在城市河流近乎自然修复的过程中，水生植物群落的结构特征及其群落形成机制

《Landscape and Urban Planning》：Structural characteristics and community formation mechanisms in aquatic plant communities during the near-natural restoration of urban rivers

城市河流生态修复中水生植物群落结构及恢复机制研究——基于广州三河四年监测数据，揭示了水深与植物多样性/覆盖率的负相关关系，近自然措施（调低水位/保留底泥/补充再生水）通过优化河床地形与水质提升生态效能，群落形成由环境异质性和物种互作共同驱动，证实了科学修复对水自净能力及植物群落稳定性的促进作用。

　　城市河流生态修复对于水生生态系统管理至关重要。理解水生植物群落的形成机制是掌握河流生态系统结构与功能恢复的关键。然而，当前关于近自然修复方法如何塑造水生植物群落的系统性研究仍显不足。本文旨在探讨广州实施水位降低、污泥保留和再生水补充等措施后，水生植物群落的结构变化及其主要影响因素，并进一步揭示植物恢复与群落形成的机制。通过对流溪河、李村河和沙河的水生植物、水文和水质参数进行采样、测量与分析，研究时间跨度为2020年秋季至2023年秋季。研究结果表明，这三条河流中共记录到126种水生植物，分属40个科、86个属，其中禾本科和莎草科是主要的科属，且植物覆盖度在四年内呈现出一致的上升趋势。部分相关性分析显示，水深与植物种类丰富度、覆盖度和多样性之间存在显著的负相关关系。水生植物群落在三条河流中的形成是环境异质性、扩散限制和种间相互作用等多重因素共同作用的结果。随着河流栖息地压力的增加，植物群落的随机性特征逐渐减弱，而确定性特征则逐渐增强。研究结果为理解城市河流水生植物群落修复的响应机制提供了详尽的数据和理论依据，同时也证实了近自然修复措施能够有效提升水生植物在河流中的恢复潜力。

广州作为粤港澳大湾区的核心城市，长期以来依赖水系资源进行发展。在超过两千年的城市演进过程中，有效的水资源管理始终是城市发展的基础（Lin et al., 2020）。然而，自20世纪80年代以来，随着人口的快速增长和经济的迅速发展，工业废水和生活污水大量排入河流，导致水质严重恶化，出现了黑臭水体，对水生生态环境造成了极大破坏（Lin et al., 2018）。近年来，广州在治理黑臭水体方面加大了力度，取得了显著成效。截至2019年，广州147条河流和沟渠的黑臭现象已基本消除（广州市生态环境局，2019），相关治理项目顺利通过验收，河流的生态活力逐步恢复。为进一步提升河流的自净能力，恢复生态系统的完整性，广州市政府提出了多项创新、低碳、可持续且以自然为基础的生态修复模式（广州市水务局，2017）。这些模式包括通过保留河床污泥用于地形改造，从而促进河岸、浅滩和湿地的形成；通过维持自然低水位，使河床更多地暴露于阳光下，提高水温与溶解氧水平，进而增强微生物活性，促进污泥的氧化分解；以及通过再生水的再利用，补充河流水量，改善水流循环，增强水体与大气之间的氧气交换（中国环境新闻，2021）。

近自然修复在全球范围内已被证明对河流生态管理具有重要意义。例如，欧洲的莱茵河修复项目通过重塑河流形态和河床横截面，引入多层级结构（如泛滥平原和湿地），拆除水坝，恢复水生生态环境，取得了显著成果（Staentzel et al., 2019）。然而，城市河流相较于自然水体面临更为严峻的挑战，如长期高污染负荷、硬化河床以及广泛采用的“三面混凝土”硬质河岸，这些因素严重干扰了生物的正常生长。因此，传统近自然修复模式在城市河流中的直接应用受到限制（Gutiérrez-Rial et al., 2023）。水生植物作为水生生态系统的重要组成部分，不仅能够提升水体透明度，优化景观功能（Choudhury et al., 2018），还能通过完整的食物链构建，增强生态系统的稳定性（Casartelli and Ferragut, 2018）。尽管广州已通过实施水位降低、污泥保留和再生水补充等措施，为水生植物创造了潜在的栖息环境，但关于植物群落恢复与水体自净能力的系统性实证研究仍较为有限。

生态群落的形成机制可以通过生态位理论和中性理论进行探讨。生态位理论强调生态系统的确定性过程，包括环境选择（如营养物质和温度等非生物因素）和种间相互作用（如竞争或共生关系），认为生态位分化是物种共存与演化的驱动力（Tilman, 1994）。生态位重叠则反映了物种之间在资源利用上的竞争（Cooper et al., 2020）。此外，种间关联有助于揭示物种之间的相互关系，并预测群落的发展与演替模式（Chen et al., 2018）。相反，中性理论则认为物种分布主要受到随机因素的影响，如随机扩散、随机物种形成与灭绝等（Behrenfeld and Bisson, 2024）。在实际应用中，这两种理论为理解水生植物群落的构建过程提供了互补的视角。基于此，本文提出了两个假设：（i）创新性的近自然修复措施能够有效提升河流的自净能力，并促进水生植物群落的恢复；（ii）河流的栖息地特征会调节生态位与中性过程之间的权衡，从而导致不同河流在实施近自然修复后，其水生植物群落的恢复效果存在差异。

