徐 杰，何 萍*，劉存歧，王德旺，李代魁，王軍霞，張亞娟

1. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)區(qū)域生態(tài)過(guò)程與功能評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

2. 河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071002

白洋淀地處京津冀三角腹地，是華北平原最大的淡水湖泊濕地，素有“華北之腎”“華北明珠”之稱(chēng)，具有重要的生態(tài)功能. 20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于氣候干旱及人類(lèi)活動(dòng)干擾，白洋淀曾多次干淀. 1988年，由于區(qū)域降雨量激增，淀區(qū)水面得到一定恢復(fù). 然而，20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于周邊社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、生產(chǎn)生活污染排放增加等原因，淀區(qū)水位和水環(huán)境質(zhì)量明顯下降. 20世紀(jì)80年代以來(lái)，白洋淀先后實(shí)施了一系列應(yīng)急補(bǔ)水工程，一定程度上緩解了干淀危機(jī). 隨著南水北調(diào)中線工程開(kāi)始向白洋淀補(bǔ)水，其生態(tài)用水量得到基本保障. 2017年4月，雄安新區(qū)設(shè)立后，白洋淀作為其核心水系，成為新區(qū)“藍(lán)綠空間”的重要組成部分及其生態(tài)安全的重要依托[1]. 為修復(fù)好、保護(hù)好白洋淀濕地，2019年1月，河北省委、省政府印發(fā)《白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)規(guī)劃(2018-2035年)》，實(shí)施了一系列生態(tài)補(bǔ)水、污染治理與生態(tài)修復(fù)工程.因此，開(kāi)展水生態(tài)調(diào)查、研究水生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律對(duì)于白洋淀的保護(hù)與修復(fù)十分必要.

作為水生態(tài)系統(tǒng)的重要初級(jí)生產(chǎn)者和生物鏈與能量流動(dòng)的重要環(huán)節(jié)，沉水植物的有無(wú)或多寡對(duì)淺水湖泊的穩(wěn)態(tài)起著重要作用[2]. 國(guó)內(nèi)已有多項(xiàng)研究對(duì)白洋淀的沉水植物開(kāi)展了較為系統(tǒng)的調(diào)查. 田玉梅等[3]1991-1993年調(diào)查顯示，白洋淀1988年重新蓄水后沉水植物達(dá)到15種，蓋度幾乎達(dá)100%，優(yōu)勢(shì)群落有馬來(lái)眼子菜(Potamogeton malaianus)、光葉眼子菜(Potamogeton lucens)、篦齒眼子菜(Potamogeton pectinatus)、輪葉黑藻(Hydrilla verticillata)、菹草(Potamogeton crispus)和穗狀狐尾藻(Myriophyllum spicatum)+大茨藻(Najas marina) 6個(gè). 李峰等[4]2007年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，白洋淀有沉水植物14種，新發(fā)現(xiàn)輪藻屬一種(Charasp.)，梅花藻(Batrachium trichophyllum)、黃花貍藻(Utricularia lour)消失，貍藻(Utricularia vulgaris)數(shù)量已極少，金魚(yú)藻 (Ceratophyllum demersum)、小茨藻(Najas minor)和微齒眼子菜(Potamogetonmaackianum)成為新增優(yōu)勢(shì)群落，而輪葉黑藻、大茨藻、光葉眼子菜的優(yōu)勢(shì)性已喪失. 鄭志鑫等[5]2013-2015年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，白洋淀有沉水植物13種，未發(fā)現(xiàn)2007年出現(xiàn)的輪藻屬一種. 由于樣點(diǎn)布設(shè)的不同，2018年多位學(xué)者調(diào)查發(fā)現(xiàn)白洋淀有沉水植物7～13種[6-9].

