不同生境对金马河温江段河岸带草本群落物种多样性和构件生物量的影响
2016-11-04郝建锋姚小兰黄雨佳姚俊宇谢宏宇陈任华
郝建锋,姚小兰,黄雨佳,姚俊宇 ,陈 亚,谢宏宇,陈任华
(1 四川农业大学 林学院,成都611130,2 水土保持与荒漠化防治重点实验室,成都611130)
不同生境对金马河温江段河岸带草本群落物种多样性和构件生物量的影响
郝建锋1,2,姚小兰1,黄雨佳1,姚俊宇1,陈亚1,谢宏宇1,陈任华1
(1 四川农业大学 林学院,成都611130,2 水土保持与荒漠化防治重点实验室,成都611130)
采用典型样地法,以金马河流域温江段河岸带草本植物为研究对象,经实地踏查,根据采沙运沙干扰程度及样地具体使用情况,将样地划分为河滩地(未受采沙行为干扰,但后期受人类其他活动影响较大)、砾石地(采沙后经河水水位变化形成)、芦苇地[经运沙的车辆碾压形成,后长满芦苇(Phragmitesaustralis)]、斑茅地[采沙后不再受水位影响的高地部分,后长满斑茅(Saccharumarundinaceum)]、沙坑(采沙后直接形成)5个生境类型,以探究不同生境对河岸带草本植物物种多样性和构件生物量的影响。结果表明:(1)在5个生境类型样地中共记录草本植物113种,隶属32科80属,其中沙坑生境草本植物物种数最多,共计59种,隶属21科46属,物种丰富度高,菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)植物在各样地中均较多。(2)斑茅地、芦苇地物种多样性指数较小,优势度指数较大,均匀度指数较小,群落物种分布极不均匀,集中度与均匀度较差,群落存在极大的不稳定性。(3)河滩地植物构件生物总量最少,斑茅地最多且根、茎干重与其他生境存在显著差异。(4)与其它生境类型相比,沙坑物种多样性丰富,分布均匀,构件生物量较多,其环境有利于河岸带植物生长。
生境;河岸带草本植物;物种多样性;构件生物量;外来入侵
植物群落所处生境类型不同,植物组成、结构及物种多样性都会存在空间分异,其生态系统初级生产力及稳定性也会受到影响[1-2]。研究群落生态系统,群落物种多样性和植物各构件的生物量是2个关键变量[3],物种多样性能表征群落结构和反映生态系统中各物种对资源环境的竞争及协调利用,最终实现共存的结果[4-5];植物构件生物量能表现植物对环境适应能力及生长发育规律,反映生态系统结构与功能稳定性,是研究生态系统的物质循环与能量流动的重要指标[6-7],对此进行深入探讨,有助于了解生物多样性在生态系统功能中的作用途径与过程。近年来,国内关于群落物种多样性和构件生物量的研究多集中在高寒地带、草原、荒漠草本植物及外来入侵种[8-9],对河岸带草本植物群落物种多样性和构件生物量的研究较少。
河岸带是重要的物种源,是河流与陆地的生态过渡地带,生态系统结构复杂,生物多样性丰富。目前,受人类的多元化活动影响,如人们对河岸带土地不同程度的利用,使河岸带的地形地貌以及微环境都在不断发生变化,改变了河岸带植物所处的生境类型,最终影响河岸带植被群落组成[10];据监测,成都市主城区府河与金马河汇合后第一个水质监测断面,受成都市生产、生活废污水影响,水质最差,影响居民生活[11]。金马河河岸带日益成为生态脆弱区,其植被多样化及优化组合成为河岸带恢复与重建的关键[10]。国内对河岸带的研究多集中在不同干扰、不同海拔以及开发水电对河岸带植物群落结构的影响[12-14],未从植物生长规律的角度去反映自身对环境的适应,缺乏对河岸带生物多样性的生态学机制的探讨。本实验以金马河温江段流域不同生境草本植物为研究对象,通过分析不同空间条件下,物种科属种组成、物种多样性指数、重要值以及生物量间差异性关系及变化趋势,为物种多样性与生态系统功能相互作用提供理论依据,同时为河岸带微环境及区域物种多样性保护,实现生态护岸作理论贡献。
1 研究区自然概况
金马河温江段流域(30°41′48.38″~30°42′50″N,103°49′57.86″~103°50′44″E),是岷江干流,属四川境内,河流主要流经成都平原。河段上部经四川盆地,周围是海拔2 000~3 000 m的高山和高原,丘陵海拔在800 m以内,岩层主要由紫红色泥岩和砂岩构成[15],属亚热带气候,平均气温为17 ℃,最低气温为-4 ℃左右,最高气温为38 ℃左右,年平均年降水量在900~1 300 mm之间,4~5月降水量较少,7~8月降水量多,气候条件适宜。过去该流域非法采沙严重,河岸带受到采沙运沙等干扰,生境异质性增加,影响种间竞争及关键性资源的利用,导致物种组成和群落结构发生转变[16]。现在植被丰富,主要草本以菊科(Compostae)、禾本科(Gramineae)、蓼科(Polygonaceae)植物为主,如飞蓬(Erigeronspeciosus)、苦荬菜(Ixerispolycephala)、斑茅(Saccharumarundinaceum)、芦苇(Phragmitesaustralis)等。
