银川平原黄河滩涂湿地植物多样性和土壤理化性质分析

来源:用户上传      作者:陈向全 何彤慧 苏芝屯 冯艳琼 崔乔

　　摘要 [目的]研究銀川平原滩涂湿地的植物多样性、土壤理化性质的区域分布差异。[方法]选取黄沙古渡湿地、吴忠黄河湿地、银川黄河湿地和平罗湿地4个区域为研究对象，采用野外采样、室内试验与数据分析相结合的方法，探讨植物多样性、土壤理化性质和滩涂湿地发育三者之间的关系。[结果]银川平原黄河滩涂湿地是干旱区典型的河流湿地类型，其形成受到水文、局地地形、城市建设以及旅游等多重因素影响。银川平原滩涂湿地共发现了26种植物，隶属于11科23属26种，其中菊科、藜科、禾本科为优势科，分别占植物总数的26.92%、15.38%、15.38%，群落多样性测度指标表明其群落物种组成相对单调，大多是单优群落斑块。植物群落多样性表现为平罗湿地>吴忠黄河湿地>银川黄河湿地>黄沙古渡湿地;上、下游区域滩涂湿地植被多样性较高，而中游区域滩涂湿地植被多样性较低;老滩涂植被多样性较高，新滩涂植被多样性较低。这说明滩涂发育程度和地理位置是影响植物分布的重要因素。通过对土壤有机碳、电导率、分形维数的测定，表明随着滩涂湿地发育程度的提高土壤质地越细腻，结构组成越好，表现为平罗湿地>银川黄河湿地>吴忠黄河湿地>黄沙古渡湿地。滩涂发育程度、地理位置是影响土壤有机碳含量、电导率、pH和分形维数的重要因素，随着滩涂发育程度提高，土壤有机碳含量、电导率和分形维数均逐渐增大，地理位置则是pH区域性差异的主导因素。植物多样性与土壤有机碳、电导率等土壤环境因子的关系并不是很密切，表明滩涂发育中的偶发因素影响较大。[结论]该研究为该地滩涂湿地生态系统生物多样性的保护和持续利用提供参考。
　　关键词 滩涂湿地;植物多样性;土壤理化性质;银川平原
　　中图分类号 Q948.113;S153文献标识码 A文章编号 0517-6611（2020）07-0077-06
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.07.024
　　Plant Diversity and Soil Physicochemical Properties of the Yellow River Tidal Flat Wetland in Yinchuan Plain
　　CHEN Xiangquan1，2， HE Tonghui1，2， SU Zhitun1，2 et al
　　（1.Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem， Ministry of Education， Ningxia University， Yinchuan，Ningxia 750021;2. Breeding Base of State Key Laboratory for Preventing Land Degradation and Ecological Restoration， Ningxia University， Yinchuan，Ningxia 750021）
　　Abstract [Objective] The research aimed to study the diversity of plants and the regional distribution of soil physicochemical properties in the tidal flat wetland of Yinchuan Plain.[Method]Ancient ferry wetland of the Yellow River， Wuzhong Yellow River wetland， Yinchuan Yellow River wetland and Pingluo wetland were selected as the research objects，field sampling， laboratory experiment and data analysis were used，to explore the relationship among plant diversity， soil physical and chemical properties and the development of tidal flat wetland. [Result]The Yellow River tidal flat wetland in