沉水植物種植工程實(shí)施后物種多樣性的變化
——以武漢紫陽(yáng)湖為例

胡勝華，史詩(shī)樂(lè)，梅劭明，熊鵬輝，劉祖勇，李志成

(武漢中科水生環(huán)境工程股份有限公司 湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

1 引言

富營(yíng)養(yǎng)化是我國(guó)淡水湖泊目前面臨的主要環(huán)境問(wèn)題，其形勢(shì)嚴(yán)峻，嚴(yán)重影響區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊，近些年來(lái)實(shí)施了治理。其中，恢復(fù)沉水植物被認(rèn)可為一種常用的水生態(tài)修復(fù)方式，沉水植物群落在湖泊中的恢復(fù)既改善了湖泊水質(zhì)、提高水體透明度、提高水體溶解氧、克藻效應(yīng)等，也可以改善湖泊生態(tài)環(huán)境，為其它水生物創(chuàng)造基本條件，提升湖泊自?xún)裟芰1～5]。但沉水植物群落的恢復(fù)具有一定的難度，主要是受到外源與內(nèi)源污染控制、底泥、魚(yú)類(lèi)生物多樣性結(jié)構(gòu)等影響，所以導(dǎo)致很多湖泊沉水植物恢復(fù)情況不理想，突出表現(xiàn)為沉水植物建群不成功及種群迅速衰退、魚(yú)類(lèi)牧食大面積滅絕、藻類(lèi)與大型藻類(lèi)異常增殖、沉水植物的生境喪失等。

實(shí)施水生態(tài)修復(fù)與沉水植物種植工程是一種沉水植物生物多樣性恢復(fù)與不斷增加的動(dòng)態(tài)過(guò)程。它實(shí)際是生物及其所在生態(tài)復(fù)合體的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)與功能方面的豐富度與相互間的差異性[6,7]。而沉水植物種植工程改善與塑造了棲息地與景觀(guān)多樣性，為物種多樣性提供了必要生境。因限于生態(tài)系統(tǒng)、物種與基因的多樣性與復(fù)雜性，目前尚不能對(duì)生物多樣性的變化做出準(zhǔn)確估價(jià)[8,9]。所以，有關(guān)沉水植物與水生態(tài)修復(fù)研究多局限在工程實(shí)施階段，即建立沉水植物生物多樣性的階段，國(guó)內(nèi)已有較多報(bào)道[10～14]。而對(duì)工程完成后階段沉水植物恢復(fù)情況實(shí)施“回頭看”式的研究未見(jiàn)報(bào)道，本文用植物種多樣性指數(shù)與植物種侵入、滅絕動(dòng)態(tài)分析的生物學(xué)調(diào)查方法與手段，對(duì)武漢紫陽(yáng)湖沉水植物種植工程中物種多樣性變化特征(2017—2018年)進(jìn)行初步探討，旨在揭示種植工程對(duì)沉水植物生物多樣性的塑造特點(diǎn)。

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

紫陽(yáng)湖(E113°17′54′～113°18′03″，N30°31′48′～30°32′08″)，岸線(xiàn)長(zhǎng)3.5 km，湖泊面積14.3 hm2(約215畝)，湖泊容積12.37萬(wàn)m3，匯水面積306 hm2。湖泊常水位19.33 m(黃海高程，下同)，最高水位19.65 m，湖泊最深處1.9 m，平均水深1.6 m。紫陽(yáng)湖水源補(bǔ)給主要依靠雨水，湖東部有溢流口。1952年建成為紫陽(yáng)湖公園，是武昌首義文化的風(fēng)景名勝之一(圖1)。

圖1 紫陽(yáng)湖分布區(qū)域概況

《武漢市中心城區(qū)湖泊保護(hù)規(guī)劃(2004-2020年)》將紫陽(yáng)湖定為一級(jí)湖泊，水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為IV類(lèi)，具調(diào)蓄和景觀(guān)娛樂(lè)功能。

2017年前，紫陽(yáng)湖總體水質(zhì)為V類(lèi)。2017年，在完成紫陽(yáng)湖控源截污工程后，開(kāi)始實(shí)施沉水植物種植工程。種植方法是降低水位(排水)、清除有害魚(yú)類(lèi)、人工種植(插植法)，完成種植工作以后逐漸恢復(fù)水位至常水位，視種植情況適當(dāng)補(bǔ)栽，補(bǔ)水用自來(lái)水。

沉水植物種植品種主要有：苦草(Vallisnerianatans(Lour.)Hara)、菹草(PotamogetoncrispusLinn.)、金魚(yú)藻(CeratophyllumdemersumLinn.)、穗花狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.)、大茨藻(NajasmarinaLinn.var.marina)、小茨藻(NajasminorAll.)、微齒眼子菜(PotamogetonmaackianusA.Benn.)、黑藻(Hydrillaverticillata(L.f.)Roylevar.verticillata)、蓖齒眼子菜(PotamogetonpectinatusLinn.)、扭葉眼子菜(PotamogetonintortifoliusJ.D.He)。