2 研究方法
2.1取样方法
设置样地:在河岸带周边植物生长最佳季节,即2015年6~7月,对金马河温江段流域沿岸草本植物进行调查。经过实地踏查发现,受到当地采沙运沙干扰及河岸带水位变化的影响,当地河岸带土地具体使用情况分为以下5个类型:河滩地、砾石地、芦苇地、斑茅地、沙坑。参照杨文斌等[17]调查滩涂湿地所用的方法,每个类型再分别划分3个20 m×20 m的样地,共计15个(表1),样地面积总计6 000 m2。将每个样地均分12个1 m×1 m的草本样方进行调查,共计180个。
表1 样地概况Table 1 General situation of the sample plots
注:A.河滩地;B.砾石地;C.芦苇地;D.斑茅地;E.沙坑。下同
Note: A. Flood land;B. Gravel land;C. Reed lands;D.S.arundinaceumland;E. Sand. The same as below
调查方法:记录草本物种名称,高度,冠幅(或盖度),株数(或丛数)。在每个样地内,选取3个样方,再在各个样方内对草本植物采取全挖法取完整植物后装入纸袋带回实验室处理,从茎基部将根系剪下,用0.5 mm筛子冲洗根系,地上部分按茎、叶和花分离,将植物构件分装在纸袋内,在65 ℃烘箱中烘4 d至恒重,然后在电子天平上分别称茎干重、花干重(花或者花絮)、叶干重(叶片生物量)和根干重。
2.2数据处理
(1) 运用Micro.excel和DPS7.05统计软件对每个样地内草本植物进行统计分析,选取的计算指数[18]如下:
重要值:草本层:IV=(相对密度+相对盖度+相对频度)/3
相对密度=某个种的株数/所有种的总株数
相对频度=某个种在样方中出现的次数/所有种出现的总次数
相对盖度=某个种冠幅/所有种的冠幅之和
丰富度指数(D):用相对物种丰富度来表示
D=S
上述各式中,S为样地中物种的总数;Pi为种i的相对重要值;A为样方面积。
(2) 对不同生境下河岸带草本植物物种多样性指数和生物量的计算,采用DPS7.05统计软件和Excel进行统计分析,并采用单因素方差分析(one-way ANOVA)及最小显著差异法(LSD)和新复极差法(Duncan)检验其显著性差异(P=0.05)[19]。
3 结果与分析
3.1不同生境下河岸带草本植物物种组成
图1显示,此次调查共记录金马河温江段流域草本植物113种,隶属32科80属,其中沙坑内草本植物物种数最多,共计59种,隶属21科46属,其次是河滩地、砾石地,分别是51种、54种,芦苇地和斑茅地草本植物物种数最少,即44、45种;表2显示,金马河温江段流域不同生境中前10科物种数共计79种,其中河滩地、砾石地、芦苇地、斑茅地和沙坑分别为40种、37种、34种、36种和48种,均占据各生境物种总数的一半以上;菊科、禾本科和蓼科植物物种数较多,分别为26种、17种和10种,前两者在5种生境中均有分布,且在各个生境中物种数最多,说明其适合在各生境中生长。
3.2不同生境下河岸带草本植物物种多样性比较
物种多样性是群落功能复杂性和稳定性的重要量度指标[20],物种丰富度指数D表示群落内物种种数,Shannon-Wiener指数H表示物种多样性程度,Simpson指数H′数值越大,表示群落里物种分布越不均匀[21],物种均匀度指数JSW则反映群落均匀度。据表3,沙坑物种丰富度指数D最大,且除砾石地外,与其他生境差异显著,但Shannon-Wiener指数H数值却呈现不一致的变化趋势,这刚好说明了 Shannon-wienner 指数不仅与D值相关,还与物种的个体数量相关;斑茅地与芦苇地的物种丰富度指数D、Shannon-Wiener指数H、物种均匀度指数JSW相较其他生境最低,Simpson指数H′最高,这与下文中的重要值分析一致,斑茅与芦苇在生境中的优势地位明显,一定程度上限制了其他物种的生长,加剧了群落的不稳定性;河滩地各指数间的变化趋
势与斑茅地和芦苇地一致,但由于人为干扰严重,生境内物种种类相对沙坑和砾石地生境较少,群落稳定性差;受常年季节性河水的影响,砾石地生境Shannon-Wiener指数H最高,Simpson指数H′除沙坑外,最低,物种均匀度指数JSW最高,表明群落演替已逐渐趋于稳定。
