沉水植物種植工程實施后物種多樣性的變化
——以武漢紫陽湖為例

胡勝華，史詩樂，梅劭明，熊鵬輝，劉祖勇，李志成

(武漢中科水生環境工程股份有限公司 湖泊水污染治理與生態修復技術國家工程實驗室，湖北 武漢 430074)

1 引言

富營養化是我國淡水湖泊目前面臨的主要環境問題，其形勢嚴峻，嚴重影響區域社會經濟的發展。對富營養化湖泊，近些年來實施了治理。其中，恢復沉水植物被認可為一種常用的水生態修復方式，沉水植物群落在湖泊中的恢復既改善了湖泊水質、提高水體透明度、提高水體溶解氧、克藻效應等，也可以改善湖泊生態環境，為其它水生物創造基本條件，提升湖泊自凈能力[1～5]。但沉水植物群落的恢復具有一定的難度，主要是受到外源與內源污染控制、底泥、魚類生物多樣性結構等影響，所以導致很多湖泊沉水植物恢復情況不理想，突出表現為沉水植物建群不成功及種群迅速衰退、魚類牧食大面積滅絕、藻類與大型藻類異常增殖、沉水植物的生境喪失等。

實施水生態修復與沉水植物種植工程是一種沉水植物生物多樣性恢復與不斷增加的動態過程。它實際是生物及其所在生態復合體的種類、結構與功能方面的豐富度與相互間的差異性[6,7]。而沉水植物種植工程改善與塑造了棲息地與景觀多樣性，為物種多樣性提供了必要生境。因限于生態系統、物種與基因的多樣性與復雜性，目前尚不能對生物多樣性的變化做出準確估價[8,9]。所以，有關沉水植物與水生態修復研究多局限在工程實施階段，即建立沉水植物生物多樣性的階段，國內已有較多報道[10～14]。而對工程完成后階段沉水植物恢復情況實施“回頭看”式的研究未見報道，本文用植物種多樣性指數與植物種侵入、滅絕動態分析的生物學調查方法與手段，對武漢紫陽湖沉水植物種植工程中物種多樣性變化特征(2017—2018年)進行初步探討，旨在揭示種植工程對沉水植物生物多樣性的塑造特點。

2 研究區概況與研究方法

2.1 研究區概況

紫陽湖(E113°17′54′～113°18′03″，N30°31′48′～30°32′08″)，岸線長3.5 km，湖泊面積14.3 hm2(約215畝)，湖泊容積12.37萬m3，匯水面積306 hm2。湖泊常水位19.33 m(黃海高程，下同)，最高水位19.65 m，湖泊最深處1.9 m，平均水深1.6 m。紫陽湖水源補給主要依靠雨水，湖東部有溢流口。1952年建成為紫陽湖公園，是武昌首義文化的風景名勝之一(圖1)。

圖1 紫陽湖分布區域概況

《武漢市中心城區湖泊保護規劃(2004-2020年)》將紫陽湖定為一級湖泊，水質標準為IV類，具調蓄和景觀娛樂功能。

2017年前，紫陽湖總體水質為V類。2017年，在完成紫陽湖控源截污工程后，開始實施沉水植物種植工程。種植方法是降低水位(排水)、清除有害魚類、人工種植(插植法)，完成種植工作以后逐漸恢復水位至常水位，視種植情況適當補栽，補水用自來水。

沉水植物種植品種主要有：苦草(Vallisnerianatans(Lour.)Hara)、菹草(PotamogetoncrispusLinn.)、金魚藻(CeratophyllumdemersumLinn.)、穗花狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.)、大茨藻(NajasmarinaLinn.var.marina)、小茨藻(NajasminorAll.)、微齒眼子菜(PotamogetonmaackianusA.Benn.)、黑藻(Hydrillaverticillata(L.f.)Roylevar.verticillata)、蓖齒眼子菜(PotamogetonpectinatusLinn.)、扭葉眼子菜(PotamogetonintortifoliusJ.D.He)。

2.2 研究方法

物種多樣性常用Shannon-Wiener指數與Simpson指數[16]:

H= -∑(ni/N)×ln(ni/N)

(1)

式(1)中：H為Shannon-wiener指數，ni為第i個種的個體數目，N為群落中所有個體數總和。

D=1-∑(ni/N)2

(2)

研究區域分為：種植區(沉水植物主要恢復水域)、種植區無沉水植物水域(往來游船較多，沉水植物生長受到干擾)、對比水域(非種植區)。

根據上述劃分標準分別在各個類型中采用樣方法測定其植物種組成、蓋度(cover)與生物量(biomass)等。樣方(quadrat)面積為1 m×1 m(木質四方框)，共調查了30個樣方，其中種植區(沉水植物主要恢復水域)(10個)、種植區無沉水植物水域(10個)、對比水域(非種植區)(10個)。所有調查中出現的植物按其生活型與出現頻率分為2大類進行物種多樣性分析，其中生活型根據沉水植物生物學特性分別劃分為1年生(A,Annual submerged macrophyte)、多年生(B,Perennial submerged macrophyte)。按照沉水植物在其恢復過程中出現的頻率劃分為：特有種(specified spices)，即只在1種生境中出現；稀有種(rare spices)，即在2種生境中出現；共有種(mutual spices)，即在所有生境中出現。