從湖泊發(fā)育來(lái)看，白洋淀屬于萎縮的晚期湖泊[10].由于其內(nèi)部復(fù)雜的溝壕-臺(tái)田結(jié)構(gòu)的阻隔和水產(chǎn)養(yǎng)殖等人類(lèi)活動(dòng)的影響，不同淀泊之間水生植物群落結(jié)構(gòu)差異較大，既有草型水域又有藻型水域[11]. 在空間上，從西部河流入淀口至東部棗林莊閘出口，淀區(qū)水質(zhì)呈顯著差異[12]，另外，蘆葦臺(tái)田、養(yǎng)殖塘、開(kāi)闊水域交錯(cuò)的復(fù)雜水體景觀格局也加劇了水質(zhì)的空間差異性[13]；在時(shí)間上，隨著生態(tài)補(bǔ)水和流域水污染防治工作的開(kāi)展，淀區(qū)水生態(tài)系統(tǒng)狀況也會(huì)隨之發(fā)生變化，因此，有必要對(duì)其開(kāi)展對(duì)比研究. 鑒于此，該研究基于2010年和2019年白洋淀沉水植物與環(huán)境變量調(diào)查數(shù)據(jù)，分析其群落結(jié)構(gòu)變化與水位、水質(zhì)等環(huán)境變量之間的關(guān)系，以期為白洋淀水生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀是在海陸變遷過(guò)程中由渤海灣西部低洼地中的小型淡水湖泊以及毗鄰的季節(jié)性淹水沼澤形成的[2]. 淀內(nèi)地形西高東低，淀底高程5.5～6.0 m (大沽高程，下同). 淀內(nèi)縱橫溝壕3 700余條，將全淀分割成143個(gè)大小不等的淀泊，當(dāng)十方院水位為10.5 m時(shí)，淀區(qū)總面積為366 km2. 白洋淀地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫為7.3～12.7 ℃，流域年均降水量為563.7 mm. 作為海河流域大清河水系中游的蓄滯洪區(qū)，白洋淀曾承接9條河流的入淀水量. 近年來(lái)，除府河、孝義河常年有水入淀以及白溝引河汛期雨水短暫入淀外，其他幾條入淀河流幾乎常年干涸.

白洋淀是一個(gè)淺碟狀湖泊，平均水深僅2～3 m，本身不具備以豐補(bǔ)枯的能力，其水源主要來(lái)自上游河流的洪瀝水和天然降水. 流域年蒸發(fā)量約1 200 mm，遠(yuǎn)大于年降水量，因此，遇到連續(xù)枯水年必然面臨干淀風(fēng)險(xiǎn)[14]. 20世紀(jì)60年代以前，流域雨量豐沛，且上游河流無(wú)水庫(kù)攔蓄，淀區(qū)年平均水位維持在8.5～9.5 m[15].20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于區(qū)域降水量減少，特別是水利工程攔蓄和地下水超采等人類(lèi)活動(dòng)的干擾，白洋淀共有18年出現(xiàn)低于6.5 m的干淀水位. 伴隨干淀而來(lái)的還有水體污染，主要包括由府河排入的保定市生活污水、淀中村生活污染、農(nóng)業(yè)面源污染、養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)污染等. 2000年以前，除突發(fā)性水污染事件和極干旱年外，淀區(qū)水質(zhì)基本維持在GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅲ類(lèi)及以上水平. 進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著入淀流量的急劇下降，水質(zhì)多為Ⅳ、Ⅴ類(lèi)，甚至在2010年后多次出現(xiàn)劣Ⅴ類(lèi)[16].

1.2 采樣調(diào)查與分析

1.2.1調(diào)查樣點(diǎn)布設(shè)

為對(duì)比白洋淀近10年來(lái)水生態(tài)系統(tǒng)的變化，分別于2010年8月底和2019年9月初對(duì)白洋淀的沉水植物群落和水環(huán)境因子進(jìn)行采樣調(diào)查. 樣點(diǎn)布設(shè)基本覆蓋面積百畝以上的淀泊. 面積較小的淀泊布設(shè)1個(gè)樣點(diǎn)；面積較大的淀泊，如小白洋淀、燒車(chē)淀、池魚(yú)淀、藻苲淀等，布設(shè)2～4個(gè)樣點(diǎn). 2010年布設(shè)樣點(diǎn)41個(gè)，2019年布設(shè)樣點(diǎn)40個(gè)(見(jiàn)圖1). 2010年，由于淀區(qū)西北部的鴣丁淀、藻苲淀以及西南部的馬棚淀基本處于干涸狀態(tài)且土地利用以耕地為主，小白洋淀西南部、羊角淀以及淀區(qū)東南部的胡家洼、孟家淀開(kāi)敞水面較少，故這些區(qū)域未設(shè)置樣點(diǎn). 2019年6月，雄安新區(qū)在藻苲淀和馬棚淀啟動(dòng)了退耕還淀工程，規(guī)劃建設(shè)府河、孝義河河口水質(zhì)凈化濕地，又因2019年2月、8月分別實(shí)施了引黃補(bǔ)淀、南水北調(diào)引江水補(bǔ)淀，2019年9月初調(diào)查時(shí)淀區(qū)開(kāi)敞水面與2010年相比明顯增加，因此加設(shè)了樣點(diǎn).

