丹江口水库库周水源涵养林植物种类筛选
邵莉 陈龙清
摘 要：
丹江口库区为南水北调中线工程的核心水源区，本文基于库周植物群落和环境因子的实地调查，应用除趋势典范对应分析（DCCA）探究了该区群落物种分布与10个环境因子的关系。结果表明：①库周植物群落物种分布与环境因子关系密切，10个环境因子共解释了群落物种分布格局的62.7%;②土壤pH值是影响库周植物群落物种分布的关键环境因子，其次为土壤厚度和土壤养分;③筛选出侧柏、白刺花和拟金茅等20种对碱性、薄且贫瘠土壤有较好适应能力的乡土植物用于库周水源涵养林的营造。本文的研究结果可为丹江口库区的植被恢复、水源涵养与净化工作提供依据。
关键词：
丹江口水库;植被恢复;环境因素;DCCA
中图分类号：S757.2文献标识码：A文章编号：1004-3020（2021）03-0008-05
Plant Species Selection of Water Resource Conservation Forest in Surrounding Areas of Danjiangkou Reservoir
Shao Li（1） Chen Longqing（2）
（1.College of Horticulture and Plant Protection， Yangzhou University Yangzhou 225009;
2.Southwest Research Center for Engineering Technology of Landscape Architecture State Forestry Administration， Southwest Forestry University Kunming 650224）
Abstract：
Danjiangkou Reservoir is the core water source area for the Middle-Route of the South-to-North Transfer Project. Based on investigation of 19 plant communities， the relationships between species distribution and 10 environmental factors were analyzed by Detrended Canonical Correspondence Analysis （DCCA） in the surrounding areas of Danjiangkou Reservoir. The results showed that ①It was closed related between spatial distribution of community species and the environmental factors.10 environmental factors accounted for 62.7% of variation in species distribution in the surrounding areas of Danjiangkou Reservoir;②The soil pH was the most important environmental factor on species distribution in this area， and the thickness and nutrient of soil played a role as well;③20 native species including Platycladus orientalis， Sophora davidii and Eulaliopsis binate etc.were selected in this study.All these species had good adaptability to alkaline， thin and nutrient-poor soil， and suited for construction of water resource conservation forest in the surrounding areas of Danjiangkou Reservoir.This study provides a new application of vegetation restoration and water conservation in Danjiangkou Reservoir.
