摘 要: 在對銀川平原各級溝渠體系進行植物群落調(diào)查的基礎(chǔ)上，計算了各級溝渠濕地的 4 個常用的植物多樣性指數(shù)，即 Margalef 指數(shù)、Simpson 指數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)、Pielou 指數(shù)，并分析了不同灌排水系植物多樣性與水文、水利工程因素的關(guān)系。結(jié)果表明: Margalef 物種豐富度指數(shù)和 Shannon-Wiener 物種多樣性指數(shù)對植物多樣性的表征意義比較顯著; 各級排水溝的生物多樣性指數(shù)普遍比各級灌渠大，生態(tài)效應(yīng)較好。在綜合考慮節(jié)水和生態(tài)雙重效益的前提下，應(yīng)當采取干支渠全面砌護、斗渠減少砌護、農(nóng)渠毛渠不砌護的生態(tài)水工策略。還可采取適當減緩溝渠迎水坡坡度，加長坡面，或者采取階梯狀邊坡筑建模式，以及拉長排灌水系的修整間隔時間等措施。

　　關(guān) 鍵 詞: 植物多樣性; 灌排系統(tǒng); 生態(tài)效應(yīng); 銀川平原

　　水利工程建設(shè)是對生態(tài)系統(tǒng)的人為改造，必然會產(chǎn)生各種各樣的生態(tài)影響。長期以來，國內(nèi)研究者對水利水電工程的社會經(jīng)濟影響關(guān)注較多，而對生態(tài)環(huán)境影響研究則比較少。雖然我國的重大建設(shè)項目環(huán)境影響評價制度已經(jīng)實施了近 20 a，對工程建設(shè)和運營中可能產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境影響有了規(guī)范化的評價方法，但是對于工程項目實施后生態(tài)環(huán)境的實時監(jiān)測和評價工作的研究還較少[1 -4]，有針對性地定量研究則更少[5 -6]。開展水利工程生態(tài)效應(yīng)的野外監(jiān)測和分析研究，是推行“水利工程生態(tài)化”和“生態(tài)水利”的基礎(chǔ)[7 -8]，對于工程建設(shè)后的生態(tài)修復(fù)和同類工程的環(huán)境影響評價，都具有重要的理論和實踐意義。

　　1 銀川平原及其灌排工程概況

　　銀川平原位于我國西北地區(qū)東部，是賀蘭山與鄂爾多斯高原之間的一塊沖積洪積平原，南北長165 km，東西寬10 ～50 km，總面積為 7 978 km2，黃河縱貫其中。銀川平原海拔為1 100 ～1 200 m，地勢自西南向東北微傾，土層深厚。該區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候區(qū)，年平均降水量為 200 mm 左右，水面蒸發(fā)能力為2 000 mm 左右，光照充足，年平均氣溫為 9 ℃ ，氣溫年較差和日較差大，具有春遲秋早，冬長夏短，干燥多風(fēng)的氣候特點。銀川平原的地帶性植被和土壤分別是荒漠草原植被和灰鈣土，隱域性的沙生、沼生、鹽生植被及風(fēng)沙土、潮土、鹽漬土等都很發(fā)育.

　　自秦漢時起，包括銀川平原與衛(wèi)寧平原在內(nèi)的寧夏平原就開始了自流灌溉工程建設(shè)和農(nóng)業(yè)開發(fā)，2 000 多年來世代沿續(xù)，形成了越來越完善的灌排體系，為發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)奠定了良好的水利基礎(chǔ)，在唐代這里就有了“塞上江南”的美譽。到 20 世紀中期，銀川平原已有大小干渠 15 條，灌溉面積有 9. 6 萬 hm2。

　　1958 年青銅峽水庫建成后，結(jié)束了銀川平原無壩引水的歷史，水利事業(yè)得到突飛猛進的發(fā)展。目前，銀川平原有總干渠、干渠和支干渠 18 條，總長度為 1 084 km，總引水流量為 603m3/ s，灌溉面積為 33. 0 萬 hm2; 有骨干排水溝道 24 條，總長度為 660 km，控制排水面積為 41. 9 萬 hm2，排水能力達 955m3/ s[9 -10]。完善的灌排體系為銀川平原的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)，盡管其耕地面積僅占寧夏回族自治區(qū)耕地總面積的1 /4 左右，但是糧食產(chǎn)量則占到全區(qū)糧食總產(chǎn)量的 2 /3，糧食商品率在 30%以上。