Yinchuan Plain was a typical type of river wetland in arid area， its formation was influenced by hydrology， local topography， urban construction and tourism.26 species of plants belonging to 11 families， 23 genera and 26 species were found in the mudflats of Yinchuan Plain，among them， compositae， chenopodiaceae and gramineae were dominant families， accounting for 26.92%， 15.38% and 15.38% of the total number of plants respectively;the community diversity index indicated that the species composition of the community was relatively monotonous， most of which was single optimal community patches. The diversity of plant community was shown as follows： Pingluo wetland > Wuzhong Yellow River wetland > Yinchuan Yellow River wetland >Ancient Ferry wetland of the Yellow River;vegetation diversity was higher in upper and lower reaches， but lower in middle reaches;the vegetation diversity of the old tidal flats was higher than that of the new tidal flats. This indicated that the development degree and geographical position of tidal flats were important factors affecting the distribution of plants.Through the measurement of soil organic carbon， electrical conductivity and fractal dimension， it was shown that with the development of tidal flat wetland， the soil texture was finer and the structure composition was better， the results showed that： Pingluo wetland > Yinchuan Yellow River wetland > Wuzhong Yellow River wetland > Ancient Ferry wetland of the Yellow River. The development degree and geographical location of tidal flats were important factors affecting soil organic carbon content， electrical conductivity， pH and fractal dimension， with the development of tidal flats， organic carbon content， electrical conductivity and fractal dimension of soil gradually increased;geographic location was the dominant factor for regional differences in PH values. The relationship between plant diversity and soil environmental factors such as soil organic carbon and electrical conductivity was not very close， which indicated that incidental factors had a great influence on the development of tidal flats.