呂曉燕，于魯冀，2，王 莉，范鵬宇，徐艷紅

1．鄭州大學(xué)環(huán)境政策規(guī)劃評(píng)價(jià)研究中心，河南 鄭州 450002

2．鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001

3．西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048

河流生態(tài)系統(tǒng)指河流水體的生態(tài)系統(tǒng)，屬流水生態(tài)系統(tǒng)的一種，是陸地與海洋聯(lián)系的紐帶，在生物圈的物質(zhì)循環(huán)中起主要作用。河流生態(tài)系統(tǒng)的組成包括生物組分、非生物組分，其中大型水生植物是生物組分中的重要組成部分，它不僅為其他生物組分中的動(dòng)物提供食物、棲息地等，還直接參與河流生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)、降解多種污染物、凈化水體等，具有良好的指示作用［1-3］，同時(shí)人類活動(dòng)對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的影響也可以通過水生植物反映出來［4］。國(guó)內(nèi)大型水生植物的研究多集中于湖泊生態(tài)系統(tǒng)［5-8］，并且主要是植被分布狀況以及水化學(xué)因子的影響分析，關(guān)于河流生態(tài)系統(tǒng)中水生植物的相關(guān)研究較少［9-11］。

河南省境內(nèi)淮河流域(以下稱“淮河流域河南段”)有關(guān)大型水生植物的相關(guān)研究尚未見報(bào)道。以淮河流域河南段作為研究區(qū)域，開展大型水生植物群落結(jié)構(gòu)、分布狀況的調(diào)查，并開展室內(nèi)水化學(xué)因子的監(jiān)測(cè)分析，旨在通過對(duì)大型水生植物的類群組成、多樣性評(píng)價(jià)、水環(huán)境響應(yīng)關(guān)系(典范對(duì)應(yīng)分析，簡(jiǎn)稱“CCA分析”)開展研究，了解研究區(qū)域水生植物狀況、組成分布，并確定影響水生植物分布的關(guān)鍵因子，以期為該區(qū)域河流水生植物的恢復(fù)和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)域

淮河流域地跨湖北、河南、安徽、江蘇4省40個(gè)地市。淮河干流發(fā)源于河南省桐柏縣境內(nèi)桐柏山主峰太白頂下，向東入安徽、江蘇后注入黃海。淮河流域河南段的干流長(zhǎng)340 km，流域面積8.83萬 km2，流經(jīng)信陽、周口、漯河、許昌、平頂山、開封、商丘7個(gè)省轄市及鄭州、洛陽、南陽、駐馬店4個(gè)省轄市的部分地區(qū)，共涉及11個(gè)省轄市67個(gè)縣市(區(qū))，占淮河流域總面積的32.7%，占河南省總面積的52.8%。流域內(nèi)支流眾多，南岸支流主要有浉河、潢河、白露河、史灌河等，北岸支流主要有洪汝河、沙潁河、渦河等河流。并且北岸河流除上中游外，其他主要是平原排水河道。

秦嶺－淮河是中國(guó)南北氣候分界線，淮河流域河南段既有南方氣候的某些特征，又有北方氣候的一些特征，研究區(qū)域在淮河干流以南為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，空氣濕度大，降水豐沛，氣候溫和。淮河干流以北為暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，為典型的北方氣候，過渡季節(jié)短，氣候干燥，年內(nèi)氣溫變化大。區(qū)域內(nèi)多年平均降雨量為842.3 mm，降雨量年際變化大。汛期6—8月降雨最多，占全年降雨量的40%～67%。

1.2 研究方法

1.2.1 野外調(diào)查

野外調(diào)查選擇在2013年8月，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)淮河干流及1～4級(jí)支流進(jìn)行了全面綜合考察，因此時(shí)為豐水期，水生植物種類最為豐富。研究調(diào)查共設(shè)置調(diào)查點(diǎn)位83個(gè)，調(diào)查點(diǎn)位如圖1所示。具體調(diào)查方法:在每個(gè)調(diào)查點(diǎn)位沿河岸向河心方向布設(shè)3個(gè)大小為1 m×1 m的樣方，測(cè)量記錄樣方內(nèi)的物種名稱、株數(shù)、高度、蓋度、生物量(濕重和干重)以及優(yōu)勢(shì)種等指標(biāo)，同時(shí)也對(duì)樣方外的物種進(jìn)行記錄。水生植物的鑒定主要參考《世界水生植物》［12］和《濕地高等植物圖志》［13］。在水生植物調(diào)查的同時(shí)，通過現(xiàn)場(chǎng)采取水樣對(duì)水體環(huán)境因子進(jìn)行測(cè)定分析。水樣通過2.5 L的有機(jī)玻璃采水器采集。

