土地利用对东洞庭湖湿地植物多样性及土壤性状的影响*

李华军 ，林 杨 ，王润哲 ，王佑安 ，汪晓亚

（1.湖南省林业科学院，湖南 长沙 410000；2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410000）

0 前言

自20 世纪下半叶以来，土地利用被确定为生态景观格局和环境变化的最重要原因，欧洲和亚洲地区的土地覆盖和土地利用发生了巨大变化。人们普遍认为，一个地区的实际土地利用模式对各种生态现象有很大影响，如干扰传播和动植物种群的水平运动。因此，描述土地利用类型比例随时间的变化可能对保护生物多样性和发展景观层面的可持续生态系统管理模式至关重要。在任何时间和空间尺度上，人类与环境之间的物质和能量交换都很好地体现在土地利用及覆盖变化上。

生物多样性是评估生态系统是否运行良好的关键指标，可提供高效的生态系统服务功能，而生态系统服务的价值可以体现生态系统中各种可用服务的直观价值，例如物种数量、群落的稳定性、环境的调节功能以及生态系统产出等方面。作为自然生态系统的载体，土地利用类型的变化不仅会破坏生态系统的自我调节能力，还会直接促进一个地区土地生产力的变化。土地利用类型的不当变化除了会导致防洪能力下降外，还会导致土地退化、水源污染和水质恶化等负面后果。

许多学者对生物多样性的影响因素进行了深入研究，发现影响生物多样性的因素众多且复杂，但环境因素被认为是影响生物多样性的最重要因素之一。生物因素仅在小范围内成为群落多样性的影响因素，而环境因素和人为因素则在一系列尺度上产生影响。各种景观格局是在生物和人为因素的作用下产生的，各种形式、功能和生态过程共同影响着该地区的生物多样性。

湿地生态系统是指在水分条件影响下形成的具有特殊生态功能的自然系统，它对人类和自然环境都有重要作用[1]。湿地具有调节环境、控制水平衡、缓解污染和调节气候等作用，还可以保护生物多样性，提供丰富的物种资源和基因资源[2-5]。并且能够提供一定的经济效益，为人类提供食物、纤维、药物、能源等产品[6]。目前，湿地周边的城镇化和工业化建设飞速增长，化学农药的使用，污水灌溉及公路、铁路建设时所残留的废弃物，材料运输时所排放的尾气等人类活动产品对湿地生态系统造成了一定的影响[7]。而土地利用的变化会导致土壤中生物包括植物、动物和土壤本身的理化性质的改变，进而改变土壤生态系统结构和功能，最终影响区域的系统服务功能[8]。总结来说，土地利用变化会改变植物群落结构和组成，影响植物种类、数量和分布[9]。

东洞庭湖区域核心区分布于亚热带气候东部季风区，对维护长江中下游地区的生态平衡、生态环境起到了无可取代的作用[10]。尽管关于东洞庭湖湿地植物多样性及土壤性状的文献报道很少，但大多是以样地观测和野外观测资料为基础，对东洞庭湖地区核心区的湿地生物量与空间分布进行全面的评价。对东洞庭湖湿地多年来生态格局变化的研究发现，以往的研究强调东洞庭湖的水文调蓄等功能，关注湿地污染情况以及湿地动植物的保护保育情况等方面，而针对植被多样性与人类活动的关系及其发生机制的研究则较少，需要进行进一步的研究和探索。

本研究对东洞庭湖地区核心区生物量变化监测、资源保护、合理利用具有一定的参考价值。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

东洞庭湖区域位于湖南省岳阳市，地处长江中下游荆江江段南部，面积132 800 km2，地理坐标29°00′～29°38′N，112°43′～113°14′E。地形平坦，北面有大约3%的坡度，总体地形是一个非常不稳定的盆地。选择东洞庭湖湿地核心区为研究区，面积455 km2。东洞庭湖国家级自然保护区成立于1982 年，1992 年加入“国际重要湿地公约”，被列为我国首批加入“国际重要湿地公约”的六个国际重要湿地之一。

1.2 土地利用分类标准及分类方法

根据GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》，东洞庭湖土地利用类型分为林地、耕地、草地、未利用地、建筑用地五种类型，按照这五种类型分别对不同土地利用类型的植物群落特征、多样性情况和土壤理化性状进行研究。

1.3 样品收集与测定

1.3.1 样品采集

在研究区域内布设样地共108 个，在此样地内测定植物多样性，随后记录样方内植被物种名称、覆盖度、胸径、相对多度和相对频度等信息。并在样点中心位置提取土样进行土壤性状分析，土壤性状、植被等数据在2022 年野外考察中采集。重金属和土壤性状收集方面，利用彼得逊采泥器在每个样方内随机对表层沉积物（深度0～10 cm）取样3次。将土壤等样品混合后放入专用密封袋进行保存，并进行风干处理和生物残体剔除等其他处理。