2.2 研究方法

物種多樣性常用Shannon-Wiener指數(shù)與Simpson指數(shù)[16]:

H= -∑(ni/N)×ln(ni/N)

(1)

式(1)中：H為Shannon-wiener指數(shù)，ni為第i個(gè)種的個(gè)體數(shù)目，N為群落中所有個(gè)體數(shù)總和。

D=1-∑(ni/N)2

(2)

研究區(qū)域分為：種植區(qū)(沉水植物主要恢復(fù)水域)、種植區(qū)無(wú)沉水植物水域(往來(lái)游船較多，沉水植物生長(zhǎng)受到干擾)、對(duì)比水域(非種植區(qū))。

根據(jù)上述劃分標(biāo)準(zhǔn)分別在各個(gè)類(lèi)型中采用樣方法測(cè)定其植物種組成、蓋度(cover)與生物量(biomass)等。樣方(quadrat)面積為1 m×1 m(木質(zhì)四方框)，共調(diào)查了30個(gè)樣方，其中種植區(qū)(沉水植物主要恢復(fù)水域)(10個(gè))、種植區(qū)無(wú)沉水植物水域(10個(gè))、對(duì)比水域(非種植區(qū))(10個(gè))。所有調(diào)查中出現(xiàn)的植物按其生活型與出現(xiàn)頻率分為2大類(lèi)進(jìn)行物種多樣性分析，其中生活型根據(jù)沉水植物生物學(xué)特性分別劃分為1年生(A,Annual submerged macrophyte)、多年生(B,Perennial submerged macrophyte)。按照沉水植物在其恢復(fù)過(guò)程中出現(xiàn)的頻率劃分為：特有種(specified spices)，即只在1種生境中出現(xiàn)；稀有種(rare spices)，即在2種生境中出現(xiàn)；共有種(mutual spices)，即在所有生境中出現(xiàn)。

調(diào)查顯示：在種植區(qū)(沉水植物主要恢復(fù)水域)，以苦草為多，也有菹草與金魚(yú)藻等，還生長(zhǎng)有其他生活型水生植物，且種類(lèi)較多。種植區(qū)有沉水植物區(qū)域?qū)挾茸院断蚝?nèi)延伸約50 m；而對(duì)比水域(非種植區(qū))沉水植物寬度從湖岸向湖內(nèi)延伸僅0.1～5 m內(nèi)；種植區(qū)無(wú)沉水植物水域?qū)挾纫话阍诩s20～30 m左右甚至更窄，對(duì)比水域(非種植區(qū))寬度最大，這一區(qū)域基本無(wú)沉水植物群落，物種數(shù)也少。

種植區(qū)有沉水植物水域種相對(duì)豐富，主要是由菹草、穗花狐尾藻、大茨藻、小茨藻組成的一年生多種沉水植物；再向湖岸延伸多年生沉水植物物種逐漸出現(xiàn)并增多，如：苦草、金魚(yú)藻、微齒眼子菜、黑藻、蓖齒眼子菜、扭葉眼子菜，也有少量的菹草、穗花狐尾藻、大茨藻、小茨藻。

3 結(jié)果與分析

3.1 沉水植物種植工程實(shí)施后的物種多樣性特征

沉水植物物種的豐富度是決定沉水植物生物多樣性的重要因子，研究植物種豐富度是生物多樣性研究中的基礎(chǔ)[3]。

從表1可以看出，不同水域沉水植物種豐富度差異很大。在種植區(qū)內(nèi)植物種豐富度最高為10種，其中特有種也最多，有4個(gè)種。種植區(qū)無(wú)沉水植物水域，植物種豐富度急劇減少為2個(gè)種，對(duì)比水域(非種植區(qū))植物種豐富度僅5個(gè)種。后2個(gè)水域中無(wú)特有種出現(xiàn)。

表1 不同區(qū)域類(lèi)型植被組成

注：n=5，A.一年生沉水植物，B.多年生沉水植物；+.稀有種，#.特有種，V.共有種

物種多樣性指數(shù)從種植區(qū)有沉水植物水域到對(duì)比水域(非種植區(qū))依次減少。Shannon-Wiener指數(shù)顯示從種植區(qū)有沉水植物水域到種植區(qū)無(wú)沉水植物水域這一過(guò)程中，物種多樣性指數(shù)由3.42減少為1.68，顯著降低。Shannon-Wiener指數(shù)與Simpson指數(shù)的變化還顯示，從種植區(qū)有沉水植物水域到對(duì)比水域(非種植區(qū))、對(duì)比水域(非種植區(qū))是物種多樣性迅速下降的一個(gè)過(guò)程，Shannon-Wiener指數(shù)與Simpson指數(shù)的變化幅度在整個(gè)過(guò)程中最大(表2)，Shannon-Wiener指數(shù)從3.42減少為1.65；Simpson指數(shù)的變化則更大，由17.36減少為3.57。

