合肥市不同类型湿地植物群落的物种多样性及群落特征研究

2013-12-09 08:37:04陈芳芳邓琦子
中国野生植物资源 2013年4期
关键词:群丛莲子空心

孙 睿,张 玲,汪 天*,陈芳芳,邓琦子

湿地,是地球上独特的生态系统和特有的土地资源,有“地球之肾”之称。湿地界于陆地与水体之间的“过渡带”[1],其外延包括河滨、湖滨和海滨等自然地理系统[2]。城市湿地具有众多重要功能,可以涵养水源,调节气候,为人类提供多种服务。同时,也是重要的物种基因宝库[3]

近年来由于人口的急剧增加,城市化进程的加快以及人类对湿地认识的片面性,导致对湿地的破坏和不合理的开发利用,造成湿地的大面积减少、植物多样性丧失、功能和效益的衰退,严重危及湿地植物生存。

因此,我们有必要去了解湿地植物的多样性以及其群落演替的稳定性。本文选取因外界干扰程度不同的三块湿地:人工型湿地(中铁建国际城湿地公园)、半人工半自然型湿地(2009年建成的水库沿岸湿地)和自然型湿地(1960年建成的水库沿岸湿地),通过调查植物群落的多样性指数,均与度指数以及优势度指数以及β多样性等相关指标进行对比分析,来探讨人工型湿地、半人工半自然型湿地以及自然型湿地之间的植物种类以及群落特征的不同;同时,也可以通过了解其群落物种多样性和群落稳定性等基本因素,分析其内部的相互联系与群落演替过程。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

1.1.1 合肥市地理气候条件

合肥位于安徽省中部,地处长江、淮河之间的华东丘陵地区中部,江淮分水岭南侧,巢湖北岸,北纬31°52'、东经 117°14',为亚热带季风性湿润气候。四季分明,气候温和,雨量适中,春暖多变,秋高气爽,梅雨显著,夏雨集中。年平均气温15.7℃,无霜期约227 d,年平均降水量982.6 mm,年平均日照2 218 h,年平均蒸发量835 mm,土壤为黄棕壤[4]。

1.1.2 调查样地

中铁建国际城湿地公园;大房郢水库沿岸;董铺水库沿岸。

中铁建国际城湿地公园位于合肥市北二环大房郢水库南部区域,水系与大房郢水库相连,为近年来合肥新建的较典型的湿地公园。其园内植物大部分皆为人工种植,植物种类较为丰富;又因其为湿地公园,对外开放,所以其受外界干扰强度最大,为典型的人工型湿地。

大房郢水库位于合肥市南淝河支流四里河上,坝址在市区西北郊的大房郢附近,距二环路800 m。2001年正式开工,是安徽省开工建设的第十二座大型水库,2009年建成,也是全国离省会城市最近的一座大型水库。因其建成时间较短,且原周边沿岸多为农田,所以其植物种类较少,虽多数植物为自然生长,但其受农田作物和杂草侵扰,受外界干扰强度较大,趋向于半人工半自然型湿地的状态。

董铺水库位于合肥市西北近郊,巢湖支流南淝河上游,大坝坐落在二环路旁,是一座以合肥城市防洪为主,结合城市供水、郊区农菜灌溉及发展水产养殖等综合利用的大型水库,集水面积207.5 km2。1956年建库,1960年建成开始蓄水运行。水库建成时间较久,且沿岸湿地植物种类最多,植物群落最丰富,因其面积较大,且周边农田和人为因素较少,所以其受外界干扰程度最弱,趋向于自然型湿地。

1.2 调查时间

2012年5月至8月。

1.3 调查工具与方法

1.3.1 调查工具

卷尺、直尺、样本框、标本夹、相机、纸、笔等。

1.3.2 调查方法

采用样地与样方相结合的方法。

中铁建国际城湿地公园沿湖边地带每隔100 m为1样地,在样地里记录植物种类名称,然后在样地里随机选取样方,样方为1 m×1 m,记录样方中植物的名称、密度、盖度,测量株高等。

大房郢水库和董铺水库面积较大,根据可行性与可到达性在其沿岸选择样地,记录样地内植物种类名称,然后在样地里随机选取样方,记录样方中植物的名称、密度、盖度,测量株高等[5-6]。

1.4 研究方法与指标

1.4.1 植物种重要值(IV)的计算方法

1.4.2 植物群落的α多样性指标

运用α多样性指数[9-12]对湿地植物群落多样性进行分析评价。

即:

