北京怀九河河岸类型的植被与土壤理化性质差异

夏晓平，信忠保†，孔庆仙，张栋,2

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.北京圣海林生态环境科技股份有限公司，100083，北京)

北京怀九河河岸类型的植被与土壤理化性质差异

夏晓平1，信忠保1†，孔庆仙1，张栋1,2

(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.北京圣海林生态环境科技股份有限公司，100083，北京)

植被和土壤作为组成河岸带生态系统的重要因素，其空间分布与变异对河岸带生态功能起着决定性作用。以北京市怀九河河岸带为研究对象，在基于60个样地调查的基础上，对植被数量特征和多样性，以及土壤理化性质进行调查与分析，并对比了自然型(15个)、近自然型(25个)和人工型(20个)3种典型河岸植被与土壤理化性质的差异性。结果表明：1)河岸带植被组成以草本占绝大多数(占总物种数的79.22%)，而乔木与灌木种类分布较少，且不同河岸类型下的植被多样性指数差异性显著(P<0.05)，自然型河岸植物多样性(4.6±0.16)以及丰富度指数(7.26±0.40)要明显大于近自然型(3.82±0.16、6.36±0.32)以及人工型河岸(3.94±0.18、5.40±0.42)(P<0.05)，表现为干扰下的河岸带生境不断退化。2)随干扰程度的增加，土壤质量不断下降，且土壤质地、密度和土壤有机质质量分数在不同河岸类型条件下，差异性显著(P<0.05)；其中，土壤有机质质量分数(%)分布表现为自然型(4.88±0.43)>近自然型(3.47±0.31)>人工型(1.92±0.15)(P<0.05)，土壤密度(g/cm3)分布表现为自然型(1.18±0.03)<近自然型(1.35±0.03)<人工型(1.52±0.03)(P<0.05)。3)植被多样性与土壤理化性质间具有潜在的相关性；其中，植被的均匀度指数与土壤有机质质量分数显著正相关(P<0.05)，植被丰富度指数与土壤密度极显著负相关(P<0.01)、与土壤总孔隙度显著正相关(P<0.05)，而植被物种多样性指数与土壤理化指标间相关性不显著。该研究不仅说明干扰条件影响植被与土壤间紧密的相关性，也为北京山区河岸带生态系统恢复与重建，提供基础信息和理论依据。

植被； 多样性； 土壤； 理化性质； 河岸带

河岸带是陆地生态系统和水生生态系统进行物质、能量和信息交换的重要生物过渡带，也是防治水环境污染中发挥重要作用的河岸缓冲带[1]，具有明显的边缘效应，以及植被、土壤、地形、地貌和水文特性[2]，并且在发挥廊道功能、缓冲带功能、植物护岸功能和社会经济功能方面起着主要作用[3-5]。近年来，关于河岸带的研究多倾向于植被群落与环境间关系[6]、河岸带生态健康评估[7]、土壤养分以及与环境间关系[8-10]、土壤重金属元素污染以及分布特征[11-12]等，对河岸带植被群落与土壤理化性质，在不同干扰程度下的分布差异少有研究。而作为河岸带生态系统的重要组成部分，植被与土壤是关系河岸带稳定性、生物多样性、富集和过滤各种营养元素等方面的重要因素[13-16]。因此，本文以北京市怀九河河岸带为研究对象，在通过野外调查和室内试验的基础上，研究不同类型下的河岸带植被数量特征、多样性以及土壤理化性质差异，评价河岸带植被与土壤质量状况，为北京山区河岸带的生态修复，提供基础信息和理论依据。

1 研究区概况

怀九河位于北京市山区怀柔西南部(E 116°19′54.3″～116°34′3.5″，N 40°18′59.5″～40°26′51.6″)(图1)，属海河流域潮白河水系，是北京山区的典型山溪性河流，也是怀柔水库重要的入库水源。其起点位于怀柔区鳞龙山自然风景区，路经二道关、黄花镇、团泉、一渡河和后辛庄，终点位于怀柔水库，总段长约37.4 km，总面积约347.2 km2。该地段属于北温带大陆性季风气候，冬夏温差较大，1月份平均气温-5 ℃，7月份平均气温25.3 ℃，年最高气温38 ℃，最低气温-18 ℃。

研究区位于低山区(海拔65～320 m)，地貌类型主要为丘陵，且上游部分河道两岸多依靠丘陵台地。下游部分地势低，主要由众多的小洪积扇坡积群组成。土壤主要分布有褐土和潮褐土等类型，由于受母质和河流冲刷等影响，河岸坡面的表土层质地一般为砂壤质、轻壤质，且平均土壤层厚度<20 cm。当地植被主要以加杨(Populus×canadensis)、旱柳(Salixmatsudana)、榆树(Ulmuspumila)和荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)为主。

