吕晓燕，于鲁冀，2，王 莉，范鹏宇，徐艳红

1．郑州大学环境政策规划评价研究中心，河南 郑州 450002

2．郑州大学水利与环境学院，河南 郑州 450001

3．西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西 西安 710048

河流生态系统指河流水体的生态系统，属流水生态系统的一种，是陆地与海洋联系的纽带，在生物圈的物质循环中起主要作用。河流生态系统的组成包括生物组分、非生物组分，其中大型水生植物是生物组分中的重要组成部分，它不仅为其他生物组分中的动物提供食物、栖息地等，还直接参与河流生态系统的物质循环和能量流动、降解多种污染物、净化水体等，具有良好的指示作用［1-3］，同时人类活动对水生态系统的影响也可以通过水生植物反映出来［4］。国内大型水生植物的研究多集中于湖泊生态系统［5-8］，并且主要是植被分布状况以及水化学因子的影响分析，关于河流生态系统中水生植物的相关研究较少［9-11］。

河南省境内淮河流域(以下称“淮河流域河南段”)有关大型水生植物的相关研究尚未见报道。以淮河流域河南段作为研究区域，开展大型水生植物群落结构、分布状况的调查，并开展室内水化学因子的监测分析，旨在通过对大型水生植物的类群组成、多样性评价、水环境响应关系(典范对应分析，简称“CCA分析”)开展研究，了解研究区域水生植物状况、组成分布，并确定影响水生植物分布的关键因子，以期为该区域河流水生植物的恢复和保护提供科学依据。

1 实验部分

1.1 研究区域

淮河流域地跨湖北、河南、安徽、江苏4省40个地市。淮河干流发源于河南省桐柏县境内桐柏山主峰太白顶下，向东入安徽、江苏后注入黄海。淮河流域河南段的干流长340 km，流域面积8.83万 km2，流经信阳、周口、漯河、许昌、平顶山、开封、商丘7个省辖市及郑州、洛阳、南阳、驻马店4个省辖市的部分地区，共涉及11个省辖市67个县市(区)，占淮河流域总面积的32.7%，占河南省总面积的52.8%。流域内支流众多，南岸支流主要有浉河、潢河、白露河、史灌河等，北岸支流主要有洪汝河、沙颍河、涡河等河流。并且北岸河流除上中游外，其他主要是平原排水河道。

秦岭－淮河是中国南北气候分界线，淮河流域河南段既有南方气候的某些特征，又有北方气候的一些特征，研究区域在淮河干流以南为亚热带湿润季风气候区，空气湿度大，降水丰沛，气候温和。淮河干流以北为暖温带半湿润季风气候区，为典型的北方气候，过渡季节短，气候干燥，年内气温变化大。区域内多年平均降雨量为842.3 mm，降雨量年际变化大。汛期6—8月降雨最多，占全年降雨量的40%～67%。

1.2 研究方法

1.2.1 野外调查

野外调查选择在2013年8月，对研究区域内淮河干流及1～4级支流进行了全面综合考察，因此时为丰水期，水生植物种类最为丰富。研究调查共设置调查点位83个，调查点位如图1所示。具体调查方法:在每个调查点位沿河岸向河心方向布设3个大小为1 m×1 m的样方，测量记录样方内的物种名称、株数、高度、盖度、生物量(湿重和干重)以及优势种等指标，同时也对样方外的物种进行记录。水生植物的鉴定主要参考《世界水生植物》［12］和《湿地高等植物图志》［13］。在水生植物调查的同时，通过现场采取水样对水体环境因子进行测定分析。水样通过2.5 L的有机玻璃采水器采集。

图1 淮河流域河南段水生植物调查样点位置

1.2.2 环境因子的测定

在水生植物种类及生物量调查同时，共监测14项环境因子，其中水文指标包括水深、流速、透明度3项，水质物理化学指标包括水温、pH、电导率、氧化还原电位、浊度、DO、COD、氨氮、TN、TP、磷酸盐11项。其中水深的测定采用标杆法，流速采用便携式水文流速测量仪测定，透明度采用赛氏盘法。水体水温、DO指标采用HI9147便携式防水型溶解氧测定仪(意大利)，pH、氧化还原电位采用HI8424便携式pH和氧化还原电位计(意大利)，水中COD、氨氮、TN、TP、磷酸盐的测定采用DR280紫外分光光度计和DRB200消解仪进行。为防止水样变质，均在野外调查后的当晚完成水化学指标的监测。

