八家河入库消落带植物分布调查与分析

谢楚依，许士国，王 钦，苏广宇

（大连理工大学水利工程学院水环境研究所，辽宁大连116024）

0 引言

植物是水库消落带生态系统的关键组成部分，不仅为系统提供初级生产力、为动物及微生物提供栖息场所，也为来自陆域的非点源污染提供缓冲和过滤，是水库入库污染物的“汇”和“源”[1]。一方面通过对土壤氮、磷及重金属的富集、吸收、分解，有效缓解库内水体营养负荷[2，3]；另一方面，在库水位上升、植物淹水死亡后，其所固集的养分将随植物体腐烂再次释放到水库水体中。研究表明，植物淹水水解后，其固结的氮、磷将在15~20 d内达到最大释放量，极易对水库造成明显污染[4]。

以碧流河水库八家河入库消落区植物为研究对象，选择具有代表性的典型区块，调查样地内植物指标，结合区域内生境数据，探索八家河入库消落区植物在水库供水调度背景下的空间分布特征，估算研究区域内的植物生物量总值，构建起该入库消落区植物生态学数据库，进而为后来改造入库生境、提高消落带植物污染防控能力打下基础。

1 研究背景

碧流河水库是辽宁省大连市城市供水的主要水源地，总库容为9.34亿m3，正常高水位为69.0 m，汛限水位为68.1 m，死水位为47.0 m。水库流域属海洋性特点的温带季风气候[5]，库区内年平均气温为10.6℃，控制流域内多年平均降水量为742.8 mm；流域内的土壤类型包括棕壤、潮棕土、草甸土等，植被覆盖率为58%~85%[4]。八家河是流入碧流河水库的第三大支流，河道全长20.2 km，控制流域面积为74.6 km2，多年平均径流量约为871万m3；47.0 m高程以上的八家河入库消落带总面积约为761.6万m2，随水库水位变动，1985—2017年间其面积最小值约为119.2万m2，最大值约为756.9万m2，平均面积约为288.8万m2。

八家河汇入水库前的1 200 m入库段为河流入库消落带的中心区域，河道左岸的地势较平坦宽阔，水库水位在64.5 m（保证率56.04%）到68.5 m（保证率92.52%）间波动频繁，形成了较大面积的入库段消落区；植物覆盖率较高，沿河道的植物类型有明显变化，且不同的植物群落间具有明显分界。故选取八家河入库后1 200 m入库段左岸、高程低于68.5 m部分区域为研究区，于2019年12月展开实地土壤、植物状况考察。此时水库水位为64.8 m，调查区域面积约为40.0万m2，占八家河入库消落带总面积（约236.2万m2）的17%。

2 消落区植被多光谱采集及解译分析

为了快速、便捷、有效监测整体草地资源、获取植被数据，此次研究选用了搭载多光谱成像系统的大疆精灵4无人机对设计研究区域进行高精度光谱采集，采集内容包含红光、绿光、蓝光、红边、近红外及可见光共计6个通道。无人机飞行高度设置为120 m，采样精度达到5.53 cm/像元，光谱采集完成后利用Pix4Dmapper软件实现正摄影像的校正和拼合。

实地考察研究区域内不同用地类型的边界，结合无人机可见光影像，将研究区域划分为生产用地（农业种植区）、生态用地（杂草区）、水面（河流或水洼）和道路四类，使用ArcGIS勾勒区域边界并统计各区域面积。

面积统计可得：研究区域内农业种植区面积为49 085.4 m2，占总面积的15.1%，主要种植作物包括玉米、黄米、紫苏等；自然植物区面积为249 572.6 m2，占总面积的76.7%，植物类型以菊科（青蒿、野艾蒿）、禾本科（水稗草、披碱草、草、狗尾草、芦苇）、蓼科（水蓼、戟叶蓼、酸膜叶蓼）、莎草科（苔草、香附子）等一年或多年生草本为主。

3 消落区植物分布特征分析

水库水位的动态变化对消落带植物形态及植物群落整体的显著影响，主要体现在区域上植物的形态可塑性、生物量、物种多样性、物种分布及群落演替几个方面。根据八家河入库消落带的研究条件，选取植物群落及地上生物量作为研究指标，进行消落区植物分布特征分析。