图1 研究区样点分布示意图Fig.1 Sketch map of sample distribution in the study area

图2 3种不同河岸类型实景图Fig.2 Real map of three different types of riparian

2 研究方法

2.1 样地设置

2016年9—10月在北京怀柔区怀九河，沿河岸带开展植被和土壤的野外调查和取样工作。依据河岸带受干扰程度和发育状况，将其分为自然型河岸带、人工型河岸带和近自然型河岸带(图2)。

不同类型河岸带非连续性分布，自然型河岸带受破坏程度小，人为干扰程度低，主要分布在中上游地区，部分样地因偏僻或是受封育等，也会表现出自然型的特点；人工型河岸带经过人为的修整和改造，主要分布在中下游地区；近自然型河岸带即受过人为适当地干扰，一种近自然状态下的河岸带，距离聚居地较近，在整条河段均有分布。此次共调查了60个样地。其中，自然型河岸带、近自然型河岸带和人工型河岸带共有样地分别为15、25和20个，每个样地长度为80 m，且根据垂直河道方向的河岸带宽度(5.7 m±2.2 m)设置样方。

2.2 植被及土壤指标测定

每个样地调查林分结构，记录乔木树种的树高、胸径和冠幅等指标，并分别设置3个2 m×2 m、1 m×1 m的小样方，进行灌木和草本植物的调查，记录其物种数、盖度和数量等指标。由于调查区域内土壤层厚度较薄(11.3 cm±8.6 cm)，河岸卵石和石块较多，在调查的60个样地内，可进行土壤取样的样地共有38个，其中，自然型河岸、近自然型河岸带和人工型河岸带分布分别有11、14和13个。

在可取土的样地，挖取表层土壤剖面(0～20 cm)进行土壤取样工作，测定土壤密度、孔隙度、土壤机械组成和有机质(SOM)等指标。土壤孔隙度和土壤密度采用环刀法；土壤机械组成采用Malvern3000型激光粒度分析仪测定；有机质采用重铬酸钾-稀释热法测定。

2.3 数据计算与处理

利用Excel 2010计算平均值、标准误差和制作表格等，利用SPSS23.0进行单因素方差分析和Pearson相关性分析，评价土壤各理化指标之间的相关性和均匀特征。

3 结果与分析

3.1 河岸带植被群落物种组成

基于野外调查和实测的样地数据，对河岸带植被物种组成和结构特征进行基本统计分析，共记录植被种类231种，隶属81科182属。其中，乔木共有16科21属26种、灌木共有12科21属22种、草本共有53科138属183种。从中可知：河岸带植被草本种类分布较多，物种丰富(占总物种数的79.22%)，乔木、灌木种类较少，表明河岸带主要以草本为主；所有植物中菊科分布最多，共有31属50种，其次禾本科共有18属20种、豆科共有15属18种，多数植物均以1科1属1种为主，仅有杨柳科(Salicaceae)、蔷薇科(Rosaceae)、豆科(Leguminosae)、菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)和蓼科(Polygonaceae)等分布有多种生活型，表示这些植被在怀九河河岸带有较好的适应性。综上所得，怀九河河岸带植被群落组成以草本占绝对多数，乔木与灌木种类分布较少，多样性较差，这是河岸带生境退化的一种表现。

由对比不同类型下河岸带植被群落组成占该总物种数的差异(表1)可知，各类型河岸带植被结构分布各不相同。其中，自然型河岸带乔木物种数占调查区内乔木总物种数的53.85%，均高于近自然型(34.62%)和人工型河岸带(30.77%)。以重要值高于1的植被作为主要优势种，自然型河岸带乔木分布的优势种主要有加杨、榆树和核桃(Juglansregia)；灌木物种数在近自然型河岸带分布较多，占调查区内灌木总物种数的59.09%，高于自然型(40.91%)和人工型河岸带(54.55%)，分布的灌木优势种主要有荆条、胡枝子(Lespedezabicolor)和枣树(Ziziphusjujuba)；草本物种数在自然型河岸带分布种类较多，占调查区内草本总物种数的63.93%，高于近自然型(30.05%)和人工型河岸带(34.97%)，分布的草本优势种主要有狗尾草(Setariaviridis)、马唐(Digitariasanguinalis)、牛尾蒿(Artemisiadubiavar.subdigitata)。从中可知，不同程度的干扰不仅会影响植被群落优势种的变化，也会引起植被数量和多样性的变化。

