北京妫水河水生植物群落调查与水质响应关系研究

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(1.华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南郑州450046；2.中国水利水电科学研究院，北京100038)

水生植物作为水生生态系统的主要组成部分，在调节水生生态系统物质循环、净化水体以及为水生动物提供食物和栖息地等诸多方面具有重要作用[1]。近年来，受城市化进程发展和人类活动的影响，水生植物的生存环境遭到了不同程度的破坏，植物种类、数量和群落结构均发生显著变化。基于河流水生植物严重退化问题，加强河流水生植物群落研究工作，对于准确认识水生植物退化机理，利用水生植物修复河流受损生境具有重要意义[2]。目前，针对河流水生植物的研究主要集中在水生植物多样性、植物群落演替规律等方面[3-7]。刘存等[8]对衡水湖浮游植物多样性进行了分析和评价，结果表明研究区浮游植物物种丰富，呈现先下降后上升趋势。樊蓓莉等[9]通过对卧龙湖湿地植被物种多样性特点研究，构建了湿地生态净化系统。梁少民等[10]在河南省沿黄湿地、滩地对草本植物群落开展湿地植被多样性特征研究，结果表明区域间物种多样性差异显著，植物多样性显示过渡和干扰效应。张茹春[11]调查北京市怀沙河、怀九河水生植物共有16科18属24种，水生植物群落有香蒲群落、慈姑群落、满江红群落、水毛茛群落、豆瓣菜等13个群落。卜梦娇等[12]对北京市以再生水为补充水源的11座公园河、湖湿地进行了植物现状调查，记录了42种水生植物和9种植物群落类型，其中荷花+香蒲-睡莲+莲蓬草-苦草+金鱼藻群落、芦苇+千屈菜+野慈姑-金鱼藻+石龙尾群落、荻-王莲+凤眼莲-轮叶狐尾藻群落为北京市典型的3种湿地水生植物群落类型。李博等[13]调查北京拒马河流域水生植物共有192种，分别隶属于49科127属，其中菊科和禾本科为优势种，蒿属、眼子菜属和蓼属所含物种较多，含1种的科、属所占比例较大，说明拒马河北京段湿地植物群落受干扰较大。王妍等[14]以巢湖小柘皋河不同河段存在的差异性为依据开展了水生植物调查及多样性分析，上游河段主要分布挺水植物群落，中游河段以“喜旱莲子草+水鳖”为优势群落，下游河段则主要为沉水植物群落。

本文以北京市妫水河为研究对象，根据不同河段的差异性将河段分为山区型、城区型和缓坡型河段，对不同河段水生植物和水质状况进行调查，并结合水质状况研究水生植物群落结构和分布规律，以期为今后妫水河水生植物群落合理配置及生态修复提供科学根据。

1 研究区域概况

妫水河位于北京市延庆区，属于海河流域永定河水系，是官厅水库的三大入库河流之一，2019年世园会和2022年冬奥会都将在此举办。妫水河全长18.5 km，流域面积1 064.66 km2，流域地势东北高，西南低，东、南、北三面环山，西面为官厅水库，沿途有蔡家河、三里河、古城河等9条主要支流汇入，见图1。其中古城河、佛峪口沟较大，常年有基流，其余支流基流量较小，属季节性河流。流域内多年平均降水量503.8 mm，降水在年内、年际和地区间分布不均衡，汛期6—9月降水量约占全年降水量的80%，水资源量时空分布不均，是北方地区典型的缺水性河流。

2 研究方法

水生植物受周围环境因素影响在不同时期展现不同生命力。张兰芬等研究表明[15]，水体中营养盐浓度的升高对沉水植物的生长具有促进作用，但当营养盐浓度过高又会抑制沉水植物的生长。5—7月份是水生植物生长旺盛期，生物量和盖度均有所增加，为了减少夏季温度升高对沉水植物的抑制作用，于2018年5月对妫水河干流和支流(三里河、蔡家河、古城河)开展了水生植物实地调查。按照妫水河不同河段差异性，分为山区型、缓坡型、城区型河段，其中蔡家河和妫水河干流属缓坡型河段，三里河属城区型河段，古城河属山区型河段。

图1 妫水河水系与调查河段分布

在研究区域每隔1 km设置一个采样点，这样在整个调查河流长度范围内共形成7个采样点。在每个采样点处取200 m长、左右河岸带各100 m宽的代表性河段作为植物调查单元，采用从上游到下游步行的方法，使用手持GPS仪记录调查路线的经纬度和海拔。每个研究样地内选取100 m×100 m的研究样方，并在其内设置2～3条样线，共设置18条样线(表1)，每条样线上按照沿河岸带至水面纵向设定3个1 m×1 m的小样方，每个样方间距离大于5 m，这样18条样线合计有54个1 m2的植物分布小样方。

