河南黃河中游濕地維管植物與哺乳動物物種組成和分布特征

黃 萍,符 強,習靚靚,孫怡潔,肖 曼,李子豪,邵毅貞,袁志良,4,葉永忠,王 婷,陳 云,4,*

1 河南農業職業學院,鄭州 451450 2 河南農業大學生命科學學院,鄭州 450002 3 河南南農業大學林學院,鄭州 450002 4 河南省伏牛山南北過渡帶森林生態系統野外科學觀測研究站,鄭州 450002

濕地生態系統是全球三大生態系統之一,具有較高的生態多樣性、物種多樣性和生物生產力[1- 5]。研究濕地動植物群落的多樣性和組成對于濕地生態的保護具有重要作用和意義[6-8]。

黃河河濱濕地的生物種類極其豐富,在我國整體的生態系統的保護中起著重要作用。全球氣候變化和人類干擾等因素直接導致了黃河濕地的面積銳減,影響了濕地物種多樣性和濕地生態系統的穩定[9-10]。探究黃河河濱濕地動植物物種組成及空間分布特征對生物多樣性保護策略的制定及生態系統的修復具有重要意義,也是實現黃河流域生態保護和高質量發展的基礎。

黃河濕地生物多樣性變化一直是生態學家關注的熱點問題。孫海群等[11]研究發現三江源濕地的高寒環境對植被具有重要影響；劉凱等[12]研究發現土壤全氮含量和pH值是影響濕地植被分布的主要因素；張天舉等[13]研究發現黃河三角洲濕地植物群落分布與土壤鹽分顯著相關；徐洋以及羅先香等[14-15]研究發現黃河口植被分布格局主要受地貌特征和水文環境的影響。黃河出陜西潼關進入河南省,橫貫三門峽、洛陽、焦作、鄭州、新鄉、開封、濮陽等市。黃河河南段河濱濕地作為沿黃河濕地的重要組成部分,具有典型的研究價值。針對河南沿黃濕地的研究,主要有黃河濕地格局的變化[16]、黃河濕地生態環境狀況[17-18]、黃河下游林業發展的對策[19]局部濕地植被多樣性[20]等。有關河南黃河中游河濱濕地動植物組成以及空間分布特征還不明確。

本文基于河南黃河中游三門峽濕地保護區、洛陽濕地保護區、焦作濕地保護區,對濕地維管植物、哺乳動物群落及其物種多樣性進行研究,旨在探究河南黃河中游濕地動植物物種組成和空間分布特征。希望本研究對黃河沿岸濕地珍稀動植物保護、濕地資源保護和恢復、濕地生物多樣性保護提供基礎數據和參考。

1 研究區域概況

黃河自三門峽進入河南,經洛陽到焦作,再經鄭州桃花峪進入黃河下游。黃河中游河南段氣候以暖溫帶大陸性季風氣候為主,由于地貌特征復雜,形成了具有暖溫帶、溫帶和寒溫帶的多元氣候。

河南三門峽黃河濕地保護區地處中緯度內陸區,坐標在34°33′59″—35°05′01″ N,110°21′49″—112°48′15″ E之間[21],面積28500 hm2。20世紀過渡的開發與圍墾、污染加劇、濕地植被遭到破壞,濕地面積銳減、生物多樣性衰退,濕地動植物種類數量明顯減少[22]。目前保護區已被列入中國重要濕地名錄,是國家重點保護的濕地資源。該區濕地類型主要有永久性河流濕地、洪泛平原濕地、草本沼澤濕地、蓄水區濕地。保護區內物種繁多,生態系統類型多樣,具有重要的生態學價值。

河南洛陽黃河濕地保護區地理坐標介于34°47′34″—35°04′16″ N,111°57′53″—112°48′16″ E之間,面積24000 hm2。位于亞熱帶和溫帶的過度地帶,季風環流影響明顯[23]。此前,由于中上游地區大量取水,曾致使黃河多次斷流,過度采伐導致森林大面積減少,小浪底水利樞紐工程的興建有效改善了當地生態環境與水熱條件,保護區年平均降水量700—1100 mm,年日照2083—2246 h,年平均氣溫12.1—27.3 ℃,孕育了豐富的濕地資源和多樣的生態環境。該區濕地類型主要有永久性河流濕地、洪泛平原濕地、蓄水區濕地、運河、輸水河濕地、淡水養殖魚塘。

