蔡天祎,葉春*,李春華,魏偉偉,朱琦
1.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室, 中國環(huán)境科學(xué)研究院
2.國家環(huán)境保護(hù)湖泊污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國環(huán)境科學(xué)研究院
水生植物在湖泊生態(tài)系統(tǒng)中起到極為重要的作用,是維持湖泊“清水穩(wěn)態(tài)”的關(guān)鍵[1],其種類、分布與多樣性指數(shù)能在一定程度上反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)的健康狀態(tài)[2]。水生植物能夠吸收水體和底泥中的營養(yǎng)鹽[3-5],為水生動(dòng)物提供食物和居所,富集其中的重金屬[6-8]和抗生素[9-10];此外,還具有削減風(fēng)浪、穩(wěn)固基質(zhì)等作用[11-13],進(jìn)而降低因擾動(dòng)導(dǎo)致的內(nèi)源污染物的釋放通量[14]。湖濱帶作為湖泊水體生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分,在攔截污染物、調(diào)蓄洪水和控制沉積與侵蝕等方面起著重要作用[15-16]。從橫向結(jié)構(gòu)來看,湖濱帶可以分為陸向輻射帶、水位變幅帶和水向輻射帶3個(gè)部分[15]。其中,水向輻射帶是浮葉植物和沉水植物的主要分布區(qū)域,該類植物對(duì)生境因子變化較為敏感。
太湖是我國第三大淡水湖,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和環(huán)湖大堤的修建,太湖水生態(tài)系統(tǒng)正常的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)被打破,太湖湖濱帶受到人類活動(dòng)干擾[17],水生植物物種數(shù)量和多樣性銳減[18-21]。2007年太湖藍(lán)藻水華危機(jī)事件后,經(jīng)過十余年高強(qiáng)度投入和大規(guī)模治理,太湖水質(zhì)得到明顯改善,水生植物得到了一定程度的恢復(fù)[22-24],但水向輻射帶內(nèi)的水生植物仍存在不同湖區(qū)間分布不均勻的現(xiàn)象,其群落結(jié)構(gòu)則呈現(xiàn)著明顯的單一化趨勢(shì)[18-21]。
關(guān)于太湖水生植物的調(diào)查開始于1960年[18],且相關(guān)研究集中于部分湖區(qū)、環(huán)湖河道和近岸區(qū)域[25-27],目前對(duì)于全太湖水生植物群落組成的調(diào)查數(shù)據(jù)仍然較為匱乏[18-21],且鮮有針對(duì)湖濱帶水向輻射帶內(nèi)水生植物的調(diào)查。從近60年的研究結(jié)果來看,太湖部分沉水植物消失,被伊樂藻(Elodea nuttalli)、篦齒眼子菜(Potamogeton pectinatus)等外來物種替代,水生植物種類總體呈減少趨勢(shì)[18-21];水生植物優(yōu)勢(shì)種趨于單一化,生長(zhǎng)在深水區(qū)的苦草(Vallisneria natans)和微齒眼子菜(Potamogeton maackianus)優(yōu)勢(shì)度下降[2]。目前,關(guān)于太湖重點(diǎn)湖區(qū)的水生植物恢復(fù)與應(yīng)用已引起了廣泛的重視。
為監(jiān)測(cè)太湖湖濱帶水向輻射帶內(nèi)水生植物群落變化特征,在已有研究的基礎(chǔ)上,于2021年春季(4月)和夏季(7月)對(duì)太湖湖濱帶水向輻射帶內(nèi)水生植物開展了系統(tǒng)的調(diào)查,獲取了相應(yīng)水生植物及其對(duì)應(yīng)生境因子的數(shù)據(jù)。由于水向輻射帶內(nèi)多分布浮葉和沉水植物[15],且前述研究中浮葉植物和沉水植物多為共生狀態(tài)[18-21],故以其為研究對(duì)象?;诓蓸訑?shù)據(jù),研究水生植物群落多樣性特征,分析各采樣點(diǎn)的Alpha多樣性指數(shù)和生境因子之間的相關(guān)性,并采用典范對(duì)應(yīng)分析(canonical correspondence analysis,CCA)方法對(duì)影響水生植物分布的生境因子進(jìn)行排序,得出影響最為顯著的生境因子,以期為太湖湖濱帶植被恢復(fù)和生態(tài)重建提供參考和數(shù)據(jù)支撐。
