2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 中国科学院山地表生过程与生态调控重点实验室, 四川 成都 610041
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China
沟渠作为输水和排污的主要通道, 紧密联系居民生活废水、农业排水与河流湖泊[1]。植被对沟渠系统结构的维持和生态服务功能的发挥具有重要的支撑作用[2]。已有大量国内外研究表明, 沟渠内植物的正常生长对污水中的氮、磷具有拦截效应, 可以起到净化水质的功效[3-5]。植物的正常生长有赖于水分和土壤中的营养物质, 而土地利用方式影响着土壤养分的迁移规律, 因而不同土地利用方式影响下的植被生长状况也会产生差异[6]。目前已有很多学者研究了平原地区不同土地利用方式对植物丰富度、生物量等的影响。王丰川等[7]对东平湖湿地不同土地利用方式下的草本植物特征进行调查研究, 发现植物物种数量从大到小表现为原生湿地>人工林>弃耕地。喻丁香等[8]对盈江县内不同土地利用方式下的野生保护植物进行调查发现, 保护植物的种密度从高到低依次为保护区>公益林>其他区域。与平原区相比, 山丘区地势起伏较大, 沟渠地形、水文过程和沟渠周边土地利用类型均有别于平原地区, 因而山丘区的沟渠植被分布特征也会不同于平原地区。目前, 已有不少研究报道了平原地区沟渠植被的群落特征。卢涛等[9]研究了三江平原地区不同沟渠密度下的湿地斑块植物群落的物种组成和多样性变化; 张娟红等[10]研究了宁夏平原沟渠边坡植物群落多样性及其影响因子。对山丘区沟渠植被的分布特征尚未见相关报道。
四川盆地丘陵区地处长江上游腹地, 地势起伏大, 年均降水量也较大, 随着降水径流日积月累的冲刷, 形成了很多天然的排水沟渠。同时为了能更好地进行农业生产与泄洪, 也建造了大量的农田排水沟渠。这些排水沟渠具有高差跌落、洼坑和小型积水的特点, 沟渠内植被生长十分繁茂。但由于四川盆地丘陵区是传统农业区, 农村人口众多, 汇入沟渠的村镇居民生活废水具有很高的污染负荷[11], 加之村民缺乏对沟渠内植被群落的管理经验, 任由水花生等恶性杂草生长繁殖, 导致沟渠内的植被并未很好地发挥其生态功能。因此, 笔者对四川盆地丘陵区沟渠内的植被类型及其分布特征进行了较为系统的调查研究, 探讨了沟渠类型对沟渠内植物分布特征的影响。该研究可为四川盆地丘陵区沟渠生态系统的植被研究、长江上游自然沟渠植物多样性保护与利用提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况四川盆地丘陵区位于长江上游腹地, 地处长江以北, 剑阁、苍溪、仪陇等县以南, 龙泉山以东、华蓥山以西, 包括9个市地49个县市。土地面积1 200万hm2, 耕地面积占29.5%, 林地面积占21.3%, 水域面积占7.5%。大部分地区海拔350~700 m。该区气候属亚热带季风气候, 温和湿润, 多年平均气温17.5 ℃, 年无霜期约为320 d。多年平均降水量为1 000 mm, 但年内降水量分配不均, 降水主要集中在6—9月。该区土壤以石灰性紫色土为主, 主要种植水稻、玉米、小麦等农作物[12], 四川盆地丘陵区排水沟渠众多, 沟渠内美人蕉、再力花和水竹等乡土植物生长繁茂。
1.2 样品采集调查于2014年6月进行, 采样点分布在绵阳、德阳、南充、遂宁、达州等地, 采样点分布见图 1。
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图 1 四川盆地丘陵区沟渠采样点分布 Fig. 1 Distribution of sampling points in the hilly area of Central Sichuan Basin |
按随机调查的方法布设采样点, 沿省道线, 每隔10 km左右调查不同类型的沟渠, 所选沟渠尽量偏离主道, 远离城市或工业区或畜禽集中养殖区, 每个采样点均利用GPS定位。根据周边土地利用类型的不同, 将四川盆地中部丘陵区沟渠分为居民区沟渠、水田沟渠、旱地沟渠和荒地沟渠4种类型, 各种类型沟渠基本特征见表 1。居民区沟渠主要选择在农村村落或小型集镇附近, 采样点一般布置在居民区下游(离居民区至少1 km), 避免在污水集中排放点采样。其他类型沟渠以源头沟渠为主。
