五源河水生植物多樣性與水環境因子關系研究

薛雁文 雷湘齡 薛 楊 王小燕

（海南省林業科學研究院，海南海口 571199）

水生植物依托于水環境生長，對于水分的依賴性極強[1]。同時，作為初級生產者，水生植物是河流生態系統的重要組成成分[2]，為其他水生生物提供食物和棲息環境，在物質循環、能量流動等方面起著不可或缺的作用[3]。

水生植物與水環境因子之間是相互作用、相互影響的，水環境的變化可能會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構與水環境因子的關系，結果表明，在冰封期浮游藻類的群落結構特征與水環境因子存在明顯的相關關系：硅藻門類物種豐富度受到氨氮的影響較為明顯，而藍藻門物種受到總磷的影響明顯。徐 明等[7]對大縱湖的研究發現，水溫、透明度、濁度和總氮是影響浮游植物群落的主要水質指標。夏瑩霏等[8]的分析表明，總氮和BOD5是影響江蘇省優勢水生植物生長分布的最主要環境因子，且總氮對水生植物的分布有直接關系。齊代華[9]對九寨溝水生植物與環境因子的關系研究表明，其物種多樣性與總氮成正相關、與pH值成負相關，而與總磷關系并不顯著，且總氮是影響物種多樣性的主要因子。

濕地具有強大的生態功能，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結構和功能方面發揮著重要的作用[2]。五源河國家濕地公園是海口市最重要的流域之一，本文以五源河為研究對象，調查了五源河水生植物群落狀況和水環境因子，使用冗余分析方法（redundancy analysis，RDA）分析水生植物的均勻度指數、豐富度指數和生物多樣性指數與水環境因子之間的關系，以期為五源河濕地公園的保護、水資源的合理利用提供科學的參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

五源河國家濕地公園地處海南省海口市的西北部，位于東經 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，北至五源河河口海域，主要包括永莊水庫、五源河及五源河河口海域等3個濕地單元。五源河發源于羊山濕地，干流河長27.29 km。河段上游周邊多為農田、零散鄉村居民及工廠，中游周邊為農田、散居民居及工廠，下游周邊為居住區和公共服務區。

1.2 植物調查方法

在濕地公園內沿五源河流域設置15個大小為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）。 調查并記錄每個樣方內植物的種類、株數、高度、蓋度，計算出各種類植物的重要值和物種多樣性指數。

表1 上、中、下游設定水質監測取樣點概況

1.3 水質監測指標及方法

主要監測的水質指標包括水溫、pH值、鹽度、化學需氧量（COD）、溶解氧量（DO）、氨氮（NH3-H）、總氮（TN）、總磷（TP）、葉綠素 a 等 9 個項目。 其中，水溫、pH值、鹽度和DO分別采用溫度計法、玻璃電極法、鹽度計法和電化學探頭法現場測定。其余指標均在實驗室測定：使用重鉻酸鉀標準法檢測COD、水楊酸分光光度法測定NH3-H、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法檢測TN；分別采用鉬酸銨分光光度法和單色分光光度法測定TP和葉綠素a。

1.4 統計內容及方法

每個樣方分別統計植物所屬的科、屬及數量，以此計算相對頻度、相對蓋度、相對密度、物種重要值、Margalef豐富度指數（R）、Shannon-Wiener多樣性指數（H）、Pielou 均勻度指數（J）、Simpson 指數（D），計算公式如下[5]：

其中：S為樣方內所有的物種數，N為所有物種的個體總數，Pi是第i種的個體數ni占總個體數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、Shannon-Wiener多樣性指數、Pielou均勻度指數、Simpson指數與水環境因子間的關系。

2 結果與分析

2.1 五源河水質單因子動態變化分析

調查結果表明：水溫變化與氣溫變化同步；河段pH值范圍在7.20～8.97，由于受到近海口水文交換的影響，上游、下游的pH值波動較大；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‰、上游永莊水庫為0.06‰；COD范圍在1.79～74.00 mg/L，上游永莊水庫平均值為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、下游之間化學需氧量以及氨氮含量差異顯著，主要水質污染物為化學需氧量、氨氮和總氮。上游污染源以農業面源污染為主，中游以生活污水、養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

根據此次調查，研究區內有22科41屬共45種水生植物，詳見表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 五源河水生植物調查結果

本次調查沿五源河設置15個樣方，S1號樣方中有水生植物4種，馬蹄（Heleocharis dulcis）的重要值最大，為17.9%；S2號樣方中有水生植物7種，大薸（Pistia stratiotes）的重要值最大，為 15%；S3號樣方有水生植物11種，重要值最大的是田字蘋（Marsilea quadrifolia）， 為 20.4%；S4號樣方有水生植物 4 種，膜稃草（Hymenachne amplexicaulis）和竹節草（Chrysopogon aciculatus）的重要值最大，均為12.5%；S5號樣方有水生植物3種，膜稃草在該樣方的重要值最大，為17%；S6號樣方有水生植物6種，絨毛草的重要值最大，為18.1%；S7號樣方有水生植物4種，薇甘菊（Mikania micrantha）的重要值最大，為21.4%；S8號樣方有水生植物7種，絨毛草的重要值最大，為12.3%；S9號和S10號樣方有水生植物2種，重要值最高的均是草龍（Ludwigia hyssopifolia），分別為22.6%和20.8%；S11號和S12號樣方均有水生植物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號樣方有水生植物4種，野芋的重要值最大，為20.5%。