圖1 2010年和2019年白洋淀調(diào)查樣點(diǎn)分布Fig.1 Sampling sites of Lake Baiyangdian in 2010 and 2019

1.2.2采樣調(diào)查方法

每個(gè)沉水植物調(diào)查樣點(diǎn)各取3個(gè)具有代表性的樣方，每個(gè)樣方使用專(zhuān)門(mén)的沉水植物采樣器抓取1次(采樣面積為0.2 m2). 進(jìn)行沉水植物物種鑒定后，記錄每個(gè)樣方的總蓋度和每種植物的分蓋度. 計(jì)算3個(gè)樣方每種植物分蓋度的平均值作為該樣點(diǎn)的測(cè)定值，采用Braun-Blanquet多蓋度等級(jí)法估算每個(gè)物種在該樣點(diǎn)的多度. 采樣后的植物放置瀝水5 min，稱(chēng)量并記錄各物種的鮮質(zhì)量作為其生物量.

采樣現(xiàn)場(chǎng)使用便攜式多參數(shù)水質(zhì)儀(Multi 340i，WTW，德國(guó)；EXO1，YSI，美國(guó))測(cè)定每個(gè)樣點(diǎn)水體的電導(dǎo)率(μS/cm)和葉綠素a濃度(μg/L)；使用薩氏盤(pán)測(cè)定透明度(m)；使用鉛墜和帶刻度的繩子測(cè)定水深(m). 采集水樣后，在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)GB 11893-1989《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》測(cè)定總磷濃度(mg/L)，根據(jù)HJ 636-2012《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》測(cè)定總氮濃度(mg/L)，根據(jù)HJ 535-2009《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》測(cè)定氨氮濃度(mg/L).

1.2.3沉水植物群落質(zhì)量指數(shù)計(jì)算

借鑒植物區(qū)系質(zhì)量評(píng)價(jià)(FQA)方法中保守系數(shù)(coefficients of conservatism，C)[17-18]的思路，確定每個(gè)沉水植物物種的敏感系數(shù)(S). 基于沉水植物出現(xiàn)樣點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)的高低，對(duì)每個(gè)物種的相對(duì)敏感性進(jìn)行排序賦值(1～10). 對(duì)于正反饋指標(biāo)-透明度，其值越高，沉水植物排序得分也越高；對(duì)于總氮、總磷濃度等負(fù)反饋型污染指標(biāo)，其值越高，沉水植物排序得分則越低. 借鑒FQI公式計(jì)算每個(gè)樣點(diǎn)的沉水植物群落質(zhì)量指數(shù)(SMQI).

式中，為樣點(diǎn)沉水植物敏感系數(shù)的平均值，N為樣點(diǎn)沉水植物的物種數(shù).

1.2.4綜合污染指數(shù)的計(jì)算

選取電導(dǎo)率以及葉綠素a、總磷、總氮、氨氮濃度5個(gè)指標(biāo)，采用綜合污染指數(shù)法(WQI)[19]對(duì)白洋淀各樣點(diǎn)水質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià). 計(jì)算方法如式(2)(3)所示：

式中，n為水質(zhì)指標(biāo)個(gè)數(shù)，Pi為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的單指標(biāo)污染指數(shù)，Ci為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)濃度，Csi為第i個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)濃度.

根據(jù)《河北省水功能區(qū)劃》(2017年)，白洋淀作為濕地自然保護(hù)區(qū)，水質(zhì)目標(biāo)為Ⅲ類(lèi). 總磷、總氮、氨氮標(biāo)準(zhǔn)濃度采用GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的Ⅲ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn). 電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)值參考半咸水判定標(biāo)準(zhǔn)-0.5‰鹽度(對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率約為1 000 μS/cm). 葉綠素a標(biāo)準(zhǔn)濃度參考湖泊富營(yíng)養(yǎng)化判定標(biāo)準(zhǔn)-10 μg/L. 一般來(lái)說(shuō)，WQI＜0.8時(shí)，表明多數(shù)指標(biāo)都達(dá)標(biāo)；WQI＞2時(shí)，則表明相當(dāng)一部分指標(biāo)超標(biāo)數(shù)倍.

1.2.5物種-環(huán)境變量關(guān)系分析

利用SPSS 22.0軟件對(duì)環(huán)境變量進(jìn)行相關(guān)性分析，剔除相關(guān)性較高的變量后進(jìn)行后續(xù)分析. 利用R語(yǔ)言的Vegan程序包對(duì)沉水植物物種與環(huán)境變量之間的關(guān)系進(jìn)行排序分析，判斷影響沉水植物分布的主要環(huán)境因子. 物種變量采用沉水植物物種的多度值，并做Hellinger轉(zhuǎn)化，以減少“雙零”問(wèn)題對(duì)分析結(jié)果的影響.