Key words：
Danjiangkou Reservoir;vegetation restoration;environmental factors;DCCA
上世紀五六十年代，为支援国家的“三线”建设，大量的砍伐森林，导致南水北调中线工程水源区丹江口库区及其上游区域的植被损毁严重，据统计，仅十堰境内的丹江口库区周围砍伐森林面积就高达2 230 km2，森林覆盖率由70%降至35%[1]，植被的损毁引起水土流失和泥沙淤积，大大减少了丹江口水库的库容，同时携带大量有机物、重金属等有害物质进入库区，污染水体，降低水质，严重影响南水北调中线工程的供水安全[2]。在库区进行水源涵养林建设是公认的减少水土流失的有效方法，分布在河川、水库、湖泊上游集水区内的水源涵养林已被证明在涵养水源、减少径流、保持水土、调洪消峰、改善水质等方面具有重要功能[3]。因此，筛选出适应于此区域特殊地形和土壤环境的植物来构建结构稳定、适应性强、功能良好的水源涵养林，对此区域的植被恢复具有重要意义。
传统的植物筛选方法通常有三种，一是通过查阅文献资料和咨询专家，对植物进行评价进而选择出适应特定环境的植物[4];二是基于植物普查和群落调查，由研究者观察生境和植物生长状态后进行评价，通过层级分析法选择出适应特定环境的植物[5];三是通过模拟实验对比数种植物在特定环境胁迫下的生理反应进而筛选出适生植物[6]。总体来说，前两种方法难以避免调查者主观判断带来的偏颇，且不能科学而定量的反映出限制植物生长的关键环境因子与植物的关系，后一种方法只能用于少数物种之间的选择比较，且缺少群落信息。
自然界中植物群落的物种组成、空间分布格局是植物与环境长期相互作用、共同发展的结果[7]。利用植被生态学中的数量排序方法对植被在环境梯度上排序，定量的确定影响物种分布格局的关键环境因子，可以为植被退化区域的物种筛选、群落重建和生态恢复提供科学指导[8]。除趋势典范对应分析（DCCA）作为一种数量排序方法，能同时结合物种和环境数据，克服典范对应分析（CCA）因排序轴的相关性而产生的明显弓形效应，将物种和环境数据表示在一张图上，且对于排序轴生态意义的解释也优于CCA，得到了广泛的应用[9]。
目前，已有较多学者基于DCCA研究了山地环境下植被与环境的关系，提取出影响植被分布的关键环境因子。总体来说，环境因子对植被分布格局的影响存在尺度上的差异，在区域尺度上，夏季平均降雨量、年均降雨量、无霜期等气候因子对植被分布起决定性作用[10];在较小尺度上，地形因素和土壤因素是研究较多的影响物種分布格局的因素。已有的研究表明，地形因素中的海拔、坡度和坡向，土壤因素中的土壤厚度、土壤pH值、有机质和氮磷钾含量等是山地环境下影响物种空间分布的关键因素[11-13]。
基于此，本文通过对丹江口水库库周植物群落及环境进行调查，运用DCCA进行植被与环境因子关系的多元分析，找到影响物种分布的关键环境因子，筛选出适于此区域特殊地形和土壤环境的植物，为丹江口库区的水源涵养林建设和退化植被的生态恢复提供一定的理论依据。
1 研究方法
1.1 研究区域概况
丹江口水库位于河南省和湖北省交界处，由湖北省丹江口市的汉库和河南省淅川县的丹库组成。库区流域还包含十堰市区、郧西县和西峡县。库区四季分明，雨量充沛，年均降雨量850～950 mm，集中在7～9月，多以暴雨形式出现。库区地貌以低山和丘陵为主，海拔86～2 212 m，地质构造复杂，褶皱强烈，坡度陡。土壤以山地黄棕壤和黄壤为主，土层较薄。
1.2 样地设置及调查方法
本次样地调查范围为丹江口水库库周区域，主要分布在习家店马家沟果园场、方家山、五龙池、胡家山水库堤坝、方山、嵩坪、凉水河、大柏林场和竹园沟等地。在查阅相关资料和实地踏查的基础上，在调查区域内布设19个标准样地，样地面积为30 m×20 m。对样地内所有株高≥3 m的乔木进行每木检尺，记录种名、胸径、株数、高度等指标;在样地内均匀布设5个2 m×2 m的灌木样方，记录灌木层植物的种名、高度等指标，高度<3 m的乔木种计入此层;在5个灌木样方内各随机设置1个1 m×1 m的草本样方，记录草本层植物的种名、高度等指标。在样地内均匀设置6条样线，每条样线上等距离设立5个1 m×1 m小样方，记录30个小样方中物种出现的次数，计算乔木层、灌木层和草本层植物的频度。乔木层植物的郁闭度调查采用统计法，在样地的6条样线上设置150个样点，记录全部样点上空出现某种乔木枝或叶的次数;同样的方法调查灌木层和草本层植物盖度，在小样方内均匀布设20个样点，记录样点上灌草的出现次数。同时，采集样地内的植物标本，拍摄照片，记载植物的生长状态，植物种类鉴定依据《湖北植物志》。记录各样地的海拔、坡度和坡向等地形因子。