在研究區內調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，其數值差距并不明顯，均為該地分布的優勢種。

2.3 五源河水生植物多樣性

在15個樣方中，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號樣方內的水生植物種類最多，為11種；Margalef物種豐富度指數依次為：S3>S2=S8=S13>S6=S14>S1=S4=S7=S15>S5=S11=S12>S9=S10，S3號樣方的植物種類最多；Shannon-Wiener指數從大到小依次為S6>S2>S15>S14>S8>S7>S3=S11>S4>S5>S9>S1>S12>S13>S10，S6號樣方中植物群落所包含的植物信息量最大，群落復雜程度較其他區域高；Simpons指數的排序為S6>S15>S14>S7>S11>S2>S9>S3>S12>S5>S1=S4=S8>S13>S10，S10號樣方中的草龍優勢度最明顯；Pielou均勻度指數的次序為S9>S6>S11>S15>S7>S5>S2>S4>S12>S14>S8>S1>S10>S3>S13，S9號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

2.4 五源河水環境因子與水生植物多樣性的關系

五源河水生植物多樣性與水環境因子的RDA排序分析結果見表4。可以看出，4個排序軸對物種和環境因子關系的累計方差為100%，其中軸1和軸2解釋物種與環境因子之間累計方差為81.01%，因而水生植物多樣性與水環境因子之間的關系基本可以用排序結果解釋。

表4 水生植物多樣性與水環境因子的相關系

Pielou均勻度指數（J）與pH值、鹽度、氨氮成顯著正相關，與溫度、葉綠素a成顯著負相關；Shannon-Wiener多樣性指數（H）與氨氮、總磷、COD成顯著正相關，與DO、溫度成顯著負相關；Simpson指數（D）與總氮、總磷、COD、氨氮成顯著正相關，與鹽度、DO、溫度、葉綠素a成顯著負相關；Margalef豐富度指數（R）與葉綠素a、溫度成顯著正相關，與pH值、鹽度成顯著負相關。圖1箭頭的長度表示該水環境因子對水生植物多樣性影響所占的比重。因此，pH值、總氮對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指數反映群落里的物種豐富度，其值越大，說明物種豐富度越高，物種數目越多[10]。在此次五源河設置的15個樣方中，S3號樣方所代表的區域物種豐富度高；相反，以S9、S10號樣方所代表的區域物種豐富度較低。Shannon-Wiener指數可用來描述物種個體出現的不確定性，不確定性越大，物種分配越平均[10]。研究區內以S6號樣方為代表的區域其水生植物群落的不確定性較高，物種個體分配均勻，物種多樣性較其他區域高。Simpson指數即優勢度指數，表示一個物種種類出現概率的大小[11]。五源河流域S6號樣方Simpson指數最高，代表區域內水生植物群落物種分布的均勻程度最高，而Simpson指數最低的S10號樣方區域內的優勢種分布明顯，草龍為該區域的優勢種。Pielou指數用來表示群落中物種空間分布的均勻程度，指數值越大，植物的分布越均勻[12]。研究區的Pielou指數表明，以S9號樣方為代表的區域其各物種在植物群落中的在空間分布均勻程度最高，S13號樣方區域最低。根據彭映輝等[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，據此分析S10、S13號區域受到的干擾強度高于其他區域。

3.2 五源河水生植物多樣性與水環境因子的關系

水體是水生植物的主要營養來源，水質的變化會對水生植物的生物多樣性造成影響，而不同的水環境因子帶來的影響程度不同[14-15]。本研究連續監測了五源河總氮、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排序分析各因子對水生植物生物多樣性的影響。結果表明，Pielou均勻度指數受pH值的影響最明顯，總磷對Shannon-Wiener多樣性指數的影響顯著，COD和總氮分別對Simpson指數和Margalef豐富度指數的影響最顯著。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]對大縱湖、夏瑩霏等[8]對江蘇省、齊代華[9]對九寨溝水環境因子與水生植物多樣性的研究結果相似，總氮是影響水生植物多樣性的主要因子，葉綠素a和鹽度的影響相對較小。

4 結論

（1）五源河的主要水質污染物為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，上游以農業面源污染為主，中游以生活污水、養殖污水為主要污染源，下游為混合污染源。

（2）研究區內有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、象草和野芋為區域內的優勢種。

（3）從生物多樣性指標分析，以上游S3號樣方為代表的區域，植物種類最多；以S6號樣方為代表的區域，群落復雜程度最高；以中游S10號樣方為代表的區域，草龍是該區域的優勢種；以S9號樣方為代表的區域，植物群落分布最均勻。

（4）RDA的排序分析表明，軸1和軸2解釋物種與環境因子之間累計方差為81.01%，在五源河區域內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。