(1)物种丰富度指数R∶R=S

式中S为所有样地内的物种数。

(2)物种多样性指数H'采用Shannon-Wiener多样性指数计算:

式中pi=IVi/IV,其中IVi为第i个种的重要值,IV为种i所在样地的各物种的重要值之和,在本研究中因各物种的重要值之和为1,所以pi为各物种的重要值。

(3)均匀度指数 E(evenness index)采用以Shannon-Wiener指数为基础的Pielou均匀度指数计算:

(4)生态优势度SN(ecological dominance)采用Simpson优势度指数,计算公式为:

(2)(3)(4)式中S为样方内的物种数,其余指数同(2)式。

1.4.3 植物群落的β多样性的测度方法

采用Jacccard指数和Sorenson指数两个相似性系数作为测定不同类型湿地群落或不同生境间的相似程度指标[13-14],计算方式为:

式中:j为两个群落共有种;a和b分别为群落A和群落B的植物物种数,Cj和Cs越大则两群落的相似性越大。

2 调查结果与分析

2.1 植物群落特征

在湿地公园调查点,共有湿地植物47种,植物群落以空心莲子草(Alligator alternanthera),灯心草(Juncus effusus),香 蒲 (Typha orientalis)、芦 苇(Phragmites australis)和虉草(Phalaris arundinacea)为优势种,三者重要值之和为60.33%,主要伴生种有慈菇 (Sagittaria trifolia var.sinensis),水菖蒲(Acorus calamus)等。沿岸积水地区以及湿土环境主要植物群丛有:香蒲+空心莲子草群丛(Typha orientalis+Alligator alternanthera),香蒲+灯心草 +水蓼群丛(Typha orientalis+Juncus effusus+Polygonum hydropiper),空心莲子草+水蓼群丛(Alligator alternanthera+Polygonum hydropiper),空心莲子草+香蒲+慈菇群丛(Alligator alternanthera+Typha orientalis+Sagittaria trifolia var.sinensis),空心莲子草+虉草群丛(Alligator alternanthera+ Phalaris arundinacea),芦苇群丛等,酸模(Rumex acetosa)、野老鹳草(Geranium carolinianum)、灯心草、芦蒿(Artemisia selengensis)、大巢菜(Vicia sativa)、荔枝草(Saluia plebeia)、一年蓬(Erigeron annuus)等植物频度也较高,但除灯心草外多难以形成群落,而灯心草因其特殊的形态特征,其根茎横走,地下茎具有匍匐性,其地上分蘖也较多,所以造成其重要值较大。水生植物主要植物群丛有:莲+空心莲子草+浮萍群丛(Nelumbo nucifera+Alligator alternanthera+Lemna minor),凤眼莲+空心莲子草+浮萍群丛(Eichhornia crassipes+Alligator alternanthera+Lemna minor)。因其为湿地公园,岸边乔灌木多以人工配置为主,其乔灌木也非湿地植物或者生存在湿地环境中,故没有将其列入重要值计算之中。乔木配置以桂树,水杉,垂柳,香樟为主,灌木以夹竹桃,金边黄杨,海桐,红花继木等为主,乔灌木下面草本植物有:马尼拉草(Zoysia matrella),棒头草(Polypogon fugax),野大豆(Glycine soja),吉祥草(Reineckia carnea),狗牙根(Cynodon dactylon)等,也有看麦娘(Alopecurus aequalis),刺儿菜(Cirsium setosum)等常见杂草,偶有节节草(Equisetum ramosissimum),车前(Plantago asiatica)等出现。

在大房郢水库调查点,有湿地植物21种,植物群落以空心莲子草,芦苇,水蓼(Polygonum hydropiper)为优势种,三者重要值之和为77.22%,主要伴生种有鬼针草(Bidens pilosa),半边莲(Lobelia chinensis),狗牙根等。沿岸积水地区主要植物群丛有:水蓼+半边莲群丛(Polygonum hydropiper+Lobelia chinensis),水蓼+空心莲子草+芦苇群丛(Polygonum hydropiper+Alligator alternanthera+Phragmites australis),还有少量芦苇+香蒲群丛(Phragmites australis+Typha orientalis);岸上为湿土环境,种植有作物水稻,主要植物群丛有:艾蒿+水蓼群丛(Artemisia argyi+Polygonum hydropiper),艾蒿+白茅群丛(Artemisia argyi+Imperata cylindrica),也有旋鳞莎草(Cyperus michelianus),半边莲等小片构成群丛,乔灌木主要为旱柳(Salix matsudana),其沿岸皆有狗牙根生长,频度较高。

