長江中下游退化淺水湖泊水陸交錯帶環境因子及其對植物多樣性的影響研究
——以黃陂湖為例

馬 歡，劉 園，任建洲，高 珍，呂佼佼，張學弟，趙西寧

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；2.西北農林科技大學 水利工程博士后流動站，陜西 楊凌 712100；3.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 博士后科研工作站,西安 710065；4.陜西省“四主體一聯合”河湖生態系統保護與修復校企聯合研究中心,西安 710065；5.西北農林科技大學 旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；6.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

0 前 言

湖泊是地球上最重要的淡水資源之一，除了氣候調節、水資源供給、水安全保障等功能以外，還具有維持區域生態平衡和生物多樣性保持等重要作用[1]。根據相關統計數據，我國面積大于10 km2的湖泊中，淡水湖累計面積27 727.3 km2，占全國同類級別湖泊面積的32.6%，其主要分布在東部沿海與長江中下游地區，占全國淡水湖泊總數的65%以上，且絕大多數為淺水湖泊[2]。自20世紀80年代開始，人們在淺水湖泊區域進行了大面積的圍湖造田及承包養殖活動，使得湖區所在流域水土流失嚴重、湖區淤積，從而導致淺水湖泊水面嚴重萎縮，以致河流生態功能喪失殆盡[3]。

淺水湖泊的富營養化現象尤為嚴重，亟需對淺水湖泊進行植被重建及生態系統修復。水陸交錯帶是水環境與陸地環境之間的過渡區域，是連接陸地生態系統和水生態系統之間的紐帶，其不僅具有抑制面源污染進入自然水體的重要作用[4]，而且水陸交錯帶系統的穩定性很大程度上會影響河湖生態系統的健康[5]。由于環境的復雜多變性，在對退化湖泊進行生態修復時，水陸交錯帶植物群落的人工恢復往往難度較大，雖然眾多學者開展了有關研究，但對淺水湖泊水陸交錯帶植物群落和環境因子的相互關系研究較少。

為了解退化淺水湖泊水陸交錯帶環境特征，明確環境因子對水陸交錯帶植物群落的影響規律，本文以巢湖流域典型淺水湖泊黃陂湖為研究區，通過植物多樣性調查及環境檢測，研究明確黃陂湖水陸交錯帶的植物群落狀態，比較水環境因子和土壤環境因子對水陸交錯帶植物群落的影響異同，探索影響水陸交錯帶植被恢復的主要因素，以期未來對淺水湖泊生態修復工程提供相應的理論指導。

1 研究區概況

黃陂湖位于安徽省合肥市廬江縣城東南，湖區東西長約8.8 km，南北長約2.4 km，流域面積約598 km2，是典型的潛水型淡水湖。具體研究區位見圖1。黃陂湖湖區西達廬江縣魚苗場，東至缺口大橋，北岸夏家莊處湖岸伸向湖心，湖底高程6.60～7.10 m，屬于內陸淺水湖泊。入湖河流包括縣河、扁擔河、黃泥河、黃屯河等，下游經兆河入巢湖。20世紀70年代，黃陂湖地區進行了大面積的圍湖造田及承包養殖活動，造成水土流失、湖區淤積等導致黃陂湖水面嚴重萎縮，未被圍湖養殖的水面積從48.1 km2減少到3.63 km2，使得黃陂湖生態功能喪失殆盡。近年來，為了保護河湖生態環境，修復流域生態系統，合肥市為全面推進環巢湖流域治理工作，進行了巢湖周邊湖泊退圩還湖、退耕還湖工程，將黃陂湖20世紀90年代以來圍墾的水產養殖場和沿湖小圩全部還湖，修復濕地生態系統。

圖1 研究區位圖

2 研究方法

2.1 采樣點布設及采樣方法

2.1.1采樣點布設

由于湖區土地利用、入湖河流上游情況不盡相同，根據初步查勘情況，湖區水環境及植被情況有較大差異。因此，根據土地利用類型和入湖河流情況將湖區分為5個片區，編號分別為A、B、C、D、E,不同片區概況見表1。