河南焦作黃河濕地保護區地理坐標在34°48′46"—35°00′18" N,112°37′42"—113°28′48" E之間,面積14086 hm2。保護區地處黃沁河沖洪扇邊緣,屬于太行山南麓的褶皺斜坡與黃沁河沖積扇接觸墊帶的凹地平原,可細分為洪積沖積平原、沙丘及丘間沙地、河漫地、崗地、洼地五種微地貌類型[24]。由于近年土地資源緊缺,黃河灘區開發形式多樣,使本區典型黃河濕地植被及濕地野生動物棲息地受到了一定程度的破壞。該區濕地類型主要有永久性河流濕地、洪泛平原濕、運河、輸水河濕地、淡水養殖魚塘。豐富多樣的微地貌變化,適宜濕地草甸、浮水植物,水生植物等生態植被的生長發育。

圖1 研究區域地理位置Fig.1 Location of the study area

2 材料與方法

2.1 數據采集

于2011年至2015年,采用樣線和樣方相結合的方法對該區域濕地維管植物、哺乳動物進行了系統的調查。

(1)線路調查:沿黃河兩岸分嫩灘、老灘和保護區邊界三條線自西向東調查,調查沿線的植被類型、優勢植物種類,對國家、省級野生保護植物進行記錄、測量和拍照,記錄調查區的植被現狀[25]。

(2)樣方調查:在線路調查的基礎上,根據不同地段上分布的群落類型設置不同的樣方。共設置調查樣方240個(其中三門峽保護區96個,洛陽保護區84個,焦作保護區60個)；喬木調查樣方為10 m×10 m,灌木調查樣方為5 m×5 m,高度超過100 cm的草本樣方面積為2 m×2 m,高度在100 cm以下草本樣方面積為1 m×1 m[26]。

對大、中型獸類的調查主要采用路線法進行。根據大、中型獸類喜于早、晚活動,在早晨和傍晚利用交通工具進行驅車調查,觀察公路沿線及小徑上的獸類實體。其次,通過望遠鏡觀察大湖泊附近獸類實體,發現國家I、II級重點保護動物時,用GPS進行定位；對部分大中型獸類還采用訪問法。兩次調查發現或記錄獸類實體或痕跡。小型獸類調查采用夾日法,根據外形不能判定其種類的小型獸類標本在實驗室鑒定[27]。

2.2 數據處理

利用R語言數據處理軟件對三個濕地保護區維管植物和哺乳動物的科屬種概況以及組成進行柱狀圖差異比較；為探究不同濕地保護區間維管植物以及哺乳動物種分布差異,采用Venn圖進行詳細比較；采用hclust函數對三個濕地保護區維管植物、哺乳動物組成進行聚類分析；采用非趨勢對應(DCA)分析對三個濕地保護區維管植物、哺乳動物組成進行排序分析。

表1 河南黃河中游濕地維管植物主要物種組成

3 結果與分析

3.1 黃河濕地保護區維管植物與哺乳動物物種組成

通過對三個河南黃河中游濕地保護區維管植物系統調查,共發現維管植物1193種,分屬135科、507屬(表S1)。含100種以上的科分別為菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)、豆科(Leguminosae)、薔薇科(Rosaceae)、莎草科(Cyperaceae),其中,三門峽黃河濕地有菊科植物112種,豆科植物83種,薔薇科植物70種,莎草科植物64種；洛陽黃河濕地有菊科植物106種,禾本科植物82種,豆科植物68種,薔薇科植物56種；焦作黃河濕地有禾本科植物58種,菊科植物56種,豆科植物52種,莎草科植物30種(表1)。

三個濕地保護區草本植物豐富度均高于木本植物,三門峽黃河濕地、洛陽黃河濕地、焦作黃河濕地草本植物占維管植物總數的比例分別是:75.8%、76.5%、80.3%。三門峽黃河濕地木本植物主要組成屬有胡枝子屬(Lespedeza)、蛇葡萄屬(Ampelopsis)、楊屬(Populus)等,草本植物主要組成屬有蒿屬(Artemisia)、蓼屬(Polygonum)、薹草屬(Carex)等；洛陽黃河濕地木本植物主要組成屬分別為胡枝子屬(Lespedeza)、蛇葡萄屬(Ampelopsis)、卷柏屬(Selaginella),草本植物主要蒿屬(Artemisia)、蓼屬(Polygonum)、薹草屬(Carex)等；焦作黃河濕地木本植物主要組成屬有蛇葡萄屬(Ampelopsis)、胡枝子屬(Lespedeza)、等,草本植物主要組成屬有蒿屬(Artemisia)、莧屬(Amaranthus)、燈心草屬(Juncus)等(表2)。

