五源河水生植物多樣性與水環(huán)境因子關(guān)系研究

薛雁文 雷湘齡 薛 楊 王小燕

（海南省林業(yè)科學(xué)研究院，海南海口 571199）

水生植物依托于水環(huán)境生長(zhǎng)，對(duì)于水分的依賴性極強(qiáng)[1]。同時(shí)，作為初級(jí)生產(chǎn)者，水生植物是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分[2]，為其他水生生物提供食物和棲息環(huán)境，在物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)等方面起著不可或缺的作用[3]。

水生植物與水環(huán)境因子之間是相互作用、相互影響的，水環(huán)境的變化可能會(huì)引起水生植物生物多樣性的變化[4-5]。王東波等[6]分析了呼倫湖藻類群落結(jié)構(gòu)與水環(huán)境因子的關(guān)系，結(jié)果表明，在冰封期浮游藻類的群落結(jié)構(gòu)特征與水環(huán)境因子存在明顯的相關(guān)關(guān)系：硅藻門類物種豐富度受到氨氮的影響較為明顯，而藍(lán)藻門物種受到總磷的影響明顯。徐 明等[7]對(duì)大縱湖的研究發(fā)現(xiàn)，水溫、透明度、濁度和總氮是影響浮游植物群落的主要水質(zhì)指標(biāo)。夏瑩霏等[8]的分析表明，總氮和BOD5是影響江蘇省優(yōu)勢(shì)水生植物生長(zhǎng)分布的最主要環(huán)境因子，且總氮對(duì)水生植物的分布有直接關(guān)系。齊代華[9]對(duì)九寨溝水生植物與環(huán)境因子的關(guān)系研究表明，其物種多樣性與總氮成正相關(guān)、與pH值成負(fù)相關(guān)，而與總磷關(guān)系并不顯著，且總氮是影響物種多樣性的主要因子。

濕地具有強(qiáng)大的生態(tài)功能，是珍貴的自然資源，被稱為“地球之腎”，水生植物在維持濕地生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能方面發(fā)揮著重要的作用[2]。五源河國(guó)家濕地公園是?？谑凶钪匾牧饔蛑?，本文以五源河為研究對(duì)象，調(diào)查了五源河水生植物群落狀況和水環(huán)境因子，使用冗余分析方法（redundancy analysis，RDA）分析水生植物的均勻度指數(shù)、豐富度指數(shù)和生物多樣性指數(shù)與水環(huán)境因子之間的關(guān)系，以期為五源河濕地公園的保護(hù)、水資源的合理利用提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

五源河國(guó)家濕地公園地處海南省?？谑械奈鞅辈浚挥跂|經(jīng) 110°11'51″～110°16'02″、北緯 19°57'06″～20°04'59″之間。 公園總面積為 1 300.58 hm2，其中濕地面積為958.39 hm2，所占比例為73.69%。公園南起永莊水庫(kù)，北至五源河河口海域，主要包括永莊水庫(kù)、五源河及五源河河口海域等3個(gè)濕地單元。五源河發(fā)源于羊山濕地，干流河長(zhǎng)27.29 km。河段上游周邊多為農(nóng)田、零散鄉(xiāng)村居民及工廠，中游周邊為農(nóng)田、散居民居及工廠，下游周邊為居住區(qū)和公共服務(wù)區(qū)。

1.2 植物調(diào)查方法

在濕地公園內(nèi)沿五源河流域設(shè)置15個(gè)大小為1 m×1 m 的樣方，其中上游樣方有 S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7， 中游樣方有 S8、S9、S10、S11， 下游樣方有S12、S13、S14、S15（表1）。 調(diào)查并記錄每個(gè)樣方內(nèi)植物的種類、株數(shù)、高度、蓋度，計(jì)算出各種類植物的重要值和物種多樣性指數(shù)。

表1 上、中、下游設(shè)定水質(zhì)監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)概況

1.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)及方法

主要監(jiān)測(cè)的水質(zhì)指標(biāo)包括水溫、pH值、鹽度、化學(xué)需氧量（COD）、溶解氧量（DO）、氨氮（NH3-H）、總氮（TN）、總磷（TP）、葉綠素 a 等 9 個(gè)項(xiàng)目。 其中，水溫、pH值、鹽度和DO分別采用溫度計(jì)法、玻璃電極法、鹽度計(jì)法和電化學(xué)探頭法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。其余指標(biāo)均在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定：使用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)法檢測(cè)COD、水楊酸分光光度法測(cè)定NH3-H、堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法檢測(cè)TN；分別采用鉬酸銨分光光度法和單色分光光度法測(cè)定TP和葉綠素a。

