鄱阳湖区堤防植物多样性特征与土壤种子库密度的关系

段 剑,黄浩智,王凌云,黄高华,肖胜生,杨 洁

(1．江西省水土保持科学研究院 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，南昌 330029；2．江西省河道湖泊管理局，南昌 330009)



鄱阳湖区堤防植物多样性特征与土壤种子库密度的关系

段 剑1,黄浩智2,王凌云1,黄高华2,肖胜生1,杨 洁1

(1．江西省水土保持科学研究院 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，南昌 330029；2．江西省河道湖泊管理局，南昌 330009)

以鄱阳湖区重点堤防作为研究对象，采用线路踏查、样方调查和种子萌发相结合的方法，研究不同加固土料堤防地上植物多样性特征与土壤种子库密度的关系。结果表明：湖区重点堤防高等植物共计106种，隶属于38科，89属，以草本植物为主，禾本科、菊科和大戟科为优势科；不同加固土料堤防植物多样性指数与土壤种子库密度以水稻土最高，其次是建筑垃圾，山地黏土最低；不同植草模式下0～10 cm土层的土壤种子库密度以自然修复模式最大，其次是假俭草植草模式，以狗牙根植草模式最小；土壤种子库密度与地上植物种数、Simpson指数、Shannon-weiner指数和Pielou群落均匀度指数呈显著正相关，与地上植被密度、重要值呈极显著正相关，但与Margalef丰富度指数无显著相关性。因此，堤防土壤种子库密度与地上植物多样性特征之间具有较强的相互作用关系，研究成果对于鄱阳湖区重点堤防的除险加固与管理维护具有重要意义。

植物多样性;土壤种子库; 不同加固土料；堤防; 鄱阳湖

1 研究背景

鄱阳湖是我国第一大淡水湖，在长江流域的洪水调蓄中发挥着重要作用。鄱阳湖水位受5条河来水及长江顶托、倒灌双重影响，汛期持续时间长，洪涝灾害频繁，给湖区人民带来了深重的灾难。湖区圩堤数量众多，堤线总长约2 460 km[1]，是该区工程防洪体系的基础和主体，肩负着保护湖区人民生命财产安全的防洪任务。湖区重点圩堤先后列入国家基建计划，总体防洪能力得到明显加强，社会经济效益明显。随着鄱阳湖生态经济区上升为国家战略，堤防的景观生态护坡已经成为一个研究的热点问题[2-4]。湖区堤容堤貌差，背水面基本采取草皮防护形式，但因草种适应性和竞争性不同以及管理不到位等原因，圩堤杂草丛生现象普遍，有的还存在较多高杆植物，严重影响堤容堤貌，且易产生虫蚁洞穴，造成安全隐患，并给汛期巡堤查险带来较大困难。而汛期堤防现状检查是防治汛期出现重要险情最为有效的措施之一[5]。此外，土壤种子库是指存在于土壤表面和土壤中的全部存活种子的总和[6-7]，属潜在种群，是植物种群生活史上的一个重要阶段，对种群的维持和群落的未来格局具有重要影响[8-9]。目前，针对湖区堤防的研究主要集中在结构稳定性[10]、渗流侵蚀[11]等工程安全性[12]方面，而堤防地上植物多样性特征与地下土壤种子库相互作用关系的研究鲜见报道。

鉴于此，以《鄱阳湖区综合治理规划》中的湖区重点圩堤作为研究对象，调查堤防植物多样性特征、物种生活型与土壤种子库密度等，分析地上植物多样性特征与土壤种子库密度的相互作用关系，为堤防护坡草种筛选与生态护坡提供科学依据，对堤防汛期及时发现险情，以及有效控制长江流域洪涝灾害的发生具有重要意义。

2 研究区域

以《鄱阳湖区综合治理规划》中的湖区重点圩堤作为研究对象，包括内河类型、尾闾类型、临湖类型和长江类型等。此次调查的堤段包括20余个重点堤防段，布设样地30个，调查堤长总计40 km(图1)。