　　2 灌排工程植物多樣性研究方法

　　2. 1 野外調(diào)查本次研究采用樣線與樣地相結(jié)合的野外調(diào)查方法，分別對銀川平原干、支、斗、農(nóng)四級灌渠和排水溝進行選線，每個級別的溝渠視生境異質(zhì)性程度和土地利用方式，少則選擇 3 條、多則選擇 5 ～6 條。針對每一條溝渠樣線在其上、中、下游三段各選取 1 個斷面，斷面從溝渠一側(cè)堤壩頂部沿伸至另一側(cè)堤壩頂部，盡可能放在整修時間 3 a 以上的地段，按照生態(tài)序列的遞變特征，在斷面上布設(shè)樣方。草本群落取 1 m ×1 m 的樣方，灌木群落取 4 m ×4 m 的樣方，每個群系類型都在截面鄰近地段沿溝渠流向設(shè)置 3 個重復(fù)。在樣方調(diào)查中，陸生植物主要記錄物種的名稱、數(shù)量或多度、蓋度、高度、生活型; 水生植物主要記錄物種名稱和蓋度。

　　2. 2 多樣性指數(shù)

　　雖然多度、蓋度、密度、頻度等植物群落屬性指標也能夠體現(xiàn)一定的生態(tài)效應(yīng)，但是其內(nèi)涵相對簡單和直接，不同樣地面積和群落類型之間可比性差，而物種多樣性指數(shù)則不然，它是測定生物多樣性程度及其空間分布特征的綜合數(shù)值指標，目前已有十多種表征意義不盡相同的物種多樣性指數(shù)。這里主要選用幾個常用的指數(shù)，即 Margalef 物種豐富度指數(shù)、Simpson 物種優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon-Wiener 物種多樣性指數(shù)和 Pielou 物種均勻度指數(shù)，其計算公式如下。

　　Margalef 指數(shù):

　　R = ( S - 1) / ln NSimpson 指數(shù):D = 1 -∑P2iShannon-Wiener 指數(shù):H = -∑Pilb PiPielou 指數(shù):E = H / lb S式中: N 為 i 類植物所在樣方的各個種類的相對重要值之和; S為 i 類植物所在樣方的物種總數(shù); Pi為第 i 種植物的相對重要值。

　　草本和灌木的相對重要值 = ( 相對高度 + 相對蓋度) /2。

　　在計算出每個樣地的多樣性指數(shù)后，根據(jù)樣地所屬排灌系統(tǒng)類型，相加后求平均值，即得到不同等級溝渠的多樣性指數(shù)。支溝與斗溝、農(nóng)溝的等級排列關(guān)系在野外常難以區(qū)分，因此合并調(diào)查、計算。

　　3 不同灌排水系的植物多樣性特征及其影響因素3. 1 不同多樣性指數(shù)的計算結(jié)果及其含義Margalef 指數(shù)( R) 是反映群落內(nèi)部或環(huán)境中物種數(shù)目多少的指標，該數(shù)值越大，說明物種個體豐富度越高; 反之說明個體豐富度越低。從銀川平原不同類型灌排渠系的 Margalef 物種豐富度指數(shù)運算結(jié)果( 圖 1( a) ) 來看，泄洪溝的值最大，干渠的值最小，兩者相差 1 倍左右。其他溝渠類型的物種豐富度為支 - 斗 - 農(nóng)溝 > 干溝 > 農(nóng) - 毛渠 > 支渠 > 斗渠。

　　圖 1 不同溝渠類型植物多樣性指數(shù)Simpson 指數(shù)( D) 是反映植物群落中物種優(yōu)勢程度的 指標，D 值越大，說明優(yōu)勢物種越少; 反之則說明優(yōu)勢物種越多。