1.4 統(tǒng)計(jì)內(nèi)容及方法

每個(gè)樣方分別統(tǒng)計(jì)植物所屬的科、屬及數(shù)量，以此計(jì)算相對(duì)頻度、相對(duì)蓋度、相對(duì)密度、物種重要值、Margalef豐富度指數(shù)（R）、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）、Pielou 均勻度指數(shù)（J）、Simpson 指數(shù)（D），計(jì)算公式如下[5]：

其中：S為樣方內(nèi)所有的物種數(shù)，N為所有物種的個(gè)體總數(shù)，Pi是第i種的個(gè)體數(shù)ni占總個(gè)體數(shù)N的比例。

使用Canoco 5.0中的RDA方法分析植物多樣性因子，包括Margalef豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)、Simpson指數(shù)與水環(huán)境因子間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 五源河水質(zhì)單因子動(dòng)態(tài)變化分析

調(diào)查結(jié)果表明：水溫變化與氣溫變化同步；河段pH值范圍在7.20～8.97，由于受到近?？谒慕粨Q的影響，上游、下游的pH值波動(dòng)較大；鹽度在流域空間上差異顯著，鹽度平均值下游段為0.22‰、中游為0.08‰、上游永莊水庫(kù)為0.06‰；COD范圍在1.79～74.00 mg/L，上游永莊水庫(kù)平均值為3.4 mg/L，顯著低于中游的31.0 mg/L和下游的30.5 mg/L；DO范圍在4.27～7.70 mg/L，上游永莊水庫(kù)平均值為6.67 mg/L，顯著高于中游的5.41 mg/L和下游的5.59 mg/L；總磷范圍在0.02～0.42 mg/L，上游永莊水庫(kù)平均值為0.06 mg/L，顯著低于中游的0.20 mg/L和下游的0.27 mg/L；氨氮范圍在 0.05～0.92 mg/L，上游永莊水庫(kù)平均值為0.13 mg/L，顯著低于中游的1.35 mg/L和下游的1.38 mg/L；總氮范圍在 0.41～4.58 mg/L，上游永莊水庫(kù)平均值為0.65 mg/L，顯著低于中游的1.45 mg/L和下游的1.28 mg/L；葉綠素a變化范圍較大，在2.35～20.50 μg/L之間，河流上游平均值為7.04 μg/L， 顯著低于中游的 10.67 μg/L 和下游的9.61 μg/L。

五源河上、中、下游之間化學(xué)需氧量以及氨氮含量差異顯著，主要水質(zhì)污染物為化學(xué)需氧量、氨氮和總氮。上游污染源以農(nóng)業(yè)面源污染為主，中游以生活污水、養(yǎng)殖污水為主要污染源，下游為混合污染源。

2.2 五源河水生植物種類

根據(jù)此次調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)有22科41屬共45種水生植物，詳見(jiàn)表2。其中，野生稻（Oryza rufipogon）作為稻種資源的重要組成部分，是水稻雜交育種工作中的關(guān)鍵材料；絨毛草（Holcus lanatus）可作為河湖、濕地的景觀禾草；水燭（Typha angustifolia）的葉片可用作編織材料，莖葉纖維可用來(lái)造紙；金鈕扣（Spilanthes paniculata）、蔊菜 （Rorippa indica）、野芋（Colocasia antiquorum）、毛蓼（Polygonum barbatum）等可入藥； 狗牙根（Cynodon dactylon）、水龍（Ludwigia adscendens）等還可用作飼料。