2 結(jié)果與分析

2.1 沉水植物群落組成與時(shí)空分布變化

2010年調(diào)查共發(fā)現(xiàn)白洋淀沉水植物10種，杜家淀、鰣?chǎng)\淀、大鴨圈和撈王淀4個(gè)樣點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)沉水植物；2019年共發(fā)現(xiàn)9種，僅新恢復(fù)成濕地的藻苲淀3和藻苲淀4兩個(gè)樣點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)沉水植物. 白洋淀沉水植物名錄與出現(xiàn)頻率見(jiàn)表1.

表1 白洋淀沉水植物調(diào)查物種名錄Table 1 Species of submersed macrophytes in Lake Baiyangdian

2010年，金魚(yú)藻、篦齒眼子菜和輪藻是最主要的優(yōu)勢(shì)沉水植物群落，另外，在北田莊附近發(fā)現(xiàn)馬來(lái)眼子菜優(yōu)勢(shì)群落，在北河淀發(fā)現(xiàn)大茨藻優(yōu)勢(shì)群落；2019年，在光淀至棗林莊和后塘新增貍藻優(yōu)勢(shì)群落，在大麥淀發(fā)現(xiàn)穗狀狐尾藻優(yōu)勢(shì)群落，在池魚(yú)淀發(fā)現(xiàn)大茨藻優(yōu)勢(shì)群落.

從出現(xiàn)頻率來(lái)看，與2010年相比，2019年金魚(yú)藻無(wú)明顯變化，篦齒眼子菜、貍藻、穗狀狐尾藻和大茨藻明顯增多，輪藻、馬來(lái)眼子菜、輪葉黑藻有所減少，2019年調(diào)查未發(fā)現(xiàn)小茨藻. 菹草是一種生活史特殊的沉水植物，其在秋季發(fā)芽、冬春季生長(zhǎng)，也是白洋淀的優(yōu)勢(shì)群落[20]. 兩期調(diào)查均在夏季進(jìn)行，因此發(fā)現(xiàn)的菹草數(shù)量較少. 2018年有學(xué)者在白洋淀發(fā)現(xiàn)光葉眼子菜、微齒眼子菜和苦草[5]，但筆者的兩期調(diào)查均未發(fā)現(xiàn)這3個(gè)物種.

2.2 沉水植物群落質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.2.1沉水植物物種敏感系數(shù)(S)的確定

采用透明度、電導(dǎo)率以及葉綠素a、總磷、總氮濃度5個(gè)指標(biāo)，根據(jù)1.2.3節(jié)中方法對(duì)每個(gè)沉水植物物種的敏感系數(shù)(S)進(jìn)行賦值. 對(duì)于出現(xiàn)頻率較低的大茨藻、小茨藻、菹草等物種，參考以往研究結(jié)果[21-23]，根據(jù)物種的相對(duì)敏感性對(duì)賦值進(jìn)行調(diào)整，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 白洋淀沉水植物物種的敏感系數(shù)Table 2 Sensitivity coefficient of submersed macrophyte species in Lake Baiyangdian

2.2.2沉水植物群落質(zhì)量指數(shù)(SMQI)的計(jì)算

利用式(1)計(jì)算每個(gè)樣點(diǎn)的SMQI，其中無(wú)沉水植物樣點(diǎn)的指數(shù)值為0. 結(jié)果顯示，2010年、2019年淀區(qū)所有樣點(diǎn)SMQI平均值分別為3.87、4.98，超過(guò)平均值的樣點(diǎn)占比分別為47.5%、60.0%，沉水植物群落質(zhì)量總體有所好轉(zhuǎn). 大部分樣點(diǎn)沉水植物群落質(zhì)量在變好，部分樣點(diǎn)變差，如小西淀、前塘、光淀、唐家淀、絲網(wǎng)淀，SMQI分別從8.00、7.00、8.00、8.00、11.72降至7.00、5.20、5.20、7.00、7.00. 從空間上來(lái)看(見(jiàn)圖2)，淀區(qū)中部和東部的沉水植物群落質(zhì)量好于西部府河、孝義河入淀口附近，新恢復(fù)水面的藻苲淀和馬棚淀的仍較差.