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表 1 四川盆地丘陵区调查沟渠基本特征 Table 1 The basic characteristics of the studied ditches in the hilly area of Central Sichuan Basin |
确定采样沟渠后, 根据沟渠地形确定采样段面, 一般选择比较均匀的沟渠段面, 段面长在50~100 m之间。根据植被的生长状况, 选择分布均匀、有代表性的样地布设采样点, 用GPS记下采样点的海拔等相关环境信息, 同时用标尺测量沟渠尺寸和水位, 利用流速仪测定沟渠水流流速(沟渠具体特征参数如表 1所示)。每个采样点根据沟渠植被状况采集植物样方1~3个, 样方面积为0.5 m×0.5 m。
1.3 样品分析对分布均匀、有代表性的沟渠植被进行抽样调查, 样方面积为0.5 m×0.5 m, 调查记录样方内植物种类、优势种、植物鲜重、植物干重、植物盖度等指标。植物种类、物种数、优势种采用目测法测得。植物盖度采用网格目测法估算, 即将沟渠植被群落划分为一定数量0.5 m×0.5 m的样方, 再对样方逐一目视估测, 取其平均值得到沟渠植被盖度。此外, 齐地刈割样方内所有植物的地上部分, 将鲜样分类装入自封袋中带回实验室，采用百分之一的电子天平测其植物鲜重, 再在60 ℃的烘箱中烘干至恒重, 测定干重得到生物量[13]。
1.4 计算方法由于物种多样性指数繁多, 所以选用目前国内外普遍认可的4种物种多样指数来表征, 即物种丰富度指数(R)、Simpson辛普森指数/优势度指数(D)、Shannon-Wiener多样性指数(HP)和Pielou多样性指数/均匀度指数(SW)[14]。计算每个样方的植物物种多样性指数时按照4种沟渠类型归类, 分别相加后取其平均值, 得到居民区沟渠、水田沟渠、旱地沟渠、荒地沟渠的物种多样性指数。
| $ R=S, $ | (1) |
| $ \begin{array}{c}{D=1-\Sigma\left[N_{i}\left(N_{i}-1\right) / N(N-1)\right]=} \\ {1-\Sigma P_{i}^{2}}, \end{array} $ | (2) |
| $ H_{\mathrm{P}}=-\Sigma\left(P_{i} \times \ln P_{i}\right), $ | (3) |
| $ {S_w} = - \Sigma \left( {{P_i} \times \ln {P_i}} \right)/\ln S。$ | (4) |
式(1)~(4)中, S为出现在样方中的物种数; Ni为第i个物种的物种数; N为样方中植物总种数; Pi为第i个物种的物种数在样方植物总数中的占比。
1.5 数据处理数据采用Eecel 2013软件分析, 采用Sigma Plot 10.0软件作图。采用SPSS 21.0软件进行数据的统计与分析, 采用LSD法进行差异显著性检验。
2 结果与分析 2.1 沟渠植物种类与优势物种分析四川盆地丘陵区调查的72条自然沟渠中植物共有16科20种(表 2), 其中居民区沟渠、水田沟渠、旱地沟渠和荒地沟渠内植物样方分别为10、75、27和9个。调查结果发现, 所调查沟渠的优势物种主要有水花生、过江草、水蓼、水芹菜、野薄荷、菖蒲、茭白、野燕麦、稗草和四叶草, 其中以水花生和过江草为主要的优势种, 过江草频度为46.09%, 水花生频度为38.26%。植物频度从大到小依次为过江草(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%)>野燕麦(0.87%)=四叶草(0.87%)=稗草(0.87%)。
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表 2 调查沟渠植物种类及频度特征 Table 2 The plant species and frequency characteristics of the studied ditches |