表2 五源河水生植物調(diào)查結(jié)果

本次調(diào)查沿五源河設(shè)置15個(gè)樣方，S1號(hào)樣方中有水生植物4種，馬蹄（Heleocharis dulcis）的重要值最大，為17.9%；S2號(hào)樣方中有水生植物7種，大薸（Pistia stratiotes）的重要值最大，為 15%；S3號(hào)樣方有水生植物11種，重要值最大的是田字蘋（Marsilea quadrifolia）， 為 20.4%；S4號(hào)樣方有水生植物 4 種，膜稃草（Hymenachne amplexicaulis）和竹節(jié)草（Chrysopogon aciculatus）的重要值最大，均為12.5%；S5號(hào)樣方有水生植物3種，膜稃草在該樣方的重要值最大，為17%；S6號(hào)樣方有水生植物6種，絨毛草的重要值最大，為18.1%；S7號(hào)樣方有水生植物4種，薇甘菊（Mikania micrantha）的重要值最大，為21.4%；S8號(hào)樣方有水生植物7種，絨毛草的重要值最大，為12.3%；S9號(hào)和S10號(hào)樣方有水生植物2種，重要值最高的均是草龍（Ludwigia hyssopifolia），分別為22.6%和20.8%；S11號(hào)和S12號(hào)樣方均有水生植物3種，重要值最大的分別為毛蕨（Cyclosorus interruptus）和鋪地黍（Panicum repens），為 19.7%和22.5%；S13號(hào)樣方有水生植物7種，重要值最大的是粟米草（Mollugo stricta），為 22.9%；S14 號(hào)樣方有水生植物6種，其中象草（Pennisetum purpureum）的重要值最大，為22.6%；S15號(hào)樣方有水生植物4種，野芋的重要值最大，為20.5%。

在研究區(qū)內(nèi)調(diào)查的所有水生植物中，重要值在20%以上的有田字蘋、薇甘菊、草龍、鋪地黍、粟米草、象草和野芋，其數(shù)值差距并不明顯，均為該地分布的優(yōu)勢(shì)種。

2.3 五源河水生植物多樣性

在15個(gè)樣方中，物種豐富度由高到低為依次為S3>S2=S7=S8=S13>S6=S14>S1=S4=S7=S15>S5=S11=S12>S9=S10，S3號(hào)樣方內(nèi)的水生植物種類最多，為11種；Margalef物種豐富度指數(shù)依次為：S3>S2=S8=S13>S6=S14>S1=S4=S7=S15>S5=S11=S12>S9=S10，S3號(hào)樣方的植物種類最多；Shannon-Wiener指數(shù)從大到小依次為S6>S2>S15>S14>S8>S7>S3=S11>S4>S5>S9>S1>S12>S13>S10，S6號(hào)樣方中植物群落所包含的植物信息量最大，群落復(fù)雜程度較其他區(qū)域高；Simpons指數(shù)的排序?yàn)镾6>S15>S14>S7>S11>S2>S9>S3>S12>S5>S1=S4=S8>S13>S10，S10號(hào)樣方中的草龍優(yōu)勢(shì)度最明顯；Pielou均勻度指數(shù)的次序?yàn)镾9>S6>S11>S15>S7>S5>S2>S4>S12>S14>S8>S1>S10>S3>S13，S9號(hào)樣方的植物群落分布最均勻（表3）。

表3 五源河物種多樣性指數(shù)

2.4 五源河水環(huán)境因子與水生植物多樣性的關(guān)系

五源河水生植物多樣性與水環(huán)境因子的RDA排序分析結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯觯?個(gè)排序軸對(duì)物種和環(huán)境因子關(guān)系的累計(jì)方差為100%，其中軸1和軸2解釋物種與環(huán)境因子之間累計(jì)方差為81.01%，因而水生植物多樣性與水環(huán)境因子之間的關(guān)系基本可以用排序結(jié)果解釋。

表4 水生植物多樣性與水環(huán)境因子的相關(guān)系

Pielou均勻度指數(shù)（J）與pH值、鹽度、氨氮成顯著正相關(guān)，與溫度、葉綠素a成顯著負(fù)相關(guān)；Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H）與氨氮、總磷、COD成顯著正相關(guān)，與DO、溫度成顯著負(fù)相關(guān)；Simpson指數(shù)（D）與總氮、總磷、COD、氨氮成顯著正相關(guān)，與鹽度、DO、溫度、葉綠素a成顯著負(fù)相關(guān)；Margalef豐富度指數(shù)（R）與葉綠素a、溫度成顯著正相關(guān)，與pH值、鹽度成顯著負(fù)相關(guān)。圖1箭頭的長(zhǎng)度表示該水環(huán)境因子對(duì)水生植物多樣性影響所占的比重。因此，pH值、總氮對(duì)水生植物多樣性的影響最大，其次是COD、DO、溫度，其余的葉綠素a、鹽度、總磷、氨氮對(duì)生物多樣性的影響程度基本一致。

