土地利用對東洞庭湖濕地植物多樣性及土壤性狀的影響*

李華軍 ，林 楊 ，王潤哲 ，王佑安 ，汪曉亞

（1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長沙 410000；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410000）

0 前言

自20 世紀(jì)下半葉以來，土地利用被確定為生態(tài)景觀格局和環(huán)境變化的最重要原因，歐洲和亞洲地區(qū)的土地覆蓋和土地利用發(fā)生了巨大變化。人們普遍認(rèn)為，一個(gè)地區(qū)的實(shí)際土地利用模式對各種生態(tài)現(xiàn)象有很大影響，如干擾傳播和動植物種群的水平運(yùn)動。因此，描述土地利用類型比例隨時(shí)間的變化可能對保護(hù)生物多樣性和發(fā)展景觀層面的可持續(xù)生態(tài)系統(tǒng)管理模式至關(guān)重要。在任何時(shí)間和空間尺度上，人類與環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換都很好地體現(xiàn)在土地利用及覆蓋變化上。

生物多樣性是評估生態(tài)系統(tǒng)是否運(yùn)行良好的關(guān)鍵指標(biāo)，可提供高效的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的價(jià)值可以體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)中各種可用服務(wù)的直觀價(jià)值，例如物種數(shù)量、群落的穩(wěn)定性、環(huán)境的調(diào)節(jié)功能以及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)出等方面。作為自然生態(tài)系統(tǒng)的載體，土地利用類型的變化不僅會破壞生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力，還會直接促進(jìn)一個(gè)地區(qū)土地生產(chǎn)力的變化。土地利用類型的不當(dāng)變化除了會導(dǎo)致防洪能力下降外，還會導(dǎo)致土地退化、水源污染和水質(zhì)惡化等負(fù)面后果。

許多學(xué)者對生物多樣性的影響因素進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)影響生物多樣性的因素眾多且復(fù)雜，但環(huán)境因素被認(rèn)為是影響生物多樣性的最重要因素之一。生物因素僅在小范圍內(nèi)成為群落多樣性的影響因素，而環(huán)境因素和人為因素則在一系列尺度上產(chǎn)生影響。各種景觀格局是在生物和人為因素的作用下產(chǎn)生的，各種形式、功能和生態(tài)過程共同影響著該地區(qū)的生物多樣性。

濕地生態(tài)系統(tǒng)是指在水分條件影響下形成的具有特殊生態(tài)功能的自然系統(tǒng)，它對人類和自然環(huán)境都有重要作用[1]。濕地具有調(diào)節(jié)環(huán)境、控制水平衡、緩解污染和調(diào)節(jié)氣候等作用，還可以保護(hù)生物多樣性，提供豐富的物種資源和基因資源[2-5]。并且能夠提供一定的經(jīng)濟(jì)效益，為人類提供食物、纖維、藥物、能源等產(chǎn)品[6]。目前，濕地周邊的城鎮(zhèn)化和工業(yè)化建設(shè)飛速增長，化學(xué)農(nóng)藥的使用，污水灌溉及公路、鐵路建設(shè)時(shí)所殘留的廢棄物，材料運(yùn)輸時(shí)所排放的尾氣等人類活動產(chǎn)品對濕地生態(tài)系統(tǒng)造成了一定的影響[7]。而土地利用的變化會導(dǎo)致土壤中生物包括植物、動物和土壤本身的理化性質(zhì)的改變，進(jìn)而改變土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，最終影響區(qū)域的系統(tǒng)服務(wù)功能[8]?？偨Y(jié)來說，土地利用變化會改變植物群落結(jié)構(gòu)和組成，影響植物種類、數(shù)量和分布[9]。

東洞庭湖區(qū)域核心區(qū)分布于亞熱帶氣候東部季風(fēng)區(qū)，對維護(hù)長江中下游地區(qū)的生態(tài)平衡、生態(tài)環(huán)境起到了無可取代的作用[10]。盡管關(guān)于東洞庭湖濕地植物多樣性及土壤性狀的文獻(xiàn)報(bào)道很少，但大多是以樣地觀測和野外觀測資料為基礎(chǔ)，對東洞庭湖地區(qū)核心區(qū)的濕地生物量與空間分布進(jìn)行全面的評價(jià)。對東洞庭湖濕地多年來生態(tài)格局變化的研究發(fā)現(xiàn)，以往的研究強(qiáng)調(diào)東洞庭湖的水文調(diào)蓄等功能，關(guān)注濕地污染情況以及濕地動植物的保護(hù)保育情況等方面，而針對植被多樣性與人類活動的關(guān)系及其發(fā)生機(jī)制的研究則較少，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探索。