表2 不同水域類(lèi)型植物多樣性指數(shù)

注：n=5

特有種、稀有種與共有種在種植區(qū)與對(duì)比水域的物種多樣性分布顯示：特有種在種植區(qū)有沉水植物水域中占主導(dǎo)地位，Simpson指數(shù)與Shannon-Wiener指數(shù)最高分別為5.6841和2.6487；而在種植區(qū)無(wú)沉水植物水域與對(duì)比水域中，Simpson指數(shù)與Shannon-Wiener指數(shù)的最高值分別是稀有種與共有種，其中對(duì)比水域稀有種的Simpson指數(shù)與Shannon-Wiener指數(shù)為 6.1729與1.8653，種植區(qū)無(wú)沉水植物水域中共有種的Simpson指數(shù)與Shannon-Wiener指數(shù)為1.5293與0.6173(表3)。

表3 不同水域類(lèi)型植物種出現(xiàn)頻率特點(diǎn)

注：n=5

在不同的水域，按植物種生活型計(jì)算的物種多樣性結(jié)果表明(表4)，物種多樣性情況是不一致的：在種植區(qū)有沉水植物水域中物種多樣性以多年生沉水植物為最高，其次是1年生沉水植物；而在對(duì)比水域與種植區(qū)無(wú)沉水植物水域中，依據(jù)生活型所計(jì)算Shannon-Wiener指數(shù)與Simpson指數(shù)表明：物種多樣性以1年生沉水植物最高，多年生沉水植物僅1種。

表4 不同水域類(lèi)型植物種類(lèi)生活型組成特點(diǎn)

注：n=5

3.2 沉水植物恢復(fù)過(guò)程中植物種多樣性變化特征

從沉水植物種植工程不同區(qū)域的物種定居與絕滅的植物種數(shù)來(lái)看，共有8個(gè)種滅絕(表3)。既有一年生沉水植物，也有多年生沉水植物。

沉水植物物種豐富度隨種植工程而顯著增加，直到非種植工程區(qū)域大部分植物種絕滅，沉水植物種植工程本身就是一個(gè)沉水植物入侵—定居—擴(kuò)繁的過(guò)程，物種結(jié)構(gòu)在生境與干擾的特點(diǎn)下進(jìn)行了選擇。

從種植工程水域到非種植工程水域，是一個(gè)特有種衰退的過(guò)程，它在生境中的主導(dǎo)地位被共有種與稀有種所代替。這說(shuō)明特有種本身在建群初期就依賴(lài)“保護(hù)”，并對(duì)水環(huán)境要求較高。概括的說(shuō)，種植工程的發(fā)展首先形成那些對(duì)生境選擇極強(qiáng)的種(特有種)，其次為稀有種，最后才是共有種。共有種在種植區(qū)內(nèi)外水域均出現(xiàn)，顯示出其生態(tài)位的重要性與較強(qiáng)的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

沉水植物種植工程改善了紫陽(yáng)湖水環(huán)境，顯著體現(xiàn)在水生物多樣性不斷增加，如出現(xiàn)了非引進(jìn)目標(biāo)的大型絲狀藻類(lèi)，如：水綿屬(Spirogyra)、剛毛藻屬(Cladophora)。首先，作為城市景觀(guān)湖泊，在維持水質(zhì)達(dá)標(biāo)與合理利用需要兼顧的現(xiàn)實(shí)情況下，紫陽(yáng)湖未來(lái)還需要繼續(xù)實(shí)行包括對(duì)觀(guān)光船只進(jìn)行劃區(qū)、控制草食和雜食魚(yú)類(lèi)、禁止不當(dāng)放生等在內(nèi)的科學(xué)湖泊管理制度。第二，選擇生境擁有豐富度最高的物種數(shù)(10種)的沉水植物種植水域設(shè)立為重點(diǎn)保護(hù)地作為“種子庫(kù)”，保留一定面積的非種植區(qū)作為觀(guān)光區(qū)，豐富湖泊生境多樣性。第三，優(yōu)化沉水植物物種結(jié)構(gòu)，再用1～2年全面種植多年生沉水植物物種(苦草)，將一年生沉水植物物種收割逐漸退出。

該方法可以作為水生態(tài)工程竣工與驗(yàn)收的參考依據(jù)，在水環(huán)境工程領(lǐng)域具有一定的價(jià)值與意義。