湖北省湿地植物多样性调查与生态修复策略研究

刘德荣，吴 澜，刘 兰，黄晓蓉，龚 娟，廖 芮，廖 晶，杜 斌，柯 俊

(中建三局工程设计有限公司，湖北 武汉 430000)

湿地是自然保护地生态保护的重要建设板块，在经济快速发展的当下，可合理、科学地解决湿地自然保护与地区开发间的矛盾[1]。湖北作为全国湿地大省，湖北地区内的湖泊分布广泛，湖泊数量也相比其他地区甚为繁多，湖北省的湿地区域数量在全国排名第三，湿地面积总量在全国跃居首位，这种客观条件使得对湖北省湿地进行研究具有更加重要的生态理论意义和生态保护实践价值。

然而，目前关于湖北省湿地的研究相对匮乏，关于湖北省湿地的分布特征及其影响因素的相关研究几乎未涉及。基于植物多样性保护的湿地修复研究虽有不少，但多偏重于湿地物理生境构建与植被群落恢复，且未见有关在合理布置研究点的基础上利用算法、函数等进行科学量化的研究[2-4]。许多基于植物多样性的湿地生态保护工作均存在研究植物品种单一、未统筹考虑水域生态系统整体恢复等问题；而科学合理的物种搭配是受损生态系统科学修复的关键技术核心[5-6]。由于我国湿地生态修复技术理论和实践积累不足，致使湖北省湿地恢复过程中植物群落的快速重建缺乏指导与有效参考[7]，使得湿地生态修复目标的实现更加困难。将机器学习应用于分布式任务调度算法和分布式设备协调算法中，基于此对分布式任务调度算法和分布式设备协调算法进行实验验证[8]，该研究思路对湖北省湿地生态修复策略研究具有借鉴价值。

本研究在对湖北省各湿地区域的调查样点合理布设的基础上，对湖北省湿地进行数据可视化研究。首先采用ArcGIS核密度分析法来研究样点的分布规律，其次用多样性指数算法对临港湿地的浮游植物做出评价，在物种多样性和谱系多样性下以PSV(Phylogenetic species variability)和PSE(Phylogenetic species evenness)指数来计算湖北省湿地植物多样性特征。在此研究前提下得出基于植物多样性调查的湖北省湿地生态修复策略。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况与调查样点布设

湖北省地处我国中东部，地跨东经108°21′42″～116°07′50″，北纬29°01′53″～33°6′47″，土地总面积18.59万km2。地势总体上呈东、西、北三面环山，中间低平且向南敞开的不完整盆地。其中，山地占比56%，丘陵占比24%，平原湖区占比20%。境内河流骨干为长江，支流有汉江、沮水、漳水、清江、东荆河、陆水、滠水、倒水、举水、巴水、浠水、富水等。湖泊主要分布在江汉平原，其中包含天然湖泊755个，湖泊水面面积合计达2 706.851 km2。

湖北省湿地植物多样性调查样点布设如图1所示。

图1 湖北省湿地调查样点布设Fig.1 Layout of wetland survey sample points in Hubei Province

在该调查样点分布图中，绿色实心点即为所选择的湿地分布样点，共设置采样点位66个，其中武汉6个、黄石1个、十堰6个、荆州6个、宜昌8个、襄阳6个、荆门5个、孝感5个、黄冈9个、咸宁6个、随州3个、恩施1个、仙桃1个、天门1个、潜江1个、神农架1个。所布设的各调查点位均设置在水体滨岸浅水区(深度<1.0 m)，以便综合测量湿地植物多样性。

1.2 调查样点数据处理方法

运用核密度分析法进行调查样点的布设探究，运作原理如图2所示。

由图2可知，核密度分析法首先要对所获取的样本区域进行独立成分分析，再对所获取的样本进行收敛成功与否的判定，若收敛成功，即对所获取的样本进行多维核密度估计，并进行取样，恢复样本的相关性；若收敛未成功，则再对样本进行多维核密度估计，取样后无需恢复样本相关性，直接与另一结果共同进行混合样本处理，便可结束核密度分析流程[4，9]。

本研究在ArcGIS 10.3下建立并运行了湖北省国家湿地空间数据库，利用核密度分析工具对湖北省各城市湿地区域的分布分区域进行热点范围内的可视化数量探测，以进行核密度分布探测分析。核密度分析方法通过现有的距离衰减函数来科学度量并缜密研究获取要素密度的即时变化特征[10]，根据此结果来深度探索空间多方位全领域中的样本热点分布概况和样本分布变化特征。