A.河滩地;B.砾石地;C.芦苇地;D.斑茅地;E.沙坑;T.本次所调查植物科、属、种的总数量图1 不同生境下河岸带草本植物群落科、属、种数量A.Flood land; B. Gravel land; C. Reed lands; D. S.arundinaceum land; E. Sand;T. The total number of familyies, genera and species of the plantFig.1 The number of families, genera and species species of herbaceous plant communities in different habitats表2 不同生境下河岸带草本植物排列前10科的物种组成统计Table 2 Species of herbaceous plants in riparian zone in different habitats
科Family种数Species河滩地Floodland砾石地Gravelland芦苇地Reedland斑茅地S.arundinaceumland沙坑Sand全部Total菊科Compositae17815131726禾本科Gramineae78571117蓼科Polygonaceae37-2710荨麻科Urticaceae233--6蕨类Pteridophyta--14-4十字花科Cruciferae232-34伞形科Umbelliferae-22-23茄科Solanaceae2-22-3唇形科Labiatae232-23旋花科Convolvulaceae2----3鸭跖草科Commelinaceae2-2--车前科Plantaginaceae1-111-藜科Chenopodiaceae-21-2-百合科Liliaceae-1--1-报春花科Primulaceae-1----茜草科Rubiaceae---22-蔷薇科Rosaceae---2--桑科Moraceae---1--合计Total403734364879
表3 不同生境下的物种多样性Table 3 The species diversity in different habitats
注:不同小写字母表示不同生境间差异显著(P<0.05)
Note:The different normal letters indicate significant differences atP<0.05 between different habitats
表4 不同生境河岸带草本植物重要值Table 4 Important values of herbaceous plants in different habitats
表5 不同生境河岸带草本植物构件生物量Table 5 Modular biomass in riparian zone in different habitats
注:不同小写字母表示不同生境间的数据差异显著(P<0.05)
Note:The different normal letters indicate significant differences atP<0.05 between different habitats
3.3不同生境下河岸带草本植物重要值分析
重要值能衡量物种个体在群落中的地位和作用,通过分析重要值,可找出群落中的主要优势种。据表4可知,在河滩地中,斑茅(0.223 9)的重要值最大,飞蓬(0.076 7)、紫苜蓿(Medicagosativa,0.058 5)、醉鱼草(Buddlejalindleyana,0.051 6)的重要值较大,其他物种重要值相对较小;在砾石地中,红蓼(Polygonumorientale,0.108)的重要值最大;在芦苇地和斑茅地中,芦苇(0.175 8)与斑茅(0.398 6)的重要值最大,明显高于其他草本植物,在生境中的优势地位明显,在各个生境中,其余物种的重要值与河滩地、沙坑和砾石地相比,重要值最小,优势种数量芦苇地6种,斑茅地7种,最少;在沙坑中,葎草(Humulusscandens,0.111 2)的重要值最大,另外,砾石地和沙坑都存在着外来入侵种中的恶性杂草,鬼针草(Bidenspilosa)和钻叶紫菀(Astertataricus),但重要值很小。
3.4不同生境河岸带草本植物构件生物量的比较
据表5,构件生物量是植物对环境适应和自身生长发育规律的反映[6]。在河岸带各生境类型中,斑茅地植物总干重最大,这主要是斑茅的作用,高大丛生,根茎粗壮、叶宽大,圆锥花序大型,河滩地植物总干重最小。在各构件生物量中,从根干重上看,斑茅地>芦苇地>沙坑>砾石地>河滩地,河滩地、砾石、沙坑的植物根干重差异不显著,芦苇地、斑茅地间差异显著,且与其他生境也存在显著差异。从茎干重上看,斑茅地茎干重明显高于其他生境,且与其他生境存在显著差异,沙坑生境茎干重虽与芦苇地不存在显著差异,但茎干重沙坑>芦苇地,河滩地茎干重最小,除砾石地外,与其他生境存在显著差异;从叶干重看,沙坑>斑茅地>芦苇地>砾石地>河滩地,斑茅叶大型,数量多,斑茅地叶干重比沙坑小,可能与各生境内物种丰富度有关;从花干重看,斑茅地>沙坑>砾石地>芦苇地>河滩地,河滩地花干重值最小,可能是人为干扰,造成河滩地干旱缺水,造成该地植物花存在干枯,甚至凋零的现象,所以花生物量干重较小。
