一种修复富营养化水体的水生植物种量化评估方法

摘要

本发明公开了一种修复富营养化水体的水生植物种量化评估方法，步骤：A、指标筛选：根据富营养化水体特征筛选出要调查的水体理化指标；B、野外调查：在典型区域范围内对河流或湖泊采用传统方法调查，记录样方中所有水生植物种名称，采集水样，测定水体物理指标；C、标准化无量纲化计算：按生态型将水生植物分为沉水植物、浮叶植物和挺水植物三类，按生态型计算每一物种对应的水体理化指标的标准化无纲量数据；D、赋予权重及总标准差计算：对理化指标赋予权重后计算每一物种无量纲化数据的总平均值和总标准差，E、排序及量化评估。该方法操作简便、快速、准确，满足河流、湖泊等湿地恢复，促进了湿地生态环境的高效恢复和功能群的配置。

说明书

技术领域

本发明属于植物生态修复技术领域，更具体涉及一种修复富营养化水体 的水生植物种量化评估方法，它适用于河流、湖泊等湿地恢复与重建工程中进行 多个水生植物物种选择的需要，促进湿地生态环境的高效恢复和功能群配置。采 用标准化无量纲化数据处理对水生植物按生活型进行量化评估，可一次性对多个 物种进行评估。

背景技术

随着我国大力开展生态文明建设，湿地生态恢复已成为当前改善我国生态环 境的重要举措，利用水生植物修复富营养化水体是生态修复中的通用技术。在湿 地生态恢复实践中，先锋物种的选择对于生态恢复的成功与否具有至关重要的作 用。虽然有较多的采用各种方法达到物种恢复成功的范例，并进行了广泛的讨论 和思考，但更多的仍属个案，缺乏普遍性的理论指导作用。当前，用于湿地恢复 的先锋物种选择更多的是依靠经验或简单的比较实验，尚无量化的评价方法和手 段。事实上，量化对于生态修复先锋物种的选择而言具有一定的难度，原因有二： 一是每个环境指标的量纲存在巨大差异，如水体的氮、磷浓度通常采用mg/L， 而透明度采用的是cm，导致数据不具有可比性；二是即使使用的是同一量纲， 但不同指标的数据却存在数量级的差异，如水体氮、磷浓度通常相差几倍、十几 倍或几十倍，同样导致数据的不可比性。在实际应用中，过分依赖于单因子实验 结果往往会产生误导性的结论，因为富营养化过程是多因子综合作用的结果。因 此，采用无量纲化的技术手段，将不可比的数据进行转换形成无量纲的数据，就 可以对各项指标和各组数据进行比较和综合评价，从而为生态修复工具种的筛选 提供了可能。

经中国专利网与相关论文网站检索，目前尚无有关修复富营养化水体的水生 植物量化评估方法的专利，但有文献报道，基本上是通过经验法或多物种在室内 控制的某一或两个环境因子条件下的比较实验获得结果后再应用于生态修复实 践中，如周晓红等的“江滩湿地水生植物对水体氮、磷污染物去除效果分析”《水 土保持研究》2007.14(4)137～140；高镜清等的“常见沉水植物对东湖重度富营 养化水体磷的去除效果”《长江流域资源与环境》2007.16(6)796～800；林春风 等的“四种沉水植物对富营养化水体的净化效果研究”《安徽农业科学》 2012.40(10)6083～6085；熊缨等的“不同挺水植物在生活污水中生长量及去 污能力比较研究”《环境研究与监测》2010.23(3)10～13；樊开青等的“5种 挺水植物净化富营养化水体氮磷效果的比较”《江苏农业科学》2011.39(6)598～ 599；姜翠玲等的“农田沟渠挺水植物对N、P的吸收及二次污染防治”《中国 环境科学》2004.24(6)702～706，等等。这些评估方法的应用范畴是非常有限的， 尤其要选择多个物种的时候，因为物种生态位的相似性将扰乱判断的准确性。因 此，建立一种快速、简便、准确的评估方法就显得尤为迫切。

发明内容

针对当前湿地生态恢复先锋物种筛选或评价中所多存在的物种少、评价周期 长等技术难点，本发明的目的是在于提供了一种应用于修复富营养化水体的水生 植物种无量纲化评估方法，方法易行，操作简便，快速、简便、准确，满足河流、 湖泊等湿地恢复与重建工程中进行多个水生植物物种选择，促进了湿地生态环境 的高效恢复和功能群的配置。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种应用于修复富营养化水体的水生植物种无量纲化评估方法，其步骤是：