图1 鄱阳湖区重点堤防调查样点布设

3 研究方法

3.1 湖区堤防的植物组成

采用线路踏查法，调查记录堤防的地理位置和出现的植物名称。对现场不能确定名称的植物，采集标本带回室内进行鉴定，并制作成蜡叶标本。

3.2 湖区堤防的植物多样性特征

根据野外堤防样地的调查情况，堤防建设加固的土料主要有山地黏土、建筑垃圾和水稻土，土料的化学性质详见表1。采用样带取样方法，区分不同加固土料，调查堤防植物群落多样性特征。具体方法：在选取的重点堤防中，每种土料堤防选取1 km堤防岸线，每隔50 m设置1个10 m×10 m的样地，沿主对角线方向设置3个1 m×1 m草本样方，共计180个样方。记录样方内所有植物种类、数量、覆盖度和高度等指标。

表1 鄱阳湖区堤防不同加固土料的化学性质

3.3 湖区堤防的土壤种子库密度

3.3.1 土壤种子库野外取样

2014年早春3—4月份、冬季11—12月份对鄱阳湖区重点堤防土壤种子库进行调查。结合植物调查的样方，分0～10 cm和10～20 cm 2个土壤层次，在每个样方1 m2区域内用圆柱形根钻取样器，沿主对角线方向，采集3个直径7.8 cm、深10 cm的表层土柱，每层土样混合成1个土样，共计360个样品。

3.3.2 土壤种子库萌发

采用种子萌发法确定土壤种子库的密度。为提高土样中大多数物种的萌发率，用0.2 mm孔径的土壤筛对土样进行筛选，萌发试验前对土壤先后进行冷、热处理以助于打破种子休眠。将浓缩处理后的土壤充分混匀后平铺到25 cm×20 cm×5 cm的萌发盒中，土壤层厚度不超过1 cm，以保证尽量多的种子萌发。盒内提前装入约3 cm厚的经过120 ℃烘箱处理12 h的细沙。处理好的萌发盒摆放实验室人工气候箱内，白天温度25 ℃、黑夜18 ℃、湿度75%、光周期12 h。每天采用雾喷式浇水一次，种子开始萌发后每星期统计一次萌发情况，若连续2个月无小苗萌发，实验即可结束。在种子萌发过程中，为了能使种子尽可能的萌发，通常会在移出幼苗之后，将萌发盒中的土壤进行松动。

3.4 数据处理与分析

植物群落多样性特征分析采用α多样性指数[13]，采用Excel和SPSS进行制图和数据分析，采用单因素方差分析和多重比较，检验不同加固土加堤防土壤种子库密度之间的差异显著性。各分析指数计算公式如下所述。

物种重要值=(相对频度+相对密度+

相对覆盖度+相对高度)/4 ；

(1)

Margalef丰富度指数：IMa=(S-1)/lnN；

(2)

Simpson多样性指数：D=1-∑Pi2；

(3)

Shannon-Weiner多样性指数：

Hsw=-∑PilnPi；

(4)

Pielou群落均匀度指数：

Jsw=-∑(PilnPi)/lnS。

(5)

式中：i=1，2，3，…，S，S为物种数目；N为全部物种个体总数；Pi=Mi/M，Mi为样地中第i物种的重要值；M为样地中物种重要值的总和，且∑Mi=M。

4 结果分析

4.1 湖区堤防植物的组成特征

4.1.1 湖区堤防植物生活型组成

图2 鄱阳湖区重点堤防植物生活型组成

鄱阳湖区重点堤防高等植物共计106种，隶属于38科，89属。植物生活型统计结果见图2。湖区重点堤防植物以草本植物为主，共74种，占总种数的69.81%，其中禾草有马唐、狗尾草、狗牙根、假俭草、早熟禾、牛筋草、白茅、结缕草等19种，非禾草有节节草、爵床、鬼针草、一年蓬、飞蓬、长萼堇菜、紫花地丁、酢浆草、斑地锦、叶下珠、蛇莓、鸡眼草、破铜钱、积雪草、车前等55种；乔木、灌木和藤本植物分别为8，21，3种，分别占总种数的7.55%，19.81%，2.83%。

4.1.2 湖区堤防植物的优势类群

优势科统计分析结果(表2)表明：含8种以上的科有禾本科、菊科和大戟科3科，占总科数的7.89%，占总种数的35.85%，是研究区分布最广的优势科。含有2～8种的科有蝶形花科、蓼科、蔷薇科、堇菜科、苋科、酢浆草科、伞形科、茄科、玄参科、马鞭草科、鸭跖草科、菝葜科、莎草科等16科。单种科有海金沙科、蕨科、松科、商陆科、藜科、千屈菜科、杨柳科、桑科、荨麻科等19科。研究区优势属不明显，含3种以上的属仅有蓼属(5种)、悬钩子属(3种)、堇菜属(3种)，合计占总种数的12.36%。

