天津市北大港湿地自然保护区植物多样性特征分析

蔡在峰，曲文馨，洪宇薇，刘雪梅

(天津城建大学 建筑学院，天津 300000)

城市湿地是城市生态环境的重要组成部分，其生态系统的稳定性主要通过生物多样性体现。生物多样性是一定区域内多种多样活的有机体(动物、植物和微生物)有规律地结合在一起的总称[1]。植物多样性是生物多样性中以植物为主体，由植物、植物与环境之间所形成的复合体及与此相关的生态过程总和[2]。湿地植物多样性影响着湿地质量和野生动物的栖息地状况，是生物多样性研究的重要内容，对维持湿地生态功能和生态系统稳定有重要的理论和实践意义[3-4]。

北大港湿地是天津市重要生态湿地之一，具有丰富的生物多样性，也是东亚鸟类迁徙路线上的一个驿站[5]，每年都有大量水鸟迁徙时途径此地。目前，对北大港湿地的研究主要有水生生物、水环境质量和候鸟种类等，缺乏对湿地植物物种的相关研究。为进一步了解北大港湿地生物多样性，本研究对湿地植物种类、密度、频度、生长状况等进行生态调查，并计算得出多项生物多样性相关指数，其结果有助于加强对北大港湿地植物群落组成的认识，有助于衡量北大港湿地植物群落结构的稳定性和群落功能的复杂性，同时也可以反映出当地对湿地生态环境的保护状况，从而为今后湿地自然保护区的建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

天津市北大港湿地自然保护区地理坐标位置为东经117°11′～117°37′，北纬38°36′～38°57′，位于天津市大港区。保护区位于平原地带，地势无明显起伏变化，土壤盐碱度较高。保护区气候四季变化分明，具有冬夏长、春秋短的特点，属典型的暖温带半湿润大陆型季风气候[6]。

北大港湿地是1999年，经大港区政府批准建立的区级自然保护区。2001年，市政府批准该保护区升级为市级自然保护区，名称改为北大港湿地自然保护区。保护区面积和功能区划经多次调整后，最终确立保护区总面积为34 886 hm2，其中核心区面积11 802 hm2，缓冲区面积9 205 hm2，实验区面积13 879 hm2(图1)。

2014 年1 月，天津市出台《天津市生态用地保护红线划定方案》，在北大港湿地自然保护区区域，划定生态用地保护红线区面积约208 km2，包括保护区核心区与缓冲区范围；划定黄线区面积约163 km2，包括保护区实验区及水库周边 200 m范围。2014年9月，天津市施行《天津市永久性保护生态区域管理规定》，将北大港湿地划入天津市“永久性保护生态区域”，禁止占地以及企业进入实施项目开发[7]。目前，保护区内已经没有原农村居民点，除李二湾区域内有几处鱼塘和分散小面积玉米地、独流减河河滩上有几处采油设施、北大港水库北堤周边有经济作物—枣树林和桃树林、管理工作人员住房外，未发现其他违规开发建设现象。

图1 天津市北大港湿地自然保护区区域分类Fig.1 The territorial classification of Beidagang wetland nature reserve in Tianjin

依照国家《自然保护区类型与级别划分原则》，北大港湿地自然保护区属于自然生态系统类别中的海岸生态系统类型。保护区植被在分区上属暖温带华北落叶阔叶林区,但在植被分类上，它是一种非地带性的滨海平原盐生草甸植被[8]。植物群落的类型、生长和分布与土壤的盐碱度有密切关系，主要有芦苇群落、碱蓬群落、盐地碱蓬群落、芦苇—碱蓬群落、芦苇—狗尾草群落、芦苇—獐毛群落等。

