摘 要: 在對銀川平原各級溝渠體系進行植物群落調查的基礎上，計算了各級溝渠濕地的 4 個常用的植物多樣性指數，即 Margalef 指數、Simpson 指數、Shannon-Wiener 指數、Pielou 指數，并分析了不同灌排水系植物多樣性與水文、水利工程因素的關系。結果表明: Margalef 物種豐富度指數和 Shannon-Wiener 物種多樣性指數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普遍比各級灌渠大，生態效應較好。在綜合考慮節水和生態雙重效益的前提下，應當采取干支渠全面砌護、斗渠減少砌護、農渠毛渠不砌護的生態水工策略。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 鍵 詞: 植物多樣性; 灌排系統; 生態效應; 銀川平原
水利工程建設是對生態系統的人為改造，必然會產生各種各樣的生態影響。長期以來，國內研究者對水利水電工程的社會經濟影響關注較多，而對生態環境影響研究則比較少。雖然我國的重大建設項目環境影響評價制度已經實施了近 20 a，對工程建設和運營中可能產生的生態環境影響有了規范化的評價方法，但是對于工程項目實施后生態環境的實時監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]。開展水利工程生態效應的野外監測和分析研究，是推行“水利工程生態化”和“生態水利”的基礎[7 -8]，對于工程建設后的生態修復和同類工程的環境影響評價，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。該區屬溫帶大陸性半干旱氣候區，年平均降水量為 200 mm 左右，水面蒸發能力為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、鹽生植被及風沙土、潮土、鹽漬土等都很發育.
自秦漢時起，包括銀川平原與衛寧平原在內的寧夏平原就開始了自流灌溉工程建設和農業開發，2 000 多年來世代沿續，形成了越來越完善的灌排體系，為發展灌溉農業奠定了良好的水利基礎，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，結束了銀川平原無壩引水的歷史，水利事業得到突飛猛進的發展。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業生產奠定了良好的基礎，盡管其耕地面積僅占寧夏回族自治區耕地總面積的1 /4 左右，但是糧食產量則占到全區糧食總產量的 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 野外調查本次研究采用樣線與樣地相結合的野外調查方法，分別對銀川平原干、支、斗、農四級灌渠和排水溝進行選線，每個級別的溝渠視生境異質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，斷面從溝渠一側堤壩頂部沿伸至另一側堤壩頂部，盡可能放在整修時間 3 a 以上的地段，按照生態序列的遞變特征，在斷面上布設樣方。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置 3 個重復。在樣方調查中，陸生植物主要記錄物種的名稱、數量或多度、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
雖然多度、蓋度、密度、頻度等植物群落屬性指標也能夠體現一定的生態效應，但是其內涵相對簡單和直接，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。這里主要選用幾個常用的指數，即 Margalef 物種豐富度指數、Simpson 物種優勢度指數、Shannon-Wiener 物種多樣性指數和 Pielou 物種均勻度指數，其計算公式如下。
Margalef 指數:
R = ( S - 1) / ln NSimpson 指數:D = 1 -∑P2iShannon-Wiener 指數:H = -∑Pilb PiPielou 指數: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; 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后，根據樣地所屬排灌系統類型，相加后求平均值，即得到不同等級溝渠的多樣性指數。支溝與斗溝、農溝的等級排列關系在野外常難以區分，因此合并調查、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 不同多樣性指數的計算結果及其含義Margalef 指數( R) 是反映群落內部或環境中物種數目多少的指標，該數值越大，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 物種豐富度指數運算結果( 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 - 農溝 > 干溝 > 農 - 毛渠 > 支渠 > 斗渠。
圖 1 不同溝渠類型植物多樣性指數Simpson 指數( D) 是反映植物群落中物種優勢程度的 指標，D 值越大，說明優勢物種越少; 反之則說明優勢物種越多。
銀川平原不同類型灌排渠系的 Simpson 指數運算結果( 圖 1( b) ) 顯示，不同灌排渠系的物種優勢度相差不大，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( H) 是基于物種數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，群落的復雜程度越低。銀川平原不同類型灌排渠系的 Shannon-Wiener 指數運算結果( 圖 1( c) ) 與 Margalef 物種豐富度指數類似，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大小為干溝 > 支 - 斗 - 農溝 > 支渠 >農 - 毛渠 > 斗渠。
Pielou 指數( 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，物種的生態貢獻也就越大。運算結果顯示( 圖 1( d) ) ，銀川平原灌排系統的Pielou 指數大小為干溝 > 農 - 毛渠 > 支渠 > 泄洪溝 > 斗渠 >支 - 斗 - 農溝 > 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和土壤檢測結果表明，其與植物多樣性指數有較密切的相關關系。另外，水文和水利工程與植物多樣性指數也密切相關。對比不同排灌水系 200 多個樣地的多樣性指數值，發現生態序列越完整的溝渠，反映樣地中個體數量和種類的 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，這可能與水生環境的隱域性和相似性有關，總體上是支渠和干溝稍大，干渠稍小。生態序列的完整性主要受到水文和水利工程狀態的影響。
圖 2 高家閘泄洪溝典型斷面生態序列水文因素中，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，具有相對穩定的生態系統和比較完整的生態序列，因而植物多樣性比較豐富; 而各級引水渠道相當于季節性河流，生境狀態年內變化強烈，不能形成穩定的生態系統，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關系，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、蘆葦等根系發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濕鹽生植物和旱生、鹽生植物較多。
灌排工程建設狀況與植物多樣性的關系也非常密切。第一，防滲措施處理過的溝渠底面和邊坡，一般在數年以內植物都無法生長，經過防滲處理后再采用混凝土預制板襯砌的 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，是現階段提高農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系。調查顯示，坡度為 30°左右的標準邊坡能夠構造出較好的生境梯度，斷面上生態序列完整，植物豐富度指數 R 值和物種多樣性指數 H 值都比較大; 階梯狀邊坡除 R 值和 H 值比較大外，優勢度指數 D 值也比較大; 邊坡小于 15°時濕鹽生植物群落發育較好; 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系密切。一般施工后3 ～ 5 a，才能出現植物群落構成比較完整的生態序列，這在排水溝道表現尤其明顯; 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 語
( 1) 在幾種植物多樣性指數中，Margalef 物種豐富度指數和 Shannon-Wiener 物種多樣性指數對植物多樣性的表征意義比較顯著，是指示灌排水系生態效應的良好指標，應優先采用。
( 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，植物多樣性指數普遍比各級灌渠大，生態效應較好。
( 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]，因此在綜合考慮節水和生態雙重效益的前提下，應當采取干支渠全面砌護、斗渠減少砌護、農渠與毛渠不砌護的生態水工策略。
( 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，增強其生態效應。以景觀和生態功能為核心的城鎮人工水系營造中，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、支溝尤其應當如此。另外，低級渠系實行歲修制度，有助于保持競爭狀態下較大的植物多樣性指數值。
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