黄壁庄水库消落区植物自然分布特征与多样性研究

董文鹏，陈占辉，霍巧云，史增奎

(河北省水务中心，河北 石家庄 050224)

水库消落区是指由于水库季节性水位涨落而使库区周边被淹土地周期性出露于水面的区域[1]。消落区作为陆水过渡带，是水库重要的生态缓冲区，具有维持库岸稳定、净化水质和维持生物多样性等多种生态功能，对于保障水库安全运行具有重要意义。2019年底，我国已建成各类水库9.8万余座[2]，大面积的消落区面临不同程度的生态环境不稳定，生态调节功能低，人为活动频繁，存在面源或局部污染，库岸崩塌等影响水库防洪安全、水库水质和人居安全的问题。消落区植被对减少土壤侵蚀，增强库岸稳定性，降解、吸收有毒有害物质，拦截上游来水携带的泥沙及陆上污染物质进入水库，发挥消落区作为陆水过渡带的生态功能有重要作用[3]。本研究依据黄壁庄水库消落区高程、地貌等因素的变化，分析不同地貌和区域的植被分布特征，旨在为黄壁庄水库消落区生物多样性保护以及生态修复与重建提供科学的基础数据。

1 黄壁庄水库消落区概况

黄壁庄水库属于丘陵-平原型水库，是滹沱河中下游大(1)型水利枢纽工程，位于河北省石家庄市鹿泉区、平山县、灵寿县交界处，总库容12.1亿m3，水库正常蓄水位与征地高程为120 m，汛限水位115 m，入库干流来水被岗南水库拦蓄，入库支流为冶河、南甸河。经多年库水位统计分析，黄壁庄水库消落区确定生态修复范围为高程114～120 m，面积28.34 km2，岸线上限长度约115.89 km，地貌主要由库区两岸岸坡、冲积三角洲、库湾、滩地等组成。受建库移民靠后安置影响，消落区内人为活动频繁，部分消落区处于库岸崩塌前缘，影响人居环境、库岸稳定及临水基础设施安全。水库已运行60余年，消落区内植被经长时间自然演替形成了较为稳定的植被群落，且郁闭度高。但部分区域村民私围滥垦面积上千亩(15亩=1 hm2)，大范围开垦造成消落区自然植被破坏及土壤侵蚀，农业耕作使用的农药、化肥直接污染水库水质。

2 研究方法

2.1 样方布设

于2021年6—8月采用典型取样法进行野外调查。为了使所选择的样点具有代表性，能够体现和代表消落区植物生长环境，且使选取的样点周边受环境影响最小，在水库周围根据地貌共设置了4个采样带，分为右岸泥质消落区、左岸泥质消落区、左岸沙质消落区、三角洲消落区，基本涵盖了水库的上、中、下游区域。

2.2 植被调查

样方高程在114～120 m区间，采用典型植被随机样方法，在每个采样带选择具有明显代表性的植被区域，采取随机或对角线的方法设置5～9个样方。乔、灌木样地采用5 m×5 m的样方，草本样地采用1 m×1 m的草本调查样方，记录样方内物种数量、盖度、多度等指标。

2.3 数据分析

重要值是一个综合性评价指标，用来评价群落中各物种的相对重要性。首先运用Excel 2010软件对调查样方内的植物进行分类统计，并分别按公式(1)～(6)计算出频度、相对频度、盖度、相对盖度、密度和相对密度，再按公式(7)计算出重要值。公式分别为

频度(%)=出现某物种的样方数/全部样方数

(1)

(2)

盖度(%)=样方内某物种垂直投影面积/样方面积

(3)

相对盖度(%)=某物种盖度/所有物种总盖度

(4)

密度=样方中某物种数量/样方面积

(5)

相对密度(%)=某物种密度/所有物种密度

(6)

物种重要值(%)=(相对频度+相对盖度+相对密度)/3

(7)

在重要值的基础上计算Gleason丰富度指数(R)、Shannon-Wiener指数(H′)、Pielou均匀度指数(E)、Simpson指数(D)[4-5]，公式为

R=S/lnA

(8)

(9)

E=H′/lnS

1906年4月18日凌晨05时12分，旧金山的居民不同程度地被一强烈的震动或巨大的呼啸声唤醒，从床上跌撞下来，许多人不能在地板上站稳，他们的建筑开始剧烈摇晃。以旧金山近海的震中为起始点，该地震以朝西北和东南两个方向使圣安德烈斯断层破裂，强烈震撼了整个加州北部海岸。观察细心的人士报告说强烈震动持续了45～60s。许多可靠的观察员还报告了两个相隔25～30s的强烈震动脉冲（可能是大破裂的子事件）。该地震被当地的6台地震仪和世界各地的90个台站（作为不断增多的全球地震台网的一部分）记录到。第二天，《纽约时报》用头版刊登了在奥尔巴尼的纽约州博物馆记录的1906年地震的地震图。