太湖是長(zhǎng)江下游地區(qū)典型的淺水湖泊,位于江蘇省南部,北臨江蘇無錫,南瀕浙江湖州,西依江蘇宜興,東近江蘇蘇州。太湖湖泊面積為2 445 km2,平均水深1.9 m。太湖流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),四季分明,雨水豐沛,熱量充裕,多年平均氣溫為15~17 ℃,多年平均降水量為1 177 mm。
根據(jù)空間劃分,將研究區(qū)域分為貢湖、梅梁湖、竺山湖、西部沿岸區(qū)、南部沿岸區(qū)、東部沿岸區(qū)和東太湖7個(gè)沿岸湖區(qū)。基于歷史研究結(jié)果和湖濱帶水向輻射帶定義[15,18-21],在距離岸線3 km以內(nèi)的水域范圍內(nèi)布設(shè)采樣點(diǎn),并在貢湖、東部沿岸區(qū)和東太湖等存在水生植物分布區(qū)域的近岸區(qū)域加密布設(shè)采樣點(diǎn)。2021年春季(4月)共布設(shè)70個(gè)點(diǎn)位,其中梅梁湖8個(gè),貢湖10個(gè),東部沿岸區(qū)21個(gè),東太湖24個(gè),南部沿岸區(qū)3個(gè),西部沿岸區(qū)3個(gè),竺山湖1個(gè);夏季(7月)共布設(shè)75個(gè)點(diǎn)位,其中梅梁湖2個(gè),貢湖17個(gè),東部沿岸區(qū)27個(gè),東太湖18個(gè),南部沿岸區(qū)4個(gè),西部沿岸區(qū)3個(gè),竺山湖4個(gè)。采樣點(diǎn)布設(shè)見圖1。
圖1 太湖湖濱帶水向輻射帶水生植物采樣點(diǎn)示意Fig.1 Schematic diagram of sampling points in radiant belt toward lake of lake-terrestrial ecotone in Lake Taihu
在各采樣點(diǎn)進(jìn)行水生植物調(diào)查和水樣采集。采用GPS記錄儀記錄采樣點(diǎn)經(jīng)緯度。采集水生植物時(shí),在采樣點(diǎn)附近50 m×50 m范圍內(nèi)用自制水草采樣耙(0.3 m×0.5 m)沉入水中旋轉(zhuǎn)耙取3~5次,裝入樣品袋中并當(dāng)場(chǎng)記錄植物種類、蓋度、株高、直徑等指標(biāo);采用有機(jī)玻璃采水器采集水下50 cm深度水樣,每個(gè)樣品均由樣點(diǎn)周圍3個(gè)水樣混合而成。pH、溶解氧(DO)濃度采用便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀(哈希HQ40d,美國)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。水深采用測(cè)深錘測(cè)定,透明度采用塞氏盤法測(cè)定,計(jì)算各采樣點(diǎn)透明度/水深(透明度和水深的比值)。高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)與氨氮(NH4+-N)、硝氮(NO3--N)、總氮(TN)、總磷(TP)濃度均參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(4版)進(jìn)行測(cè)定。
1.3.1 水生植物數(shù)據(jù)處理
采用物種重要值(important value,IV)計(jì)算結(jié)果劃分優(yōu)勢(shì)種,物種重要值取值范圍為(0,1],計(jì)算方法如下:
式中:Dr為相對(duì)多度,%;Pr為相對(duì)蓋度,%;Fr為相對(duì)頻度,%。
根據(jù)水生植物各層片的優(yōu)勢(shì)種進(jìn)行群落命名:同一層片的優(yōu)勢(shì)種之間用“+”聯(lián)結(jié);不同層片的優(yōu)勢(shì)種之間用“-”聯(lián)結(jié)。