1.3 土壤采集及指标测定
本研究的土壤因素主要选取7个因子，包括土壤厚度（ST）、土壤pH值（pH）、有机质（OM）、全氮（TN）、全磷（TP）、速效磷（AP）和速效钾（AK）。在设置的5个2 m×2 m的灌木样方中心，采用剖面法测量土壤厚度，并采集0～30 cm的土壤样品，将5个小样方收集的土壤充分混合为一份，装入自封袋保存，带回实验室进行土壤化学性质的测定。其中，pH值用电位计法测定，OM采用丘林法测定，TN采用凯氏蒸馏法测定，TP采用钼锑抗比色法测定，AP采用碳酸氢钠比色法测定，AK采用乙酸铵浸提火焰光度计法测定[14]。
1.4 数据处理
重要值作为物种在群落中的优势度指标，表示某个物种在群落中的地位和作用。本研究中物种重要值采用下列公式计算：
乔木重要值=（相对密度+相对郁闭度+相对频度）/3;灌木/草本重要值=（相对盖度+相对频度）/2。
坡向数据采用以下方法进行转换：“1”表示北坡（0～22.5°，337.5～360°），“2”表示东北坡（22.5～67.5°）和西北坡（292.5～337.5°），“3”表示东坡（67.5～112.5°）和西坡（247.5～292.5°），“4”表示东南坡（112.5～157.5°）和西南坡（202.5～247.5°），“5”表示南坡（157.5～202.5°）;数字越大，表示坡向越向阳。
以样方中的物种重要值建立样方—物种矩阵，19个样地共记录植物203种（包括计入灌木层的乔木种），构建19×203的矩阵;以样方中的地形因子和土壤因子建立19×10的样方—环境因子矩阵。先对物种数据进行除趋势对应分析（DCA），结果显示物种组成数据具有较大异质性（最长梯度大于4），故选择单峰模型中的除趋势典范对应分析（DCCA）进行排序。排序用Canoco for Windows 4.5完成，排序图用CanoDraw for Windows 4.5绘制。
2 结果与分析
2.1 物种与环境因子的DCCA排序
丹江口水库库周植物群落的DCCA排序结果见表1。10个环境因子共解释了库周植物群落物种分布格局的62.7%。Monte Carlo随机置换检验的显著性说明物种分布与环境因子之间关系密切。DCCA前4轴解释了物种分布的32.8%，其中，轴1和轴2的特征值较高，占前4个排序轴特征值总和的69.57%，包含了绝大部分的排序信息，因此采用前两轴的数据分析植物群落物种空间分布与环境因子的关系（图1）。其中，轴1的特征值贡献最大，且物种与环境因子的相关系数在前四轴中最大。
根據10个环境因子与DCCA前两个排序轴的相关性分析可知（表2），土壤pH值与DCCA第1轴的相关性最强，相关系数为-0.957 1，土壤厚度次之，相关系数为0.529 3，土壤全磷含量、全氮含量和有机质含量与第1轴的相关系数分别为0.455 7、0.458 5和0.434 9。土壤全氮含量和全磷含量与DCCA第2轴的相关系数分别为-0.374 2和0.293 8。这表明土壤pH值是决定库周植物群落物种空间分布的决定性因子，土壤厚度和土壤养分对植物空间分布也有较大影响。而海拔、坡度、坡向三个地形因子对植物的分布基本没有影响。
DCCA排序图各环境因子箭头连线的长短表示物种的分布与该环境因子关系的大小，箭头连线在排序图中的斜率表示环境因子与排序轴之间相关性的大小，箭头所处的象限表示环境因子与排序轴之间相关性的正负[15]。根据DCCA排序图1可知，土壤pH值、土壤厚度和土壤养分反映了轴1的大部分生态学信息，沿DCCA排序第1轴从右到左，土壤pH值逐渐升高，土壤厚度逐渐变薄，土壤全磷、全氮和有机质含量逐渐减小，群落物种表现出明显的梯度分布。沿第二轴从下向上，土壤全氮含量逐渐降低，全磷含量逐渐增加，群落物种在第2轴没有呈现出明显的梯度变化。这一结果与表2一致，说明尽管物种的空间分布是多因素综合作用的结果，但影响丹江口水库库周植物群落物种分布的主导因素是土壤的pH值，次要因素是土壤厚度和土壤养分，轴1能够很好的解释丹江口水库库周植物与环境的相互关系。
