（环境科学专业论文）三峡库区消落带植被的生态学研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 水蓼、一年蓬等，其物候期均有所提前，生活史较实际情况缩短；而多年生并具有匍 匐茎或根状茎的植物，如水花生、艾蒿、蓰草等，其物候期与实际情况基本吻合，没 有明显差异。消落带常见优势植物均能够较好地适应水淹干扰，但它们的适应策略有 一定差异。 综合考虑库区消落带的生态功能、经济价值及景观美化，针对消落带1 5 5 1 7 5 m 高程地段提出植被管理方案，即对植被覆盖率较高地区的植被进行周期性收割，以减 少氮磷元素对库区水体富营养化的贡献率，同时维持消落带生态系统的生物多样性。 关键词：消落带，植被，数量分类，生物量，氮，磷，物候，适应策略 英文摘要 a b s t r a c t a3 0 mh y d r o f l u c t u a t i o nz o n e ( h f z ) w a sf o r m e da l o n gt h eb a n k so ft h r e eg o r g e s r e s e r v o i r ( t g r ) b e c a u s eo fi t so p e r a t i n gs c h e m et h a th i g hw a t e rl e v e lf r o ma p r i lt o s e p t e m b e rw h i l el o ww a t e rl e v e lf r o mo c t o b e rt om a r c ho fn e x ty e a r t h a tm a k e st h eh f z h a v i n ga w e a ke c o l o g i c a lc a r r y i n gc a p a c i t ya n dt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n tg o i n gw o r s e v e g e t a t i o ni n v e s t i g a t i o na n ds a m p l e sc o l l e c t i o nw a sc o n d u c t e da tt h r e ee l e v a t i o nz o n eo f t h eh f z ( 14 5 15 5 m ，15 5 16 5 m ，16 5 - 17 5 m ) a n do n ec o n t r o le l e v a t i o n ( m o r et h a n17 5 m ) i n c h o n g q i n gs e c t i o no ft g ri na p r i l2 0 11 ，j u l y2 011a n ds e p t e m b e r2 011 t h em a i n v e g e t a t i o nt y p e s ，b i o d i v e r s i t yc h a r a c t e r i s t i c s ，b i o m a s sa n dn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s c o n t e n t sa tt h ec o m m u n i t yl e v e l ，a sw e l la st h ep h e n o l o g ya n da d a p t i v es t r a t e g yo ft h e d o m i n a n ts p e c i e sw e r ea n a l y z e d t h ea b o v eg r o u n dv e g e t a t i o nm a n a g e m e n ts c h e m ew a s p r o v i d e df u r t h e r l yw i t ht h e o r ya n dd a t at om a i n t a i nt h ee c o l o g i c a ls y s t e ms t a b i l i t yo fh f z t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h i ss t u d ya r ea sf a l l o w s t w i n s p a nq u a n t i t a t i v ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o dw a su s e dt oa n a l y z ep l a n t c o m m u n i t yt y p e si nt h eh f zo ft g r t h et y p e sa tt h ee a r l yt i m e ，t h em i d d l et i m ea n dt h e e n do ft h en o n - s u b e r m e r g e dp e r i o dw e r e6 ，5a n d8r e s p e c t i v e l y a f t e rt h es u b e r m e r g e d p e r i o d ，c o m m u n i t yt y p e sw e r el e s sa tt h ee a r l yt i m e ( a p r i l ) ，b u tt h ec o m m u n i t yt y p e s i n c r e a s e da tt h ee n do fn o n - s u b e r m e r g e dp e r i o d a tt h ee a r l yt i m eo fn o n - s u b e r m e r g e d p e r i o d ，t h ec o m m u n i t i e st y p e si nw h i c ht h ec r a w l - t y p es p e c i e sw e r et h ed o m i n a n ts p e c i e s w e r ep r e d o m i n a n t a tt h ee a r l yt i m eo fn o n - s u b e r m e r g e dp e r i o d ，t h e r ew e r es i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e so fc o m m u n i t yt y p e sa m o n gt h ed i f f e r e n te l e v a t i o n s a st h er e c o v e r yt i m e p