河岸带是陆地和水生生态系统之间的过渡带，具有调节微气候、美化环境等多种社会生态功能，是流域生态系统的重要组成部分^[1-2]。河岸植被是陆地径流和沉积物向河流传输的屏障，具有拦截坡面径流、控制河岸侵蚀和崩塌等水土保持效益^[3-4]，其物种多样性和丰富度与河岸带促进河流生态系统健康发展的有效性、河流多功能性的维持有着密切关系^[5-6]。近年来，作为生态脆弱带的河岸带在农业耕作、旅游开发等人为干扰下变得破碎化，其生境物理结构简化，物种多样性也受到威胁^[7-8]。

河岸带植物的群落组成特征受洪水周期、土壤含水量和土壤基质类型等环境因子的影响，同时植物及其根系也会改变土壤的有机质含量、团聚体稳定性和抗剪强度等理化性质^[9-10]。土壤抗冲性是土壤抵抗径流冲刷对其机械破坏和推动下移的性能，是评价土壤抗侵蚀能力的重要指标^[11]。已有的研究主要从河岸植被存在与否、类型、覆盖度和种植格局等方面^[12]探讨河岸植被对于土壤抗侵蚀性能的影响，而对天然植物群落阻控坡面侵蚀作用的研究还较少。本试验选取5种典型的河岸带生境类型，在野外调查和室内试验的基础上，研究不同生境植物群落物种多样性和土壤抗冲性的差异，以期评价河岸不同植被护岸效益并筛选出可用于河岸恢复的先锋物种，为退化河岸带生态修复提供参考。

成都市金马河是岷江经都江堰鱼嘴分流后的外江，主要承担岷江上游河段的排洪任务，同时也具有输水灌溉等功能，在成都市的经济社会发展中占有重要地位。本试验研究区位于金马河流经温江区域(E 103°46′10″ ~ 103°47′08″，N 30°40′19″ ~ 30°41′58″)，海拔516 ~ 525 m，地貌类型为侵蚀堆积型平原，属亚热带湿润气候，四季分明，气候温和，雨量充沛，年均日照时间991 h，年平均气温17 ℃，年平均降雨量972 mm，主要集中在夏季，平均湿度84%，无霜期282 d。土壤类型为灰色及紫灰色冲积物基础上发育而成的砂壤土。该区域是主要保护区域和重点灌溉区，气候宜人，河岸带草本植物以菊科(Compositae)、禾本科(Poaceae)和蓼科(Polygonaceae)植物为主，如芦苇(Phragmites australis)、斑茅(Saccharum arundinaceum)、水蓼(Polygonum hydropiper)和葎草(Humulus scandens)等。近年来该流域的采石挖沙、垃圾堆放等人为干扰使得河岸带生境异质性增加，植物群落结构和物种组成改变，岸坡遭受破坏易受水流冲刷失稳。

根据水文条件、植被生长和微地形的差异，金马河河岸带大致可分为天然河滩、过渡带河滩和沙坑地(图 1)。选择2018年9—10月即植物生长最佳季节对河岸植物群落进行调查，根据植被类型和人为干扰以及水位变化影响不同，选取5个不同生境类型，距河流由近到远分别为：1)砾石地，距离河流最近，受河流冲刷和水位涨落影响大；2)沙坑地，靠近河流，地势低，由人为挖沙采石后形成；3)河滩地，受河水干扰程度小；4)斑茅地，受水位影响小；5)芦苇地，地势最高，河水对其影响程度最小，由运沙车碾压后形成。各样地基本状况见表 1。采用典型样地法^[13]，每种生境类型分别划分3个20 m×20 m的样地，样地总数为15个，总面积6 000 m²。每个样地调查12个1 m×1 m的草本样方，共180个样方。在每个样方中分别记录草本植物的名称、盖度、高度、株数等指标。

图 1(Fig. 1)

图 1 调查区示意图 Fig. 1 Sketch map of the investigated region

表 1(Tab. 1)