通过计算得到不同类型沟渠植物的物种多样性指数(图 2)。4种类型沟渠的Patrick丰富度指数、Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数范围分别在4.00~6.53、0.79~0.83、1.82~2.14和1.14~1.41之间。4种沟渠的Patrick丰富度指数大小顺序表现为旱地沟渠>荒地沟渠>水田沟渠>居民区沟渠, 且旱地沟渠丰富度指数与其他3种类型沟渠具有显著相关性(P < 0.05), 说明旱地沟渠植物种类较为丰富, 居民区植物种类较为简单; 4种沟渠的Simpson优势度指数大小顺序表现为旱地沟渠>居民区沟渠>水田沟渠>荒地沟渠, 但它们直接的多重比较结果差异不显著; 4种沟渠Shannon-Wiener多样性指数大小顺序表现为旱地沟渠>水田沟渠>荒地沟渠>居民区沟渠, 且旱地沟渠多样性指数与其他3种沟渠类型指数差异性显著(P < 0.05), 说明旱地沟渠的植物物种数量较多; 4种沟渠的Pielou均匀度指数大小顺序表现为水田沟渠>居民区沟渠>荒地沟渠>旱地沟渠, 且水田沟渠植被的Pielou均匀度指数与其他3种类型沟渠均匀度指数之间差异性显著(P < 0.05), 这说明水田沟渠中的植被分布较均匀。
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同一幅图中直方柱上方英文小写字母不同表示各沟渠类型间物种多样性指数差异显著(P < 0.05)。 图 2 四川盆地丘陵区不同类型沟渠的植物物种多样性指数 Fig. 2 Plant diversity index of different ditches in the hilly area of Central Sichuan Basin |
盖度指植物地上部分的垂直投影面积与样方面积之比, 它可以反映植被的茂密程度和植物进行光合作用面积的大小[15]。图 3列出了4种类型沟渠的植被平均盖度。4种沟渠植被盖度平均值大小顺序为水田沟渠(65.12%)>居民区沟渠(40.00%)>旱地沟渠(35.63%)>荒地沟渠(27.52%)。方差分析结果表明, 水田沟渠植被盖度与其他类型沟渠植被盖度有显著性差异(P < 0.05)。这可能与不同类型沟渠营养盐状况和水文条件有关。水田沟渠水体和沉积物养分含量较高[12], 且长期滞水, 从而导致水田沟渠植被覆盖度最高; 尽管旱地沟渠水体和沉积物养分含量也较高, 但存在间歇性的干涸; 而荒地沟渠不仅营养盐含量较低, 且存在间歇干涸, 导致其植被覆盖度最低。
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直方柱上方英文小写字母不同表示各沟渠类型间植被盖度差异显著(P < 0.05)。 图 3 四川盆地丘陵区不同类型沟渠内的植被盖度 Fig. 3 Vegetation coverage in different ditches in the hilly area of Central Sichuan Basin |
生物量是评价植被群落生产力的重要指标, 可以很好地反映湿地生态系统植被的生长状况和群落的演替规律[16]。图 4列出了4种不同类型沟渠植物地上部平均生物量。
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直方柱上方英文小写字母不同表示各沟渠类型间地上部生物量差异显著(P < 0.05)。 图 4 四川盆地丘陵区不同类型沟渠内的植物地上部生物量 Fig. 4 Biomass of plants in different ditches in the hilly area of Central Sichuan Basin |
不同类型沟渠内植物地上部平均生物量大小顺序表现为居民区沟渠(454.63 g·m-2)>水田沟渠(409.66 g·m-2)>旱地沟渠(361.73 g·m-2)>荒地沟渠(317.81 g·m-2), 方差分析结果表明4种类型沟渠植被地上生物量之间具有显著性差异(P < 0.05)。居民区沟渠植被地上部生物量较大, 主要因为居民区沟渠内的植被类型以单位面积生物量较大的植物居多, 而尽管水田沟渠植被覆盖度较大, 但其植被类型以单位面积生物量较小的植物为主。