圖2 2010年和2019年白洋淀調(diào)查樣點(diǎn)SMQI分布Fig.2 Distribution of SMQI at sampling sites of Lake Baiyangdian in 2010 and 2019

2.3 白洋淀水環(huán)境時(shí)空變化

2.3.12010-2019年環(huán)境變量變化

1.鼓勵(lì)高等學(xué)校之間、校圖書(shū)館之間形成合作的專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)，通過(guò)課程（學(xué)分）互認(rèn)的方式來(lái)促進(jìn)學(xué)校與學(xué)校、學(xué)校與機(jī)構(gòu)、圖書(shū)館與社會(huì)機(jī)構(gòu)等各種力量的合作與交流，允許他校學(xué)生甚至校外人員選課學(xué)習(xí)，提供積極、有效、便捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

繪制白洋淀2010年和2019年各環(huán)境變量的箱形圖，根據(jù)各變量四分位數(shù)的變化進(jìn)行對(duì)比分析(見(jiàn)圖3). 由圖3可知，與2010年相比，2019年透明度和水深明顯升高，電導(dǎo)率略有升高，葉綠素a、總氮、總磷和氨氮濃度明顯下降. 雄安新區(qū)成立后，隨著生態(tài)補(bǔ)水力度的加大以及污水廠提標(biāo)擴(kuò)容、城鎮(zhèn)雨污分流、農(nóng)村環(huán)境整治、河道清淤等流域污染治理對(duì)策的實(shí)施，白洋淀水質(zhì)、水位均得到明顯提升.

圖3 2010年和2019年白洋淀各環(huán)境變量對(duì)比Fig.3 Comparison of environmental variables of Lake Baiyangdian in 2010 and 2019

2.3.2水質(zhì)時(shí)空分布特征

利用1.2.4節(jié)中公式計(jì)算每個(gè)樣點(diǎn)的WQI. 結(jié)果顯示，2010年、2019年淀區(qū)所有樣點(diǎn)WQI的平均值分別為2.80、0.77，水質(zhì)狀況明顯好轉(zhuǎn). 生態(tài)補(bǔ)水后水面得到恢復(fù)的藻苲淀和馬棚淀水質(zhì)狀況也較好.

利用ArcGIS 10.2軟件中的反距離權(quán)重法(IDW)對(duì)WQI進(jìn)行插值，由圖4可見(jiàn)，2010年臨近府河入淀口的西北部水域和西南部小白洋淀水質(zhì)最差，WQI普遍大于平均值（2.80），東北部水質(zhì)最好，東南部次之. 2019年，北部燒車(chē)淀和中部水域WQI普遍小于平均值（0.77），水質(zhì)較好，西北部和西南部藻苲淀、馬棚淀以及東南部水質(zhì)較差，大鴨圈(旅游區(qū))、采蒲臺(tái)附近(養(yǎng)殖區(qū))和小白洋淀東北部(端村碼頭附近)水質(zhì)最差，而采蒲臺(tái)南部的聚龍淀是淀區(qū)唯一的水質(zhì)較2010年變差的區(qū)域，但變幅不大，WQI從1.53升至1.68.

圖4 2010年和2019年白洋淀調(diào)查樣點(diǎn)WQI分布Fig.4 Distribution of WQI at sampling sites of Lake Baiyangdian in 2010 and 2019

2.4 物種-環(huán)境變量關(guān)系分析

利用SPSS 22.0軟件對(duì)2010年、2019年白洋淀所有調(diào)查樣點(diǎn)的環(huán)境變量進(jìn)行相關(guān)性分析. 結(jié)果表明，總氮濃度與水深、葉綠素a濃度、總磷濃度、氨氮濃度均呈顯著相關(guān)，其中與氨氮濃度的Pearson相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.952，因此，在后續(xù)分析中去掉總氮濃度這一變量，以減少多重共線性的影響.

利用R語(yǔ)言的Vegan程序包對(duì)2010年、2019年所有物種數(shù)據(jù)進(jìn)行除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA)，根據(jù)排序軸梯度長(zhǎng)度最大值，選擇冗余分析(RDA)進(jìn)行物種-環(huán)境變量約束性排序. 群落特征與排序軸相關(guān)性分析顯示，前2軸的物種方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為21.28%，物種-環(huán)境方差累計(jì)貢獻(xiàn)率為67.56%，前2軸可以滿足環(huán)境變量對(duì)物種變量的解釋性.

通過(guò)RDA排序結(jié)果(見(jiàn)圖5)和環(huán)境因子得分可以得出，總磷和葉綠素a濃度對(duì)于物種沿第一排序軸的分布起到關(guān)鍵作用，水深、透明度、葉綠素a濃度和電導(dǎo)率則是影響物種在第二排序軸分布的主要環(huán)境變量.