表 1 样地信息 Tab. 1 Information of investigated plots 样地 Plot 生境类型 Habitat type 面积 Area/m2 海拔 Altitude/m 坡度/(°) 坡向 Aspect 1~3 河滩地 Flood land 1 200 521 3 SW33° 4~6 砾石地 Gravel land 1 200 518 3 NE15° 7~9 芦苇地 Phragmites australis land 1 200 525 4 NW30° 10~12 斑茅地 Saccharum arundinaceum land 1 200 520 5 SW13° 13~15 沙坑地 Bunker land 1 200 516 8 SE32°

表 1 样地信息 Tab. 1 Information of investigated plots

土壤抗冲试验采用改进的原状土冲刷水槽法^[14]，试验装置由恒压供水箱、冲刷槽(长60 cm，宽10 cm，高5 cm)、土样室等组成(图 2)。选取样地内植物生长均匀的地方，使用皮锤缓缓砸下取样器(长10 cm，宽10 cm，高8 cm)取表层土壤，铲掉取样器周边土壤将其完整取出，并将取样器底部削平，盖好上下盖，共取土样15个。采取土样后用塑料袋和胶带对取样器密封并装入储存箱，由专车运回实验室。将取样器去掉上盖放入盆中，加水至水层高度到取样器上沿，浸泡12 h后装入冲刷槽上的土样室，使土样表面和槽面齐平，将冲刷槽调节至20°，通过恒压水箱控制流量为2 840 mL/min，进行放水冲刷。冲刷总时间为34 min，在0~10 min内，每2 min为1个时段，收集1次泥沙量，11~22 min内每3 min收集1次，23~34 min内每4 min收集1次。冲刷结束后静置沉淀，将沉淀后的泥沙转入铝盒内，置于烘箱中105 ℃烘干并称取泥沙质量(g)。

图 2(Fig. 2)

1.进水管 Rubber tubing used to feed water. 2.供水箱 Water tank. 3.截水阀门 Stop value. 4.输水管 Rubber tubing for water delivery. 5.稳流室 Overflow weir. 6.冲刷槽 Flume. 7.土样室 Place for soil sample. 8.可调节高度支架 Height adjustable support. 9.底座 Pedeatal. 10.采样桶 Bucket. 11.取样器 Iron box for sampling. 图 2 土壤抗冲试验装置示意图 Fig. 2 Diagram of experimental facility for soil anti-scouring

根据下列公式计算各物种多样性指数^[13]：

重要值

物种丰富度指数

Simpson优势度指数

Shannon-Wiener多样性指数

Pielou均匀度指数

式中：P_i为第i种的个体数n_i占调查物种个体总数n的比例，即P_i=n_i /n；i=1, 2, 3, …, S；S为物种数。

采用冲刷1 g干土所需水量表示各样地的土壤抗冲指数^[14]。

式中：I_AS为土壤抗冲指数, L/g; f为冲刷流量, L/min; t为冲刷时间, min; W_LDS为总的土壤冲刷量, g。I_AS越大，土壤抗冲性越强。

使用Excel 2013软件进行数据基本处理；使用DPS v7.05软件对数据进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)和Pearson相关分析；使用Origin 9.1软件绘图。

