基于植物多样性的银川平原灌排系统生态效应

   摘 要: 在对银川平原各级沟渠体系进行植物群落调查的基础上，计算了各级沟渠湿地的 4 个常用的植物多样性指数，即 Margalef 指数、Simpson 指数、Shannon-Wiener 指数、Pielou 指数，并分析了不同灌排水系植物多样性与水文、水利工程因素的关系。结果表明: Margalef 物种丰富度指数和 Shannon-Wiener 物种多样性指数对植物多样性的表征意义比较显著; 各级排水沟的生物多样性指数普遍比各级灌渠大，生态效应较好。在综合考虑节水和生态双重效益的前提下，应当采取干支渠全面砌护、斗渠减少砌护、农渠毛渠不砌护的生态水工策略。还可采取适当减缓沟渠迎水坡坡度，加长坡面，或者采取阶梯状边坡筑建模式，以及拉长排灌水系的修整间隔时间等措施。

    关 键 词: 植物多样性; 灌排系统; 生态效应; 银川平原

   水利工程建设是对生态系统的人为改造，必然会产生各种各样的生态影响。长期以来，国内研究者对水利水电工程的社会经济影响关注较多，而对生态环境影响研究则比较少。虽然我国的重大建设项目环境影响评价制度已经实施了近 20 a，对工程建设和运营中可能产生的生态环境影响有了规范化的评价方法，但是对于工程项目实施后生态环境的实时监测和评价工作的研究还较少［1 －4］，有针对性地定量研究则更少［5 －6］。开展水利工程生态效应的野外监测和分析研究，是推行“水利工程生态化”和“生态水利”的基础［7 －8］，对于工程建设后的生态修复和同类工程的环境影响评价，都具有重要的理论和实践意义。

    1 银川平原及其灌排工程概况

银川平原位于我国西北地区东部，是贺兰山与鄂尔多斯高原之间的一块冲积洪积平原，南北长165 km，东西宽10 ～50 km，总面积为 7 978 km2，黄河纵贯其中。银川平原海拔为1 100 ～1 200 m，地势自西南向东北微倾，土层深厚。该区属温带大陆性半干旱气候区，年平均降水量为 200 mm 左右，水面蒸发能力为2 000 mm 左右，光照充足，年平均气温为 9 ℃ ，气温年较差和日较差大，具有春迟秋早，冬长夏短，干燥多风的气候特点。银川平原的地带性植被和土壤分别是荒漠草原植被和灰钙土，隐域性的沙生、沼生、盐生植被及风沙土、潮土、盐渍土等都很发育.

自秦汉时起，包括银川平原与卫宁平原在内的宁夏平原就开始了自流灌溉工程建设和农业开发，2 000 多年来世代沿续，形成了越来越完善的灌排体系，为发展灌溉农业奠定了良好的水利基础，在唐代这里就有了“塞上江南”的美誉。到 20 世纪中期，银川平原已有大小干渠 15 条，灌溉面积有 9． 6 万 hm2。

    1958 年青铜峡水库建成后，结束了银川平原无坝引水的历史，水利事业得到突飞猛进的发展。目前，银川平原有总干渠、干渠和支干渠 18 条，总长度为 1 084 km，总引水流量为 603m3/ s，灌溉面积为 33． 0 万 hm2; 有骨干排水沟道 24 条，总长度为 660 km，控制排水面积为 41． 9 万 hm2，排水能力达 955m3/ s［9 －10］。完善的灌排体系为银川平原的农业生产奠定了良好的基础，尽管其耕地面积仅占宁夏回族自治区耕地总面积的1 /4 左右，但是粮食产量则占到全区粮食总产量的 2 /3，粮食商品率在 30%以上。

    2 灌排工程植物多样性研究方法

2． 1 野外调查本次研究采用样线与样地相结合的野外调查方法，分别对银川平原干、支、斗、农四级灌渠和排水沟进行选线，每个级别的沟渠视生境异质性程度和土地利用方式，少则选择 3 条、多则选择 5 ～6 条。针对每一条沟渠样线在其上、中、下游三段各选取 1 个断面，断面从沟渠一侧堤坝顶部沿伸至另一侧堤坝顶部，尽可能放在整修时间 3 a 以上的地段，按照生态序列的递变特征，在断面上布设样方。草本群落取 1 m ×1 m 的样方，灌木群落取 4 m ×4 m 的样方，每个群系类型都在截面邻近地段沿沟渠流向设置 3 个重复。在样方调查中，陆生植物主要记录物种的名称、数量或多度、盖度、高度、生活型; 水生植物主要记录物种名称和盖度。