3 讨论 3.1 四川盆地丘陵区沟渠植被群落状况分析水花生和过江草是危害性极大的入侵物种[17], 作为四川盆地丘陵地区沟渠内的主要优势物种, 对沟渠生态系统构成了潜在的威胁。水花生生长繁殖能力极强, 当其入侵生长于某个区域时, 会快速地繁殖和生长, 抑制并排挤乡土植物, 使植物群落物种趋于单一化, 降低生态系统中的生物多样性[18]。此外, 其茂盛的茎叶在水域中形成厚重的垫状物, 堵塞了沟渠的水道, 不仅对水流运输和农田灌溉造成不利的影响, 且增加了沟渠中固体类物质的沉积, 严重污染了沟渠水质, 是目前急需防除的恶性杂草之一[19]。虽然也有一些研究表明水花生对水体有一定的净化效果[20], 但与其他植物相比其净水能力低于芦苇、香根草和水葫芦等植物[21-22], 且综合危害性较大, 不适于大面积生长。由于水花生和过江草的入侵, 目前四川盆地丘陵区沟渠植物群落结构已向单一化的趋势发展, 沟渠植被状况不容乐观。长期以往下去会对沟渠系统生态功能的发挥造成严重影响。因此, 在今后沟渠植被的管理过程中应着重关注水花生和过江草等入侵杂草的生长态势, 尽量减缓繁殖能力极强的植物的扩散蔓延, 促进其他多种植物的共同生长, 以形成一个群落结构复杂、稳定性强的沟渠生态系统, 为沟渠生态功能的发挥提供有利的支撑作用。
3.2 不同类型沟渠植被分布差异的原因及改进建议土地利用结构和功能的不同会导致植被覆盖类型及其组合规律不同, 周边土地利用类型能明显影响沟渠内植物的物种多样性、盖度和地上生物量[7, 23]。有研究表明, 周边土地不同利用方式下产生的水源和固体类物质中所含元素类型及含量不同, 导致沟渠的水质状况和土壤组成成分不同, 从而形成了不同的植物生长环境, 这可能是不同类型沟渠内植被生长状况不同的主要原因[24]。
以植物的地上生物量来说, 居民区沟渠内植物的地上生物量较大, 这是因为居民区沟渠的水体主要来源于村镇居民随意排放的生活废水和街面径流, 这些水体未经任何处理, 富含极高的氮磷养分[25]。氮磷是植物生长的必需营养元素, 充足的氮磷供应使得植物生长旺盛, 生物量也明显高于其他氮磷含量较低的水体。但是, 从植物多样性来看, 人为干扰程度越高, 植物多样性越低[26]。处在居民区周边的沟渠由于受到人类和动物的干扰频率高且强度大, 再加上污染程度较大的生活污水汇入沟渠中, 对沟渠中水生植物的生长会造成一定的威胁, 能适应这种环境的植物种类较少, 所以使得居民区沟渠内的植物物种丰富度较小, 群落结构也较为简单。从沟渠植被覆盖度来看, 水田沟渠植被覆盖度较高, 荒地沟渠植被覆盖度较低, 这很大可能与周边水田的垦殖和施肥等农业活动有关[12]。在四川盆地丘陵区, 当地村民们根据气象变化, 一般选在5—6月对夏季作物进行播种施肥, 当降雨产生径流时流露在土层表面的氮磷肥便会随着径流汇入周边沟渠中, 为沟渠植物生长带去充足的养分。水田沟渠中水体和沉积物养分含量较高[12], 且长期滞水, 从而导致水田沟渠植被覆盖度最高。而处于荒地周边的沟渠因水源和养分均不足, 且存在间歇干涸, 导致沟渠内植物的生长状况也较其他类型沟渠植物差, 植被覆盖度较低。
周边土地利用类型不同对沟渠内植被的生长状况也会造成不同的影响。为了使沟渠内植被最大化地发挥其生态功能, 建议在今后的沟渠植被管理中可人为增加沟渠内植物的物种数, 保证各植物均衡发展, 提高沟渠植被的抵抗力; 对沟渠植被采取合适的刈割管理方式, 确定恰当的刈割时间、刈割频率等, 保证刈割后有利于植物的生长; 对于受干扰活动较大的居民区沟渠, 应在沟渠边坡做好防护工作。可利用栅栏防止各生物进入沟渠内, 减少对沟渠植被的扰动; 此外, 对于荒地沟渠常年干涸的情况, 可采取支渠引水的方式, 将水源充足的地方与荒地沟渠连接, 使各沟渠常年水流不断, 保证沟渠内植物对水分的正常需求。
总的来说, 影响沟渠植物多样性的因素还有很多, 比如水的理化性质(水温、pH值和电导率等)、人为扰动等因素, 尚需结合其他因素做进一步的分析, 以更综合地了解沟渠植被分布的差异, 并制订出全面的改进措施, 对沟渠植被的管理提供有效的科学依据。
4 结论(1) 四川盆地中部丘陵区沟渠植被状况不容乐观。尽管自然沟渠内植物种类众多, 但优势种较少, 且仅以危害性大的过江草和水花生为主, 其出现的频度分别为46.09%和38.26%。
(2) 物种多样性指数结果表明, 居民区沟渠植物种类较为单一, 优势种明显, 群落结构较为简单。旱地沟渠植物种类较为丰富, 群落结构较为复杂。水田沟渠和荒地沟渠植物分布较为均匀。
(3) 不同类型沟渠中的植被盖度和生物量差异显著。其中, 植被盖度平均值大小顺序为水田沟渠>居民区沟渠>旱地沟渠>荒地沟渠, 植物地上部平均生物量大小顺序为居民区沟渠>水田沟渠>旱地沟渠>荒地沟渠。
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