(10)

(11)

式中：S为物种数量；A为样方面积；Pi为第i种植物的重要值。

从不同地貌、高程、生境类型等角度对植物优势科、属、种及生活型组成、优势度进行植被群落结构特征分析。

3 结果与分析

3.1 消落区植物种类组成特征

植物种类组成是植物多样性的根本，更是生物多样性的重要支撑。本次调查共记录到黄壁庄水库消落区被子植物44科99属130种。按生活型统计，乔木共计6科10属10种；灌木共计8科8属8种；草本植物共计38科90属112种，包括一、二年生草本23科51属67种，多年生草本24科39属45种。草本植物中有水生植物13科13属18种，其中挺水植物10种，浮水植物3种，沉水植物5种。黄壁庄水库消落区植物种数以草本植物占比最大，而一、二年生草本约占植物总种数的50%。

根据表1与表2的统计结果，黄壁庄水库消落区植物中含10种及以上植物种数的科总计3科，包括菊科(11属17种)、禾本科(12属17种)、蓼科(2属10种)，占总科数的6.82%，但包含的植物种数占到植物总种数的33.85%，是消落区的优势科；含5～9种植物的科共计5科，包括藜科(3属5种)、十字花科(8属8种)、豆科(6属7种)、旋花科(4属5种)、莎草科(3属5种)，占总科数的11.36%，包含的物种数占植物总种数的23.08%；含3～4种植物的科共计6科，占总科数的13.64%，包含的物种数占植物总种数的16.15%；

表1 黄壁庄水库消落区植物科、属组成统计结果

表2 黄壁庄水库消落区植物优势属

含2种及以下植物种数的科共30科，占总科数的68.18%，包含的物种数占植物总种数的26.92%。

3.2 不同类型消落区生物多样性指数

在所划分的4个调查样带中，木本植物出现频度较高的为旱柳、杨、白榆等。由于消落区乔木群落和灌木群落类型和分布面积相对较少，群落结构也较简单，因此不再对其进行物种多样性分析，仅对草本植物进行分析。

3.2.1 植物种类的频度

由图1可知，右岸泥质消落区草本植物出现频度较高的有苘麻、水蓼、水稗、狗牙根、委陵菜等；左岸沙质消落区草本植物出现频度较高的有苍耳、水蓼、鬼针草、水稗、艾蒿等；左岸泥质消落区草本植物出现频度较高的有水稗、水蓼、苘麻、扁秆藨草、菟丝子等；三角洲消落区草本植物出现频度较高的有水稗、水蓼、苘麻、菟丝子、芦苇、苍耳等。

整个黄壁庄水库消落区草本植物出现频度较高的有水蓼、水稗、苘麻、苍耳、芦苇、鬼针草、菟丝子、扁秆藨草、狗牙根、委陵菜、翼果薹草、艾蒿、野大豆等，其中水蓼、水稗、苘麻呈现明显的优势，是黄壁庄水库消落区中绝对的优势种。

3.2.2 重要值

由图2可知，不同类型消落区的优势种存在明显差异。根据样方调查结果，右岸泥质消落区共调查到草本植物29种，重要值≥5%的植物种有狗牙根、苘麻、扁秆藨草、水稗、白茅、芦苇；左岸泥质消落区共有31种草本植物，重要值≥5%的植物种有水稗、狗牙根、披碱草、芦苇、水蓼、田旋花、葎草；左岸沙质消落区共有32种草本植物，重要值≥5%的植物种有苘麻、水稗、水蓼、扁秆藨草、艾蒿、芦苇；三角洲消落区共有35种草本植物，重要值≥5%的植物种有水稗、水蓼、翼果薹草、苘麻、芦苇。

整个黄壁庄水库消落区中，依重要值分析，菊科、禾本科、蓼科植物占优势地位。样地内重要值≥5%的草本植物有6种，占草本植物总种数的10.17%，贡献了62.43%的重要值。重要值排名前6的物种分别是水稗、水蓼、苘麻、狗牙根、芦苇、扁秆藨草。

3.2.3 多样性指数

由表3知，在4种消落区类型中，物种丰富度最高的为左岸沙质消落区，Gleason丰富度指数为15.388 8；其次为三角洲消落区，Gleason丰富度指数为14.596 1；再次为左岸泥质消落区，Gleason丰富度指数为13.463 1；最低的为右岸泥质消落区，Gleason丰富度指数为10.988 8。Simpson指数和Shannon-Wiener指数均以左岸泥质消落区为最大，由此可知，不管优势种还是稀有种，左岸泥质消落区均较多。从物种Pielou均匀度指数来看，右岸泥质消落区物种分布最均匀。

