南亚热带景观湖泊水生植物筛选研究（Ⅱ）——用综合评价指标体系筛选水生植物

李运国

（铁汉山艺环境建设有限公司，广东深圳 518003）

近年来，随着城市绿化进程加快，城市景观湖泊观赏植物的需求逐年增加，但目前景观植物的使用普遍存在着品种少、模式化严重、配置方式和景观雷同，以及外来植物比重逐渐增加等问题［1-3］，不仅造成了城市景观类似，缺乏地域特色，也可能引起生物入侵等一系列的生态问题［4-5］。与外来水生植物相比，乡土水生植物有较强的生态适应性、抗逆性、抗病虫害能力和自我繁衍能力，且易于养护管理，可避免植被均质化，具有巨大的开发利用潜力［6-7］。据此，筛选适合本地环境和气候条件的景观湖泊乡土水生植物受到了人们越来越多的关注。

水生植物是植物的一个重要生态类型，其主要的生态学特性不仅包括生长效应和景观效应，还包括反映各种胁迫对植物萌发、生长、营养代谢、光合作用以及抗逆、抗病等一系列生理方面的综合效应，这些效应共同构成了水生植物生态学特性的内涵［8-11］。因此如何评价水生植物的综合利用价值，选择合适的植物种类，特别是选择当地抗污力强、净化效果好、经济效益高，且能充分发挥水生植物之间的协同性达到湖泊生态修复、观赏和经济利用目的的物种是一个重要的科学问题［12-13］。

利用生态学手段对水生植物多样性进行评价，在国内外已有深入的研究。然而，应用生态学方法对景观湖泊水生植物的综合利用价值进行量化评估的研究在国内外鲜有报道［14-15］。本研究在深入调查广东景观湖泊水生植物资源，研究水生植物丰富度与多样性的基础上，进一步以AHP 方法构建评价指标体系［16］，对其进行综合评价，以期筛选出具有较高综合利用价值的乡土水生植物，为受损湖泊水体生态修复、园林绿化和现代城市景观建设的应用提供理论和技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

于2019年夏秋季在从东境内5 个景观湖泊水岸湿地调查研究的47 种水生植物中选取具有良好利用前景的21 种供试材料（表1）。

表1 供试的水生植物名录Table 1 List of primary aquatic plants

1.2 方法

首先依据文献资料和前期研究结果［17-19］，编列出筛选评判标准和主要指标体系，构建层次结构（图1），然后采用专家咨询评判方法对试验材料进行综合评判和赋值［20-21］，最后通过AHP 多层次决策分析比较各种参试植物对总体目标的贡献率，通过排序确定出综合利用价值较高的水生植物。

图1 水生植物综合利用价值评价的层次结构Fig.1 Hierarchy structure of comprehensive utilization value evaluation of hydrophytes

1.3 综合利用价值评判的指标体系和层次结构

将水生植物综合利用价值评价体系划分为3 个层次，使其上一层次对下一层次有支配作用，下一层次对上一层次有影响作用。总目标层（A）以植物的综合利用价值最高或相对较高为筛选的总体目标，位居上层。生活型层（B）包括挺水、浮水和沉水3 个生活型，逐项测试综合利用价值，并确定其对拟筛选的总体目标的贡献率。水生植物层（C）以参试的21 种水生植物为基本因子，逐一测试其对生活型层的贡献率，并通过总排序计算其对总体目标的贡献率，以贡献率大小确定筛选结果。

1.4 水生植物综合利用价值的评判标准

在初步筛选的基础上，选择以下4 种定性指标作为综合利用价值的评判标准和赋值依据。

1.4.1 综合利用价值的定性指标 （1）生态价值：具有良好生态适应性，包括对环境、温度、水深等的适应性；抗逆性和对病虫害的抵抗能力；净水功能好，包括吸纳和富集磷、氮、重金属、有机污染物等；增加和保护生物多样性。

（2）观赏价值：植物自身的叶、芽、花、果、姿态、特色、点缀效果和观赏性；优化植物群落结构，增加空间层次感和季相效果，增强园林景观魅力；在景观中发挥作用的时间（一年生或多年生）。

