前坪水库植物物种多样性及其对环境的回应_翟心语.pdf
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1、第 57 卷第 1 期河 南 农 业 大 学 学 报Vol 57No 12023 年2 月Journal of Henan Agricultural UniversityFeb2023收稿日期:20221009基金项目:河南省水利科技攻关专案项目(GG202069);河南省城乡绿地资源调控与景观生态设计学科创新引智基地专案项目(GXJD006);河南省科技攻关项目专案(222102320465)作者简介:翟心语(2000),女,河南南召人,硕士研究生,主要从事植物多样性与生态修复研究。通信作者:徐恩凯(1982),男,河南南阳人,讲师,博士。引用:翟心语,历从实,胡永歌,等 前坪水库植物物种多
2、样性及其对环境的回应 J 河南农业大学学报,2023,57(1):8195 DOI:10 16445/j cnki 10002340 20221128 002前坪水库植物物种多样性及其对环境的回应翟心语1,历从实2,胡永歌1,3,田国行1,3,雷雅凯1,3,徐恩凯1,3(1 河南农业大学风景园林与艺术学院,河南 郑州 450002;2 河南省前坪水库建设管理局,河南 郑州 450016;3 河南省风景园林国际联合实验室,河南 郑州 450002)摘要:【目的】探寻前坪水库库区植物物种多样性、群落物种分布对环境的回应。【方法】采用野外调查的方法,在前坪水库库区设置了 15 个样地,在植物群落和环
3、境因子调查的基础上,采用冗余分析法(redundancy analysis,DA)和典范对应分析法(canonical correspondence analysis,CCA)等,对前坪水库植物物种多样性指数、样方内物种重要值和各环境因子进行相关性分析。【结果】经调查,样方中共有植物 49 科、102 属、112 种。主要优势种为酸枣(Ziziphus jujuba Mill var spinosa(Bunge)Hu ex H F Chow)、杨树(Populus L)和荆条(Vitex negundo varheterophylla(Franch)ehd)等。多元回归树(MT)分析将前坪水库
4、植物群落分为 5 个群落类型:榆树酸枣艾群落,杨树荆条艾群落,榆树酸枣狗尾草群落,刚竹胡枝子狗尾草群落和杨树木槿狗尾草群落。冗余分析(DA)表明,海拔和距河流水平距离对前坪水库库区植物群落物种多样性的影响较大,解释度分别为 9 0%和 3 9%,贡献度为 37 3%和 16 2%;典范对应分析(CCA)表明,群落物种组成与纬度、海拔、经度、距河流水平距离及样方内乔木平均胸径均有显著相关性(P0 01),关系最为密切的为纬度和海拔,解释度和贡献度分别为 4 7%、4 0%和 20 3%、17 0%。【结论】前坪水库库区灌木层植物组成极为单一,草本层植物组成相对丰富。样方植物群落物种丰富度、sha
5、nnon-wiener 多样性指数、simpson 优势度指数和 pielou 均匀度指数的相关性显著。海拔和距河流水平距离对库区植物群落物种多样性的影响最大,群落物种分布与纬度和海拔的关系较为密切。关键词:前坪水库;物种多样性;环境因子;冗余分析;典范对应分析中图分类号:Q948文献标志码:A文章编号:10002340(2023)01008115Plant species diversity and its response to environmentin Qianping eservoirZHAI Xinyu1,LI Congshi2,HU Yongge1,3,TIAN Guohang1
6、,3,LEI Yakai1,3,XU Enkai1,3(1 College of Landscape Architecture and Art,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China;2 Henan Qianping eservoir Construction Administration,Zhengzhou 450016,China;3 Henan International Joint Laboratory of Landscape Architecture,Zhengzhou 450002,China)Abstract:【
7、Objective】This study was conducted to explore the response of plant species diversity andcommunity species distribution to the environment in Qianping eservoir Area【Method】Fifteensample plots were set up in the reservoir area of Qianping eservoir by means of field survey Based onthe survey of plant
8、communities and environmental factors,redundancy analysis(DA)and canonical82河南农业大学学报第 57 卷correspondence analysis(CCA)were used to analyze the correlation between plant species diversityindex,importance value of species in the sample plot and various environmental factors in Qianpingeservoir【esult】T
