山地河流河岸植被生态学研究——以三峡库区澎溪河为例

摘要

河岸带是河流生态系统不可缺少的组成部分,是陆域高地集水区与河流水体之间的生态界面。河岸植被是河岸生态系统的重要组成部分,决定着河流生态系统的许多重要生态过程。对河岸植被的研究,不仅有助于进一步深化河流生态学理论,而且对河流生态系统及生物多样性保护具有重要的现实意义和应用价值。
　　 本文以三峡水库腹地的澎溪河流域为研究对象,在对河流等级体系及空间尺度划分的基础上,探讨了不同等级河溪河岸植物群落特征、河岸植被的空间格局、及其与环境因子的关系；本文还特别关注了山地河流水电开发对河岸植被的影响、以及水位变动下河岸植物群落物种丰富度格局的变化。
　　 本文的特色是以“3S”技术、植被生态学、生态水文学、生态空间理论的知识体系为背景,注重多学科交叉,对不同等级空间尺度下河岸植物群落特征、河岸植被与水电开发、河岸植被与水位变动,以及河岸植物群落对环境干扰的响应进行研究。主要研究结果如下。
　　 1.河溪空间分布格局的研究,能够为河流开发、保护与管理提供帮助。本文以澎溪河流域1:1万地形图为底图,在ArcGIS9.0下提取流域河网,对河流等级体系与海拔、坡度以及区域植被覆盖情况进行了分析,并结合现场调查划分澎溪河流域的河溪体系。结果如下:(1)澎溪河流域划分为7级河溪系统。1级河溪的数量和长度均超过总量的50％,是流域河网主要的构成成分。(2)随河溪等级的增加,河溪分布的海拔范围和平均海拔都呈下降趋势,坡度范围和平均坡度也呈下降趋势；(3)随河溪等级的增加,河岸缓冲区内NDVI指数逐渐降低,反映出随河溪等级的增加,河岸植被受到外界干扰的增加,植被生长力逐渐下降；(4)综合分析河溪与海拔、坡度及NDVI指数的关系后,结合现场调查的结果,定义澎溪河流域1～3级为溪,4～7级为河。
　　 2.本文采用植物群落学调查方法,对澎溪河河岸植物群落特征进行了研究。结果表明:(1)河岸植物中共有维管植物151科470属859种,其中蕨类植物23科31属59种,裸子植物7科11属14种,被子植物121科428属786种,植物种类较为丰富；三峡水库蓄水影响的澎溪河下游河段共有维管植物79科188属227种,蕨类植物19科22属25种,被子植物60科166属202种:单种科、少种科、单型属、单种属和少种属在植物区系组成中占比例较大,体现了河岸带生境条件恶劣,植物群落组成的独特性。(2)植物生活型构成以草本植物为主,共540种,占总种数的62.87％；其次,灌木224种,占总种数的26.08％,乔木95种。受三峡水库蓄水影响的澎溪河下游河段河岸植物生活型组成充分体现了三峡水库蓄水后河岸带由陆生生态系统向湿地生态系统演替的趋势,227种植物中,水生草本107种,陆生草本97种,乔木6种,灌木17种。(3)区系地理成分复杂多样。科的分布区类型中,世界分布、泛热带分布和北温带构成植物区系的主体,分别占总科数的34.38％、25.78％、12.50％；属的分布区类型中,温带成分200属,占总属数的45.55％,热带成分178属占40.55％,反映出植物群落的过渡性。澎溪河河岸植物群落组成充分体现了澎溪河中亚热带向北亚热带过渡地区的特点,植物混杂现象较为突出,植物群落组成中珍稀、古老、孓遗、特有植物较多,体现出河岸带生境条件复杂,维持了较高的生物多样性。
　　 3.为研究河溪等级体系对河岸植被的影响,对澎溪河干流上游东河流域1～6级河溪河岸植被进行研究,对相关环境因子和河岸植物多样性进行分析。结果表明:(1)各环境因子随河溪等级的变化而变化。(2)总的物种丰富度、灌木层、草本层和草本样方的物种丰富度沿河溪等级增加先升高后降低的趋势,乔木层物种丰富度和灌木样方物种丰富度随河流级别增加逐渐下降。(3)植物群落多样性、优势度和均匀度随河溪等级的变化而变化。进一步分析表明,河溪等级变化对河岸生境、河岸植物群落多样性以及外界干扰都产生影响,因此,在进行河岸植被管理时应按照河岸植被的空间分布规律,也就是河岸植被在不同河溪等级上的分布情况,对不同的河溪级别实施针对性的河岸植被管理战略,即河岸植被分级管理策略。