3）经济价值：含直接和间接经济价值，包括饲用、食用、药用和农副产品的加工原料；栽培、管理的难易程度及植物的后处理问题；为水生动物提供食物来源和栖息地。

⑷科学价值：植物自身的珍稀度、科研示范和科普教育作用。

1.4.2 判断矩阵及综合利用价值的分值标定 采用李自珍的层次分析和专家咨询方法，从第2 层开始逐次确定判断矩阵（表2），并依据上述定性指标对各种生活型及其对应水生植物的综合利用价值标定分值［16-18］。

判断矩阵的确定：首先逐对比较基本因素fi和fj对筛选目标A贡献的大小，给出它们之间的相对比重αij。根据分析、对比研究结果，一般认为当fi和fj对筛选目标A贡献相差很小时，可取αij=1；当fi比fj贡献稍大时，取αij=3，如若介于二者之间时可取αij=2（以下类推）；当fi比fj贡献大时，取αij=5；当fi比fj贡献很大时，取αij=7；当fi比fj贡献非常大于时，可取αij= 9；当fi比fj的 贡献小 时，则αij=1／αji。这样，就可以确定αij的值，进而得到判断矩阵A（表2）。

表2 判断矩阵表Table 2 Judgment matrix table

1.5 求解判断矩阵特征向量与最大特征根的数学模型

（1）计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi

（2）计算Mi的n次方根Wˉi（3）对向量Wˉ＝［Wˉ1Wˉ2……Wˉn］T正规化

（4）计算判断矩阵最大特征根λmax

式中：(A W)i为A W的第i个元素。

（5）检验判断矩阵的一致性

式中：CI为一致性指标；n为矩阵阶数；RI为平均随机一致性指标；CR为随机一致性指标。

⑹层次总排序及其一致性检验

式 中：αi为 特 征向量；CIi和RIi分别为 与αi对应层次（B 层或层C）中判断矩阵的一致性指标和随机一致性指标。

用Excel 软件进行数据处理。

2 结果与分析

2.1 不同生活型单排序和一致性检验

参试的21 种水生植物隶属于3 个生活型，其中挺水生活型（B1）13 种，浮水生活型（B2）和沉水生活型（B3）各4 种。3 个不同生活型的水湿生植物对筛选总体目标综合利用价值的权重值排序为：W1>W2>W3，即挺水生活型>浮水生活型>沉水生活型，其中，挺水生活型的有效性占总贡献率的65.26%，浮水生活型占21.69%，沉水生活型占13.50%，前两个生活型总贡献率高达86.95%（表3）。表明挺水生活型对水生植物筛选总体目标具有绝对重要性；沉水与浮水两个生活型的贡献率之和不足挺水生活型的1/2，但它们对实现总体目标仍然具有不可替代的作用。同时可以看出生活型的最大特征根为λ=3.001 8，一致性检验系数CI=0.090 0，CR=0.099 1<0.1，因此该判断矩阵具有满意的一致性。

表3 不同生活型对总体目标综合利用价值的判断矩阵单排序和一致性检验Table 3 The single ordering and consistency test of the judgment matrix for the comprehensive utilization value of different life types to the overall goal

2.2 不同水生植物单排序和一致性检验

2.2.1 挺水植物单排序和一致性检验 挺水植物Ci

（Ci=1，Ci=2…Ci=13）中权重值大于10% 的3 种植物依次是芦苇（C1）、香蒲（C2）和蒲苇（C3），这3 种植物对挺水生活型综合利用价值的贡献率高达48.11%，其余10 种植物总贡献率只占51.89%（表4）。表明芦苇、香蒲和蒲苇在13 种参试的挺水植物中，具有最大或较大的贡献。该判断矩阵特征向量的最大特征根为λ=14.678 8，一致性检验系数为CI=0.095 9，CR=0.089 7<0.1，达到了一致性检验标准。

表4 挺水植物对挺水生活型综合利用价值判断矩阵及单排序和一致性检验Table 4 The value judgment matrix，single ranking and consistency test of emergent plants'comprehensive utilization of emergent life forms

2.2.2 浮水植物单排序和一致性检验 浮水植物Ci（Ci=14，Ci=15…Ci=17）中对该生活型综合利用价值的权重值排序为：C14>C15>C16>C17，其中，芡实（C14=0.454 7）的权重值最大，其次为萍蓬草（C15=0.303 4），二者之和为75.81%（表5），表明这2 种浮水植物对该生活型综合利用价值的贡献最大或较大。该判断矩阵特征向量的最大特征根为λ=4.261 2，一致性检验系数为：CI=0.087 1，CR=0.097 9<0.1，达到了一致性检验标准。

