南亞熱帶景觀湖泊水生植物篩選研究（Ⅱ）
——用綜合評價(jià)指標(biāo)體系篩選水生植物

李運(yùn)國

（鐵漢山藝環(huán)境建設(shè)有限公司，廣東深圳 518003）

近年來，隨著城市綠化進(jìn)程加快，城市景觀湖泊觀賞植物的需求逐年增加，但目前景觀植物的使用普遍存在著品種少、模式化嚴(yán)重、配置方式和景觀雷同，以及外來植物比重逐漸增加等問題［1-3］，不僅造成了城市景觀類似，缺乏地域特色，也可能引起生物入侵等一系列的生態(tài)問題［4-5］。與外來水生植物相比，鄉(xiāng)土水生植物有較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性、抗逆性、抗病蟲害能力和自我繁衍能力，且易于養(yǎng)護(hù)管理，可避免植被均質(zhì)化，具有巨大的開發(fā)利用潛力［6-7］。據(jù)此，篩選適合本地環(huán)境和氣候條件的景觀湖泊鄉(xiāng)土水生植物受到了人們越來越多的關(guān)注。

水生植物是植物的一個重要生態(tài)類型，其主要的生態(tài)學(xué)特性不僅包括生長效應(yīng)和景觀效應(yīng)，還包括反映各種脅迫對植物萌發(fā)、生長、營養(yǎng)代謝、光合作用以及抗逆、抗病等一系列生理方面的綜合效應(yīng)，這些效應(yīng)共同構(gòu)成了水生植物生態(tài)學(xué)特性的內(nèi)涵［8-11］。因此如何評價(jià)水生植物的綜合利用價(jià)值，選擇合適的植物種類，特別是選擇當(dāng)?shù)乜刮哿?qiáng)、凈化效果好、經(jīng)濟(jì)效益高，且能充分發(fā)揮水生植物之間的協(xié)同性達(dá)到湖泊生態(tài)修復(fù)、觀賞和經(jīng)濟(jì)利用目的的物種是一個重要的科學(xué)問題［12-13］。

利用生態(tài)學(xué)手段對水生植物多樣性進(jìn)行評價(jià)，在國內(nèi)外已有深入的研究。然而，應(yīng)用生態(tài)學(xué)方法對景觀湖泊水生植物的綜合利用價(jià)值進(jìn)行量化評估的研究在國內(nèi)外鮮有報(bào)道［14-15］。本研究在深入調(diào)查廣東景觀湖泊水生植物資源，研究水生植物豐富度與多樣性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以AHP 方法構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系［16］，對其進(jìn)行綜合評價(jià)，以期篩選出具有較高綜合利用價(jià)值的鄉(xiāng)土水生植物，為受損湖泊水體生態(tài)修復(fù)、園林綠化和現(xiàn)代城市景觀建設(shè)的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

于2019年夏秋季在從東境內(nèi)5 個景觀湖泊水岸濕地調(diào)查研究的47 種水生植物中選取具有良好利用前景的21 種供試材料（表1）。

表1 供試的水生植物名錄Table 1 List of primary aquatic plants

1.2 方法

首先依據(jù)文獻(xiàn)資料和前期研究結(jié)果［17-19］，編列出篩選評判標(biāo)準(zhǔn)和主要指標(biāo)體系，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)（圖1），然后采用專家咨詢評判方法對試驗(yàn)材料進(jìn)行綜合評判和賦值［20-21］，最后通過AHP 多層次決策分析比較各種參試植物對總體目標(biāo)的貢獻(xiàn)率，通過排序確定出綜合利用價(jià)值較高的水生植物。

圖1 水生植物綜合利用價(jià)值評價(jià)的層次結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchy structure of comprehensive utilization value evaluation of hydrophytes

1.3 綜合利用價(jià)值評判的指標(biāo)體系和層次結(jié)構(gòu)

將水生植物綜合利用價(jià)值評價(jià)體系劃分為3 個層次，使其上一層次對下一層次有支配作用，下一層次對上一層次有影響作用?？偰繕?biāo)層（A）以植物的綜合利用價(jià)值最高或相對較高為篩選的總體目標(biāo)，位居上層。生活型層（B）包括挺水、浮水和沉水3 個生活型，逐項(xiàng)測試綜合利用價(jià)值，并確定其對擬篩選的總體目標(biāo)的貢獻(xiàn)率。水生植物層（C）以參試的21 種水生植物為基本因子，逐一測試其對生活型層的貢獻(xiàn)率，并通過總排序計(jì)算其對總體目標(biāo)的貢獻(xiàn)率，以貢獻(xiàn)率大小確定篩選結(jié)果。