4 讨 论
从物种组成上看,金马河温江段流域河岸带草本植物以菊科、禾本科、蓼科植物为主,也分布着唇形科、蕨类、十字花科等植物。其中,沙坑草本植物物种数最多,物种多样性较好,河岸带生态系统较稳定;砾石地物种组成次之,主要在于砾石地受季节性水位变化影响,底泥侵入砾石缝隙中,砾石地底层基质养分、矿物质丰富,利于植物生长。在斑茅地和芦苇地中,植物物种组成较单一,从重要值上就可以看出,斑茅与芦苇的重要值较大,在群落中地位显著,有很强的竞争优势,占据了较大的生存空间,一定程度上限制了其他物种的生长,同时抵抗了外来物种入侵;在砾石地和沙坑中,由于人为携带,外来恶性杂草鬼针草和钻叶紫菀入侵,但在沙坑中二者所占重要值较小,原因可能如黄红娟等[21]所言,群落物种越丰富,便会利用更多的光和营养,使群落中资源竞争压力增强,一定程度上限制了外来种的生长;在河岸带各个生境中,菊科、蓼科植物总体重要值较大,这与菊科、蓼科植物耐水淹、抗干旱能力强的生物学特性有关,也与邓红兵等[22]所说的河岸带地下水位高、土壤肥力高、受洪水影响较大,其植物多耐水淹、需肥大的结论相一致,也充分说明飞蓬等菊科植物、水蓼等蓼科植物适宜作为金马河温江段河岸带生态系统植物的重建类型。
从物种多样性指数上看,沙坑生境Shannon-Wiener指数H与物种丰富度指数D值变化趋势存在差异,主要原因在于沙坑中单个物种个体数量较多,最终导致物种多样性指数减小,这与郝建锋等[20]
得出的结论一致, Shannon-wienner 指数H不仅与D值相关,还与物种的个体数量相关。斑茅地与芦苇地中Simpson指数H′最大,物种均匀度指数JSW最小,表明这两个群落物种分布极不均匀,集中度与均匀度较差,群落存在极大的不稳定性,这与人为干扰中重度干扰对群落造成的影响相似。
生物量能够度量个体在种群中的地位与作用[23]。构件生物量既能反映构件个体对植物整体的贡献率,同时还可以反映出生境对植物个体的影响程度,生物量也可作为生境是否有利于植物生长的测定因素之一。从根、茎、叶、花干重可以看出,斑茅地与芦苇地的各构件生物量最大,与生境存在联系,但更多在于自身的生长特性。从物种多样性、群落稳定性及植物构件生物量综合考虑,沙坑最有利于河岸带草本植物的生长,河滩地则需要进行改善。
综上,研究不同生境对金马河温江段河岸带草本群落物种多样性和构件生物量的影响,探讨河岸带生物多样性维持的生态学机制,选择适合生境生长的耐水植物,以期为改善湿地群落结构、提高物种多样性、维持群落稳定性、充分发挥湿地生态系统功能提供借鉴。
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(编辑:潘新社)
Effect of Different Habitats on the Species Diversity of Communities and Modular Biomass of Riparian Vegetation in the Wenjiang Section of the Jinma River
HAO Jianfeng1, 2, YAO Xiaolan1, HUANG Yujia1, YAO Junyu1, CHEN Ya1,XIE Hongyu1, CHEN Renhua1
(1 College of Forestry, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2 Key Laboratory for Soil and Water Conservation and Desertification Control, Chengdu 611130, China)
In order to explore the effect of different habitats on the species diversity and modular biomass of riparian herbaceous vegetation, we conducted an investigation using the typical sampling method in the Wenjiang section of the Jinma River, Sichuan.Thestudy site was divided into five habitat types, i.e., the