北京媯水河水生植物群落調(diào)查與水質(zhì)響應(yīng)關(guān)系研究

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(1.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450046；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038)

水生植物作為水生生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，在調(diào)節(jié)水生生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、凈化水體以及為水生動物提供食物和棲息地等諸多方面具有重要作用[1]。近年來，受城市化進(jìn)程發(fā)展和人類活動的影響，水生植物的生存環(huán)境遭到了不同程度的破壞，植物種類、數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)均發(fā)生顯著變化?；诤恿魉参飮?yán)重退化問題，加強河流水生植物群落研究工作，對于準(zhǔn)確認(rèn)識水生植物退化機(jī)理，利用水生植物修復(fù)河流受損生境具有重要意義[2]。目前，針對河流水生植物的研究主要集中在水生植物多樣性、植物群落演替規(guī)律等方面[3-7]。劉存等[8]對衡水湖浮游植物多樣性進(jìn)行了分析和評價，結(jié)果表明研究區(qū)浮游植物物種豐富，呈現(xiàn)先下降后上升趨勢。樊蓓莉等[9]通過對臥龍湖濕地植被物種多樣性特點研究，構(gòu)建了濕地生態(tài)凈化系統(tǒng)。梁少民等[10]在河南省沿黃濕地、灘地對草本植物群落開展?jié)竦刂脖欢鄻有蕴卣餮芯?，結(jié)果表明區(qū)域間物種多樣性差異顯著，植物多樣性顯示過渡和干擾效應(yīng)。張茹春[11]調(diào)查北京市懷沙河、懷九河水生植物共有16科18屬24種，水生植物群落有香蒲群落、慈姑群落、滿江紅群落、水毛茛群落、豆瓣菜等13個群落。卜夢嬌等[12]對北京市以再生水為補充水源的11座公園河、湖濕地進(jìn)行了植物現(xiàn)狀調(diào)查，記錄了42種水生植物和9種植物群落類型，其中荷花+香蒲-睡蓮+蓮蓬草-苦草+金魚藻群落、蘆葦+千屈菜+野慈姑-金魚藻+石龍尾群落、荻-王蓮+鳳眼蓮-輪葉狐尾藻群落為北京市典型的3種濕地水生植物群落類型。李博等[13]調(diào)查北京拒馬河流域水生植物共有192種，分別隸屬于49科127屬，其中菊科和禾本科為優(yōu)勢種，蒿屬、眼子菜屬和蓼屬所含物種較多，含1種的科、屬所占比例較大，說明拒馬河北京段濕地植物群落受干擾較大。王妍等[14]以巢湖小柘皋河不同河段存在的差異性為依據(jù)開展了水生植物調(diào)查及多樣性分析，上游河段主要分布挺水植物群落，中游河段以“喜旱蓮子草+水鱉”為優(yōu)勢群落，下游河段則主要為沉水植物群落。

本文以北京市媯水河為研究對象，根據(jù)不同河段的差異性將河段分為山區(qū)型、城區(qū)型和緩坡型河段，對不同河段水生植物和水質(zhì)狀況進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合水質(zhì)狀況研究水生植物群落結(jié)構(gòu)和分布規(guī)律，以期為今后媯水河水生植物群落合理配置及生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)根據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

媯水河位于北京市延慶區(qū)，屬于海河流域永定河水系，是官廳水庫的三大入庫河流之一，2019年世園會和2022年冬奧會都將在此舉辦。媯水河全長18.5 km，流域面積1 064.66 km2，流域地勢東北高，西南低，東、南、北三面環(huán)山，西面為官廳水庫，沿途有蔡家河、三里河、古城河等9條主要支流匯入，見圖1。其中古城河、佛峪口溝較大，常年有基流，其余支流基流量較小，屬季節(jié)性河流。流域內(nèi)多年平均降水量503.8 mm，降水在年內(nèi)、年際和地區(qū)間分布不均衡，汛期6—9月降水量約占全年降水量的80%，水資源量時空分布不均，是北方地區(qū)典型的缺水性河流。