3.2 不同河岸类型下植被数量特征和多样性分析

在总的调查样地(60个)中，自然型、近自然型和人工型河岸带所占其比例分别为25%、41.67%和33.33%，受干扰条件下的河岸带居多，自然条件下的河岸带最少，且不同程度的干扰条件，对河岸带植被空间分布和数量特征变化具有重要影响。由表2可知，自然型、近自然型和人工型条件下的河岸植被盖度无明显变化，但乔木郁闭度、草本盖度和植物多样性与丰富度存在显著性差异(P<0.05)。

植被群落在自然型河岸、人工型河岸以及近自然型河岸的组成中，主要以草本为主，平均值分别为50.37%、58.35%和66.52%。其中：人工型河岸草本覆盖度要明显大于自然型河岸和近自然型河岸，主要原因为人为绿化和该条件下草本具有生长优势；植被多样性在自然型河岸带分布较好(4.6±0.16)，植被种类较为多样；河岸带植被丰富度指数明显表现出自然型(7.26±0.40)>近自然型(6.36±0.32)>人工型(5.40±0.42)(P<0.05)的现状。说明自然型河岸带植被生长情况较好，物种丰富度较高(7.26±0.40)，人工型河岸带植被物种单一，丰富度较小(5.40±0.42)。总体表明，怀九河河岸带在受人为活动和自然因素的影响下，植被数量特征和多样性受到强烈的干扰，而导致不均匀变化。

表1 不同河岸类型植被优势种组成Tab.1 Composition of dominant species in different riparian types

表2 不同河岸下植被数量特征与多样性Tab.2 Quantitative characteristics and diversity of vegetation under different riparian types

注：表中数据为“平均值±标准误差”；同列不同小写字母代表差异显著(P<0.05)。以下类同。 Note:The data in the table is “average±standard error”.Different small letters in the same column indicate the significant difference among index values,significant differences at 0.05 level.The same below.

3.3 不同河岸类型下土壤理化性质差异

土壤受外界环境因素的影响，表现出不同的空间异质性，3种不同类型下，可进行土壤测定的河岸带分布数量不同，土壤理化性质特征也表现出显著差异(表3)。其中，土壤有机质质量分数在该3种类型下，主要表现为自然型>近自然型>人工型河岸(P<0.05)，自然条件下的土壤有机质质量分数最高(4.88±0.43%)，人工型河岸有机质质量分数最小(1.92±0.15%)。这是因为人工型河岸发育时间较，土壤中有机质积累较少；土壤密度在研究区内的变化，表现为自然型<近自然型<人工型河岸(P<0.05)，自然型河岸下密度最小(1.18±0.03 g/cm3)，土壤总孔隙度较高(52.83±0.99%)。说明该条件下河岸土质疏松，通透性能较近自然型和人工型边坡好；土壤固体组分差异决定着土壤的质地与结构，影响土壤养分差异[17-18]，自然型河岸在黏粒、粉粒和砂粒的质量分数，均明显差异于近自然型河岸和人工型河岸(P<0.05)，且人为干扰，可导致河岸岸坡土壤更倾向于黏粒和粉粒的转化。这是由于在干扰条件下，土壤颗粒更易风化和破碎。

综上所述，由对河岸带土壤的调查研究结果，说明尽管自然型河岸带分布数量少，但河岸土壤受保护程度高，且发育状况好；另外，随干扰程度的增加，可降低土壤的理化性质，影响土壤发育。

表3 不同河岸下土壤理化性质特征Tab.3 Physical and chemical characteristics of soil under different riparian types

3.4 植被多样性指数与土壤理化性质相关性分析

土壤作为生态系统重要组成部分，与植被间有着不可或缺的关系。为探讨怀九河河岸带土壤理化性质与植被多样性指数之间的关系，对土壤理化指标与植被多样性指标进行了相关性分析(表4)。

表4 植被多样性指数与土壤理化性质间相关性分析Tab.4 Correlation analysis between vegetation diversity index and soil physical and chemical properties

注：**表示在0.01级别(双尾)相关性显著，*表示在0.05级别(双尾)相关性显著。Note:**refers to significance at 0.01 level (two-tailed),and * refers to significance at 0.05 level (two-tailed).