1.2 评价方法

1.2.1 调查方法 在野外进行群落调查时，由于受人力、物力和时间的限制，一般只能抽取其中的一部分作为样本来获取数据并进行分析，进而推断群落总体特征，这个过程称为取样[9]。本次调查采用典型取样，即根据保护区植物群落特点和土壤特征，在有代表性的地段上设置样地，共设置10 m×10 m的方形样地405个，其中：调查乔木层物种的样地35个，主要包括刺槐群落10个、山杨群落7个和榆树群落5个，每个样地中设置 10 m×10 m的方形样方1个，记录各物种种名、平均高度、胸径和株数；调查灌木层物种的样地83个，主要包括柽柳群落27个、紫穗槐群落23个、罗布麻群落13个和兴安胡枝子群落8个，每个样地设置5 m×5 m的方形样方4个，共计样方332个，记录样方中物种种名、平均冠幅、平均高度和株(丛)数；调查草本层物种的样地287个，主要包括芦苇群落75个、芦苇—碱蓬群落40个、芦苇—狗尾草群落39个、芦苇—獐毛群落36个、碱蓬群落30个和芦苇—盐地碱蓬群落23个，在每个样地四角及中心各设置1个1 m×1 m的方形样方，共计1 435个，记录所发现的物种种名、株(丛)数、高度、盖度、优势种及物候期等。各植物层部分样地分布见表1。以《天津植物志》(2004)和《中国植物志》(1998)为依据，对调查过程中所发现的物种进行鉴定、分类和统计。

表1 调查样地分布Table 1 Survey sample distribution table

1.2.2 评价指标 植物种的重要值：重要值是评价某一种植物在湿地群落中作用的综合性数量指标[10]，计算方法为将各植物层所调查发现同一物种的所有数据进行合并后，分别按照如下公式进行计算：

IV=RDE+RCO+RFE

式中，IV为重要值，RDE为相对密度(某个植物种的密度与全部植物种密度总和之比)，RCO为相对盖度(某个植物种的盖度与全部植物种盖度总和之比)，RFE为相对频度(某个植物种的频度与全部植物种频度总和之比)。

物种多样性：文中所分析的物种多样性指数是指α多样性，即指示某个群落或生境内部的多样性[11]。计算方法为核心区、实验区和缓冲区各区域中的同一物种的数据进行合并后，按照如下主要测度指标及公式计算，然后将各区域、各植物层的计算结果进行分类统计和比较分析。

物种丰富度指数：Margalef指数(dMa)(1958)dMa=(S-1)/lnN

Pielou均匀度指数(J)J=H/lnS

各式中，S为物种数目，Ni为某个种的个体总数，N为全部种的个体总数[11-12]。

2 结果与分析

2.1 植物物种组成与数量特征分析

2.1.1 植物组成统计与分析 植物生长型是表征群落外貌特征和垂直结构的重要指标[13]。本文的研究对象为乔木、灌木和草本这3个最主要的类型，也是植物群落垂直结构最主要的3个层次。据调查统计，在北大港湿地自然保护区内发现并记录植物43科113属，共153种(除人工栽培外)。其中，乔木、灌木、草本分别占保护区植物总种数的5.23%、5.88%和88.89%(表2)。由此可知，草本植物是北大港湿地自然保护区植物物种的主要组成成分，对保护区内植物物种多样性具有重要影响。

以《中国植被》(1980)的分类系统为依据[14]，保护区草本植物按照生活周期分为1 a生草本、 2 a生草本和多年生草本，分别占草本植物总种数的52.21%、2.94%和44.85%(表3)。可见，保护区草本植物以1 a生草本为主，占草本植物总种数的一半以上；其次为多年生草本，与1 a生草本仅差10种，差距很微弱；2 a生草本最少，仅有4种，差距明显。含5种植物及以上的科中， 1 a生草本植物有禾本科、旋花科、藜科、十字花科、菊科和蓼科，共6科，而多年生草本虽然仅有禾本科和菊科，但共含24种植物，占多年生草本植物总种数的1/3以上，是多年生草本植物的主要组成成分，所以1 a生草本植物所含科数虽然不及多年生草本，但其总种数却多于多年生草本。

2.1.2 植物种重要值分析 在北大港湿地自然保护区中，重要值较高的草本植物种类见表4。数据显示，保护区中芦苇(Phragmitesaustralis)的重要值最高，是其他物种的十倍甚至百倍，说明芦苇最能适应保护区的生存环境，属于保护区内优势程度最高的物种，在保护湿地生态环境过程中发挥着无法替代的作用。其他物种，如狗尾草(Setariaviridis)、獐毛(Aeluropussinensis)、虎尾草(Chlorisvirgata)等重要值较高的物种，也具有较强的适应能力，在该生境下可以良好生长，但长势、分布范围及出现频率远不及芦苇。此外，在盐碱度较高的区域，只有耐盐碱的植物才可以良好生长，如盐地碱蓬(Suaedasalsa)、盐角草(Salicorniaeuropaea)等物种，这些植物亦具有较强的指示作用，用来指示区域盐碱度的高低。