图2 核密度分析法运作原理Fig.2 Operation principle of kernel density estimation method

利用Shannon-Wiener(H′)多样性指数、Margalef(D′)丰富度指数、Simpson(D)多样性指数、Pielou(J)均匀度指数，对湖北省湿地浮游植物在公式算法基础上作出数据化评价。各多样性指数计算方法分别为：

H′=-∑(Ni/N)log2(Ni/N)

(1)

D′=(S-1)/lnN

(2)

(3)

J=H′/lnS

(4)

式中：Ni为第i种植物个体数；N为植物个体总数；Pi为第i种植物个体数占植物个体总数的百分比，即Pi=Ni/N；S为总类数。

由于本研究中被子植物多样性同时包括了物种多样性和谱系多样性2个方面的研究模块。湖北省湿地植物多样性以植物丰富度和Shannon-Wiener指数表示，分别通过R 3.6.1软件中vega软件包的“specnumber”和“diversity”函数来计算多样性特征。谱系树是通过V.PhyloMaker软件包中的“phylo. maker”函数来构建特征空间分布变量状态。谱系多样性用PSV指数和PSE指数来表示函数关系变量，分别通过R 3.6.1软件中picante软件包中的“psv”和“pse”函数来计算指数值[11]。在此基础上，利用指数函数分别计算不同粒度上每个垂直层次的物种和谱系多样性变化规律与特征，通过t检验来比较组块分布间的细微差异，在多重比较下通过得出的P值为发现率验证方式提供科学性、系统性的校正[12-13]。

2 结果与分析

2.1 湖北省湿地面积分布特征

通过湖北省湿地调查样点布设(图1)可知，湖北省湿地分布概况总体上为鄂西分布相对较少，鄂中以及鄂东的湿地分布相对较多，此分布结果与湖北省整个地势呈自西向东的倾斜具有内在一致性。湖北省各城市的湿地总面积明细和湿地分布占比如图3和图4所示。

图3 湖北省各城市湿地总面积Fig.3 Total wetland area of cities in Hubei Province

从图4中可以看出，在湖北省的17个地级城市中，黄冈、宜昌市的湿地建设区域数量最多，分别为9个和8个，武汉、荆州、襄阳、咸宁、十堰市并列第三，数量均为6个，这些地级市的湿地区域总数占全省的71.21%；鄂州市无湿地区域分布，神农架、恩施、仙桃、天门、潜江市湿地区域建设数量均仅为1个。湖北省湿地资源极其丰富，因此对国家湿地区域有关申报的积极性相较于其他省份更高，湖北省湿地总面积在全国排名靠前。在湖北省17个地市中，黄冈、宜昌市湿地总面积最大，武汉、荆州、襄阳、咸宁、十堰市湿地总面积次之，这些城市的湿地区域面积总数相加达到湖北省湿地总面积的71.2%；其他如鄂州市无湿地区域建设，仙桃、神农架、潜江、恩施以及天门等城市的湿地区域面积总数相对较少。究其原因，除十堰市外，湿地区域分布较多的城市几乎均地处鄂东沿江平原和江汉平原，这些区域的一大优点就是水资源非常丰富，对于植物多样性的维护建设极具优势，也为湿地区域的产生、建设和维护创造了便利条件。

图4 湖北省各城市湿地分布占比Fig.4 Wetland distribution proportion of cities in Hubei Province

2.2 湖北省湿地植物群落特征

湖北省湿地浮游植物各门类分布如图5所示。

图5 湖北省湿地浮游植物各门类分布Fig.5 Phyla distribution of wetland phytoplankton in Hubei Province

湖北省湿地浮游植物共计有7门62属110种(其中包含若干数量未被鉴定种)，从图5可以看出，绿藻门种类数量最多，占比达37.27%，其次分别是硅藻、蓝藻等。金藻、隐藻、甲藻的种类数量最少。由此可知，浮游植物的密度范围为632×104～2 646×104个/L，均值达1 620×104个/L；植物量为0～1.80 g/m2(均值为0.60 g/m2)。

2.3 湖北省湿地植物多样性分析

湖北省各城市湿地植物多样性指数的单因素方差显著性分析如图6所示。

图6 湖北省各城市湿地植物多样性指数Fig.6 Wetland plant diversity index of cities in Hubei Province

