三峡水库峡谷地貌区消落带土壤理化性质和植物群落对水位变化的响应

摘要

基于三峡水库巫山段和秭归段消落带海拔155m～175m区段经历水库水位涨落前（2008年）和经历多次水库水位涨落后（2009年、2012年、2015年）土壤理化性质和植物群落的定位监测，揭示长期水库水位涨落影响下消落带土壤理化性质和植物群落物种组成及群落结构的时空变化规律;通过对经历7次水库水位涨落后植物群落调查和分析，揭示消落带植物种群生态位和种间关联性，并采用CCA方法量化解析了消落带植物群落数量特征与土壤理化性质及三峡水库水文特征的相互关系，旨在为三峡水库峡谷地貌区消落带生态修复和生态防控提供科学依据。研究结果如下: (1)随着经历水库水位涨落次数的增多，巫山样地消落带土壤密度增加，总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、最大持水量、毛管持水量和田间持水量减少;秭归样地消落带土壤密度、毛管孔隙度、毛管持水量和田间持水量减少，总孔隙度、非毛管孔隙度和最大持水量增加。经历水库水位涨落前（2008年），各土层的土壤物理指标均为巫山样地＞秭归样地，经历1次（2009年）、4次(2012年)和7次（2015年）水库水位涨落后，除10～30cm各土层同一测定年份的土壤毛管孔隙度、毛管持水量和田间持水量始终表现为巫山样地＞秭归样地外，其他各土层的土壤物理指标均在某一测定年份变为秭归样地＞巫山样地。随着经历水库水位涨落次数的增多，大多数消落带土壤物理指标在土层间和海拔区段间的差异减小。 (2)随着经历水库水位涨落次数的增多，巫山样地和秭归样地消落带土壤全氮、速效氮、速效钾和有机质含量减少，全磷、全钾、速效磷含量和pH值增加。经历水库水位涨落前和经历1次水库水位涨落后，各土层的全磷、全钾和速效磷含量表现为巫山样地＞秭归样地，经历4次和7次水库水位涨落后则变为秭归样地消落带＞巫山样地消落带。大多数消落带土壤化学指标含量在土层间和海拔区段间的差异随着经历水库水位涨落次数的增多而减小。对照全国第二次土壤普查养分分级标准，经历7次水库水位涨落后，秭归样地消落带土壤全磷和速效磷含量达到极高等级，巫山样地消落带土壤速效磷含量为高等级，其它指标为中等及以下等级。在经历水库水位涨落过程中，以磷元素含量增加的幅度最大。 (3)随着经历水库水位涨落次数增多，巫山样地和秭归样地消落带土壤镉含量增加，铜、锌、铬含量先增加后减少，铅含量因监测样地不同而有所变化。经历水库水位涨落前，各土层的土壤重金属含量均为巫山样地＞秭归样地，经历1次水库水位涨落后的镉含量以及经历4次水库水位涨落后的锌和铬含量则变为秭归样地＞巫山样地。随着经历水库水位涨落次数的增多，大多数消落带土壤重金属含量在土层间和海拔区段间的差异不显著。地累积指数显示，经历水库水位涨落前，镉、铜、锌含量处于无污染状态，经历7次水库水位涨落后，镉含量为强度或极强度污染，铜和锌含量为中度污染;铬和铅含量始终处于无污染状态。经历水库水位涨落前镉含量的潜在生态风险为低等级，经历4次水库水位涨落后升至极高等级，经历7次水库水位涨落后仍维持在极高等级;其他土壤重金属含量的潜在生态风险始终处于低等级。在消落带土壤重金属中，以镉含量的潜在生态风险最大。 (4)在海拔155m～172m区段，经历水库水位涨落前共记录到56科146种植物（原生植物）。经历1次、4次和7次水库水位涨落后，原生植物种数累计分别减少了52.1％、67.8％和74.0％;始终在消落带存在的原生植物种数占18.5％(27种)。经历1次、4次和7次水库水位涨落后，分别记录到“新生”植物24科47种、14科19种和9科11种。在海拔172m～175m区段，经历水库水位涨落前（2008年和2009年）共记录到53科137种植物（原生植物）。经历2次（2012年）和5次（2015年）水库水位涨落后，原生植物种数累计分别减少了71.5％和78.8％;始终存在于消落带的原生植物种数占12.4％(17种)。经历2次和5次水库水位涨落后，分别记录到11科12种和12科14种“新生”植物。这些“新生”植物在消落带经历水库水位涨落过程中也在不断发生变化。经历水库水位涨落后，消落带优势植物主要是禾本科和菊科的草本植物。随着经历水库水位涨落次数的增多，一年生草本和多年生草本所占比例增加，灌木和乔木所占比例减少;物种丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数降低。 (5)经历水库水位涨落前后，不同海拔区段优势植物组成相似，但重要值大小不同;一年生草本随着海拔升高所占比例减少，灌木和乔木所占比例增加，多年生草所占比例沿海拔高度的变化规律不明显;物种丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数总体上随着海拔升高而增加。 (6)经历7次水库水位涨落后，消落带优势植物生态位宽度大小排序的结果是:鳢肠＞毛马唐＞鬼针草＞狗尾草＞稗＞金色狗尾草＞苍耳＞狗牙根＞香附子＞水蓼;生态位相似性比例较大的种对是:毛马唐—稗、鳢肠—苍耳、鬼针草—水蓼;生态位重叠值较大的种对是:鬼针草—水蓼、鳢肠—苍耳、狗牙根—香附子、毛马唐—稗。生态位宽度较大的植物种，与其他植物种的生态位相似性比例和生态位重叠值也大。消落带优势植物生态位相似性比例大于0.5的占51.1％，非消落带的同种植物仅占31.1％;消落带优势植物种间生态位重叠值大于0.5的占66.7％，非消落带的同种植物仅占44.4％。消落带大多数优势植物的生态位宽度、生态位相似性比例以及生态位重叠值较高，反映出消落带优势植物间的生态位分化程度较低，群落稳定性较差。 (7)经历7次水库水位涨落后，消落带主要植物总体间为显著正关联;经x2检验，在由18个主要植物组成的153个种对中，存在正关联的种对有78个，负关联的种对有75个;Jaccard指数小于0.2的种对占种对总数的82.4％;在Spearman秩相关性检验中，正相关种对74个，负相关种对79个。种对间Jaccard指数较小，消落带大多数种对间的关联不紧密。x2检验和Spearman秩相关性检验的结果基本一致。种对间负关联种对数所占比例较大，说明，消落带的生境还不稳定，植物种间还存在较明显的竞争。 (8)相关分析结果表明，水淹周期和水淹时间对消落带土壤理化性质具有显著的影响。典范对应分析(CCA)表明，水淹周期、水淹时间，磷、镉、铜、锌等含量以及pH值对消落带优势植物重要值影响较大，其次是氮钾、有机质含量以及持水量和孔隙度指标，土壤密度、水淹深度的影响相对较小。一年生草本所占比例受磷含量的影响，而多年生草本所占比例受水淹周期、水淹时间和pH的影响，灌木和乔木所占比例以及物种多样性指标受氮钾、有机质含量以及持水量和孔隙度指标等的影响，但主要起限制作用。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1．1研究背景