从表4可知，植被均匀度指数与有机质质量分数间呈显著正相关(P<0.05)，丰富度指数与土壤密度间呈极显著负相关(P<0.01)，丰富度指数与土壤总孔隙度间呈显著性正相关(P<0.05)。表明植被的多样性与土壤理化性质间存在潜在的相关性，植被物种多样性指数与土壤各项理化指标间相关性不显著。原因主要为：一是研究河段内土壤表层石块砂砾较多，致使河岸带表层土壤异质性较低，植被的物种多样性指数与各土壤理化指标间有较大差异；二是河岸带生态系统受开垦、旅游、放牧和垃圾污染等影响，导致土壤发育状况差，无法在短时间内对植被多样性产生影响。综上所述，怀九河河岸带植被多样性指数与土壤理化性质间相关性不紧密，河岸带受干扰情况严重。

4 结论

1)随着干扰程度的增加，怀九河不同类型下的河岸带在植被数量特征和多样性方面，均表现出下降的趋势。受干扰的影响，自然型河岸带分布较少(占总样地数的16.67%)，但对比近自然型和人工型河岸带，该类型下的河岸带植被物种数较多(占总物种数的60.61%)，多样性较好(4.6±0.16)，且物种丰富度明显表现出自然型>近自然型>人工型河岸带(P<0.05)。

2)不同类型的河岸带土壤质量，也均表现出随干扰程度的增加而不断下降的趋势。其中，有机质质量分数表现为自然型>近自然型>人工型河岸带(P<0.05)，密度表现为自然型<近自然型<人工型河岸带(P<0.05)，土壤质地组成也逐渐由自然型河岸带的粗粉粒转变为人工型河岸带下的细粉粒。总体表明，干扰条件下的河岸带土壤受影响程度高，而导致土壤发育时间短、质量差。

3)从土壤各理化指标与植被多样性指标间的相关性可以看出，土壤与植被受干扰严重，致使两者之间联系并不十分紧密。这是怀九河河岸带生态系统破坏，导致生境退化的一种表现。

综上所述，不同干扰类型下的河岸带植被与土壤特征，均表现出显著差异性，相对于近自然型和人工型的河岸带，自然条件下的河岸带表现出更好的土壤质量，以及植被物种多样性特征。为更好的保护河岸带生态系统环境，应加强对河岸带的经营与管理，实际开发时，应考虑生态效益和可持续效益。

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Vegetation and soil physicochemical properties in different types of the Huaijiu River riparian in Beijing

XIA Xiaoping1,XIN Zhongbao1,KONG Qingxian1,ZHANG Dong1,2

(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China; 2.Beijing Shenghailin Ecological Environment Technology Co.,Ltd,100083,Beijing,China)

[Background] As an important component of riparian ecosystem,vegetation and soil are closely related to the biodiversity,stability,nutrient filter in riparian.To date,however,there are few studies about the spatial variation of the riparian vegetation communities and soil physicochemical properties under different types of riparian.[Methods] The study was carried out in the Huaijiu River,southwest of Huairou district,Beijing.According to the extent of disturbance and development status of riparian zones,we divided it into three types (natural type,near-natural type,and artificial type).Then,based on the survey of 15 natural type plots,25 near-natural type plots and 20 artificial type plots,we investigated the vegetation diversity and the soil physicochemical properties and compared them between different riparian types.[Results] Vegetation diversity and soil physicochemical characteristics were significantly different in different types of riparian.The vegetation composition in the riparian of the Huaijiu River was mainly herbs,accounting for 79.22% of the total number of species,and of species diversity (4.6±0.16) and species richness index (7.26±0.40) of the natural type riparian was greater than the near-natural type (3.82±0.16 and 6.36±0.32) and the artificial type (3.94±0.18 and 5.40±0.42) (P<0.05); The soil quality showed a degradation trend with increasing magnitude of disturbances.The soil organic matter content of the natural riparian (4.88±0.43%) was higher than the near-natural riparian (3.47±0.31%) and artificial riparian (1.92±0.15%) (P<0.05).The soil bulk density of the natural type was lower (1.18±0.03 g/cm3) than near-natural riparian (1.35±0.03 g/cm3),and the soil bulk density of artificial riparian was the highest,which was matter content (P<0.05),while the richness index was negatively correlated with soil bulk density (P<0.01) and positively correlated with soil total porosity (P<0.05).[Conculsions] The results showed that the correlation relationship between vegetation and soil was influenced by human disturbances.It provides a theoretical basis for the restoration and reconstruction of riparian ecosystem in Beijing mountain area.

vegetation; diversity; soil; physicochemical properties; riparian

2017-04-10

2017-06-25

项目名称：北京市科技计划课题“怀柔小流域河岸带生态恢复技术研究”(Z151100001115001)

夏晓平(1993—)，男，硕士研究生。主要研究方向：水土保持。E-mail：xia3079@163.com

†通信作者简介：信忠保(1978—)，男，副教授。主要研究方向：生态水文学。E-mail：xinzhongbao@126.com

S154.4

A

2096-2673(2017)04-0117-08

10.16843/j.sswc.2017.04.015