張森霖,盧少勇,陳方鑫,畢潤成

1 山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 臨汾 0410002 中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖泊環(huán)境研究中心,國家環(huán)境保護(hù)洞庭湖科學(xué)觀測研究站,湖泊工程技術(shù)中心,北京 1000123 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 1000834 山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，臨汾 041000

貢湖灣退圩還湖區(qū)水位高程下植被分布格局與土壤特征

張森霖1,盧少勇2,*,陳方鑫3,畢潤成4

1 山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 臨汾 0410002 中國環(huán)境科學(xué)研究院,環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖泊環(huán)境研究中心,國家環(huán)境保護(hù)洞庭湖科學(xué)觀測研究站,湖泊工程技術(shù)中心,北京 1000123 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 1000834 山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，臨汾 041000

為揭示水陸交錯(cuò)帶水位高程下植被分布格局、多樣性指數(shù)和土壤特征的變化,于2015年10月對貢湖灣濕地北部生態(tài)修復(fù)區(qū)不同水位高程下植物群落組成和土壤特征進(jìn)行調(diào)查,結(jié)果表明：整個(gè)研究區(qū)有165種植物,隸屬65科、142屬,多為多年生植物且受人為影響嚴(yán)重；隨水位高程增加,植物群落R、H、D、J呈現(xiàn)逐漸遞增趨勢,具體表現(xiàn)為常年水淹區(qū)G1<季節(jié)性水淹區(qū)G2<水淹區(qū)G3；土壤容重及機(jī)械組成中粉、黏粒含量隨水位高程升高而增加；隨土壤營養(yǎng)物漸增其植物群落多樣性增加,多樣性和優(yōu)勢度指數(shù)與土壤全氮(TN和有機(jī)質(zhì)(OM)負(fù)相關(guān)。OM含量呈“V”型先減后增分布；TN呈逐漸增多的趨勢；速效鉀(EP)含量無明顯波動(dòng),約為13.50 mg/kg；有效磷(AP)含量先減少后基本不變；4個(gè)多樣性指數(shù)間正相關(guān)；TN與OM顯著正相關(guān)(R2=0.533)；OM與EP負(fù)相關(guān)(R2=-0.144；TN與豐富度、多樣性、優(yōu)勢度正相關(guān)；AP與4個(gè)多樣性指數(shù)均正相關(guān)；pH值與4個(gè)多樣性指數(shù)負(fù)相關(guān)；回歸分析可見,TN和OM是影響植物群落多樣性的關(guān)鍵因子?？茖W(xué)的植被管理、全面調(diào)控土壤營養(yǎng)鹽含量有助于水陸交錯(cuò)帶植被恢復(fù)。

水陸交錯(cuò)帶；水位高程；區(qū)系組成；生物多樣性；土壤

水陸交錯(cuò)帶(land/water ecotones, LWEs),是指內(nèi)陸水生與陸地生態(tài)系統(tǒng)間的功能界面區(qū),是阻止污染物入湖的最后屏障,水陸交錯(cuò)帶植物群落和土壤作為其中兩個(gè)重要組成部分。土壤是植物群落的主要環(huán)境因子之一,土壤理化性質(zhì)和種子庫的特征影響植被發(fā)展和演替進(jìn)程,也受植被演變影響,土壤性質(zhì)與植物群落組成及生物多樣性密切相關(guān)[1-2],摸清二者間的關(guān)系尤為重要,也是生態(tài)學(xué)研究熱點(diǎn)之一。許多學(xué)者已開展大量野外調(diào)查和模擬研究,不同放牧退化程度下植被群落和土壤養(yǎng)分鹽之間相關(guān)性顯著[3- 5]；對森林、山地植被群落和土壤理化性質(zhì)的研究表明,不同植被森林植被類型和土壤理化性質(zhì)相互依存、相互制約[6- 8]；沙地、荒漠表明沙漠化過程中土壤-植被關(guān)系依賴于空間尺度,不同土層深度及土壤類型對土壤理化性質(zhì)都有較大的影響和關(guān)聯(lián)[9- 11]；過渡施肥對植物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能有負(fù)面影響,植物群落的功能組成和養(yǎng)分輸入土壤過程之間有著顯著的相互作用[12-14]。目前,多數(shù)研究集中在自然地貌中森林、山地、草原和荒漠等植被與土壤間的相互作用,鮮見對湖泊退圩還湖區(qū)基底與生態(tài)重建后交錯(cuò)帶植被和土壤的定量研究。

