南四湖區(qū)濕地公園水生植物多樣性及其對(duì)水質(zhì)的影響

祝 琳，祝 鈺，董 麗

（花卉種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家花卉工程技術(shù)研究中心，城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實(shí)驗(yàn)室，北京林業(yè)大學(xué) 園林學(xué)院，北京100083）

濕地公園作為保護(hù)濕地生態(tài)環(huán)境和資源、提供科普教育和休憩空閑的綜合體，越來(lái)越被重視［1］。水生植物作為濕地的重要組成部分，是濕地景觀最具表現(xiàn)力和功能性的元素之一［2］，在整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用［3-7］。不同水生植物對(duì)氮、磷、有機(jī)物［8］等水體污染物的去除能力有很大的差異［9］，篩選適合本地區(qū)生長(zhǎng)且凈化能力較強(qiáng)的水生植物用于濕地公園的植物配置和水體凈化，具有重要的理論和實(shí)際意義。

本研究通過(guò)調(diào)查南四湖區(qū)4個(gè)濕地公園水生植物的物種和群叢多樣性及分布規(guī)律，探究水生植物群叢分布對(duì)水質(zhì)的影響，以期為濕地公園的植物配置及湖水污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

南四湖（34°27′-35°20′N、116°34′-117°21′E）位于山東省西南部華北平原與黃淮平原交接地帶，由南陽(yáng)湖、獨(dú)山湖、昭陽(yáng)湖和微山湖4個(gè)相互連貫的湖泊構(gòu)成。全湖面積1 266km2，南北長(zhǎng)126km，東西寬5～25km，平均水深1.46m，是華北最大的淡水湖泊和重要的水源地。

依托南四湖豐富的自然濕地資源，現(xiàn)建有4個(gè)濕地公園，分別名為微山湖國(guó)家濕地公園（34°43′-34°46′N、117°8′-117°9′E，位于山東省微山縣，以下簡(jiǎn)稱 W）、滕州微山湖濕地公園（35°6′-35°7′N、116°50′-116°51′E，位于山東省滕州市，以下簡(jiǎn)稱T）、北湖濕地公園（35°17′-35°20′N、116°34′-116°36′E，位于山東省濟(jì)寧市，以下簡(jiǎn)稱B）和微山湖湖濱濕地公園（34°49′N、116°58′-116°59′E，位于江蘇省沛縣，以下簡(jiǎn)稱P）。

1.2 研究方法

1.2.1 植物調(diào)查及分析方法 2013年5月至2014年8月，逐季對(duì)4個(gè)濕地公園進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，根據(jù)水生植物分布現(xiàn)狀布設(shè)采樣點(diǎn)，在各公園每一采樣點(diǎn)方圓500m2的范圍內(nèi)隨機(jī)設(shè)置6個(gè)2m×2m的樣方［3，5-6］，然后記錄每一樣方中的植物物種及各種群的多度、蓋度和其他群落特征。物種多樣性指數(shù)選用Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-wiener多樣性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算［3，5］。群叢的命名采用優(yōu)勢(shì)種原則，同一層的優(yōu)勢(shì)種用“+”按其在群落中相對(duì)重要值從大到小的順序連接，不同層間的優(yōu)勢(shì)種用“-”連接［5］。

式中：Pi=Ni／N；Ni為第i種物種的重要值；N 為群落所有種的重要值。

1.2.2 水體采樣及指標(biāo)檢測(cè)方法 于2014年7-8月，水生植物生長(zhǎng)旺盛的階段，根據(jù)各濕地公園面積大小及植物群叢多樣性布設(shè)10～15個(gè)采樣點(diǎn)，樣點(diǎn)的布設(shè)充分考慮水生植物的種類、群叢的分布狀況，使各個(gè)群叢內(nèi)的樣點(diǎn)水質(zhì)基本上能代表該區(qū)域的水質(zhì)狀況［10］，并在公園入口無(wú)植物分布的開(kāi)闊水面布設(shè)空白對(duì)照點(diǎn)（CK），每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)［11］。

采樣過(guò)程控制在同一時(shí)間段內(nèi)，用1L采水器在植物群叢內(nèi)部，靠近植物根系部位采取上、中、下3個(gè)不同水層的水樣，混勻，立即經(jīng)0.45μm微孔濾膜過(guò)濾，總氮水樣加硫酸酸化至pH≤1，總磷和化學(xué)需氧量水樣加硫酸酸化至pH≤2，用密封玻璃容器、4℃低溫保存，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)［12］。