[Conclusion] The study provides the reference for the protection and sustainable utilization of biodiversity in the wetland ecosystem. 　　Key words Tidal flat wetland;Plant diversity;Soil physicochemical properties;Yinchuan Plain
　　基金项目 国家自然科学基金项目（41361095，41761102）。
　　作者简介 陈向全（1996—），男，山东枣庄人，硕士研究生，研究方向：环境生态评价和湿地生态恢复。
　　通信作者，教授，博士，硕士生导师，从事生态系统监测评估、环境变化和湿地生态系统恢复研究。
　　收稿日期 2019-09-18
　　物种多样性保护是当今生态学研究的热点之一[1]，是维持生态系统结构和功能稳定的重要基础。物种多样性是生物多样性在物种水平上的表达形式，是表征生物群落的重要指标，在反映植物群落生境差异、群落结构组成和稳定性等方面具有重要的意义[2-3]，通过对群落物种多样性进行分析，可以更好地认识群落的结构组成、动态变化[4]。一个生态系统的群落物种结构组成和多样性发生变化，不仅会影响整个生态系统结构和功能的运转[5-6]，还会对其他相邻地域生态系统产生一定的影响[7]。滩涂湿地是水陆交汇的生态过渡区域，兼顾水域和陆地双重特征，因此具有独特的水文、植被、土壤特征[8]，具体包括海滩、湖滩和河滩，其为人类的生存和发展提供了控制污染、调节气候、重要栖息地等多种重要生态系统服务，并且在维持滨海地区生物多样性方面发挥了重要作用[9-10]。滩涂湿地由于受到了陆地和水域环境的双重影响和制约，具有高度敏感性和脆弱性。目前在滩涂湿地植物多样性研究中，滨海湿地的研究较为系统，高鑫等[11]研究了滨海滩涂湿地不同植物群落下土壤有机质的差异，罗丹[12]运用遥感影像解译了黄茅海沿岸滩涂发育及岸线的变化，王磊等[13]研究了江苏滨海滩涂湿地不同植被演替阶段土壤有机碳分布特征，高宇等[14]对上海崇明岛不同时期的人类围垦面积和滩涂发育面积之间的关系进行了探讨。而关于河滨滩涂湿地的研究比较欠缺，关于不同发育程度下滩涂湿地植物多样性与土壤理化性质的研究相对更少，何聪等[15]研究了元谋干热河谷地区土壤墒情基本情况与植物多样性的关系及其对植物多样性的影响，赵敏等[16]研究了黑河中游土壤盐分变化对植物多样性的影响，但滩涂湿地发育程度与植物多样性、土壤环境因子的内在联系和互作机制尚不明确。
　　黄河为多沙性河流，流经银川平原时，由于地势平缓、落差小、泥沙逐渐沉积，发育了大量的滩涂湿地，为银川平原“沃土肥田”景观的形成奠定了基础。也正是由于农业开发对滩涂湿地的不断蚕食，尤其是进入21世纪后黄河高标准堤防工程和道路工程的兴建，将银川平原的黄河滩涂湿地压缩至两侧滨河大道以内。针对银川平原近自然滩涂湿地，进行植物群落物种多样性与土壤理化性质的研究，不仅有助于揭示湿地形成发育的内在机理，对于河流湿地系统生态恢复与生物多样性保护实践也有科学意义。
　　1 资料与方法
　　1.1 研究区概况
　　银川平原位于宁夏中部黄河两岸，地质构造上为断陷盆地，后经黄河泥沙及平原湖沼长期淤积而成，东西宽10～50 km，南北长约165 km，面积约7 800 km2，海拔1100～1 200 m。银川平原位于西北内陆地区，气候干旱，年均降水量约为200 mm。黄河干流流经银川平原190 km，河流跨度在2.1～6.1 km，河道宽度在0.35～1.45 km，滩涂湿地总面积达462.779 7 km2。
　　2015年，國家林业局批准了宁夏黄河湿地生态系统定位观测研究站的建设。该站点采用一站多点的建设方案，在吴忠黄河湿地、银川黄河湿地、黄沙古渡湿地和平罗天河湾湿地4个国家级或自治区级湿地公园中，分别布设了固定监测点位（图1）。这些点位均位于湿地公园的生态保育区，受人为干扰较小或无人为干扰，湿地植被发育完善，具有典型性。
　　1.2 取样