貢湖是無錫市和蘇州市的重要水源地,隨著近年來太湖水質(zhì)惡化,水環(huán)境現(xiàn)狀堪憂,水華威脅太湖周邊城市生產(chǎn)、生活和生存[15]。2011年對貢湖灣北部進(jìn)行退圩還湖生態(tài)修復(fù),主要利用地表徑流攔截、入湖河口污染負(fù)荷消減、岸堤改造和水動(dòng)力改善、水陸交錯(cuò)帶植被重建與基底改造、沉水植物群落恢復(fù)等技術(shù)共同搭建生態(tài)修復(fù)區(qū)[16-21]。本文以典型退圩還湖后人工生態(tài)修復(fù)的水陸交錯(cuò)帶為例,分析在水文過程下交錯(cuò)帶植物群落多樣性和土壤特征,為同類型交錯(cuò)帶重建提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貢湖灣北部退圩還湖生態(tài)修復(fù)區(qū)(圖1a),總占地2.32 km2,西起許仙港東至小溪港,北臨通錫高速,南與太湖相隔,介于31°26′53.19″—31°27′56.89″N, 120°19′40.08″—120°20′48.31″ E,區(qū)內(nèi)交錯(cuò)帶全長約10 km。年均氣溫16.2℃,年均無霜期超過240 d,積溫5418℃,降水量1121.7 mm,年日照百分率46%。

研究區(qū)修復(fù)前為魚塘,生態(tài)修復(fù)措施包括圩湖成垸(太湖引水,圩堤隔斷,閘門放水但目前不與太湖連通)；水陸交錯(cuò)帶植被重建；基底重建、堤岸構(gòu)建(淤泥干化構(gòu)建基底、人工島、岸堤)；地表徑流攔截污染攔截與凈化利用；沉水植物群落恢復(fù)等方法。根據(jù)近4年來監(jiān)測的水位變化趨勢,1—5月基本保持在3.3 m(吳淞水位,下同)以下,6—10月保持高水位3.5—4.3 m,11—12月逐步回落到3.3 m以下。

圖1 貢湖灣水陸交錯(cuò)帶地理位置、采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Geographical position and sampling points in the land/inland water ecotone of Gonghu Lake

1.2 樣品采集與處理

1.2.1 植物調(diào)查與樣品采集

據(jù)生態(tài)學(xué)植物群落調(diào)查規(guī)范[22]及常年檢測水位變化,將生態(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)新、老大堤間的交錯(cuò)帶按水位高程和植被類型分為3個(gè)梯度帶(圖2)：常年水淹區(qū)G1(2.8—3.3 m)、季節(jié)性水淹區(qū)G2(3.3—4.3 m)、微水淹區(qū)G3(>4.3 m)；各帶內(nèi)設(shè)4塊樣地,各樣地內(nèi)設(shè)3個(gè)10 m×10 m喬木樣方；各喬木樣方內(nèi)設(shè)灌木/草本樣方2個(gè)5 m×5 m/4個(gè)1 m×1 m,采樣點(diǎn)分布圖見圖1b,其中G1紅色、G2藍(lán)色、G3綠色,黑色實(shí)心原點(diǎn)代表采樣點(diǎn)位置。

2015年10月完成植被調(diào)查與土壤取樣。統(tǒng)計(jì)各樣方內(nèi)的：喬木(種名、株高、胸徑、冠幅)、灌木(種名、叢高、蓋度、高度)和草本(種名、數(shù)量、平均高度、蓋度)[23]。用彼得森抓泥斗和鐵鏟聯(lián)合采土,裝袋標(biāo)號,帶回實(shí)驗(yàn)室待測。用環(huán)刀和鋁盒取土,重復(fù)3個(gè),帶回實(shí)驗(yàn)室測量土壤容重和機(jī)械組成及營養(yǎng)鹽含量。

圖2 貢湖灣水陸交錯(cuò)帶不同水位高程結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of different water level in the land/inland water ecotone of Gonghu LakeG1：草帶 Grass zone,G2:灌草帶 Shrub and grass zone,G3:喬灌草帶 Tree shrub and grass zone

1.2.2 測定方法

容重用環(huán)刀比重測定法、機(jī)械組成用比重計(jì)法、總氮(TN)用凱氏定氮法、總磷(TP)用酸溶-鉬銻抗比色法、pH值用酸度計(jì)法、有機(jī)質(zhì)(OM)用低溫外加熱重鉻酸鉀氧化-比色法、速效鉀(EP)用中性乙酸銨提取火焰光度計(jì)法測定[24]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 重要值

喬木重要值=(相對頻度+相對多度+相對優(yōu)勢度)/3

灌、草本重要值=(相對蓋度+相對高度)/2

1.3.2 物種多樣性計(jì)算

用R語言中vegan包算生物多樣性指數(shù),其中R為物種數(shù)、H為Shannon-wiener指數(shù)、D為Simpson指數(shù)、J為Pielou均勻度指數(shù)。多樣性、相關(guān)分析、回歸分析等數(shù)據(jù)用Excel軟件處理,用R軟件計(jì)算生物多樣性指數(shù)和相關(guān)性分析、回歸分析。

1.3.3 群落多樣性測度

因各層植物群落對生態(tài)環(huán)境貢獻(xiàn)不同,按群落垂直結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對其不同生長型多樣性指數(shù)加權(quán)[25],其公式如下[26-27]:

A=W1A1+W2A2+W3A3[27]