研究区域位于广州，地处中国低纬度沿海地区的南亚热带区域，受南亚热带海洋季风气候影响，呈现出温暖湿润、雨热同季的特征（Li et al., 2025）。年平均气温约为22-23℃，年降水量在1700-1900毫米之间。夏季炎热多雨，台风频发；冬季温和干燥。尽管如此，广州的河流生态系统仍面临着诸多挑战，包括长期污染、地形改造、水文条件变化等。为了系统评估近自然修复措施对水生植物群落的影响，本文选取了流溪河、李村河和沙河作为研究对象，对这三条河流的水生植物群落进行了为期四年的监测与分析。通过收集水生植物的种类、分布以及相关水文和水质数据，研究团队能够全面评估修复措施对植物群落结构和功能的影响。

在四年的调查期间，研究区域内的水生植物种类呈现出显著的变化。最终记录到的植物种类总数为126种，分属40个科、86个属。其中，禾本科（Poaceae）占比最高，达到18.3%；其次是莎草科（Cyperaceae），占比为11.9%；其他较为常见的科包括蓼科（Polygonaceae）占7.9%，菊科（Asteraceae）占6.3%，唇形科（Acanthaceae）占5.6%，天南星科（Araceae）占4.8%。从植物类型来看，挺水植物和湿地植物占据了绝大多数，共计121种，而沉水植物仅有3种，浮水植物和漂浮叶植物则分别仅有一种。这种分布格局可能与三条河流主要为流动水体的特性有关，使得漂浮和漂浮叶植物难以长期生存。沉水植物通常具有较长的茎叶，适应于较深水体的环境，但在流动水体中，它们的生存受到一定限制。

研究还发现，水深与植物种类丰富度、覆盖度和多样性之间存在显著的负相关关系。随着水位的降低，植物群落的覆盖度逐渐增加，而物种多样性则有所下降。这一现象表明，水深是影响植物群落结构的重要环境因素。较低的水位有助于提高水体的光照强度，从而促进植物的生长，同时也为植物提供了更稳定的栖息环境。此外，研究团队还发现，植物群落的形成是多种生态过程共同作用的结果，包括环境异质性、扩散限制和种间相互作用。在自然条件下，植物群落的形成往往受到生态位分化的影响，即不同物种在资源利用上的差异。然而，在城市河流中，由于人为干预和环境压力的增加，植物群落的形成可能更依赖于生态位之间的竞争与共生关系。因此，植物群落的恢复不仅受到环境条件的影响，还与物种之间的相互作用密切相关。

进一步分析表明，植物群落的随机性特征随着河流栖息地压力的增加而逐渐减弱，而确定性特征则不断增强。这一趋势意味着，在城市河流修复过程中，植物群落的恢复可能更倾向于由环境条件和物种间的相互作用主导，而非单纯的随机扩散。例如，某些植物可能因适应性更强而占据优势地位，从而影响整个群落的结构和功能。此外，研究还发现，河流的形态、栖息地特征和水深变化能够调节生态位与中性过程之间的平衡，进而影响植物群落的恢复效果。因此，在进行城市河流修复时，需要综合考虑这些因素，以实现更有效的生态恢复。

本文的研究结果不仅为城市河流的生态修复提供了实证支持，也为未来相关研究奠定了理论基础。通过长期监测与分析，研究团队发现，近自然修复措施能够有效改善河流的自净能力，并促进水生植物群落的恢复。这些措施包括通过地形改造促进底泥的氧化分解，通过水位调节改善水体环境，以及通过再生水的再利用增强水体的流动性。这些策略不仅有助于提升水体的生态功能，还能为城市河流的可持续管理提供科学依据。此外，研究还强调了生态位与中性过程在植物群落形成中的重要性，指出在城市河流修复过程中，需要平衡这两种机制，以实现更稳定的生态恢复。

在研究过程中，团队成员充分发挥各自的专业优势，共同完成了这项复杂的研究工作。Yijia Li负责研究的原始撰写、软件应用、数据分析和数据管理；Ran Tao则在可视化、监督和方法设计方面提供了重要支持；Jie Zhang和Jiafei Zhang参与了研究的撰写与修订，并进行了实地调查；Xiaomeng Zhang负责项目的整体监督；Yunv Dai在资源协调和资金获取方面提供了帮助；Yiping Tai负责数据的整理与管理；Yang Yang则在项目管理与研究构思方面发挥了关键作用；Ming Li和Qianhong Xuan参与了数据收集与分析；Wenling Zhu负责研究的撰写与编辑。团队成员的共同努力确保了研究的顺利进行，并为研究结果的科学性与可靠性提供了保障。

最后，研究团队声明，他们未发现任何可能影响本文研究结果的潜在利益冲突。本文的研究成果得到了广州市水务科技计划项目的资助（GZSWKJ2022-004, GZSWKJ2023-003, 440101-2021-10693），以及广东省自然科学基金（2023A1515030019）和广东省国际科技合作基地（2019A050505005）的支持。这些资金支持为研究的开展提供了必要的资源保障，使得团队能够深入探讨近自然修复措施对水生植物群落的影响，并为城市河流的生态管理提供科学依据。