表2 河南黃河中游濕地木本、草本植物主要物種組成

調查發現三個黃河濕地保護區哺乳動物共有65種,分屬11目、21科(表S2)。含有10種以上的目分別為嚙齒目(Rodentia)、翼手目(Chiroptera)、食肉目(Carnivora)、食蟲目(Insectivora),三門峽黃河濕地與洛陽黃河濕地均有嚙齒目動物24種,翼手目動物分別為8種、13種；焦作黃河濕地有嚙齒目動物21種,食蟲目動物4種。在科水平上,三門峽黃河濕地與焦作黃河濕地哺乳動物主要科均為鼠科(Muridae)和倉鼠科(Cricetidae),洛陽黃河濕地哺乳動物主要科為蝙蝠科(Vespertilionidae)和鼠科(Muridae)(表3)。

表3 河南黃河中游濕地哺乳動物主要物種組成

3.2 黃河濕地保護區維管植物與哺乳動物豐富度

三門峽黃河濕地維管植物種類最多,洛陽黃河濕地哺乳動物種類最多,焦作黃河濕地維管植物以及哺乳動物種類最少。其中,三門峽黃河濕地維管植物有130科、493屬、1128種,洛陽黃河濕地有128科、470屬、1049種,焦作黃河濕地90科、290屬、542種。三門峽黃河濕地有哺乳動物6目、15科、48種；洛陽黃河濕地哺乳動物7目、18科、61種,焦作黃河濕地哺乳動物6目、11科、34種(圖2)。維管植物豐富度隨著地勢由高到低的轉變逐漸減?。宦尻桙S河濕地哺乳動物豐富度最高,三門峽黃河濕地次之,焦作黃河濕地保護區最小。

圖2 河南黃河中游濕地維管植物、哺乳動物豐富度差異Fig.2 Vascular plant and Mamals richness in the middle reaches of the Yellow River in He′nan Province

3.3 黃河濕地保護區維管植物與哺乳動物分布差異

在種水平上,三個濕地保護區植物特有種數目,三門峽>洛陽>焦作,分別為109、45、11。三門峽黃河濕地保護區、洛陽黃河濕地保護區以及焦作黃河濕地保護區維管植物總種數1193種,其中三個濕地共有種498種,占維管植物總種數的41.7%,三門峽黃河濕地保護區與洛陽黃河濕地保護區共有種995種,占維管植物總種數的81.4%,三門峽黃河濕地保護區與焦作黃河濕地保護區共有種522種,占維管植物總種數的43.7%,洛陽黃河濕地保護區與焦作黃河濕地保護區共有種507種,占維管植物總種數的42.5%(圖3)。

三個濕地保護區哺乳動物在種的總數方面來看,洛陽>三門峽>焦作,三門峽黃河濕地保護區特有哺乳動物2種,洛陽黃河濕地保護區特有哺乳動物17種；三門峽黃河濕地保護區、洛陽黃河濕地保護區以及焦作濕地保護區共有哺乳動物32種,洛陽濕地保護區與三門峽濕地保護區共有哺乳動物44種,洛陽濕地保護區與焦作濕地保護區共有哺乳動物32種,焦作濕地保護區與三門峽濕地保護區共有哺乳動物34種(圖3)。

圖3 河南黃河中游濕地植物、哺乳動物分布差異Fig.3 The distribution of wetland vascular plant and mammals in the middle reaches of the Yellow River in He′nan Province

3.4 黃河濕地保護區維管植物與哺乳動物聚類和排序分析

聚類分析結果顯示,三門峽黃河濕地與洛陽黃河濕地之間的距離較近,說明三門峽黃河濕地與洛陽黃河濕地的植物以及動物物種差異性不顯著。三門峽黃河濕地、洛陽黃河濕地與焦作黃河濕地之間的距離較遠,說明三門峽黃河濕地、洛陽黃河濕地與焦作黃河濕地之間的植物和哺乳動物物種差異性顯著(圖4)。

