南洞庭湖黄土包河不同年龄洲滩生态特征的初步研究

潘 瑛,谢永宏,陈心胜,李 峰

(1中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程院重点实验室,湖南长沙 410125;2中国科学院亚热带农业生态研究所洞庭湖湿地生态系统观测研究站,湖南长沙 410125;3中国科学院研究生院,北京 100039)

湿地普遍存在泥沙淤积现象,主要是由河流的冲积作用造成[1]。一般来说,由于水文地理特征的特殊性及其时空变化的不均匀性,各湿地泥沙淤积存在差异,如美国伊利诺斯州每年仅淤积0.5～ 1.0 cm[2],而淤积活跃地区如美国福尔河甚至达60～120 cm[3]。泥沙淤积使湿地土壤理化性质和土壤-植物微环境发生了一系列的变化,是影响湿地演替方向的重要驱动因素之一[4]。此外,地上植被能改善土壤物理结构,促进环境中营养物质的循环及影响湿地泥沙淤积过程等[5],因此植物因素也是决定湿地发育和演替的重要环境因素[6,7]。近年来,关于泥沙淤积对湿地植被演替的研究逐渐成为国际热点[8,9],但是湿地演替过程中泥沙淤积、土壤理化性质及植物群落三者间的关系还远没有研究清楚,决定湿地演替的关键因子尚不明确。本研究选择洞庭湖为研究对象对以上问题进行探讨。

洞庭湖是我国第二大淡水湖泊,具有调节江河、净化水质、沟通航运、繁衍水产和改善生态环境等重要生态功能[10]。研究表明,1956～ 1995年间,洞庭湖多年平均沉积泥沙量达 1.27亿吨,占入湖泥沙量的81.2%[11],其中荆江三口及湘、资、沅、澧四水带来的泥沙沉积是形成洞庭湖洲滩湿地的主要原因。洞庭湖局部地区泥沙沉积的不均衡性,引起洲滩湿地发育与演替的差异[12]。调查发现,洞庭湖湿地演替依泥沙淤积的速度和方式而异。前人对洞庭湖泥沙淤积与洲滩湿地的形成与发育已有大量的研究[13～15],但是对不同演替阶段洲滩生态特征变化规律及其关键调控因子的研究尚未见报道。本文以空间代替时间的方法对不同年龄洲滩湿地土壤特征和植被特征的空间分布规律及其相关性进行了研究,以揭示洲滩湿地演替的关键环境因子,为洞庭湖湿地的保护和合理利用提供依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

本研究选择南洞庭湖黄土包河洲滩湿地为研究对象。黄土包河位于南洞庭湖的北沿,西起沅江县赤山,东连湘阴县毫巴 ,研究区域地理坐标:E:112°28′07.4″～ 112°35′54.7″,N:28°54′05.7″～ 28°55′28.3″,全 长58.92 km,是一条重要的泄洪、输沙河道,承担着自长江流入的20%～30%的输沙任务。由于该区高洪时期河湖不分,下游分支颇多,水情复杂,加剧了泥沙淤积程度,故洲滩形成非常活跃,为空间代替时间来研究洲滩湿地演替奠定了基础。

1.2 研究方法

(1)野外调查取样

调查于 2009年 4月底进行,此时为洪水来临前植物最活跃的时期。在试验地选择不同形成年份(10,20,30,50 a)的9块洲滩(洲滩基本状况见表1,其形成时间通过走访当地老渔民和行政部门确定)。在每个洲滩挖取 2～ 3个剖面,各剖面均按 0～ 20,20～ 40,40～ 60 cm分层,用封口袋装好带回实验室。每个采样点设置2～3个 1 m×1 m样方,对植被特征进行调查。采样的过程中对每个样点精确定位。此次取样共含样点 25个,样方总数为 51个。在调查过程中,因当地大面积种植杨树(外来种)有可能改变洲滩的固有特性,因此以原生特征(周围无大面积杨树)为样点选择依据。

(2)生物特征

以每平方米地上部分的鲜重作为评价生物量的标准;物种丰富度采用Menhinick丰富度指数(1964):R表示每一个样方中的物种总数,N为全部种的个体数目;多样性指数采用 Shannon-Wiener指数:H=-∑ Pi×log2Pi,Pi表示物种重要值=(相对密度+相对高度+相对盖度)/300。