由图6分析表明，湖北省各城市植物多样性的Shannon-Wiener指数的平均值在0.86～3.35范围，Simpson指数平均值在0.27～0.78范围，Margalef指数平均值在1.49～3.38范围，Pielou指数平均值在0.25～0.77范围。在所有城市中，黄冈市、武汉市、宜昌市的植物多样性最好，神农架、仙桃和黄石的植物多样性最差。但是，仅从一个单一维度来参考植物多样性分布将存在误差，因为该城市湿地总面积或者数量较少也会影响到物种多样性，因此，结合图4(湖北省各城市湿地分布占比)可全方位、多领域地考察植物多样性。分析结果表明，恩施、武汉、襄阳市的植物多样性最优。

2.4 湖北省湿地植物生活型及生态型分析

对湖北省湿地植物的生活型进行分析，植物长期适应某一生存环境条件后，通过生理、结构以及外部形态的变化便可很直观地反映出植物对其所处的生存环境的适应性强弱。通过参照RaunKiaer的植物生活型分类法并依据湿地保护区内植物生活周期特点，将湖北省湿地杂草植物分为六大类(图7)。

图7 湖北省湿地植物生活型分析Fig.7 Life forms of wetland plants in Hubei Province

由图7可知，草本植物是湖北省湿地区域中植物生活型的主体性存在，共计96种(占总种数的74.78%)，其中，多年生草本数量有68种(占总种数的57.43%)，如小林碱茅、矮大黄、橡胶草以及布尔根河霸王等；2年内生草本数量有24种(占总种数的17.35%)，例如硬萼软紫草、地锦以及草木犀等；灌木数量有19种(占总种数的14.29%)，如多枝柽柳、白皮锦鸡儿以及落花蔷薇等；半灌木数量有11种(占总种数的7.73%)，如大叶白麻、戈壁藜等；寄生植物有2种(占总种数1.55%)，为盐生肉苁蓉和肉苁蓉；乔木有2种(占总种数的1.59%)，分别是胡杨和疏齿柳。

对湖北省湿地植物的生态型进行分析，由于植物对水分及盐分的适应性不同，可根据此差别将植物分为旱生、中生、盐生以及湿生4类(图8)。

图8 湖北省湿地植物生态型分析Fig.8 Ecotypes of wetland plants in Hubei Province

由图8可知，湖北省湿地植物生态型以旱生植物为主，共50种(占总种数的39.68%)，其次为中生植物，共49种(占总种数的38.89%)，盐生植物有19种(占总种数的15.08%)，湿生植物最少，仅8种(占总种数的6.35%)。

将该地区植物生态型与生活型结合分析发现：(1)旱生植物分布最广，如蛇麻黄、沙拐枣、合头草等，主要分布在保护区内的砾石戈壁、荒漠平原、干旱的山间低地与干河谷；(2)中生植物如多型大蒜芥、白毛花旗杆、红干酸模、长毛荚黄耆、掌叶多裂委陵菜等，主要分布在保护区内核心区基地周围以及部分缓冲区周围；(3)盐生植物如木本补血草、盐角草等，主要分布在保护区内土壤较潮湿的盐土或结皮盐土的盐渍化或轻盐渍化草甸区域；(4)湿生植物如水葱、长芒棒头草、具刚毛荸荠、海乳草等，主要分布在保护区北部、东北部局部地段,由于泉水溢出而形成小面积的水域或湿地。

3 结论

基于ArcGIS核密度分析法、多样性指数计算法以及PSV和PSE指数计算法的植物多样性分析的湖北省湿地生态修复调查，量化植物多样性研究中的抽象指标，助力湖北省湿地生态修复策略。该研究方法的优势在于对湖北省各城市湿地分布进行科学布点的基础上，通过量化特征性能和实证科学研究，在数字基础上出具有理论依据和数据依据的标准化决策。湖北省湿地区域分布具有非常明显的空间集聚分布特征，且湖北省湿地生态建设既有理想的发展条件，也有乐观的发展潜力。研究结果表明，在湖北省湿地生态系统的自我调节功能受损后，主要从湿地基本功能、湿地植物多样性及湿地结构规划3个方面进行修复。利用生态系统的自我恢复能力来恢复天然的湿地生态系统，并以植物多样性保护为切入点，循序渐进地修复湿地生态。为此，对湖北省湿地采取的修复策略主要是科学规划植物分布、全方位进行清淤截污，合理控制水位变化等策略。受制于目前可获取的原始数据资料的有限性，本研究中实证结果所具有的代表性和客观性有待加强。但是，将ArcGIS核密度分析法、多样性指数计算法等数学思维方式运用于湖北省湿地生态修复构建极具突破性探究，不仅为湖北省湿地植物多样性调查以及湿地生态修复贡献决策依据，也为有关植物多样性调查和湿地生态修复等相关研究提供理论借鉴和技术启发。