水樣的pH采用PHTEST30測(cè)定儀，電導(dǎo)率（EC）采用HI98303測(cè)定儀在水樣加酸酸化前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；總氮（TN），總磷（TP）和化學(xué)需氧量（CODcr）采用美國(guó)Thermo Scientific公司生產(chǎn)的紫外可見(jiàn)光分光光度計(jì)（BioMate 3S）進(jìn)行測(cè)定；水樣總氮（TN）采用堿性過(guò)流酸鉀氧化—紫外分光光度法；總磷（TP）采用磷鉬藍(lán)分光光度法；化學(xué)需氧量（CODcr）采用快速密閉催化消解法［12］。

2 結(jié)果與分析

2.1 物種多樣性比較

根據(jù)實(shí)地調(diào)查結(jié)果，南四湖區(qū)4個(gè)濕地公園共有水生植物43種，隸屬于26科36屬（表1）。其中挺水植物24種，占55.81%，浮水植物8種，占18.60%，漂浮植物3種，占7.0%，沉水植物8種，占18.60%；W、T、B、P濕地公園各分布有水生植物21種、35種、17種和12種，分別隸屬于14科20屬、22科32屬、13科15屬、11科11屬，以莎草科（Cyperaceae）物種數(shù)量最多，共6種，其次是禾本科（Gramineae）和睡蓮科（Nymphaeaceae），均是4種，其中，蘆葦（Phragmites australis）、長(zhǎng)苞香蒲（Typha angustata）、芡實(shí)（Euryale ferox）和竹葉眼子菜（Potamogeton malaianus）是4個(gè)濕地公園的共有種，水生植物物種多樣性的現(xiàn)狀是T＞W(wǎng)＞B＞P。

表1 南四湖區(qū)濕地公園水生植物分布Table 1 The distribution of aquatic macrophytes of wetland parks in Nansi Lake area

2.2 群落多樣性比較

南四湖區(qū)W、T、B、P 4個(gè)濕地公園各有水生植物群叢類型8、5、5、4個(gè)，主要為挺水植物、浮葉植物和沉水植物群叢（表2）。T雖然植物種類最多，占總數(shù)的81.3%（表1），但旱傘草（Cyperus alternifolius）、紫芋（Colocasia tonoimo）、再力花（Thalia dealbata）、梭魚(yú)草（Pontederia cordata）等植物均是作為其水生植物園中的展示植物，數(shù)量與面積相對(duì)較少，未形成植物群叢，所以群叢類型少于 W。整體群叢多樣性的現(xiàn)狀是W＞T＞B＞P。

同一群叢類型Simpson指數(shù)與Shannon-Wiener指數(shù)的大小相呼應(yīng)，表明二者均適應(yīng)于水生植物群落多樣性的度量。蘆葦群叢和荷花（Nelumbo nucifera）群叢在4個(gè)濕地公園均有分布，兩群叢的物種組成數(shù)目都是以 W最多、P最少，其多樣性指數(shù)，無(wú)論是Simpson指數(shù)還是Shannon-Wiener指數(shù)，也是以W最高、P最低。這是因?yàn)閃人為干擾強(qiáng)度小且面積較大，P干擾強(qiáng)度大且面積較小，多數(shù)水生植物群落由單一物種組成。W、T、B群叢的物種多樣性均表現(xiàn)為睡蓮（Nymphaea tetragona）群叢最高，蘆葦群叢最低，P少有睡蓮分布，但仍以蘆葦群叢物種多樣性最低。這是因?yàn)樗彏楦∪~植物，雖在群叢中作為優(yōu)勢(shì)種但優(yōu)勢(shì)度較低，喜旱蓮子草（Alternanthera Philoxeroides）、芡實(shí)、蘋（Marsilea quadrifolia）等伴生種多，群叢的物種多樣性高，蘆葦群叢多以蘆葦蕩的形式出現(xiàn)，優(yōu)勢(shì)度高，除了人為干擾與香蒲、荷花組成共優(yōu)群叢外，其間少有其他物種生長(zhǎng)。

表2 南四湖區(qū)濕地公園主要水生植物群叢多樣性指數(shù)的比較Table 2 Comparison of diversity indices of main association types in macrophyte communities of wetland parks in Nansi Lake area

2.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)比較

南四湖水體的pH為中性偏堿性，其中B、W、T相近（pH：7.78～8.31），P堿性較高，最高值達(dá)到9.89；電導(dǎo)率可以反映水體的離子濃度，4個(gè)濕地公園中以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，但各樣點(diǎn)電導(dǎo)率變化規(guī)律不明顯；B的CODcr（26.03～41.56mg·L-1）最高，屬于Ⅳ～Ⅴ類水體［13］，其中樣點(diǎn)1（41.56mg·L-1）和樣點(diǎn)5（35.74 mg·L-1）較高，屬于Ⅴ類水體，其余屬于Ⅳ類水體，T的CODcr（9.22～16..98mg·L-1）最低，屬于Ⅰ～Ⅲ類水體，P、W的CODcr在Ⅲ～Ⅴ類之間變化；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類水體之間變化外，其他公園的TP和TN檢測(cè)值均位于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)以下，屬于典型的富營(yíng)養(yǎng)化水體［9-11］（表3、4）。