表1 妫水河水生植物群落调查样线汇总

3 结果与讨论

3.1 调查结果

3.1.1妫水河水生植物种类分布现状

根据调查，妫水河现有水生植物14种，隶属于12科12属。优势科为龙胆科、伞形科、金鱼藻科、浮萍科，共4科；常见科为禾本科、香蒲科、天南星科、眼子菜科，共4科；偶见科为小二仙草科、水茛科、雨久花科、狸藻科，共4科。

按植物资源生态型看，挺水植物6种，沉水植物6种，漂浮植物1种，浮叶植物1种，见表2。在整个研究区域，芦苇是常见种，与其他植物形成群落。挺水植物是优势生态型，占植物物种总数的42.9%。从调查样方统计数据看，挺水植物为建群种，在18个样方中的出现率为83.3%。建群种类型以香蒲、芦苇为主，平均高度0.95 m，平均盖度为16%；菖蒲、菰为主要的伴生种，平均高度0.52 m，平均盖度19%。浮叶植物和沉水植物出现率分别为16.7%和38.9%，浮水植物的平均盖度为21%，以荇菜和浮萍为主；沉水植物的平均盖度为25.8%，以指示河流污染的金鱼藻、狐尾藻、水毛茛为主，其中，水毛茛是指示水质状况良好的物种。

表2 妫水河现状水生植物名录

3.1.2妫水河水生植物群落物种多样性

依照优势种原则，水生植物群落的命名以各群落优势种的名称作为该群落的名称，同一层次的优势种之间用“+”号连接，不同层次的优势种之间用“-”号连接[16]。根据调查，妫水河现有水生植物群落6个，其中，挺水植物群落4个，沉水植物群落1个，漂浮群落1个，见表3。调查区域水深在10～200 cm之间，一般水深低于80 cm；底质主要由沙质底泥和淤泥组成。

表3 妫水河现状水生植物群落分布

3.1.3妫水河水质状况

3.2 讨论

3.2.1妫水河水深对水生植物物种分布影响

在自然生境中，河流水位会随不同季节降水量的变化而产生波动，针对河流水位的动态变化，水生植物会通过改变地上和地下生物量的分配方式来保证生存。此外，基于不同河流水位的变化，水生植物的群落也存在差异性。由于不同水生植物生活类型不同，其对水深的变动常呈现不同的形态可塑性。这种形态可塑性表现在水生植物会通过改变生长形态、繁殖方式和生物量分配模式来适应水深在时空上的变化。从一定程度上讲，河流水深也决定着水生植物的分布格局。

图2 不同采样点和CODCr浓度变化

图3 不同采样点pH、DO、温度和TDS变化

通过妫水河现状水生植物群落分布情况(表3)可以看出，妫水河干流下游段和蔡家河支流水深较大，分布着水生植物群落Ⅳ——芦苇+香蒲-狸藻-荇菜群落和群落Ⅴ——菰+香蒲-眼子菜群落，以芦苇、香蒲和菰等挺水植物为主，荇菜等浮叶植物分布较少。水深会影响挺水植物的生长、繁殖与分布。当水深超过一定深度后，挺水植物的生长会受到胁迫，为减轻这种胁迫作用造成的危害，挺水植物能通过部分形态可塑性来调整形态结构和资源分配方式以适应水深的变化[17]。袁桂香等[18]通过研究不同水深梯度对菖蒲、香蒲、茭草、水葱等4种常见挺水植物生长和繁殖的影响发现，4种挺水植物能够通过增加地上部分的相对生物量、减少地下部分的相对生物量及增加地上部分的伸长生长来适应水深的增加。同时，挺水植物会受水深的影响而改变分配策略，水深较大时产生相对较少的茎而增加茎的高度。一方面，受光照条件的限制和CO2与O2气体交换的需要，挺水植物会努力伸长水面以上的高度[19]；另一方面，水位上涨使得被水淹没部分的叶子无法进行光合作用而产生衰老，促进植株顶端枝叶加速向上生长。荇菜等浮叶植物能够生长在比挺水植物所承受的最大深度更深的水域[20]。妫水河上游及中下游的城区型和山区型河段水深较小，分布着群落Ⅲ——菰+香蒲+菖蒲群落，群落Ⅳ——菰+芦苇+水芹，群落Ⅱ——菹草+水毛茛+金鱼藻群落及群落Ⅰ——浮萍-金鱼藻群落，以菹草、水毛茛、金鱼藻等沉水植物为主要生活类型，浮萍等漂浮植物分布也较为广泛。对挺水植物来讲，大水深条件会影响植物组织结构的支撑作用和水气关系，而对沉水植物而言，大水深会增加水中的光衰减程度，从而通过限制水中的光线和CO2浓度来影响沉水植物的生长[21]。柏祥等[22]在巢湖开展的原位试验表明，沉水植物狐尾藻在相对浅的水深条件下具有最大的株高和生物量。从两种水深区域水生植物群落结构对比来看，浅水区域相对于深水区域沉水植物和浮叶植物种类和数量更多。针对每个采样点，从河岸向河道中泓线随着水深梯度的变化，水生植物的种类也存在显著差异，造成这种显著差异与水生植物自身的结构和特性有关。