r o l o n g e d ( j u l ya n ds e p t e m b e r ) ，t h i sd i f f e r e n c ed e c r e a s e dg r a d u a l l y a f t e rt h el o n gs u b e r m e r g e dp e r i o do ft h eh f zi nt g r ，t h ep r o c u m b e n t g r o w t h - f o r mw a st h em a i nf o r ma tt h ee a r l yt i m eo ft h en o n - s u b e r m e r g e dp e r i o d w i t ht h e e x t e n s i o no ft h er e c o v e r yt i m e ，t h ed o m i n a n c eo ft h ep r o c u m b e n tg r o w t h f o r ms p e c i e s g r a d u a l l yr e d u c e da n do t h e rg r o w t h - f o r ms p e c i e si n c r e a s e d a f t e rt h es u b e r m e r g e dp e r i o d o ft h eh f z ，t h es p e c i e sr i c h n e s s ，s h a n n o n - w i e n e ra n ds p e c i e se v e n n e s si n d i c e so ft h e c o m m u n i t i e sw e r ea l ls m a l l e rt h a nc o n t r o le l e v a t i o n ，a n da l lt h ei n d i c e sg r a d u a l l y d e c r e a s e da l o n gt h eh i g h l o we l e v a t i o ng r a d i e n t a st h ev e g e t a t i o nr e s t o r e da tt h em i d d l e a n dt h ee n dt i m eo ft h en o n s u b e r m e r g e dp e r i o d ，a l lt h ei n d i c e si n c r e a s e da n dt h e r ew e r e n os i g n i f i c a n td i f f e r e n c e sb e t w e e nt h et w ot e r m so fe a c he l e v a t i o n t h ev e g e t a t i o no fh f z c a nd e v e l o pw e l la n dg r o ws t a b l yd u r i n gt h en o n s u b e r m e r g e dp e r i o d a tt h ee a r l yt i m eo fn o n - s u b e r m e r g e dp e r i o d ，t h ea b o v e g r o u n d - b i o m a s sa n d b e l o w g r o u n d - b i o m a s so ft h eh f zv e g e t a t i o nw e r es i g n i f i c a n t l ys m a l lc o m p a r e dw i t ht h e c o n t r o le l e v a t i o na n dt h e r ew a sa s i g n i f i c a n td i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w or e g i o n s ( p 0 0 5 )b e t w e e n t h e s u b e r m e r g e d e v a l u a t i o n ( 1 6 5 1 7 5 m & 1 5 5 1 6 5 m 】 a n d n o n s u b e r m e r g e de v a l u a t i o n ( 17 5 m ) t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o n t e n t so ft h eh f z v e g e t a t i o na tt h ee a r l vt i m eo f t h en o n 。s u b e r m e r g e dp e r i o dw e r eh i g h e rt h a nt h o s ea tt h em i d d l ea n dt h ee n d t i m eo ft h e n o n 。s u b e r m e r g e dp e r i o d a tt h em i d d l ea n dt h ee n dt i m eo ft h en o n 。s u b e r m e r g e dp e r i o d ， n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o n t e n t sd i d n th a v es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e ( p 0 0 5 ) b e t w e e nt h e s u b e r m e r g e de v a l u a t i o n ( 1 6 5 - 1 7 5 m & 1 5 5 - 1 6 5 m ) a n dn o n s u b e r m e r g e de v a l u a t i o n ( 1 7 5 m ) t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sa c c u m u l a t i o no fh f z v e g e t a t i o ni nt d rd i d n ，td e p e n do n t h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o n t e n t sb u tt h eb i o m a s s t h eh f zp l a n t so ft d rw e r em o r er e s t r i c tt on i t r o g e nw h e nt h e yw e r eg r o 、i n g ( n ：p 7 ) t h ev e g e t a t i o na tc o n t r o le v a l u a t i o nh a dar e l a t i v e l ys t a b l en ：pw h i l et h o s ea t h f zh a ds i g n i f i c a n td i f f e r e n c e ( p n ：p 1 4 ，则n 、p 同时为该生态系统的限制性营养元素 6 3 】。