（1）指标筛选：

根据富营养化水体的基本特征筛选出要调查的水体理化指标，水体理化指标 至少包括氨氮、硝态氮、总氮、可溶性磷酸盐、总磷、透明度、溶解氧、叶绿素 含量；

（2）野外调查：

在某一个典型区域范围内（以保证获取数据有足够的生态幅）对河流或湖泊 湿地采用传统方法进行随机或样线或样带布置的样方（1m×1m）调查，记录样方 中所有的水生植物物种名称，采集水样，测定水体物理特性指标，按照国家行业 技术标准测定分析水样的水体理化指标，得到每个样方中物种数及每一物种相对 应的各水体理化指标，样方数量在140个以上，260以下，且尽可能包含较多的 物种数，野外调查时必须选择在植物生长旺盛期，时间为每年的7-9月。

所述的水体理化指标的国家行业技术标准参见付强等的“地表水环境质量监 测实用分析方法”中国环境科学出版社.2009；

所述的水生植物的界定参照Cook的《世界水生植物》SPB Academic  Publishing.1990；（3）标准化无量纲化计算：

将水生植物按生态型分为沉水植物、浮叶植物和挺水植物3类进行分类存档， 筛选出出现8种以上的物种，将筛选出的物种（考虑到植物出现频次太少可能会 影响结果的可靠性）及其所对应的理化指标按植物生态型进行归类，计算同一生 活型中出现8次以上所有物种每一个水体理化指标的平均值和标准差（公式2）， 根据公式1标准化理化指标，即以同一生活型中每一水体理化指标为变量，把每 一变量值与其平均值之差除以该变量的标准差，得到同一生活型中每一水体理化 指标的标准化值：

$Z_i=(x_i-\bar{x})/\sigma ,$   公式1

其中：Z_i为同一生活型中某一水体理化指标的标准化值，

x_i为第i个测定值，i=1,2,3……n，n为植物出现总频次,

为为同一生活型中出现8次以上所有物种某一水体理化指标的平均值，

σ为同一生活型中出现8次以上所有物种某一个水体理化指标的标准差。

所述的标准差σ的计算公式为：

$\sigma =\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(x_i-\bar{x})}^2}$   公式2

其中：σ为同一生活型中出现8次以上所有物种某一个水体理化指标的标 准差，n为植物出现总频次（测定值的总数），xi为第i个测定值，i=1,2,3…… n，为同一生活型入选所有物种某一水体理化指标的平均值。

这里所指的标准差为同一生活型入选所有物种某一理化指标的标准差。标准 化无量纲化后各变量的平均值为0，标准差为1，从而消除量纲与数量级的影响。 数据经标准化无量纲化计算后就能将任何一个测定值xi转化为无量纲化数据。

所述的沉水植物是指植物体全部位于水层下面营固着生存的大型水生维管 束植物。具体为篦齿眼子菜、穿叶眼子菜、马来眼子菜、丝叶眼子菜、黄丝草、 大茨藻、小茨藻、轮叶黑藻、穗状狐尾藻、金鱼藻、苦草、菹草等。

所述的浮叶植物是指植物叶浮于水面，根长在水或底土中的大型水生维管束 植物植。具体为水鳖、莲、芡实、水葫芦、睡莲、荇菜、野菱、喜旱莲子草、槐 叶萍、满江红、苹、浮萍等。

所述的挺水植物是指植物的根、根茎生长在水的底泥之中，茎、叶挺出水面 的大型水生维管束植物植。具体为芦苇、菖蒲、稗草、藨草、野慈姑、荻、拂子 茅、辣蓼、红蓼、荆三稜、三稜草、水毛花、水葱、节节草、牛鞭草、雀稗、水 飞蓟、水芹、苔草、香附子、香蒲、野灯芯草、泽泻、针蔺、鳢肠等。

（4）赋予权重及总标准差计算：

根据无量纲化方法获得的每一物种的标准化无量纲化数据为基础，分别用公 式3和公式4计算每一物种每一个水体理化指标所获得无量纲化数据的平均值和 标准差：

$\overline{Z_j}=(Z_1+Z_2+Z_3+......Z_n)/n$   公式3,

${\sigma }_j=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(Z_i-\overline{Z_j})}^2}$   公式4，

其中：为某一物种某个理化指标无量纲化数据的平均值；

σ_j为某一物种某个理化指标无量纲化数据的平均值；

n为某一物种出现的总频次；

考虑到任何一个理化指标都是富营养化水体的基本特征，认为所有指标均具 有同等重要性，也就是说，权重是相等的，均取值为1，计算每一物种所有水体 理化指标所获得无量纲化数据的总平均值Z_总和总标准差σ_总，计算公式如下：