　　 4.采用双向指示种分析法(TWINSPAN)和去趋势典范对应分析法(DCCA),以澎溪河干流上游东河为研究对象,从植物种、植物群落与环境因子之间的相互关系,对河岸植物群落的生态梯度进行研究。结果表明:(1)TWINSPAN分类将42个样地划分为15个群丛,其中森林类型4个,灌丛和灌草丛11个,植物群落具有明显的次生性,表明河岸带受到人类活动的干扰。(2)DCCA排序较好的揭示了河岸植物群落分布格局与海拔、河岸坡度、坡向、河岸宽度、底质类型、底质异质性、河流宽度、河流级别等自然环境因子和人为干扰的关系。进一步分析表明,海拔和人为干扰是影响河岸植物群落结构及分布格局的主导因子,河流宽度、河岸宽度、底质异质性和河流级别对河岸植物群落特有也有一定的影响。(3)结合环境因子的相关关系和DCCA排序结果,海拔对河岸植物分布起决定作用,其次是人为干扰、河岸宽度、河流宽度、河溪级别。研究表明,河岸植物群落在具有明显的沿海拔梯度变化的垂直梯度格局；沿河流纵向和侧向梯度变化,河岸植物群落具有典型的“片段化”分布格局；从植物群落物种组成和群落类型看,河岸植物群落是典型的次生植物群落。
　　 5.以澎溪河上游白里河、小圆河、满月河上三个小型引水式电站为对象,研究山地河流水电开发对河岸植被的影响,从而为水电开发影响下的河岸植被管理提供帮助。结果表明:(1)水坝上下游共发现维管植物125种,乔木14种,灌木30种,草本71种,其中湿生植物27种。(2)植物群落特征(物种丰富度和植物群落盖度)在河流之间和水坝上下游河段之间都存在显著的差异；不同溪流之间植物群落的差异性大于同一溪流的水坝上下游的植物群落。表明水坝建设已经导致河岸植物群落发生变化,但水坝导致的变化小于河流之间自然属性差异导致的变化。(3)从植物群落组成成分看,水坝下游出现了一些典型的旱生和属于周边高地植被的植物种类,如柏木(Cupressus funebr)等,水坝上游河段出现了耐水淹、抗冲刷的植物种类,如满江红(Azolla imbircata)、尼泊尔蓼(Polygonum nepalense)等。
　　 6.三峡水库蓄水淹没是澎溪河干流河段面临的主要干扰因素,三峡水库“蓄清排浑”的运行方式在三峡水库库周两侧形成垂直落差30 m,“冬水夏陆”的水位变动带,植物群落的组成、群落特征及空间格局都受到影响而发生变化。为了解三峡水库173 m蓄水后消落带植物群落的空间分布格局,探讨消落带生物多样性维持的生态学机制,在澎溪河消落带,沿河流纵向梯度和侧向梯度调查分析了植物群落物种丰富度以及物种丰富度与淹水时间、底质类型等环境因子的关系。结果表明:(1)在河流纵向梯度上,消落带植物物种丰富度、灌木层物种丰富度和草本层物种丰富度沿河流纵向梯度均表现出相似的格局特征,利用抛物线方程拟合,物种丰富度与到达河口的空间距离呈显著相关。(2)沿河流侧向梯度,总物种丰富度和草本层物种丰富度随高程增加先升高后降低；乔木层物种丰富度和灌木层物种丰富度随高程升高而增加。(3)相关分析表明,在河流纵向梯度上,物种丰富度随底质类型增加而增加。在河流侧向梯度上,物种丰富度与土壤水分、底质异质性相关性明显。研究表明,在河流纵向梯度上,距河口的空间距离对消落带植物物种丰富度具有重要控制作用；河流侧向梯度上,淹水时间、土壤水分和底质异质性对植物群落的分布格局有重要影响。研究表明在三峡水库173 m蓄水以后,消落带植物群落物种丰富度格局与天然河流河岸植被仍有类似的变化规律,但由于水位的季节性变动,已经开始形成自己独特的变化格局。
　　 7.以澎溪河一级支流白夹溪为例,通过样地调查和室内分析,研究了河岸植被与土壤理化因子的关系。结果表明:(1)聚类分析将河岸划分为5个不同的高程带,代表了5个不同的微生境。高程155-160 m的物种丰富度和Shannon-Wiener指数明显高于其他高程带,高程小于150 m的区域物种丰富度和Shannon-Wiener指数都是最低的。(2)单因素方差分析表明,在不同的生境条件下,土壤理化因子差异显著。(3)相关分析表明土壤类型、土壤异质性、土壤湿度和土壤速效钾含量都显著影响河岸植物物种丰富度和Shannon-Wiener多样性；Shannon-Wiener多样性还与土壤pH显著相关。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 相关概念