在180个样方中，共记录草本植物39科94属136种。表 2显示，此次调查中物种数排列在前10的科共包含98种植物，其中菊科、禾本科物种数最多，分别占物种总数的23.53%和16.91%，在各生境中均有分布。不同生境类型中，沙坑地物种数最多(58种)，芦苇地次之(43种)，河滩地、砾石地和斑茅地最少，分别是34种、38种和33种。对各物种的重要值进行统计，结果表明：河滩地优势种为白茅(Imperata cylindrica)和斑茅，二者重要值之和为57.39%，芦苇地芦苇占绝对优势，重要值为52.78%，斑茅地优势种为斑茅，重要值为34.23%，砾石地优势种为水蓼和木贼(Equisetum hyemale)，二者重要值之和为29.09%，沙坑地葎草、芦苇、球穗扁莎(Pycreus flavidus)、水蓼、稗(Echinochloa crusgalli)和牛筋草(Eleusine indica)的重要值较高。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同生境下草本植物排列前10科的物种组成统计 Tab. 2 Species of top 10 herbaceous plants in different habitats 科 Family 种数 Species 河滩地 Flood land 砾石地 Gravel land 芦苇地 Phragmites australis land 斑茅地 Saccharum arundinaceum land 沙坑地 Bunker land 总计 Total 菊科 Compositae 18 9 14 14 18 32 禾本科 Gramineae 6 12 9 8 17 23 莎草科 Cyperaceae 1 3 - - 3 5 蓼科 Polygonaceae 1 2 3 - 5 5 茄科 Solanaceae 1 2 3 2 2 5 荨麻科 Urticaceae 1 - 2 2 2 4 伞形 Umbelliferae 2 3 1 2 1 4 凤尾蕨科 Pteridaceae 1 - 2 1 - 2 葫芦科 Cucurbitaceae - 1 2 - 1 2 鳞毛蕨科 Dryopteridaceae - - 2 2 - 2 毛茛科 Ranunculaceae - 1 1 1 - 2 茜草科 Rubiaceae 1 - 1 1 1 2 十字花科 Cruciferae - - - - 2 2 苋科 Amaranthaceae - 2 1 - 2 2 玄参科 Scrophulariaceae - 2 1 - 1 2 紫草科 Boraginaceae 1 - - - 2 2 唇形科 Labiatae 1 1 1 - 1 2 总计 Total 34 38 43 33 58 98 注：-表示未出现该科物种。Notes：- refers to that no species of this family are present.

表 2 不同生境下草本植物排列前10科的物种组成统计 Tab. 2 Species of top 10 herbaceous plants in different habitats

计算各多样性指数(图 3)，结果表明：Shannon-Wiener多样性指数H、Simpson优势度指数H′和物种均匀度指数J_sw变化趋势相似。砾石地的H值、H′值和J_sw值分别为1.22、0.90和0.81，在5种生境类型中最高，芦苇地的H值、H′值和J_sw值分别为0.79、0.65和0.54，显著小于其余4种生境，河滩地的H值(0.88)和H′值(0.72)均显著小于斑茅地和沙坑地。砾石地(0.81)和斑茅地(0.81)的J_sw值显著高于其他生境，其植物分布较均匀，沙坑地(0.70)次之，河滩地(0.62)和芦苇地(0.54)较低，其物种均匀度较小，优势种明显。对于物种丰富度指数D，沙坑地(39.00)最高且与其余生境有显著差异，其物种最丰富，砾石地(33.33)和芦苇地(29.33)次之，河滩地(26.33)和斑茅地(23.33)显著低于其他生境。综合各指数得，砾石地和沙坑地多样性水平较高，芦苇地多样性水平较低。

图 3(Fig. 3)

图中不同字母表示差异显著(P＜0.05)。Ⅰ:河滩地; Ⅱ:砾石地; Ⅲ:芦苇地; Ⅳ:斑茅地; Ⅴ:沙坑地。下同。 The different letters in the figure indicate significant differences(P < 0.05). Ⅰ: Flood land; Ⅱ: Gravel land; Ⅲ: Phragmites australis land; Ⅳ: Saccharum arundinaceum land; Ⅴ: Bunker land. The same below. 图 3 不同生境下草本植物群落多样性指数 Fig. 3 Species diversity indices of herbaceous communities in different habitats

图 4显示，在冲刷前10 min内，各样地抗冲指数随时间变化迅速增大，从2 min到10 min，斑茅地的抗冲指数增加74倍，河滩地、芦苇地、砾石地和沙坑地分别增加34、20、17和17倍。从第10 min开始，芦苇地抗冲指数呈波浪式上升趋势，抗冲指数峰值出现在第10、16、22和30 min时，分别为70.68、94.25、90.42和87.39 L/g，持续高于其他类型。河滩地和斑茅地在10 min以后继续上升，在16 min时急速下降，后又波动上升，最大值分别出现在第34和26 min，分别为24.53和37.92 L/g。砾石地和沙坑地的抗冲指数持续处于较低水平，随时间变化趋势小，总体呈现缓慢上升趋势，最大值出现在第34 min，分别为3.79和3.67 L/g。在整个过程中各类型土壤在径流冲刷下抗冲能力不断增强，随着冲刷时间延长，芦苇地、沙坑地、砾石地抗冲能力逐渐趋于稳定，斑茅地有减弱趋势，河滩地有持续增强趋势。