    2． 2 多样性指数

虽然多度、盖度、密度、频度等植物群落属性指标也能够体现一定的生态效应，但是其内涵相对简单和直接，不同样地面积和群落类型之间可比性差，而物种多样性指数则不然，它是测定生物多样性程度及其空间分布特征的综合数值指标，目前已有十多种表征意义不尽相同的物种多样性指数。这里主要选用几个常用的指数，即 Margalef 物种丰富度指数、Simpson 物种优势度指数、Shannon-Wiener 物种多样性指数和 Pielou 物种均匀度指数，其计算公式如下。

    Margalef 指数:

R = ( S － 1) / ln NSimpson 指数:D = 1 －∑P2iShannon-Wiener 指数:H = －∑Pilb PiPielou 指数:E = H / lb S式中: N 为 i 类植物所在样方的各个种类的相对重要值之和; S为 i 类植物所在样方的物种总数; Pi为第 i 种植物的相对重要值。

    草本和灌木的相对重要值 = ( 相对高度 + 相对盖度) /2。

    在计算出每个样地的多样性指数后，根据样地所属排灌系统类型，相加后求平均值，即得到不同等级沟渠的多样性指数。支沟与斗沟、农沟的等级排列关系在野外常难以区分，因此合并调查、计算。

    3 不同灌排水系的植物多样性特征及其影响因素3． 1 不同多样性指数的计算结果及其含义Margalef 指数( R) 是反映群落内部或环境中物种数目多少的指标，该数值越大，说明物种个体丰富度越高; 反之说明个体丰富度越低。从银川平原不同类型灌排渠系的 Margalef 物种丰富度指数运算结果( 图 1( a) ) 来看，泄洪沟的值最大，干渠的值最小，两者相差 1 倍左右。其他沟渠类型的物种丰富度为支 － 斗 － 农沟 ＞ 干沟 ＞ 农 － 毛渠 ＞ 支渠 ＞ 斗渠。

    图 1 不同沟渠类型植物多样性指数Simpson 指数( D) 是反映植物群落中物种优势程度的 指标，D 值越大，说明优势物种越少; 反之则说明优势物种越多。

    银川平原不同类型灌排渠系的 Simpson 指数运算结果( 图 1( b) ) 显示，不同灌排渠系的物种优势度相差不大，比较而言支渠和干沟的 D 值更大一些，干渠的 D 值最小，优势物种的组成情况是干渠最突出，支渠和干沟最不突出，其他沟渠类型居中。

    Shannon-Wiener 指数( H) 是基于物种数量反映群落种类多样性的指标，H 值越大，表示群落中生物种类越多，群落的复杂程度越高; H 值越小，则表明群落中生物种类越少，群落的复杂程度越低。银川平原不同类型灌排渠系的 Shannon-Wiener 指数运算结果( 图 1( c) ) 与 Margalef 物种丰富度指数类似，即泄洪沟最大，干渠最小，但两者相差只有 1/3 左右。其他沟渠类型的物种多样性指数大小为干沟 ＞ 支 － 斗 － 农沟 ＞ 支渠 ＞农 － 毛渠 ＞ 斗渠。

    Pielou 指数( E) 为群落均匀度指标，一般用来指示群落中物种的空间分布是否均匀，是随机散点分布还是聚合成不同大小的团块状分布，E 值越大，植物分布越均匀，物种的生态贡献也就越大。运算结果显示( 图 1( d) ) ，银川平原灌排系统的Pielou 指数大小为干沟 ＞ 农 － 毛渠 ＞ 支渠 ＞ 泄洪沟 ＞ 斗渠 ＞支 － 斗 － 农沟 ＞ 干渠，说明干沟的植物群落有较均匀的分布，干渠的植物分布最不均匀。

    3． 2 影响灌排体系植物多样性的因素水质和土壤检测结果表明，其与植物多样性指数有较密切的相关关系。另外，水文和水利工程与植物多样性指数也密切相关。对比不同排灌水系 200 多个样地的多样性指数值，发现生态序列越完整的沟渠，反映样地中个体数量和种类的 R 值与H 值越大，如典型泄洪沟断面( 图 2) 自下而上出现从水生植物群落—湿生( 盐生) 植物群落—中生植物群落—旱生( 盐生) 植物群落的更替，缺失群落序列或生态序列狭窄的沟渠，其植物多样性的 R 值与 H 值往往都偏小。反映种类优势程度的 D 值与反映个体分布均匀程度的 E 值在不同排灌水系的样地中差异不太显著，这可能与水生环境的隐域性和相似性有关，总体上是支渠和干沟稍大，干渠稍小。生态序列的完整性主要受到水文和水利工程状态的影响。