1.2.3 物种多样性

针对水生植物多样性指数，采用应用较为广泛并能表征物种多样性指数的公式进行计算，主要从生物多样性、丰富程度、物种优势度和系统要素间的平衡关系进行分析，计算公式如下:

式中:ni为第i类个体数量，N为样本中所有个体数量，S为样本中的种类数，H指数表示群落的复杂程度，d指数表示物种的丰富程度，D指数表示物种的优势程度，J值表示物种分布的均匀状况。

1.2.4 数据分析

物种与环境因子关系分析采用CANOCO 4.5软件包标准程序进行。数据处理前对出现频度小于5的物种进行了剔除。

2 结果与讨论

2.1 水生植物组成

淮河流域河南段共有水生植物38种，隶属于25科33属，如表1所示。按生活类型可分为挺水植物、沉水植物、漂浮植物、浮叶植物。其中，挺水植物 20种，占 52.6%，沉水植物 11种，占28.9%，漂浮植物3种，占7.9%，浮叶植物4种，占10.5%。按植物科属分为禾本科、莎草科、蓼科、眼子菜科、水鳖科，分别为4、4、3、3、3 种，而其他科的物种占比较少，如香蒲科、泽泻科、伞形科、小二仙科、金鱼藻科等均为1种，单科单种占总数比例约为55%。按属划分为眼子菜属、蓼属、茨藻属、苔草属，分别为 3、3、2、2 种，其余为单属单种，占总数的73.7%。

表1淮河流域河南段丰水期水生植物调查名录

2.2 水生植物分布及其多样性分析

2.2.1 水生植物分布及其优势物种分析

指示种是指生物学或生态学特性能够对其他物种或环境状况特征起代表或指示作用的物种［14］。水生植物中不少物种因对水环境变化敏感而具有特殊的指示作用［15］，Schaumburg J等认为，大型植物生活时间长，能够综合反映长时间的环境状况［16］。因此，本研究统计研究区域河流大型水生植物类群组成及其优势物种，并分析各河流指示物种与水体关系。

在水生植物指示种的生活型谱中，沉水植物对水体污染最为敏感，尤其是当水中氮、磷等营养浓度升高，出现藻类水华和水体透明度下降等情况时，沉水植物会大面积消失，如水车前、苦草、微齿眼子菜等多分布在Ⅰ、Ⅱ类水质的湖泊与河流中［13］。浮叶植物对水体基底沉积物污染最为敏感，尤其是重金属和有毒有害物质，大多喜生长在Ⅰ～Ⅲ类水质中，而部分浮叶植物如莕菜和菱，对水体高氮磷和浊度大具有一定承受能力。挺水植物中香蒲、菖蒲、芦苇多为耐污种。见表2。

由表2可知，在调查的23条河流中，出现苦草的河流有7条，主要是北汝河、沙颍河、汾泉河、黑茨河等，相应的监测数据显示，此类断面水体透明度均大于0.5 m，且水质基本保持在Ⅱ类水左右。针对调查点位中出现莕菜或菱的10条河流，分析其点位污染物浓度状况，水体中TP范围为0.45～1.70 mg/L，均超出Ⅴ类水质标准，分析原因主要是河流接纳大量的生活污水，导致营养物质浓度较高。因此，此类水生植物可作为水体中营养物种浓度升高的指示物种。

表2 淮河流域河南段调查河流水生植物分布状况

淮河流域河南段中淮河干流及南岸支流中水生植物主要为水花生、水鳖、菱等，水生植物种类明显少于北岸支流。在淮河北岸，水生植物种类明显增多，特别是沙颍河及其支流颍河、北汝河、汾泉河等，水生植物种类较多。从优势种分析可知，在调查的23条河流中，14条河流的优势种均为水花生，此外如轮叶黑藻、水鳖、篦齿眼子菜等也分布较为广泛。

2.2.2 水生植物多样性及健康评价分析

根据式(1)～式(4)，分别从生物多样性、丰富程度、物种优势度和均匀度指数计算淮河流域河南段水生植物多样性指数，从计算结果分析，水生植物Shannon-wiener多样性指数分布为0～1.60，Margalef丰富度指数为 0 ～1.27，Simpson优势度指数分布为0～1.00，Pielou均匀度指数分布为0～1.00。以《淮河流域闸坝联合调度对河流水质影响分析》中制定的健康程度评价标准［17］为依据(表3)，开展调查点位的河流健康状况评价。