　　銀川平原不同類型灌排渠系的 Simpson 指數(shù)運算結(jié)果( 圖 1( b) ) 顯示，不同灌排渠系的物種優(yōu)勢度相差不大，比較而言支渠和干溝的 D 值更大一些，干渠的 D 值最小，優(yōu)勢物種的組成情況是干渠最突出，支渠和干溝最不突出，其他溝渠類型居中。

　　Shannon-Wiener 指數(shù)( H) 是基于物種數(shù)量反映群落種類多樣性的指標，H 值越大，表示群落中生物種類越多，群落的復(fù)雜程度越高; H 值越小，則表明群落中生物種類越少，群落的復(fù)雜程度越低。銀川平原不同類型灌排渠系的 Shannon-Wiener 指數(shù)運算結(jié)果( 圖 1( c) ) 與 Margalef 物種豐富度指數(shù)類似，即泄洪溝最大，干渠最小，但兩者相差只有 1/3 左右。其他溝渠類型的物種多樣性指數(shù)大小為干溝 > 支 - 斗 - 農(nóng)溝 > 支渠 >農(nóng) - 毛渠 > 斗渠。

　　Pielou 指數(shù)( E) 為群落均勻度指標，一般用來指示群落中物種的空間分布是否均勻，是隨機散點分布還是聚合成不同大小的團塊狀分布，E 值越大，植物分布越均勻，物種的生態(tài)貢獻也就越大。運算結(jié)果顯示( 圖 1( d) ) ，銀川平原灌排系統(tǒng)的Pielou 指數(shù)大小為干溝 > 農(nóng) - 毛渠 > 支渠 > 泄洪溝 > 斗渠 >支 - 斗 - 農(nóng)溝 > 干渠，說明干溝的植物群落有較均勻的分布，干渠的植物分布最不均勻。

　　3. 2 影響灌排體系植物多樣性的因素水質(zhì)和土壤檢測結(jié)果表明，其與植物多樣性指數(shù)有較密切的相關(guān)關(guān)系。另外，水文和水利工程與植物多樣性指數(shù)也密切相關(guān)。對比不同排灌水系 200 多個樣地的多樣性指數(shù)值，發(fā)現(xiàn)生態(tài)序列越完整的溝渠，反映樣地中個體數(shù)量和種類的 R 值與H 值越大，如典型泄洪溝斷面( 圖 2) 自下而上出現(xiàn)從水生植物群落—濕生( 鹽生) 植物群落—中生植物群落—旱生( 鹽生) 植物群落的更替，缺失群落序列或生態(tài)序列狹窄的溝渠，其植物多樣性的 R 值與 H 值往往都偏小。反映種類優(yōu)勢程度的 D 值與反映個體分布均勻程度的 E 值在不同排灌水系的樣地中差異不太顯著，這可能與水生環(huán)境的隱域性和相似性有關(guān)，總體上是支渠和干溝稍大，干渠稍小。生態(tài)序列的完整性主要受到水文和水利工程狀態(tài)的影響。

　　圖 2 高家閘泄洪溝典型斷面生態(tài)序列水文因素中，影響植物多樣性的首先是水量，全年有水的溝道相當于常年河，具有相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)和比較完整的生態(tài)序列，因而植物多樣性比較豐富; 而各級引水渠道相當于季節(jié)性河流，生境狀態(tài)年內(nèi)變化強烈，不能形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，因而植物群落類型簡單。其次為水流流速，它與植物多樣性在一定程度上呈負相關(guān)關(guān)系，引水灌渠的水流流速一般是逐級遞減的，致使渠道水淹斷面的植物多樣性有逐級增強的趨勢，干溝溝底幾無植物生存，迎水坡過水斷面上部有時有楊、柳、紫穗槐、檉柳、蘆葦?shù)雀蛋l(fā)達的耐水淹植物生長; 支渠在粗糙度較大的溝底會有積水，伴生有挺水植物蘆葦、香蒲、扁桿藨草、水莎草等，迎水坡上中生、旱生植物生長旺盛; 斗渠、農(nóng)渠和毛渠從底部和迎水坡上多生長一年生和多年生草本及小半灌木; 排水溝水流普遍流速較慢，溝底水生植物群落生長較好，流速越慢的地段沉水和浮葉植物種類越多。最后的影響因素為泥沙，主要體現(xiàn)在泥沙沉積對中生植物的生長非常有利，有泥沙堆積的渠道底部及其邊坡上，中生植物種類較多，而無泥沙沉積的溝道兩側(cè)濕鹽生植物和旱生、鹽生植物較多。