表5 浮水植物对浮水生活型综合利用价值判断矩阵及单排序和一致性检验Table 5 The value judgment matrix，single ranking and consistency test of floating plants'comprehensive utilization of floating life form

2.2.3 沉水植物单排序和一致性检验 4 种沉水植物Ci（Ci=18，Ci=19…Ci=21）对该生活型综合利用价值的权重值排序为：C18>C19>C20>C21，其中，狐尾藻（C18=59.72%）和金鱼藻（C19=19.86%）的权重值之和为79.58%（表6），表明其对沉水生活型综合利用价值具有最重要或较重要的贡献。该判断矩阵特征向量的最大特征根为λ=4.226 9，一致性检验系数为：CI=0.075 6，CR=0.084 9<0.1，达到了一致性检验标准。

表6 沉水植物对浮水生活型综合利用价值判断矩阵及单排序和一致性检验Table 6 Value judgment matrix，single ranking and consistency test for comprehensive utilization of floating water life forms of submerged plants

2.3 层次总排序及一致性检验

21 种水生植物对总体目标的有效性排序为：芦苇C1>芡实C14>香蒲C2>狐尾藻C18>蒲苇C3>萍蓬草C15>水葱C4>荷花C5>千屈菜C6>黄菖蒲C7>睡莲C16>雨久花C8>黄花鸢尾C9>花叶芦竹C10>金鱼藻C19>梭鱼草C11>美人蕉C12>旱伞草C3>水鳖C17>枯草C20>菹草C21。总排序一致性指标CI=0.120 1，CR= 0.090 5<0.1（表7），表明具有满意的一致性。

表7 层次总排序计算表Table 7 Calculation table of total hierarchical sorting

和单排序结果比较，总排序中所有植物的排序位置均发生了变化，这是因为单排序中只限于生活型内部各种植物之间的相互比较，且总样本数较少，其重要性的相对比例就比较低，总排序则是参试植物不受生活型所限，且总样本数为21，因此其相对重要性随着样本数的增加而发生了变化，这反映出每种植物对不同层次（B 层、A 层）的作用程度，以及整体和局部的关系。例如C 层的荷花对B 层挺水植物的权重值为7.40%，其重要性排第5 位，但对总目标（A 层）的重要性排到第9 位，同样C 层的芡实对B 层浮水植物的权重值为30.34%，其重要性排第2 位，但对总目标（A层）的重要性却排到第6 位等。这进一步证明上一层次对下一层次重要性的支配作用以及下一层次对上一层次重要性的影响作用，说明每种水生植物对筛选总目标综合利用价值的有效性同时与其生活型相关联。

综上所述，层次总排序的前15 种水生植物的生态价值、观赏价值、经济价值和科学价值最高或较高，并具有较好的推广和使用价值。

2.4 水生植物在景观水体中的应用及预期效果分析

根据美学和生态学原理结合植物的生物学习性，对15 种综合利用价值较高的水生植物进行合理配置，可以预期它将会对包括景观湖泊在内的各种水体（不论它在园林中占有主景、配景或小景的地位）创造出丰富多彩的水体景观。

2.4.1 宽阔水域的水生植物配置及预期效果 宽阔水域植物配置模式应以营造水生植物群落景观为主，主要考虑远观，植物配置注重整体、连续的效果。水生植物应用主要以量取胜，给人一种壮观的视觉感受。为此：①通过大规模单一种植荷花、或荷花—睡莲的形式来营建秀丽的荷塘景色；②用木桩固定生态浮床，在浮床上丛植美人蕉类、雨久花、梭鱼草，以及黄菖蒲、花叶芦竹、水葱及旱伞草等四季常绿的开花植物营造水生植物景观，同时在水面上放养鸭子可增添自然野趣，并可极大地丰富植物景观季相变化，维持常年较好的观赏效果；③片植芡实和萍蓬草创造以蓝色花系为主的植物群落景观，既可点缀水面空间，也可提高湖面的活跃度和水体的灵动性。

