南四湖区湿地公园水生植物多样性及其对水质的影响

祝 琳，祝 钰，董 丽

（花卉种质创新与分子育种北京市重点实验室，国家花卉工程技术研究中心，城乡生态环境北京实验室，北京林业大学 园林学院，北京100083）

湿地公园作为保护湿地生态环境和资源、提供科普教育和休憩空闲的综合体，越来越被重视［1］。水生植物作为湿地的重要组成部分，是湿地景观最具表现力和功能性的元素之一［2］，在整个湿地生态系统中起到至关重要的作用［3-7］。不同水生植物对氮、磷、有机物［8］等水体污染物的去除能力有很大的差异［9］，筛选适合本地区生长且净化能力较强的水生植物用于湿地公园的植物配置和水体净化，具有重要的理论和实际意义。

本研究通过调查南四湖区4个湿地公园水生植物的物种和群丛多样性及分布规律，探究水生植物群丛分布对水质的影响，以期为湿地公园的植物配置及湖水污染治理提供科学依据。

1 研究区域概况与研究方法

1.1 研究区域概况

南四湖（34°27′-35°20′N、116°34′-117°21′E）位于山东省西南部华北平原与黄淮平原交接地带，由南阳湖、独山湖、昭阳湖和微山湖4个相互连贯的湖泊构成。全湖面积1 266km2，南北长126km，东西宽5～25km，平均水深1.46m，是华北最大的淡水湖泊和重要的水源地。

依托南四湖丰富的自然湿地资源，现建有4个湿地公园，分别名为微山湖国家湿地公园（34°43′-34°46′N、117°8′-117°9′E，位于山东省微山县，以下简称 W）、滕州微山湖湿地公园（35°6′-35°7′N、116°50′-116°51′E，位于山东省滕州市，以下简称T）、北湖湿地公园（35°17′-35°20′N、116°34′-116°36′E，位于山东省济宁市，以下简称B）和微山湖湖滨湿地公园（34°49′N、116°58′-116°59′E，位于江苏省沛县，以下简称P）。

1.2 研究方法

1.2.1 植物调查及分析方法 2013年5月至2014年8月，逐季对4个湿地公园进行实地调查，根据水生植物分布现状布设采样点，在各公园每一采样点方圆500m2的范围内随机设置6个2m×2m的样方［3，5-6］，然后记录每一样方中的植物物种及各种群的多度、盖度和其他群落特征。物种多样性指数选用Simpson多样性指数和Shannon-wiener多样性指数进行计算［3，5］。群丛的命名采用优势种原则，同一层的优势种用“+”按其在群落中相对重要值从大到小的顺序连接，不同层间的优势种用“-”连接［5］。

式中：Pi=Ni／N；Ni为第i种物种的重要值；N 为群落所有种的重要值。

1.2.2 水体采样及指标检测方法 于2014年7-8月，水生植物生长旺盛的阶段，根据各湿地公园面积大小及植物群丛多样性布设10～15个采样点，样点的布设充分考虑水生植物的种类、群丛的分布状况，使各个群丛内的样点水质基本上能代表该区域的水质状况［10］，并在公园入口无植物分布的开阔水面布设空白对照点（CK），每个处理设置3个重复［11］。

采样过程控制在同一时间段内，用1L采水器在植物群丛内部，靠近植物根系部位采取上、中、下3个不同水层的水样，混匀，立即经0.45μm微孔滤膜过滤，总氮水样加硫酸酸化至pH≤1，总磷和化学需氧量水样加硫酸酸化至pH≤2，用密封玻璃容器、4℃低温保存，在规定时间内完成检测［12］。

水样的pH采用PHTEST30测定仪，电导率（EC）采用HI98303测定仪在水样加酸酸化前进行现场测定；总氮（TN），总磷（TP）和化学需氧量（CODcr）采用美国Thermo Scientific公司生产的紫外可见光分光光度计（BioMate 3S）进行测定；水样总氮（TN）采用碱性过流酸钾氧化—紫外分光光度法；总磷（TP）采用磷钼蓝分光光度法；化学需氧量（CODcr）采用快速密闭催化消解法［12］。

2 结果与分析

2.1 物种多样性比较

根据实地调查结果，南四湖区4个湿地公园共有水生植物43种，隶属于26科36属（表1）。其中挺水植物24种，占55.81%，浮水植物8种，占18.60%，漂浮植物3种，占7.0%，沉水植物8种，占18.60%；W、T、B、P湿地公园各分布有水生植物21种、35种、17种和12种，分别隶属于14科20属、22科32属、13科15属、11科11属，以莎草科（Cyperaceae）物种数量最多，共6种，其次是禾本科（Gramineae）和睡莲科（Nymphaeaceae），均是4种，其中，芦苇（Phragmites australis）、长苞香蒲（Typha angustata）、芡实（Euryale ferox）和竹叶眼子菜（Potamogeton malaianus）是4个湿地公园的共有种，水生植物物种多样性的现状是T＞W＞B＞P。