2.4 植物群叢對(duì)水質(zhì)影響

通過(guò)微山湖國(guó)家濕地公園主要水生植物群叢間水體的pH、電導(dǎo)率、氮、磷及化學(xué)需氧量與CK的對(duì)比，基本能夠反映出該種植物群叢在自然狀態(tài)下對(duì)氮、磷等污染物的去除能力。在本研究的中度富營(yíng)養(yǎng)化水中，各樣點(diǎn)水體的pH、電導(dǎo)率無(wú)明顯規(guī)律，但水面越寬闊，pH值越接近中性；植物群叢內(nèi)部水體的氮、磷及化學(xué)需氧量明顯低于CK，對(duì)TP的去除效果最好，樣點(diǎn)濃度比CK低21.9%～97.40%，TN的去除效果居中，樣點(diǎn)濃度比CK低14.50%～77.30%，CODcr的去除率最低，樣點(diǎn)濃度比CK低3.20%～44.70%（表5）。

不同植物群叢間水體總氮、總磷及化學(xué)需氧量存在顯著性差異（p＜0.05），挺水植物對(duì)湖水的總體去除效果優(yōu)于浮葉植物和沉水植物，其中蘆葦群叢的3種物質(zhì)濃度均處于最低狀態(tài)。蘆葦群叢和長(zhǎng)苞香蒲群叢對(duì)TP、CODcr的去除效果較好，TP比CK低97.40%和95.30%，CODcr比CK低44.70%和35.60%；蘆葦群叢和茭白群叢對(duì)TN的去除效果較好，TN比CK低77.30%和73.40%，睡蓮群叢和菹草（Potamogeton crispus）+金魚(yú)藻（Ceratophyllum demersum）群叢對(duì) TP、CODcr的去除效果較差，TP比CK低28.50%和21.90%，CODcr比CK低4.10%和3.20%，睡蓮群叢和喜旱蓮子草群叢對(duì)TN的去除效果較差，TN比CK低14.50%和16.91%。

表3 南四湖區(qū)濕地公園水質(zhì)狀況的比較Table 3 Comparison of water quality of wetland parks in Nansi Lake area

表4 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值Table 4 Environment quality standard for surface water standard limits basic project （mg·L-1）

表5 微山湖國(guó)家濕地公園水生植物群叢水質(zhì)凈化效果比較Table 5 Comparison of aquatic macrophyte associations for water purification in the national wetland park of Weishan Lake

3 結(jié)論與討論

南四湖通過(guò)濕地公園水生植物的種植有效的改善了水質(zhì)，水體TP、TN和CODcr均有降低，植物多樣性顯著增加，且植物群落趨于穩(wěn)定，形成了南四湖獨(dú)特的濕地景觀［13］。已建成的4個(gè)濕地公園中，滕州微山湖濕地公園（T）植物多樣性最豐富，水質(zhì)凈化效果較好，但由于多數(shù)物種以單株展示的方式栽植于水生植物園內(nèi)，屬于人工栽培，未形成自然群落，且公園人為干擾強(qiáng)度較大，因而植物群叢類型少于微山湖國(guó)家濕地公園（W）；北湖濕地公園（B）因位于南四湖北端而得名，緊鄰京杭大運(yùn)河，靠近市中心，人工干擾性最強(qiáng)，自身凈化能力弱，水質(zhì)污染嚴(yán)重；微山湖湖濱濕地公園（P）屬于南四湖流入江蘇境內(nèi)的水域，面積較小，但以群島的形式建成，盡管水生植物量有限，但各水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)仍在均值上下浮動(dòng)；微山湖國(guó)家濕地公園（W）基本保持自然濕地的原貌，人工干擾性小，分布有大片的蘆葦、長(zhǎng)苞香蒲和荷花，且設(shè)有集中凈化點(diǎn)，水質(zhì)凈化效果因植物分布區(qū)域存在顯著性差異。