3 討論

3.1 五源河水生植物的群落組成變化

Margalef指數(shù)反映群落里的物種豐富度，其值越大，說(shuō)明物種豐富度越高，物種數(shù)目越多[10]。在此次五源河設(shè)置的15個(gè)樣方中，S3號(hào)樣方所代表的區(qū)域物種豐富度高；相反，以S9、S10號(hào)樣方所代表的區(qū)域物種豐富度較低。Shannon-Wiener指數(shù)可用來(lái)描述物種個(gè)體出現(xiàn)的不確定性，不確定性越大，物種分配越平均[10]。研究區(qū)內(nèi)以S6號(hào)樣方為代表的區(qū)域其水生植物群落的不確定性較高，物種個(gè)體分配均勻，物種多樣性較其他區(qū)域高。Simpson指數(shù)即優(yōu)勢(shì)度指數(shù)，表示一個(gè)物種種類出現(xiàn)概率的大小[11]。五源河流域S6號(hào)樣方Simpson指數(shù)最高，代表區(qū)域內(nèi)水生植物群落物種分布的均勻程度最高，而Simpson指數(shù)最低的S10號(hào)樣方區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢(shì)種分布明顯，草龍為該區(qū)域的優(yōu)勢(shì)種。Pielou指數(shù)用來(lái)表示群落中物種空間分布的均勻程度，指數(shù)值越大，植物的分布越均勻[12]。研究區(qū)的Pielou指數(shù)表明，以S9號(hào)樣方為代表的區(qū)域其各物種在植物群落中的在空間分布均勻程度最高，S13號(hào)樣方區(qū)域最低。根據(jù)彭映輝等[13]的研究，群落多樣性的豐富程度隨著干擾程度的增加而減弱，據(jù)此分析S10、S13號(hào)區(qū)域受到的干擾強(qiáng)度高于其他區(qū)域。

3.2 五源河水生植物多樣性與水環(huán)境因子的關(guān)系

水體是水生植物的主要營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，水質(zhì)的變化會(huì)對(duì)水生植物的生物多樣性造成影響，而不同的水環(huán)境因子帶來(lái)的影響程度不同[14-15]。本研究連續(xù)監(jiān)測(cè)了五源河總氮、總磷、溫度、DO、COD、鹽度、氨氮、pH值、葉綠素a在水體中濃度的變化，使用RDA排序分析各因子對(duì)水生植物生物多樣性的影響。結(jié)果表明，Pielou均勻度指數(shù)受pH值的影響最明顯，總磷對(duì)Shannon-Wiener多樣性指數(shù)的影響顯著，COD和總氮分別對(duì)Simpson指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)的影響最顯著。其中，總氮和pH值是水生植物多樣性主要的影響因子，與徐 明等[7]對(duì)大縱湖、夏瑩霏等[8]對(duì)江蘇省、齊代華[9]對(duì)九寨溝水環(huán)境因子與水生植物多樣性的研究結(jié)果相似，總氮是影響水生植物多樣性的主要因子，葉綠素a和鹽度的影響相對(duì)較小。

4 結(jié)論

（1）五源河的主要水質(zhì)污染物為COD、氨氮和總氮，河流上游、中游、下游之間的COD以及氨氮含量差異顯著，上游以農(nóng)業(yè)面源污染為主，中游以生活污水、養(yǎng)殖污水為主要污染源，下游為混合污染源。

（2）研究區(qū)內(nèi)有22科41屬共45種水生植物，其中田字蘋、薇甘菊、草龍、鋪地黍、粟米草、象草和野芋為區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢(shì)種。

（3）從生物多樣性指標(biāo)分析，以上游S3號(hào)樣方為代表的區(qū)域，植物種類最多；以S6號(hào)樣方為代表的區(qū)域，群落復(fù)雜程度最高；以中游S10號(hào)樣方為代表的區(qū)域，草龍是該區(qū)域的優(yōu)勢(shì)種；以S9號(hào)樣方為代表的區(qū)域，植物群落分布最均勻。

（4）RDA的排序分析表明，軸1和軸2解釋物種與環(huán)境因子之間累計(jì)方差為81.01%，在五源河區(qū)域內(nèi)pH值、總氮是水生植物多樣性的主要影響因子，而葉綠素a和鹽度的影響程度最小。