图 4(Fig. 4)

图 4 不同生境类型土壤冲刷过程抗冲指数变化特征 Fig. 4 Variation characteristics of soil anti-scourability indexes in soil erosion process of different habitat types

完成整个冲刷过程后5种生境类型植物群落的土壤抗冲指数I_AS(图 5)可以评定其土壤抗冲能力的大小。试验结果表明：芦苇地的I_AS与其他类型间存在显著差异，为24.53 L/g，河滩地为4.10 L/g，斑茅地、砾石地和沙坑地均显著小于芦苇地和河滩地，分别为1.06、0.31和0.27 L/g。这表明芦苇地土壤抵抗径流冲刷分散的能力最强，与冲刷过程显示结果一致。河滩地和斑茅地抗冲性弱于芦苇地，砾石地、沙坑地抗冲性最差。

图 5(Fig. 5)

图 5 不同生境类型土壤冲刷结束时土壤抗冲指数 Fig. 5 Soil anti-scourability indexes at the end of soil erosion of different habitat types

对不同生境类型植物群落Shannon-Wiener多样性指数(H)、Simpson指数(H′)、Pielou均匀度指数(J_sw)及物种丰富度指数(D)与土壤抗冲指数I_AS进行相关性分析。表 3表明，土壤抗冲指数I_AS与H′值、J_sw值达到极显著负相关(P＜0.01)，相关系数为-0.65，土壤抗冲指数I_AS与H值达到显著负相关(P＜0.05)，相关系数为-0.61，土壤抗冲指数I_AS与D值相关性微弱。由此可见，随着H、H′和J_sw的增大，物种多样性水平提高，土壤抗冲能力减弱。

表 3(Tab. 3)

表 3 物种多样性指数与土壤抗冲系数的相关系数 Tab. 3 Correlation coefficients between diversity indices and soil anti-scourability index H H′ Jsw D IAS -0.61* -0.65** -0.65** -0.12 注：*在0.05水平(双侧)上显著相关；**在0.01水平(双侧)上显著相关。H：Shannon-Wiener多样性指数；H′：Simpson指数；Jsw：Pielou均匀度指数；D：物种丰富度指数；IAS：土壤抗冲指数。Notes: * refers to significant correlation at 0.05 level (bilateral). ** refers to significant correlation at 0.01 level (bilateral). H：Shannon-Wiener diversity index. H′：Simpson dominance index. Jsw：Pielou uniformity index. D：Species richness index. IAS：Soil anti-scourability index.

表 3 物种多样性指数与土壤抗冲系数的相关系数 Tab. 3 Correlation coefficients between diversity indices and soil anti-scourability index

本次调查中共出现草本植物43科91属137种，禾本科、蓼科和桑科(Moraceae)出现次数较多，芦苇和斑茅为绝对优势种，白茅、水蓼和葎草等抗逆性强的湿生和中生植物也较多，这表明金马河河岸带草本植物物种丰富，发展状况较好。H、H′和J_sw的最大值都出现在距河流最近的砾石地，最小值出现在相对高程最高的芦苇地，D值最大值也出现在距河流较近的沙坑地，这与赵清贺等^[7]的研究结果相似。河流水位的高低、涨落和持续时间等会改变土壤水分及养分状况，从而限制植物的定居、生长和繁殖，影响植物群落的物种组成和空间分布^[15]。砾石地和沙坑地位于河流沿岸，河水漫溢使土壤种子库的生物多样性提高，浅根系和草本植物种类增加，这符合“适度干扰假说”的观点即适度洪水干扰下的生境包含最多的物种和功能群^[1]。河滩地、芦苇地和斑茅地地势高，受季节性洪水影响较弱，优势种为密集生长型物种，限制了下层一年生草本植物的光照条件和生存空间，故物种多样性水平低^[9]。因此，水位、地形地貌以及土壤物理化学特征等相互关联的因素会对植物群落组成和分布产生强烈影响，其内在原因是物种对于不同程度淹没和生境扰动的耐受性存在差异^[16]。