圖1 淮河流域河南段水生植物調(diào)查樣點(diǎn)位置

1.2.2 環(huán)境因子的測(cè)定

在水生植物種類及生物量調(diào)查同時(shí)，共監(jiān)測(cè)14項(xiàng)環(huán)境因子，其中水文指標(biāo)包括水深、流速、透明度3項(xiàng)，水質(zhì)物理化學(xué)指標(biāo)包括水溫、pH、電導(dǎo)率、氧化還原電位、濁度、DO、COD、氨氮、TN、TP、磷酸鹽11項(xiàng)。其中水深的測(cè)定采用標(biāo)桿法，流速采用便攜式水文流速測(cè)量?jī)x測(cè)定，透明度采用賽氏盤法。水體水溫、DO指標(biāo)采用HI9147便攜式防水型溶解氧測(cè)定儀(意大利)，pH、氧化還原電位采用HI8424便攜式pH和氧化還原電位計(jì)(意大利)，水中COD、氨氮、TN、TP、磷酸鹽的測(cè)定采用DR280紫外分光光度計(jì)和DRB200消解儀進(jìn)行。為防止水樣變質(zhì)，均在野外調(diào)查后的當(dāng)晚完成水化學(xué)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。

1.2.3 物種多樣性

針對(duì)水生植物多樣性指數(shù)，采用應(yīng)用較為廣泛并能表征物種多樣性指數(shù)的公式進(jìn)行計(jì)算，主要從生物多樣性、豐富程度、物種優(yōu)勢(shì)度和系統(tǒng)要素間的平衡關(guān)系進(jìn)行分析，計(jì)算公式如下:

式中:ni為第i類個(gè)體數(shù)量，N為樣本中所有個(gè)體數(shù)量，S為樣本中的種類數(shù)，H指數(shù)表示群落的復(fù)雜程度，d指數(shù)表示物種的豐富程度，D指數(shù)表示物種的優(yōu)勢(shì)程度，J值表示物種分布的均勻狀況。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析

物種與環(huán)境因子關(guān)系分析采用CANOCO 4.5軟件包標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理前對(duì)出現(xiàn)頻度小于5的物種進(jìn)行了剔除。

2 結(jié)果與討論

2.1 水生植物組成

淮河流域河南段共有水生植物38種，隸屬于25科33屬，如表1所示。按生活類型可分為挺水植物、沉水植物、漂浮植物、浮葉植物。其中，挺水植物 20種，占 52.6%，沉水植物 11種，占28.9%，漂浮植物3種，占7.9%，浮葉植物4種，占10.5%。按植物科屬分為禾本科、莎草科、蓼科、眼子菜科、水鱉科，分別為4、4、3、3、3 種，而其他科的物種占比較少，如香蒲科、澤瀉科、傘形科、小二仙科、金魚藻科等均為1種，單科單種占總數(shù)比例約為55%。按屬劃分為眼子菜屬、蓼屬、茨藻屬、苔草屬，分別為 3、3、2、2 種，其余為單屬單種，占總數(shù)的73.7%。

表1淮河流域河南段豐水期水生植物調(diào)查名錄

2.2 水生植物分布及其多樣性分析

2.2.1 水生植物分布及其優(yōu)勢(shì)物種分析

指示種是指生物學(xué)或生態(tài)學(xué)特性能夠?qū)ζ渌锓N或環(huán)境狀況特征起代表或指示作用的物種［14］。水生植物中不少物種因?qū)λh(huán)境變化敏感而具有特殊的指示作用［15］，Schaumburg J等認(rèn)為，大型植物生活時(shí)間長(zhǎng)，能夠綜合反映長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)境狀況［16］。因此，本研究統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域河流大型水生植物類群組成及其優(yōu)勢(shì)物種，并分析各河流指示物種與水體關(guān)系。

在水生植物指示種的生活型譜中，沉水植物對(duì)水體污染最為敏感，尤其是當(dāng)水中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)濃度升高，出現(xiàn)藻類水華和水體透明度下降等情況時(shí)，沉水植物會(huì)大面積消失，如水車前、苦草、微齒眼子菜等多分布在Ⅰ、Ⅱ類水質(zhì)的湖泊與河流中［13］。浮葉植物對(duì)水體基底沉積物污染最為敏感，尤其是重金屬和有毒有害物質(zhì)，大多喜生長(zhǎng)在Ⅰ～Ⅲ類水質(zhì)中，而部分浮葉植物如莕菜和菱，對(duì)水體高氮磷和濁度大具有一定承受能力。挺水植物中香蒲、菖蒲、蘆葦多為耐污種。見表2。