相关研究发现，植物 叶片n ：p 与气候特征、植被类型、植物生活型和群落演替阶段等很多因子相关。同时 有研究指出植物组织c ：n ：p 化学计量比值的变化可能是由于植物为了适应周围的环 境，从而灵活地调整自己生长速率所导致。一般认为高生长速率会使n ：c 和p ：c 比 增加，而n ：p 比降低，因为高的生长速率需要更多的r r n a 以增加蛋白质的合成量， 而r r n a 是植物的一个主要p 库，因此细胞中的p 浓度会大幅度增加，从而降低了 c ：p 、n ：p 6 4 j 。植物元素的化学特征是生物地球化学研究的重要内容，不仅可以反映 环境条件，同时也能体现植物的内在特征和生长状况，对揭示植物种间相互关系，元 素限制和植物对环境的适应机制都有重要意义。本研究主要研究植物氮磷含量及其比 值随高程变化情况，并揭示变化规律与环境因素之间的关系，进一步探讨植物对环境 的适应机制，同时研究不同季节植物体内氮磷含量的变化情况，为研究植物氮磷含量 损失对水体富营养化贡献率奠定基础。 1 3 5 植物的物候观测及对环境适应性的研究现状 生物在长期进化过程中，由于适应环境的周期变化，形成了与之相适应的生态和 生理机能有规律性变化的习性，即生物的生命活动能随气候变化而变化，通常称之为 “生物气候学时期”，简称为“物候期”1 6 引。对植物物候的研究主要集中在两方面，一是 植物生长发育与非生物因子的关系，如光周期，气候限制因子等；二是植物物候的遗 重庆大学硕士学位论文 传基础和自然选择的研究【6 6 1 。气候因子如温度、降水等对植物物候有重要影响， s c h n e l l e 在研究中指出，土壤水分对植物物候的影响可能是由于土壤水分的变化引起 土温变化造成的，土壤肥力和土壤类型影响累积热值，从而会影响植物物候【7 1 。三 峡库区消落带地区的土壤类型由于遭受水淹，泥沙沉积等而随高程有所变化，水淹导 致土壤含水率的变化，这些都将影响植物物候。人类对土地的不同利用方式，造成土 地植被覆盖的变化，从而影响环境因子，进一步导致植被分布格局发生改变，植物物 候发生变化，所以三峡库区消落带地区人类活动频繁，周边人民对消落带地区的季节 性利用，可能会引起植物物候的变化。对消落带典型区域的优势物种进行动态观测， 记录其物候变化情况，探讨其对生境的适应性和不同物种间的适应性差异，可以进一 步了解三峡库区植被对这种特殊湿地生态系统的适应特性，为三峡库区消落带的植被 恢复和生态系统稳定性的维持提供理论依据。 1 3 6 地上植被管理模式研究进展 水库消落带具有河岸带和湿地的基本特征和主要功能【6 引，是库区生态系统的主 要组成部分，是库岸稳定和水库安全运行的重要保障【6 9 1 。植被是消落带湿地生态系 统的主要组成部分，满足河岸带的旅游景观需求，是许多动物重要的栖息地和迁徙廊 道，对养分循环、水土流失和非点源污染物等有着强烈的缓冲、阻滞、过滤和净化作 用，并可以维持较高的生物生产力和生物多样性等【聃7 1 】。三峡水库建成后，库区特殊 运行方式及各种人为干扰，使得消落带生态系统更加脆弱和敏感。至2 0 1 1 年4 月， 近5 年的高水位周期涨落变化，使得消落带自然植被发生巨大变化。目前国内已对三 峡库区消落带初期1 5 6 m 淹水后新生湿地植物群落及其分布格局1 7 2 - 7 5 】，耐淹物种的生 理生态学变化f 7 6 7 9 1 ，植被的人工恢复与重建m 8 1 1 ，耐淹物种的选择8 2 删等进行了初步 调查和研究，然而对消落带高水位且多次水淹后植被的恢复及管理情况很少报道。本 文结合库区消落带经长期淹水后植物群落的恢复情况与植被经水淹后损失的生物量 及氮磷元素的量，提出了较为合理的植被管理方案，以期达到在既保持消落带植被涵 养水源、防止水土流失、净化污染物、提供动物栖息地等基本功能与作用的同时，还 可以为库区周围农户周期性供应新鲜饲料，并减小植被损失的氮磷元素对三峡水库富 营养化的贡献。 1 4 研究的特色与创新之处 针对目前关于三峡库区消落带的生态学研究多为单一采样点、单次调查时间 的问题，本研究选取多个采样点，进行多次调查采样，分析库区消落带植被分布格局、 多样性特征等动态变化情况。 较为系统的分析了落干期间库区消落带植被生物量、氮磷元素等动态变化规 律。 1 绪论 选取典型消落带的优势物种作了长期动态物候观测，分析其物候变化及其对 特殊生境的适应策略。 针对库区消落带植被淹水前后生物量及氮磷元素变化情况，简单地提出了较 为合理的消落带地上植被管理的新理念。 1 5 研究内容 在三峡库区消落带重庆市内典型地段布设采样点并划定样方，在不同季节时间段 按所分高程梯度调查各区段样方内植物种类组成，分布及环境因子，进行群落类型划 分及物种多样性分析，明确库区消落带植物群落落干期间的时空分布格局及物种的多 样性特征等。 调查的同时采集样方内植物的地上与地下部分，测其生物量，并分析不同时间段 植被生物量的分配格局与根冠比变化。 测定植被地上部分与地下部分的氮磷含量及其积累量，分析不同高程，不同时间 段植被氮磷含量及其积累量的变化规律，并进一步分析植被生态化学计量学的高程变 化及季节动态变化。 选择典型消落带地段内的代表性物种进行长期物候观测，揭示三峡库区消落带这 种特殊生境内植物生活史的一般特性，探讨库区内物种对这种特殊湿地生态系统的适 应对策。 根据三峡库区消落带内植被不同时间段氮磷元素含量及其积累量的变化情况，计 算淹水期间植被氮磷元素的损失量及其对三峡水体富营养化的贡献率，并结合植被恢 复情况及土地利用方式等提出切实可行的植被管理方案。 1 6 研究技术路线 本文的总体设计思路及技术路线如图1 1 所示。 9 重庆大学硕士学位论文 图1 1 技术路线示意图 f i g 1 - 1o u t l i n eo fr e s e a r c hp r o c e d u r e 1 0 2 研究区域概况及研究方法 2 研究区域概况及研究方法 2 1 研究区域概况 2 1 1 研究区域范围 三峡库区地处东经1 0 6 0 1 1 0 0 5 0 ，北纬2 9 0 1 6 30 2 5 ，东起湖北宜昌，西至重 庆6 6 2 9 k m 沿长江两岸分水岭范围。库区淹没地段涉及湖北省和重庆市的1 9 个县市， 包括湖北省的巴东县、秭归县、兴山县、宜昌县和重庆市的渝北区、巴南区、长寿县、 涪陵县、武隆县、丰都县、忠县、石柱县、万县、开县、云阳县、奉节县、巫溪县、 巫山县( 如图2 1 ) 。本文的研究范围主要为重庆市内淹没地