2.2 基于DCCA的物种筛选
植物群落的物种在排序空间中的位置反映了物种的生态学特征，因此根据物种沿第1轴呈现出来的梯度分布格局，将主要物种划分为三个聚类团体。左侧聚类团体中共有20种植物，包括乔木2种，灌木7种和草本11种，分别是：侧柏Platycladus orientalis 1和92;柏木Cupressus funebris 26;白刺花Sophora davidii 36;柘树Cudrania tricuspidata 48;马桑Coriaria nepalensis 51;酸枣Ziziphus jujuba var.spinosa 83;小果蔷薇Rosa cymosa 44;中华胡枝子Lespedeza chinensis 42;牡荆Vitex negundo.var.cannabifolia 90;白茅Imperata cylindrica 105;金茅Eulalia speciosa 187;紫花地丁Viola philippica 137;求米草Oplismenus undulatifolius 169;狗牙根Cynodon dactylon 176;威灵仙Clematis chinensis 98;委陵菜Potentilla chinensis 126;拟金茅Eulaliopsis binata 180;马兰Kalimeris indica 54;荩草Arthraxon hispidus 119和锈鳞薹草Carex sendaica 193。这些植物主要分布在丹江口水库库周土壤pH值较高、土层较薄、养分较贫乏的区域，对此类环境表现出较强的适应性。
3 结论与讨论
本研究通过对丹江口水库库周植物群落和环境因子的分析表明，土壤pH值是影响库周植物群落物种分布的决定性因子。丹江口水库库周成土母质较多由石灰岩发育而成，在水土流失比较严重的区域，长期的土壤侵蚀导致土壤碱化严重。在调查的19个样地中，13个样地的pH值超过7.5，9个样地的pH值超过8.0。过高的土壤pH值会阻碍植物根系对水分和矿物质元素的吸收，限制植物生长甚至引起植物死亡，只有对碱性土壤有较好适应能力的植物才在与环境的相互作用中保留下来[16]。土壤厚度和土壤养分也是影响丹江口水库库周群落物种分布的重要环境因子。库周水土流失比较严重的区域，土壤厚度往往不足20 cm，有机质和氮、磷、钾等营养元素缺乏，限制植被生长。地形和气候等自然条件是丹江口水库库周水土流失的重要原因，此区域地形主要为山地和丘陵，沟壑纵横，坡度陡峭，高程差大，土壤岩体风化较深，抗蚀力较低，成为此区域水土流失的内在因素，该区域处于北亚热带季风气候区，降雨主要集中在每年7～9月，多以暴雨出现[17]，成为此区域水土流失的外在动力。总体来说，丹江口水库库周水土流失较为严重的区域，偏碱、薄且养分贫乏的土壤是影响植被生长的主要因素。
基于DCCA的数量排序将19个群落的物种划分为三个聚类团体。中间聚类团体中的植物为适应中性或微酸性土壤，对土壤厚度和养分有一定要求的植物，代表种有黑松、化香、黄栌、烟管荚蒾、湖北算盘子等;右侧聚类团体中的植物主要在库周酸性、土层较厚和相对肥沃的土壤上生长，代表物种有栓皮栎、马尾松、菝葜、白檀、山合欢等。这些物种组成的群落主要分布在库周水土流失程度较低的区域，乔灌草垂直结构明显，伴生种较为丰富，群落比较稳定。左侧聚类团体中的植物主要在碱性或强碱性、土层薄且贫瘠的土壤上生长，分布在库周水土流失程度较高的区域，代表物种有侧柏、柏木、白刺花、酸枣、牡荆、荩草和拟金茅等，群落结构和物种组成比较单薄。这些植物具有发达的根系，可以很好的固着土壤，白刺花和拟金茅等灌草植物还具有低矮密集的枝叶能有效的减少地表径流，适合作为库周水土流失较为严重区域营造水源涵养林的先锋树种。为取得更好的水源涵养的效果，其群落空间配置模式宜采用乔灌草结合的复层林结构，但在少数土壤侵蚀严重、土层极薄、裸岩较多的区域可先以白刺花、酸枣、拟金茅、荩草等营造灌丛或灌草丛，待土壤条件改善后再进行乔木种的补种。筛选乡土植物营造水源涵养林能够降低成本，缩短群落恢复的时间，提高群落重建的成功率，这项工作对改善丹江口水库库周水土流失的现状具有重要意义。
参 考 文 献
[1]李思悦，张全发.南水北调中线工程丹江口库区主要生态环境问题及植被恢复[J].中国农村水利水电，2008，（3）：1-4.