表1 湖區分片區特征及采樣情況表

根據湖區水陸交錯帶分布情況對植被情況進行樣方采樣，樣方布設盡量均勻沿湖岸帶分布，若遇到優勢種群落則增加樣點，共布設植物采樣點138個。植物樣方調查范圍及采樣點布設見圖2。另外，為了研究環境因子對植物群落的影響，根據現場情況選擇一定植物樣方對其土壤及水質情況進行現場采樣，共布設土壤及水質采樣點18個。

圖2 植物樣方調查范圍及采樣點布設圖

2.1.2采樣方法

在湖區水陸交錯帶進行植物樣方調查，其中喬木樣方設置10 m×10 m(長×寬)，灌木樣方設置2 m×2 m(長×寬)，草本樣方設置1 m×1 m(長×寬)。記錄樣方中植物種類、蓋度、周邊環境情況等。

水質采樣采用有機玻璃采水器，采集植物樣方附近水樣并帶回實驗室分析，依據GB 3838-2002《地表水環境質量標準》并結合項目區實際情況，確定檢測指標包括：pH值、水溫(Temp.)、溶解氧(DO)、電導率(EC)、透明度(Trans.)、總氮(TN)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)及化學需氧量(COD)。土壤樣品采集利用彼得遜采泥器抓取水底表層底泥，用專用密封袋密封、包裝、冷藏，經風干后進行實驗室成分分析。參考GB 15618-2008《土壤環境質量標準》并結合項目區實際污染物情況，確定黃陂湖區域水陸交錯帶土壤環境檢測指標包括：pH值、全鹽量(TM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、砷(As)、汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋅(Zn)。

2.2 數據處理

2.2.1植物多樣性計算

根據植物樣方數據計算Shannon-Wiener指數、Simpson指數及Pielou均勻度指數，計算公式如下：

Shannon-Wiener多樣性指數：

(1)

Simpson多樣性指數：

(2)

Pielou均勻度指數：

(3)

式中：S為樣地內出現的物種數;Pi為樣方內第i個物種的多度比例。

2.2.2Pearson相關分析

Pearson關系數是計算兩組變量之間線性相關的參數，通過變量的協方差計算變量之間的相關關系。Pearson相關系數r以下式計算：

(4)

式中：xi和yi分別為兩組變量的第i對觀測值，n為成對觀測的數量。r的計算結果介于[-1,1]，若r>0，則兩組變量成正相關；若r<0，則兩組變量成負相關。

Pearson相關系數r的顯著性檢驗采用t檢驗：

(5)

2.2.3PCA分析

PCA分析(principal component analysis)也被稱為主分量分析，于1954年由Goodall引入植被分析，由于其屬于低維空間排列樣方而包含了大多數數據信息的多元排序方法，因此受到不少學者的采用。其過程即為將樣方或植物種排列在一定的空間，使得排序軸能夠反映一定的生態梯度，從而能夠解釋植被或植物種的分布與環境因子的關系，可以揭示植被—環境間的生態關系[6]。PCA分析過程包括數據的標準化、屬性間內積矩陣的計算、內積矩陣的特征根計算、特征根對應的特征向量計算、排序坐標矩陣計算及屬性的負荷量計算。

以上數據分析過程及作圖通過開源軟件R(4.0.3版本)完成。

3 研究結果

3.1 黃陂湖水陸交錯帶植物特征

3.1.1黃陂湖水陸交錯帶植物組成

根據調查數據，黃陂湖水陸交錯帶范圍內植物共統計到70科181屬218種。其中蕨類植物2科2屬2種，裸子植物5科8屬9種，被子植物63科171屬207種。

(1) 蕨類植物

黃陂湖水陸交錯帶范圍內蕨類植物種類較少，僅2科2屬2種，分別為節節草(Equisetumramosissimum)和井欄邊草(Pterismultifida)。其中節節草是黃陂湖比較常見的蕨類植物。

(2) 裸子植物

黃陂湖水陸交錯帶范圍內裸子植物種類數量不多，為5科8屬9種，分別為銀杏(Ginkgobiloba)、側柏(Platycladusorientalis)、刺柏(Juniperusformosana)、雪松(Cedrusdeodara)、白皮松(Pinusbungeana)、馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)、水杉(Metasequoiaglyptostroboides)和紅豆杉(Taxuschinensis)。其中銀杏、馬尾松是黃陂湖相對常見的裸子植物