表2 北大港湿地自然保护区植物物种组成Table 2 Plant species composition of Beidagang wetland nature reserve

表3 北大港湿地自然保护区草本植物生活型统计Table 3 Statistics of herbaceous plant life form in Beidagang wetland nature reserve

表4 北大港湿地自然保护区主要草本植物重要值Table 4 The important values of major herbaceous plant in Beidagang wetland nature reserve

由表5可知，虽然灌木和乔木物种数少于草本植物，但其在维护保护区生态平衡过程中是不可或缺的。灌木层植物物种中，柽柳(Tamarixchinensis)和紫穗槐(Amorphafruticosa)的重要值高于其他灌木物种，主要分散分布于道路两侧，群落内伴生有少量草本植物；罗布麻(Apocynumvenetum)、兴安胡枝子(Lespedezadaurica)等其他物种主要与草本植物混生，鲜有某一物种大面积丛生，主要分散分布于保护区土壤肥沃的区域。乔木层植物物种中，刺槐(Robiniapseudoacacia)的重要值要高于其他乔木，既形成单独的刺槐林，也会混生于其他乔木群落中，频度较高；其他乔木物种主要为多种混生，共同组成群落，林下空间大量分布芦苇(Phragmitesaustralis)、狗尾草(Setariaviridis)、牵牛(Iipomoeanil)、鹅绒藤(Cynanchumchinense)等草本植物，偶有灌木伴生，群落中层次明显，结构复杂。

表5 北大港湿地自然保护区灌木和乔木物种重要值Table 5 Important values of shrub and arbor species in Beidagang wetland nature reserve

2.2 物种多样性特征分析

2.2.1 物种丰富度分析 物种丰富度是指一个群落或生境中物种数目的多寡[15]。在同一生境或群落内，所观察记录到的个体总数是一定的，物种数目越多，则丰富度指数越高。同理，Marglef指数的数值越大，反映出该群落或生境的物种丰富度越高，物种数目越多。通过计算保护区各区域的Marglef指数发现，实验区的物种数目最多，物种丰富度最高，核心区次之，缓冲区最低，呈现实验区>核心区>缓冲区的规律(图2)。

2.2.2 物种多样性指数分析 Shannon-Wiener多样性指数是用来描述物种个体出现的紊乱和不确定性的，指数的值越大，不确定性越大，多样性也就越高，其影响因素有两个：物种的数目和物种中个体分配的均匀性[12]。其中的不确定性主要体现在物种个体分配的平均程度上，物种分配越平均，不确定性越大。通过计算保护区各区域的Shannon-Wiener多样性指数发现，核心区的Shannon-Wiener多样性指数值最大，缓冲区和实验区相近，呈现核心区>缓冲区≈实验区的规律(图2)，说明核心区植物群落的不确定性最大，物种分配的平均程度最高，物种多样性最高，而缓冲区和核心区的物种多样性差距甚微。

Simpson指数又称优势度指数，表示在群落中进行随机取样，抽中的两个个体属于不同种概率的大小。指数的计算值越大，表示属不同种的概率越高，说明群落中物种种类较多，各物种的分布也较均匀，并没有哪一种属于优势种；反之，指数的计算值越小，说明群落中物种种类较单一，且某一物种大量集中分布，优势度明显。通过计算保护区各区域的Simpson指数，呈现核心区>缓冲区>实验区的规律(图2)，说明核心区的植物群落内物种分布的均匀程度最高，而实验区的植物群落内优势种明显，优势种的分布集中。

Pielou指数是物种均匀度的指标，一般用来表征群落中物种空间分布的均匀程度，指数的计算值越大，说明植物分布越均匀[16]。通过计算保护区各区域的物种均匀度指数，发现Pielou指数的数值呈现核心区>缓冲区>实验区的规律(图2)，说明核心区植物群落中的各物种在空间分布上的均匀程度最高，缓冲区次之，实验区最低。

图2 北大港湿地自然保护区各区域植物多样性指数Fig.2 Theplant diversity index of each region in Beidagang wetland nature reserve

2.3 不同区域物种多样性比较

2.3.1 物种丰富度比较 分别计算各结构层植物群落在各区域的物种丰富度，结果表明(图3)：草本层植物群落的Marglef指数值呈现核心区≈实验区>缓冲区的规律，灌木层和乔木层植物群落的Marglef指数值呈现实验区>核心区>缓冲区的规律。说明核心区和实验区的草本植物物种丰富度均较高，且相差甚少，拥有的物种数目较多，而实验区灌木和乔木的物种丰富度最高，核心区次之，缓冲区最低。