[2]尹炜，史志华，雷阿林.丹江口库区生态环境保护的实践与思考[J].人民长江，2011，42（2）：59-63.
[3]道如娜，王树森，李建强，等.太子河流域水源涵养林恢复植被的植物生态位变化[J].东北林业大学学报，2014，42（1）：37-41，70.
[4]何志芳，陈红峰，周劲松.广州南沙区耐盐碱绿化植物筛选及应用[J].中国城市林业，2011，9（5）：5-8.
[5]严慧玲，刘东明，李作恒，等.层次分析法在河北省太行山区植被恢复植物种类筛选中的运用[J].植物研究，2015，35（5）：751-758.
[6]任建武，任志远，任海，等.丹江口水库消落区生态修复植物选择[J].林业资源管理，2015（1）：88-94.
[7]冯云，马克明，张育新，等.辽东栎林不同层植物沿海拔梯度分布的DCCA分析[J].植物生态学报，2008，32（3）：568-573.
[8]李宁.辽宁西北部地区乔木群落与环境关系研究[J].农学学报，2017，7（9）：26-31.
[9]张金屯.植被与环境关系的分析：CCA和DCCA限定排序[J].山西大学学报（自然科学版），1992，15（3）：292-298.
[10]陈飞，王健敏，孙宝刚，等.云南松林不同层植物分布于地形、气候因子的关系[J].生态学杂志，2012，31（5）：1070-1076.
[11]邵方丽，余新晓，郑江坤，等.北京山区防护林优势树种分布与环境的关系[J].生态学报，2012，32（19）：6092-6099.
[12]Jiang Y B，Liu X H，Song S S，et al.Diversity and distribution of ground bryophytes in broadleaved forests in Mabian Dafengding National Nature Reserve，Sichuan，China[J].Acta Ecologica Sinica，2015，35：13-19.
[13]王宇超，周亞福，王得祥.秦岭南坡中段主要森林群落类型划分及环境梯度解释[J].生态环境学报，2016，25（6）：965-972.
[14]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京：中国农业科技出版社，1999.
[15]李晋鹏，上官铁梁，郭东罡，等.山西吕梁山南段植物群落物种多样性与环境的关系[J].山地学报，2008，26（5）：612-619.
[16]唐琨，朱伟文，周文新，等.土壤pH对植物生长发育影响的研究进展[J].作物研究，2013，27（2）：207-212.
[17]李璐.南水北调中线水源区多尺度生态环境综合评价[D].武汉：华中农业大学，2010.
（责任编辑：唐 岚）
猜你喜欢 环境因素 提高计量检定质量的研究与探讨好日子（下旬）(2020年2期)2020-05-26基于环境影响的中国制造业能源效率评价市场观察(2019年1期)2019-03-27浅析猪的发病原因及预防控制农家科技下旬刊(2017年8期)2017-11-13《珍妮姑娘》中人物悲剧的消费主义解读文艺生活·中旬刊(2017年2期)2017-03-18环境熏陶在幼儿培养中的作用分析文理导航(2016年36期)2017-02-07探析影响大学生思想政治教育的社会环境因素及对策研究青春岁月(2016年20期)2016-12-21优化参数·节能降耗·提高液烃产品收率企业技术开发·中旬刊(2016年8期)2016-05-14变更施肥管理对不同肥力水稻土CH4排放影响山东农业科学(2015年4期)2015-12-22影响高校思想政治理论课教学实效环境因素的深层思考思想政治教育研究(2014年6期)2015-04-23城市规划设计中的环境因素考量建筑工程技术与设计(2014年35期)2014-10-21