南亚热带景观湖泊水、湿生植物筛选研究(Ⅰ)——水、湿生植物丰富度与多样性

李运国

(铁汉山艺环境建设有限公司,广东 深圳 518003)

景观湖泊是指以景观生态学观点、方法进行各项研究的湖泊生态系统[1],景观湖泊水湿生植物是指在水分过剩环境(湖泊、沼泽地或水岸湿地等)中能够正常生长、种类资源丰富、生态功能多样、景观效果突出,以及园林应用前景良好的植物[2-3]。

生态系统的相对稳定是人类赖以生存与发展的必要条件。维护与保持生态平衡,促进生态系统的良性循环和健康发展,是关系到人类前途和命运的重大课题。然而,20世纪以来,特别是近30年来,随着科学技术进步和社会生产力的提高,人类正以前所未有的规模和强度影响着赖以生存的环境,使全球生态系统的稳定受到严重威胁[4-5]。

河流、湖泊、溪流或水塘是一个非常重要的典型生态交错区,也是易受人类干扰的生态脆弱区。20世纪70年代以来,人类往往忽视这一生态交错区及其植被存在的必要性和重要性,更没有把它作为生态系统来对待,致使其由于人类活动的强烈干扰而严重退化。当前,恢复和重建受损河流、水库、湖泊、池塘、海岸及湿地生态系统已引起环境保护、水利及交通等部门的高度重视,同时也对生态学理论的实践和发展提出了新的挑战[6]。大量文献资料表明,水、湿生植物具有水体产氧、氮循环、吸附沉积物、抑制浮游藻类繁殖、减轻水体富营养化、富集和转移重金属、提高水体自净能力的重要功能,同时还能为水生动物、微生物提供栖息地和食物源,维持生态交错区域的物种多样性[7-8]。因此，利用水、湿生植物在滨水湿地中的重要功能,实现生态交错区域生态系统的良性循环是目前环境领域的研究热点。

我国华南地区拥有众多江河、湖泊和湿地,同时孕育着丰富多样的水、湿生植物。本研究通过对广东省境内景观湖泊及水岸湿地实地调查,研究水、湿生植物的物种多样性和丰富度,期望对受损和退化的景观湖泊及其水岸湿地的生态修复、现代城市生态环境和景观的优化提供理论和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 调查时间

于2019年夏秋季水湿生植物生长旺盛期和接近成熟期进行实地调查，此时大部分植物种类均处于生物量最高的时期，便于进行生物多样性观测。

1.2 样地和样方设置

在广东省境内选择5个具代表性的景观湖泊作为调查样地并编号：Ⅰ-广州花都湖，Ⅱ-广东开平孔雀湖，Ⅲ-广东银瓶湖，Ⅳ-罗定金银湖，Ⅴ-河源万绿湖。在每个样地内视植物分布状况设置调查样线，沿调查样线随机设置10个调查样方，大型挺水植物样方面积为1 m×1 m或2 m×2 m，中小型挺水植物样方面积为0.5 m×0.5 m。浮叶植物和沉水植物多呈点状或斑块状分布，调查时依据其分布情况设置调查样线，乘船沿样线选择浮叶植物和沉水植物聚集生长的点位各设置 10个调查样方，样方面积为0.5 m×0.5 m或1.0 m×1.0 m[9-12]。

1.3 调查内容

首先观测登记样地现状，包括湖泊水岸湿地的开发利用、生态修复、原生植被保留和干扰类型等情况。然后逐样方观测、记录物种名和物种的株数。对现场不能确定种类名称的物种采集标本，其中浮叶植物和沉水植物用耙子或拖钩采集，将标本带回实验室鉴定。

1.4 采用的生物多样性指数及数据处理方法[13-16]

采用调查统计单位面积株数作为计算指标，计算的数学模型如下：

(1) Margalef物种丰富度指数 (R)

R=(S-1)/ lnN

式中：S为群落中的总种数,N为观察到的个体总数。

(2) Simpson指数(D)

D=1-∑Pi2

式中：Pi种的P个体数占群落中总个体数的比例。

(3) Shannon-wiener物种多样性指数(H)

H=-∑PilnPi

式中：Pi=Ni/N。

(4) Pielou均匀度指数(J )