1.3.2 水生植物群落的Alpha多樣性指數(shù)分析
采用Alpha多樣性指數(shù)中的Simpson指數(shù)(D)、Shannon-Wiener指數(shù)(H)和 Margelef指數(shù)(d)對(duì)水生植物群落的多樣性水平進(jìn)行計(jì)算和分析,公式如下:
式中:n為每個(gè)物種的個(gè)體數(shù),株;N為樣方中全部個(gè)體數(shù),株;pi為物種i在樣本中的比例,%;S為物種數(shù),種。
D反映群落的多樣性,其值越大表明群落中物種分布越不均勻;H反映群落的多樣性,其值越大表明群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜;d反映群落的豐富度,其值越大表明群落物種組成越豐富。采用變異系數(shù)(CV)探討不同采樣點(diǎn)間水生植物群落的Alpha多樣性指數(shù)差異。計(jì)算公式如下:
式中:sd為Alpha多樣性指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差;mean為Alpha多樣性指數(shù)的平均值。
1.3.3 統(tǒng)計(jì)分析
采用相關(guān)性分析和CCA方法,對(duì)水生植物群落組成和分布及其生境因子進(jìn)行分析。使用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和計(jì)算,使用SPSS 22.0和Canoco5.0軟件分別進(jìn)行相關(guān)性和CCA分析。
2021年4 月(春季)和7月(夏季)共采集水生植物12種,隸屬于7科9屬(表1)。由表1可知,春季共采集水生植物9種,屬于6科7屬,其中浮葉植物2種,沉水植物7種。夏季共采集水生植物12種,屬于7科9屬,其中浮葉植物3種,沉水植物9種。春季共有62.5%的采樣點(diǎn)采集到水生植物,分別位于梅梁湖、貢湖、東部沿岸區(qū)和東太湖;夏季共有77.3%的采樣點(diǎn)采集到水生植物,分別位于貢湖、東部沿岸區(qū)和東太湖。荇菜和穗花狐尾藻在2次采樣過程中出現(xiàn)頻度較高,分別為31.3%和49.7%。
表1 太湖湖濱帶水向輻射帶水生植物調(diào)查結(jié)果Table 1 Survey data of aquatic macrophyte within radiant belt toward lake of lake-terrestrial ecotone in Lake Taihu
Alpha多樣性指數(shù)可以反映群落或生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健康程度。其中D、H和d可相互驗(yàn)證和評(píng)價(jià)多樣性情況。春季采樣過程中梅梁湖區(qū)域僅有菹草分布,2次采樣過程中竺山湖、西部沿岸區(qū)及南部沿岸區(qū)幾乎無水生植物分布,故僅對(duì)貢湖、東部沿岸區(qū)和東太湖3個(gè)水生植物生長(zhǎng)較好的湖區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和比較。
2.2.1 Alpha多樣性指數(shù)的季節(jié)變化特征
群落結(jié)構(gòu)的季節(jié)變化可能導(dǎo)致水生植物群落的Alpha多樣性指數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。不同季節(jié)的水向輻射帶水生植物群落的Alpha多樣性指數(shù)特征如圖2所示。由圖2可知,春季D、H、d分別為0.56、0.86、0.81,夏季D、H、d分別為0.66、1.23、0.89,D、H和d在春季和夏季均具有相同的變化趨勢(shì)。相比春季,夏季Alpha多樣性指數(shù)均有所上升(D、H、d分別上升15.5%、43.0%、9.8%)。春夏2次采樣,研究區(qū)水生植物群落物種分布和組成總體變化較小,由于水生植物具有不同的生長(zhǎng)周期,隨季節(jié)變化帶來的溫度升高,物種多樣性有所增加,群落結(jié)構(gòu)趨向復(fù)雜化方向發(fā)展。