(3) 被子植物

黃陂湖水陸交錯帶范圍內被子植物種類數量比較豐富，其中單子葉植物9科30屬32種，雙子葉植物56科143屬177種。

從植物種類上看，黃陂湖雙子葉植物種類較多，占種類總數的80.09%。雙子葉植物中木本植物種類明顯少于草本植物，受人工干擾影響，常見的木本雙子葉植物多為行道樹種，包括樟(Cinnamomumcamphora)、意楊(Populuscanadensis)、廣玉蘭(Magnoliagrandiflora)、構樹(Broussonetiapapyrifera)、烏桕(Sapiumsebiferum)等。草本雙子葉植物種類數量非常豐富，優勢科為菊科(26種)、薔薇科(19種)和豆科(15種)，均為黃陂湖重要的建群科。

黃陂湖的單子葉植物種類相較雙子葉植物種類數量較少，但其種群數還是比較豐富，所含種類數量最多的科為禾本科，有19屬20種。比較常見的雙子葉植物包括蘆葦(Phragmitesaustralis)、香蒲(Typhaorientalis)、狗牙根(Cynodondactylon)、菵草(Beckmanniasyzigachne)等。

3.1.2黃陂湖水陸交錯帶優勢種群落及分布特征

根據表2結果顯示，黃陂湖水陸交錯帶優勢植被群落有喜旱蓮子草群叢、蘆葦群叢、菰群叢、香蒲群叢、蓮群叢、節節草群叢、益母草群叢、齒果酸模群叢等。就植物科數來說，5個片區排列順序為C片區>D片區>B片區>E片區>A片區；就植物屬數來說，5個片區排列情況為C片區>B片區>D片區>E片區>A片區；就植物種數來說，呈C片區>B片區>D片區>E片區>A片區規律?？傮w來說湖區植物種分布呈現多數種屬于少數科，少數科屬于多數種的規律。

表2 不同片區植物分布特征表

3.1.3黃陂湖水陸交錯帶植物區系特征

根據吳鉦鎰《種子植物分布區類型及起源和分化》記載[7]，中國種子植物現有記錄的屬3116屬，分屬于15個大類型31個變型；根據調查統計，黃陂湖現有種子植物181屬，占中國種子植物現有屬的5.81%，按照吳鉦鎰《中國種子植物屬的分布區類型》[8]進行劃分，除中亞分布類型外，15個大分布類型在黃陂湖均有分布。

種子植物根據吳征鎰植物地理成分對所有屬進行分類分析，依據各個類型及變型的性質，將它們歸并為世界分布、熱帶分布、溫帶分布和中國特有四大類。

黃陂湖共有各類種子植物181屬，種子植物屬分布區類型見表3。就分布區類型數量看，世界廣布型32屬，占種子植物總屬數的17.68%，此類型主要以草本為主，這和草本植物更易傳播、生活周期短、更易適應新的環境有關。在黃陂湖主要有：蒼耳屬、車前屬、繁縷屬、飛蓬屬、鬼針草屬等；熱帶分布型47屬，占種子植物總屬數的25.97%，主要為：白茅屬、稗屬、大青屬、稻屬、冬青屬、狗尾草屬等；溫帶分布型98屬，占種子植物總屬數的54.14%，主要有：胡蘿卜屬、胡頹子屬、黃楊屬、薊屬、卷耳屬等；中國特有屬有4個，占總種子植物總屬數的2.21%。分別為：杉木屬、水杉屬、銀杏屬、枳屬。

表3 種子植物屬分布區類型表

3.2 植物群落多樣性特征及其影響因素

3.2.1不同片區群落多樣性特征

不同湖區植物多樣性指數見圖3。Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson指數和植被蓋度在湖區水陸交錯帶5個片區存在顯著性差異。就Shannon-Wiener多樣性來說，C片區多樣性顯著性多于其他4個片區，其他4個片區無顯著性差異。就Simpson多樣性指數來說，C片區植物多樣性顯著多于A、B、D片區。就Pielou均勻度指數來說，5個湖區均值呈現出C片區>B片區>E片區>D片區>A片區的特征，但無顯著性差異。就植被蓋度來說，湖區水陸交錯帶不同片區間呈現出和Shannon-Wiener指數一致的特征。

