天津市北大港濕地自然保護區植物多樣性特征分析

蔡在峰，曲文馨，洪宇薇，劉雪梅

(天津城建大學 建筑學院，天津 300000)

城市濕地是城市生態環境的重要組成部分，其生態系統的穩定性主要通過生物多樣性體現。生物多樣性是一定區域內多種多樣活的有機體(動物、植物和微生物)有規律地結合在一起的總稱[1]。植物多樣性是生物多樣性中以植物為主體，由植物、植物與環境之間所形成的復合體及與此相關的生態過程總和[2]。濕地植物多樣性影響著濕地質量和野生動物的棲息地狀況，是生物多樣性研究的重要內容，對維持濕地生態功能和生態系統穩定有重要的理論和實踐意義[3-4]。

北大港濕地是天津市重要生態濕地之一，具有豐富的生物多樣性，也是東亞鳥類遷徙路線上的一個驛站[5]，每年都有大量水鳥遷徙時途徑此地。目前，對北大港濕地的研究主要有水生生物、水環境質量和候鳥種類等，缺乏對濕地植物物種的相關研究。為進一步了解北大港濕地生物多樣性，本研究對濕地植物種類、密度、頻度、生長狀況等進行生態調查，并計算得出多項生物多樣性相關指數，其結果有助于加強對北大港濕地植物群落組成的認識，有助于衡量北大港濕地植物群落結構的穩定性和群落功能的復雜性，同時也可以反映出當地對濕地生態環境的保護狀況，從而為今后濕地自然保護區的建設提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

天津市北大港濕地自然保護區地理坐標位置為東經117°11′～117°37′，北緯38°36′～38°57′，位于天津市大港區。保護區位于平原地帶，地勢無明顯起伏變化，土壤鹽堿度較高。保護區氣候四季變化分明，具有冬夏長、春秋短的特點，屬典型的暖溫帶半濕潤大陸型季風氣候[6]。

北大港濕地是1999年，經大港區政府批準建立的區級自然保護區。2001年，市政府批準該保護區升級為市級自然保護區，名稱改為北大港濕地自然保護區。保護區面積和功能區劃經多次調整后，最終確立保護區總面積為34 886 hm2，其中核心區面積11 802 hm2，緩沖區面積9 205 hm2，實驗區面積13 879 hm2(圖1)。

2014 年1 月，天津市出臺《天津市生態用地保護紅線劃定方案》，在北大港濕地自然保護區區域，劃定生態用地保護紅線區面積約208 km2，包括保護區核心區與緩沖區范圍；劃定黃線區面積約163 km2，包括保護區實驗區及水庫周邊 200 m范圍。2014年9月，天津市施行《天津市永久性保護生態區域管理規定》，將北大港濕地劃入天津市“永久性保護生態區域”，禁止占地以及企業進入實施項目開發[7]。目前，保護區內已經沒有原農村居民點，除李二灣區域內有幾處魚塘和分散小面積玉米地、獨流減河河灘上有幾處采油設施、北大港水庫北堤周邊有經濟作物—棗樹林和桃樹林、管理工作人員住房外，未發現其他違規開發建設現象。

圖1 天津市北大港濕地自然保護區區域分類Fig.1 The territorial classification of Beidagang wetland nature reserve in Tianjin

依照國家《自然保護區類型與級別劃分原則》，北大港濕地自然保護區屬于自然生態系統類別中的海岸生態系統類型。保護區植被在分區上屬暖溫帶華北落葉闊葉林區,但在植被分類上，它是一種非地帶性的濱海平原鹽生草甸植被[8]。植物群落的類型、生長和分布與土壤的鹽堿度有密切關系，主要有蘆葦群落、堿蓬群落、鹽地堿蓬群落、蘆葦—堿蓬群落、蘆葦—狗尾草群落、蘆葦—獐毛群落等。