2 研究方法

水生植物受周圍環(huán)境因素影響在不同時期展現(xiàn)不同生命力。張?zhí)m芬等研究表明[15]，水體中營養(yǎng)鹽濃度的升高對沉水植物的生長具有促進(jìn)作用，但當(dāng)營養(yǎng)鹽濃度過高又會抑制沉水植物的生長。5—7月份是水生植物生長旺盛期，生物量和蓋度均有所增加，為了減少夏季溫度升高對沉水植物的抑制作用，于2018年5月對媯水河干流和支流(三里河、蔡家河、古城河)開展了水生植物實地調(diào)查。按照媯水河不同河段差異性，分為山區(qū)型、緩坡型、城區(qū)型河段，其中蔡家河和媯水河干流屬緩坡型河段，三里河屬城區(qū)型河段，古城河屬山區(qū)型河段。

圖1 媯水河水系與調(diào)查河段分布

在研究區(qū)域每隔1 km設(shè)置一個采樣點，這樣在整個調(diào)查河流長度范圍內(nèi)共形成7個采樣點。在每個采樣點處取200 m長、左右河岸帶各100 m寬的代表性河段作為植物調(diào)查單元，采用從上游到下游步行的方法，使用手持GPS儀記錄調(diào)查路線的經(jīng)緯度和海拔。每個研究樣地內(nèi)選取100 m×100 m的研究樣方，并在其內(nèi)設(shè)置2～3條樣線，共設(shè)置18條樣線(表1)，每條樣線上按照沿河岸帶至水面縱向設(shè)定3個1 m×1 m的小樣方，每個樣方間距離大于5 m，這樣18條樣線合計有54個1 m2的植物分布小樣方。

表1 媯水河水生植物群落調(diào)查樣線匯總

3 結(jié)果與討論

3.1 調(diào)查結(jié)果

3.1.1媯水河水生植物種類分布現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)查，媯水河現(xiàn)有水生植物14種，隸屬于12科12屬。優(yōu)勢科為龍膽科、傘形科、金魚藻科、浮萍科，共4科；常見科為禾本科、香蒲科、天南星科、眼子菜科，共4科；偶見科為小二仙草科、水茛科、雨久花科、貍藻科，共4科。

按植物資源生態(tài)型看，挺水植物6種，沉水植物6種，漂浮植物1種，浮葉植物1種，見表2。在整個研究區(qū)域，蘆葦是常見種，與其他植物形成群落。挺水植物是優(yōu)勢生態(tài)型，占植物物種總數(shù)的42.9%。從調(diào)查樣方統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，挺水植物為建群種，在18個樣方中的出現(xiàn)率為83.3%。建群種類型以香蒲、蘆葦為主，平均高度0.95 m，平均蓋度為16%；菖蒲、菰為主要的伴生種，平均高度0.52 m，平均蓋度19%。浮葉植物和沉水植物出現(xiàn)率分別為16.7%和38.9%，浮水植物的平均蓋度為21%，以荇菜和浮萍為主；沉水植物的平均蓋度為25.8%，以指示河流污染的金魚藻、狐尾藻、水毛茛為主，其中，水毛茛是指示水質(zhì)狀況良好的物種。

表2 媯水河現(xiàn)狀水生植物名錄

3.1.2媯水河水生植物群落物種多樣性

依照優(yōu)勢種原則，水生植物群落的命名以各群落優(yōu)勢種的名稱作為該群落的名稱，同一層次的優(yōu)勢種之間用“+”號連接，不同層次的優(yōu)勢種之間用“-”號連接[16]。根據(jù)調(diào)查，媯水河現(xiàn)有水生植物群落6個，其中，挺水植物群落4個，沉水植物群落1個，漂浮群落1個，見表3。調(diào)查區(qū)域水深在10～200 cm之間，一般水深低于80 cm；底質(zhì)主要由沙質(zhì)底泥和淤泥組成。