表3 河流水生生态系统健康程度评价

研究区域调查点位4个指数的健康状态占比如图2所示。针对调查的83个点位的水生植物健康状况，H指数主要呈现病态、不健康、亚健康状态，其占总调查点位的比例分别为24.1%、41.0%、34.9%;d指数主要呈现病态、不健康状态，占比分别为94.0%、6.0%;D指数除病态外，其他健康状态均有涉及，从不健康至很健康状态，占比分别为7.2%、25.3%、38.6%、28.9%;J指数主要呈现病态、健康、很健康状态，占比分别为18.1% 、65.1% 、16.8% 。

图2 各类状态水生植物健康程度点位数占比

从上述4个指数的健康状态分析可知，研究区域的水生植物群落复杂程度较为简单，表明水生植物种类数偏少。物种的丰富度较低，表明水体清洁状况较低，河流水体污染严重。物种的优势度在部分区域(淮干、史灌河、浉河、沙河、贾鲁河、惠济河)表现较为明显，基本上以水花生为优势种。从物种均匀度分析来看，除贾鲁河、索须河和颍河的4个点位处于病态外，其他点位水生植物呈现出较为均匀的分布状态。

2.2.3 影响水生植物分布及健康状态的因素分析

根据上述分析，研究区域常见水生植物为芦苇、水花生、金鱼藻、轮叶黑藻、水蓼、水鳖、篦齿眼子菜等。水生植物基本分布在河岸两侧，河中间水生植物较少，主要以沉水植物、漂浮植物为主。从研究区域的植物种类及健康程度划分来看，淮河流域河南段水生植物种类较少，水生植物基本处于不健康或亚健康状态，部分区域呈现病态。综合分析影响水生植物分布及其健康状况的主要因素有:

1)部分河流沙含量高，水体透明度低，不利于水生植物特别是沉水植物的生存。如区域中贾鲁河紧邻黄河，为解决灌溉水源不足及水质问题，引黄灌溉，由于没有控制泥沙的有效措施，致使水体透明度非常低。调查发现，部分调查点位的水体透明度只有几厘米到十几厘米，严重影响沉水植物的光合作用，使得植物的生存受到威胁。

2)水体污染导致水生植物种类减少。现场调查发现，研究区域中许多点位的水体中COD、氨氮、TN、TP超标，为劣Ⅴ 类水质，特别是TP超标严重，如惠济河受上游生活污水影响，水体污染严重，并且水面漂浮生活垃圾，水体发黑并散发着难闻的气味，个别地方覆满了浮萍。该种情况下，水体溶解氧含量非常低，严重影响了植物呼吸作用的进行，从而使得植物的生存受到威胁。

3)人为干扰强度大，使得水生植物难以生存。经调查，研究区域内河流受人为干扰严重，部分河流流经城市区域，许多地市对其城区或周围河道进行河岸或河道硬质化建设，这就完全阻碍了水生植物的生存。同时，当地居民还经常在河内进行大规模的采沙活动(如淮河干流、南岸支流潢河等)，严重破坏了水生植物的生存环境。

2.3 水生植物与环境因子的CCA分析

为进一步开展水生植物与水环境因子响应关系分析，针对调查中出现频次较高的水生植物及其生长环境进行研究，根据丰水期现场调查及水质监测结果统计分析，典型水生植物在水体环境中的变化范围，见表4(a)、表4(b)。

表4(a) 研究区域丰水期典型水生植物的部分水体环境因子(水深、流速、水温、pH、电导率)变化区间

续表4(a)

表4(b) 研究区域丰水期典型水生植物的部分水体环境因子(DO、COD、氨氮、TN、TP)变化区间

从表4(a)、表4(b)可以看出，金鱼藻(COD:3.03～60.68 mg/L，TN:0.01 ～26.99 mg/L，TP:0.56～5.52 mg/L)、水花生(COD:2.52～70.11 mg/L，TN:0.01 ～ 24.05 mg/L，TP:0.41 ～7.11 mg/L)、芦苇(COD:7.29 ～51.58 mg/L，TN:0.3～16.99 mg/L，TP:0.44～5.88 mg/L)等物种对水体污染物浓度的变化范围承受力较强，表明物种的适应性较强，可作为河流水生植物修复的备选物种材料。