2.3.2 物种多样性指数比较 分别计算各结构层植物群落在各区域的Shannon-Wiener多样性指数，结果表明(图3)：草本层植物群落的Shannon-Wiener指数值呈现核心区>缓冲区>实验区的规律，灌木层和乔木层植物群落的Shannon-Wiener指数值呈现实验区>核心区>缓冲区的规律。说明核心区草本植物群落的不确定性要高于缓冲区和实验区，物种个体分配的均匀程度要高，物种多样性高；而实验区灌木层和乔木层植物群落的物种多样性高于核心区和缓冲区。

分别计算各结构层植物群落在各区域的Simpson指数，结果表明(图3)：草本层植物群落的Simpson指数值呈现核心区>缓冲区>实验区的规律，灌木层和乔木层植物群落的Simpson指数值呈现核心区>实验区>缓冲区的规律。说明核心区各结构层植物群落中物种的分布较均匀，没有明显的优势种存在，缓冲区草本层植物群落物种的优势程度低于实验区，而灌木层和乔木层植物群落物种的优势程度却高于实验区。

分别计算各结构层植物群落在各区域的物种均匀度，结果表明(图3)：草本层植物群落的Pielou指数值呈现核心区>缓冲区>实验区的规律，灌木层和乔木层植物群落的Pielou指数值呈现核心区>实验区>缓冲区的规律。说明核心区各结构层植物群落在空间分布的均匀程度均高于缓冲区和实验区，缓冲区草本层植物群落在空间分布的均匀程度高于实验区，而灌木层和乔木层植物群落在空间分布的均匀程度低于实验区。

图3 各区域植物物种多样性指数比较Fig.3 Comparison of plant species diversity indices by region

3 讨论与建议

保护区现状为：组成实验区的4个部分间的关联性较低，既有大面积的水域，也有大面积的盐碱地，大部分区域受人为干扰程度高，导致各部分间的生境条件也存在不同程度的差异，且布局分散，所涉及的区域广泛，面积大，植物群落内物种的分布极不均匀，适应性强的物种会大面积集中分布，优势程度明显，如具有耐盐碱特性的碱蓬(Suaedaglauca)和盐地碱蓬(Suaedasalsa)等物种会在大面积的盐碱地中集中生长，而没有其他物种的存在，从而导致实验区植物群落复杂程度较低；核心区受保护程度高，人类干扰少，各物种均能在区域内良好生长，虽也有盐碱地存在，但其面积较小，盐碱度也较低，除耐盐碱的物种外偶有适应性强的其他物种生长，群落结构复杂；缓冲区有大面积的鱼塘分布，生境条件较为恶劣，因此只有适应性强的物种才能生长，导致其物种种类明显少于核心区和实验区，整个缓冲区的生境条件没有明显差异，各物种出现在某一区域的概率相近，并没有明显的优势种存在。这与对调查数据分析得出的结论基本吻合，可见，此次研究具有较高的可靠性，所以基于本研究，对保护区今后的建设发展提出如下建议：

要加强对缓冲区和实验区的保护，其管理模式可以参考核心区，即划定严格的保护区界限，在非对外开放区域设置防护围栏，在主要出入口出设置管理处，严格禁止非工作人员的出入。

建立生物多样检测机制，加强保护区生物多样性检测。要重点关注对生态环境变化有指示作用的动植物，通过动物的行为变化和植物的生长状况来预测和推断生态环境的变化，及时采取相关措施，避免生态恶化现象的发生。

相关政府部门要明确分工，加大监管力度。禁止经济作物林和农田使用农药化肥；除防火要求进行必要芦苇砍伐外，禁止任何人员在保护区从事砍伐活动；除必要工程建设外，禁止任何大型机械进入保护区非道路部分；严格控制外来人员随意出入保护区。

加强对保护区内相关工作人员和相关经济产业负责人的培训教育，尤其是防火教育和生态保护意识，除必要工作外，禁止人员在保护区内随意活动。

通多丰富的多媒体手段，普及生态保护知识，增强民众生态意识，培养保护生态的自觉性和主动性，在保护区对外开放的区域内活动时严格自律，不做出任何破坏生态环境的行为。