本研究對東洞庭湖地區(qū)核心區(qū)生物量變化監(jiān)測、資源保護(hù)、合理利用具有一定的參考價(jià)值。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

東洞庭湖區(qū)域位于湖南省岳陽市，地處長江中下游荊江江段南部，面積132 800 km2，地理坐標(biāo)29°00′～29°38′N，112°43′～113°14′E。地形平坦，北面有大約3%的坡度，總體地形是一個(gè)非常不穩(wěn)定的盆地。選擇東洞庭湖濕地核心區(qū)為研究區(qū)，面積455 km2。東洞庭湖國家級自然保護(hù)區(qū)成立于1982 年，1992 年加入“國際重要濕地公約”，被列為我國首批加入“國際重要濕地公約”的六個(gè)國際重要濕地之一。

1.2 土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)及分類方法

根據(jù)GB/T 21010—2017《土地利用現(xiàn)狀分類》，東洞庭湖土地利用類型分為林地、耕地、草地、未利用地、建筑用地五種類型，按照這五種類型分別對不同土地利用類型的植物群落特征、多樣性情況和土壤理化性狀進(jìn)行研究。

1.3 樣品收集與測定

1.3.1 樣品采集

在研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)樣地共108 個(gè)，在此樣地內(nèi)測定植物多樣性，隨后記錄樣方內(nèi)植被物種名稱、覆蓋度、胸徑、相對多度和相對頻度等信息。并在樣點(diǎn)中心位置提取土樣進(jìn)行土壤性狀分析，土壤性狀、植被等數(shù)據(jù)在2022 年野外考察中采集。重金屬和土壤性狀收集方面，利用彼得遜采泥器在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)對表層沉積物（深度0～10 cm）取樣3次。將土壤等樣品混合后放入專用密封袋進(jìn)行保存，并進(jìn)行風(fēng)干處理和生物殘?bào)w剔除等其他處理。

1.3.2 重金屬測定

測定土壤理化性質(zhì)，選取土壤pH 值、硝態(tài)氮（NO3-N）、速效磷（AP）、黏粒比例、粉粒比例、砂粒比例、有機(jī)碳含量（SOC）幾項(xiàng)指標(biāo)，其中，pH 值在現(xiàn)場測量完成，硝態(tài)氮用凱式定氮法測量，速效磷用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測量，有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀法測量。

1.4 植物重要值及多樣性計(jì)算方法

植物多樣性測定需要在濕地中設(shè)置合適大小和形狀的樣方，記錄樣方中植物的種類、數(shù)量、蓋度、高度等數(shù)據(jù)。濕地植物群落多樣性計(jì)算則需要根據(jù)不同的指數(shù)公式，利用樣方數(shù)據(jù)計(jì)算出相應(yīng)的值。本研究采用的指數(shù)有Shannon-Wiener 指數(shù)、Simpson 指數(shù)、Richness指數(shù)。

式中，Pi為第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)ni占調(diào)查物種個(gè)體總數(shù)N的比例，即Pi=ni/N；i=1,2,3,...,S；S為物種數(shù)。

式中，D為多樣性指數(shù)；N為物種個(gè)體總數(shù)；ni為第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)。

式中，P為總樣本數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

運(yùn)用Microsoft Office Excel等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理與統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析法分別分析不同區(qū)域（土地利用類型）內(nèi)各多樣性指數(shù)、土壤理化指標(biāo)間差異，對生物多樣性和土壤理化性質(zhì)之間關(guān)系的研究多采用傳統(tǒng)的多元分析方法，但是由于環(huán)境因子易受到外界因素的影響，使結(jié)果可能具有一定的主觀性，冗余分析（RDA）可以避免數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和多元分析的缺點(diǎn)。使用蒙特卡洛檢驗(yàn)對研究區(qū)不同污染梯度下植被群落多樣性指數(shù)和土壤環(huán)境因子進(jìn)行RDA 分析，運(yùn)用RDA 計(jì)算土壤理化性質(zhì)與群落物種多樣性之間的關(guān)系。