表3 媯水河現(xiàn)狀水生植物群落分布

3.1.3媯水河水質(zhì)狀況

3.2 討論

3.2.1媯水河水深對水生植物物種分布影響

在自然生境中，河流水位會隨不同季節(jié)降水量的變化而產(chǎn)生波動，針對河流水位的動態(tài)變化，水生植物會通過改變地上和地下生物量的分配方式來保證生存。此外，基于不同河流水位的變化，水生植物的群落也存在差異性。由于不同水生植物生活類型不同，其對水深的變動常呈現(xiàn)不同的形態(tài)可塑性。這種形態(tài)可塑性表現(xiàn)在水生植物會通過改變生長形態(tài)、繁殖方式和生物量分配模式來適應(yīng)水深在時空上的變化。從一定程度上講，河流水深也決定著水生植物的分布格局。

圖2 不同采樣點和CODCr濃度變化

圖3 不同采樣點pH、DO、溫度和TDS變化

通過媯水河現(xiàn)狀水生植物群落分布情況(表3)可以看出，媯水河干流下游段和蔡家河支流水深較大，分布著水生植物群落Ⅳ——蘆葦+香蒲-貍藻-荇菜群落和群落Ⅴ——菰+香蒲-眼子菜群落，以蘆葦、香蒲和菰等挺水植物為主，荇菜等浮葉植物分布較少。水深會影響挺水植物的生長、繁殖與分布。當(dāng)水深超過一定深度后，挺水植物的生長會受到脅迫，為減輕這種脅迫作用造成的危害，挺水植物能通過部分形態(tài)可塑性來調(diào)整形態(tài)結(jié)構(gòu)和資源分配方式以適應(yīng)水深的變化[17]。袁桂香等[18]通過研究不同水深梯度對菖蒲、香蒲、茭草、水蔥等4種常見挺水植物生長和繁殖的影響發(fā)現(xiàn)，4種挺水植物能夠通過增加地上部分的相對生物量、減少地下部分的相對生物量及增加地上部分的伸長生長來適應(yīng)水深的增加。同時，挺水植物會受水深的影響而改變分配策略，水深較大時產(chǎn)生相對較少的莖而增加莖的高度。一方面，受光照條件的限制和CO2與O2氣體交換的需要，挺水植物會努力伸長水面以上的高度[19]；另一方面，水位上漲使得被水淹沒部分的葉子無法進(jìn)行光合作用而產(chǎn)生衰老，促進(jìn)植株頂端枝葉加速向上生長。荇菜等浮葉植物能夠生長在比挺水植物所承受的最大深度更深的水域[20]。媯水河上游及中下游的城區(qū)型和山區(qū)型河段水深較小，分布著群落Ⅲ——菰+香蒲+菖蒲群落，群落Ⅳ——菰+蘆葦+水芹，群落Ⅱ——菹草+水毛茛+金魚藻群落及群落Ⅰ——浮萍-金魚藻群落，以菹草、水毛茛、金魚藻等沉水植物為主要生活類型，浮萍等漂浮植物分布也較為廣泛。對挺水植物來講，大水深條件會影響植物組織結(jié)構(gòu)的支撐作用和水氣關(guān)系，而對沉水植物而言，大水深會增加水中的光衰減程度，從而通過限制水中的光線和CO2濃度來影響沉水植物的生長[21]。柏祥等[22]在巢湖開展的原位試驗表明，沉水植物狐尾藻在相對淺的水深條件下具有最大的株高和生物量。從兩種水深區(qū)域水生植物群落結(jié)構(gòu)對比來看，淺水區(qū)域相對于深水區(qū)域沉水植物和浮葉植物種類和數(shù)量更多。針對每個采樣點，從河岸向河道中泓線隨著水深梯度的變化，水生植物的種類也存在顯著差異，造成這種顯著差異與水生植物自身的結(jié)構(gòu)和特性有關(guān)。

