五源河水生植物多样性与水环境因子关系研究

薛雁文 雷湘龄 薛 杨 王小燕

（海南省林业科学研究院，海南海口 571199）

水生植物依托于水环境生长，对于水分的依赖性极强[1]。同时，作为初级生产者，水生植物是河流生态系统的重要组成成分[2]，为其他水生生物提供食物和栖息环境，在物质循环、能量流动等方面起着不可或缺的作用[3]。

水生植物与水环境因子之间是相互作用、相互影响的，水环境的变化可能会引起水生植物生物多样性的变化[4-5]。王东波等[6]分析了呼伦湖藻类群落结构与水环境因子的关系，结果表明，在冰封期浮游藻类的群落结构特征与水环境因子存在明显的相关关系：硅藻门类物种丰富度受到氨氮的影响较为明显，而蓝藻门物种受到总磷的影响明显。徐 明等[7]对大纵湖的研究发现，水温、透明度、浊度和总氮是影响浮游植物群落的主要水质指标。夏莹霏等[8]的分析表明，总氮和BOD5是影响江苏省优势水生植物生长分布的最主要环境因子，且总氮对水生植物的分布有直接关系。齐代华[9]对九寨沟水生植物与环境因子的关系研究表明，其物种多样性与总氮成正相关、与pH值成负相关，而与总磷关系并不显著，且总氮是影响物种多样性的主要因子。

湿地具有强大的生态功能，是珍贵的自然资源，被称为“地球之肾”，水生植物在维持湿地生态结构和功能方面发挥着重要的作用[2]。五源河国家湿地公园是海口市最重要的流域之一，本文以五源河为研究对象，调查了五源河水生植物群落状况和水环境因子，使用冗余分析方法（redundancy analysis，RDA）分析水生植物的均匀度指数、丰富度指数和生物多样性指数与水环境因子之间的关系，以期为五源河湿地公园的保护、水资源的合理利用提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

五源河国家湿地公园地处海南省海口市的西北部，位于东经 110°11'51″～110°16'02″、北纬 19°57'06″～20°04'59″之间。 公园总面积为 1 300.58 hm2，其中湿地面积为958.39 hm2，所占比例为73.69%。公园南起永庄水库，北至五源河河口海域，主要包括永庄水库、五源河及五源河河口海域等3个湿地单元。五源河发源于羊山湿地，干流河长27.29 km。河段上游周边多为农田、零散乡村居民及工厂，中游周边为农田、散居民居及工厂，下游周边为居住区和公共服务区。

1.2 植物调查方法

在湿地公园内沿五源河流域设置15个大小为1 m×1 m 的样方，其中上游样方有 S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7， 中游样方有 S8、S9、S10、S11， 下游样方有S12、S13、S14、S15（表1）。 调查并记录每个样方内植物的种类、株数、高度、盖度，计算出各种类植物的重要值和物种多样性指数。

表1 上、中、下游设定水质监测取样点概况

1.3 水质监测指标及方法

主要监测的水质指标包括水温、pH值、盐度、化学需氧量（COD）、溶解氧量（DO）、氨氮（NH3-H）、总氮（TN）、总磷（TP）、叶绿素 a 等 9 个项目。 其中，水温、pH值、盐度和DO分别采用温度计法、玻璃电极法、盐度计法和电化学探头法现场测定。其余指标均在实验室测定：使用重铬酸钾标准法检测COD、水杨酸分光光度法测定NH3-H、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法检测TN；分别采用钼酸铵分光光度法和单色分光光度法测定TP和叶绿素a。

1.4 统计内容及方法

每个样方分别统计植物所属的科、属及数量，以此计算相对频度、相对盖度、相对密度、物种重要值、Margalef丰富度指数（R）、Shannon-Wiener多样性指数（H）、Pielou 均匀度指数（J）、Simpson 指数（D），计算公式如下[5]：

其中：S为样方内所有的物种数，N为所有物种的个体总数，Pi是第i种的个体数ni占总个体数N的比例。

使用Canoco 5.0中的RDA方法分析植物多样性因子，包括Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数、Simpson指数与水环境因子间的关系。