2.4.2 水体驳岸浅水区域水生植物配置及预期效果 水体驳岸一般为石岸、混凝土岸和土岸等，线条生硬而枯燥，所以应在岸边配置合适的植物，使线条柔和，为此：①采用“梭鱼草+雨久花+美人蕉+黄花鸢尾”等观花类，“芦苇+香蒲+蒲苇+菖蒲+花叶芦竹”等观叶、观形类的挺水植物，以丛植、群植和片植进行交错组合配置，营造水平植物群落；②应用“乔木—挺水植物—浮水植物”3 层结构模式进行立体植物群落造景。这种沿水体驳岸浅水区域构建的水生植物群落具有体量大，株形、花色、花期各异，既可较好地柔化岸边建筑、园路景观的硬质感，使水陆自然过渡、融为一体、自然有趣，并极大地提高水生植物群落景观的观赏价值。

2.4.3 协调综合效应的水生植物配置 针对景观水体普遍受到污染、富营养化程度较高的情况，在保留传统造景配置时大量应用挺水植物的基础上，种植具有极强水质净化作用的浮水植物芡实，沉水植物狐尾藻和金鱼藻，可获得去除污染水体中过多的N、P 养分以及Hg、Cr、Zn、Cu 等重金属离子，增加水体的溶解氧含量，提高好氧性微生物的代谢水平，防止水体恶臭变质，促进分泌化感物质抑制藻类生长，降低水体的富营养化水平等综合效应。

3 讨论

景观湖泊水生植物是一个生态学范畴上的类群，是不同类群植物通过长期适应湖泊水环境而形成的趋同性适应类型［22-23］。本项研究结果表明，景观湖泊水生植物的生长发育除受水体这一主导因子影响以外，环境中其他因子（污染、人类干扰、水温、水深等）对其生长发育也有一定的影响，逐渐形成了不同的生活型，并具有不尽相同的综合利用价值。这与多数文献报道相一致［24-25］，同时启示我们：进一步开展各环境因子间的相关性研究是深入研究景观湖泊水生植物的主要方向之一。

关于环境因子对景观湖泊水生植物生长发育影响的研究已有大量报导，但多数局限于单一的净水、防污、保护生物多样性、园林绿化或经济价值等领域，且主要集中在群落尺度上，且值得注意的是对种群或品种的生态、观赏及经济的综合利用价值研究还比较薄弱［26］。本研究从生态、观赏及经济的综合效应出发，对21 种水生植物进行测试、分析比较、并按综合利用价值排列出对筛选总体目标重要性序列，达到科学选择景观湖泊水生植物的目的。这一研究方法和研究结果，不但具有重要的理论意义和学术价值，而且对于开发利用水生植物资源、景观湖泊的植物群落配置、受损湖泊生态修复和提高城市绿化的综合效益等具有重要的实用性。

今后开展大型水生植物对湖泊生态修复技术研究时，应选择合适的植物种类，特别是选择当地抗污力强、净化效果好、经济效益高且便于收割的物种是一项优先考虑的研究内容；同时，还应该考虑多物种的合理组合，充分发挥水生植物之间的协同性，达到湖泊生态修复的目的。

结合现行的园林绿化、湖泊水污染治理及生态修复实践，作者注意到同一种生活型物种之间和不同生活型物种之间的相互作用（如共生、互生和化感作用等）对综合利用价值会产生不同程度的影响，因此，有必要将其作为后续研究的主要方向进行深入探索。

4 结论

以参试的3 个生活型水生植物为筛选对象，结果表明，挺水植物对筛选总体目标贡献率最大，其次为浮水植物和沉水植物。

在不同生活型内，挺水植物的重要性排序为芦苇>香蒲>蒲苇>水葱>荷花>千屈菜>黄菖蒲>雨久花>黄花鸢尾>花叶芦竹>梭鱼草>美人蕉>旱伞草；浮水植物的重要性排序为芡实>萍蓬草>荇菜>水鳖；沉水植物的重要性排序为狐尾藻>金鱼藻>枯草>菹草。21 种水湿生植物对筛选总体目标的重要性和贡献率依次为：芦苇>芡实>香蒲>狐尾藻>蒲苇>萍蓬草>水葱>荷花>千屈菜>黄菖蒲>荇菜>雨久花>黄花鸢尾>花叶芦竹>金鱼藻>梭鱼草>美人蕉>旱伞草>水鳖>枯草>菹草。

21 种水生植物的综合利用价值与传统园林绿化造景、生态修复等所利用的植物有一定差异，实际应用时应根据主要用途和植物的综合利用价值进行优化组合，以释放其最大效益。