圖2 不同季節(jié)水向輻射帶水生植物群落的Alpha多樣性指數(shù)特征Fig.2 Alpha diversity index of aquatic macrophyte within radiant belt toward lake in different seasons
2.2.2 Alpha多樣性指數(shù)的空間分布特征
分湖區(qū)計(jì)算2次調(diào)查水生植物群落的Alpha多樣性指數(shù)的平均值,結(jié)果如表2所示。方差分析-多重比較(ANOVA-multiple comparison)結(jié)果表明不同湖區(qū)間的Alpha多樣性指數(shù)差異不顯著。由表2可知,東太湖具有最高的多樣性水平(D、H、d平均值分別為0.65、1.09、1.11),其水生植物的群落組成和結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜;貢湖最低(D、H、d平均值分別為0.56、0.96、0.62)。CV計(jì)算結(jié)果表明,東太湖各采樣點(diǎn)間水生植物群落物種組成和群落結(jié)構(gòu)具有較大差異。
表2 不同湖區(qū)水向輻射帶水生植物群落的Alpha多樣性指數(shù)特征Table 2 Alpha diversity index of aquatic macrophyte community within radiant belt toward lake in different lake areas
2.2.3 主要生境因子特征
分別計(jì)算2次調(diào)查各采樣點(diǎn)主要生境因子的最大值、最小值和平均值,結(jié)果如表3所示。由表3可知,春季太湖水向輻射帶內(nèi)水質(zhì)總體為GB 3838——2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類,其中CODMn為Ⅲ類(5.67 mg/L),NH4+-N 為Ⅲ類(0.56 mg/L),TN 為Ⅳ類(1.36 mg/L ),TP 為Ⅲ類(0.04 mg/L);夏季太湖水向輻射帶內(nèi)水質(zhì)總體評(píng)價(jià)為Ⅴ類,其中CODMn為Ⅳ類(8.92 mg/L),NH4+-N 為Ⅱ類(0.36 mg/L),TN 為Ⅴ類(1.78 mg/L),TP 為Ⅲ類(0.04 mg/L)。值得注意的是,春季采樣過程中發(fā)現(xiàn)南部沿岸區(qū)和竺山湖湖區(qū)部分樣點(diǎn)水質(zhì)較差,夏季采樣過程中發(fā)現(xiàn)竺山湖湖區(qū)內(nèi)部分樣點(diǎn)水質(zhì)較差,此時(shí)過高的氮、磷負(fù)荷會(huì)對(duì)水生植物生長(zhǎng)造成嚴(yán)重影響。
表3 2次調(diào)查主要生境因子數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 3 Data statistics of main environmental factors in 2 field surveys mg/L
2.2.4 Alpha多樣性指數(shù)與生境因子相關(guān)性分析
水生植物的生長(zhǎng)情況及群落結(jié)構(gòu)受pH、DO濃度、水深等多個(gè)生境因子影響,為了解太湖湖濱帶水向輻射帶內(nèi)水生植物群落結(jié)構(gòu)分布產(chǎn)生差異的原因,將水生植物群落的Alpha多樣性指數(shù)與生境因子進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果如表4所示。由表4可知,春季D、H和d與pH、DO、水深、透明度、透明度/水深呈正相關(guān),與CODMn、NH4+-N、NO3--N、TN、TP呈負(fù)相關(guān),然而相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。這可能是由于部分水生植物(如苦草、輪葉黑藻、細(xì)果野菱等)在春季仍處于萌芽期,生物量極低,難以完全采集而出現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)頻率較低所導(dǎo)致的,在其他湖泊[28-30]中同樣發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)果。
