三峡库区消落带植被生态学特征分析

胡 波，张平仓，任红玉，罗慧敏，岑 奕

（长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

三峡库区消落带植被生态学特征分析

胡 波，张平仓，任红玉，罗慧敏，岑 奕

（长江科学院水土保持研究所，武汉 430010）

以重庆忠县石宝寨三峡库区消落带为典型案例区，探讨了库区消落带生物多样性指数沿坡面的梯级分布格局，并通过典范对应分析探讨消落带植被生态学特征与环境要素的关联，界定三峡大坝低水位阶段影响消落带植被生态学特征与恢复能力的关键环境因子。相关研究结果表明：库区消落带植被的生物多样性指数随坡面高程变化呈现一定的空间异质性；消落带植被的分布与土壤物性、河边距以及海拔等环境要素具有一定的关联。

三峡大坝；消落带；生态特征；生物多样性指数；典范对应分析

由于三峡大坝“蓄清排浑”的运行调度模式引起年内30 m的水位落差，从而在三峡库区形成面积为348.93 km2的消落带，由此成为目前我国面积最大的水库消落带，也是我国少数几个水位涨落违反河流自然洪枯规律的水库消落带之一［1］。消落带具有独特的地理特征和功能属性，是属水陆生态系统间的过渡性系统，具有承上启下的纽带作用。受库区水位周期性涨落的影响，消落区成为库区生态系统中能量与物质流动的活跃地带，对外界扰动的响应非常敏感，具有生态脆弱性和不稳定性［2］，当其受到的外界扰动超过系统承受阈值，将会导致消落带功能退化与损害，进而诱发系列生态环境问题。随着三峡库区大面积消落带的出现，系列生态环境问题也随之产生，生物多样性锐减，水土流失加剧，生态缓冲带功能减弱，严重威胁库区的生态景观和环境安全［3，4］。三峡水库消落带问题已引起了国际社会的普遍关注。而目前，生物多样性变化与生态系统功能已成为国际上生物多样性研究的主要热点问题之一［5］。基于此，本论文选择三峡库区消落带重庆忠县区段为案例区，探讨三峡库区消落带植被生态学特征，揭示三峡大坝建设下的消落带生物多样性变化规律。

1 数据和方法

1.1 研究区

2009年7－8月，通过选择三峡库区重庆忠县（107°32′－108°14′，北纬30°03′－30°53′）石宝寨典型断面实施野外考察，开展三峡库区消落带植被生态特征及环境因子调查。其中，植被生态特征指标包括物种数、高度、盖度、生物量（干重、湿重），环境因子包括海拔、土壤含水量、空气温湿度、土层厚度、坡度等指标。

1.2 野外调查

1.2.1 样方及样带设置

样点及样带的设置主要是采用样带结合样方法，样带依照垂直河流方向进行设置。在样带的基础上设置植被调查样方，样方间为等间距设置（5 m），大小为1 m×1 m。样带样方设置示意图如图1所示。

1.2.2 调查内容及测量方法

关于调查内容及调查样带具体介绍见表1，具体调查指标及测量方法见表2，样点的分布与样地背景特征见图1。

表1 三峡库区消落带植被调查样带特征表Table 1 Description of vegetation investigation sam ples of falling zone in Three Gorges Reservoir

图1 样方特性及分布图Fig.1 Description of sam p le and its distribution

表2 库区消落带环境要素调查指标及测量方法Table 2 Description of investigation parameters and their measuring instruments in the falling zone of TGR area

1.3 数据统计及分析方法

1.3.1 生物多样性指数分析

生物多样性指数分析，根据植被生态特征指数进行生物多样性的空间分布特征分析，具体指标包括Shannon-Wiener指数、均匀度指数、优势度指数、丰富度指数［6－8］。Shannon-Wiener指数（H）表征群落的复杂程度，即群落中生物种类增多，Shannon-Weaner指数值愈大，群落所含的信息量愈大；均匀度指数（E）表征群落中不同物种的多度、生物量、盖度或其它指标分布的均匀程度；优势度指数又称Simpson指数，表示植物群落内各植物种类处于何种优势或劣势状态的群落测定度，是对多样性的反面即集中性的度量；丰富度指数（S）可采用单位面积的物种数目表征，即物种密度。

丰富度指数 S＝样方物种数。

式中：Pi表示第i个种的多度比例；S代表出现物种的个数；ni表示第i个物种的个体数；N代表出现物种的个数总数。

1.3.2 典范对应分析

典范对应分析（Canonical correspondence analysis，CCA），通过运用数量生态学的方法分析库区消落带植被分布特征，采用典范对应分析分析了不同环境因子对植被分布变化的影响程度。通过构建分析矩阵，即按照矩阵模式构建数据矩阵，将生物数据和环境数据导入CANOCO软件进行CCA分析［9］。其中，在进行CCA分析［10］时，需要根据物种环境关系累计解释量界定排序轴，选择相关性最大的排序轴进行排序。解释量表征环境因子对植被分布变化的影响程度，解释量越大反映了其对应的环境因子对物种分布影响程度越高。