DCA分析顯示,三門峽黃河濕地與洛陽黃河濕地的距離較近,三門峽黃河濕地保護區與洛陽黃河濕地保護區的植物物種組成有較高的相似性。而三門峽黃河濕地、洛陽黃河濕地二者與焦作黃河濕地的距離較遠,表示三門峽黃河濕地保護區、洛陽黃河濕地保護區與焦作黃河濕地保護區動植物物種組成相似性較低(圖5)。

圖4 河南黃河中游濕地維管植物、哺乳動物種聚類分析Fig.4 Clustering analysis of vascular plant and mammals in the middle reaches of the Yellow River in He′nan Province

圖5 河南黃河中游濕地維管植物、哺乳動物物種組成DCA分析Fig.5 DCA analysis of plant and mammal species composition in the middle reaches of the Yellow River in He′nan Province

4 討論與結論

本研究通過對河南黃河中游濕地保護區維管植物及哺乳動物系統調查發現,菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)、豆科(Leguminosae)、薔薇科(Rosaceae)、莎草科(Cyperaceae)是河南黃河中游濕地保護區植物優勢科,包含植物物種超過100種；蒿屬(Artemisia)、蓼屬(Polygonum)、薹草屬(Carex)為優勢屬,這與前人對于鄭州黃河濕地自然保護區[28-29]的植物資源調查結果基本一致。嚙齒目(Rodentia)為河南黃河中游濕地哺乳動物的優勢目,鼠科(Muridae)為優勢科。

三個濕地保護區草本植物豐富度均高于木本植物。木本植物主要組成屬有胡枝子屬(Lespedeza)、蛇葡萄屬(Ampelopsis),草本植物主要組成屬有蒿屬(Artemisia)、蓼屬(Polygonum)、薹草屬(Carex)。洛陽黃河濕地哺乳動物豐富度最高,三門峽黃河濕地哺乳動物豐富度次之,焦作黃河濕地哺乳動物豐富度最低,哺乳動物豐富度沒有隨著保護區自西向東位置轉變而產生明顯變化趨勢。這可能與本研究的傳統調查方法有關,后期黃河濕地動物的監測將增加紅外相機等現代設備[30],使黃河濕地動物的監測研究更加科學。

三門峽黃河濕地有維管植物1128種,洛陽黃河濕地有維管植物1049種；焦作黃河濕地有維管植物542種。處于黃河中游河漫灘植物有種子植物818種[31]；位于黃河下游的河南中牟雁鳴湖風景旅游區有種子植物671種[32]；鄭州黃河濕地現有種子植物598種[28-29]。這一結果表明維管植物物種豐富度與黃河濕地保護區所處的地理位置有關。三門峽黃河濕地與洛陽黃河濕地地處暖溫帶南部,南面為伏牛山、西部為秦嶺,北部為太行山,東部為華北平原,位于幾大區系的交匯點。另外,三門峽黃河濕地保護區地形、地貌獨特,既包含有水域、河漫灘,也包括兩岸的山坡、丘陵、黃土塬和河谷盆地等[28-29]。而焦作黃河濕地大致有河床,河漫灘、鄰河洼地、黃河沖積平地等微地貌,整體上屬于負地形,可能導致了維管植物多樣性低于三門峽黃河濕地和洛陽黃河濕地[30]。

1994年河南黃河濕地保護區建立,河南省林業廳調查發現,河南黃河濕地保護區有維管植物80科285屬598種[33],其中木本植物有38種,草本植物560種,哺乳動物22種。至2015年三門峽、洛陽、焦作三個黃河濕地保護區共發現維管植物1193種,分屬135科、507屬；哺乳動物65種[25-27]。通過比較說明濕地保護區的建立為動植物提供了適宜的生境,有利于提高動植物豐富度,在未來的研究中將建立固定監測樣地開展長期的監測,以探究黃河濕地保護區動植物在時間尺度上的變化規律。

本研究通過調查分析得到了河南黃河中游濕地動植物組成和空間分布特征。研究結果豐富了河南黃河濕地保護區植物以及哺乳動物多樣性的基礎研究資料,同時也為保護區的保護管理和科研監測提供依據。本研究只是從大尺度上比較分析了河南黃河中游濕地動植物多樣性,未能直接量化地形因子、土壤理化性質等環境因素對濕地動植物多樣性和分布的影響,非生物環境因素對黃河濕地動植物多樣性維持機制的影響將是未來研究中關注的熱點問題。