我国河岸带生态学的研究进展

张东旭,郭晋平

(1.山西大同大学农学与生命科学学院,山西 大同 037009;2.山西农业大学林学院;山西 太谷 030801)

我国土地开发利用历史悠久,流域河道和河岸 带深受人类活动干扰,流域景观各类要素的空间格局变化很大,自然植被有限且多分布于江河中上游山地。河岸带土地清理、城市建设、土地垦殖和放牧、废物排放、地下水利用以及其他形式的河岸带土地开发利用不断加剧,已经对河岸带构成了强烈干扰。这些干扰导致河岸带结构发生改变,功能退化严重;河岸带与河流及高地之间的生态联系被割裂,流域生态系统整体性被破坏,流域景观生态可持续性下降[1]。这些状况决定了在我国开展河岸带生态学研究具有非常重要的意义。笔者对我国河岸带研究的历史及最新进展进行了系统的回顾和总结,以期促进我国河岸带生态学的科学研究、管理及决策。

1 我国河岸带研究发展简史

20世纪 80年代之前,国内关于河岸带生态学研究的论文仅有两篇[2,3]。随着我国改革开放事业的全面推进,关于河岸带的生态学研究开始得到重视。1996年,陈吉泉把国外关于河岸带定义、河岸带在流域生态学中的功能等最新信息介绍到我国[1],极大地刺激和推动了我国河岸带生态学的发展。近些年,中国国家自然科学基金中河岸带生态学项目逐年增加,由此也可以看出,我国河岸带研究的历程和新气象。

目前我国以流域为对象开展的研究工作,一部分是关于流域生态安全及其评价、流域水源利用、水文地质灾害防治、水污染防治、河岸侵蚀和保护、水利工程等领域;另一部分是关于河岸带植被结构、物种多样性、缓冲功能、廊道功能、河岸带动态及其影响因素等河岸带生态学领域。

2 我国河岸带植被研究进展

国内对河岸带植被的研究主要集中在塔里木河流域、黑河流域、长江三峡段、香溪河流域、长白山北坡的二道白河流域以及关帝山文峪河流域等,研究的内容主要有植物区系、植被格局、群落结构、环境梯度以及生理生态等领域。

2.1 荒漠河岸带的植被

荒漠河岸带的植物可以被分为水生植物、半陆生植物、干旱植物和极干旱植物[4],具有如下特点:植物区系非常单调、群落结构简单、生物多样性指数和物种丰富度指数非常低[5]。影响荒漠河岸带植被类型的主要因素有:地下水位[6]、土壤含水量[6]、土壤含盐量[7]、土壤 pH值[6]和土壤有机质[8]。虽然径流、水位和土壤的物理性质都影响到植物物种的分布[4],但洪水才是影响荒漠河岸带植被的组成结构和分布格局的决定性因素。如改变洪水过程,必将对河岸带的天然林结构及更新演替带来显著的影响[9]。此外,气候背景及地形地貌所影响的水盐、水热的时空分布差异,也是影响荒漠河岸带植物群落演替的重要因素[10]。

植物水分利用机制是荒漠河岸植物群落生态过程与水文机制研究的核心问题[11]。胡杨林是最具代表性的荒漠河岸林群落,胡杨(Populus euphratica)主要依靠洪水泛滥形成的有利自然地理环境而生存。多枝柽柳(Tamarix ramosissima)则与胡杨拥有共同的生态位[12],盐胁迫会提高胡杨和柽柳的可溶性糖浓度,增加其抗逆性,浇灌后地下水位升高使这两种植物叶片中游离脯氨酸浓度成比例降低[13]。对额济纳河流域荒漠河岸林中胡杨叶片净光合速率的研究表明,在干旱区还必须考虑水分限制因素对气孔开闭的控制作用[14]。

在塔里木河下游恢复河岸带植被,要求地下水位不能低于 6 m[15]。如果地下水位满足需要,在严重退化的河岸林和历史上大范围的林地分布区是可以复林的[16]。黑河分水工程对荒漠河岸带胡杨林的繁殖更新无疑是有利的,但前提是消除放牧等干扰因素的影响[17]。与非漫溢区相比,漫溢区地表植被中出现了一些浅根系和喜湿的草本植物,漫溢区单位面积物种数、植被盖度、植株密度、物种多样性指数和丰富度指数均明显增加,河水漫溢提高了土壤种子库的生物多样性[18]。

2.2 其他流域河岸带的植被

河岸带植物群落一般呈现沿湿度梯度方向的分布格局[19],河岸带维管束植物种类较丰富,许多珍稀濒危植物集中分布在这个区域[20],说明河岸带在保护稀有物种、维持生物多样性方面起着重要的作用[21]。此外,河岸带的物种丰富度与海拔有显著的相关性,中等海拔处的物种多样性最高[22]。通常,河岸带群落的最小抽样面积小于非河岸带,物种的优势度也是河岸带森林群落小于非河岸带,而群落的物种丰富度、Shannon—Wiener指数和物种均匀度则是河岸带高于非河岸带[23]。在流域尺度上,海拔对物种丰富度有着重要的控制作用;在局部尺度上,季节性洪水干扰导致的空间异质性和小地形对群落的生物多样性有着重要的影响[24]。

此外,河岸冲积或洪积台地的出现和消失[25]、季节变化[26]、土地利用方式[27]等对河岸带的植物多样性也有影响,而其景观格局的梯度变化主要受温度、降水、土壤和人为干扰因素等影响[28]。草地河岸带土壤种子库在横向上表现为距河流越远种子库密度越大[29]。