根据黄壁庄水库消落区所调查草本样方，黄壁庄水库消落区草本植物Gleason丰富度指数为15.686 5，Simpson 指数为0.920 8，Shannon-Wiener指数为2.960 8，Pielou均匀度指数为0.480 4。

3.3 不同水位的物种重要值

在消落区高水位调查到38种植物，低水位仅发现29种植物，高水位的物种多样性要高于低水位。在消落区高水位重要值较高的葎草、野大豆等很多物种在低水位并未被发现，且不同水位的优势种也有较大区别。高水位中按照重要值大小排序前4名依次是艾蒿、芦苇、披碱草、苘麻(见表4)，低水位中按照重要值大小排序前4名依次是狗牙根、水稗、水蓼、扁秆藨草(见表5)。

表4 高水位不同草本植物的物种重要值(前10名)

表5 低水位不同草本植物的物种重要值(前10名)

黄壁庄水库消落区以一年生草本、二年生草本和多年生草本3类生活型居多，也分布有少量灌木和小乔木。在低水位一年生草本占据优势，而在高水位多年生草本的占比较高。这是由于消落区低水位区域露出地面的时间更短，且水陆无规律交替频繁，一年生草本能够在水位下降时迅速占据有利空间发芽生长，以最短的时间完成生命周期，并产生下一代种子；而高水位区域露出地面的时间更多，相对于一年生草本植物每年都要重新经历发芽生长的全生命周期来说，多年生草本能够利用原有根系更快生长，并占据更多的生长空间和资源养分，更具有种群优势。

3.4 植被群落类型多样性

由表6知，黄壁庄水库消落区植被群落类型31种，除杨树人工林群落、刺槐人工林群落和莲群落外其他均为自然群落，其中乔木群落4种、灌木群落7种、草本群落20种，草本群落占主体地位，约占总体群落类型的64.52%。群落按生境类型统计,湿生或水生群落19种,陆生群落12种,其中芦苇群落、水蓼群落、扁秆藨草群落、水稗群落等湿生群落类型常随水位变化，既占据陆生生境又占据水生生境，表现出较明显的多态适应性。

表6 黄壁庄水库消落区植被群落类型统计(按生境类型统计)

4 结论与讨论

黄壁庄水库消落区约有被子植物44科99属130种，以草本植物为主，其中菊科、禾本科和蓼科为优势科，水蓼、水稗、苘麻为绝对优势种，苍耳、芦苇、鬼针草、菟丝子、扁秆藨草、狗牙根也占有较高优势度。在低水位区一年生草本植物占据优势，随高程增加多年生草本植物的优势度呈明显增加趋势，直至高于征地高程的库岸乔灌木本植物成为优势种，由此植被群落组成也表现出明显的由水生、湿生向中生、旱生分布的趋势。消落区分布有植被群落31种，以草本群落为主，湿生、水生群落占据优势地位。

黄壁庄水库左岸沙质消落区物种丰富度指数最高，左岸泥质消落区的多样性指数最高,右岸泥质消落区物种分布均匀度最高，总体上左岸的物种多样性高于右岸和三角洲。植物多样性组成常受海拔、地貌、土壤及人为干扰状况等多因素影响，水库左岸区坡度陡,高程变化大,地貌类型多样,水生、湿生、中生和旱生植物均有较多分布；右岸区以平缓退水滩地为主，植物组成上中生和旱生植物分布较少，物种分布也最均匀；三角洲区坡度平缓，地貌类型单一，若无人为干扰，易于发育成良好的原生湿生和水生植被，目前由于普遍开垦，对其物种多样性影响程度较高。

消落区主要出露时间为5—9月，属于本区的夏季，植物种类变化难以表现出通常的季节变化。但由于此期热量高，且滩地水分充足，土壤肥沃，有机质含量多为3～6 g/kg，因此植物生长繁茂。由于不同植物生长速度的差异，群落外貌和不同植物种类的优势度仍表现出显著的季相变化。如下游三角洲区域的野大豆，在6—8月逐渐演替为群落优势种，部分区域的植被也由苍耳、苘麻等群落演替为野大豆群落。此外，一些多年生植物如芦苇、荻、芒、狗牙根等在一年生植物群落中的优势度也有增加的趋势。因此，对消落区生态修复应合理分区，对地势高、水淹时间短的区域应适当控制一年生植物的生长，或采取一定的人为栽植措施，逐渐使其演替为多年生耐水淹植被，增强滩地的防护能力。

总体上，黄壁庄水库消落区多年生草本植物和乔灌木本植物在其适生区域重要值偏低，因此消落区植被修复方向可以按高程选择适合的多年生草本植物或乔灌树种，尤其是应种植或恢复护岸林、护坡灌丛、滩地芦苇群丛和滩地狗牙根群丛等，以增加本区优势植被群落的面积，从而增强消落区的生态系统稳定性。