圖5 環(huán)境變量對(duì)沉水植物影響的二維排序Fig.5 The two-dimensional ordination diagram on effect of environmental variables on submersed macrophytes

分物種來(lái)看，金魚(yú)藻在排序圖中與其他物種距離較遠(yuǎn)，與高氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽、高葉綠素a濃度密切相關(guān)，除金魚(yú)藻外的其余物種的多度值均與這3個(gè)變量呈負(fù)相關(guān)，輪藻屬一種、馬來(lái)眼子菜、貍藻多度值均與水深呈負(fù)相關(guān)，篦齒眼子菜、穗狀狐尾藻、輪葉黑藻、大茨藻多度值均與透明度呈正相關(guān).

3 討論

3.1 沉水植物群落變化及其人類(lèi)活動(dòng)影響因素

2019年白洋淀水質(zhì)較2010年逐步好轉(zhuǎn)，沉水植物質(zhì)量總體提高，但平均蓋度降低. 根據(jù)2010-2019年《河北省生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》，淀區(qū)水質(zhì)有明顯提升，由2018年前的Ⅴ類(lèi)～劣Ⅴ類(lèi)提升至2018、2019年的Ⅳ類(lèi). 沉水植物優(yōu)勢(shì)群落發(fā)生變化，2010年優(yōu)勢(shì)群落有金魚(yú)藻、篦齒眼子菜、輪藻、馬來(lái)眼子菜和大茨藻，2019年新增了貍藻群落. 調(diào)查樣點(diǎn)平均物種數(shù)由2.5種增至3.0種，SMQI也普遍提高. 但是，除貍藻和篦齒眼子菜外，其余優(yōu)勢(shì)物種平均蓋度均有所下降(見(jiàn)圖6). 同時(shí)，調(diào)查樣點(diǎn)總蓋度平均值也明顯下降，由85%降至52%. 究其原因，白洋淀冬春季補(bǔ)水導(dǎo)致的高水位與水生植物生長(zhǎng)周期所需的水文節(jié)律不匹配[24]，尤其是春季水位升高不利于絕大多數(shù)沉水植物的萌芽與生物量增長(zhǎng).

圖6 2010年和2019年白洋淀調(diào)查樣點(diǎn)沉水植物平均蓋度變化Fig.6 Variation of average coverage in sampling sites of Lake Baiyangdian in 2010 and 2019

2019年白洋淀部分樣點(diǎn)沉水植物群落質(zhì)量較2010年變差，兩期調(diào)查的共同特征為輪藻被敏感系數(shù)較低的物種替代. 由于水污染和反季節(jié)生態(tài)補(bǔ)水的影響，敏感系數(shù)較高的輪藻受威脅程度較高，分布區(qū)域縮小. 淀區(qū)西南部的小西淀、東南部的前塘以及東北部的光淀、唐家淀、絲網(wǎng)淀，2010年為蓋度介于50%～98%之間的輪藻單優(yōu)群落，2019年輪藻均消失，優(yōu)勢(shì)種變?yōu)榻痿~(yú)藻、篦齒眼子菜和貍藻，SMQI出現(xiàn)不同程度下降，群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化.

兩次調(diào)查期間不同片區(qū)沉水植物群落質(zhì)量的空間差異性有所降低. 以圈頭為中心將淀區(qū)劃分為4個(gè)片區(qū)，不同片區(qū)之間沉水植物群落質(zhì)量差異明顯(見(jiàn)圖7). 可以看出，淀區(qū)東北部沉水植物群落質(zhì)量最高、西北部最低. 白洋淀水體污染主要源于長(zhǎng)期入淀河流污染匯入帶來(lái)的外源污染和淀內(nèi)2018年禁養(yǎng)之前大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖帶來(lái)的內(nèi)源污染. 水產(chǎn)養(yǎng)殖主要分布在東南、西南和西北部，面積占比分別為58%、22%、16%，東北部面積最小，僅占4%. 由于東北部遠(yuǎn)離污水入淀口，再加上水產(chǎn)養(yǎng)殖污染較少，沉水植物群落質(zhì)量最高；西北部常年承接上游污水處理廠尾水，2019年以前府河長(zhǎng)期處于劣Ⅴ類(lèi)水質(zhì)，且該區(qū)域水產(chǎn)養(yǎng)殖面積較大，致使沉水植物群落質(zhì)量最差；東南部鄰近“引黃濟(jì)淀”工程進(jìn)水口，但由于水產(chǎn)養(yǎng)殖面積較大，沉水植物群落質(zhì)量不太高. 由圖7可見(jiàn)，與2010年相比，2019年淀區(qū)東北部沉水植物SMQI降低，其他區(qū)域SMQI升高，前者主要由輪藻減少引起，后者主要得益于淀區(qū)水環(huán)境改善帶來(lái)的物種多樣性的提高. 可以看出，白洋淀長(zhǎng)期以來(lái)形成的東、西部水質(zhì)空間差異性縮小，沉水植物群落質(zhì)量的空間差異性也呈降低趨勢(shì).