    图 2 高家闸泄洪沟典型断面生态序列水文因素中，影响植物多样性的首先是水量，全年有水的沟道相当于常年河，具有相对稳定的生态系统和比较完整的生态序列，因而植物多样性比较丰富; 而各级引水渠道相当于季节性河流，生境状态年内变化强烈，不能形成稳定的生态系统，因而植物群落类型简单。其次为水流流速，它与植物多样性在一定程度上呈负相关关系，引水灌渠的水流流速一般是逐级递减的，致使渠道水淹断面的植物多样性有逐级增强的趋势，干沟沟底几无植物生存，迎水坡过水断面上部有时有杨、柳、紫穗槐、柽柳、芦苇等根系发达的耐水淹植物生长; 支渠在粗糙度较大的沟底会有积水，伴生有挺水植物芦苇、香蒲、扁杆藨草、水莎草等，迎水坡上中生、旱生植物生长旺盛; 斗渠、农渠和毛渠从底部和迎水坡上多生长一年生和多年生草本及小半灌木; 排水沟水流普遍流速较慢，沟底水生植物群落生长较好，流速越慢的地段沉水和浮叶植物种类越多。最后的影响因素为泥沙，主要体现在泥沙沉积对中生植物的生长非常有利，有泥沙堆积的渠道底部及其边坡上，中生植物种类较多，而无泥沙沉积的沟道两侧湿盐生植物和旱生、盐生植物较多。

    灌排工程建设状况与植物多样性的关系也非常密切。第一，防渗措施处理过的沟渠底面和边坡，一般在数年以内植物都无法生长，经过防渗处理后再采用混凝土预制板衬砌的 U 形或倒梯形渠系，往往能隔绝植物根茎十多年，但可减少渠道渗漏损失 60% 以上［11］。减少植物根茎阻滞并保持水流的通畅性，是现阶段提高农用水效率的重要水利措施，但其对植物多样性的负面影响也是不言而喻的。用混凝土或其他新型保水保温材料衬砌的灌溉渠系，过水断面上缺少水生、湿生乃至中生生境下的植物。第二，边坡坡度大小与植物生物多样性也有直接关系。调查显示，坡度为 30°左右的标准边坡能够构造出较好的生境梯度，断面上生态序列完整，植物丰富度指数 R 值和物种多样性指数 H 值都比较大; 阶梯状边坡除 R 值和 H 值比较大外，优势度指数 D 值也比较大; 边坡小于 15°时湿盐生植物群落发育较好; 边坡大于 45°时繁殖体保存和植物扎根困难，大多只有根茎禾草植物生长。第三，沟渠整修时间长短与植物多样性关系密切。一般施工后3 ～ 5 a，才能出现植物群落构成比较完整的生态序列，这在排水沟道表现尤其明显; 灌溉渠道整修频繁，在未做防水处理的情况下，R 值和 H 值都比较大，但生态序列不完整，说明植物群落的生境分异还未形成，处在资源竞争阶段。

    4 结 语

( 1) 在几种植物多样性指数中，Margalef 物种丰富度指数和 Shannon-Wiener 物种多样性指数对植物多样性的表征意义比较显著，是指示灌排水系生态效应的良好指标，应优先采用。

    ( 2) 各级排水沟地势低、常年积水，加上衬砌程度低、边坡稳定性较强、以地下水补给为主，以及水流较慢等原因，植物多样性指数普遍比各级灌渠大，生态效应较好。

    ( 3) 沟渠砌护是对植物多样性负面影响最大的水利工程措施，但在提高水资源利用效率和农田灌溉保证率方面却非常有效。由于干支两级渠系渗漏的损失量占灌溉用水总损失量的60% ～ 70%［12］，因此在综合考虑节水和生态双重效益的前提下，应当采取干支渠全面砌护、斗渠减少砌护、农渠与毛渠不砌护的生态水工策略。

    ( 4) 适当减缓沟渠迎水坡坡度，加长坡面，或者采取阶梯状边坡筑建模式，能较大幅度地提高灌排水系边坡的植物多样性，增强其生态效应。以景观和生态功能为核心的城镇人工水系营造中，尤其适合选取这一模式。

    ( 5) 灌排水系的修整间隔时间应尽可能拉长，整修时对同一沟渠可分地段、分时段逐次进行，排水沟和干沟、支沟尤其应当如此。另外，低级渠系实行岁修制度，有助于保持竞争状态下较大的植物多样性指数值。

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