1．1．2研究目的和意义

1．1．3项目来源与经费支持

1．2国内外研究现状

1．2．1水库消落带土壤理化性质研究现状

1．2．2水库消落带植物群落研究现状

1．2．3存在的不足

1．3研究目标和主要研究内容

1．3．1研究目标

1．3．2主要研究内容

1．4技术路线

第二章研究区自然概况和研究方法

2．1研究区自然概况

2．1．1固定监测和临时调查样地自然概况

2．1．2三峡水库水位变化

2．2研究方法

2．2．1野外调查

2．2．2土壤理化性质的测定指标和测定方法

2．2．3数据处理与统计分析

第三章消落带土壤理化性质的时空变化

3．1土壤物理指标的时空变化

3．1．1土壤物理指标的时间变化

3．1．2土壤物理指标的空间变化

3．1．3土壤物理指标间的相关性分析

3．2土壤氮磷钾、有机质含量和pH值的时空变化

3．2．1土壤氮磷钾、有机质含量和pH值的时间变化

3．2．2土壤氮磷钾、有机质含量和pH值的空间变化

3．2．3消落带土壤化学指标间的相关性分析

3．2．4消落带土壤物理指标与土壤化学指标间的相关性分析

3．2．5土壤氮磷钾、有机质含量的状态评价

3．3土壤重金属含量的时空变化

3．3．1土壤重金属含量的时间变化

3．3．2土壤重金属含量的空间变化

3．3．3土壤pH值与重金属之间的相关性分析

3．3．4消落带土壤物理和化学指标与土壤重金属间的相关性分析

3．3．5土壤重金属污染及潜在生态风险评价

3．4小结与讨论

3．4．1对消落带土壤物理性质时空变化的分析

3．4．2对消落带土壤氮磷钾、有机质含量和pH值时空变化的分析

3．4．3对消落带土壤重金属含量时空变化的分析

第四章消落带植物群落物种组成和结构的时空变化

4．1消落带植物群落物种组成和结构的时间变化

4．1．1消落带原生植物种及其时间变化

4．1．2消落带“新生”植物种及其时间变化

4．1．3消落带的优势植物及其时间变化

4．1．4消落带的植物生活型及其时间变化

4．1．5消落带的植物α多样性及其时间变化

4．2消落带植物群落物种组成和结构的空间变化

4．2．1不同海拔区段的优势植物种类组成及其重要值

4．2．2不同海拔区段植物生活型组成的空间变化

4．2．3不同海拔区段植物α多样性的空间变化

4．3小结与讨论

4．3．1对消落带植物群落物种组成和结构时间变化的分析

4．3．2对消落带植物群落物种组成和结构空间变化的分析

第五章消落带优势植物种群生态位和种间关联性

5．1消落带优势植物种群生态位

5．1．1消落带优势植物和非消落带同种植物的重要值和生态位宽度

5．1．2消落带优势植物和非消落带同种植物的生态位相似性比例

5．1．3消落带优势植物和非消落带同种植物的生态位重叠

5．2消落带优势植物种间关联性

5．2．1消落带优势植物种间的总体关联性

5．2．2消落带优势植物种对间的关联性

5．2．3消落带优势植物种对间的关联强度

5．2．4消落带优势植物种对间的Spearman秩相关性检验

5．3小结与讨论

5．3．1对消落带优势植物种群生态位特征的分析

5．3．2对消落带优势植物种间关联性的分析

第六章消落带植物群落数量特征、土壤理化指标和水库水文特征的耦合关系

6．1土壤理化指标与水库水文特征间的相关性分析

6．2消落带植物群落数量特征与环境因子的典范对应分析

6．3小结与讨论

6．3．1三峡水库水位变化对消落带植物群落数量特征的影响

6．3．2消落带土壤理化性质对植物群落数量特征的影响

第七章结论与展望

7．1结论

7．2展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