(3)土壤理化特征测定

土样带回实验室后,除去植物残体及土壤动物。将土样分为两份,一份用于测定土壤还原性物质总量和土壤含水量;一份用于测定土壤颗粒组成、pH、有机质、全氮、全磷、全钾。土壤机械组成采用吸管法,分为粗 砂 (直 径大于 0.25 mm)、细 砂 (直径 0.25～ 0.05 mm)、粗 粉粒 (直径 0.05～ 0.02 mm)、细粉粒 (直径0.02～ 0.002 mm)、粘粒 (直径小于 0.002 mm);全 N采用半微量开氏定氮法;全磷采用氢氧化钠碱熔—钼锑抗比色法;全钾采用氢氧化钠碱熔—火焰光度法;有机质采用重铬酸钾-外加热法;pH值采用电位法;还原性物质总量采用 Al2(SO4)3浸提-K2Cr2O7滴定法;土壤含水量采用烘干法。具体操作参照《土壤理化分析与剖面描述》[16]。

1.3 统计分析

数据处理采用统计软件 SAS8.2,多重比较采用Duncan检验,显著度水平为0.05。因子间相关分析采用双变量相关分析,选择pearson相关系数。选择单峰模型排序(CCA)用于反映环境因子对植物群落的影响,由 Canoco for windows 4.5软件实现。

表1 试验地概况

2 结果

2.1 植被特性

在9个洲滩51个样方内共含种子植物67种,隶属于 26科,57属;其中物种数最多的科有禾本科(Gramineae)11种,菊科 (Compositae)8种,唇形科(Lamiaceae)6种。不同年龄洲滩相对密度、相对盖度、相对高度、重要值及主要伴生种见表2。调查发现,该地以湿生植物为主,间或有少量中生植物。

黄土包区域不同年龄洲滩植被特征如表3。经方差分析,10年洲滩植物群落的生物量(2.96±1.66 kg/m2,p<0.05)、丰富度指数 (0.43± 0.09,p<0.05)和生物多样性指数 (0.83±0.07,p<0.01)最低,益草和水芹为其建群种。而在20,30和50年洲滩中,植物群落生物量、丰富度指数和多样性指数显著增加,Wienner指数在 30年洲滩中达到最大值 0.75±0.13,而生物量和 Shannon and Wienner指数在20,30和50年洲滩中无显著性差异(p>0.05),芦苇和荻逐渐代替益草和水芹成为洲滩建群种。

表2 黄土包河洲滩植被组成概况

表3 不同演替阶段洲滩湿地生物学特征

2.2 土壤特征

2.2.1 土壤物理特征

土壤物理特征如表4所示。在10年洲滩中,细砂粒所占百分比最大(62.2±4.4%),其次为细粉粒(21.6±2.7%)和粘粒(6.9± 1.2%)。随着形成年份的增加,细砂粒和粗砂粒(>0.05 mm)极显著减少,而细粉粒和粘粒百分比显著增加。细砂粒百分比分别减少27.4%,47.2%和 47.6%,而细粉粒分别增加 14.6%,27.5%和 27.4%,粘粒分别增加 8.7%,22.9%和14.3%。但经方差分析,在20,30和50年洲滩间土壤颗粒组成无显著性差异(p>0.05)。不同形成年份土壤间土壤含水量同样存在显著性差异(p<0.05),其在10年洲滩中含量最低(20.1±1.5%)。

表4 不同年龄洲滩湿地土壤物理性质特征的空间分布特征

2.2.2 土壤化学特征

土壤化学性质如表5所示。10年洲滩土壤营养物质含量明显低于20,30和50年洲滩。随着洲滩年龄的增加,有机质含量从 0.68± 0.046%(10年洲滩 )分别增加至 1.30± 0.057%,1.53± 0.103%和 1.67±0.041%,呈极显著增加的趋势;全氮 (0.083±0.006%)和全钾(20.51±0.44 g/kg)在 10年洲滩中含量最低,50年洲滩中含量最高;还原性物质总量和全磷在不同年龄洲滩间无显著性差异。10年和20年洲滩土壤pH值大于 30和 50年洲滩,两阶段存在极显著性差异。

2.3 土壤特征与生物学特征间的相关分析

相关分析表明,土壤细砂粒与绝大部分环境变量相关,例如,与pH和粗砂粒显著正相关,而与有机质、粘粒、细粉粒、生物多样性指数极显著负相关,与土壤含水量、全钾及生物量显著负相关。这表明随着土壤细砂粒百分比的减少,土壤理化性质及植被状况得到改善,因此通过分析土壤细粉粒含量可以间接的得知不同年龄洲滩土壤和植被状况,从而可以作为洲滩湿地演替的指示因子。