1.4 水生植物綜合利用價(jià)值的評判標(biāo)準(zhǔn)

在初步篩選的基礎(chǔ)上，選擇以下4 種定性指標(biāo)作為綜合利用價(jià)值的評判標(biāo)準(zhǔn)和賦值依據(jù)。

1.4.1 綜合利用價(jià)值的定性指標(biāo) （1）生態(tài)價(jià)值：具有良好生態(tài)適應(yīng)性，包括對環(huán)境、溫度、水深等的適應(yīng)性；抗逆性和對病蟲害的抵抗能力；凈水功能好，包括吸納和富集磷、氮、重金屬、有機(jī)污染物等；增加和保護(hù)生物多樣性。

（2）觀賞價(jià)值：植物自身的葉、芽、花、果、姿態(tài)、特色、點(diǎn)綴效果和觀賞性；優(yōu)化植物群落結(jié)構(gòu)，增加空間層次感和季相效果，增強(qiáng)園林景觀魅力；在景觀中發(fā)揮作用的時間（一年生或多年生）。

3）經(jīng)濟(jì)價(jià)值：含直接和間接經(jīng)濟(jì)價(jià)值，包括飼用、食用、藥用和農(nóng)副產(chǎn)品的加工原料；栽培、管理的難易程度及植物的后處理問題；為水生動物提供食物來源和棲息地。

⑷科學(xué)價(jià)值：植物自身的珍稀度、科研示范和科普教育作用。

1.4.2 判斷矩陣及綜合利用價(jià)值的分值標(biāo)定 采用李自珍的層次分析和專家咨詢方法，從第2 層開始逐次確定判斷矩陣（表2），并依據(jù)上述定性指標(biāo)對各種生活型及其對應(yīng)水生植物的綜合利用價(jià)值標(biāo)定分值［16-18］。

判斷矩陣的確定：首先逐對比較基本因素fi和fj對篩選目標(biāo)A貢獻(xiàn)的大小，給出它們之間的相對比重αij。根據(jù)分析、對比研究結(jié)果，一般認(rèn)為當(dāng)fi和fj對篩選目標(biāo)A貢獻(xiàn)相差很小時，可取αij=1；當(dāng)fi比fj貢獻(xiàn)稍大時，取αij=3，如若介于二者之間時可取αij=2（以下類推）；當(dāng)fi比fj貢獻(xiàn)大時，取αij=5；當(dāng)fi比fj貢獻(xiàn)很大時，取αij=7；當(dāng)fi比fj貢獻(xiàn)非常大于時，可取αij= 9；當(dāng)fi比fj的 貢獻(xiàn)小 時，則αij=1／αji。這樣，就可以確定αij的值，進(jìn)而得到判斷矩陣A（表2）。

表2 判斷矩陣表Table 2 Judgment matrix table

1.5 求解判斷矩陣特征向量與最大特征根的數(shù)學(xué)模型

（1）計(jì)算判斷矩陣每一行元素的乘積Mi

（2）計(jì)算Mi的n次方根Wˉi（3）對向量Wˉ＝［Wˉ1Wˉ2……Wˉn］T正規(guī)化

（4）計(jì)算判斷矩陣最大特征根λmax

式中：(A W)i為A W的第i個元素。

（5）檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性

式中：CI為一致性指標(biāo)；n為矩陣階數(shù)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)；CR為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

⑹層次總排序及其一致性檢驗(yàn)

式 中：αi為 特 征向量；CIi和RIi分別為 與αi對應(yīng)層次（B 層或?qū)覥）中判斷矩陣的一致性指標(biāo)和隨機(jī)一致性指標(biāo)。

用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生活型單排序和一致性檢驗(yàn)

參試的21 種水生植物隸屬于3 個生活型，其中挺水生活型（B1）13 種，浮水生活型（B2）和沉水生活型（B3）各4 種。3 個不同生活型的水濕生植物對篩選總體目標(biāo)綜合利用價(jià)值的權(quán)重值排序?yàn)椋篧1>W2>W3，即挺水生活型>浮水生活型>沉水生活型，其中，挺水生活型的有效性占總貢獻(xiàn)率的65.26%，浮水生活型占21.69%，沉水生活型占13.50%，前兩個生活型總貢獻(xiàn)率高達(dá)86.95%（表3）。表明挺水生活型對水生植物篩選總體目標(biāo)具有絕對重要性；沉水與浮水兩個生活型的貢獻(xiàn)率之和不足挺水生活型的1/2，但它們對實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)仍然具有不可替代的作用。同時可以看出生活型的最大特征根為λ=3.001 8，一致性檢驗(yàn)系數(shù)CI=0.090 0，CR=0.099 1<0.1，因此該判斷矩陣具有滿意的一致性。

