溝渠植被的Pielou均勻度指數與其他3種類型溝渠均勻度指數之間差異性顯著(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。

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為水田溝渠(65.12%)>居民區溝渠(40.00%)>旱地溝渠(35.63%)>荒地溝渠(27.52%)。方差分析結果表明,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鹽狀況和水文條件有關。水田溝渠水體和沉積物養分含量較高[12],且長期滯水,從而導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分含量也較高,但存在間歇性的干涸;而荒地溝渠不僅營養鹽含量較低,且存在間歇干涸,導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

生物量是評價植被群落生產力的重要指標,可以很好地反映濕地生態系統植被的生長狀況和群落的演替規律[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)。

不同類型溝渠內植物地上部平均生物量大小順序表現為居民區溝渠(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)。居民區溝渠植被地上部生物量較大,主要因為居民區溝渠內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溝渠內的主要優勢物種,對溝渠生態系統構成了潛在的威脅。水花生生長繁殖能力極強,當其入侵生長于某個區域時,會快速地繁殖和生長,抑制并排擠鄉土植物,使植物群落物種趨于單一化,降低生態系統中的生物多樣性[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,不僅對水流運輸和農田灌溉造成不利的影響,且增加了溝渠中固體類物質的沉積,嚴重污染了溝渠水質,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溝渠植物群落結構已向單一化的趨勢發展,溝渠植被狀況不容樂觀。長期以往下去會對溝渠系統生態功能的發揮造成嚴重影響。因此,在今后溝渠植被的管理過程中應著重關注水花生和過江草等入侵雜草的生長態勢,盡量減緩繁殖能力極強的植物的擴散蔓延,促進其他多種植物的共同生長,以形成一個群落結構復雜、穩定性強的溝渠生態系統,為溝渠生態功能的發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建議

土地利用結構和功能的不同會導致植被覆蓋類型及其組合規律不同,周邊土地利用類型能明顯影響溝渠內植物的物種多樣性、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生的水源和固體類物質中所含元素類型及含量不同,導致溝渠的水質狀況和土壤組成成分不同,從而形成了不同的植物生長環境,這可能是不同類型溝渠內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,居民區溝渠內植物的地上生物量較大,這是因為居民區溝渠的水體主要來源于村鎮居民隨意排放的生活廢水和街面徑流,這些水體未經任何處理,富含極高的氮磷養分[25]。氮磷是植物生長的必需營養元素,充足的氮磷供應使得植物生長旺盛,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]。處在居民區周邊的溝渠由于受到人類和動物的干擾頻率高且強度大,再加上污染程度較大的生活污水匯入溝渠中,對溝渠中水生植物的生長會造成一定的威脅,能適應這種環境的植物種類較少,所以使得居民區溝渠內的植物物種豐富度較小,群落結構也較為簡單。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業活動有關[12]。在四川盆地丘陵區,當地村民們根據氣象變化,一般選在5—6月對夏季作物進行播種施肥,當降雨產生徑流時流露在土層表面的氮磷肥便會隨著徑流匯入周邊溝渠中,為溝渠植物生長帶去充足的養分。水田溝渠中水體和沉積物養分含量較高[12],且長期滯水,從而導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分均不足,且存在間歇干涸,導致溝渠內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溝渠內植被的生長狀況也會造成不同的影響。為了使溝渠內植被最大化地發揮其生態功能,建議在今后的溝渠植被管理中可人為增加溝渠內植物的物種數,保證各植物均衡發展,提高溝渠植被的抵抗力;對溝渠植被采取合適的刈割管理方式,確定恰當的刈割時間、刈割頻率等,保證刈割后有利于植物的生長;對于受干擾活動較大的居民區溝渠,應在溝渠邊坡做好防護工作?？衫脰艡诜乐垢魃镞M入溝渠內,減少對溝渠植被的擾動;此外,對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,保證溝渠內植物對水分的正常需求。

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(水溫、pH值和電導率等)、人為擾動等因素,尚需結合其他因素做進一步的分析,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措施,對溝渠植被的管理提供有效的科學依據。

4 結論

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

(2)物種多樣性指數結果表明,居民區溝渠植物種類較為單一,優勢種明顯,群落結構較為簡單。旱地溝渠植物種類較為豐富,群落結構較為復雜。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為水田溝渠>居民區溝渠>旱地溝渠>荒地溝渠,植物地上部平均生物量大小順序為居民區溝渠>水田溝渠>旱地溝渠>荒地溝渠。