在董铺水库调查点,共有植物70种,植物群落以狗牙根、半边莲、灯心草、芦苇、白茅(Imperata cylindrica)和空心莲子草为优势种,其重要值之和达到了61.15%,主要伴生种有水蓼、旋鳞莎草和鸡屎藤(Paederia scandens)等。水生植物主要植物群丛有:细果野菱(Trapa incisa)、睡莲(Nymphaea tetragona)、莲(Nelumbo nucifera)等群丛,沿岸积水地区以及湿土环境主要植物群丛有:芦苇、香蒲、空心莲子草+水蓼、旋鳞莎草、白茅、半边莲和鸭跖草(Commelina communis)等,水岸旁边有大片荻(Miscanthus sacchariflorus)生长,湿地范围内的陆生或中生植物有:虉草、灯心草、鸡屎藤等,还有一些常见野生植物如:野大豆、田菁(Sesbania cannabina)、一年蓬、小蓬草(Conyza canadensis)、牛筋草(Eleusine indica)、马唐(Digitaria sanguinalis)以及蒿类植物。此外,董铺水库地区自然生长的乔灌木也最丰富,有河柳(Salix chaenomeloides)、垂柳(Salix babylonica)、旱柳、杜梨(Pyrus betulifolia)、棕榈(Trachycarpus fortu-nei)、槐树(Sophora japonica)、榆树(Ulmus pumila)、水杉(Metasequoia glyptostroboides)、桑树(Morus alba)、构树(Broussonetia papyrifera)等数十种,群落结构较复杂。

表1 合肥市人工型湿地、半人工半自然型湿地和自然型湿地植物群落中重要值较大的10种植物物种

由表1可以看出,从人工型湿地到半人工半自然型湿地到自然型湿地,空心莲子草的重要值是逐步降低的,这说明它的入侵性在逐渐减弱,外界对湿地的干扰越大,空心莲子草的入侵强度就越大,其重要值也越高。在半人工半自然型湿地与自然型湿地中,典型的湿地植物(如芦苇)以及湿生植物(如半边莲),其重要值排名都较高,说明芦苇和半边莲在群落中的优势度较人工型湿地明显。且本地乡土植物物种(如狗牙根,白茅和水蓼等)在半人工半自然型湿地与自然型湿地中皆有较大的重要值,尤其是在半人工半自然型湿地中重要值最大,同时在半人工半自然型湿地中空心莲子草的重要值较大,基本与水蓼持平,这说明了在此类型湿地中外来物种的入侵与本地乡土物种中间的此消彼长的竞争关系。人工型湿地中的芦苇、灯心草、香蒲和水菖蒲等湿地植物重要值较大,这些植物都是典型的湿地植物在人工型湿地中被人工配置的结果,同时,因为受外界干扰较大,人工型湿地中的浮萍重要值较大,而在其余两种类型的湿地中则无浮萍或较少有浮萍的出现。

2.2 植物群落的α多样性

自然型湿地、半人工半自然型湿地和人工型湿地的物种丰富度分别为70、21和47,半人工半自然型湿地的物种丰富度指数最低,自然型湿地的物种丰富度指数最高。在多样性方面:自然型湿地的植物多样性指数最高,人工型湿地次之,半人工半自然型湿地的植物多样性最低,多样性指数与丰富度呈正相关关系。因为湿地公园植物有些为人工配置,管理较为严格,外界干扰较大,造成植物物种较丰富,偶见种种类较多;大房郢水库沿岸有稻田,其湿地类型为半人工半自然型,受外界干扰较小,但大房郢水库建成时间较短,植物群落处于较低层次,植物种类较少,物种丰富度指数与多样性指数也就较低。而董铺水库沿岸为自然植物群落,因其水库建成时间较久,沿岸罕有人至,受外界干扰最小,其群落最稳定,植物种类丰富,植物群落趋向于顶级群落,所以物种丰富度最高。

三个调查点湿地植物群落的均与度都较高,Pielou均匀度指数都在0.70以上,且差异不大;在优势度方面,大房郢水库沿岸的植物群落优势度最高,这与其本身的半自然半人工性以及其受农田侵扰较严重有关,因湿地公园受人为因素控制,董铺水库趋向于自然型,所以此二者的群落结构稳定性都比大房郢水库沿岸的群落高,但相比于湿地公园,湿地植物群落的自然性趋势更为明显。