表4 春季、夏季水生植物群落的Alpha多樣性指數(shù)與生境因子相關(guān)性分析結(jié)果Table 4 Correlation analysis between Alpha diversity indexes of aquatic macrophyte community and environmental factors during spring and summer
夏季采樣過程中D、H和d與DO呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),可能原因?yàn)樗参镌诠夂献饔眠^程中釋放氧氣,改善了湖泊水體DO環(huán)境。D、H和d與透明度及透明度/水深也呈顯著正相關(guān)(P<0.05),可能是由于水生植物具有一定錨定能力,能夠穩(wěn)固底泥抑制其再懸??;此外,水生植物還具備一定捕集湖泊水體中懸浮物的能力,從而改善了湖泊水下光場(chǎng)環(huán)境。而H和d與TN呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),這是因?yàn)樗参镫m然具有吸收氮、磷營養(yǎng)鹽的能力,但不同水生植物對(duì)于營養(yǎng)鹽的耐受性不同,TN過高會(huì)導(dǎo)致部分水生植物消亡。有研究指出,當(dāng)水體TN濃度大于2 mg/L時(shí),會(huì)向濁水狀態(tài)轉(zhuǎn)換,從而造成水生植物群落結(jié)構(gòu)單一化,豐富度降低[31]。結(jié)合文獻(xiàn)[28-30]推斷,水生植物群落結(jié)構(gòu)具有一定的穩(wěn)定性和抵抗外界變化的能力,因而對(duì)于短期內(nèi)生境因子的變化不敏感,這可能也是導(dǎo)致Alpha多樣性指數(shù)和生境因子的相關(guān)性分析未達(dá)到顯著性水平的原因。
將2次調(diào)查獲取的12種水生植物和10個(gè)生境因子進(jìn)行CCA分析,結(jié)果如表5所示。由表5可知,第1軸~第4軸的特征值分別是0.385 4、0.123 1、0.099 9和0.091 0。CCA第1軸解釋了12.58%的物種信息,第2軸解釋了4.02%的物種信息,第3軸解釋了3.26%的物種信息,第4軸解釋了2.97%的物種信息。第1、2軸物種與環(huán)境間的累計(jì)方差為0.634 4。
表5 太湖湖濱帶水向輻射帶內(nèi)水生植物與生境因子的CCA排序分析參數(shù)Table 5 Parameters of CCA sorting analysis of aquatic macrophyte and environmental factors within radiant belt toward lake of lake-terrestrial ecotone in Lake Taihu
太湖湖濱帶水向輻射帶內(nèi)水生植物分布與生境因子排序結(jié)果見圖3。由圖3可知,水體DO濃度對(duì)水生植物解釋值最大,其次分別是透明度/水深、透明度、水深及TP濃度。從物種分布情況來看,金銀蓮花分布在透明度高、TN濃度較低的環(huán)境中,與其他生境因子相關(guān)性較小。大茨藻、微齒眼子菜的生長(zhǎng)環(huán)境與DO濃度和透明度/水深呈正相關(guān),與TN和NH4+-N濃度相關(guān)性較小。荇菜的生長(zhǎng)環(huán)境與NH4+-N濃度呈正相關(guān),與水深和透明度/水深相關(guān)性較小。穗花狐尾藻的生長(zhǎng)環(huán)境與TN濃度呈正相關(guān),與透明度相關(guān)性較小。細(xì)果野菱的生長(zhǎng)環(huán)境與TP和NO3--N濃度及pH呈正相關(guān),與水深相關(guān)性較小。金魚藻的生長(zhǎng)環(huán)境與pH和CODMn呈正相關(guān),與水深相關(guān)性較小??嗖?、馬來眼子菜、輪葉黑藻、菹草、穗花狐尾藻對(duì)生境因子的要求相似,與各生境因子相關(guān)性都較大,因而集中分布在原點(diǎn)附近。伊樂藻與各生境因子軸之間距離較遠(yuǎn),表明其與各生境因子間僅存在微弱的相關(guān)性。