3.1 植物群落分布特征

2019年12月，在研究区域内共计31个样方中开展了植物样本采集，记录各样方内植物类型、优势植物种类，齐地刈割并称取各样方地上生物量鲜重；采集样方内优势种的完整植株带回，测算其含水率。根据不同采样样方间植物物种占比的相似性，使用系统聚类分析法对采样样方进行群落聚合分类，运算过程由SPSS.25实现，聚类过程如图1所示。

划分所有样方中出现的群落类型，可将2019年12月研究区内的自然植物群落划分为11个类型，各植物类型的优势植物及样方编号见表1。

图1 2019年12月植物群落系统聚类过程图

表1 2019年12月植物群落划分

根据遥感影像纹理差异，结合实地采样中获取的控制点植物群落类型，使用目视解译法对研究区域内的植物群落展开进一步的边界划分。划分结果可得：研究区域西部上游区域的植物群落类型以野艾蒿群落为主，地形低洼处分布着大片“鬼针草+草”群落，靠近河道处由于水流冲刷、河道下陷，土壤难以蓄留水分，虽分布有水蓼群落，但此处的水蓼植株低矮、生物量小；研究区域中部的植物群落类型依旧以野艾蒿群落为主，高程较高处分布着大片“野艾蒿+薹草”和苍耳群落，靠近河道处分布低矮水蓼群落；研究区域东部下游区域的植物群落类型以“青蒿+香附子”为主，地形低洼蓄水处分布大片“苔藓+香附子”和茂盛的水蓼群落。

针对植物群落分布的分析结果表明：野艾蒿、马唐适应性较强，分布区域广阔，在研究区域内各处均有所分布；除生产用地外，研究区域内植物群落类型沿平行河道方向自上游向下游有明显差异，由以青蒿、薹草为主的中旱生植物群落，向以苔藓、水蓼为主的湿生植物群落过渡；由于采样期之前的数年间水库水位变化范围较小，对所设研究区域垂直于河道方向上的水文影响微弱，沿垂直河道方向的植物群落虽有所不同，但未观察到明显规律性。

3.2 样方植物生物量分布特征

植物样方生物量按每平米植物总质量记录，单位为g/m2。依照研究区域内各采样点的样方植物鲜重、干重值，对样方植物生物量的分布特征展开分析。分析结果表明，不同类型群落的样方生物量各有不同，其中样方植物鲜重的最小值为156 g/m2，最大值为2 559 g/m2，平均值为854.45 g/m2；样方植物干重的最小值为135 g/m2，最大值为2 536 g/m2，平均值为710.66 g/m2。其中以苍耳（平均样方鲜重1 533 g/m2、干重1 324 g/m2）、青蒿（平均样方鲜重2 559 g/m2、干重2 362 g/m2）、野艾蒿（平均样方鲜重889 g/m2、干重770 g/m2）为主要优势植物的样方平均生物量较大，植物平均高度约为142 cm，最高植物高度可达到250 cm；而以薹草、香附子、马唐为主的样方生物量较小，植物平均高度约为38 cm。同时，受生境影响，位于不同位置的同一类型群落的样方生物量也可能有较大差距，如同为以野艾蒿为优势植物的样方，位于研究区域东部的样方平均生物量为352 g/m2，而位于研究区中部的样方生物量却高达1 944 g/m2。

由于影响因素众多，样方植物生物量在研究区域内未能观察到明显的分布规律，地点相近的不同植物群落、不同位置的同一植物群落生物量分布均可能有所不同，但可以确定的是，生境条件良好的区域能使植物茂盛生长，与生境条件较差处相比，生境良好处植物平均高度更高、生物量更大。

4 消落区植被生境分析

水库水位变动带来的植物生境效应主要体现在土壤环境对植物水分、营养盐的供给变化，密切相关的指标包括土壤含水率、土壤含盐量等。选取土壤含水率作为植物生境指标，分析研究区域内土壤水的分布规律，探寻其与植物样方生物量间的响应关系，从生态机理层面进一步明确入库消落区植物分布的规律和特点。