由于水生植物物种数据DCA分析中环境梯度长度最大值为6.345＞4，因此选择CCA排序分析(图3)。CCA分析中，环境因子与坐标轴夹角越小，箭头越长，表示其对水生植物的影响越相关。

图3 淮河流域河南段水生植物排序与环境因子CCA二维排序

由图3可知，CCA排序结果第1轴(横坐标轴)蒙特卡洛检验P值为0.002＜0.05，通过检验。由各环境因子与排序轴的相关性可知，莕菜分布在排序轴的最左端，水花生分布在排序轴的最右端，其分布与其他物种呈现出明显差异性。从箭头的连线长度可知，TP、COD、pH、电导率对水生植物的影响明显高于其他因子。TN、氨氮、DO、流速、水深、氧化还原电位对水生植物的影响程度相对较小。从环境因子的箭头方向与水生植物第1轴的夹角进行分析，TP、氨氮、TN、位于第1轴右侧，与第1轴呈显著正相关，相关系数分别为0.509 9、0.325 9、0.232 7。pH、DO 位于第1 轴左侧，与第1轴呈显著负相关，相关系数分别为－0.349 1、－0.226 5。从环境因子的箭头方向与水生植物第2轴的夹角进行分析，COD、电导率位于第2轴的上侧，与第2轴呈显著正相关，相关系数分别为0.592 9、0.525 5。水温、氧化还原电位、流速位于第2轴的下侧，与第2轴呈显著负相关，相关系数分别为 －0.416 9、－0.276 8、－0.243 4。

从物种到环境因子的垂直距离来看，灰化苔草、金鱼藻、芦苇、水稗到环境因子TP、电导率、COD的垂直距离较小，说明TP、电导率、COD是他们的主要影响因子。翅茎灯心草、狐尾藻、苦草、轮生黑藻、水蓼到环境因子DO、pH、氧化还原电位的垂直距离较小，说明DO、pH、氧化还原电位是他们的主要影响因子。菱、水鳖、水花生到氨氮、TP、水温、水深的垂直距离较小，说明氨氮、TP、水温、水深是它们的主要影响因子。

植被是环境特征的综合反应，一定的植物群落对其生境梯度具有一定的指示作用［18］。由此本研究认为，水体的物理特征以及化学因子对水生植物生长具有一定的指示作用。TP、COD、pH、电导率和氨氮是影响水生植物分布的主要因子，从左到右，随着污染物浓度增加，水体污染严重，水生植物物种数逐渐减少，呈现为耐污种的存活，如水花生、菱、芦苇等，这也表明水体污染可能是限制水生植物生存的原因。

3 结论

通过在丰水期开展淮河流域河南段水生植物调查，并进一步开展水生植物组成分布分析、健康评价、水生植物与环境因子的CCA分析，确定了影响水生植物分布的主要因素，主要结论如下:

1)调查中共发现水生植物38种，其中，挺水植物 20种，占 52.6%，沉水植物 11种，占28.9%，漂浮植物3种，占7.9%，浮叶植物4种，占10.5%。常见种为芦苇、水花生、金鱼藻、轮叶黑藻、水蓼、水鳖、篦齿眼子菜等。

2)研究区域的水体良好的指示物种主要是苦草，水质恶化的指示物种主要是莕菜、菱。调查河流中多数河流优势种为水花生，此外如轮叶黑藻、水鳖、篦齿眼子菜等也分布较为广泛。

3)根据研究区域的植物种类及健康程度划分来看，淮河流域河南段水生植物种类较少，水生植物基本处于不健康或亚健康状态，部分区域呈现病态，分析原因主要是河流水体含沙量大、水体水质污染严重、人为干扰强度大。

4)根据水生植物分布与水环境因子CCA响应关系研究，影响水生植物的主要因子为TP、COD、pH、电导率、氨氮，随着污染物浓度的增加，主要呈现出耐污种水花生、菱、芦苇等植物。

因此，针对淮河流域河南段河流生态系统遭受破坏，不稳定的现象，并结合其影响因素分析，在下一步河流生态修复中应考虑水体污染严重以及人为活动干扰等因素，制定合理的修复措施及目标，恢复河流水生植物的多样性和水生态系统的稳定性。同时，根据水生植物与水环境因子响应分析，筛选对环境因子承受范围广的水生植物作为水生植被恢复的备选物种。

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