2 結(jié)果分析

2.1 土地利用類型對群落物種組成的影響

在調(diào)查的樣地中，通過樣方法共記錄植物物種數(shù)量271 種，其中有喬木70 種，灌木40 種，草本161種。樟科、薔薇科等在不同的土地利用類型樣地中均有出現(xiàn)，通過多豐富度指數(shù)和土地利用數(shù)據(jù)的分析得出，隨干擾強(qiáng)度增加灌木層和草本層之中群落優(yōu)勢種數(shù)量逐漸減少。

土地利用類型對不同層次的植物多樣性影響不同。1）喬木層物種多樣性相對穩(wěn)定，林地和建設(shè)用地差異不顯著，林地中的香農(nóng)維納指數(shù)H和辛普森指數(shù)D最大，分別達(dá)到5.464 6 和0.968 2。草地、耕地和未利用地三者差異不顯著，最低為未利用地，其香農(nóng)維納指數(shù)H和辛普森指數(shù)D最小，分別達(dá)到2.385 7和0.752 2。喬木中油桐、樟樹、烏桕、杉木、馬尾松、楊樹等占主導(dǎo)地位。2）灌木層多樣性受人為因素影響較大，林地內(nèi)的生物多樣性指數(shù)最大，其香農(nóng)維納指數(shù)H和辛普森指數(shù)D分別為5.123 9 和0.934 4，草地的多樣性指數(shù)最低，其香農(nóng)維納指數(shù)H和辛普森指數(shù)D分別為1.820 8 和0.635 8。3）草本層的多樣性受人為因素影響最大，規(guī)律不明顯，其中由于人為種植的原因和中度干擾的影響，耕地內(nèi)的生物多樣性指數(shù)最大，其香農(nóng)維納指數(shù)H和辛普森指數(shù)D分別為6.717 5 和0.971 2，未利用地的多樣性指數(shù)最低，其香農(nóng)維納指數(shù)H和辛普森指數(shù)D分別為1.908 9 和0.644 4。

2.2 土壤性質(zhì)基本情況

在不同的土地利用類型下，土壤的各項(xiàng)性質(zhì)也有所不同，有機(jī)碳含量最高的土壤屬于林地，pH 值呈弱酸性，適宜植物生長。耕地氮含量最高，主要是因?yàn)槿藶楦牧纪寥?，使植物生長養(yǎng)分充足。磷含量與氮含量的情況相似，建筑用地情況居中，草地的土壤養(yǎng)分含量較低，未利用地沙石含量最高，養(yǎng)分含量最低，植物多樣性也最低。

2.3 林地和耕地植物多樣性與土壤因子的RDA分析

從圖1 可知：在不同的土地利用類型RDA 分析中，林地土壤環(huán)境因子中速效磷、有機(jī)質(zhì)和電導(dǎo)率與豐富度指數(shù)呈正相關(guān)，土壤物理性狀、pH 值和植物多樣性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，其他指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)較?。桓氐呢S富度指數(shù)和pH 值呈負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)和速效磷等含量呈正相關(guān)，與其他指標(biāo)間相關(guān)性較小。

圖1 土壤基本情況與物種豐富度、香農(nóng)維納指數(shù)的冗余分析

3 結(jié)論

在不同的土地利用類型中，植被群落的多樣性與土壤理化性質(zhì)有密切聯(lián)系，尤其是在林地和耕地中，生物多樣性指數(shù)的高低與有機(jī)質(zhì)、速效鉀和電導(dǎo)率基本呈現(xiàn)正相關(guān)，與其他指標(biāo)相關(guān)系數(shù)較??；但是與pH值和土壤的顆粒大小呈負(fù)相關(guān)，與其他土壤指標(biāo)相關(guān)性較小。在耕地、林地土層中，重金屬（Fe）與植被多樣性指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，這在南方的土壤研究中可以進(jìn)一步進(jìn)行深入探討研究，以減少鐵和其他元素的干擾?？傮w而言，在耕地、林地土層中，土壤受到人類活動的影響和重金屬污染，導(dǎo)致土壤理化性狀發(fā)生改變，顯著改變了植物群落特征和生物多樣性特征。