　　灌排工程建設(shè)狀況與植物多樣性的關(guān)系也非常密切。第一，防滲措施處理過的溝渠底面和邊坡，一般在數(shù)年以內(nèi)植物都無法生長，經(jīng)過防滲處理后再采用混凝土預(yù)制板襯砌的 U 形或倒梯形渠系，往往能隔絕植物根莖十多年，但可減少渠道滲漏損失 60% 以上[11]。減少植物根莖阻滯并保持水流的通暢性，是現(xiàn)階段提高農(nóng)用水效率的重要水利措施，但其對植物多樣性的負面影響也是不言而喻的。用混凝土或其他新型保水保溫材料襯砌的灌溉渠系，過水斷面上缺少水生、濕生乃至中生生境下的植物。第二，邊坡坡度大小與植物生物多樣性也有直接關(guān)系。調(diào)查顯示，坡度為 30°左右的標準邊坡能夠構(gòu)造出較好的生境梯度，斷面上生態(tài)序列完整，植物豐富度指數(shù) R 值和物種多樣性指數(shù) H 值都比較大; 階梯狀邊坡除 R 值和 H 值比較大外，優(yōu)勢度指數(shù) D 值也比較大; 邊坡小于 15°時濕鹽生植物群落發(fā)育較好; 邊坡大于 45°時繁殖體保存和植物扎根困難，大多只有根莖禾草植物生長。第三，溝渠整修時間長短與植物多樣性關(guān)系密切。一般施工后3 ～ 5 a，才能出現(xiàn)植物群落構(gòu)成比較完整的生態(tài)序列，這在排水溝道表現(xiàn)尤其明顯; 灌溉渠道整修頻繁，在未做防水處理的情況下，R 值和 H 值都比較大，但生態(tài)序列不完整，說明植物群落的生境分異還未形成，處在資源競爭階段。

　　4 結(jié) 語

　　( 1) 在幾種植物多樣性指數(shù)中，Margalef 物種豐富度指數(shù)和 Shannon-Wiener 物種多樣性指數(shù)對植物多樣性的表征意義比較顯著，是指示灌排水系生態(tài)效應(yīng)的良好指標，應(yīng)優(yōu)先采用。

　　( 2) 各級排水溝地勢低、常年積水，加上襯砌程度低、邊坡穩(wěn)定性較強、以地下水補給為主，以及水流較慢等原因，植物多樣性指數(shù)普遍比各級灌渠大，生態(tài)效應(yīng)較好。

　　( 3) 溝渠砌護是對植物多樣性負面影響最大的水利工程措施，但在提高水資源利用效率和農(nóng)田灌溉保證率方面卻非常有效。由于干支兩級渠系滲漏的損失量占灌溉用水總損失量的60% ～ 70%[12]，因此在綜合考慮節(jié)水和生態(tài)雙重效益的前提下，應(yīng)當采取干支渠全面砌護、斗渠減少砌護、農(nóng)渠與毛渠不砌護的生態(tài)水工策略。

　　( 4) 適當減緩溝渠迎水坡坡度，加長坡面，或者采取階梯狀邊坡筑建模式，能較大幅度地提高灌排水系邊坡的植物多樣性，增強其生態(tài)效應(yīng)。以景觀和生態(tài)功能為核心的城鎮(zhèn)人工水系營造中，尤其適合選取這一模式。

　　( 5) 灌排水系的修整間隔時間應(yīng)盡可能拉長，整修時對同一溝渠可分地段、分時段逐次進行，排水溝和干溝、支溝尤其應(yīng)當如此。另外，低級渠系實行歲修制度，有助于保持競爭狀態(tài)下較大的植物多樣性指數(shù)值。

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