式中,A為群落總體多樣性指數(shù)；A1,A2,A3依次為喬、灌、草3層多樣性指數(shù)；W1,W2,W3依次為喬、灌、草3層多樣性指數(shù)加權(quán)參數(shù)。算得W1=0.4483,W2=0.1988,W3=0.3529。統(tǒng)一多樣性測度后的加權(quán)得到植物群落生物多樣性指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 交錯(cuò)帶內(nèi)植物區(qū)系組成及其多樣性指數(shù)

2.1.1 交錯(cuò)帶內(nèi)植物群落組成

圖3 不同水位高程植物組成分布Fig.3 Species distribution at different water level G1,草帶 Grass zone,G2,灌草帶 Shrub and grass zone,G3,喬灌草帶 Tree shrub and grass zone

本調(diào)查中共出現(xiàn)165種植物,隸屬65科、142屬(附表1)。由圖3可見,3個(gè)梯度帶中多年生植物均多于1年生植物,是因研究區(qū)大部分植物人工配置,可快速提高植物多樣性組成及滿足造景功能,但與自然演替結(jié)果有別[28],也與國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)論有別[29- 31]。調(diào)查表明僅有11中自然演替出的新物種(附表1中斜體)。1年生草本生長周期短,繁殖力強(qiáng),在水陸交錯(cuò)帶水文作用影響下也能較短時(shí)間完成其生命周期,依靠土壤種子庫或其他種子源重新開始新的生長循環(huán)。而多年生草本則需較長時(shí)間完成生命循環(huán),更依賴目前人為管理?？芍緟^(qū)域的植物群落組成還未穩(wěn)定化,加之研究區(qū)本身是開放式公園景區(qū),隨著游人漸多,影響植物群落的發(fā)展和演替[32- 34],若人為干預(yù)撤銷,生物多樣性大幅降低。

2.1.2 水陸交錯(cuò)帶內(nèi)植物多樣性指數(shù)變化

在研究區(qū)調(diào)查植物中,喬木出現(xiàn)15科、19屬、21種；灌木出現(xiàn)14科、23屬、26種；草本出現(xiàn)44科、92屬、114種?？梢姴荼緦訉χ参锶郝涠鄻有载暙I(xiàn)最大,灌木層第二,喬木層最少。除5科12屬21種草本植物外,其余均為人工種植。其中主要喬木有墨西哥落羽杉(Taxodiummucronatum)、池杉(Taxodiumdistichumvar.imbricatum)、樟(Cinnamomumcamphora)；主要灌木有石楠(Photiniaserratifolia)、日本晚櫻(Cerasusserrulatavar.lannesiana)、楊梅(Myricarubra)；主要草本有銅錢草(Hydrocotylevulgaris)、蘆竹(Arundodonax)、金雞菊(Coreopsisdrummondii)、大濱菊(Leucanthemummaximum)等。高程增至最高水位后,植被類型從單一草本群落變?yōu)槌霈F(xiàn)了喬、灌木群落。

生物多樣性反映著一片群落的結(jié)構(gòu)、復(fù)雜度、功能特性和物質(zhì)能量循環(huán)途徑,是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件。由各梯度帶多樣性指數(shù)變化(圖4)可見,隨水位高程增加,群落物種豐富度、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢度和均勻度都呈明顯升勢。H表現(xiàn)為G1(0.824)

圖4 不同水位高程下的植物多樣性指數(shù)Fig.4 Vegetation diversity indexes at various water levelsR:物種數(shù) Species；H:Shannon-winner指數(shù) Shannon-winner index；D: Simpson指數(shù)Simpson index；J: 均勻度指數(shù) Pielou index

2.1.3 物種多樣性指數(shù)相關(guān)矩陣分析

R,H,D,J各指數(shù)間的相關(guān)矩陣圖(圖5)中,下半矩陣為各指數(shù)散點(diǎn)圖,主對角線分別指示4指數(shù)變化趨勢。上半矩陣分別顯示了各相關(guān)分析結(jié)果。最后一行是各指數(shù)盒須圖,最右一列為數(shù)據(jù)分布圖?？梢?指數(shù)間兩兩呈正相關(guān)(*P<0.05)。多樣性指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)及優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)間極顯著。即其中一個(gè)指數(shù)升高,其余3個(gè)指數(shù)升高。

結(jié)合盒須圖和數(shù)據(jù)分布圖可見,G1,G2,G3帶的4個(gè)多樣性指數(shù)區(qū)別較明顯。其中,各梯度的4個(gè)多樣性指數(shù)中,G3分布最廣,為R(5.65—10.07),H(1.20—1.90),D(0.60—0.86),J(0.61—0.95)；G1,G2,G3的4個(gè)指數(shù)均呈正偏態(tài)分布；G3中位數(shù)(R:7.95,H:1.55,λ:0.70,J:0.79)最大,其次是G2,最后是G1。各梯度落在各指數(shù)的50%值,R:G1(4.45—5.89),G2(5.25—6.48),G3(7.21—8.60)；H:G1(0.75—0.88),G2(0.39—0.44),G3(1.45—1.68)；λ:G1(0.28—0.32),G2(0.39—0.44),G3(0.66—0.74),J：G1(0.29—0.32),G2(0.46—0.49),G3(0.71—0.86)。