　　在银川平原，以黄河沿岸为研究样地，自上游至下游选取宁夏黄河湿地生态系统定位观测研究站（隶属于国家林业局在《陆地生态系统定位研究网络中长期发展规划（2008—2020年）》中确定的基本站），即黄沙古渡湿地（S）、银川黄河湿地（Y）、吴忠黄河湿地（W）、平罗天河湾湿地（P）4个固定监测站点。每个样地设置1 m×1 m 的小样方，每个样方3个重复;黄沙古渡湿地设置4个样方，银川黄河湿地设置4个样方，吴忠黄河湿地设置5个样方，平罗湿地设置5个样方，共计54个。调查记录各样地物种的名称和各个种的多度、高度、盖度。在每个样方中心，采用分层采样法取土样，除去腐殖质层深度分别0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm，在实验室用仪器分析测定有机质、电导率、pH这3个土壤环境因子。
　　1.3 数据处理
　　重要值计算：灌草重要值=（相对多度 +相对盖度+相对频度）×100/3。
　　多样性指数计算：根据野外调查数据，分别计算各个样地植物的Simpson优势度指数（D）、Shannon-Wiener多样性指数（H）、Pielou均匀度指数（E）、Margalef丰富度指数（R）来研究不同湿地群落的物种多样性。其计算公式如下：
　　D=1-Si=1Ni（Ni-1）N（N-1）（1）
　　H=-Si=1（NiN）ln（NiN）（2）
　　3=H/lnS（3）
　　R=S（4）
　　式中，S为每一样方的物种数目;Ni为样方中第i个物种的重要值;N为该样方所有物种重要值之和。 　　因银川平原滩涂湿地以草本为主，故采用国际上流行的“50/20法则”[17]，以盖度等级划定群落中的优势种程度。
　　采用Excel 2010作图，SPSS 20.0进行数据统计，分别对银川平原4个湿地的物种多样性指数和各土壤因子进行单因素方差分析（one-way ANOVA）和多重比较（LSD）。以物种多样性指数为因变量，各样地土壤理化性质指标为自变量，对植物多样性与土壤理化性质进行Pearson 相关分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同发育程度滩涂湿地主要群落物种组成
　　该研究在银川平原黄河滩涂共发现了26种植物，隶属于11科23属26种，其中菊科、藜科、禾本科为优势科，分别占植物总数的26.92%、15.38%、15.38%。每种植物在每个湿地中扮演不同的角色，不同滩涂湿地分别形成了以柽柳、旱柳、水蓼、莎草、拂子茅、碱蓬、芦苇为优势种，其余物种错杂分布的镶嵌型群落斑块结构。不同滩涂湿地植物群落特征见表1。由表1可见，不同滩涂湿地相同植物群落结构组成差异显著，碱蓬群落在黄沙古渡湿地和平罗湿地的盖度分别为30%～45%和40%～55%，重要值分别为0.641 1和0.292 2;拂子茅群落在黄沙古渡湿地、银川黄河湿地和平罗湿地的盖度分别为20%～35%、45%～60%和55%～75%，重要值分别为0.567 5、0.428 7和0.225 8;芦苇群落在银川黄河湿地和平罗湿地的盖度分别为45%～98%和100%，重要值分别为0.649 3和0555 3，这表明随着滩涂湿地发育程度的提高，植物群落的盖度和物种丰富度也逐渐提高，优势种在群落中的地位和作用逐渐减弱。吴忠黄河湿地群落内物种组成与其他3个湿地具有明显差别，分别是水蓼群落、球状水莎草群落、柽柳群落，这可能与其所处的地理位置有关。
　　2.2 不同发育程度滩涂湿地植物多样性分析
　　从图2可以看出，银川平原四片滩涂湿地D指数、H指数、E指数、R指数具有一致的变化规律，基本呈现上、下游区段植被多样性较高而中游区段植被多样性较低的现象，即黄沙古渡湿地和银川黄河湿地的植物多样性较低，吴忠黄河湿地和平罗湿地的植物多样性较高，说明这4种指数在反映植物多样性方面较为一致。随着滩涂湿地发育程度的提高，4种植物多样性指数整体呈现出增加的趋势，说明滩涂湿地发育时间影响植物群落的发育和演替;而吴忠黄河湿地植物多样性指数要高于发育程度大于它的银川黄河湿地，其原因可能是处于黄河上游区域，这反映出滩涂发育程度和干扰因素共同影响植物群落的演替。银川平原4种湿地的物种多样性指数除D指数外，H指数、E指数、R指数均具有显著性差异（P<0.05）。银川平原4种滩涂湿地的D指数相近，说明4种滩涂湿地优势种在群落结构组成上的地位和作用基本一致。H指数和E指数则是平罗湿地最高，并与其他3个湿地均具有显著性差异（P<0.05），表明平罗湿地植物群落物种数散布更加均匀，群落结构更加稳定。4个湿地的物种丰富度指数（R）则是平罗湿地和吴忠黄河湿地较多，黄沙古渡湿计和银川黄河湿地较小，这是因为平罗湿地发育程度最高，植物群落处于演替的高级阶段，吴忠黄河湿地位于黄河上游区域，植物群落组成相对丰富和稳定。