目前退化河岸带的恢复以植被重建为主要手段，其关键在于根据河岸特征和植物生长特性、抗逆性及其护岸生态机理，选择合适物种进行群落构建^[1]。本试验中，各个生境类型都随冲刷进行土壤抗冲性不断增强，这是因为表层土壤结构松散，下层土壤紧实，颗粒之间摩擦力大，抵抗土壤侵蚀能力较强^[14]。总体来说，芦苇地抗冲能力最强，河滩地和斑茅地次之，砾石地和沙坑地最差。河岸植物的护坡机理在于一方面植被覆盖可以减小地表裸露面积以削弱径流冲刷动能，另一方面植物根系可以渗入土层使其机械强度和聚合力增大从而减小侵蚀^[1]。芦苇繁殖迅速，杆茎粗壮，植株高大，其茎叶可阻挡雨水减少击溅侵蚀，根茎节延伸出的不定根具有固土作用，庞大的根系网络可粘结强化抗冲性土体构造，因此可有效提高堤岸边坡的稳定性，河滩地和斑茅地的优势物种白茅(耐干旱瘠薄，主要靠根茎营养繁殖)和斑茅(高大丛生草本)也具有竞争扩展能力强，根系发达的特点，因此这3种物种适合在河岸带推广。植被覆盖度对土壤抗冲性的增强作用主要体现在植被可以增大地表糙率，增加入渗。据调查，砾石地表面砾石密布，植被稀疏，沙坑地地表塌陷，土壤结构被破坏，表层土松散易流动。此外，砾石地和沙坑地上生长的植物主要为水蓼、稗、葎草等一年生草本，多为浅根系物种，植株密度低，因此土壤易受径流冲刷侵蚀。

已有研究表明，随着植物物种多样性指数的增加，土壤抗冲性会增强^[17]，而本试验显示物种多样性与土壤抗冲性呈负相关关系。这可能是由于前人研究对象为森林生态系统，其群落层次结构丰富，当植物种类增多，其枯落物层增厚，下渗率提高，同时乔灌草组成的复合植物群落根系发达，使根际土层机械强度和聚合力增加。而河岸带生境具有特殊性、复杂性以及高度异质性^[1]，地表覆盖物、水文过程、人为干扰等因素对其土壤抗冲性有着强烈影响。砾石地、沙坑地受干扰的频率和强度最大，属于次生裸地，植物群落处于不稳定的演替前期，受缺氧、剪应力或淹没等物理和生理上的限制^[18]，其群落结构简单且趋于单一化，植被覆盖度较低，且土壤发育时间短、质量差，故抗冲性也差。芦苇地、河滩地、斑茅地受季节性水位变化及人为活动干扰强度小，群落结构稳定，具有生长密集的优势种，植物根系发达，腐殖质层深厚，因而土壤结构良好，物种多样性水平较低但土壤抗冲性强。

1) 金马河温江段河岸带草本植物主要以菊科、禾本科为主，靠河流较近的砾石地、沙坑地多样性水平较高，地势最高的芦苇地多样性水平较低。

2) 随冲刷时间的延长，各生境类型土壤抗冲能力不断增强。总体来看，芦苇地、斑茅地和河滩地土壤抗冲性能良好，其优势物种芦苇、白茅、斑茅可作为近自然河道治理和植被恢复时的先锋物种。

3) 本试验初步表明，各物种多样性指数与土壤抗冲性呈负相关关系，但其机理不明确，今后仍需进一步研究河岸水文过程、植被生态特性与土壤抗冲性的内在作用机制。