表2 鄱阳湖区重点堤防植物的优势科、属

统计研究区物种的重要值及其频度分布，发现堤防植物的优势种主要以草本植物为主，如狗牙根、马唐、狗尾草、鬼针草、牛筋草等，其重要值分别为0.39，0.22，0.15，0.13，0.12；分布较为广泛的物种主要为马唐、狗牙根、鬼针草、狗尾草、牛筋草等，频度分别为88.89%，77.78%,66.67%,62.96%,48.15%。可以看出分布广泛的物种同时也是该区域的优势种。这些物种的根茎、种子繁殖能力非常强，是堤防植物群落的建群和先锋植物。

4.2 不同加固土料堤防植物的多样性特征

比较4种多样性指数(图3)发现，3种加固土料堤防的植物群落多样性特征差异较大。水稻土、建筑垃圾和山地黏土的Margalef丰富度指数分别为7.69，3.85，4.30，在丰富度上，水稻土明显大于建筑垃圾和山地黏土；植物群落Simpson指数分别为0.61，0.43，0.47，大小顺序为水稻土>山地黏土>建筑垃圾；Shannon-weiner指数分别为5.38，4.87，3.05，大小顺序为水稻土>建筑垃圾>山地黏土；Pielou群落均匀度指数分别为1.51，1.68，1.02，大小顺序为建筑垃圾>水稻土>山地黏土。因此，植物群落多样性以水稻土最高，其次为建筑垃圾，山地黏土最低；植物群落均匀度以山地黏土相对较差。

图3 鄱阳湖区不同加固土料堤防植物多样性指数变化

注：不同小写字母代表不同土料类型或植被模式之间差异显著(P<0.05) 图4 鄱阳湖区不同加固土料堤防的土壤种子库密度

4.3 不同加固土壤堤防的土壤种子库密度

由不同加固土壤堤防的土壤种子库分析结果(图4)可知，种子库密度大小规律为，水稻土土壤种子库密度最大，其次为建筑垃圾，山地黏土最少；其中对于0～10 cm的土层，水稻土(7 609粒/m2)>建筑垃圾(3 442粒/m2)>山地黏土(753粒/m2)，差异显著(P<0.05，下同)；对于10～20 cm的土层，水稻土(972粒/m2)、建筑垃圾(1 323粒/m2)、山地黏土(1 040粒/m2)间，无显著差异。

不同植被模式下的土壤种子库密度大小规律为，假俭草植草、自然修复模式大于狗牙根植草模式，其中0～10 cm土层，自然修复模式(6 154粒/m2)>假俭草植草模式(4 255粒/m2)>狗牙根植草模式(3 120粒/m2)，差异显著；10～20 cm土层，假俭草植草模式(3 314粒/m2)>狗牙根植草模式(2 473粒/m2)>自然修复模式(1 370粒/m2)，差异显著。此外，不同土料类型与植草模式下0～10 cm的土壤种子库数量明显多于10～20 cm土层，这与前人的研究结果一致[14-15]。

4.4 湖区堤防植物多样性与土壤种子库的相关性分析

相关性分析发现(表3)，转换对数的土壤种子密度与转换对数的物种数、Simpson指数、Shannon-weiner指数和Pielou群落均匀度指数呈显著正相关(P<0.05)，与转化对数的地上植被密度和重要值呈极显著正相关(P<0.01)，而与Margalef丰富度指数无显著相关性。堤防地下土壤种子库的密度大小对地上植物多样性特征与物种的结构特征存在较好的相关性。

表3 湖区重点堤防土壤种子库密度与地上植物多样性指数的相关系数

注：*表示P<0.05；**表示P<0.01。

5 讨 论

堤防植物调查结果发现，禾本科、菊科是研究区分布最广的优势科。这也是堤防高杆杂草防除的主要对象[16]。在堤防日常管理中应尤其注重禾本科与菊科高杆杂草的防除工作。筛选堤防植草护坡草种应考虑低矮、匍匐生长且迅速的禾本科、菊科先锋植物。