2 结果与分析

2.1 五源河水质单因子动态变化分析

调查结果表明：水温变化与气温变化同步；河段pH值范围在7.20～8.97，由于受到近海口水文交换的影响，上游、下游的pH值波动较大；盐度在流域空间上差异显著，盐度平均值下游段为0.22‰、中游为0.08‰、上游永庄水库为0.06‰；COD范围在1.79～74.00 mg/L，上游永庄水库平均值为3.4 mg/L，显著低于中游的31.0 mg/L和下游的30.5 mg/L；DO范围在4.27～7.70 mg/L，上游永庄水库平均值为6.67 mg/L，显著高于中游的5.41 mg/L和下游的5.59 mg/L；总磷范围在0.02～0.42 mg/L，上游永庄水库平均值为0.06 mg/L，显著低于中游的0.20 mg/L和下游的0.27 mg/L；氨氮范围在 0.05～0.92 mg/L，上游永庄水库平均值为0.13 mg/L，显著低于中游的1.35 mg/L和下游的1.38 mg/L；总氮范围在 0.41～4.58 mg/L，上游永庄水库平均值为0.65 mg/L，显著低于中游的1.45 mg/L和下游的1.28 mg/L；叶绿素a变化范围较大，在2.35～20.50 μg/L之间，河流上游平均值为7.04 μg/L， 显著低于中游的 10.67 μg/L 和下游的9.61 μg/L。

五源河上、中、下游之间化学需氧量以及氨氮含量差异显著，主要水质污染物为化学需氧量、氨氮和总氮。上游污染源以农业面源污染为主，中游以生活污水、养殖污水为主要污染源，下游为混合污染源。

2.2 五源河水生植物种类

根据此次调查，研究区内有22科41属共45种水生植物，详见表2。其中，野生稻（Oryza rufipogon）作为稻种资源的重要组成部分，是水稻杂交育种工作中的关键材料；绒毛草（Holcus lanatus）可作为河湖、湿地的景观禾草；水烛（Typha angustifolia）的叶片可用作编织材料，茎叶纤维可用来造纸；金钮扣（Spilanthes paniculata）、蔊菜 （Rorippa indica）、野芋（Colocasia antiquorum）、毛蓼（Polygonum barbatum）等可入药； 狗牙根（Cynodon dactylon）、水龙（Ludwigia adscendens）等还可用作饲料。

表2 五源河水生植物调查结果

本次调查沿五源河设置15个样方，S1号样方中有水生植物4种，马蹄（Heleocharis dulcis）的重要值最大，为17.9%；S2号样方中有水生植物7种，大薸（Pistia stratiotes）的重要值最大，为 15%；S3号样方有水生植物11种，重要值最大的是田字苹（Marsilea quadrifolia）， 为 20.4%；S4号样方有水生植物 4 种，膜稃草（Hymenachne amplexicaulis）和竹节草（Chrysopogon aciculatus）的重要值最大，均为12.5%；S5号样方有水生植物3种，膜稃草在该样方的重要值最大，为17%；S6号样方有水生植物6种，绒毛草的重要值最大，为18.1%；S7号样方有水生植物4种，薇甘菊（Mikania micrantha）的重要值最大，为21.4%；S8号样方有水生植物7种，绒毛草的重要值最大，为12.3%；S9号和S10号样方有水生植物2种，重要值最高的均是草龙（Ludwigia hyssopifolia），分别为22.6%和20.8%；S11号和S12号样方均有水生植物3种，重要值最大的分别为毛蕨（Cyclosorus interruptus）和铺地黍（Panicum repens），为 19.7%和22.5%；S13号样方有水生植物7种，重要值最大的是粟米草（Mollugo stricta），为 22.9%；S14 号样方有水生植物6种，其中象草（Pennisetum purpureum）的重要值最大，为22.6%；S15号样方有水生植物4种，野芋的重要值最大，为20.5%。

在研究区内调查的所有水生植物中，重要值在20%以上的有田字苹、薇甘菊、草龙、铺地黍、粟米草、象草和野芋，其数值差距并不明显，均为该地分布的优势种。

2.3 五源河水生植物多样性

在15个样方中，物种丰富度由高到低为依次为S3>S2=S7=S8=S13>S6=S14>S1=S4=S7=S15>S5=S11=S12>S9=S10，S3号样方内的水生植物种类最多，为11种；Margalef物种丰富度指数依次为：S3>S2=S8=S13>S6=S14>S1=S4=S7=S15>S5=S11=S12>S9=S10，S3号样方的植物种类最多；Shannon-Wiener指数从大到小依次为S6>S2>S15>S14>S8>S7>S3=S11>S4>S5>S9>S1>S12>S13>S10，S6号样方中植物群落所包含的植物信息量最大，群落复杂程度较其他区域高；Simpons指数的排序为S6>S15>S14>S7>S11>S2>S9>S3>S12>S5>S1=S4=S8>S13>S10，S10号样方中的草龙优势度最明显；Pielou均匀度指数的次序为S9>S6>S11>S15>S7>S5>S2>S4>S12>S14>S8>S1>S10>S3>S13，S9号样方的植物群落分布最均匀（表3）。