由表2可知，在調(diào)查的23條河流中，出現(xiàn)苦草的河流有7條，主要是北汝河、沙潁河、汾泉河、黑茨河等，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，此類斷面水體透明度均大于0.5 m，且水質(zhì)基本保持在Ⅱ類水左右。針對(duì)調(diào)查點(diǎn)位中出現(xiàn)莕菜或菱的10條河流，分析其點(diǎn)位污染物濃度狀況，水體中TP范圍為0.45～1.70 mg/L，均超出Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，分析原因主要是河流接納大量的生活污水，導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度較高。因此，此類水生植物可作為水體中營(yíng)養(yǎng)物種濃度升高的指示物種。

表2 淮河流域河南段調(diào)查河流水生植物分布狀況

淮河流域河南段中淮河干流及南岸支流中水生植物主要為水花生、水鱉、菱等，水生植物種類明顯少于北岸支流。在淮河北岸，水生植物種類明顯增多，特別是沙潁河及其支流潁河、北汝河、汾泉河等，水生植物種類較多。從優(yōu)勢(shì)種分析可知，在調(diào)查的23條河流中，14條河流的優(yōu)勢(shì)種均為水花生，此外如輪葉黑藻、水鱉、篦齒眼子菜等也分布較為廣泛。

2.2.2 水生植物多樣性及健康評(píng)價(jià)分析

根據(jù)式(1)～式(4)，分別從生物多樣性、豐富程度、物種優(yōu)勢(shì)度和均勻度指數(shù)計(jì)算淮河流域河南段水生植物多樣性指數(shù)，從計(jì)算結(jié)果分析，水生植物Shannon-wiener多樣性指數(shù)分布為0～1.60，Margalef豐富度指數(shù)為 0 ～1.27，Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)分布為0～1.00，Pielou均勻度指數(shù)分布為0～1.00。以《淮河流域閘壩聯(lián)合調(diào)度對(duì)河流水質(zhì)影響分析》中制定的健康程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［17］為依據(jù)(表3)，開展調(diào)查點(diǎn)位的河流健康狀況評(píng)價(jià)。

表3 河流水生生態(tài)系統(tǒng)健康程度評(píng)價(jià)

研究區(qū)域調(diào)查點(diǎn)位4個(gè)指數(shù)的健康狀態(tài)占比如圖2所示。針對(duì)調(diào)查的83個(gè)點(diǎn)位的水生植物健康狀況，H指數(shù)主要呈現(xiàn)病態(tài)、不健康、亞健康狀態(tài)，其占總調(diào)查點(diǎn)位的比例分別為24.1%、41.0%、34.9%;d指數(shù)主要呈現(xiàn)病態(tài)、不健康狀態(tài)，占比分別為94.0%、6.0%;D指數(shù)除病態(tài)外，其他健康狀態(tài)均有涉及，從不健康至很健康狀態(tài)，占比分別為7.2%、25.3%、38.6%、28.9%;J指數(shù)主要呈現(xiàn)病態(tài)、健康、很健康狀態(tài)，占比分別為18.1% 、65.1% 、16.8% 。

圖2 各類狀態(tài)水生植物健康程度點(diǎn)位數(shù)占比

從上述4個(gè)指數(shù)的健康狀態(tài)分析可知，研究區(qū)域的水生植物群落復(fù)雜程度較為簡(jiǎn)單，表明水生植物種類數(shù)偏少。物種的豐富度較低，表明水體清潔狀況較低，河流水體污染嚴(yán)重。物種的優(yōu)勢(shì)度在部分區(qū)域(淮干、史灌河、浉河、沙河、賈魯河、惠濟(jì)河)表現(xiàn)較為明顯，基本上以水花生為優(yōu)勢(shì)種。從物種均勻度分析來看，除賈魯河、索須河和潁河的4個(gè)點(diǎn)位處于病態(tài)外，其他點(diǎn)位水生植物呈現(xiàn)出較為均勻的分布狀態(tài)。

