謝楚依，許士國，王 欽，蘇廣宇

（大連理工大學水利工程學院水環(huán)境研究所，遼寧大連116024）

0 引言

植物是水庫消落帶生態(tài)系統(tǒng)的關鍵組成部分，不僅為系統(tǒng)提供初級生產(chǎn)力、為動物及微生物提供棲息場所，也為來自陸域的非點源污染提供緩沖和過濾，是水庫入庫污染物的“匯”和“源”[1]。一方面通過對土壤氮、磷及重金屬的富集、吸收、分解，有效緩解庫內(nèi)水體營養(yǎng)負荷[2，3]；另一方面，在庫水位上升、植物淹水死亡后，其所固集的養(yǎng)分將隨植物體腐爛再次釋放到水庫水體中。研究表明，植物淹水水解后，其固結的氮、磷將在15~20 d內(nèi)達到最大釋放量，極易對水庫造成明顯污染[4]。

以碧流河水庫八家河入庫消落區(qū)植物為研究對象，選擇具有代表性的典型區(qū)塊，調(diào)查樣地內(nèi)植物指標，結合區(qū)域內(nèi)生境數(shù)據(jù)，探索八家河入庫消落區(qū)植物在水庫供水調(diào)度背景下的空間分布特征，估算研究區(qū)域內(nèi)的植物生物量總值，構建起該入庫消落區(qū)植物生態(tài)學數(shù)據(jù)庫，進而為后來改造入庫生境、提高消落帶植物污染防控能力打下基礎。

1 研究背景

碧流河水庫是遼寧省大連市城市供水的主要水源地，總庫容為9.34億m3，正常高水位為69.0 m，汛限水位為68.1 m，死水位為47.0 m。水庫流域屬海洋性特點的溫帶季風氣候[5]，庫區(qū)內(nèi)年平均氣溫為10.6℃，控制流域內(nèi)多年平均降水量為742.8 mm；流域內(nèi)的土壤類型包括棕壤、潮棕土、草甸土等，植被覆蓋率為58%~85%[4]。八家河是流入碧流河水庫的第三大支流，河道全長20.2 km，控制流域面積為74.6 km2，多年平均徑流量約為871萬m3；47.0 m高程以上的八家河入庫消落帶總面積約為761.6萬m2，隨水庫水位變動，1985—2017年間其面積最小值約為119.2萬m2，最大值約為756.9萬m2，平均面積約為288.8萬m2。

八家河匯入水庫前的1 200 m入庫段為河流入庫消落帶的中心區(qū)域，河道左岸的地勢較平坦寬闊，水庫水位在64.5 m（保證率56.04%）到68.5 m（保證率92.52%）間波動頻繁，形成了較大面積的入庫段消落區(qū)；植物覆蓋率較高，沿河道的植物類型有明顯變化，且不同的植物群落間具有明顯分界。故選取八家河入庫后1 200 m入庫段左岸、高程低于68.5 m部分區(qū)域為研究區(qū)，于2019年12月展開實地土壤、植物狀況考察。此時水庫水位為64.8 m，調(diào)查區(qū)域面積約為40.0萬m2，占八家河入庫消落帶總面積（約236.2萬m2）的17%。

2 消落區(qū)植被多光譜采集及解譯分析

為了快速、便捷、有效監(jiān)測整體草地資源、獲取植被數(shù)據(jù)，此次研究選用了搭載多光譜成像系統(tǒng)的大疆精靈4無人機對設計研究區(qū)域進行高精度光譜采集，采集內(nèi)容包含紅光、綠光、藍光、紅邊、近紅外及可見光共計6個通道。無人機飛行高度設置為120 m，采樣精度達到5.53 cm/像元，光譜采集完成后利用Pix4Dmapper軟件實現(xiàn)正攝影像的校正和拼合。

實地考察研究區(qū)域內(nèi)不同用地類型的邊界，結合無人機可見光影像，將研究區(qū)域劃分為生產(chǎn)用地（農(nóng)業(yè)種植區(qū)）、生態(tài)用地（雜草區(qū)）、水面（河流或水洼）和道路四類，使用ArcGIS勾勒區(qū)域邊界并統(tǒng)計各區(qū)域面積。

面積統(tǒng)計可得：研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)種植區(qū)面積為49 085.4 m2，占總面積的15.1%，主要種植作物包括玉米、黃米、紫蘇等；自然植物區(qū)面積為249 572.6 m2，占總面積的76.7%，植物類型以菊科（青蒿、野艾蒿）、禾本科（水稗草、披堿草、草、狗尾草、蘆葦）、蓼科（水蓼、戟葉蓼、酸膜葉蓼）、莎草科（苔草、香附子）等一年或多年生草本為主。

3 消落區(qū)植物分布特征分析

水庫水位的動態(tài)變化對消落帶植物形態(tài)及植物群落整體的顯著影響，主要體現(xiàn)在區(qū)域上植物的形態(tài)可塑性、生物量、物種多樣性、物種分布及群落演替幾個方面。根據(jù)八家河入庫消落帶的研究條件，選取植物群落及地上生物量作為研究指標，進行消落區(qū)植物分布特征分析。