表3 五源河物种多样性指数

2.4 五源河水环境因子与水生植物多样性的关系

五源河水生植物多样性与水环境因子的RDA排序分析结果见表4。可以看出，4个排序轴对物种和环境因子关系的累计方差为100%，其中轴1和轴2解释物种与环境因子之间累计方差为81.01%，因而水生植物多样性与水环境因子之间的关系基本可以用排序结果解释。

表4 水生植物多样性与水环境因子的相关系

Pielou均匀度指数（J）与pH值、盐度、氨氮成显著正相关，与温度、叶绿素a成显著负相关；Shannon-Wiener多样性指数（H）与氨氮、总磷、COD成显著正相关，与DO、温度成显著负相关；Simpson指数（D）与总氮、总磷、COD、氨氮成显著正相关，与盐度、DO、温度、叶绿素a成显著负相关；Margalef丰富度指数（R）与叶绿素a、温度成显著正相关，与pH值、盐度成显著负相关。图1箭头的长度表示该水环境因子对水生植物多样性影响所占的比重。因此，pH值、总氮对水生植物多样性的影响最大，其次是COD、DO、温度，其余的叶绿素a、盐度、总磷、氨氮对生物多样性的影响程度基本一致。

3 讨论

3.1 五源河水生植物的群落组成变化

Margalef指数反映群落里的物种丰富度，其值越大，说明物种丰富度越高，物种数目越多[10]。在此次五源河设置的15个样方中，S3号样方所代表的区域物种丰富度高；相反，以S9、S10号样方所代表的区域物种丰富度较低。Shannon-Wiener指数可用来描述物种个体出现的不确定性，不确定性越大，物种分配越平均[10]。研究区内以S6号样方为代表的区域其水生植物群落的不确定性较高，物种个体分配均匀，物种多样性较其他区域高。Simpson指数即优势度指数，表示一个物种种类出现概率的大小[11]。五源河流域S6号样方Simpson指数最高，代表区域内水生植物群落物种分布的均匀程度最高，而Simpson指数最低的S10号样方区域内的优势种分布明显，草龙为该区域的优势种。Pielou指数用来表示群落中物种空间分布的均匀程度，指数值越大，植物的分布越均匀[12]。研究区的Pielou指数表明，以S9号样方为代表的区域其各物种在植物群落中的在空间分布均匀程度最高，S13号样方区域最低。根据彭映辉等[13]的研究，群落多样性的丰富程度随着干扰程度的增加而减弱，据此分析S10、S13号区域受到的干扰强度高于其他区域。

3.2 五源河水生植物多样性与水环境因子的关系

水体是水生植物的主要营养来源，水质的变化会对水生植物的生物多样性造成影响，而不同的水环境因子带来的影响程度不同[14-15]。本研究连续监测了五源河总氮、总磷、温度、DO、COD、盐度、氨氮、pH值、叶绿素a在水体中浓度的变化，使用RDA排序分析各因子对水生植物生物多样性的影响。结果表明，Pielou均匀度指数受pH值的影响最明显，总磷对Shannon-Wiener多样性指数的影响显著，COD和总氮分别对Simpson指数和Margalef丰富度指数的影响最显著。其中，总氮和pH值是水生植物多样性主要的影响因子，与徐 明等[7]对大纵湖、夏莹霏等[8]对江苏省、齐代华[9]对九寨沟水环境因子与水生植物多样性的研究结果相似，总氮是影响水生植物多样性的主要因子，叶绿素a和盐度的影响相对较小。

4 结论

（1）五源河的主要水质污染物为COD、氨氮和总氮，河流上游、中游、下游之间的COD以及氨氮含量差异显著，上游以农业面源污染为主，中游以生活污水、养殖污水为主要污染源，下游为混合污染源。

（2）研究区内有22科41属共45种水生植物，其中田字苹、薇甘菊、草龙、铺地黍、粟米草、象草和野芋为区域内的优势种。

（3）从生物多样性指标分析，以上游S3号样方为代表的区域，植物种类最多；以S6号样方为代表的区域，群落复杂程度最高；以中游S10号样方为代表的区域，草龙是该区域的优势种；以S9号样方为代表的区域，植物群落分布最均匀。

（4）RDA的排序分析表明，轴1和轴2解释物种与环境因子之间累计方差为81.01%，在五源河区域内pH值、总氮是水生植物多样性的主要影响因子，而叶绿素a和盐度的影响程度最小。