1.2 評價方法

1.2.1 調查方法 在野外進行群落調查時，由于受人力、物力和時間的限制，一般只能抽取其中的一部分作為樣本來獲取數據并進行分析，進而推斷群落總體特征，這個過程稱為取樣[9]。本次調查采用典型取樣，即根據保護區植物群落特點和土壤特征，在有代表性的地段上設置樣地，共設置10 m×10 m的方形樣地405個，其中：調查喬木層物種的樣地35個，主要包括刺槐群落10個、山楊群落7個和榆樹群落5個，每個樣地中設置 10 m×10 m的方形樣方1個，記錄各物種種名、平均高度、胸徑和株數；調查灌木層物種的樣地83個，主要包括檉柳群落27個、紫穗槐群落23個、羅布麻群落13個和興安胡枝子群落8個，每個樣地設置5 m×5 m的方形樣方4個，共計樣方332個，記錄樣方中物種種名、平均冠幅、平均高度和株(叢)數；調查草本層物種的樣地287個，主要包括蘆葦群落75個、蘆葦—堿蓬群落40個、蘆葦—狗尾草群落39個、蘆葦—獐毛群落36個、堿蓬群落30個和蘆葦—鹽地堿蓬群落23個，在每個樣地四角及中心各設置1個1 m×1 m的方形樣方，共計1 435個，記錄所發現的物種種名、株(叢)數、高度、蓋度、優勢種及物候期等。各植物層部分樣地分布見表1。以《天津植物志》(2004)和《中國植物志》(1998)為依據，對調查過程中所發現的物種進行鑒定、分類和統計。

表1 調查樣地分布Table 1 Survey sample distribution table

1.2.2 評價指標 植物種的重要值：重要值是評價某一種植物在濕地群落中作用的綜合性數量指標[10]，計算方法為將各植物層所調查發現同一物種的所有數據進行合并后，分別按照如下公式進行計算：

IV=RDE+RCO+RFE

式中，IV為重要值，RDE為相對密度(某個植物種的密度與全部植物種密度總和之比)，RCO為相對蓋度(某個植物種的蓋度與全部植物種蓋度總和之比)，RFE為相對頻度(某個植物種的頻度與全部植物種頻度總和之比)。

物種多樣性：文中所分析的物種多樣性指數是指α多樣性，即指示某個群落或生境內部的多樣性[11]。計算方法為核心區、實驗區和緩沖區各區域中的同一物種的數據進行合并后，按照如下主要測度指標及公式計算，然后將各區域、各植物層的計算結果進行分類統計和比較分析。

物種豐富度指數：Margalef指數(dMa)(1958)dMa=(S-1)/lnN

Pielou均勻度指數(J)J=H/lnS

各式中，S為物種數目，Ni為某個種的個體總數，N為全部種的個體總數[11-12]。

2 結果與分析

2.1 植物物種組成與數量特征分析

2.1.1 植物組成統計與分析 植物生長型是表征群落外貌特征和垂直結構的重要指標[13]。本文的研究對象為喬木、灌木和草本這3個最主要的類型，也是植物群落垂直結構最主要的3個層次。據調查統計，在北大港濕地自然保護區內發現并記錄植物43科113屬，共153種(除人工栽培外)。其中，喬木、灌木、草本分別占保護區植物總種數的5.23%、5.88%和88.89%(表2)。由此可知，草本植物是北大港濕地自然保護區植物物種的主要組成成分，對保護區內植物物種多樣性具有重要影響。

以《中國植被》(1980)的分類系統為依據[14]，保護區草本植物按照生活周期分為1 a生草本、 2 a生草本和多年生草本，分別占草本植物總種數的52.21%、2.94%和44.85%(表3)。可見，保護區草本植物以1 a生草本為主，占草本植物總種數的一半以上；其次為多年生草本，與1 a生草本僅差10種，差距很微弱；2 a生草本最少，僅有4種，差距明顯。含5種植物及以上的科中， 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，而多年生草本雖然僅有禾本科和菊科，但共含24種植物，占多年生草本植物總種數的1/3以上，是多年生草本植物的主要組成成分，所以1 a生草本植物所含科數雖然不及多年生草本，但其總種數卻多于多年生草本。

2.1.2 植物種重要值分析 在北大港濕地自然保護區中，重要值較高的草本植物種類見表4。數據顯示，保護區中蘆葦(Phragmitesaustralis)的重要值最高，是其他物種的十倍甚至百倍，說明蘆葦最能適應保護區的生存環境，屬于保護區內優勢程度最高的物種，在保護濕地生態環境過程中發揮著無法替代的作用。其他物種，如狗尾草(Setariaviridis)、獐毛(Aeluropussinensis)、虎尾草(Chlorisvirgata)等重要值較高的物種，也具有較強的適應能力，在該生境下可以良好生長，但長勢、分布范圍及出現頻率遠不及蘆葦。此外，在鹽堿度較高的區域，只有耐鹽堿的植物才可以良好生長，如鹽地堿蓬(Suaedasalsa)、鹽角草(Salicorniaeuropaea)等物種，這些植物亦具有較強的指示作用，用來指示區域鹽堿度的高低。