3 河岸带土壤研究进展

河岸带土壤一般介于河流与农田或高地森林之间,因此,河岸带土壤在维持河岸稳定性,维持生物多样性、迟滞沉积物、富集和过滤各种营养元素,维持和保护流域陆地生态系统和水生生态系统方面起着至关重要的作用[30]。河岸林土壤中各种氮素的含量和含水量均高于毗邻高地森林土壤的含量[31],土壤含水量和土壤 pH值影响着塔里木河下游荒漠河岸带植物群落的分布格局[6]。与灌丛河岸带和草地河岸带相比,森林河岸带不论是表层土壤还是下层土壤,都有较低的土壤容重、较高的持水量、较良好的渗透性。在同样的地表径流条件下,森林河岸带能吸附和渗透更多的泥沙、养分和污染物[32]。森林河岸带在土壤透气性、持水性、入渗性等方面明显好于灌丛和草地,对于消除溶解在地表径流中的污染物应当具有更高的效率[33]。

河岸带土壤脱氮的主要动力是硝化作用与反硝化作用,氮素营养在渗滤过程中先发生硝化作用,后发生反硝化作用[34]。在帽儿山地区,农田背景下的森林河岸带土壤反硝化强度最大,裸地河岸带土壤反硝化强度最小;森林背景下土壤反硝化强度的大小顺序为皆伐河岸带＞森林河岸带＞草地河岸带;此外,河岸带表层土壤的反硝化强度大于底层,其反硝化强度受可利用碳、硝态氮的限制,各类型河岸带以农田背景下森林河岸带土壤反硝化潜力最大[35,36]。对于恢复后的河岸带来说,其土壤微生物数量、土壤动物的种类和数量,如同土壤有机质、氮、磷以及钾一样,显著高于未恢复河岸带[37]。

4 污染物滤除

河岸带土壤中的氨态氮不仅参与了离子交换作用,导致渗出液中钙离子和硬度的增加,还参与了硝化作用、反硝化作用和有机氮的矿化作用[38]。苯胺在河岸渗滤系统中主要通过吸附作用和生物降解作用去除,而真正去除苯胺的是生物降解[39],氨态氮是其降解过程中产物之一[38];在反硝化条件下河岸渗滤系统中的反硝化微生物对苯胺有很强的降解能力,而且降解的苯胺仅有少部分经过脱氨作用,绝大部分与腐殖质以共价键形式形成螯合物供微生物降解,降解过程不产生对环境微生物有毒的中间产物,能连续降解[40]。

森林和草地河岸带都能够有效截留来自农田土壤水中的硝态氮,对溪流水质起到很好的保护作用[41]。在河岸带种植不施肥的水稻带也可有效地控制氮、磷的流失,其机理与湿地相似[42]。河岸带越宽,对氮素的清除效率越高;越靠近溪流岸边的地方,对氮的清除效率越高;氮素污染物在进入河岸带后,河岸带对其的清除作用主要发生在河岸带的前部,5 m宽的河岸带清除氮素超过 54.78%,理想情况下,10 m宽度即可截留 91.17%的氮素[43]。河岸边有混合植物带的水域比无植物带的水域溶解氧含量稳定,且夏季水温更低,说明在河道修复中植物带对平衡河岸带环境条件、改善河流局部小气候有重要作用。不同的河岸植被带在滤除河水中污染物和改善水环境等方面表现出不同特点,在河岸带修复时尽可能保证水生植物的多样性[44]。

5 问题与建议

综上所述,国内河岸带生态研究以河岸带植被为对象在群落和种群尺度开展较多,将河岸带整体作为研究对象从景观生态学角度开展的研究工作很少,河岸林的基本特征、动态变化和影响因素等基本问题都没有搞清楚,研究工作还不够深入。现有研究成果主要涉及河岸带土地利用格局、河岸植被格局、物种多样性与生境之间的关系等方面,无法为我国大量严重退化的山地河岸带保护、恢复和管理提供理论指导,更无法制定针对性的经营管理方式,导致近年来流域生态安全问题频繁发生。这种状况与我国面临的河岸带大量消失、功能严重退化以及恢复问题突出的现实极不相称,需要进一步反思流域管理的生态学基础科学问题,开展更多的深入扎实的研究工作。

针对我国河岸带研究中存在的问题,建议加强河岸带功能、过程及其相互关系的研究,具体内容包括:1)河岸带及其背景区植被景观空间镶嵌格局分析。2)河岸带边界的判定及河岸带植被特征沿横向空间梯度的变化格局。3)对河岸带生境类型的划分,从斑块、河段和支流 3个尺度上对河岸带物种多样性格局进行分析,并阐明其控制因素和机制。4)加强河岸带对高地面源营养物、沉淀物和污染物的拦截过滤过程的研究,建立量化传输模型,进行不同河岸带类型间的比较研究,说明河岸带对景观物质通量的影响和控制作用。5)对典型流域河岸带向溪流输入有机质的过程及数量进行研究,并建立周转过程模型。6)对上述研究成果进行整合,揭示河岸带空间格局、组成结构与这些功能过程的关系,建立概念模型并争取发展成数量模型,定量分析河岸带空间格局与其关键性功能过程的相互制约关系,为确定河岸带规划与设计的几个重要参数提供依据,提出河岸带保护、恢复、建设中河岸林空间配置和布局的原则和依据,提出流域尺度和局部河岸带规划及设计的若干原理。

此外,科学家有义务推动河岸带生态学研究成果向现实生产力转化,提高各级政府部门领导、社会和群众对河岸带重要性的认识,从而实现对河岸带的科学利用、保护、修复、重建和管理。

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