Pielou均与度指数也是自然型湿地和人工湿地较高,因为该群落的物种丰富度最高,优势物种的重要值与其他物种的差异程度较小,在物种组成上比较均匀;而大房郢水库沿岸湿地植物群落的均匀度较低,这与该群落中优势物种的的重要值偏高有关,芦苇的重要值最高,达到了47.31%,水蓼的重要值也达到了17.69%,而其他植物物种的重要值相比之下都很低。Simpson优势度指数的分析结果刚好与Pielou均与度指数相反,大房郢水库沿岸湿地植物群落具有较高的优势度,达到了0.25,这正是其群落均与度较低的表现。湿地公园植物群落优势度指数偏低,也说明了该群落均与度指数较高。以上结果说明,董铺水库沿岸湿地的植物群落α多样性,湿地公园的湿地植物群落α多样性较高,而大房郢水库沿岸湿地植物群落α多样性较小。根据以往研究可知,物种多样性与物种丰富度、均与度呈正相关,而与优势度呈负相关[7,11,15-16]。这与本研究结果基本相同。

图1 合肥市人工型湿地、半人工半自然型湿地和自然型湿地植物群落的α多样性

2.3 植物群落的β多样性

不同的湿地群落或者不同类型的湿地环境之间的β多样性多用相似性系数来测度。相似性系数的测度同时考虑了两种类型的湿地群落中各个物种的存在及其物种丰富度。由于半人工半自然型湿地的湿地类型介于人工型湿地与自然型湿地之间,所以分别测算了半人工半自然型湿地与人工型湿地、自然型湿地群落之间的β多样性相似性指数。

表2 半人工半自然型湿地与自然型湿地、人工型湿地植物群落间的相似性系数

由表2可以看出:半人工半自然型湿地与自然型湿地植物群落的相似性系数均大于其与人工型湿地植物群落的相似性系数,这说明半人工半自然型湿地与自然型湿地的植物群落更为相似,Jaccard指数为0.2639,Sorenson 指数为0.417 6;从植物种类组成上看,自然型湿地与半人工半自然型湿地的植物多为典型的湿地植物或湿地植物与湿生植物的优势度较明显,两者之间有19种共有物种,高于与人工型湿地的13种共有物种,从而得出:半人工半自然型湿地与自然型湿地在群落组成上有一定的内在联系,可以说明:本文所调查的半人工半自然型湿地更接近于自然型湿地,属于自然型湿地植物群落退化后的阶段。若对其进行保护,减少外界干扰或对其进行生态恢复,半人工半自然型湿地则可渐渐过渡到自然型湿地的状态。

3 结论与讨论

(1)合肥市湿地的植物资源较丰富。总计有43科81属92种,包括典型的湿地植物,如芦苇,香蒲等,水生植物,如莲,空心莲子草和慈菇等,另外中生植物与湿生植物也是其重要组成部分,如水蓼,鸭跖草与半边莲等,野生杂草的分布也相对广泛,如狗牙根,结缕草等。将之与南京,杭州与武汉等地的湿地植物资源相对比发现:湿地植物资源差异较小,都同属于长江中、下游平原草丛沼泽和浅水植物湿地亚区[17],且气候皆属于湿润的亚热带季风气候。

(2)外界干扰程度的不同是制约湿地植物群落结构的最基本因素,从而会造成不同的湿地类型与植物群落特征。自然型湿地较长期地处于封闭状态,典型的湿地植物生长势良好,如芦苇、灯心草、茅草和半边莲等,它们作为群落的优势种,能在一定程度上抑制其他物种的侵入。同时植物群落能长期保持在一个相对稳定的状态,群落结构较复杂,乔灌草以及水生植物等各类植物皆有生长,以上因素共同决定了董铺水库沿岸(自然型湿地)植物物种多样性最高。半人工半自然型湿地由于长年种植农田,环境因素不稳定,环境类型多样,再加上人为干扰较严重,致使典型的湿地植物渐以消退,而农田杂草等逐渐侵袭,所以其湿地植物类型介于典型的湿地群落与人工湿地群落之间,造成了其物种多样性最低。而人工湿地因为植物皆为人工配置,加上相应的人为控制的养护管理,造成其湿地植物多样性较高。