調查顯示：在種植區(沉水植物主要恢復水域)，以苦草為多，也有菹草與金魚藻等，還生長有其他生活型水生植物，且種類較多。種植區有沉水植物區域寬度自湖岸向湖內延伸約50 m；而對比水域(非種植區)沉水植物寬度從湖岸向湖內延伸僅0.1～5 m內；種植區無沉水植物水域寬度一般在約20～30 m左右甚至更窄，對比水域(非種植區)寬度最大，這一區域基本無沉水植物群落，物種數也少。

種植區有沉水植物水域種相對豐富，主要是由菹草、穗花狐尾藻、大茨藻、小茨藻組成的一年生多種沉水植物；再向湖岸延伸多年生沉水植物物種逐漸出現并增多，如：苦草、金魚藻、微齒眼子菜、黑藻、蓖齒眼子菜、扭葉眼子菜，也有少量的菹草、穗花狐尾藻、大茨藻、小茨藻。

3 結果與分析

3.1 沉水植物種植工程實施后的物種多樣性特征

沉水植物物種的豐富度是決定沉水植物生物多樣性的重要因子，研究植物種豐富度是生物多樣性研究中的基礎[3]。

從表1可以看出，不同水域沉水植物種豐富度差異很大。在種植區內植物種豐富度最高為10種，其中特有種也最多，有4個種。種植區無沉水植物水域，植物種豐富度急劇減少為2個種，對比水域(非種植區)植物種豐富度僅5個種。后2個水域中無特有種出現。

表1 不同區域類型植被組成

注：n=5，A.一年生沉水植物，B.多年生沉水植物；+.稀有種，#.特有種，V.共有種

物種多樣性指數從種植區有沉水植物水域到對比水域(非種植區)依次減少。Shannon-Wiener指數顯示從種植區有沉水植物水域到種植區無沉水植物水域這一過程中，物種多樣性指數由3.42減少為1.68，顯著降低。Shannon-Wiener指數與Simpson指數的變化還顯示，從種植區有沉水植物水域到對比水域(非種植區)、對比水域(非種植區)是物種多樣性迅速下降的一個過程，Shannon-Wiener指數與Simpson指數的變化幅度在整個過程中最大(表2)，Shannon-Wiener指數從3.42減少為1.65；Simpson指數的變化則更大，由17.36減少為3.57。

表2 不同水域類型植物多樣性指數

注：n=5

特有種、稀有種與共有種在種植區與對比水域的物種多樣性分布顯示：特有種在種植區有沉水植物水域中占主導地位，Simpson指數與Shannon-Wiener指數最高分別為5.6841和2.6487；而在種植區無沉水植物水域與對比水域中，Simpson指數與Shannon-Wiener指數的最高值分別是稀有種與共有種，其中對比水域稀有種的Simpson指數與Shannon-Wiener指數為 6.1729與1.8653，種植區無沉水植物水域中共有種的Simpson指數與Shannon-Wiener指數為1.5293與0.6173(表3)。

表3 不同水域類型植物種出現頻率特點

注：n=5

在不同的水域，按植物種生活型計算的物種多樣性結果表明(表4)，物種多樣性情況是不一致的：在種植區有沉水植物水域中物種多樣性以多年生沉水植物為最高，其次是1年生沉水植物；而在對比水域與種植區無沉水植物水域中，依據生活型所計算Shannon-Wiener指數與Simpson指數表明：物種多樣性以1年生沉水植物最高，多年生沉水植物僅1種。

表4 不同水域類型植物種類生活型組成特點

注：n=5

3.2 沉水植物恢復過程中植物種多樣性變化特征

從沉水植物種植工程不同區域的物種定居與絕滅的植物種數來看，共有8個種滅絕(表3)。既有一年生沉水植物，也有多年生沉水植物。

沉水植物物種豐富度隨種植工程而顯著增加，直到非種植工程區域大部分植物種絕滅，沉水植物種植工程本身就是一個沉水植物入侵—定居—擴繁的過程，物種結構在生境與干擾的特點下進行了選擇。

從種植工程水域到非種植工程水域，是一個特有種衰退的過程，它在生境中的主導地位被共有種與稀有種所代替。這說明特有種本身在建群初期就依賴“保護”，并對水環境要求較高。概括的說，種植工程的發展首先形成那些對生境選擇極強的種(特有種)，其次為稀有種，最后才是共有種。共有種在種植區內外水域均出現，顯示出其生態位的重要性與較強的適應性。

4 結論

沉水植物種植工程改善了紫陽湖水環境，顯著體現在水生物多樣性不斷增加，如出現了非引進目標的大型絲狀藻類，如：水綿屬(Spirogyra)、剛毛藻屬(Cladophora)。首先，作為城市景觀湖泊，在維持水質達標與合理利用需要兼顧的現實情況下，紫陽湖未來還需要繼續實行包括對觀光船只進行劃區、控制草食和雜食魚類、禁止不當放生等在內的科學湖泊管理制度。第二，選擇生境擁有豐富度最高的物種數(10種)的沉水植物種植水域設立為重點保護地作為“種子庫”，保留一定面積的非種植區作為觀光區，豐富湖泊生境多樣性。第三，優化沉水植物物種結構，再用1～2年全面種植多年生沉水植物物種(苦草)，將一年生沉水植物物種收割逐漸退出。

該方法可以作為水生態工程竣工與驗收的參考依據，在水環境工程領域具有一定的價值與意義。