2.2.3 影響水生植物分布及健康狀態(tài)的因素分析

根據(jù)上述分析，研究區(qū)域常見水生植物為蘆葦、水花生、金魚藻、輪葉黑藻、水蓼、水鱉、篦齒眼子菜等。水生植物基本分布在河岸兩側(cè)，河中間水生植物較少，主要以沉水植物、漂浮植物為主。從研究區(qū)域的植物種類及健康程度劃分來看，淮河流域河南段水生植物種類較少，水生植物基本處于不健康或亞健康狀態(tài)，部分區(qū)域呈現(xiàn)病態(tài)。綜合分析影響水生植物分布及其健康狀況的主要因素有:

1)部分河流沙含量高，水體透明度低，不利于水生植物特別是沉水植物的生存。如區(qū)域中賈魯河緊鄰黃河，為解決灌溉水源不足及水質(zhì)問題，引黃灌溉，由于沒有控制泥沙的有效措施，致使水體透明度非常低。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分調(diào)查點(diǎn)位的水體透明度只有幾厘米到十幾厘米，嚴(yán)重影響沉水植物的光合作用，使得植物的生存受到威脅。

2)水體污染導(dǎo)致水生植物種類減少?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域中許多點(diǎn)位的水體中COD、氨氮、TN、TP超標(biāo)，為劣Ⅴ 類水質(zhì)，特別是TP超標(biāo)嚴(yán)重，如惠濟(jì)河受上游生活污水影響，水體污染嚴(yán)重，并且水面漂浮生活垃圾，水體發(fā)黑并散發(fā)著難聞的氣味，個(gè)別地方覆滿了浮萍。該種情況下，水體溶解氧含量非常低，嚴(yán)重影響了植物呼吸作用的進(jìn)行，從而使得植物的生存受到威脅。

3)人為干擾強(qiáng)度大，使得水生植物難以生存。經(jīng)調(diào)查，研究區(qū)域內(nèi)河流受人為干擾嚴(yán)重，部分河流流經(jīng)城市區(qū)域，許多地市對(duì)其城區(qū)或周圍河道進(jìn)行河岸或河道硬質(zhì)化建設(shè)，這就完全阻礙了水生植物的生存。同時(shí)，當(dāng)?shù)鼐用襁€經(jīng)常在河內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模的采沙活動(dòng)(如淮河干流、南岸支流潢河等)，嚴(yán)重破壞了水生植物的生存環(huán)境。

2.3 水生植物與環(huán)境因子的CCA分析

為進(jìn)一步開展水生植物與水環(huán)境因子響應(yīng)關(guān)系分析，針對(duì)調(diào)查中出現(xiàn)頻次較高的水生植物及其生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行研究，根據(jù)豐水期現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，典型水生植物在水體環(huán)境中的變化范圍，見表4(a)、表4(b)。

表4(a) 研究區(qū)域豐水期典型水生植物的部分水體環(huán)境因子(水深、流速、水溫、pH、電導(dǎo)率)變化區(qū)間

續(xù)表4(a)

表4(b) 研究區(qū)域豐水期典型水生植物的部分水體環(huán)境因子(DO、COD、氨氮、TN、TP)變化區(qū)間

從表4(a)、表4(b)可以看出，金魚藻(COD:3.03～60.68 mg/L，TN:0.01 ～26.99 mg/L，TP:0.56～5.52 mg/L)、水花生(COD:2.52～70.11 mg/L，TN:0.01 ～ 24.05 mg/L，TP:0.41 ～7.11 mg/L)、蘆葦(COD:7.29 ～51.58 mg/L，TN:0.3～16.99 mg/L，TP:0.44～5.88 mg/L)等物種對(duì)水體污染物濃度的變化范圍承受力較強(qiáng)，表明物種的適應(yīng)性較強(qiáng)，可作為河流水生植物修復(fù)的備選物種材料。

由于水生植物物種數(shù)據(jù)DCA分析中環(huán)境梯度長(zhǎng)度最大值為6.345＞4，因此選擇CCA排序分析(圖3)。CCA分析中，環(huán)境因子與坐標(biāo)軸夾角越小，箭頭越長(zhǎng)，表示其對(duì)水生植物的影響越相關(guān)。