表1 南四湖区湿地公园水生植物分布Table 1 The distribution of aquatic macrophytes of wetland parks in Nansi Lake area

2.2 群落多样性比较

南四湖区W、T、B、P 4个湿地公园各有水生植物群丛类型8、5、5、4个，主要为挺水植物、浮叶植物和沉水植物群丛（表2）。T虽然植物种类最多，占总数的81.3%（表1），但旱伞草（Cyperus alternifolius）、紫芋（Colocasia tonoimo）、再力花（Thalia dealbata）、梭鱼草（Pontederia cordata）等植物均是作为其水生植物园中的展示植物，数量与面积相对较少，未形成植物群丛，所以群丛类型少于 W。整体群丛多样性的现状是W＞T＞B＞P。

同一群丛类型Simpson指数与Shannon-Wiener指数的大小相呼应，表明二者均适应于水生植物群落多样性的度量。芦苇群丛和荷花（Nelumbo nucifera）群丛在4个湿地公园均有分布，两群丛的物种组成数目都是以 W最多、P最少，其多样性指数，无论是Simpson指数还是Shannon-Wiener指数，也是以W最高、P最低。这是因为W人为干扰强度小且面积较大，P干扰强度大且面积较小，多数水生植物群落由单一物种组成。W、T、B群丛的物种多样性均表现为睡莲（Nymphaea tetragona）群丛最高，芦苇群丛最低，P少有睡莲分布，但仍以芦苇群丛物种多样性最低。这是因为睡莲为浮叶植物，虽在群丛中作为优势种但优势度较低，喜旱莲子草（Alternanthera Philoxeroides）、芡实、苹（Marsilea quadrifolia）等伴生种多，群丛的物种多样性高，芦苇群丛多以芦苇荡的形式出现，优势度高，除了人为干扰与香蒲、荷花组成共优群丛外，其间少有其他物种生长。

表2 南四湖区湿地公园主要水生植物群丛多样性指数的比较Table 2 Comparison of diversity indices of main association types in macrophyte communities of wetland parks in Nansi Lake area

2.3 水质评价比较

南四湖水体的pH为中性偏碱性，其中B、W、T相近（pH：7.78～8.31），P碱性较高，最高值达到9.89；电导率可以反映水体的离子浓度，4个湿地公园中以B最高（EC：1 203～1 330μs），T最低（EC：470～783μs），P（1 254μs）和 W（1 149μs）的均值相近，但各样点电导率变化规律不明显；B的CODcr（26.03～41.56mg·L-1）最高，属于Ⅳ～Ⅴ类水体［13］，其中样点1（41.56mg·L-1）和样点5（35.74 mg·L-1）较高，属于Ⅴ类水体，其余属于Ⅳ类水体，T的CODcr（9.22～16..98mg·L-1）最低，属于Ⅰ～Ⅲ类水体，P、W的CODcr在Ⅲ～Ⅴ类之间变化；TP和TN也是以B（TP：1.04～1.89mg·L-1，TN：4.50～5.17mg·L-1）最高，除了 W 的TN在Ⅰ～Ⅴ类水体之间变化外，其他公园的TP和TN检测值均位于Ⅴ类水质标准以下，属于典型的富营养化水体［9-11］（表3、4）。

2.4 植物群丛对水质影响

通过微山湖国家湿地公园主要水生植物群丛间水体的pH、电导率、氮、磷及化学需氧量与CK的对比，基本能够反映出该种植物群丛在自然状态下对氮、磷等污染物的去除能力。在本研究的中度富营养化水中，各样点水体的pH、电导率无明显规律，但水面越宽阔，pH值越接近中性；植物群丛内部水体的氮、磷及化学需氧量明显低于CK，对TP的去除效果最好，样点浓度比CK低21.9%～97.40%，TN的去除效果居中，样点浓度比CK低14.50%～77.30%，CODcr的去除率最低，样点浓度比CK低3.20%～44.70%（表5）。