圖5 物種多樣性指數(shù)相關(guān)性矩陣圖 (Pearson)Fig.5 Correlative Matrix plot of diversity indexes (Pearson) 藍(lán)色為正相關(guān),紅色為負(fù)相關(guān)(本分析中未出現(xiàn)負(fù)相關(guān))顏色越深相關(guān)度越大,反之越??；箱須圖兩條須子分別表示最小值和最大值,Sam表示樣方;*P<0.05

2.2 不同梯度帶土壤理化性質(zhì)

2.2.1 不同梯度帶土壤物理性質(zhì)差異

土壤容重是反映土壤透水性、孔隙度、含水量及植物根系生長阻力等特性的綜合指標(biāo)[20]。表1所示為研究區(qū)G1,G2,G3帶土壤容重和植被蓋度變化。土壤容重呈隨水位高程增加而增大的趨勢,植被蓋度也上升,結(jié)合多樣性指數(shù),可見植物群落組成趨于更復(fù)雜和高等。

土壤機(jī)械組成對土壤物理、化學(xué)、生物特性具決定作用,不同土壤機(jī)械組成有別,礦物組成差異大,其化學(xué)和其它性質(zhì)均不同,以氮、磷、鉀對植物生長發(fā)育影響為最[35]。比較G1,G2,G3帶土壤機(jī)械組成(圖6)可知,土壤顆粒以粉粒為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為G1(41.72%),G2(42.00%),G3(44.82%)。粉、黏粒含量分別為沙粒的2.76,2.93,3.37倍。

按我國標(biāo)準(zhǔn)[36]土壤機(jī)械組成中沙、粉、黏粒劃分標(biāo)準(zhǔn)依次為：1—0.05 mm,0.05—0.005 mm<0.005 mm?？傮w上,沙粒含量隨高程增而降,而黏、粉粒含量均升。是因隨水位高程增加,土壤受水流沖刷減弱。反之,土壤黏、粉粒含量下降,而含沙量增高。除水流侵蝕影響外,植物對土壤機(jī)械組成的影響不可忽視,土壤粉、黏粒顆粒易吸附OM和營養(yǎng)鹽,隨水位高程增加,粉、黏粒含量增加,植物多樣性增高,植物群落趨于復(fù)雜,開始出現(xiàn)大型喬、灌木,繼而改良土壤機(jī)械成分,使土壤顆粒分布均勻,改變土壤透氣性和持水性,與有關(guān)研究一致[37-38]。

表1 不同高程梯度帶土壤類型和植被特征

G1,草帶 Grass zone,G2,灌草帶 Shrub and grass zone,G3,喬灌草帶 Tree shrub and grass zone

圖6 不同水位高程的土壤機(jī)械組成Fig.6 Soil particle composition at different water levels G1:草帶 Grass zone,G2:灌草帶 Shrub and grass zone,G3:喬灌草帶 Tree shrub and grass zone

2.2.2 不同梯度帶土壤化學(xué)性質(zhì)的差異

土壤OM是濕地植物最主要營養(yǎng)源,其含量直接影響生產(chǎn)力,而研究區(qū)內(nèi)土壤特征受來自湖水水位不同頻率和波動(dòng)的影響,故使OM成為氣候變化的敏感指示物,能指示濕地對氣候變化的響應(yīng)[39-40]。由表2可見OM隨水位高程增加呈“V”型,G2帶含量最低,因土壤中OM含量動(dòng)態(tài)變化,其輸入(有機(jī)殘?bào)w腐化)和輸出(生物和非生物因素)會(huì)影響其含量,G1帶水位較低,與湖水交換最頻,來自湖水中動(dòng)、植物殘?bào)w在岸邊腐化因素明顯高于G2和G3帶,G3帶中來自水文的因素大減,但隨大量喬木群落出現(xiàn),枯枝落葉層出現(xiàn),增加了其OM輸入量,且其生物多樣性指數(shù)較高,植物群落組成更復(fù)雜,增強(qiáng)了其對OM的持留,故OM含量較高。

自然土壤氮主要來自動(dòng)植物殘?bào)w和生物固氮,少量來自大氣降水。土壤氮輸出主要是OM分解,大部分被植物吸收利用,部分有機(jī)氮經(jīng)礦化(氨化)、硝化和反硝化及氨揮發(fā)而重返大氣[41]。土壤氮含量將直接影響植物群落多樣性、植物生產(chǎn)力等。表2中TN含量隨水位高程增加呈增勢,G3帶TN含量約是G1的1.5倍,綜合其植物多樣性指標(biāo)可知,更豐富多樣物種組成可有效提高固氮微生物反應(yīng)速率,調(diào)節(jié)各形態(tài)氮轉(zhuǎn)換效率。

植物所需鉀主要來自土壤,但除EP外絕大部分鉀不能被植物直接吸收[42]。與氮不同,土壤鉀含量受母質(zhì)影響較大,本研究中G1,G2,G3帶中EP含量無明顯差異,均約13mg/kg因交錯(cuò)帶在生態(tài)修復(fù)改造時(shí)坡岸所用堆土來源一致,成土母質(zhì)性質(zhì)相近。