   公式5,

   公式6。

其中：n为水体理化指标的数量。

（5）排序及量化评估：

将同一生活型每一个物种所累加获得的总标准差进行排序，总标准差越大， 物种对富营养化水体的适应力更强，越适于用作修复富营养化水体的先锋物种， 即得到量化评估结果。

本发明建立了一个快速、简单的评估应用于富营养水体生态修复的水生植物 先锋物种，与现有技术相比其有益效果是：

（1）通过标准化无量纲化水生植物评估方法来筛选富营养化水体的先锋物 种，其过程简单、周期短，只需花费大面积野外调查的10-15d，而传统实验方 法一般要1个月以上才出效果；

（2）评估效率高，如在淮河流域（河南段）一次性就评估了8种沉水植物， 5种浮叶植物和10种挺水植物，而传统实验方法一般只一次性评估3-5种；

（3）从标准化无量纲化评估结果来看，也与以上提及文献的实验研究基本 上是一致的，但本方法就任何一种生态型都扩大了物种评估的范围，且排序更为 准确，在生态恢复中提供了更多的物种选择；

（4）本发明以淮河流域（河南段）各级河流为基础调查背景，可广泛用于 河流、湖泊等湿地生态恢复进行先锋物种筛选和多物种配置。

具体实施方式

下面申请人将结合淮河流域（河南段）实例对本发明方法做进一步的详细说 明，目的在于使本领域技术人员对本发明方法有更详尽的理解和认识，以下实施 例不应在任何程度上被理解为对本发明请求保护范围的限制。

实施例1：

一种修复富营养化水体的水生植物种量化评估方法，其步骤是：

（1）调查指标筛选：

以富营养化水体的基本特征为参照对野外调查的水体理化指标参数进行筛 选，根据河流富营养化水体的基本特征，筛选出要调查的水体理化指标，最终确 定为调查氨氮、硝态氮、总氮、可溶性磷酸盐、总磷、透明度、溶解氧这7个指 标；

（2）野外调查：

2013年8月15—8月27日，在淮河流域（河南段）8.83×10⁴km²范围内采 用传统方法对各级河流的水生植物及其环境因子进行随机样方（1m×1m）调查。 记录样方内各物种名称，野外测定部分水体物理特性指标。其余采集的水样装在 1L塑料瓶中，加2-3滴浓硫酸固定，立即寄往测试分析处（河南理工大学）供 水体化学特征分析。按照国家行业技术标准进行水样采集并测定分析水体理化指 标。采样点包含沙河、涡河、颍河3条四级河流，含大沙河、洮河、惠济河、黑 河、铁底河、小蒋河、贾鲁河、双洎河、清潠河、清水河、北汝河、汝河、澧河、 新蔡河、洪河、汾河、泥河、臻头河、闾河、竹竿河、小潢河、白露河、潢河、 史河、灌河、泉河26条五级河流及其支流。调查的样方总数为149个，获取了 589套水生植物和水体理化指标相对应的野外调查数据。共发现水生植物51种， 按生态型分，沉水植物12种，浮叶植物12种，挺水植物最多，为27种。各物 种名称及出现频次见表1。

所述的水体理化指标的国家行业技术标准参见付强等的“地表水环境质量监 测实用分析方法”中国环境科学出版社.2009；

所述的水生植物的界定参照Cook的《世界水生植物》SPB Academic  Publishing.1990；

表1淮河流域（河南段）河流野外调查的水生植物名录及出现频次

*在调查中，喜旱莲子草全是以漂浮的形态存在于河道中，故将该植物归于浮叶植物，而非挺水植物

（3）标准化无量纲化计算：

将水生植物按生态型分为沉水植物、浮叶植物和挺水植物3类，然后将出现 8次以上物种及其所对应的理化指标按植物生态型进行归类，最后进行标准化无 量纲化计算。在淮河流域（河南段），149个样方中共有沉水植物8种，浮叶植 物5种，挺水植物10种入选（详见表2）。按生活型计算每一个水体理化指标 的平均值和标准差（公式2），再进行标准化无量纲化数据计算（公式1）。标 准化法是把每一变量值与其平均值之差除以该变量的标准差（指同一生活型出现 8次以上所有物种同一水体理化指标所获得的标准差），具体公式为： $Z_i=(x_i-\bar{x})/\sigma$   公式1，