不同植物群丛间水体总氮、总磷及化学需氧量存在显著性差异（p＜0.05），挺水植物对湖水的总体去除效果优于浮叶植物和沉水植物，其中芦苇群丛的3种物质浓度均处于最低状态。芦苇群丛和长苞香蒲群丛对TP、CODcr的去除效果较好，TP比CK低97.40%和95.30%，CODcr比CK低44.70%和35.60%；芦苇群丛和茭白群丛对TN的去除效果较好，TN比CK低77.30%和73.40%，睡莲群丛和菹草（Potamogeton crispus）+金鱼藻（Ceratophyllum demersum）群丛对 TP、CODcr的去除效果较差，TP比CK低28.50%和21.90%，CODcr比CK低4.10%和3.20%，睡莲群丛和喜旱莲子草群丛对TN的去除效果较差，TN比CK低14.50%和16.91%。

表3 南四湖区湿地公园水质状况的比较Table 3 Comparison of water quality of wetland parks in Nansi Lake area

表4 地表水环境质量标准基本项目标准限值Table 4 Environment quality standard for surface water standard limits basic project （mg·L-1）

表5 微山湖国家湿地公园水生植物群丛水质净化效果比较Table 5 Comparison of aquatic macrophyte associations for water purification in the national wetland park of Weishan Lake

3 结论与讨论

南四湖通过湿地公园水生植物的种植有效的改善了水质，水体TP、TN和CODcr均有降低，植物多样性显著增加，且植物群落趋于稳定，形成了南四湖独特的湿地景观［13］。已建成的4个湿地公园中，滕州微山湖湿地公园（T）植物多样性最丰富，水质净化效果较好，但由于多数物种以单株展示的方式栽植于水生植物园内，属于人工栽培，未形成自然群落，且公园人为干扰强度较大，因而植物群丛类型少于微山湖国家湿地公园（W）；北湖湿地公园（B）因位于南四湖北端而得名，紧邻京杭大运河，靠近市中心，人工干扰性最强，自身净化能力弱，水质污染严重；微山湖湖滨湿地公园（P）属于南四湖流入江苏境内的水域，面积较小，但以群岛的形式建成，尽管水生植物量有限，但各水质检测指标仍在均值上下浮动；微山湖国家湿地公园（W）基本保持自然湿地的原貌，人工干扰性小，分布有大片的芦苇、长苞香蒲和荷花，且设有集中净化点，水质净化效果因植物分布区域存在显著性差异。

植物群丛间水质与无植物区（CK）的对比分析表明：湿地水生植物对水体的CODcr、总氮和总磷均有一定的净化效果，该研究结果与以往大量研究结果一致。研究表明，污水中的氮、磷和CODcr的去除依靠植物根系的吸收和微生物的代谢［8，14］。本研究的8个水生植物群丛间水体总氮、总磷和CODcr存在显著性差异且呈现一定规律，净化效果表现为挺水植物＞浮叶植物＞沉水植物，这是因为挺水植物生物量大，生长速度快、有较好的吸收能力，能为微生物提供附着界面的庞大根系；能将光合作用产生的氧气通过气道输送至根区，在植物根区的还原态介质中形成氧化态的微环境，提高整个湿地生态系统微生物的数量。再通过微生物的降解作用，将污染物转化成能够被植物吸收的组分，最后储存在植物体中，通过收割，被植物吸收的氮、磷等营养物质也随之离开水体，从而达到净化的目的。但收割打捞要及时，防止水体的二次污染［10］。

芦苇、长苞香蒲和茭白的净化优势明显；睡莲、荇菜（Nymphoides peltatum）和沉水植物也呈现出一定的净化能力，但明显小于挺水植物，且收割困难，所以不作为主要净化植物应用，然而睡莲、荇菜等浮叶植物观赏性较强，景观效果好，可在湿地公园重点区域作为观赏植物配置。本研究未涉及漂浮植物，南四湖表面虽分布有槐叶萍（Salvinia natans）、浮萍（Lemna minor）等漂浮植物，但因其仅浮于水体表面，根系不扎入土中，位置不稳定、不易打捞等特点，不能作为水体净化植物应用，所以未对其净化能力进行研究；喜旱莲子草虽然有一定的净化能力，且生长状况良好，但属于入侵物种［15］，竞争力强，抑制其他物种生长，因而应该人为控制其蔓延生长。

由氮、磷等营养盐所引起的湖泊湿地富营养化已成为世界性的环境问题。湿地公园在协调湿地保护、污水净化与开发利用之间的矛盾上扮演着重要的作用，越来越被重视。水生植物作为湿地水体的主要元素之一，不仅能提高湿地公园的景观质量，而且其天然净化能力在湿地污水处理中发挥着重要的作用。不同水生植物群丛对氮、磷等污染物质的净化效果不同，水质污染物的分布与水生植物的分布具有一定的联系，本研究通过调查南四湖水生植物多样性，并分析植物群丛与湖水污染物分布的关系，初步证明了自然状态下不同水生植物的净化能力，对湿地公园水生植物的筛选具有重要的意义。

［1］ 唐丽红，马明睿，韩华，等.上海市景观水体水生植物现状及配置评价［J］.生态学杂志，2013，32（3）：563-570.TANG L H，MA M R，HAN H，et al.Present situation and configuration evaluation of aquatic plants in landscape waters in Shanghai［J］.Chinese Journal of Ecology，2013，32（3）：563-570.