J=H/Hmax

式中：H为实际观察的物种多样性指数,Hmax为最大的物种多样性指数,

Hmax=LnS(S为群落中的总物种数)。

采用Excel 2013 软件统计数据和计算物种多样性指数。

2 结果与分析

2.1 广东省景观湖泊水湿生植物的种类组成

经调查统计,在广东省景观湖泊水岸湿地中共查得水湿生植物22科38属47种(表1)。其中：水鳖科含4属6种,禾本科4属4种,睡莲科4属4种,天南星科含3属5种,雨久花科3属3种,莎草科2属3种,泽泻科2属2种,龙胆科2属2种,眼子菜科1属3种,鸢尾科1属2种,香蒲科1属2种,其余各科均为单属单种。前5个科的属、种数分别占总属、种数的47.37%和46.81%,单属单种科的属、种数占总属、种数的28.95% 和23.40%,表明前5个科是该区域的优势或亚优势科,单属的科和单种的属所占比例较大(表1)。

表1 各样地水、湿生植物群落种类组成

2.2 不同景观湖泊水岸湿地水湿生植物种类组成及主要特点

比较5个景观湖泊水岸湿地水湿生植物群落种类组成可以看出各群落的种类组成有一系列特点(图1)：1)群落Ⅰ的科、属、种数最多,分别占总科、属、种数的86.36%、89.47% 和82.98%,群落Ⅴ的科、属、种数分别占总科、属、种数的40.91%、39.47% 和31.91%，仅为群落Ⅰ的1/2左右；2)群落Ⅰ-Ⅴ的种数分别占总种数的82.98%、72.34%、53.19%、48.94% 和31.91%,种数呈递减趋势；3) 5个群落的共有种为13种,占总种数的27.66%,其中，共有种在各群落中所占比例依次为33.33%、38.24%、52.00%、56.52% 和86.67%,即共有种呈递增趋势。这些特点表明群落Ⅰ(广州花都湖)的种类组成及其结构与调查区域的总体情况比较相似，可作为华南景观湖泊水岸湿地水、湿生植物群落的代表，群落Ⅱ(广东开平孔雀湖)、群落Ⅲ(广东银瓶湖)、群落Ⅳ(罗定金银湖)、群落Ⅴ(河源万绿湖)都具有相对的独立性，其代表性越来越弱。

图1 各水、湿生植物群落种类组成

2.3 生活型

在本次调查所采集到的水、湿生植物中包含3 个生活型,分别是挺水植物、浮叶植物和沉水植物。其中,挺水植物包括芦苇、水葱、水烛和香蒲等26种,占总种数的55.31%，是湖岸带挺水植物群落的优势种、亚优势种或常见种,也是构成湖岸带水、湿生植被景观的基础；浮叶植物12 种，占总种数25.53%，包括荷花、萍蓬草、荇菜、水鳖和芡实等；沉水植物包括菹草、狐尾藻、苦草和金鱼藻等9种，占总种数的19.15%(表1，图2)。

图2 不同生活型的水、湿生植物组成

2.4 生物多样性

多样性指数是反映丰富度和均匀度的综合指标。根据调查数据计算结果，多样性的各项指数如表2。

不同样地之间,丰富度指数、辛普森指数和物种多样性指数3项指标的变化趋势相似,自大至小的排序为：Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅳ>Ⅴ,均匀度指数则是Ⅰ<Ⅱ<Ⅲ<Ⅳ<Ⅴ(表2)。

表2 不同水、湿生植物群落物种多样性指数

根据生物多样性原理,丰富度指数主要反映群落中的物种数,其数值越高表明该群落中所含植物种类越多[17-18]。5个样地丰富度指数呈递减趋势,且样地Ⅰ的丰富度指数最大(7.161 3),样地5的丰富度指数最小(3.585 7),二者相差49.93%,这与前述各样地种类组成及其变化趋势完全一致。

辛普森指数反映种群数量的变化情况,其数值越大,说明群落内物种数量分布越不均匀,优势种的地位越突出。从各样地植物的个体数量分布来看：样地Ⅰ不但种类组成最丰富,而且种间个体数量在0.4～15.5株(丛)/m2,相差15.1株(丛)/m2,并有7个种的个体数量高于10株/m2,其中芦苇、蒲苇个体数量最多,为优势种；样地Ⅱ除苦草、芦竹和芦苇3 种的个体数均为11.2/m2外,其余种的数量较少,且相差不大；样地Ⅲ-Ⅴ各个种的个体数差别很小,虽然各自都有数量相对较多的植物,但优势种不明显。表明辛普森指数客观地反映了各样地种的分布和优势度的变化趋势。