表3 不同生活型對總體目標(biāo)綜合利用價(jià)值的判斷矩陣單排序和一致性檢驗(yàn)Table 3 The single ordering and consistency test of the judgment matrix for the comprehensive utilization value of different life types to the overall goal

2.2 不同水生植物單排序和一致性檢驗(yàn)

2.2.1 挺水植物單排序和一致性檢驗(yàn) 挺水植物Ci

（Ci=1，Ci=2…Ci=13）中權(quán)重值大于10% 的3 種植物依次是蘆葦（C1）、香蒲（C2）和蒲葦（C3），這3 種植物對挺水生活型綜合利用價(jià)值的貢獻(xiàn)率高達(dá)48.11%，其余10 種植物總貢獻(xiàn)率只占51.89%（表4）。表明蘆葦、香蒲和蒲葦在13 種參試的挺水植物中，具有最大或較大的貢獻(xiàn)。該判斷矩陣特征向量的最大特征根為λ=14.678 8，一致性檢驗(yàn)系數(shù)為CI=0.095 9，CR=0.089 7<0.1，達(dá)到了一致性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 挺水植物對挺水生活型綜合利用價(jià)值判斷矩陣及單排序和一致性檢驗(yàn)Table 4 The value judgment matrix，single ranking and consistency test of emergent plants'comprehensive utilization of emergent life forms

2.2.2 浮水植物單排序和一致性檢驗(yàn) 浮水植物Ci（Ci=14，Ci=15…Ci=17）中對該生活型綜合利用價(jià)值的權(quán)重值排序?yàn)椋篊14>C15>C16>C17，其中，芡實(shí)（C14=0.454 7）的權(quán)重值最大，其次為萍蓬草（C15=0.303 4），二者之和為75.81%（表5），表明這2 種浮水植物對該生活型綜合利用價(jià)值的貢獻(xiàn)最大或較大。該判斷矩陣特征向量的最大特征根為λ=4.261 2，一致性檢驗(yàn)系數(shù)為：CI=0.087 1，CR=0.097 9<0.1，達(dá)到了一致性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

表5 浮水植物對浮水生活型綜合利用價(jià)值判斷矩陣及單排序和一致性檢驗(yàn)Table 5 The value judgment matrix，single ranking and consistency test of floating plants'comprehensive utilization of floating life form

2.2.3 沉水植物單排序和一致性檢驗(yàn) 4 種沉水植物Ci（Ci=18，Ci=19…Ci=21）對該生活型綜合利用價(jià)值的權(quán)重值排序?yàn)椋篊18>C19>C20>C21，其中，狐尾藻（C18=59.72%）和金魚藻（C19=19.86%）的權(quán)重值之和為79.58%（表6），表明其對沉水生活型綜合利用價(jià)值具有最重要或較重要的貢獻(xiàn)。該判斷矩陣特征向量的最大特征根為λ=4.226 9，一致性檢驗(yàn)系數(shù)為：CI=0.075 6，CR=0.084 9<0.1，達(dá)到了一致性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

表6 沉水植物對浮水生活型綜合利用價(jià)值判斷矩陣及單排序和一致性檢驗(yàn)Table 6 Value judgment matrix，single ranking and consistency test for comprehensive utilization of floating water life forms of submerged plants

2.3 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

21 種水生植物對總體目標(biāo)的有效性排序?yàn)椋禾J葦C1>芡實(shí)C14>香蒲C2>狐尾藻C18>蒲葦C3>萍蓬草C15>水蔥C4>荷花C5>千屈菜C6>黃菖蒲C7>睡蓮C16>雨久花C8>黃花鳶尾C9>花葉蘆竹C10>金魚藻C19>梭魚草C11>美人蕉C12>旱傘草C3>水鱉C17>枯草C20>菹草C21?？偱判蛞恢滦灾笜?biāo)CI=0.120 1，CR= 0.090 5<0.1（表7），表明具有滿意的一致性。