圖3 太湖湖濱帶水向輻射帶內(nèi)水生植物與生境因子的排序Fig.3 Sorting of aquatic macrophyte and environmental factors within radiant belt toward lake of lake-terrestrial ecotone in Lake Taihu
基于1960 年[18]、1981 年[19]、1997 年[20]、2014年[21]及本次調(diào)查結(jié)果,遴選其中水向輻射帶的水生植物數(shù)據(jù),分析其水生植物演變特征如圖4所示。由圖4可知,60年間太湖湖濱帶水向輻射帶內(nèi)水生植物種類呈現(xiàn)逐年降低趨勢(shì),由原來的26種降至12種,其中浮葉植物減少7種,沉水植物減少7種。相比2014年的調(diào)查結(jié)果,本次調(diào)查共有6種水生植物未被采集到,包括2種浮葉植物〔水龍(Jussiaea repens)、芡實(shí)(Euryale ferox)〕和 4 種沉水植物〔黃花貍藻(Utricularia aurea)、水盾草(Cabomba caroliniana)、篦齒眼子菜(Potamogeton pectinatus)、小茨藻(Najas minor)〕。結(jié)合以上水生植物的習(xí)性特征,推斷水龍、芡實(shí)、水盾草、篦齒眼子菜和小茨藻當(dāng)前均在太湖內(nèi)有所分布。不同研究人員于2014年以前的多次調(diào)查中均采集到黃花貍藻[18-21],但劉倩[32]、謝洪民[25]分別于2018年調(diào)查太湖湖蕩濕地和環(huán)太湖河道的結(jié)果中并未發(fā)現(xiàn)其存在,推斷黃花貍藻可能于2014——2021年于太湖消失。由上述分析可見,近60年的時(shí)間跨度內(nèi),由于人類活動(dòng)干擾和生境變化,太湖湖濱帶水向輻射帶內(nèi)水生植物種類逐漸減少。
圖4 太湖湖濱帶水向輻射帶內(nèi)水生植物物種數(shù)變化Fig.4 Changes in species of aquatic macrophyte within radiant belt toward lake of lake-terrestrial ecotone in Lake Taihu
本次春季調(diào)查中荇菜和菹草為太湖湖濱帶水向輻射帶內(nèi)的水生植物的主要優(yōu)勢(shì)種,春季荇菜重要值為0.31,菹草重要值為0.24;在梅梁湖湖區(qū)菹草則是唯一優(yōu)勢(shì)種,重要值達(dá)到1.00。夏季馬來眼子菜重要值上升,由春季的0.004升至0.20,與荇菜共同構(gòu)成主要優(yōu)勢(shì)種。在近60年的時(shí)間跨度內(nèi),水生植物群落的優(yōu)勢(shì)種也在發(fā)生變化,浮葉植物中荇菜一直保持較大優(yōu)勢(shì)度,沉水植物優(yōu)勢(shì)種由馬來眼子菜+苦草演替為馬來眼子菜為單一優(yōu)勢(shì)種,這可能是因?yàn)轳R來眼子菜和荇菜具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和耐污能力,并能一定程度上抵御風(fēng)浪,有助于其在種間競(jìng)爭(zhēng)中建立優(yōu)勢(shì),故造成了優(yōu)勢(shì)種明顯單一化的現(xiàn)象。
(1)2021年在太湖湖濱帶水向輻射帶內(nèi)共采集到水生植物12種,其中浮葉植物3種,沉水植物9種。CCA分析結(jié)果表明,DO、透明度/水深、水深對(duì)水生植物分布解釋值較大,10個(gè)生境因子對(duì)太湖水生植物存在及分布的總解釋值較低。
(2)太湖湖濱帶水向輻射帶內(nèi)浮葉植物和沉水植物物種數(shù)呈現(xiàn)明顯減少的趨勢(shì),且優(yōu)勢(shì)種趨于單一化。水生植物群落結(jié)構(gòu)和多樣性在一定程度上受到水環(huán)境質(zhì)量變化的調(diào)控,且自然恢復(fù)周期較長(zhǎng),因此未來不僅要注重湖泊生態(tài)環(huán)境的自然恢復(fù)研究,也需重視人工作用改善水生植物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的研究。