(3)从人工型到半人工半自然型,再到自然型,湿地的植物群落处于不断地演替中。从群落结构看,自然型湿地的群落环境最为多样,造成其群落结构也较为多样,在垂直结构上也较为丰富,乔灌草等不同类型植物皆有生长,而大房郢水库沿岸群落环境属半自然型,较为单一,造成其群落结构较为简单。因其植物大多为自然生长,其环境条件和群落结构与湿地公园也有较大差异,更趋向于自然湿地的状态。又因在β多样性指标中,大房郢水库(半人工半自然型湿地)与董铺水库(自然型湿地)的相似性系数较高,而与湿地公园(人工型湿地)的相似性系数较低,说明了大房郢水库湿地的植物群落与董铺水库湿地的植物群落更为相似。由此综上可知:大房郢水库沿岸处于自然群落演替的早期;但若受有人为或外界干扰的持续增加与环境的逐渐变化,该群落也有可能向人工湿地的群落结构发展。若无这些条件,它则会渐渐过渡到自然型湿地植物群落。

(4)本文分析了3个调查点的植物群落的物种多样性和群落特征状况,半人工半自然型植物群落的物种多样性却是最低的。这表明植物群落受外界干扰程度与物种多样性之间的关系比较复杂,两者之间并非简单的正相关关系;尤其是一些农田侵扰的湿地植物群落,其群落状态很不稳定,湿地植物的消退与农田杂草的侵袭呈现此消彼长的关系。近年来人类利用土地造田的方式改变了湿地生态系统的结构和功能,这些变化加剧了外来物种的入侵、本土物种的消亡,它们共同导致了生态系统生产力和稳定性的降低[7,18],从而也降低了典型湿地植物物种的优势度。从自然型湿地到典型的人工型湿地,人类和外界环境的干扰改变了其物种多样性状况与环境条件,造成了典型湿地植物的优势度的降低,从而也加速了外来草本植物的入侵,这其中包括湿生和中生等各种类型的草本植物,典型的湿地或湿生植物如芦苇和水蓼,重要值相比之下都有降低,取代它们的是空心莲子草和浮萍等入侵物种或繁殖性较强的物种,也有一些草本植物和常见杂草开始存在于群落,并且具有相当的重要值。湿地植物对于湿地景观和湿地生态系统稳定的维持都具有不可替代的作用,这些物种重要值的降低为其他物种入侵或杂生提供了空间,造成了其湿地植物群落结构的变化,这些直接导致了带有自然性的湿地的退化[7,19]。而湿地植物群落的生态功能主要是由其优势种及其物种组成与功能等因素共同决定的[20-21]。在研究中,从半人工半自然型湿地到人工湿地,虽然总体上看物种多样性是增加的,但由于物种组成,群落结构尤其是优势种的变化以及物种优势度指数的变化,其作为湿地生态系统的自然性和生态性是不断降低的。所以在对合肥市各种类型湿地进行生态系统的生态评价以及在建立人工湿地时,在考虑植物物种多样性的基础上,更应该关注群落中优势种的组成及群落的演变趋势,在人工湿地植物的配置方面,而不要一味地增加植物种类,或者增加其观赏价值,更要注重其优势种的组成以及群落的特征,注重提高人工湿地的湿地生态功能,也可多配置一些可以净化水质,保持水土的湿地植物,这样才能体现湿地植物的价值以及提高它的生态功能。

(5)通过调查与研究发现:一些湿地植物在园林和生态方面具有很高的应用价值,许多湿地植物都已经被应用到园林绿化、构建人工湿地与水陆植被缓冲带。此外,湿地植物在吸收工业污水与重金属离子方面都具有很高的应用价值,如芦苇、香蒲、慈菇和凤眼莲等皆对污水具有良好的吸收处理功能,可对其进行合理开发利用[22-23]。凤眼莲对各类污染均有极强的抗污净化能力,其发达的根部还能向水体分泌某些有机物,这些物质能够伤害或杀死水体中某些藻类和有害细菌[23]。

(6)湿地是自然界中最富生物多样性的生态系统,其植物资源丰富,但近些年来,我国对湿地保护不够重视,造成湿地植物种质资源锐减,一些典型的湿地植物大面积减少,同时我国相当一部分的自然湿地正被农田或人工设施所侵扰,这些都导致了湿地生态系统的结构与环境的变化,造成其生态功能的丧失,所以我们应采取措施保护湿地植物多样性,保护其植物物种,应加强湿地管理,并注重研究由于湿地植被的变化所引起的湿地功能的丧失[24]与湿地生态系统的恢复[25]。

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