表2 不同梯度帶有機(jī)質(zhì)、全氮、速效鉀、有效磷、pH值

G1：草帶 Grass zone,G2：灌草帶 Shrub and grass zone,G3:喬灌草帶 Tree shrub and grass zone

植物生長除需氮、鉀外,磷也必不可少,AP是可被植物利用的形態(tài)之一。過高磷含量不僅不能被植物有效利用,反而入湖促進(jìn)富營養(yǎng)化。G1,G2,G3帶AP含量分別為G1(21.277 mg/kg)>G2(18.696 g/kg)≈G3(18.336 mg/kg),可見水位較高的G2、G3帶AP含量較接近,水位較低的G1帶含量略高。因G1帶在靠近水體邊界的交錯(cuò)帶,陸源輸入在此得到富集和積累,并與水體交換最頻,一年中被淹時(shí)間最長,且調(diào)查區(qū)岸邊有大量濕生植物,本次調(diào)查接近秋末,已有植物殘?bào)w浮于岸邊,此乃G1帶OM、EP、AP含量較高的原因之一。

3.2.3 土壤特征指標(biāo)相關(guān)性分析

由圖7可見OM和TN在0.01水平上顯著正相關(guān),對其回歸分析得到方程：Y(TN,g/kg)=28730X2+250024(R2=0.884,表3),說明該交錯(cuò)帶中有機(jī)氮對OM含量貢獻(xiàn)很大。而OM和EP及AP和EP的相關(guān)性較差,R2分別為-0.027和-0.023。

圖7 土壤特征指標(biāo)相關(guān)性矩陣圖(Pearson)Fig.7 Correlative Matrix plot of characteristic indexes of the soil(Pearson)TN:全氮、OM:有機(jī)質(zhì)、P:有效磷、K：速效鉀；下半矩陣為兩兩指標(biāo)的散點(diǎn)圖并添加擬合曲線及趨勢線；上半矩陣為兩兩矩陣的相關(guān)關(guān)系及系數(shù),藍(lán)色為正相關(guān),紅色為負(fù)相關(guān),顏色越深相關(guān)性越大；主對角線為核密度估計(jì)曲線；**表示在P<0.01(雙尾)時(shí)顯著相關(guān)

2.3 水陸交錯(cuò)帶植物多樣性指數(shù)和土壤理化因子相關(guān)關(guān)系

研究結(jié)果表明,植物多樣性與土壤理化性質(zhì)間明顯相關(guān)。其中,TN與4個(gè)植物多樣性指數(shù)均正相關(guān),其中豐富度、多樣性、優(yōu)勢度與TN在0.01水平上(雙尾)顯著正相關(guān),均勻度顯著性不高,這與許多研究一致[43-45]；AP在0.05水平上(雙尾)與豐富度、均勻度顯著正相關(guān)；pH值與4個(gè)植物多樣性指數(shù)均負(fù)相關(guān),僅與豐富度在0.05水平上顯著負(fù)相關(guān)；AP與4個(gè)植物多樣性指數(shù)均正相關(guān),其中與豐富度和均勻度顯著相關(guān)；OM與各植物多樣性指標(biāo)相關(guān)性不明顯,此現(xiàn)象可能因G1,G2,G3帶生境多樣性(光照、土壤機(jī)械組成、人為干擾程度等)不同,影響了群落結(jié)構(gòu)組成和多樣性。有效鉀與植物多樣性指數(shù)正相關(guān),但相關(guān)性不顯著。

表3 植物多樣性指數(shù)和土壤理化因子相關(guān)關(guān)系(Pearson)

R: 物種數(shù) Species；H: Shannon-winner指數(shù) Shannon-winner index；D: Simpson指數(shù)Simpson index；J: 均勻度指數(shù) Pielou index

植物生長狀況綜合了多種生物和非生物因素因素,各因素相互制約,現(xiàn)通過對豐富度、多樣性、優(yōu)勢度、均勻度與表中土壤各理化性質(zhì)多元回歸分析,先用多元方差分析,刪除對Y無影響的變量,再逐步回歸(表4)?？芍猅N和OM均出現(xiàn)在4個(gè)方程中,說明TN和OM對提高植物群落多樣性影響顯著；植物群落多樣性提高后可有效提高土壤養(yǎng)分含量。另土壤pH值出現(xiàn)了3次,說明pH值對植物群落多樣性有一定影響。

表4 群落植物多樣性指數(shù)與土壤理化因子多元線性回歸方程

R:物種數(shù) Species；H:Shannon-winner指數(shù) Shannon-winner index；D: Simpson指數(shù)Simpson index；J: 均勻度指數(shù) Pielou index

3 結(jié)論

貢湖灣濕地北部生態(tài)修復(fù)區(qū)自2011年開工建設(shè),本研究首次探討其植物群落多樣性和土壤分異特征,經(jīng)分析植物群落生物多樣性和土壤特征,及所獲結(jié)果相關(guān)性,主要結(jié)論如下：