3.2.2媯水河水質(zhì)對水生植物群落分布影響

從水生植物群落分布與媯水河水質(zhì)狀況的相關(guān)性分析結(jié)果可以看出，水質(zhì)狀況良好的河段沉水植物種類較為豐富，采樣點Q01、Q03和Q05主要分布有群落Ⅳ——菰+蘆葦+水芹，群落Ⅱ——菹草+水毛茛+金魚藻群落和群落Ⅰ——浮萍-金魚藻群落。沉水植物能夠有效改善水體的水質(zhì)及觀賞效果，因此這3處采樣點的水質(zhì)較其他采樣點位好。但沉水植物的耐污性較差，因為它們的莖葉沉沒于水下，與河水充分接觸，水質(zhì)污染不僅會降低河水的透明度，減弱水下光照，而且污染物附著在植物莖葉表面會直接影響光合作用，并滋生細(xì)菌和附著藻類而致其死亡[23]。位于城區(qū)段的采樣點Q04水質(zhì)最差，分布著以耐污植物為主的群落Ⅲ——菰+香蒲+菖蒲群落。說明沉水植物的生長和分布對周圍水環(huán)境要求較高，在一定程度上可以指示水質(zhì)狀況。另外，水體DO含量也是影響沉水植物群落分布的主要環(huán)境因子之一，沉水植物能夠大大增加水體中DO的濃度，對污染物的去除率也具有一定的提高。采樣點Q01、Q03和Q05的DO較高，適宜菹草、水毛茛、金魚藻等沉水植物生長。采樣點Q06的DO最高，分布著群落Ⅴ——菰+香蒲﹣眼子菜群落，其中沉水植物眼子菜具有較強的凈化能力。位于水質(zhì)狀況較差河段的Q07、Q06和Q04采樣點分布有群落Ⅵ——蘆葦+香蒲-貍藻-荇菜群落，群落Ⅴ——菰+香蒲-眼子菜群落和群落Ⅲ——菰+香蒲+菖蒲群落，植物群落以挺水植物為優(yōu)勢種，其中菰具有較強的耐污能力。沉水植物荇菜是受水質(zhì)影響較小的浮葉植物[24]。位于城區(qū)型河段Q04采樣點的群落Ⅲ——菰+香蒲+菖蒲群落耐污能力更強，楊皓然[25]通過對30種水生景觀植物的耐污能力進(jìn)行對比，證實了菖蒲、菰和菹草等植物會在污水環(huán)境下產(chǎn)生適應(yīng)性逆抗反應(yīng)，可以通過調(diào)節(jié)自身脯氨酸含量以適應(yīng)污水環(huán)境。從媯水河不同類型河段水質(zhì)狀況與水生植物群落的分布對比來看，水質(zhì)狀況較好的山區(qū)型河段和緩坡型河段，分布著以沉水植物為建群種的植物群落，而水質(zhì)較差的城區(qū)型河段分布著以耐污型挺水植物為主的植物群落，且沉水植物群落一般不會在水質(zhì)較差的河段出現(xiàn)。

4 結(jié)論

a) 媯水河現(xiàn)狀分布水生植物共14種，其中，蘆葦、香蒲和菰為挺水植物建群種；沉水植物中菹草為常見種，且分布面積較大；漂浮植物中浮萍為常見種。

b) 媯水河中水生植物物種分布與不同干支流水深之間具有顯著相關(guān)性。媯水河干流下游段和蔡家河支流水深較大，水生植物以蘆葦、菖蒲、香蒲等挺水植物為主；媯水河干流上游段和古城河支流水深較小，水生植物以菹草、金魚藻等沉水植物為主。

c) 媯水河中水生植物群落分布與河流水質(zhì)具有顯著相關(guān)性。媯水河城區(qū)段(Q04和Q05)水質(zhì)較差，主要分布有耐污性較強的菰+香蒲+菖蒲群落、菰+蘆葦+水芹群落；媯水河上游山區(qū)段(Q01和Q03)水質(zhì)較好，主要分布以沉水植物為主的浮萍-金魚藻群落和菹草+水毛茛+金魚藻群落。媯水河中游緩坡型河段(Q06和Q07)水質(zhì)介于城區(qū)段和上游山區(qū)段之間，分布有以挺水植物為主的蘆葦+香蒲﹣貍藻﹣荇菜群落、菰+香蒲﹣眼子菜群落。

通過對媯水河不同河段水生植物群落分布狀況調(diào)查分析，初步梳理出了適宜媯水河不同類型河段生長的水生植物群落，以群落分布規(guī)律為依據(jù)，可以為媯水河生態(tài)修復(fù)提供思路和設(shè)計參考。