圖3 淮河流域河南段水生植物排序與環(huán)境因子CCA二維排序

由圖3可知，CCA排序結(jié)果第1軸(橫坐標(biāo)軸)蒙特卡洛檢驗(yàn)P值為0.002＜0.05，通過檢驗(yàn)。由各環(huán)境因子與排序軸的相關(guān)性可知，莕菜分布在排序軸的最左端，水花生分布在排序軸的最右端，其分布與其他物種呈現(xiàn)出明顯差異性。從箭頭的連線長(zhǎng)度可知，TP、COD、pH、電導(dǎo)率對(duì)水生植物的影響明顯高于其他因子。TN、氨氮、DO、流速、水深、氧化還原電位對(duì)水生植物的影響程度相對(duì)較小。從環(huán)境因子的箭頭方向與水生植物第1軸的夾角進(jìn)行分析，TP、氨氮、TN、位于第1軸右側(cè)，與第1軸呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.509 9、0.325 9、0.232 7。pH、DO 位于第1 軸左側(cè)，與第1軸呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為－0.349 1、－0.226 5。從環(huán)境因子的箭頭方向與水生植物第2軸的夾角進(jìn)行分析，COD、電導(dǎo)率位于第2軸的上側(cè)，與第2軸呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.592 9、0.525 5。水溫、氧化還原電位、流速位于第2軸的下側(cè)，與第2軸呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 －0.416 9、－0.276 8、－0.243 4。

從物種到環(huán)境因子的垂直距離來看，灰化苔草、金魚藻、蘆葦、水稗到環(huán)境因子TP、電導(dǎo)率、COD的垂直距離較小，說明TP、電導(dǎo)率、COD是他們的主要影響因子。翅莖燈心草、狐尾藻、苦草、輪生黑藻、水蓼到環(huán)境因子DO、pH、氧化還原電位的垂直距離較小，說明DO、pH、氧化還原電位是他們的主要影響因子。菱、水鱉、水花生到氨氮、TP、水溫、水深的垂直距離較小，說明氨氮、TP、水溫、水深是它們的主要影響因子。

植被是環(huán)境特征的綜合反應(yīng)，一定的植物群落對(duì)其生境梯度具有一定的指示作用［18］。由此本研究認(rèn)為，水體的物理特征以及化學(xué)因子對(duì)水生植物生長(zhǎng)具有一定的指示作用。TP、COD、pH、電導(dǎo)率和氨氮是影響水生植物分布的主要因子，從左到右，隨著污染物濃度增加，水體污染嚴(yán)重，水生植物物種數(shù)逐漸減少，呈現(xiàn)為耐污種的存活，如水花生、菱、蘆葦?shù)?，這也表明水體污染可能是限制水生植物生存的原因。

3 結(jié)論

通過在豐水期開展淮河流域河南段水生植物調(diào)查，并進(jìn)一步開展水生植物組成分布分析、健康評(píng)價(jià)、水生植物與環(huán)境因子的CCA分析，確定了影響水生植物分布的主要因素，主要結(jié)論如下:

1)調(diào)查中共發(fā)現(xiàn)水生植物38種，其中，挺水植物 20種，占 52.6%，沉水植物 11種，占28.9%，漂浮植物3種，占7.9%，浮葉植物4種，占10.5%。常見種為蘆葦、水花生、金魚藻、輪葉黑藻、水蓼、水鱉、篦齒眼子菜等。

2)研究區(qū)域的水體良好的指示物種主要是苦草，水質(zhì)惡化的指示物種主要是莕菜、菱。調(diào)查河流中多數(shù)河流優(yōu)勢(shì)種為水花生，此外如輪葉黑藻、水鱉、篦齒眼子菜等也分布較為廣泛。

3)根據(jù)研究區(qū)域的植物種類及健康程度劃分來看，淮河流域河南段水生植物種類較少，水生植物基本處于不健康或亞健康狀態(tài)，部分區(qū)域呈現(xiàn)病態(tài)，分析原因主要是河流水體含沙量大、水體水質(zhì)污染嚴(yán)重、人為干擾強(qiáng)度大。

4)根據(jù)水生植物分布與水環(huán)境因子CCA響應(yīng)關(guān)系研究，影響水生植物的主要因子為TP、COD、pH、電導(dǎo)率、氨氮，隨著污染物濃度的增加，主要呈現(xiàn)出耐污種水花生、菱、蘆葦?shù)戎参铩?/p>

因此，針對(duì)淮河流域河南段河流生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞，不穩(wěn)定的現(xiàn)象，并結(jié)合其影響因素分析，在下一步河流生態(tài)修復(fù)中應(yīng)考慮水體污染嚴(yán)重以及人為活動(dòng)干擾等因素，制定合理的修復(fù)措施及目標(biāo)，恢復(fù)河流水生植物的多樣性和水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，根據(jù)水生植物與水環(huán)境因子響應(yīng)分析，篩選對(duì)環(huán)境因子承受范圍廣的水生植物作為水生植被恢復(fù)的備選物種。

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