(1)貢湖灣濕地生態(tài)修復(fù)工程開工至今,從改造前植物多樣性極低(均為雜草,無灌、喬木)到現(xiàn)在植物多樣性大幅提高(R:7.914,H:1.549,D:0.703,J:0.780),與所用植物配置和維護(hù)管理有關(guān)；本次植物群落調(diào)查中,發(fā)現(xiàn)多年生草本數(shù)量是1年生草本的4.33倍,且自然演替的物種不足10%,且未發(fā)現(xiàn)明顯指示種,因研究區(qū)植物群落長期處于人為干擾狀態(tài),日常植物管理嚴(yán)重干擾了植物群落自然狀態(tài)下的生長和發(fā)育,自我調(diào)節(jié)和修復(fù)能力不足,一旦終止人為植物管理,極可能多樣性明顯下降。

(2)本研究按水位將研究區(qū)劃分成3個(gè)梯度帶：常年水淹區(qū)G1(2.8—3.3 m)、季節(jié)性水淹區(qū)G2(3.3—4.3 m)、微水淹區(qū)G3(4.3 m以上)；隨水位高程水位升高：容重增加G1(1.614 g/cm3)

[1] 楊小波, 張?zhí)伊? 吳慶書. 海南瓊北地區(qū)不同植被類型物種多樣性與土壤肥力的關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2002, 22(2): 190- 196.

[2] 安樹青, 王崢峰, 朱學(xué)雷, 劉志禮, 洪必恭, 趙儒林. 土壤因子對次生森林群落演替的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 1997, 17(1): 45- 50.

[3] 薩茹拉, 侯向陽, 李金祥, 丁勇, 吳新宏, 運(yùn)向軍. 不同放牧退化程度典型草原植被——土壤系統(tǒng)的有機(jī)碳儲(chǔ)量. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 22(5): 18- 26.

[4] 王向濤, 張世虎, 陳懂懂, 談嫣蓉, 孫大帥, 杜國禎. 不同放牧強(qiáng)度下高寒草甸植被特征和土壤養(yǎng)分變化研究. 草地學(xué)報(bào), 2010, 18(4): 510- 516.

[5] 譚紅妍, 閆瑞瑞, 閆玉春, 陳寶瑞, 辛?xí)云? 不同放牧強(qiáng)度下溫性草甸草原土壤微生物群落結(jié)構(gòu)PLFAs分析. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2015, 24(3): 115- 121.

[6] 陳亮中, 謝寶元, 肖文發(fā), 黃志霖. 三峽庫區(qū)主要森林植被類型土壤有機(jī)碳貯量研究. 長江流域資源與環(huán)境, 2007, 16(5): 640- 643.

[7] 陳晨, 高明, 鄭杰炳, 陳凌靜, 李東. 縉云山不同森林植被下土壤理化性狀研究. 西南大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2010, 32(3): 88- 92.

[8] 歐芷陽, 蘇志堯, 袁鐵象, 彭玉華, 何琴飛, 黃小榮. 土壤肥力及地形因子對桂西南喀斯特山地木本植物群落的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2014, 34(13): 3672- 3681.

[9] 楊玉海, 陳亞寧, 李衛(wèi)紅, 陳亞鵬. 伊犁河谷不同植被帶下土壤有機(jī)碳分布. 地理學(xué)報(bào), 2010, 65(5): 605- 612.

[10] 孫永寧, 王進(jìn)昌, 韓慶杰, 等. 青藏鐵路格爾木至安多段沿線高寒植被、土壤特性與人工植被恢復(fù)研究. 中國沙漠, 2011, 31(4): 894- 905.

[11] 陳玉福, 董鳴. 毛烏素沙地景觀的植被與土壤特征空間格局及其相關(guān)分析. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2001, 25(3): 265- 269.

[12] Mueller K E, Hobbie S E, Tilman D, Reich P B. Effects of plant diversity, N fertilization, and elevated carbon dioxide on grassland soil N cycling in a long-term experiment. Global Change Biology, 2013, 19(4): 1249- 1261.

[13] De Vries F T, J?rgensen H B, Hedlund K, Bardgett R D. Disentangling plant and soil microbial controls on carbon and nitrogen loss in grassland mesocosms. Journal of Ecology, 2015, 103(3): 629- 640.

[14] Strecker T, Barnard R L, Niklaus P A, Scherer-Lorenzen M, Weigelt A, Scheu S, Eisenhauer N. Effects of plant diversity, functional group composition, and fertilization on soil microbial properties in experimental grassland. PLoS One, 2015, 10(5): e0125678.

[15] 趙凱, 李振國, 魏宏農(nóng), 張靜, 馬久遠(yuǎn), 王國祥. 太湖貢湖灣水生植被分布現(xiàn)狀(2012年). 湖泊科學(xué), 2015, 27(3): 421- 428.