flood land (seldom disturbed by sand mining but by some other human activities), the gravel land(formed with the change of water level after sand mining), the reed land(formed by the rolling of vehicles and covered with reeds later), theS.arundinaceumland(the high ground not affected by the water level and covered withS.arundinaceumlater),the sand land (formed after sand mining). The results suggested that: 1) a total of 113 herbaceou species belonging to 32 families and 80 genera, was recorded across all types of habitats, among which the number of herbaceous species was the highest (i.e., a high species richness) in the sand habitats, with a total of 59 species belonging to 21 families and 46 genera, while the numbers of plants belonging to the families of Gramineae and Compositae were similar in all the types of habitats; 2) the species diversity index and evenness index were relatively small in theS.arundinaceumand reed lands, while the dominance index is relatively large compared with other habitats, indicating a extremely uneven species distribution, weak concentration ratio and uniformity, and extremely unstable species community; 3) The modular biomass was the lowest in the flood land, and the highest in theS.arundinaceumland, with significant difference in the root and stem dry weight than that in the other habitats; 4) compared with the other habitats, the species diversity in the sand land is relatively high, and the species distributes evenly with high modular biomass, indicating that the sand land is suitable for the growth of riparian herbaceous plants.
habitat; riparian herbaceous plant; species diversity; modular biomass; alien invasion
1000-4025(2016)09-1864-08doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.09.1864
2016-03-06;修改稿收到日期:2016-08-29
四川省教育厅一般项目(自然科学,15ZB0020);国家自然科学基金(31370628);国家“十二五”科技支撑计划(2011BAC09B05);四川农业大学双支计划博士专项基金(00370401)
郝建锋(1972-),男,博士,副教授,主要从事森林生态学研究。E-mail:haojf2005@aliyun.com
Q948.114
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