表7 層次總排序計(jì)算表Table 7 Calculation table of total hierarchical sorting

和單排序結(jié)果比較，總排序中所有植物的排序位置均發(fā)生了變化，這是因?yàn)閱闻判蛑兄幌抻谏钚蛢?nèi)部各種植物之間的相互比較，且總樣本數(shù)較少，其重要性的相對比例就比較低，總排序則是參試植物不受生活型所限，且總樣本數(shù)為21，因此其相對重要性隨著樣本數(shù)的增加而發(fā)生了變化，這反映出每種植物對不同層次（B 層、A 層）的作用程度，以及整體和局部的關(guān)系。例如C 層的荷花對B 層挺水植物的權(quán)重值為7.40%，其重要性排第5 位，但對總目標(biāo)（A 層）的重要性排到第9 位，同樣C 層的芡實(shí)對B 層浮水植物的權(quán)重值為30.34%，其重要性排第2 位，但對總目標(biāo)（A層）的重要性卻排到第6 位等。這進(jìn)一步證明上一層次對下一層次重要性的支配作用以及下一層次對上一層次重要性的影響作用，說明每種水生植物對篩選總目標(biāo)綜合利用價(jià)值的有效性同時與其生活型相關(guān)聯(lián)。

綜上所述，層次總排序的前15 種水生植物的生態(tài)價(jià)值、觀賞價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和科學(xué)價(jià)值最高或較高，并具有較好的推廣和使用價(jià)值。

2.4 水生植物在景觀水體中的應(yīng)用及預(yù)期效果分析

根據(jù)美學(xué)和生態(tài)學(xué)原理結(jié)合植物的生物學(xué)習(xí)性，對15 種綜合利用價(jià)值較高的水生植物進(jìn)行合理配置，可以預(yù)期它將會對包括景觀湖泊在內(nèi)的各種水體（不論它在園林中占有主景、配景或小景的地位）創(chuàng)造出豐富多彩的水體景觀。

2.4.1 寬闊水域的水生植物配置及預(yù)期效果 寬闊水域植物配置模式應(yīng)以營造水生植物群落景觀為主，主要考慮遠(yuǎn)觀，植物配置注重整體、連續(xù)的效果。水生植物應(yīng)用主要以量取勝，給人一種壯觀的視覺感受。為此：①通過大規(guī)模單一種植荷花、或荷花—睡蓮的形式來營建秀麗的荷塘景色；②用木樁固定生態(tài)浮床，在浮床上叢植美人蕉類、雨久花、梭魚草，以及黃菖蒲、花葉蘆竹、水蔥及旱傘草等四季常綠的開花植物營造水生植物景觀，同時在水面上放養(yǎng)鴨子可增添自然野趣，并可極大地豐富植物景觀季相變化，維持常年較好的觀賞效果；③片植芡實(shí)和萍蓬草創(chuàng)造以藍(lán)色花系為主的植物群落景觀，既可點(diǎn)綴水面空間，也可提高湖面的活躍度和水體的靈動性。

2.4.2 水體駁岸淺水區(qū)域水生植物配置及預(yù)期效果 水體駁岸一般為石岸、混凝土岸和土岸等，線條生硬而枯燥，所以應(yīng)在岸邊配置合適的植物，使線條柔和，為此：①采用“梭魚草+雨久花+美人蕉+黃花鳶尾”等觀花類，“蘆葦+香蒲+蒲葦+菖蒲+花葉蘆竹”等觀葉、觀形類的挺水植物，以叢植、群植和片植進(jìn)行交錯組合配置，營造水平植物群落；②應(yīng)用“喬木—挺水植物—浮水植物”3 層結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行立體植物群落造景。這種沿水體駁岸淺水區(qū)域構(gòu)建的水生植物群落具有體量大，株形、花色、花期各異，既可較好地柔化岸邊建筑、園路景觀的硬質(zhì)感，使水陸自然過渡、融為一體、自然有趣，并極大地提高水生植物群落景觀的觀賞價(jià)值。

2.4.3 協(xié)調(diào)綜合效應(yīng)的水生植物配置 針對景觀水體普遍受到污染、富營養(yǎng)化程度較高的情況，在保留傳統(tǒng)造景配置時大量應(yīng)用挺水植物的基礎(chǔ)上，種植具有極強(qiáng)水質(zhì)凈化作用的浮水植物芡實(shí)，沉水植物狐尾藻和金魚藻，可獲得去除污染水體中過多的N、P 養(yǎng)分以及Hg、Cr、Zn、Cu 等重金屬離子，增加水體的溶解氧含量，提高好氧性微生物的代謝水平，防止水體惡臭變質(zhì)，促進(jìn)分泌化感物質(zhì)抑制藻類生長，降低水體的富營養(yǎng)化水平等綜合效應(yīng)。

