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.湖南省林業科學院，湖南 長沙 410000；2.中南林業科技大學，湖南 長沙 410000）

0 前言

自20 世紀下半葉以來，土地利用被確定為生態景觀格局和環境變化的最重要原因，歐洲和亞洲地區的土地覆蓋和土地利用發生了巨大變化。人們普遍認為，一個地區的實際土地利用模式對各種生態現象有很大影響，如干擾傳播和動植物種群的水平運動。因此，描述土地利用類型比例隨時間的變化可能對保護生物多樣性和發展景觀層面的可持續生態系統管理模式至關重要。在任何時間和空間尺度上，人類與環境之間的物質和能量交換都很好地體現在土地利用及覆蓋變化上。

生物多樣性是評估生態系統是否運行良好的關鍵指標，可提供高效的生態系統服務功能，而生態系統服務的價值可以體現生態系統中各種可用服務的直觀價值，例如物種數量、群落的穩定性、環境的調節功能以及生態系統產出等方面。作為自然生態系統的載體，土地利用類型的變化不僅會破壞生態系統的自我調節能力，還會直接促進一個地區土地生產力的變化。土地利用類型的不當變化除了會導致防洪能力下降外，還會導致土地退化、水源污染和水質惡化等負面后果。

許多學者對生物多樣性的影響因素進行了深入研究，發現影響生物多樣性的因素眾多且復雜，但環境因素被認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成為群落多樣性的影響因素，而環境因素和人為因素則在一系列尺度上產生影響。各種景觀格局是在生物和人為因素的作用下產生的，各種形式、功能和生態過程共同影響著該地區的生物多樣性。

濕地生態系統是指在水分條件影響下形成的具有特殊生態功能的自然系統，它對人類和自然環境都有重要作用[1]。濕地具有調節環境、控制水平衡、緩解污染和調節氣候等作用，還可以保護生物多樣性，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濟效益，為人類提供食物、纖維、藥物、能源等產品[6]。目前，濕地周邊的城鎮化和工業化建設飛速增長，化學農藥的使用，污水灌溉及公路、鐵路建設時所殘留的廢棄物，材料運輸時所排放的尾氣等人類活動產品對濕地生態系統造成了一定的影響[7]。而土地利用的變化會導致土壤中生物包括植物、動物和土壤本身的理化性質的改變，進而改變土壤生態系統結構和功能，最終影響區域的系統服務功能[8]?？偨Y來說，土地利用變化會改變植物群落結構和組成，影響植物種類、數量和分布[9]。

東洞庭湖區域核心區分布于亞熱帶氣候東部季風區，對維護長江中下游地區的生態平衡、生態環境起到了無可取代的作用[10]。盡管關于東洞庭湖濕地植物多樣性及土壤性狀的文獻報道很少，但大多是以樣地觀測和野外觀測資料為基礎，對東洞庭湖地區核心區的濕地生物量與空間分布進行全面的評價。對東洞庭湖濕地多年來生態格局變化的研究發現，以往的研究強調東洞庭湖的水文調蓄等功能，關注濕地污染情況以及濕地動植物的保護保育情況等方面，而針對植被多樣性與人類活動的關系及其發生機制的研究則較少，需要進行進一步的研究和探索。

本研究對東洞庭湖地區核心區生物量變化監測、資源保護、合理利用具有一定的參考價值。

1 研究方法

1.1 研究區域概況

東洞庭湖區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，總體地形是一個非常不穩定的盆地。選擇東洞庭湖濕地核心區為研究區，面積455 km2。東洞庭湖國家級自然保護區成立于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”的六個國際重要濕地之一。

1.2 土地利用分類標準及分類方法

根據GB/T 21010—2017《土地利用現狀分類》，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行研究。