表2 北大港濕地自然保護區植物物種組成Table 2 Plant species composition of Beidagang wetland nature reserve

表3 北大港濕地自然保護區草本植物生活型統計Table 3 Statistics of herbaceous plant life form in Beidagang wetland nature reserve

表4 北大港濕地自然保護區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，雖然灌木和喬木物種數少于草本植物，但其在維護保護區生態平衡過程中是不可或缺的。灌木層植物物種中，檉柳(Tamarixchinensis)和紫穗槐(Amorphafruticosa)的重要值高于其他灌木物種，主要分散分布于道路兩側，群落內伴生有少量草本植物；羅布麻(Apocynumvenetum)、興安胡枝子(Lespedezadaurica)等其他物種主要與草本植物混生，鮮有某一物種大面積叢生，主要分散分布于保護區土壤肥沃的區域。喬木層植物物種中，刺槐(Robiniapseudoacacia)的重要值要高于其他喬木，既形成單獨的刺槐林，也會混生于其他喬木群落中，頻度較高；其他喬木物種主要為多種混生，共同組成群落，林下空間大量分布蘆葦(Phragmitesaustralis)、狗尾草(Setariaviridis)、牽牛(Iipomoeanil)、鵝絨藤(Cynanchumchinense)等草本植物，偶有灌木伴生，群落中層次明顯，結構復雜。

表5 北大港濕地自然保護區灌木和喬木物種重要值Table 5 Important values of shrub and arbor species in Beidagang wetland nature reserve

2.2 物種多樣性特征分析

2.2.1 物種豐富度分析 物種豐富度是指一個群落或生境中物種數目的多寡[15]。在同一生境或群落內，所觀察記錄到的個體總數是一定的，物種數目越多，則豐富度指數越高。同理，Marglef指數的數值越大，反映出該群落或生境的物種豐富度越高，物種數目越多。通過計算保護區各區域的Marglef指數發現，實驗區的物種數目最多，物種豐富度最高，核心區次之，緩沖區最低，呈現實驗區>核心區>緩沖區的規律(圖2)。

2.2.2 物種多樣性指數分析 Shannon-Wiener多樣性指數是用來描述物種個體出現的紊亂和不確定性的，指數的值越大，不確定性越大，多樣性也就越高，其影響因素有兩個：物種的數目和物種中個體分配的均勻性[12]。其中的不確定性主要體現在物種個體分配的平均程度上，物種分配越平均，不確定性越大。通過計算保護區各區域的Shannon-Wiener多樣性指數發現，核心區的Shannon-Wiener多樣性指數值最大，緩沖區和實驗區相近，呈現核心區>緩沖區≈實驗區的規律(圖2)，說明核心區植物群落的不確定性最大，物種分配的平均程度最高，物種多樣性最高，而緩沖區和核心區的物種多樣性差距甚微。

Simpson指數又稱優勢度指數，表示在群落中進行隨機取樣，抽中的兩個個體屬于不同種概率的大小。指數的計算值越大，表示屬不同種的概率越高，說明群落中物種種類較多，各物種的分布也較均勻，并沒有哪一種屬于優勢種；反之，指數的計算值越小，說明群落中物種種類較單一，且某一物種大量集中分布，優勢度明顯。通過計算保護區各區域的Simpson指數，呈現核心區>緩沖區>實驗區的規律(圖2)，說明核心區的植物群落內物種分布的均勻程度最高，而實驗區的植物群落內優勢種明顯，優勢種的分布集中。

Pielou指數是物種均勻度的指標，一般用來表征群落中物種空間分布的均勻程度，指數的計算值越大，說明植物分布越均勻[16]。通過計算保護區各區域的物種均勻度指數，發現Pielou指數的數值呈現核心區>緩沖區>實驗區的規律(圖2)，說明核心區植物群落中的各物種在空間分布上的均勻程度最高，緩沖區次之，實驗區最低。

圖2 北大港濕地自然保護區各區域植物多樣性指數Fig.2 Theplant diversity index of each region in Beidagang wetland nature reserve

2.3 不同區域物種多樣性比較

2.3.1 物種豐富度比較 分別計算各結構層植物群落在各區域的物種豐富度，結果表明(圖3)：草本層植物群落的Marglef指數值呈現核心區≈實驗區>緩沖區的規律，灌木層和喬木層植物群落的Marglef指數值呈現實驗區>核心區>緩沖區的規律。說明核心區和實驗區的草本植物物種豐富度均較高，且相差甚少，擁有的物種數目較多，而實驗區灌木和喬木的物種豐富度最高，核心區次之，緩沖區最低。