3 討論

景觀湖泊水生植物是一個生態(tài)學(xué)范疇上的類群，是不同類群植物通過長期適應(yīng)湖泊水環(huán)境而形成的趨同性適應(yīng)類型［22-23］。本項(xiàng)研究結(jié)果表明，景觀湖泊水生植物的生長發(fā)育除受水體這一主導(dǎo)因子影響以外，環(huán)境中其他因子（污染、人類干擾、水溫、水深等）對其生長發(fā)育也有一定的影響，逐漸形成了不同的生活型，并具有不盡相同的綜合利用價(jià)值。這與多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道相一致［24-25］，同時啟示我們：進(jìn)一步開展各環(huán)境因子間的相關(guān)性研究是深入研究景觀湖泊水生植物的主要方向之一。

關(guān)于環(huán)境因子對景觀湖泊水生植物生長發(fā)育影響的研究已有大量報(bào)導(dǎo)，但多數(shù)局限于單一的凈水、防污、保護(hù)生物多樣性、園林綠化或經(jīng)濟(jì)價(jià)值等領(lǐng)域，且主要集中在群落尺度上，且值得注意的是對種群或品種的生態(tài)、觀賞及經(jīng)濟(jì)的綜合利用價(jià)值研究還比較薄弱［26］。本研究從生態(tài)、觀賞及經(jīng)濟(jì)的綜合效應(yīng)出發(fā)，對21 種水生植物進(jìn)行測試、分析比較、并按綜合利用價(jià)值排列出對篩選總體目標(biāo)重要性序列，達(dá)到科學(xué)選擇景觀湖泊水生植物的目的。這一研究方法和研究結(jié)果，不但具有重要的理論意義和學(xué)術(shù)價(jià)值，而且對于開發(fā)利用水生植物資源、景觀湖泊的植物群落配置、受損湖泊生態(tài)修復(fù)和提高城市綠化的綜合效益等具有重要的實(shí)用性。

今后開展大型水生植物對湖泊生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究時，應(yīng)選擇合適的植物種類，特別是選擇當(dāng)?shù)乜刮哿?qiáng)、凈化效果好、經(jīng)濟(jì)效益高且便于收割的物種是一項(xiàng)優(yōu)先考慮的研究內(nèi)容；同時，還應(yīng)該考慮多物種的合理組合，充分發(fā)揮水生植物之間的協(xié)同性，達(dá)到湖泊生態(tài)修復(fù)的目的。

結(jié)合現(xiàn)行的園林綠化、湖泊水污染治理及生態(tài)修復(fù)實(shí)踐，作者注意到同一種生活型物種之間和不同生活型物種之間的相互作用（如共生、互生和化感作用等）對綜合利用價(jià)值會產(chǎn)生不同程度的影響，因此，有必要將其作為后續(xù)研究的主要方向進(jìn)行深入探索。

4 結(jié)論

以參試的3 個生活型水生植物為篩選對象，結(jié)果表明，挺水植物對篩選總體目標(biāo)貢獻(xiàn)率最大，其次為浮水植物和沉水植物。

在不同生活型內(nèi)，挺水植物的重要性排序?yàn)樘J葦>香蒲>蒲葦>水蔥>荷花>千屈菜>黃菖蒲>雨久花>黃花鳶尾>花葉蘆竹>梭魚草>美人蕉>旱傘草；浮水植物的重要性排序?yàn)檐蛯?shí)>萍蓬草>荇菜>水鱉；沉水植物的重要性排序?yàn)楹苍?金魚藻>枯草>菹草。21 種水濕生植物對篩選總體目標(biāo)的重要性和貢獻(xiàn)率依次為：蘆葦>芡實(shí)>香蒲>狐尾藻>蒲葦>萍蓬草>水蔥>荷花>千屈菜>黃菖蒲>荇菜>雨久花>黃花鳶尾>花葉蘆竹>金魚藻>梭魚草>美人蕉>旱傘草>水鱉>枯草>菹草。

21 種水生植物的綜合利用價(jià)值與傳統(tǒng)園林綠化造景、生態(tài)修復(fù)等所利用的植物有一定差異，實(shí)際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)主要用途和植物的綜合利用價(jià)值進(jìn)行優(yōu)化組合，以釋放其最大效益。