圖7 2010年和2019年白洋淀不同片區(qū)沉水植物SMQI的變化Fig.7 Variation of SMQI in different areas of Lake Baiyangdian in 2010 and 2019

3.2 沉水植物群落變化與水深、透明度之間的關(guān)系

有研究[25-26]發(fā)現(xiàn)，水體透明度與水深的比值（透明度/水深）對(duì)淺水湖泊中沉水植物的分布、群落組成與生物量具有重要影響. 綜合2010年和2019年白洋淀調(diào)查數(shù)據(jù)，透明度/水深與SMQI、物種數(shù)、生物量均呈顯著相關(guān)，Pearson相關(guān)性系數(shù)分別為0.38(P＜0.01)、0.335 (P＜0.05)、0.38 (P＜0.01)，表明該比值對(duì)白洋淀沉水植物的物種多樣性維持和生物量增長(zhǎng)具有顯著正效應(yīng). 一般認(rèn)為，水深大于3倍透明度則沉水植物難以生存[27]. 與2010年相比，2019年現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查期間白洋淀水深/透明度平均值由2.46增至3.58，超出沉水植物的適生范圍. 其中，65%的樣點(diǎn)該比值超過(guò)3，最高的3個(gè)樣點(diǎn)-池魚(yú)淀1、棗林莊閘、馬棚淀則分別達(dá)到7.38、6.84、6.20.

20世紀(jì)80年代以來(lái)，通過(guò)流域內(nèi)水庫(kù)(安各莊、王快和西大洋等)、“引岳濟(jì)淀”、“引黃濟(jì)淀”、南水北調(diào)中線一期工程等多水源生態(tài)補(bǔ)水渠道，白洋淀的生態(tài)需水得到保障. 近20年來(lái)白洋淀生態(tài)補(bǔ)水量與汛前水位的變化情況見(jiàn)圖8[28-29]. 2007年白洋淀水位曾降至6.5 m的干淀水位，2008年3-6月、2009年6-7月、2009年11月-2010年1月從黃河、安各莊水庫(kù)共實(shí)施3次調(diào)水，2010年汛前水位達(dá)到7.08 m.2012-2014年，區(qū)域天然降水量顯著增加，在生態(tài)補(bǔ)水量減少的情況下白洋淀水位仍大幅上漲，并創(chuàng)1996年以來(lái)歷史新高. 從2017年起，南水北調(diào)中線一期工程開(kāi)始向白洋淀補(bǔ)水，加上引黃水及上游水庫(kù)調(diào)水，入淀水量大幅增加，水位一度超過(guò)8 m. 2019年2-3月，通過(guò)引黃入冀補(bǔ)淀工程為白洋淀補(bǔ)水約8 000×104m3；8-12月，又利用南水北調(diào)引江水補(bǔ)水約9 000×104m3；為滿足《白洋淀生態(tài)環(huán)境治理和保護(hù)規(guī)劃》正常水位保持在6.5～7.0 m的要求，在生態(tài)補(bǔ)水的同時(shí)開(kāi)啟棗林莊閘向下游河道泄水，使淀內(nèi)水位比往年有所下降.

圖8 2001-2019年白洋淀生態(tài)補(bǔ)水量與汛前水位Fig.8 Ecological water supplement and water level before flood season of Lake Baiyangdian from 2001 to 2019

根據(jù)生長(zhǎng)型的不同，沉水植物可以分為底棲型(bottom-dwelling)、蓮座型(rosette)、直立型(erect)和冠層型(canopy-producing)[30]. 水位的變動(dòng)會(huì)影響沉水植物的生長(zhǎng)繁殖和空間分布，其機(jī)制就是通過(guò)影響水下光場(chǎng)的光強(qiáng)和光質(zhì)，影響植物的光合作用速率，進(jìn)而影響其生長(zhǎng)繁殖、形態(tài)特征和生理生化[31]. 沉水植物因此進(jìn)化出不同的策略以應(yīng)對(duì)低光脅迫，如菹草和黑藻等植株下部進(jìn)化出沒(méi)有葉片的非光合莖，這些莖可以不進(jìn)行或只進(jìn)行很弱的光合作用，其暗呼吸也只有光合莖的一半左右，因此可在較深的水體中生存[32]；冠層型狐尾藻、金魚(yú)藻除非光合莖外，還進(jìn)化出更長(zhǎng)的莖/葉柄長(zhǎng)度和更大的地上生物量，以快速生長(zhǎng)到水面來(lái)獲取足夠的光照[33]. 有研究[34]表明，水位抬升會(huì)促進(jìn)以狐尾藻、馬來(lái)眼子菜為代表的冠層型沉水植物的生長(zhǎng)，而不利于黑藻等直立型物種和輪藻等底棲型物種的生長(zhǎng). 光補(bǔ)償點(diǎn)等光合特征決定了沉水植物分布的最大深度、光合產(chǎn)量及競(jìng)爭(zhēng)能力[35]. 該研究中，2019年冠層型優(yōu)勢(shì)物種篦齒眼子菜、貍藻和穗狀狐尾藻的增加以及底棲型優(yōu)勢(shì)物種輪藻的減少，可以部分歸因于近年來(lái)生態(tài)補(bǔ)水帶來(lái)的水位抬升；底棲型物種大茨藻雖有所增加，但總體分布仍較少，僅在5個(gè)樣點(diǎn)出現(xiàn).