植物群叢間水質(zhì)與無(wú)植物區(qū)（CK）的對(duì)比分析表明：濕地水生植物對(duì)水體的CODcr、總氮和總磷均有一定的凈化效果，該研究結(jié)果與以往大量研究結(jié)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謝［8，14］。本研究的8個(gè)水生植物群叢間水體總氮、總磷和CODcr存在顯著性差異且呈現(xiàn)一定規(guī)律，凈化效果表現(xiàn)為挺水植物＞浮葉植物＞沉水植物，這是因?yàn)橥λ参锷锪看?，生長(zhǎng)速度快、有較好的吸收能力，能為微生物提供附著界面的龐大根系；能將光合作用產(chǎn)生的氧氣通過(guò)氣道輸送至根區(qū)，在植物根區(qū)的還原態(tài)介質(zhì)中形成氧化態(tài)的微環(huán)境，提高整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)微生物的數(shù)量。再通過(guò)微生物的降解作用，將污染物轉(zhuǎn)化成能夠被植物吸收的組分，最后儲(chǔ)存在植物體中，通過(guò)收割，被植物吸收的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也隨之離開(kāi)水體，從而達(dá)到凈化的目的。但收割打撈要及時(shí)，防止水體的二次污染［10］。

蘆葦、長(zhǎng)苞香蒲和茭白的凈化優(yōu)勢(shì)明顯；睡蓮、荇菜（Nymphoides peltatum）和沉水植物也呈現(xiàn)出一定的凈化能力，但明顯小于挺水植物，且收割困難，所以不作為主要凈化植物應(yīng)用，然而睡蓮、荇菜等浮葉植物觀賞性較強(qiáng)，景觀效果好，可在濕地公園重點(diǎn)區(qū)域作為觀賞植物配置。本研究未涉及漂浮植物，南四湖表面雖分布有槐葉萍（Salvinia natans）、浮萍（Lemna minor）等漂浮植物，但因其僅浮于水體表面，根系不扎入土中，位置不穩(wěn)定、不易打撈等特點(diǎn)，不能作為水體凈化植物應(yīng)用，所以未對(duì)其凈化能力進(jìn)行研究；喜旱蓮子草雖然有一定的凈化能力，且生長(zhǎng)狀況良好，但屬于入侵物種［15］，競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，抑制其他物種生長(zhǎng)，因而應(yīng)該人為控制其蔓延生長(zhǎng)。

由氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽所引起的湖泊濕地富營(yíng)養(yǎng)化已成為世界性的環(huán)境問(wèn)題。濕地公園在協(xié)調(diào)濕地保護(hù)、污水凈化與開(kāi)發(fā)利用之間的矛盾上扮演著重要的作用，越來(lái)越被重視。水生植物作為濕地水體的主要元素之一，不僅能提高濕地公園的景觀質(zhì)量，而且其天然凈化能力在濕地污水處理中發(fā)揮著重要的作用。不同水生植物群叢對(duì)氮、磷等污染物質(zhì)的凈化效果不同，水質(zhì)污染物的分布與水生植物的分布具有一定的聯(lián)系，本研究通過(guò)調(diào)查南四湖水生植物多樣性，并分析植物群叢與湖水污染物分布的關(guān)系，初步證明了自然狀態(tài)下不同水生植物的凈化能力，對(duì)濕地公園水生植物的篩選具有重要的意義。

［1］ 唐麗紅，馬明睿，韓華，等.上海市景觀水體水生植物現(xiàn)狀及配置評(píng)價(jià)［J］.生態(tài)學(xué)雜志，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］ 吳彩蕓，夏宜平.杭州園林水景的水生植物調(diào)查及其配置應(yīng)用［J］.中國(guó)園林，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，吳彤，等.南京城區(qū)水體水生植物調(diào)查［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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］ 許軍，王召瀅，唐山，等.鄱陽(yáng)湖濕地植物多樣性資源調(diào)查與分析［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，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］ 彭映輝，簡(jiǎn)永興，王建波，等.湖北省五大湖泊水生植物多樣性的比較研究［J］.水生生物學(xué)報(bào)，2004，28（5）：464-470.

［6］ 魏華，成水平，柴培宏，等.2009年秋季武漢大東湖北湖水系水生植物調(diào)查［J］.湖泊科學(xué)，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］ 劉偉龍，胡維平，陳永根，等.西太湖水生植物時(shí)空變化［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，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］ 黃玉潔，張銀龍，李海東，等.太湖人工恢復(fù)濕地區(qū)植物群落建植對(duì)沉積物中氮、磷空間分布的影響［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］ 陸胤，許曉路，張德勇，等.京杭大運(yùn)河 （杭州段）典型斷面水生植物多樣性調(diào)查及其與水環(huán)境相關(guān)性研究［J］.環(huán)境科學(xué)，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］ 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［M］.4版.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［13］ 徐新洲，薛建輝.基于AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)的城市濕地公園植物景觀美感評(píng)價(jià)［J］.西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，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］ 李龍山，倪細(xì)爐，李志剛，等.5種濕地植物對(duì)生活污水凈化效果研究［J］.西北植物學(xué)報(bào)，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，F(xiàn)indlay C S.Effect of invasive plant species on temperate wetland plant diversity［J］.Conservation Biology，2004，18（4）：1132-1138.