9、here were 112 species of plants belonging to 102 genera and 49 families in thequadrat The main dominant species are wild jujube(Ziziphus jujuba Mill var spinosa(Bunge)Huex HFChow),poplar(Populus L)and chinese mugwort(Vitex negundo varheterophylla(Franch)ehd),etc;According to multiple regression tree
10、(MT)analysis,the plantcommunities in Qianping eservoir can be divided into five community types:elm jujube mugwortcommunity,poplar twig mugwort community,elm jujube Setariaviridis community,elmjujube Setariaviridis community and V elm jujube Setariaviridis community;edundancy analysis(DA)showed that
11、 the elevation and the horizontal distance from the river had a great impact on thespecies diversity of plant communities in Qianping eservoir Area,with the interpretation degree of9 0%and 3 9%,respectively,and the contribution degree of 37 3%and 16 2%;Canonicalcorrespondence analysis(CCA)showed tha
12、t the species composition of the community was significantlycorrelated with latitude,elevation,longitude,horizontal distance from the river and the average DBHof trees in the quadrat(P0 01)Latitude and elevation were the most closely related,and theinterpretation degree and contribution degree were
13、4 7%,4 0%,20 3%and 17 0%respectively【Conclusion】The plant composition of shrub layer in Qianping reservoir area is very single,while thatof herb layer is relatively richThe species richness,shannon wiener diversity index,Simpsondominance index and Pielou evenness index of the quadrat plant community
14、 were significantlycorrelated Elevation and horizontal distance from the river have the greatest impact on the speciesdiversity of the plant community in the reservoir area,and the species distribution of the community isclosely related to latitude and elevationKey words:Qianping eservoir;species di
15、versity;environmental factors;redundancy analysis;canoni-cal correspondence analysis生物多样性是生物及其环境形成的生态复合体,以及与此相关的各种生态过程的总和,是一个内涵十分丰富的重要概念,主要分为基因多样性、物种多样性和生态系统多样性 3 个层次12。植物群落物种多样性能够反映群落物种分布格局、群落结构和功能特征。植物群落物种多样性的变化规律是确定植物群落演替阶段和序列的重要依据34。植物多样性与环境间的回应规律是近年来的研究热点,探索影响植物群落物种多样性的关键环境因子及相互关系,对于预测群落多样性的动态变
16、化有重要意义3,56。国内外学者对于受损生态系统中植物群落物种多样性与环境因子间的关系进行了大量的研究716。有研究表明,海拔带动了温度、湿度和光照度等诸多因素的变化,并且能够间接影响水分、水位、土壤水分含量和土壤基质类型等,对植物种群的空间分布格局具有显著的影响79。还有研究表明,乔木的胸径能够反映乔木的长势,进而影响林内的光环境、水分和土壤情况,能够对乔木层的物种多样性造成显著影响1011。齐丹卉等5 通过典范对应分析法发现降水、温度、土壤全氮和全钾含量对浑善达克沙地植物群落物种多样性具有重要影响。赵清贺等12 使用冗余分析揭示了海拔和距河流水平距离是影响河岸带植物群落物种多样性的关键因子
17、。乔欧盟等13 发现有机质和土壤含水量是矿区生态护坡植物多样性主要的限制因子。徐恩凯等14 通过主成分分析法和 AHP-模糊综合评价法研究了商登高速公路航空港区段边坡土壤理化性质对植物群落动态变化特征的影响。陈功等15 发现海拔和水淹时间是三峡水库秭归段消落带植被群落物种组成的主要因子,吴昊等16 发现土壤 pH 值与硝态氮是决定草本物种分布及群落物种多样性的主导性环境因子。以上研究均证明了在一定区域内,植物群落物种多样性的变化规律、群落物种演替趋势和一定关键环境因子显著相关。综合来看,在大尺度的区域范围内,植物多样性的分布格局常常是由降水、温度等气候因子为主导;而在小尺度范围内,如矿区、公路