1.3.2 重金属测定

测定土壤理化性质，选取土壤pH 值、硝态氮（NO3-N）、速效磷（AP）、黏粒比例、粉粒比例、砂粒比例、有机碳含量（SOC）几项指标，其中，pH 值在现场测量完成，硝态氮用凯式定氮法测量，速效磷用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测量，有机碳含量用重铬酸钾法测量。

1.4 植物重要值及多样性计算方法

植物多样性测定需要在湿地中设置合适大小和形状的样方，记录样方中植物的种类、数量、盖度、高度等数据。湿地植物群落多样性计算则需要根据不同的指数公式，利用样方数据计算出相应的值。本研究采用的指数有Shannon-Wiener 指数、Simpson 指数、Richness指数。

式中，Pi为第i个物种的个体数ni占调查物种个体总数N的比例，即Pi=ni/N；i=1,2,3,...,S；S为物种数。

式中，D为多样性指数；N为物种个体总数；ni为第i个物种的个体数。

式中，P为总样本数。

1.5 数据处理及分析

运用Microsoft Office Excel等软件进行数据的整理与统计分析，采用单因素方差分析法分别分析不同区域（土地利用类型）内各多样性指数、土壤理化指标间差异，对生物多样性和土壤理化性质之间关系的研究多采用传统的多元分析方法，但是由于环境因子易受到外界因素的影响，使结果可能具有一定的主观性，冗余分析（RDA）可以避免数据转换和多元分析的缺点。使用蒙特卡洛检验对研究区不同污染梯度下植被群落多样性指数和土壤环境因子进行RDA 分析，运用RDA 计算土壤理化性质与群落物种多样性之间的关系。

2 结果分析

2.1 土地利用类型对群落物种组成的影响

在调查的样地中，通过样方法共记录植物物种数量271 种，其中有乔木70 种，灌木40 种，草本161种。樟科、蔷薇科等在不同的土地利用类型样地中均有出现，通过多丰富度指数和土地利用数据的分析得出，随干扰强度增加灌木层和草本层之中群落优势种数量逐渐减少。

土地利用类型对不同层次的植物多样性影响不同。1）乔木层物种多样性相对稳定，林地和建设用地差异不显著，林地中的香农维纳指数H和辛普森指数D最大，分别达到5.464 6 和0.968 2。草地、耕地和未利用地三者差异不显著，最低为未利用地，其香农维纳指数H和辛普森指数D最小，分别达到2.385 7和0.752 2。乔木中油桐、樟树、乌桕、杉木、马尾松、杨树等占主导地位。2）灌木层多样性受人为因素影响较大，林地内的生物多样性指数最大，其香农维纳指数H和辛普森指数D分别为5.123 9 和0.934 4，草地的多样性指数最低，其香农维纳指数H和辛普森指数D分别为1.820 8 和0.635 8。3）草本层的多样性受人为因素影响最大，规律不明显，其中由于人为种植的原因和中度干扰的影响，耕地内的生物多样性指数最大，其香农维纳指数H和辛普森指数D分别为6.717 5 和0.971 2，未利用地的多样性指数最低，其香农维纳指数H和辛普森指数D分别为1.908 9 和0.644 4。

2.2 土壤性质基本情况

在不同的土地利用类型下，土壤的各项性质也有所不同，有机碳含量最高的土壤属于林地，pH 值呈弱酸性，适宜植物生长。耕地氮含量最高，主要是因为人为改良土壤，使植物生长养分充足。磷含量与氮含量的情况相似，建筑用地情况居中，草地的土壤养分含量较低，未利用地沙石含量最高，养分含量最低，植物多样性也最低。

2.3 林地和耕地植物多样性与土壤因子的RDA分析

从图1 可知：在不同的土地利用类型RDA 分析中，林地土壤环境因子中速效磷、有机质和电导率与丰富度指数呈正相关，土壤物理性状、pH 值和植物多样性指数呈负相关，其他指标间相关系数较小；耕地的丰富度指数和pH 值呈负相关，与有机质和速效磷等含量呈正相关，与其他指标间相关性较小。

图1 土壤基本情况与物种丰富度、香农维纳指数的冗余分析

3 结论

在不同的土地利用类型中，植被群落的多样性与土壤理化性质有密切联系，尤其是在林地和耕地中，生物多样性指数的高低与有机质、速效钾和电导率基本呈现正相关，与其他指标相关系数较小；但是与pH值和土壤的颗粒大小呈负相关，与其他土壤指标相关性较小。在耕地、林地土层中，重金属（Fe）与植被多样性指数呈负相关，这在南方的土壤研究中可以进一步进行深入探讨研究，以减少铁和其他元素的干扰。总体而言，在耕地、林地土层中，土壤受到人类活动的影响和重金属污染，导致土壤理化性状发生改变，显著改变了植物群落特征和生物多样性特征。