1.3 樣品收集與測定

1.3.1 樣品采集

在研究區域內布設樣地共108 個，在此樣地內測定植物多樣性，隨后記錄樣方內植被物種名稱、覆蓋度、胸徑、相對多度和相對頻度等信息。并在樣點中心位置提取土樣進行土壤性狀分析，土壤性狀、植被等數據在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樣方內隨機對表層沉積物（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行保存，并進行風干處理和生物殘體剔除等其他處理。

1.3.2 重金屬測定

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

1.4 植物重要值及多樣性計算方法

植物多樣性測定需要在濕地中設置合適大小和形狀的樣方，記錄樣方中植物的種類、數量、蓋度、高度等數據。濕地植物群落多樣性計算則需要根據不同的指數公式，利用樣方數據計算出相應的值。本研究采用的指數有Shannon-Wiener 指數、Simpson 指數、Richness指數。

式中，Pi為第i個物種的個體數ni占調查物種個體總數N的比例，即Pi=ni/N；i=1,2,3,...,S；S為物種數。

式中，D為多樣性指數；N為物種個體總數；ni為第i個物種的個體數。

式中，P為總樣本數。

1.5 數據處理及分析

運用Microsoft Office Excel等軟件進行數據的整理與統計分析，采用單因素方差分析法分別分析不同區域（土地利用類型）內各多樣性指數、土壤理化指標間差異，對生物多樣性和土壤理化性質之間關系的研究多采用傳統的多元分析方法，但是由于環境因子易受到外界因素的影響，使結果可能具有一定的主觀性，冗余分析（RDA）可以避免數據轉換和多元分析的缺點。使用蒙特卡洛檢驗對研究區不同污染梯度下植被群落多樣性指數和土壤環境因子進行RDA 分析，運用RDA 計算土壤理化性質與群落物種多樣性之間的關系。

2 結果分析

2.1 土地利用類型對群落物種組成的影響

在調查的樣地中，通過樣方法共記錄植物物種數量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，通過多豐富度指數和土地利用數據的分析得出，隨干擾強度增加灌木層和草本層之中群落優勢種數量逐漸減少。

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定，林地和建設用地差異不顯著，林地中的香農維納指數H和辛普森指數D最大，分別達到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，其香農維納指數H和辛普森指數D最小，分別達到2.385 7和0.752 2。喬木中油桐、樟樹、烏桕、杉木、馬尾松、楊樹等占主導地位。2）灌木層多樣性受人為因素影響較大，林地內的生物多樣性指數最大，其香農維納指數H和辛普森指數D分別為5.123 9 和0.934 4，草地的多樣性指數最低，其香農維納指數H和辛普森指數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，耕地內的生物多樣性指數最大，其香農維納指數H和辛普森指數D分別為6.717 5 和0.971 2，未利用地的多樣性指數最低，其香農維納指數H和辛普森指數D分別為1.908 9 和0.644 4。

2.2 土壤性質基本情況

在不同的土地利用類型下，土壤的各項性質也有所不同，有機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，主要是因為人為改良土壤，使植物生長養分充足。磷含量與氮含量的情況相似，建筑用地情況居中，草地的土壤養分含量較低，未利用地沙石含量最高，養分含量最低，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，林地土壤環境因子中速效磷、有機質和電導率與豐富度指數呈正相關，土壤物理性狀、pH 值和植物多樣性指數呈負相關，其他指標間相關系數較??；耕地的豐富度指數和pH 值呈負相關，與有機質和速效磷等含量呈正相關，與其他指標間相關性較小。

圖1 土壤基本情況與物種豐富度、香農維納指數的冗余分析

3 結論

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有密切聯系，尤其是在林地和耕地中，生物多樣性指數的高低與有機質、速效鉀和電導率基本呈現正相關，與其他指標相關系數較??；但是與pH值和土壤的顆粒大小呈負相關，與其他土壤指標相關性較小。在耕地、林地土層中，重金屬（Fe）與植被多樣性指數呈負相關，這在南方的土壤研究中可以進一步進行深入探討研究，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，導致土壤理化性狀發生改變，顯著改變了植物群落特征和生物多樣性特征。