2 结 果

2.1 库区消落带植被生物多样性指数分析

基于野外调查数据资料，根据生物多样性指数计算公式，经计算可得沿垂直河流流向等间距样点的植被生物多样性指数（图2）。

通过对生物多样性指数的空间分布特征进行分析，可知：库区消落带植被的生物多样性指数随坡面高程变化呈现一定的空间异质性，在150m及160 m左右分别出现拐点（图2，表3）。

图2 三峡库区消落带植被生物多样性指数分析Fig.2 Ecological diversity index analyses of vegetation in the falling zone of TGR area

表3 消落带生物多样性指数空间变化特征表Table 3 Description of the spatial change characteristics of ecological diversity indexes

究其原因，对于145 m高程位置，暴露时间较短，植被未能得到有效恢复，物种单一，其主要受三峡水库年内调度所引发的水位波动的影响；对于160 m位置，由于往年（2008年以前）水库蓄水未蓄到该高程线，暴露时间较长（表4），且土壤肥力较好，该区域已成为间隔式农业种植带，其受到大坝波动调蓄水位与岸坡土地利用的综合影响；对于150 m位置，其位于常淹水位以及间隔式农业种植带之间，处于大坝波动调蓄水位与岸坡土地利用影响的过渡带，受水位波动影响较大，类似于自然的水陆过渡带，具有一定的生态恢复力。

表4 不同海拔梯度下库区消落带暴露与累积淹没时间Table 4 Exposed time and cumulate submerge time in the falling zone in different altitudes

2.2 库区消落带植被生态特征指数与环境因子关联分析

将三峡库区消落带植被调查数据导入CANOCO软件（version 4.5）进行CCA分析。通过对消落带草本特征值及物种-环境关系累计解释量的分析，可得消落带植被的第一、二轴的特征值最大，因此分别选择第一、二轴进行排序，通过分析可得库区消落带植被CCA植物群落排序图（图3）。

由图3可知，三峡库区蓄水后，库区消落带植被的空间分布与消落带土壤水分、土壤厚度具有显著的正相关关系，表征土壤水分较多的区域比水分贫瘠区域的植被生长较为茂密，物种较丰富；而作为侧面反映土壤养分含量的土壤厚度，随着土壤厚度的增加，消落带植被物种优势度增加，同时，物种的生物量增大。对于外界环境因素河边距与海拔而言，其与植被生态学特征呈现显著的负相关关系。其中，随着海拔的升高，消落区植被物种的生物量增加、物种优势度增加，而物种丰富度下降，其一方面反映了海拔对消落带植被生态学特征的影响，另一方面，反映了消落区土地利用方式对植被空间分布的影响。

图3 三峡库区消落带植被CCA植物群落排序图Fig.3 Vegetation community permutation axes of herb the falling zone of TGR area

3 结论与讨论

（1）据调查区域的生物多样性指数分析可知：消落带植被的生物多样性指数随坡面高程变化呈现一定的空间异质性，并随海拔梯度的升高呈现波动上升或波动下降趋势。通过初步分析，导致其空间异质性的主要原因有：①受三峡水库水位波动的影响，该影响主要体现在低水位区域；②受消落带土地利用的影响，该影响主要体现在消落带中上部区域。基于此，消落带生态学特征分布的人为影响要素指标可归纳为：三峡水库水位波动特征（消落带暴露时间长、消落带累积淹没时间长等）、消落带土地利用方式（类型、面积等）。

通过对消落带植被分布的自然影响要素分析，可知：库区消落带植被的空间分布与消落带土壤水分、土壤厚度具有显著的正相关关系，而与河边距、海拔呈现显著的负相关关系。

（2）基于消落带植被分布的人为驱动力与自然影响要素分析，三峡库区消落带空间区域划分标准可归结为两类：其一，根据水位波动特征及海拔要素；其二，根据土地利用方式及土壤特征要素。

合理的消落区空间区域划分可为有效实施消落区生态修复奠定良好的基础，但由于三峡库区消落带涉及区域较广，区域特征差异大；同时，三峡水库运行过程中河道形态的改变必然导致形成新的水位涨落和汛期洪水过程，将会改变消落区的泥沙淤冲和生态环境变化［11］。因此，不同区域的库区消落带其划分标准还需进行相应的细化研究，消落区生态恢复工程策略也需要有针对性的进行。

（3）通过对不同海拔梯度的植被生态学特征分析，可知：在海拔介于145～160 m区间，暴露时间大于120 d、累积淹没时间低于600 d的区域，受上游来沙养分的自然沉降、植物种子补给以及消落区生态恢复力的综合影响，该区域生态系统具有一定的自然恢复能力；但对于受水库水位波动影响较频繁的低水位区域，其恢复能力较弱，植被生长较为困难。