表5 不同演替阶段洲滩湿地土壤化学性质特征的空间分布特征

2.4 CCA排序

将25个样点及植被分别进行CCA排序。经分析,CCA的前两个排序轴特征值分别为 0.639和 0.506,总特征值2.584。前两轴累积贡献率分别为 33.9%和61.7%。这表明本分析中环境变量可以较好的解释群落结构变化,反映物种分布与性质之间的关系。根据前两个排序轴做出二维排序图(图1),与第一轴相关性最高的环境变量是细砂粒百分比,同时还与有机质、粗砂粒、含水量、全钾及粗粉粒极显著或显著相关。第二轴与全钾相关性最高,此外还与pH、有机质、细粉粒、细砂粒及总还原性物质总量极显著或显著相关。

样方和物种 CCA排序图见图 1,2。除河形洲(6,7)外,10年洲滩样方集中在排序轴右侧,此区间建群种为益草和水芹,它们对低营养条件、高砂粒含量及碱性环境有很强的忍耐力,能够适应洲滩形成早期极度恶劣的环境。50年洲滩样方集中在左下方,此区间土壤环境状况最好,如营养物质含量最高,砂粒百分比最低。益草和水芹逐渐从群落中消失,芦苇和荻最终成为该区间的建群种。20,30年洲滩样方处在条件适中的左上方,为10年洲滩向 50年洲滩演变的过渡阶段。

图1 25个采样点与土壤性质的CCA排序

3 讨论

李景保等人研究表明[17],四水粒径为 0.005～0.025 mm的泥沙含量占 53.8%～ 67.9%,而三口该粒径级泥沙含量只占31.8%～ 42.6%;>0.05 mm粒径级泥沙含量四水仅占 31.8%～42.4%,而三口却占54.9%～68.7%。10年洲滩土壤颗粒组成状况与其一致,结合黄土包河地理特征(承担长江来沙20%～ 30%的输沙任务),我们推断 10年洲滩土壤颗粒组成主要由长江来沙的性质决定。随着洲滩形成年份的增加,洲滩地势逐渐抬高,滩地出露的时间逐渐增长,落淤的时间缩短,泥沙淤积对洲滩颗粒组成的影响逐渐减弱,而生物因素逐渐增强。相关分析表明,土壤细砂粒百分比与植物群落多样性指数极显著负相关,与生物量显著负相关,而细粉粒和粘粒百分比与生物多样性指数显著正相关。

植物对土壤颗粒组成的影响主要表现在两个方面:1)植物根系分泌的代谢物质进入土壤改变土壤的物理性质,同时植物细根不断地生长、死亡,其分解产物极大地促进了土壤团聚体的形成[18,19];2)由于植物对侵蚀土壤的拦截作用,减弱了雨水对细粒径颗粒的冲刷作用,使土壤中细粒径颗粒含量增加[20]。土壤含水量的变化与土壤状况的改善有关。相关分析表明,土壤含水量与粘粒和细粉粒显著正相关,而与细砂粒显著负相关。这是因为粘粒颗粒小,比表面积大,吸附能力强,保水也较强。此外,粘粒含量增加还促进了土壤的膨胀、可塑性及离子交换等物理性质[21]。综上所述,泥沙淤积是造成 10年洲滩新生洲滩土壤物理性质和生物特征的主要因子,然而随着洲滩形成时间的增加,生物因素对土壤的物理改良作用逐渐增强。

图2 物种与土壤性质间的CCA排序

洲滩土壤化学性质的变化同样受泥沙淤积和植被因素影响。从总的趋势看,早期砂粒比重过大使土壤养分极易随水体流失,同时强烈的淤积也不利植物的生长,植物凋落物很少,使土壤有机质、全钾和全氮含量低。随着洲滩湿地演替时间的延长,有机质、全氮、全钾含量逐渐增加。这是因为:1)与地上植被有关。土壤有机质和全氮含量与植物凋落物的分解直接相关[22,23],相关分析表明,土壤有机质和全钾含量与群落生物量显著正相关;2)土壤溶液中的K+和 P含量与土壤粘粒含量相关[24]。相关分析发现土壤全钾与粉粒百分比显著正相关。可见,植被状况的改善不仅直接增加了土壤营养物质的含量,还通过改良土壤性质增加了其保肥能力,从而间接促进了营养物质的积累。综上所述,决定洲滩演变的因素有两个,一个是泥沙淤积,决定新生洲滩的土壤和植被特征;另一个是植被因素,决定 10年后洲滩土壤理化性质。因此,决定洲滩演变的关键因子是不断转变的。由于本研究只对形成时间小于50年的洲滩进行了调查,50年后的洲滩其演替关键因子是否还会改变有待进一步研究。

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