[16] Zhang R B, Qian X, Zhu W T, Gao H L, Hu W, Wang J H. Simulation and evaluation of pollution load reduction scenarios for water environmental management: a case study of inflow river of Taihu Lake, China. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2014, 11(9): 9306- 9324.

[17] Lu S Y, Chen F X, Ngo H H, Guo W S, Feng C P,Wu J A, Zheng B H. Effect of Straw and Polyacrylamide on the Stability of Land/water Ecotone Soil and the Field Implementation. Ecological Engineering, 2016, 94: 12- 21

[18] 金晶, 張飲江, 黎臻, 盧少勇, 段婷, 翟斯凡, 鄭天罡. 兩種挺水植物強(qiáng)化底泥抗蝕效能研究. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2013, 13(4): 88- 93.

[19] 張文慧, 胡小貞, 許秋瑾, 趙陽. 湖泊生態(tài)修復(fù)評價(jià)研究進(jìn)展. 環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 5(6): 545- 550.

[20] 張艷晴, 畢雪娟, 閆暉敏, 程花, 林超. 太湖地區(qū)貢湖灣生態(tài)修復(fù)區(qū)圍隔系統(tǒng)消浪擋藻技術(shù)研究. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 44(2): 142- 145, 149- 149.

[21] 陳方鑫, 吳文濤, 盧少勇, 薛巍, 吳紀(jì)南, 鄭西強(qiáng). 貢湖灣退漁還湖區(qū)的基底穩(wěn)定性的時(shí)空特征. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2015, 9(6): 3024- 3030.

[22] 方精云, 王襄平, 沈澤昊, 唐志堯, 賀金生, 于丹, 江源, 王志恒, 鄭成洋, 朱江玲, 郭兆迪. 植物群落清查的主要內(nèi)容、方法和技術(shù)規(guī)范. 生物多樣性, 2009, 17(6): 533- 548.

[23] 丁獻(xiàn)華, 畢潤成, 張慧芳, 閆明. 霍山七里峪植物群落的種類組成和生活型譜分析. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 38(22): 12032- 12033.

[24] 中國土壤學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)化學(xué)專業(yè)委員會(huì). 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法. 北京: 科學(xué)出版社, 1983: 44- 44, 55- 55, 68- 68.

[25] 趙成章, 石福習(xí), 董小剛, 任珩, 盛亞萍, 高福元, 楊文斌. 祁連山北坡退化林地植被群落的自然恢復(fù)過程及土壤特征變化. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(1): 115- 122.

[26] 徐遠(yuǎn)杰, 陳亞寧, 李衛(wèi)紅, 付愛紅, 馬曉東, 桂東偉, 陳亞鵬. 伊犁河谷山地植物群落物種多樣性分布格局及環(huán)境解釋. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 34(10): 1142- 1154.

[27] 高賢明, 黃建輝, 萬師強(qiáng), 陳靈芝. 秦嶺太白山棄耕地植物群落演替的生態(tài)學(xué)研究. 生態(tài)學(xué)報(bào), 1997, 17(6): 619- 625.

[28] 王勇, 吳金清, 黃宏文, 劉松柏. 三峽庫區(qū)消漲帶植物群落的數(shù)量分析. 武漢植物學(xué)研究, 2004, 22(4): 307- 314.

[29] 孫榮, 袁興中, 劉紅, 陳忠禮, 張躍偉. 三峽水庫消落帶植物群落組成及物種多樣性. 生態(tài)學(xué)雜志, 2011, 30(2): 208- 214.

[30] 王欣, 高賢明. 模擬水淹對三峽庫區(qū)常見一年生草本植物種子萌發(fā)的影響. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 34(12): 1404- 1413.

[31] 王業(yè)春, 雷波, 張晟. 三峽庫區(qū)消落帶不同水位高程植被和土壤特征差異. 湖泊科學(xué), 2012, 24(2): 206- 212.

[32] 尹鍇, 崔勝輝, 石龍宇, 吝濤, 郭青海, 呂靜. 人為干擾對城市森林灌草層植物多樣性的影響——以廈門市為例. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(2): 563- 572.

[33] Van der Veken S, Verheyen K, Hermy M. Plant species loss in an urban area (Turnhout, Belgium) from 1880 to 1999 and its environmental determinants. Flora-Morphology, Distribution, Functional Ecology of Plants, 2004, 199(6): 516- 523.

[34] Carreiro M M, Howe K, Parkhurst D F, Pouyat P V. Variation in quality and decomposability of red oak leaf litter along an urban-rural gradient. Biology and Fertility of Soils, 1999, 30(3): 258- 268.

[35] 李揚(yáng), 王冬梅, 信忠保. 漓江水陸交錯(cuò)帶植被與土壤空間分異規(guī)律. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013, 29(6): 121- 128.

[36] 李天杰, 鄭應(yīng)順, 王云. 土壤地理學(xué)(第2版). 北京: 高等教育出版社, 1983: 21- 21.

[37] 唐炎林, 鄧曉保, 李玉武, 張順賓. 西雙版納不同林分土壤機(jī)械組成及其肥力比較. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2007, 27(1): 70- 75.