香农-威纳指数是基于种类数目及其个体分配的均匀性来反映群落种类多样性的,种类数目多,且个体分配的均匀性增加都可提高物种的多样性。然而本研究发现在5个样地中,物种丰富度指数与均匀度指数变化趋势相反,且前者变化幅度高于后者的变化幅度,即丰富度对多样性指数的影响大于均匀度对多样性指数的影响,故5个样地群落多样性指数变化的总趋势与丰富度指数的变化趋势相似。

3 讨论

本次调查到的水生植物种类略少于目前市场流通和实际应用种类,这主要是因为调查时间选择在水生植物生长旺盛期,而一些本地早春植物此时已经凋零枯萎,因而未能查见。同时一些沉水植物在分布上呈现出极为明显的点状或者斑块状分布格局。在一些沉水植物分布的水域,往往只有1 个物种占据绝对优势,其他物种非常少甚至是无。

尽管在广东湖泊水岸湿地中查得草本植物多达22个科47个种,但没有木本植物,因而群落显得较为单一。尤其到丰水季节,除芦苇和香蒲等少数高大植物以外,会有部分植物被淹死,使植被盖度锐减,造成群落的层次结构较差,资源的利用效率低,湿地高生产力的特点难以发挥,也不利于环境异质性的提高,难以为更多的物种提供栖息空间,最终将影响群落的物种多样性和系统的稳定性。据此，在湿地植被修复过程中,遵循群落的演替规律,通过科学安排,适量增种一些土著高杆挺水植物和耐水的木本植物,以期改变群落的单一结构,培育出一个物种丰富、功能完善,系统稳定的湿地生态系统[19-20]。

本研究发现人为干扰和自然干扰对湖泊水生植物多样性有不同程度的影响,其中人为影响包括：在湖泊景观改造、水生植物群落修复与重建过程中对原生植被的保护和利用存在一定的不合理性；同时由于耙草、绞草、除草、过度养殖、过度施肥、废水污染等生产与生活活动,严重阻碍着水生植物的繁衍,使得水生植物分布斑块化、种类分布不均匀、生物量显著下降、有的种类趋于灭绝[21-22]。凡此都不同程度地影响着水、湿生植物物种的丰富度和生物多样性。

已有研究报导水、湿生植物群落物种丰富度、均匀度等多样性指标与环境因子间密切相关,如：水体和基质的 pH值与物种多样性各指数基本呈负相关；物种均匀度指数与水温呈现显著的负相关,而物种丰富度指数则与水温呈现较强的正相关,物种多样性指数与水温的关系则不明显；总氮含量与群落物种多样性指数间主要呈正相关。另外,水质环、水体总磷含量、溶解氧以及重金属含量等对物种多样性各指数都有不同程度相关性[23-26]。

4 结论

(1)广东省5个湖泊水岸湿地共查得22科38属47种水、湿生植物，其中，水鳖科、禾本科是优势科，睡莲科、天南星科和雨久花科是常见科，单属的科和单种的属所占比例较大。

(2)5个湖泊水岸水、湿生植物群落的科、属、种数排序为：Ⅰ(广州花都湖)>Ⅱ(广东开平孔雀湖)>Ⅲ(广东银瓶湖)>Ⅳ(罗定金银湖)>Ⅴ(河源万绿湖)，表明各群落具相对独立性，其中群落Ⅰ的种类和数量组成与调查区域的总体比较相似，具有一定的代表性。

(3)调查所得水、湿生植物包括挺水、浮叶和沉水3个生活型，挺水植物占总种数的55.32%，是优势类群，其中芦苇、水葱、水烛和香蒲为优势种或亚优势种。

(4)湖泊水岸湿地开发利用程度好、生态修复措施得当、原生植被保存较好的湖泊水岸湿地水、湿生植物丰富度和物种多样性指数较高，但因人为改造影响，致使植物分布不均匀，均匀度指数较低。