18、路段、风景名胜区、河岸带等,土壤的理化性质、海拔、坡度、坡向等常常成为影响植物多样性的关键因子。目前第 1 期翟心语,等:前坪水库植物物种多样性及其对环境的回应83的研究大多为一定范围内某单一自然形态,如湿地、草原、沙漠、河流或山地等的植物多样性与环境的关系1727,但对包含森林、河流和湿地等多种自然形态的复杂集合体,如水库库区的植物物种多样性和群落物种组成及其环境解释的研究鲜有报道。近年来,由于前坪水库建设项目等工程建设项目的实施,机械开挖回填等工程活动大幅改变了地表结构,部分山地、干涸河道和河岸带的水土资源被不合理开发和利用,导致植物生境恶化,进而引发了水土流失、生物多样性降低等生态问题,
19、严重影响周边的生态环境、景观和可持续发展。植被是生态系统的重要组成部分,是工程扰动区生态系统中物质循环与能量流动的中枢。植被恢复能够有效地维持生物多样性、改善工程扰动区环境,是生态系统修复的前提2829。因此,开展对受到工程扰动的水库库区植物对环境的回应研究,对于修复库区受损生态系统、保护和维持植物多样性具有重要意义。本研究在对前坪水库库区 45 个样方植物群落调查的基础上,计算乔木、灌木与草本植物 3 个植物类群的物种多样性指数,揭示其变化趋势及各项指数之间的关系;使用冗余分析和典范对应分析对物种多样性、群落物种组成、海拔、坡度和坡向等 7个环境因子进行排序,探讨前坪水库植物群落物种多样性对
20、环境的回应机制,为前坪水库库区的植被恢复和生物多样性保护和长期维持提供理论依据和数据支撑。1研究区与研究方法1 1研究区概况前坪水库位于河南省汝阳县县城以西 9 km处,地处豫西低山与丘陵区,山势西高东低,地貌主要为构造、剥蚀地貌和河流侵蚀堆积地貌,地貌单元有中低山、丘陵和阶地、河床、河漫滩,土壤类型主要为棕壤、黄棕壤。海拔范围为 3111 115 m。属大陆性季风气候区,多年平均气温为 14 2,多年平均降水量 761 7 mm。植被类型为温带落叶阔叶林,主要生态树种有侧柏(Platycladus orientalis(L)Franco)、油松(Pinus tabuliformis Carr
21、iere)、刺槐(obinia pseudoacacia L)、泡桐(Paulownia for-tunei(Seem)Hemsl)、杨属(Populus)树种、榆树(UlmuspumilaL)、臭 椿(Ailanthusaltissima(Mill)Swingle)、香椿(Toona sinensis(A Juss)oem)、国 槐(Styphnolobiumjaponicum(L)Schott)、麻栎(Quercus acutissima Carruth)等,植被覆盖率约为 30 0%。图 1研究范围及样地分布Fig 1Study area and distribution of samp
22、ling points1 2研究方法1 2 1野外植物群落调查植物群落及物种多样性调查于 2021 年 79 月进行,综合考虑高程、地形、植被覆盖度等多方面因素,沿汝河及其支流浑椿河从上游至下游兼顾海拔分割纵向梯度和横向梯度设置样带,样带上每隔 300800 m 设置 1 个面积约为 1 hm2(100 m100 m)的样地,共 15 个样地(图 1)。每块样地设置 3 个乔木样方(20 m20m),基于样地编号为乔木样方编号,样方编号=3(样地编号1)+1、3(样地编号1)+2、3(样地编号1)+3,如样地 10 的 3 个样方编号为 28、29、30。在每个乔木样方的中点或 4 角随机选择
23、一处84河南农业大学学报第 57 卷设置 1 个灌木样方(5 m5 m)和 1 个草本样方(1 m1 m)(图 1),参考方精云等30 的植物清查办法,根据 Braun-Blanquet 多度等级划分标准分别记录样方内乔木的种名、数量、胸径、冠幅、高度和灌木、草本植物的种名、个体数、盖度、平均高度等,使用手持 GPS 记录各样地的经度、纬度和海拔等。1 2 2环境因子数据获取本研究选择海拔(elevation)、距 河 流 水 平 距 离(HD)、坡 度(slope)、坡 向(aspect)、样 方 内 乔 木 平 均 胸 径(DBH)、经度(longitude)、纬度(latitude)共
24、7 个环境因 子。坡 度、坡 向 数 据 由 地 理 空 间 数 据 云(https:/www gscloud cn/)下载的 2021 年 30 m分辨率 DEM 数据经过 ArcGIS 10 2 处理后获得。其中,坡向由 18 的整数表示,即北、东北、西北、东、西、东南、西南、南分别赋值为 1、2、3、4、5、6、7、8,坡的向阳程度与数字大小呈正相关关系。1 2 3数据处理分析野外调查数据的统计和多样性指数计算在 EXCEL 和 PAST4 09 中完成。基于物种在样方内的重要值(IV)计算物种的多样性指数。本研究选取物种丰富度(S)、shannon-wiener多样性指数(H)、sim
25、pson 优势度指数(D)和 pielou均匀度指数(E)共 4 种物种多样性指数,公式如下3133:物种重要值(IV):IV=相对多度+相对高度+相对显著度或相对盖度3物种丰富度(S):S=样地内出现的物种数shannon-wiener 多样性指数(H):H=Si=1PilnPisimpson 优势度指数(D):D=1 Si=1P2ipielou 均匀度指数(E):E=H/lnS式中:Pi为种 i 的相对重要值。4 个多样性指数的散点图绘制在 Origin 2021软件中实现。各个生长型的 4 个多样性指数间的相关性分析、显著性检验和线性回归分析 在SPSS26 中完成。多元回归树(MT)是
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