2.3.2 物種多樣性指數比較 分別計算各結構層植物群落在各區域的Shannon-Wiener多樣性指數，結果表明(圖3)：草本層植物群落的Shannon-Wiener指數值呈現核心區>緩沖區>實驗區的規律，灌木層和喬木層植物群落的Shannon-Wiener指數值呈現實驗區>核心區>緩沖區的規律。說明核心區草本植物群落的不確定性要高于緩沖區和實驗區，物種個體分配的均勻程度要高，物種多樣性高；而實驗區灌木層和喬木層植物群落的物種多樣性高于核心區和緩沖區。

分別計算各結構層植物群落在各區域的Simpson指數，結果表明(圖3)：草本層植物群落的Simpson指數值呈現核心區>緩沖區>實驗區的規律，灌木層和喬木層植物群落的Simpson指數值呈現核心區>實驗區>緩沖區的規律。說明核心區各結構層植物群落中物種的分布較均勻，沒有明顯的優勢種存在，緩沖區草本層植物群落物種的優勢程度低于實驗區，而灌木層和喬木層植物群落物種的優勢程度卻高于實驗區。

分別計算各結構層植物群落在各區域的物種均勻度，結果表明(圖3)：草本層植物群落的Pielou指數值呈現核心區>緩沖區>實驗區的規律，灌木層和喬木層植物群落的Pielou指數值呈現核心區>實驗區>緩沖區的規律。說明核心區各結構層植物群落在空間分布的均勻程度均高于緩沖區和實驗區，緩沖區草本層植物群落在空間分布的均勻程度高于實驗區，而灌木層和喬木層植物群落在空間分布的均勻程度低于實驗區。

圖3 各區域植物物種多樣性指數比較Fig.3 Comparison of plant species diversity indices by region

3 討論與建議

保護區現狀為：組成實驗區的4個部分間的關聯性較低，既有大面積的水域，也有大面積的鹽堿地，大部分區域受人為干擾程度高，導致各部分間的生境條件也存在不同程度的差異，且布局分散，所涉及的區域廣泛，面積大，植物群落內物種的分布極不均勻，適應性強的物種會大面積集中分布，優勢程度明顯，如具有耐鹽堿特性的堿蓬(Suaedaglauca)和鹽地堿蓬(Suaedasalsa)等物種會在大面積的鹽堿地中集中生長，而沒有其他物種的存在，從而導致實驗區植物群落復雜程度較低；核心區受保護程度高，人類干擾少，各物種均能在區域內良好生長，雖也有鹽堿地存在，但其面積較小，鹽堿度也較低，除耐鹽堿的物種外偶有適應性強的其他物種生長，群落結構復雜；緩沖區有大面積的魚塘分布，生境條件較為惡劣，因此只有適應性強的物種才能生長，導致其物種種類明顯少于核心區和實驗區，整個緩沖區的生境條件沒有明顯差異，各物種出現在某一區域的概率相近，并沒有明顯的優勢種存在。這與對調查數據分析得出的結論基本吻合，可見，此次研究具有較高的可靠性，所以基于本研究，對保護區今后的建設發展提出如下建議：

要加強對緩沖區和實驗區的保護，其管理模式可以參考核心區，即劃定嚴格的保護區界限，在非對外開放區域設置防護圍欄，在主要出入口出設置管理處，嚴格禁止非工作人員的出入。

建立生物多樣檢測機制，加強保護區生物多樣性檢測。要重點關注對生態環境變化有指示作用的動植物，通過動物的行為變化和植物的生長狀況來預測和推斷生態環境的變化，及時采取相關措施，避免生態惡化現象的發生。

相關政府部門要明確分工，加大監管力度。禁止經濟作物林和農田使用農藥化肥；除防火要求進行必要蘆葦砍伐外，禁止任何人員在保護區從事砍伐活動；除必要工程建設外，禁止任何大型機械進入保護區非道路部分；嚴格控制外來人員隨意出入保護區。

加強對保護區內相關工作人員和相關經濟產業負責人的培訓教育，尤其是防火教育和生態保護意識，除必要工作外，禁止人員在保護區內隨意活動。

通多豐富的多媒體手段，普及生態保護知識，增強民眾生態意識，培養保護生態的自覺性和主動性，在保護區對外開放的區域內活動時嚴格自律，不做出任何破壞生態環境的行為。