3种加固土料堤防土壤种子库密度差异显著，可能与加固土料的前期土地利用方式有关。李阳兵等[17]研究发现，随土地利用强度增加，岩溶山区土壤种子库的类别和数量减少；李生等[18]发现不同土地利用类型的土壤种子库在0～5 cm土壤差异显著。土壤种子库与其地上植物的多样性特征具有密切联系[19]，但二者的相关性研究说法不一。本文中土壤种子库密度与地上植被多样性特征存在显著的相关性，与前人的研究结果一致，刘瑞雪等、赵丽娅、Luo等[8，20-21]研究发现，土壤种子库密度与地上植被密度、盖度、物种数呈显著相关，也有无显著相关性的报道[22]。刘庆艳等[23]研究发现，地上植被Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数随演替的进行而逐渐增大，土壤种子库发挥了重要作用。因此，随着植物群落演替的进行，地上植物多样性特征与地下种子库密度二者的相关性规律值得深入探讨。湖区圩堤迎水坡、背水坡、消落带、常露区等生境的植物分布规律也有待进一步深入研究。

6 结 论

鄱阳湖区重点堤防调查高等植物共计106种，隶属于38科，89属。生活型以草本植物为主，禾草19种，非禾草55种，占总种数的69.81%；乔木、灌木和藤本植物为8，21，3种，占总种数的7.55%，19.81%，2.83%。优势科以禾本科、菊科与大戟科为主，优势种主要有狗牙根、马唐、狗尾草、鬼针草、牛筋草等。

不同加固土料堤防地上植物多样性特征与土壤种子库密度，以水稻土最大，其次是建筑垃圾，山地黏土最小；土壤种子库主要分布在0～10 cm的土层，不同植草模式下0～10 cm土层的土壤种子库密度大小顺序：自然修复模式>假俭草植草模式>狗牙根植草模式。

堤防土壤种子密度与地上植被物种数、Simpson指数、Shannon-weiner指数和Pielou群落均匀度指数呈显著正相关(P<0.05)，与地上植被密度和重要值呈极显著正相关(P<0.01)，但与Margalef丰富度指数无显著相关性。

致谢：江西省水土保持科学研究院宋月君、赵佳鼎、康金林等在本研究中给予了无私的帮助，谨表谢意。

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(编辑：赵卫兵)

Relation Between Plant Diversity Indexes and Soil Seed Bankof Typical Dikes in Poyang Lakeside

DUAN Jian1, HUANG Hao-zhi2, WANG Ling-yun1, HUANG Gao-hua2, XIAO Sheng-sheng1, YANG Jie1

(1.Jiangxi Provincial Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention,Jiangxi Provincial Institute of Soil and Water Conservation, Nanchang 330029, China; 2.Jiangxi Provincial Channel and Lake Administration, Nanchang 330009, China)

With major dikes in Poyang Lakeside as a case study, aboveground vegetation was investigated by means of route surveying and quadrate method in different typical dikes. Soil seed banks were investigated with quadrate method on dikes where aboveground vegetation was sampled, and germination method was used to identify density of seed banks. Our objective was to determine the characteristics of aboveground vegetation and their relationships withsoil seed banks. The results showed that the aboveground vegetation was composed of 106 species in 89 genera of 36 families in the study area. The main families are Gramineae, Compositae and Euphorbiaceae. The species life of aboveground vegetation is mainly composed of herbaceous species. Moreover, plant diversity and soil bank density followed the order of paddy soil>construction trash>mountain clay. The soil seed bank density of planting grass pattern at 0～10 cm depth was significantly less than that of natural recovery mode, which had the greater aboveground plant diversity. Soil seed density was significantly (P<0.05) correlated with the ground vegetation species, Simpson index, Shannon-weiner index and Pielou evenness index, and also significantly (P<0.01)correlated with the ground vegetation density and importance value, while had no significant correlation with Margalef abundance index. Therefore, there were mutual impacts between aboveground vegetation and soil seed bank density in different typical dikes. The relationships have played a key role in strengthening and eliminating dangers of embankment engineering.

plant diversity; soil seed bank; different reinforcing materials; dike; Poyang Lakeside

2015-10-10;

2016-02-20

江西省水利科技计划项目(KT201313，KT201519)；江西省科技计划项目(20132BBF60074)

段 剑(1988-)，男，江西永新人，博士研究生，从事水土保持与植被恢复方面的研究，(电话)0791-88828102(电子信箱)djlynn20@126.com。

杨 洁(1958-)，女，江西南昌人，教授级高级工程师，博士，从事水文水资源方面的研究，(电话)0791-88828186(电子信箱)zljyj@126.com。

10.11988/ckyyb.20150844

2017,34(1):45-49，70

S154.4

A

1001-5485(2017)01-0045-05