3.2.2妫水河水质对水生植物群落分布影响

从水生植物群落分布与妫水河水质状况的相关性分析结果可以看出，水质状况良好的河段沉水植物种类较为丰富，采样点Q01、Q03和Q05主要分布有群落Ⅳ——菰+芦苇+水芹，群落Ⅱ——菹草+水毛茛+金鱼藻群落和群落Ⅰ——浮萍-金鱼藻群落。沉水植物能够有效改善水体的水质及观赏效果，因此这3处采样点的水质较其他采样点位好。但沉水植物的耐污性较差，因为它们的茎叶沉没于水下，与河水充分接触，水质污染不仅会降低河水的透明度，减弱水下光照，而且污染物附着在植物茎叶表面会直接影响光合作用，并滋生细菌和附着藻类而致其死亡[23]。位于城区段的采样点Q04水质最差，分布着以耐污植物为主的群落Ⅲ——菰+香蒲+菖蒲群落。说明沉水植物的生长和分布对周围水环境要求较高，在一定程度上可以指示水质状况。另外，水体DO含量也是影响沉水植物群落分布的主要环境因子之一，沉水植物能够大大增加水体中DO的浓度，对污染物的去除率也具有一定的提高。采样点Q01、Q03和Q05的DO较高，适宜菹草、水毛茛、金鱼藻等沉水植物生长。采样点Q06的DO最高，分布着群落Ⅴ——菰+香蒲﹣眼子菜群落，其中沉水植物眼子菜具有较强的净化能力。位于水质状况较差河段的Q07、Q06和Q04采样点分布有群落Ⅵ——芦苇+香蒲-狸藻-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为优势种，其中菰具有较强的耐污能力。沉水植物荇菜是受水质影响较小的浮叶植物[24]。位于城区型河段Q04采样点的群落Ⅲ——菰+香蒲+菖蒲群落耐污能力更强，杨皓然[25]通过对30种水生景观植物的耐污能力进行对比，证实了菖蒲、菰和菹草等植物会在污水环境下产生适应性逆抗反应，可以通过调节自身脯氨酸含量以适应污水环境。从妫水河不同类型河段水质状况与水生植物群落的分布对比来看，水质状况较好的山区型河段和缓坡型河段，分布着以沉水植物为建群种的植物群落，而水质较差的城区型河段分布着以耐污型挺水植物为主的植物群落，且沉水植物群落一般不会在水质较差的河段出现。

4 结论

a) 妫水河现状分布水生植物共14种，其中，芦苇、香蒲和菰为挺水植物建群种；沉水植物中菹草为常见种，且分布面积较大；漂浮植物中浮萍为常见种。

b) 妫水河中水生植物物种分布与不同干支流水深之间具有显著相关性。妫水河干流下游段和蔡家河支流水深较大，水生植物以芦苇、菖蒲、香蒲等挺水植物为主；妫水河干流上游段和古城河支流水深较小，水生植物以菹草、金鱼藻等沉水植物为主。

c) 妫水河中水生植物群落分布与河流水质具有显著相关性。妫水河城区段(Q04和Q05)水质较差，主要分布有耐污性较强的菰+香蒲+菖蒲群落、菰+芦苇+水芹群落；妫水河上游山区段(Q01和Q03)水质较好，主要分布以沉水植物为主的浮萍-金鱼藻群落和菹草+水毛茛+金鱼藻群落。妫水河中游缓坡型河段(Q06和Q07)水质介于城区段和上游山区段之间，分布有以挺水植物为主的芦苇+香蒲﹣狸藻﹣荇菜群落、菰+香蒲﹣眼子菜群落。

通过对妫水河不同河段水生植物群落分布状况调查分析，初步梳理出了适宜妫水河不同类型河段生长的水生植物群落，以群落分布规律为依据，可以为妫水河生态修复提供思路和设计参考。