　　2.3 不同发育程度滩涂湿地土壤理化因子和土壤分形维数分析
　　从图3可以看出，银川平原四片滩涂湿地之间的土壤理化性质普遍存在差异性（P<0.05）。有机碳含量、电导率和土壤分形维数呈现出一致的变化规律，均表现为平罗湿地>银川黄河湿地>吴忠黄河湿地>黄沙古渡湿地，即随着滩涂湿地发育程度的提高，有机碳含量、电导率和土壤分形维数均呈现出增加的趋势。有机碳含量黄沙古渡湿地明显低于银川黄河湿地、吴忠黄河湿地、平罗湿地，并与它们存在显著差异性（P<0.05），其他3個湿地之间则不存在显著差异性（P>0.05），这可能与其所处的位置有关。电导率则是平罗湿地最大，银川黄河湿地、吴忠黄河湿地次之，黄沙古渡湿地最小，黄沙古渡湿地与银川黄河湿地、吴忠黄河湿地、平罗湿地存在显著差异性（P<0.05）。土壤分形维数则是黄沙古渡湿地与银川黄河湿地、吴忠黄河湿地、平罗湿地存在显著差异性（P<0.05），说明黄沙古渡湿地由于发育时间较短，土壤质地组成与其他3个湿地存在显著差异性（P<0.05）。土壤pH变化规律则与滩涂湿地发育程度并不一致，其在黄沙古渡湿地中最高，平罗湿地次之，吴忠黄河湿地和银川黄河湿地较小，说明滩涂发育程度并不是影响土壤pH变化的主要因素。
　　2.4 植物多样性与土壤理化因子和土壤分形维数的相关性分析
　　4个湿地多样性指数和土壤环境因子的Pearson 相关分析（表2）表明，植物多样性与土壤有机碳、电导率、pH等土壤环境因子的关系并不是很密切，4个湿地中黄沙古渡土壤环境因子与多样性指数具有相对密切的相关性，银川黄河湿地、吴忠黄河湿地、平罗湿地土壤环境因子与植物多样性指数关联较小。黄沙古渡湿地，有机碳含量与植物多样性指数均不存在明显的相关关系;电导率与Simpson指数（D1）呈显著负相关，与Pielou指数（E1）呈显著正相关，与Shannon-Wiener指数（H1）、Margalef指数（R1）不存在明显的相关关系;pH与Simpson指数存在显著正相关性，与Shannon-Wiener指数存在极显著负相关性，与Pielou指数存在显著负相关性，与Margalef指数不存在相关关性。银川黄河湿地，有机碳含量与Margalef指数存在显著正相关性，与其他3个多样性指数没有显著相关性;电导率、pH则与植物多样性指数不存在明显的相关关系。吴忠黄河湿地，有机碳含量与Simpson指数存在显著正相关性，与其他3个植物多样性指数不存在显著相关性;电导率、pH则与植物多样性指数不存在明显的相关关系。平罗湿地，有机碳含量、电导率与植物多样性指数均无显著相关性;pH仅与Pielou指数存在极显著正相关性，与其他3个植物多样性指数不存在相关关系。 　　圖4为研究区土壤分形维数与植物群落的多样性关系，从y=ax+b、y=aebx 、y=alnx+b和y=ax2+bx-c中选取R2最佳作为拟合方程，其中与Pielou 指数（E）与函数拟合（R2=0301）呈现出随着土壤分形维数的增大，Pielou指数有变大的趋势，但变化速度十分缓慢;Simpson 指数（D）、Shannon-Wiener 指数（H）和Margalef 指数（R）以多项式函数拟合（R2分别为0.244、0.139、和0.174），随着土壤分形维数的增大，D指数、H指数和R指数呈现出先增大后减少的趋势，且分别在分形维数值为 2.65、2.65和2.75 左右出现峰值。
　　3 讨论
　　该研究中，植物群落物种组成随着滩涂湿地发育程度的提高具有明显的差异性，但优势种基本没有变化。黄河滩涂湿地草本植物主要以菊科、藜科、禾本科的湿生草本植物为主，主要的湿地草本植物有芦苇、碱蓬、拂子茅等。在所调查的4个滩涂湿地中它们几乎都扮演着重要的角色，为群落优势种或建群种，其原因是这类植物由于发达的根状茎生长繁
　　殖速度较快，有利于防沙固堤，加之黄河滩涂湿地主要为砂
　　壤土，比较适宜根茎型禾草类植物的生长繁殖，这与张起鹏等[18]、刘曦等[19]的研究结果一致。滩涂发育程度对物种的优势程度具有一定的影响，即随着滩涂发育程度的提高群落物种丰富度提高，优势种的重要值逐渐减小，但优势种基本变化不明显，即碱蓬、拂子茅和芦苇的优势地位依然明显。