对于生态恢复能力较弱的区域，尤其是受水库水位大幅度反季节涨落影响的区域而言，由于该区域还具有水陆过渡带的典型特征，但随着该区域生态恢复能力的逐渐削弱或丧失，使得其生态屏障功能损失，从而使得水土流失和面源污染直接影响到三峡库区，威胁三峡水库的水环境安全和可持续发展［12，13］。因此，三峡库区消落带水位波动频繁区自然恢复力与生态防护工程将是下一步工作的重点。

（4）尽管本研究通过调查与分析获得了一些初步结果与结论；但由于三峡库区消落带涉及范围广、不同区域特性多样，而且本次调查仅仅围绕三峡库区消落带重庆忠县石宝寨区段，因此，关于大范围以及宏观尺度上的消落带植被生态学特征将在下一步研究中着重开展。

致谢：感谢成都山地所何庆斌研究员、文安邦研究员为此次研究提供的技术支持，感谢成都山地所重庆忠县野外试验站严冬春博士、汪涛博士等人在野外调查中给予的帮助。

［1］ 苏维词，赵纯勇，杨 华.三峡库区消落区自然条件及其开发利用评价——以重庆库区为例［J］.地理科学，2009，29（2）：268－271.（SUWei-ci，ZHAO Chun-yong，YANG Hua.Evaluation on natural conditions ofwater-level-fluctuating zone（WLFZ）in Three-Gorges Reservoirtaking Chongqing section of Three Gorges Reservoir as a case［J］.Scientia Geographica Sinica，2009，29（2）：268－271.（in Chinese））

［2］ 苏维词，杨 华，罗有贤，等.三峡库区涨落带的主要生态环境问题及其防治措施［J］.水土保持研究，2003，10（4）：196－198.（SUWei-ci，YANG Hua，LUO You-xian，et al.Eco-environmental problems of the water-level-fluctuating zone in Three-Gorges Reservoir and their countermeasures［J］.Research of Soil and Water Conservation，2003，10（4）：196－198.（in Chinese））

［3］ 陈国阶.三峡库区发展态势与问题［J］.长江流域资源与环境，2003，12（2）：107－114.（CHEN Guo-jie.Situation and problems in the Three Gorges Reservoir area［J］.Resources and Environment in the Yangtze Basin，2003，12（2）：107－114.（in Chinese））

［4］ 刘 春，姜德义，任 松.三峡库区消落带典型地质灾害成因分析［J］.中国矿业，2004，13（10）：53－55.（LIU Chun，JIANG De-yi，REN Song.Analysis of causeof classic ecological catastrophe in fluctuating belt of the Three Gorges Reservoir area［J］.China Mining Magazine，2004，13（10）：53－55.（in Chinese））

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（编辑：曾小汉）

Study on Vegetation Ecological Characteristics of Falling Zone in Three Gorges Reservoir

HU Bo，ZHANG Ping-cang，REN Hong-yu，LUO Hui-min，CEN Yi
（Department of Soil and Water Conservation，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，CHINA）

Influenced by Three Gorges Reservoir operationmode of“storing the clear water and releasing themuddy water”，the falling zone has developed in the Three Gorges Reservoir area，which covers 348.93 km2areas.And owing to the typical characteristics of alternation of submergence and emergence and wide change extent ofwater level，the falling zone has complicated ecological characteristics.Atmeanwhile，this characteristics，to identify the ecological characteristic of vegetation in wet-dry zone，this characteristics plays an important role to ecological restoration project in the falling zone.On the basis of this，this paper selected the falling zone in Zhongxian Shibaozhai of ZHONG county as a study case to analyze the vegetation ecological characteristics.Firstly，ecological diversity index（EDI）was used to analyze the spatial distribution pattern of vegetation ecological diversity.Secondly，canonical correspondence analysis（CCA）was adopted to find the correlation between environmental factors and typical ecological characteristic.Then，by CCA analysis，key environmental factors，which influence the vegetation ecological characteristics，were found in this study.The result shows：with the change of slope height，the EDIof vegetation in the falling zone presents spatial heterogeneity；there have two turning points in the position of 150 m and 160 m；there exist remarkable positive correlations among vegetation distribution and soil water content，soil thickness，and negative correlations among vegetation distribution and altitude，river distance.

Three Gorges Project；falling zone；ecological characteristic；ecological diversity index；canonical correspondence analysis

X171.4：

A

1001－5485（2010）11－0081－05

2010-09-10

国家科技支撑计划课题（2008BAD98B02）；长江科学院博士启动基金项目（CKSQ2010079）；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（YWF0904）

胡 波（1980-），男，山东日照人，博士，工程师，主要从事生态过程与环境响应的研究，（电话）15927599212（电子信箱）hubchina＠hotmail.com。