[38] 張保華, 何毓蓉, 周紅藝, 程根偉. 長江上游典型區(qū)亞高山不同林型土壤的結(jié)構(gòu)性與水分效應(yīng). 水土保持學(xué)報(bào), 2002, 16(4): 127- 129.

[39] 張燕, 彭補(bǔ)拙, 高翔, 唐翔宇, 楊浩. 人類干擾對土壤侵蝕及土壤質(zhì)量的影響——以蘇南宜興低山丘陵區(qū)為例. 地理科學(xué), 2002, 22(3): 336- 341.

[40] 王麗, 胡金明, 宋長春, 楊濤. 水分梯度對三江平原典型濕地植物小葉章地上生物量的影響. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2008, 17(4): 19- 25.

[41] Xiao H L. Climate change in relation to soil organic matter. Soil and Environment Science, 1999, 8(4): 300- 304.

[42] Watson R T, Zinyowera M C, Moss R H. Climate Change 1995 Impacts: Adaptations and Mitigation of Climate Change: Scientific-Technical Analysis. Cambridge: Cambridge University Press, 1996.

[43] 李小坤, 魯劍巍, 吳禮樹. 土壤鉀素固定和釋放機(jī)制研究進(jìn)展. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008, 47(4): 473- 477.

[44] 盛茂銀, 熊康寧, 崔高仰, 劉洋. 貴州喀斯特石漠化地區(qū)植物多樣性與土壤理化性質(zhì). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(2): 434- 448.

[45] 趙洋毅, 王玉杰, 王云琦, 趙占軍, 劉楠, 陳林. 渝北不同模式水源涵養(yǎng)林植物多樣性及其與土壤特征的關(guān)系. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2009, 18(6): 2260- 2266.

Plant diversity and soil property changes in the restored Land/Water Ecotones of Gonghu bay

ZHANG Senlin1, LU Shaoyong2,*, CHEN Fangxin3, BI Runcheng4

1 School of Life Science, Shanxi Normal University, Linfen 041000, China2 Engineering and Technology Centre of Lake, State Environmental Protection Scientific Observation and Research Station for Lake Dongtinghu, Research Centre of Lake Environment,State Environmental Protection Key Laboratory for Lake Pollution Control, State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China3 China University of Geosciences(Beijing)， Institute of Water Resources and the Environment， Beijing 100083, China4 School of Life Science，Shanxi Normal University， Linfen 041000， China

The aim of the present study was to determine the variation in vegetation distribution patterns, diversity indices, and soil characteristics under water level elevations in land and water ecotones, in the northern part of Gonghu Bay in October 2015. Observing and records of phytocoenosium formations and soil features showed that the majority of all 165 species, subordinated to 142 categories and 65 families, were perennial plants that were seriously affected by human activities. The higher the water levels, the higher the abundance of plant communities (R,H,D,J) and were affected by the duration of submergence. The particle and silt proportions in soil bulk density and its formation increased with increasing water levels. The soil total nitrogen level and community richness also indicated a positive relationship. In contrast, the diversity and dominance of plant communities showed a negative relation with TN and organic matter (OM). The OM content in soil decreased from 12.69 to 9.14 mg/kg initially and then increased to 14.78 mg/kg, showing a “V” type distribution. The total nitrogen content in soil increased linearly from 0.45 to 0.684 g/kg-1. However, no obvious fluctuation was found in the available potassium (EP) content since it remained at 13.50 mg/kg, and the available phosphorus (AP) content decreased from 21.28 to 18.70 mg/kg and then remained unchanged. There was a positive correlation among the four diversity indices. Total nitrogen had a significantly positive relation with OM (R2= 0.533); OM had a negative correlation with EP (R2= -0.144), soil total nitrogen had a positive relationship with community richness, diversity, and dominance; available phosphorus had a positive relationship with the four diversity indices. The pH value had a negative relationship with the four diversity indices. The results of the regression analysis indicated that total nitrogen and OM are the key factors of vegetation diversity. Therefore, scientific vegetation management and comprehensive adjustment of nutrient salts are necessary to enhance the vegetation of the land/inland water ecotone.

land/inland water ecotone; water level elevation; floral composition; diversity index; soil

附表1 研究區(qū)內(nèi)植物物種統(tǒng)計(jì)表

G1：草帶 Grass zone,G2:灌草帶 Shrub and grass zone,G3:喬灌草帶 Tree shrub and grass zone

國家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07101- 014,2012ZX07105-002); 國家自然科學(xué)基金(41373027);科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目(2015FY110900)

2016- 03- 13; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 23

10.5846/stxb201603130446

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lushy2000@163.com

張森霖,盧少勇,陳方鑫,畢潤成.貢湖灣退圩還湖區(qū)水位高程下植被分布格局與土壤特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(13):4400- 4413.

Zhang S L, Lu S Y, Chen F X, Bi R C.Plant diversity and soil property changes in the restored Land/Water Ecotones of Gonghu bay.Acta Ecologica Sinica,2017,37(13):4400- 4413.