　　群落多样性是表征生物群落的重要指标，在反映植物群落生境差异、群落结构组成和稳定性等方面具有重要的意义[2-3]。该研究共选取了4个群落多样性测度指标，整体来看，4个多样性测度指数整体偏低，这可能是因为河滩湿地植物群落分化相对比较显著，大多形成了单一优势种群的镶嵌型群落斑块。从植被生长属性角度看，黄河滩地基本呈现上、下游区段植被多样性较高，而中游区段植被多样性较低的现象;不同发育程度滩涂湿地草本植物群落的植物多样性格局与丰富度的格局比较一致，均表现为平罗湿地>吴忠黄河湿地>银川黄河湿地>黄沙古渡湿地，即随着滩涂发育程度的提高，物种多样性总体上呈现增加的趋势。造成这种多样性格局与丰富度格局变化的原因主要与各滩涂湿地发育程度和植物群落的生境以及受干扰程度有关，一方面滩涂湿地发育程度越高，土壤质地越细腻，植物群落物种组成越丰富，物种多样性和丰富度随之提高;另一方面受到地理位置和干扰因素的影响，上、下游水流相对平缓，滩地范围内水文效应薄弱，滩地生境稳定，为物种的存活率创造了条件;中游在河流转向急促、大水漫滩影响下，物种单一化明显，这与程志等[20]关于宁夏平原沟渠湿地植物群落的影响因素结果一致，说明水文效应是影响河流边滩植被分布的重要因素;加之吴忠黄河湿地通过人工种植耐盐灌木被，有利于改良河滩植被群落结构，这与张华兵等[21]认为人工治理是植物群落演变的重要驱动因子结果一致。
　　该研究得出不同发育程度滩涂湿地有机碳含量和电导率变化比较一致，均表现为平罗湿地>吴忠黄河湿地>银川黄河湿地>黄沙古渡湿地，Pearson相关分析表明土壤理化性质的变化规律与植物多样性具有一定的相关性，植物多样性在一定程度上影响土壤有机碳含量、电导率和pH的变化，但联系并不密切;滩涂发育程度和地理位置是影响土壤物理性质变化的主要因素。有机碳作为土壤养分的主要表征指标，其含量直接影响土壤肥力状况，进而影响植物生长发育水平及多样性[22]，其很大程度上来自于植物根系和枯落物的腐烂和分解，随着滩涂湿地发育程度的提高，植物物种数越丰富土壤有机碳含量越高，这说明银川平原黄河滩涂湿地土壤有机碳含量在水平的分布差异在一定方面是由区域植物差异性造成的。电导率、pH的分布变化表明，滩涂发育程度和植物多样性不是其决定因素，碱蓬作为盐生环境的重要指示植物在黄沙古渡湿地和平罗湿地广布，与黄沙古渡湿地、平罗湿地的高pH相吻合，黄沙古渡湿地处于地势低洼处，平罗湿地处于黄河下游，汛期黄河大水漫灌导致地下水位提高盐分滞留地表，盐渍化相对较严重，说明滩地地理位置也是影响土壤电导率和pH的重要因素 。有研究表明，结构良好的土壤，分形维数应在2.75左右[23]，通过对银川平原土壤粒径分形维数进行计算，其数值分布在2.31～2.75，说明平罗湿地发育程度较高，其他3个滩涂湿地正处于发育阶段，土壤结构组成多为粗颗粒物;且4个湿地土壤分形维数的大小变化与滩涂湿地的发育程度相一致，说明随着滩涂发育程度的提高，滩涂湿地土壤质地越细腻，结构组成越良好，土壤透水性和保水保肥能力较好，间接反映出植物多样性的变化，这与周萍等[24]关于黄土丘陵不同利用方式土壤分形维数的表征相一致，与宫阿都等[25]关于金沙江干热河谷土壤分形维数越高土壤退化越严重的观点相悖。另外，随着滩涂发育程度提高，植被丰富度越高，滩涂湿地的植被根系拦截作用更强，致使滩地细颗粒含量增大[26]，这进一步促使细颗粒在远离河道的滩地上沉积，改变土壤颗粒组成，土壤分形维数随之增大。
　　4 结论
　　（1）银川平原滩涂湿地共发现了26种植物，隶属于11科23属26种，其中菊科、藜科、禾本科为优势科，分别占植物总数的26.92%、15.38%、15.38%，群落多样性测度指标表明其群落物种组成相对单调，大多是单优群落斑块。植物群落多样性具体表现为平罗湿地>吴忠黄河湿地>银川黄河湿地>黄沙古渡湿地;处在上、下游区域的滩涂湿地植物多样性指数较高，而中游区域的滩涂湿地植物多样性指数较低;老滩涂植被多样性较高，新滩涂植被多样性较低。这表明滩涂发育水平和地理位置是影响植物多样性分布的重要因素。
　　（2）通过对土壤有机碳、电导率、分形维数的测定，表明随着滩涂湿地发育程度的提高，土壤质地越细腻，结构组成越好，表现为平罗湿地>银川黄河湿地>吴忠黄河湿地>黄沙古渡湿地。滩涂发育程度、地理位置是影响土壤有机碳含量、电导率、pH和分形维数的重要因素，随着滩涂发育程度提高，土壤有机碳含量、电导率和分形维数均逐渐增大，地理位置则是pH区域性差异的主导因素。植物多样性与土壤有机碳、电导率等土壤环境因子的关系并不是很密切，暂无发现两者之间的互作机制。 　　参考文献
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