1.2 河岸植被研究方法

1.2.1 传统的植被生态学的方法

1.2.2 景观生态学研究方法

1.2.3 “3S”技术在河岸植被研究中的应用

1.2.4 恢复生态学研究方法

1.3 河岸植被的功能

1.3.1 生境

1.3.2 河岸稳定性

1.3.3 水质、水量控制

1.3.4 微气候调节

1.3.5 景观

1.4 河岸植被影响因素分析

1.4.1 人类活动影响

1.4.2 全球变化对河岸植被的影响

1.5 研究内容和意义

1.5.1 研究内容

1.5.2 科学意义及应用价值

1.5.3 创新点

2 澎溪河流域自然环境概况

2.1 地理位置

2.2 地形地貌

2.3 地质

2.4 土壤

2.5 气候气象

2.6 水文

2.6.1 降雨量和径流量

2.6.2 输沙量

2.7 植物和动物

2.8 澎溪河面临的威胁

2.8.1 盲目流域开发

2.8.2 河流水系连通性丧失

2.8.3 土地利用的改变

2.8.4 工业和污染物排放

2.8.5 三峡水库蓄水

3 澎溪河流域河流结构分析

3.1 研究方法

3.1.1 数据来源和处理

3.2 结果

3.2.1 集水区和河溪等级体系

3.2.2 河溪空间格局

3.2.3 溪流结构与NDVI的关系

3.2.4 澎溪河流域不同等级河溪的特征分析

3.3 讨论

3.4 结论

4 澎溪河流域河岸维管植物区系分析

4.1 研究方法

4.2 结果与分析

4.2.1 植物物种组成

4.2.2 植物生活型分析

4.2.3 地理成分的分布区类型分析

4.3 讨论

4.3.1 植物组成相对丰富,优势科、属明显

4.3.2 植物区系具有古老、孓遗和原始性

4.3.3 生活型组成以草本和灌木为主

4.3.4 种子植物地理成分复杂

4.4 结论

5 不同河溪等级河岸植物群落特征

5.1 研究区域概况与研究方法

5.1.1 研究区域概况

5.1.2 样地设置和野外调查

5.1.3 数据分析

5.2 结果与分析

5.2.1 环境因子分析

5.2.2 各级别溪流植物物种丰富度

5.2.3 各级别溪流植物物种多样性

5.3 讨论

5.3.1 环境因子分析

5.3.2 河岸植物群落特征

5.3.3 河岸植被空间分异

5.3.4 沿溪流级别的河岸植被干扰因子分析

5.3.5 河岸植被分级管理对策

5.4 结论

6 澎溪河流域河岸植被空间格局

6.1 研究方法

6.1.1 样地设置与野外调奄

6.1.2 数量分析

6.2 结果与分析

6.2.1 植被TWINSPAN分类

6.2.2 植被的DCCA排序

6.3 讨论

6.3.1 植被分类

6.3.2 植被排序

6.4 结论

7 山地河流水电开发对河岸植被的影响

7.1 研究区域概况和研究方法

7.1.1 研究区域概况

7.1.2 取样方法

7.1.3 数据分析

7.2 结果与分析

7.2.1 物种丰富度

7.2.2 群落盖度

7.2.3 DCA排序分析

7.3 讨论

7.4 结论

8 水位变动下河岸植物群落物种丰富度格局

8.1 研究区域概况与研究方法

8.1.1 研究区域概况

8.1.2 研究方法

8.2 结果与分析

8.2.1 物种丰富度的纵向空间梯度格局

8.2.2 物种丰富度的侧向空间梯度格局

8.2.3 物种丰富度与环境因子的相关性

8.3 讨论

8.3.1 沿河流纵向梯度的空间格局

8.3.2 沿河流侧向梯度的空间格局

8.4 结论

9 水位变动下河岸植被特征与土壤因子的关系

9.1 研究区域概况与研究方法

9.1.1 研究区域概况

9.1.2 研究方法

9.2 结果与分析

9.2.1 植被组成及其多样性

9.2.2 不同生境土壤理化性质分异

9.2.3 物种多样性与土壤理化因子相关性

9.3 讨论

9.4 结论

10 结论与展望

10.1 结论

10.2 展望

致谢

参考文献

附录

A.澎溪河流域河岸植物名录

B.博士期间发表及投稿的论文

C.作者在攻读博士学位期间参加科研项目