3.3 沉水植物群落變化與水質(zhì)之間的關(guān)系

RDA結(jié)果顯示，總磷、葉綠素a濃度是影響白洋淀沉水植物生長(zhǎng)與分布最重要的水質(zhì)因素. 從兩期調(diào)查數(shù)據(jù)可以看出，白洋淀整體的總磷、葉綠素a濃度大幅降低，SMQI明顯升高. 葉綠素a濃度反映了水體中浮游藻類(lèi)的多少. 藻類(lèi)通過(guò)降低水體透明度來(lái)影響沉水植物的光合作用，而沉水植物通過(guò)光合作用競(jìng)爭(zhēng)、營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)、化感作用等方式來(lái)抑制藻類(lèi)的暴發(fā)[36]，這是淺水湖泊草-藻型穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換的機(jī)制之一[37].但同時(shí)，沉水植物的腐解能促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)鹽在水-底泥-植物之間的遷移轉(zhuǎn)化[38]，并且消耗水體中的氧[39]，從而加速水質(zhì)惡化，給水體造成二次污染. 與2010年相比，2019年白洋淀平均葉綠素a濃度降低了56.5%，為沉水植物修復(fù)創(chuàng)造了良好條件. 電導(dǎo)率(或鹽度)是影響沉水植物的又一環(huán)境變量. 白洋淀平均鹽度為0.56 ppt，屬于半咸水，但尚不足以對(duì)沉水植物造成鹽脅迫[40].

沉水植物可以綜合反映水體物理、化學(xué)和生物因素的長(zhǎng)期與短期效應(yīng)，因此，可以作為一種簡(jiǎn)單、快速評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)狀況的生物類(lèi)群. 相關(guān)性分析顯示，2010年、2019年白洋淀SMQI與WQI的Pearson相關(guān)系數(shù)分別為-0.577 (P＜0.01)、-0.162，表明沉水植物群落質(zhì)量與水體污染指數(shù)有較好的負(fù)相關(guān)性. 但是，由于行船等人類(lèi)活動(dòng)影響，一些樣點(diǎn)的污染指數(shù)較低而沉水植物群落質(zhì)量卻不高，如位于保護(hù)區(qū)核心區(qū)的燒車(chē)淀、大麥淀和小白洋淀.

根據(jù)白洋淀草藻穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換閾值[11]，2010年淀區(qū)既有草型清水區(qū)，也有藻型濁水區(qū)、過(guò)渡區(qū)，2019年已無(wú)藻型濁水區(qū)，水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn). 2018年底，白洋淀清除了淀內(nèi)所有的水產(chǎn)養(yǎng)殖，進(jìn)一步助力水環(huán)境改善. 因此，沉水植物已具備自然修復(fù)的水質(zhì)基礎(chǔ).

4 結(jié)論與建議

a) 與2010年相比，2019年白洋淀整體水質(zhì)明顯改善，沉水植物群落質(zhì)量也有所提升；從空間上來(lái)看，東北部沉水植物群落質(zhì)量最好，西北部最差，但其空間差異性有所降低.

b) 春季補(bǔ)水導(dǎo)致淀區(qū)水位過(guò)高，不利于沉水植物萌芽與生長(zhǎng). 因此，建議補(bǔ)水過(guò)程應(yīng)考慮沉水植物的光合特性與生活史規(guī)律，在3-4月大部分沉水植物發(fā)芽返青之后再補(bǔ)水.

c) 沉水植物腐解會(huì)對(duì)水體造成二次污染. 因此，建議開(kāi)展白洋淀各淀泊沉水植物適宜生物量評(píng)估，制定相應(yīng)的生長(zhǎng)期維護(hù)管理與衰亡期平衡收割方案.