其中Z_i为标准化值，xi为第i个测定值，i=1,2,3……n，为平均值，σ 为同一生活型出现8次以上所有物种某一水体理化指标所获得的标准差。这样就 可以将同一生活型每一物种所有的水体理化指标换算成相对应的无量纲化数据。

标准差σ计算公式为：$\sigma =\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(x_i-\bar{x})}^2}$   公式2，

其中：σ为同一生活型出现8次以上所有物种某一水体理化指标所获得的 标准差，n为植物出现总频次，xi为第i个测定值，为同一生活型入选所有物 种某一水体理化指标的平均值。这里所指的标准差为同一生活型入选所有物种某 一理化指标的标准差。这样就可以将每一物种所有的水体理化指标换算成相对应 的无量纲化数据。

表2淮河流域（河南段）河流入选的水生植物名录

*在调查中，喜旱莲子草全是以漂浮的形态存在于河道中，故将该植物归于浮叶植物，而非挺水植物

现以实例进行进一步说明。在本次调查中，沉水植物共出现180频次，获得 180套物种与水体理化性质对应数据。经计算，氨氮、硝态氮、总氮、可溶性磷 酸盐、总磷、透明度、溶解氧的平均值分别为0.62mg/L,6.36mg/L,12.81 mg/L,0.23mg/L,0.45mg/L,27.84cm,3.99mg/L,标准差σ分别为1.07，6.94， 10.61，0.68，1.01，14.61，3.85。以穗状狐尾藻为例，观测值和计算所得的标 准化无量纲化数据如表3所示。

表3穗状狐尾藻水体理化特征的观测数据和标准化数据结果

（4）赋予权重及总标准差计算：

根据无量纲化方法获得的每一物种的无量纲数据为基础，考虑到任何一个理 化指标都是富营养化水体的基本特征，认为这几个指标具有同等重要性，也就是 说，权重是一致的，均取值为1，根据步骤（3）获得的标准化值，用公式3和 公式4计算每一物种每一个水体理化指标所获得的平均值和标准差：

$\overline{Z_j}=(Z_1+Z_2+Z_3+......Z_n)/n$   公式3,

${\sigma }_j=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{(Z_i-\overline{Z_j})}^2}$   公式4，

其中：为某一物种某个理化指标无量纲化数据的平均值；

σ_j为某一物种某个理化指标无量纲化数据的平均值；

n为某一物种出现的总频次；

最后通过公式5和公式6计算每一物种所有水体理化累加所获得的总平均值 和总标准差：   公式5,

   公式6。

其中：n为水体理化指标的数量。

以穗状狐尾藻为例，对表3中7个指标的无量纲化数据按公式3和公式4计 算所得每一个水体理化指标的平均值和标准差，最后累加获得所有指标的总平均 值和总标准差（见表4）。

表4穗状狐尾藻水体理化特征无量纲化数据的总平均值和总标准差

（5）排名和量化评估：

将同一生活型所有物种所获得的总平均值和总标准差进行排序，得到量化评 估结果（见表5）。评估标准为：总标准差越大，物种对富营养化水体的适应力 更强，越适应于用作修复富营养化水体的先锋物种。在淮河流域（河南段），8 种沉水植物对富营养化水体耐受能力从强到弱为：金鱼藻>菹草>篦齿眼子菜>黑 藻>苦草>穗状狐尾藻>马来眼子菜>丝叶眼子菜；5种浮叶植物耐受能力从强到弱 为：浮萍>喜旱莲子草>水鳖>野菱>荇菜；10种挺水植物耐受能力从强到弱为： 芦苇>辣蓼>菖蒲>稗草>香蒲>牛鞭草>藨草>苔草>鳢肠>雀稗。

所述的在一定面积的典型湿地区域内（足以反映物种生存生境）开展野外调 查，且保证样方数量达到140个以上，260个以下。

所述的野外调查须在植物生长旺盛的7-9月。

所述的植物数据和水体理化数据要配套使用。

所述的按生态型分为沉水植物、浮叶植物和挺水植物3类进行评价。

所述的物种出现的频次达到8次以上才能入选进行标准化无量纲化计算和 评价。

所述的标准化计算过程中的平均值和标准差是指同一生活型某一种理化指 标的的平均值和标准差，然后按照公式将任何一个xi测定值转化为无量纲化数 据。

所述的每一物种标准化无量纲化数据的总标准差进行评价，标准为：总标准 差越大，物种对富营养化水体的适应力更强，越适于用作修复富营养化水体的先 锋物种。

表5标准化无量纲化计算所得不同物种的平均值、标准差和综合排名