3.1 植物群落分布特征

2019年12月，在研究區(qū)域內(nèi)共計31個樣方中開展了植物樣本采集，記錄各樣方內(nèi)植物類型、優(yōu)勢植物種類，齊地刈割并稱取各樣方地上生物量鮮重；采集樣方內(nèi)優(yōu)勢種的完整植株帶回，測算其含水率。根據(jù)不同采樣樣方間植物物種占比的相似性，使用系統(tǒng)聚類分析法對采樣樣方進行群落聚合分類，運算過程由SPSS.25實現(xiàn)，聚類過程如圖1所示。

劃分所有樣方中出現(xiàn)的群落類型，可將2019年12月研究區(qū)內(nèi)的自然植物群落劃分為11個類型，各植物類型的優(yōu)勢植物及樣方編號見表1。

圖1 2019年12月植物群落系統(tǒng)聚類過程圖

表1 2019年12月植物群落劃分

根據(jù)遙感影像紋理差異，結合實地采樣中獲取的控制點植物群落類型，使用目視解譯法對研究區(qū)域內(nèi)的植物群落展開進一步的邊界劃分。劃分結果可得：研究區(qū)域西部上游區(qū)域的植物群落類型以野艾蒿群落為主，地形低洼處分布著大片“鬼針草+草”群落，靠近河道處由于水流沖刷、河道下陷，土壤難以蓄留水分，雖分布有水蓼群落，但此處的水蓼植株低矮、生物量??；研究區(qū)域中部的植物群落類型依舊以野艾蒿群落為主，高程較高處分布著大片“野艾蒿+薹草”和蒼耳群落，靠近河道處分布低矮水蓼群落；研究區(qū)域東部下游區(qū)域的植物群落類型以“青蒿+香附子”為主，地形低洼蓄水處分布大片“苔蘚+香附子”和茂盛的水蓼群落。

針對植物群落分布的分析結果表明：野艾蒿、馬唐適應性較強，分布區(qū)域廣闊，在研究區(qū)域內(nèi)各處均有所分布；除生產(chǎn)用地外，研究區(qū)域內(nèi)植物群落類型沿平行河道方向自上游向下游有明顯差異，由以青蒿、薹草為主的中旱生植物群落，向以苔蘚、水蓼為主的濕生植物群落過渡；由于采樣期之前的數(shù)年間水庫水位變化范圍較小，對所設研究區(qū)域垂直于河道方向上的水文影響微弱，沿垂直河道方向的植物群落雖有所不同，但未觀察到明顯規(guī)律性。

3.2 樣方植物生物量分布特征

植物樣方生物量按每平米植物總質(zhì)量記錄，單位為g/m2。依照研究區(qū)域內(nèi)各采樣點的樣方植物鮮重、干重值，對樣方植物生物量的分布特征展開分析。分析結果表明，不同類型群落的樣方生物量各有不同，其中樣方植物鮮重的最小值為156 g/m2，最大值為2 559 g/m2，平均值為854.45 g/m2；樣方植物干重的最小值為135 g/m2，最大值為2 536 g/m2，平均值為710.66 g/m2。其中以蒼耳（平均樣方鮮重1 533 g/m2、干重1 324 g/m2）、青蒿（平均樣方鮮重2 559 g/m2、干重2 362 g/m2）、野艾蒿（平均樣方鮮重889 g/m2、干重770 g/m2）為主要優(yōu)勢植物的樣方平均生物量較大，植物平均高度約為142 cm，最高植物高度可達到250 cm；而以薹草、香附子、馬唐為主的樣方生物量較小，植物平均高度約為38 cm。同時，受生境影響，位于不同位置的同一類型群落的樣方生物量也可能有較大差距，如同為以野艾蒿為優(yōu)勢植物的樣方，位于研究區(qū)域東部的樣方平均生物量為352 g/m2，而位于研究區(qū)中部的樣方生物量卻高達1 944 g/m2。

由于影響因素眾多，樣方植物生物量在研究區(qū)域內(nèi)未能觀察到明顯的分布規(guī)律，地點相近的不同植物群落、不同位置的同一植物群落生物量分布均可能有所不同，但可以確定的是，生境條件良好的區(qū)域能使植物茂盛生長，與生境條件較差處相比，生境良好處植物平均高度更高、生物量更大。

4 消落區(qū)植被生境分析

水庫水位變動帶來的植物生境效應主要體現(xiàn)在土壤環(huán)境對植物水分、營養(yǎng)鹽的供給變化，密切相關的指標包括土壤含水率、土壤含鹽量等。選取土壤含水率作為植物生境指標，分析研究區(qū)域內(nèi)土壤水的分布規(guī)律，探尋其與植物樣方生物量間的響應關系，從生態(tài)機理層面進一步明確入庫消落區(qū)植物分布的規(guī)律和特點。