圖3 不同湖區植物多樣性指數圖

就不同湖區來說，其中C片區植物多樣性明顯高于其他片區。根據現場調查情況，C片區無較大規模入湖河流，受人工擾動情況較少，同時調查時湖區處于低水位，水陸交錯帶范圍有所擴大，靠近水面范圍內土壤水分含量高，許多先鋒種如節節草、益母草、水蓼等種群在這一范圍內大量生長?？傮w而言，C片區內植物總體體現出生物量較大，物種豐富的特點。A片區有縣河、馬壩河2條入湖河流，根據現場調查情況，這兩條河流均屬于V類-劣V類水，污染較為嚴重，同時由于現場施工原因，植物群落受擾動較大，生物多樣性和植被蓋度均較低。

3.2.2不同群落環境特征

植物生長狀況與環境因子息息相關，為了進一步探索環境因子之間的交互關系，對水陸交錯帶環境因子做配對Pearson相關分析。水陸交錯帶位于陸地環境與水環境之間的過渡帶，土壤和水體之間能量和物質交換劇烈[9]。因此，分別對土壤環境和水環境進行相關分析。

土壤環境因子分析并排序的結果見圖4。由圖4可知，呈顯著性正相關的配對因子有pH-Ni、Zn-Ni、pH-Cr、Cr-Ni、Cu-TP，其中Cu-TP相關性最高，達到0.628，其次是Zn-Ni(0.62)及Cr-Ni(0.588)。無顯著性負相關配對因子?？梢钥闯?，pH和大部分重金屬指標均具有相關關系，這說明水體中pH變化可能和湖區上游的礦物開采活動有關。根據相關資料，入湖河流失曹河上游存在大量的礦產開采活動，產生了大量的酸性廢水和重金屬離子污染。同時，重金屬離子的相關性排序結果說明了在土壤中重金屬離子較為活躍，受氫離子濃度、土壤營養元素的濃度影響較大。根據相關性分析結果，pH、TP等常規性土壤環境因子可在一定程度上反應土壤中重金屬離子的濃度情況。

圖4 土壤環境指標Pearson相關矩陣圖

水環境因子配對相關性分析見圖5。由圖5可知，排序后的各水環境因子相關指數普遍大于土壤各因子間的相關系數，其中DO-pH之間相關系數達到了0.939，同時呈極顯著正相關，其次為pH-EC(0.774)、DO-EC(0.752)及COD-temp.(0.756)。在負相關因子中，負相關指數最高的因子對為COD-Trans.，相關性指數達到-0.813，同時呈極顯著相關。其次為COD-pH(-0.765)、COD-pH(-0.765)及temp.-EC(-0.727)，均呈顯著性負相關。根據相關性分析結果表明：由于水體中水的電離作用使得離子間交換活動劇烈，環境指標互相影響程度較高，從而導致水環境因子間相關性指數明顯高于土壤環境因子。

圖5 水環境指標Pearson相關矩陣圖

3.2.3群落多樣性與環境因子的關系

環境對植物生長有著重要的作用，同時植物群落的生長、繁殖等過程也能反作用于環境。例如調節環境的小氣候、改變微地形、改善土壤肥力等。PCA分析可在低維空間排列植物樣方，同時最大可能的包含了大多數數據信息，可以反應植物多樣性指數與環境因子之間的關系。由于水陸交錯帶連接了土壤環境和水環境。因此以生物多樣性指數為響應變量，分別以土壤環境因子和水環境因子為解釋變量，以多元統計方式進行指標解釋度提取結果見表4。結果表明：以水環境因子為解釋變量進行分析時，前兩軸能夠解釋的方差比例達到79%，遠高于以土壤環境因子為解釋變量時能夠解釋的方差比例，因此，應以水環境因子為解釋變量進一步進行PCA排序。