［2］ 吴彩芸，夏宜平.杭州园林水景的水生植物调查及其配置应用［J］.中国园林，2008（1）：83-88.WU C Y，XIA Y P.The Status and Landscape Uses of Aquatic Plants in Waterscape of Hangzhou［J］.Chinese Landscape Architecture，2008（1）：83-88.

［3］ 田如男，朱敏，吴彤，等.南京城区水体水生植物调查［J］.东北林业大学学报，2012，40（5）：91-97.TIAN R N，ZHU M，WU T，et al.Investigation of Aquatic Plants in Urban Water Bodies in Nanjing［J］.Journal of Northeast Forestry University，2012，40（5）：91-97.（in Chinese）

［4］ 许军，王召滢，唐山，等.鄱阳湖湿地植物多样性资源调查与分析［J］.西北林学院学报，2013，28（3）：93-97.XU J，WANG Z Y，TANG S，et al.Investigation and Analysis of of the Resources of Wetland Plant Diversity in Poyang Lake［J］.Journal of Northeast Forestry University，2013，28（3）：93-97.（in Chinese）

［5］ 彭映辉，简永兴，王建波，等.湖北省五大湖泊水生植物多样性的比较研究［J］.水生生物学报，2004，28（5）：464-470.

［6］ 魏华，成水平，柴培宏，等.2009年秋季武汉大东湖北湖水系水生植物调查［J］.湖泊科学，2011，23（3）：401-408.WEI H，CHENG S P，CHAI P H，et al.Investigation of aquatic macrophytes in lakes of BeihuWatershed of East Lake area inWuhan，in the autumn of 2009［J］.Journal of Lake Sciences，2011，23（3）：401-408.

［7］ 刘伟龙，胡维平，陈永根，等.西太湖水生植物时空变化［J］.生态学报，2013，27（1）：159-170.LIU W L，HU W P，CHEN Y G，et al.Temporal and spatial variation of aquatic macrophytes in west Taihu Lake［J］.Acta Ecologica Sinica，2013，27（1）：159-170.（in Chinese）

［8］ Abou-Elela S I，Hellal M S.Municipal wastewater treatment using vertical flow constructed wetlands planted with Canna，Phragmites and Cyprus ［J］.Ecological Engineering，2012，47：209-213.

［9］ Iamchaturapatr J，Yi S W，Rhee J S.Nutrient removals by 21 aquatic plants for vertical free surface-flow （VFS）constructed wetland［J］.Ecological Engineering，2007，29（3）：287-293.

［10］ 黄玉洁，张银龙，李海东，等.太湖人工恢复湿地区植物群落建植对沉积物中氮、磷空间分布的影响［J］.水土保持研究，2012，18（5）：161-165.HUANG Y J，ZHANG Y L，LI H D，et al.Influence of plant community in artificial wetland on spatial distribution of N，P in the sediments of Taihu Lake［J］.Research of Soil and Water Conservation，2012，18（5）：161-165.

［11］ 陆胤，许晓路，张德勇，等.京杭大运河 （杭州段）典型断面水生植物多样性调查及其与水环境相关性研究［J］.环境科学，2014，35（5）：1708-1717.LU Y，XU X L，ZHANG D Y，et al.Correlation between aquatic plant diversity and water environment in the typical sites of Hangzhou section of the Beijing-Hangzhou Grand Canal［J］.Environmental Science，2014，35（5）：1708-1717.（in Chinese）

［12］ 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法［M］.4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

［13］ 徐新洲，薛建辉.基于AHP-模糊综合评价的城市湿地公园植物景观美感评价［J］.西北林学院学报，2012，27（2）：213-216.XU X Z，XUE J H.Aesthetic evaluation for plant landscape of wetland park based on AHP［J］.Journal of Northeast Forestry University，2012，27（2）：213-216.（in Chinese）

［14］ 李龙山，倪细炉，李志刚，等.5种湿地植物对生活污水净化效果研究［J］.西北植物学报，2013，33（11）：2292-2300.LI L S，NI X L，LI Z G，et al.Sewage cleaning abilities of five wetland plants［J］.Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica，2013，33（11）：2292-2300.（in Chinese）

［15］ Houlahan J E，Findlay C S.Effect of invasive plant species on temperate wetland plant diversity［J］.Conservation Biology，2004，18（4）：1132-1138.