4.1 土壤含水率分布規(guī)律

2019年12月，在研究區(qū)域內(nèi)規(guī)劃并確定取土點20個，分3層采集0~30 cm土壤樣品，帶回室內(nèi)進行含水率、顆粒級配測定及土壤質(zhì)地判斷。利用ArcGIS空間分析工具，使用克里金法對區(qū)域土壤含水率進行插值分析，并繪制出各層土壤的含水率分布圖，其結果如圖2所示。

圖2 各層土壤含水率分布圖

分析得到，研究區(qū)域內(nèi)0~30 cm土壤平均含水率為0.197，其中最小值為0.12，最大值為0.710。受土壤表面結凍影響，0~10 cm土壤層含水率總體上略高于10~20，20~30 cm土壤層。

分別考慮采樣點高程、到河道距離、土壤質(zhì)地對土壤含水率的影響，利用SPSS.25對相關指標進行皮爾遜相關性分析。結果表明，采樣點到河道的距離與其土壤含水率有線性關系，但相關性不大；與采樣點高程顯著負相關，隨采樣點高程的增加而降低；與土壤質(zhì)地顯著相關，隨土壤中粉粒、粘粒占比的增加而升高。其中土壤質(zhì)地為土壤含水率最重要的影響因素，采樣點高程次之。

4.2 樣方植物生物量對土壤含水率的響應關系

基于前期研究中得到的植物及土壤環(huán)境指標數(shù)據(jù)，進一步探求研究區(qū)域內(nèi)樣方生物量與該時期土壤含水間的雙變量相關關系，皮爾遜相關性分析結果見表2。

表2 樣方生物量與各層土壤含水率相關分析

分析可得，樣方生物量與土壤含水率間的相關性在0.01水平上顯著正相關，尤其與0~30 cm平均土壤含水率相關性最高。將樣方生物量（干重）作為因變量y、土壤含水率作為自變量x進行曲線估算回歸，選取擬合最佳的三次方程（R2=0.703）：

式（1）的建立，量化了研究區(qū)域內(nèi)土壤含水率與植物樣方生物量的響應關系。在難以實地取樣的狀況下，可利用土壤含水率大致推求指定點的植物樣方生物量，同時在估算研究區(qū)域內(nèi)植物生物總量時，也可考慮利用區(qū)域內(nèi)土壤含水率分布數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

5 區(qū)域植物總生物量估計

植物生物量是衡量生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)的重要指標，生長茂盛的植物莖葉及發(fā)達的根系具有強大、高效的控污能力。為了掌握水庫入庫段消落區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力水平，為水庫消落帶植物營養(yǎng)鹽富集、整體防污控污能力的量化研究打下基礎，此次研究對區(qū)域內(nèi)植物生物總量進行了統(tǒng)計。

結合已有數(shù)據(jù)，對研究區(qū)域內(nèi)除農(nóng)業(yè)種植區(qū)、道路、泡塘、支流河道以外共約31萬m2的自然植物區(qū)進行植物總生物量估算。其中，考慮到以野艾蒿為優(yōu)勢植物的類型4在不同區(qū)域位置中的生物量差距較大，將其劃分為東側野艾蒿群落及中部野艾蒿群落兩個部分，分別計算其平均生物量及占地面積；其余類型群落的樣方生物量分布較均勻，直接取用平均樣方生物量與占地面積的乘積作為該類型群落的植物生物量總值。具體計算結果見表3。

計算得到研究區(qū)域內(nèi)自然植物區(qū)鮮重生物量總計約為241 289 kg，平均7 784 kg/hm2；干重生物量總計約為198 801 kg，平均6 413 kg/hm2。參考2001—2013年中國北方草地生物量統(tǒng)計數(shù)據(jù)（溫性草原5 829 kg/hm2、溫性草甸9 632 kg/hm2）[6]，計算所得的植物生產(chǎn)力符合典型北方溫性草地生產(chǎn)水平，在北方水庫消落區(qū)中具有一定的代表性。

表3 區(qū)域植物總生物量計算表

6 結論

此次研究以遼寧省大連市碧流河水庫八家河入庫消落帶為典型，應用多光譜無人機技術為區(qū)域總體植物群落類型劃分及各類型群落計算創(chuàng)造條件，進行了植物生長狀況的調(diào)查和分析。

結果表明：八家河入庫消落區(qū)植物以一年或多年生草本為主，在自上游向水庫的平行河道方向，植物群落類型由以青蒿、野艾蒿為主的中生植物群落，向以苔蘚、水蓼為主的濕生植物群落過渡；不同類型植物群落的樣方生物量各有不同，范圍由130 g到2 500 g不等，且與0~30 cm土壤含水的分布顯著正相關，其相關關系符合三次曲線變化規(guī)律。利用無人機多光譜影像解譯各類群落占地面積，可估算除農(nóng)業(yè)用地、泡塘、道路外共約31萬m2內(nèi)的自然植物區(qū)生物量，計算得到區(qū)域內(nèi)生物量鮮重總值約為241 289 kg，干重總值約為198 801 kg，其生產(chǎn)力符合典型北方草地生產(chǎn)力水平。