表4 環境因子及植物多樣性指數PCA排序結果表

PCA排序結果見圖6。由圖6可知，TN和pH指標箭頭長度大于平衡貢獻圓半徑，表明這2種水環境因子對排序空間的貢獻大于其他因子。說明了在黃陂湖水陸交錯帶，TN和pH因子是影響植物多樣性的最重要因子。由圖6可以看出，根據水環境因子的梯度變化，樣方基本可以分成4組，第1組位于高均勻度指數及水溫環境、低多樣性指數、低DO環境，全部位于A片區；第2組位于高TP、COD、TN含量，低透明度、低氧含量等污染性較高環境下，全部位于B片區；第3組位于高pH、EC、DO，低水溫區域，位于C片區和E片區；第4組位于高透明度、低TP、COD、TN環境，位于C、D、E片區。顯示出黃陂湖北半湖(A片區和B片區)污染較為嚴重，而南半湖(C片區、D片區及E片區)污染程度較小。PCA排序的結果和黃陂湖分區基本相關，表明在以入湖河流為主要差異的湖面分區中，由于水環境中水質指標的較大差異，使得植物多樣性也產生了較大變化。

圖6 水環境因子和植物多樣性系數PCA雙序圖

4 討 論

水陸交錯帶即河湖水體的“消落帶”，相關研究已成為恢復生態學的研究熱點[10]。由于水陸交錯帶能量物質交換頻繁，因此這一區域的生物多樣性也較其他區域高。根據王金霞等[11]在巢湖流域的植物調查研究，巢湖流域水生植物Shannon-Wiener指數介于0.915～2.174之間，低于本研究的有關結果。同時，本研究得到黃陂湖現有種子植物屬占中國種子植物現有屬的5.81%，表明了水陸交錯帶植物多樣性要高于水生植物的生物多樣性[12]，但植物種多為豆科、禾本科等先鋒物種，表現出多數科屬于少數種，少數種屬于多數科的分布特征。

根據湖區以入湖河流為主要差異的分區調查結果，黃陂湖不同湖區生物多樣性和水環境特征均受入湖河流影響較大，盡管不同片區退圩前土地利用性質較為近似，但由于入湖河流的影響，引起水環境、土壤狀況均出現較大差異，導致植物群落產生差異，這和李中強等[13]的研究結論一致。田玉清等[13]在河西走廊的研究發現，水生植物群落類型及多樣性主要受水溫、海拔、經緯度、鹽度及溶解性固體總量影響并呈顯著性相關，表明了水環境差異可以較大程度的影響植物多樣性指數。而在本研究中，PCA分析結果顯示淺水湖泊水陸交錯帶植物多樣性同樣受水環境影響較為強烈，因此，入湖河流的污染情況可以在很大程度上決定湖區水陸交錯帶植物組成，從而進一步影響生態修復工程的實施效果。

在水環境因子對植物群落多樣性指數的影響方面，李靜等[15]的結果表明COD和水位是影響植物群落分布的關鍵環境因子，其研究結論和本研究結果稍有差異。本研究表明TN和pH對植物多樣性的影響大于其他環境因子，主要原因可能是研究區域不同，李靜等的研究區域位于高山湖泊，受污染情況較輕，而本研究中黃陂湖受污染情況較為嚴重，高污染負荷使得影響植物群落特征的最主要環境因子發生改變。

5 結 論

(1) 淺水湖泊水陸交錯帶植物多樣性較高，目前黃陂湖水陸交錯帶植被群落呈現演替先鋒階段；

(2) 土壤中重金屬指標大多和pH呈相關關系，在本流域水環境檢測中可以考慮利用pH初步了解土壤重金屬情況；

(3) 水環境因子和植物群落多樣性的相關性更為密切，其中多樣性和水環境中N含量呈正相關，均勻度指數和溫度呈正相關；

(4) 黃陂湖南半湖和北半湖污染程度存在較大差異，入湖河流污染是黃陂湖的主要污染源；

(5) 人工擾動對植被群落構建的影響要大于退圩前養殖活動的影響，在對潛水湖泊進行生態修復時要考慮湖區環境差異，構建差異性群落，提高生態修復工程的實施效率。