4.1 土壤含水率分布规律

2019年12月，在研究区域内规划并确定取土点20个，分3层采集0~30 cm土壤样品，带回室内进行含水率、颗粒级配测定及土壤质地判断。利用ArcGIS空间分析工具，使用克里金法对区域土壤含水率进行插值分析，并绘制出各层土壤的含水率分布图，其结果如图2所示。

图2 各层土壤含水率分布图

分析得到，研究区域内0~30 cm土壤平均含水率为0.197，其中最小值为0.12，最大值为0.710。受土壤表面结冻影响，0~10 cm土壤层含水率总体上略高于10~20，20~30 cm土壤层。

分别考虑采样点高程、到河道距离、土壤质地对土壤含水率的影响，利用SPSS.25对相关指标进行皮尔逊相关性分析。结果表明，采样点到河道的距离与其土壤含水率有线性关系，但相关性不大；与采样点高程显著负相关，随采样点高程的增加而降低；与土壤质地显著相关，随土壤中粉粒、粘粒占比的增加而升高。其中土壤质地为土壤含水率最重要的影响因素，采样点高程次之。

4.2 样方植物生物量对土壤含水率的响应关系

基于前期研究中得到的植物及土壤环境指标数据，进一步探求研究区域内样方生物量与该时期土壤含水间的双变量相关关系，皮尔逊相关性分析结果见表2。

表2 样方生物量与各层土壤含水率相关分析

分析可得，样方生物量与土壤含水率间的相关性在0.01水平上显著正相关，尤其与0~30 cm平均土壤含水率相关性最高。将样方生物量（干重）作为因变量y、土壤含水率作为自变量x进行曲线估算回归，选取拟合最佳的三次方程（R2=0.703）：

式（1）的建立，量化了研究区域内土壤含水率与植物样方生物量的响应关系。在难以实地取样的状况下，可利用土壤含水率大致推求指定点的植物样方生物量，同时在估算研究区域内植物生物总量时，也可考虑利用区域内土壤含水率分布数据进行统计分析。

5 区域植物总生物量估计

植物生物量是衡量生态系统能量流动和物质循环的重要指标，生长茂盛的植物茎叶及发达的根系具有强大、高效的控污能力。为了掌握水库入库段消落区生态系统的生产力水平，为水库消落带植物营养盐富集、整体防污控污能力的量化研究打下基础，此次研究对区域内植物生物总量进行了统计。

结合已有数据，对研究区域内除农业种植区、道路、泡塘、支流河道以外共约31万m2的自然植物区进行植物总生物量估算。其中，考虑到以野艾蒿为优势植物的类型4在不同区域位置中的生物量差距较大，将其划分为东侧野艾蒿群落及中部野艾蒿群落两个部分，分别计算其平均生物量及占地面积；其余类型群落的样方生物量分布较均匀，直接取用平均样方生物量与占地面积的乘积作为该类型群落的植物生物量总值。具体计算结果见表3。

计算得到研究区域内自然植物区鲜重生物量总计约为241 289 kg，平均7 784 kg/hm2；干重生物量总计约为198 801 kg，平均6 413 kg/hm2。参考2001—2013年中国北方草地生物量统计数据（温性草原5 829 kg/hm2、温性草甸9 632 kg/hm2）[6]，计算所得的植物生产力符合典型北方温性草地生产水平，在北方水库消落区中具有一定的代表性。

表3 区域植物总生物量计算表

6 结论

此次研究以辽宁省大连市碧流河水库八家河入库消落带为典型，应用多光谱无人机技术为区域总体植物群落类型划分及各类型群落计算创造条件，进行了植物生长状况的调查和分析。

结果表明：八家河入库消落区植物以一年或多年生草本为主，在自上游向水库的平行河道方向，植物群落类型由以青蒿、野艾蒿为主的中生植物群落，向以苔藓、水蓼为主的湿生植物群落过渡；不同类型植物群落的样方生物量各有不同，范围由130 g到2 500 g不等，且与0~30 cm土壤含水的分布显著正相关，其相关关系符合三次曲线变化规律。利用无人机多光谱影像解译各类群落占地面积，可估算除农业用地、泡塘、道路外共约31万m2内的自然植物区生物量，计算得到区域内生物量鲜重总值约为241 289 kg，干重总值约为198 801 kg，其生产力符合典型北方草地生产力水平。