周茂飛， 鄭建偉， 關(guān)保華， 張 雪， 殷春雨

(1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇南京 210044； 2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 210008)

通信作者：鄭建偉，副教授，主要從事水生植物以及湖泊生態(tài)修復(fù)研究。E-mail：jwzheng@163.com。

水體富營養(yǎng)化是當(dāng)前突出的環(huán)境問題，我國大部分湖泊、水庫、河流都處于富營養(yǎng)化甚至超富營養(yǎng)化狀態(tài)[1]。富營養(yǎng)化破壞了水生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水體喪失自凈能力，飲用水水質(zhì)受到嚴(yán)重威脅[2-4]。近年來，我國已經(jīng)開展了大量工作，在流域范圍內(nèi)控制湖泊的外源污染，但很多湖泊依然存在持續(xù)不斷的外源污染，導(dǎo)致湖泊水質(zhì)難以好轉(zhuǎn)甚至持續(xù)惡化[5-6]。

沉水植物是水生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[7]，能夠通過促沉降、吸收營養(yǎng)鹽、抑制沉積物釋放營養(yǎng)鹽并提高沉積物滯留營養(yǎng)鹽能力等作用，降低水體營養(yǎng)鹽含量，維持水體清澈，減少水體的內(nèi)源負(fù)荷，是富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵工具種[8-10]。但在水生態(tài)修復(fù)的過程中，是否需要完全切斷外源污染依然存在爭議[11]。

由于大量草型湖泊和生態(tài)修復(fù)后的湖泊依然存在持續(xù)外源污染，沉水植物在持續(xù)外源污染條件下能否繼續(xù)維持上覆水低營養(yǎng)鹽是一個值得探討的問題，因此本研究設(shè)置室外控制試驗，分為刺苦草組與無草組，持續(xù)添加氮、磷營養(yǎng)鹽，定期監(jiān)測上覆水營養(yǎng)鹽、浮游植物和附著植物的變化，分析持續(xù)氮、磷負(fù)荷對沉水植物系統(tǒng)上覆水營養(yǎng)鹽含量和浮游植物的影響，為保護(hù)和修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計及樣品處理

試驗于中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所太湖863實驗基地開展。將8個52 L藍(lán)色塑料桶統(tǒng)一放置在一塊土質(zhì)平臺上，下部埋入土10 cm，用于固定試驗桶并減緩試驗水體溫度過高。塑料桶上內(nèi)徑41 cm，下內(nèi)徑33 cm，桶高56 cm。每個塑料桶中鋪設(shè)6 cm沉積物，沉積物采自太湖梅梁灣的蘆葦帶，揀出沉積物中的螄螺、雜物和植物殘體，混勻后鋪入塑料桶中。每個桶中加入40 cm深的水(水來自太湖，泵入湖邊的水泥池中澄清7 d后使用)，水體總氮含量為0.8 mg/L，總磷含量為0.1 mg/L。沉積物和水放入試驗桶后，為避免附著和浮游藻類生長蓋上桶蓋遮光澄清24 h。之后，在其中4個塑料桶中均勻種植10株來源相同、大小一致、由塊莖萌發(fā)的刺苦草幼苗(平均生物量±標(biāo)準(zhǔn)差=0.060 5±0.008 g/株，平均高度±標(biāo)準(zhǔn)差=16.74±1.90 cm；平均葉數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差=7.6±0.81張)。另外4個塑料桶中不種植植物作為無植物對照，并在水深10 cm處懸掛 80 cm2的塑料片作為附著植物的附著基。采集試驗桶20 cm深處水樣和0～3 cm表層沉積物，測定初始總氮(TN)、總磷(TP)含量，并留取刺苦草草樣。

設(shè)置2個試驗處理(表1)，模擬太湖等湖泊外源負(fù)荷氮、磷含量[12-13]，處理組分別每3 d添加1次營養(yǎng)鹽(NH4Cl與KH2PO4)，外源氮負(fù)荷量為80 mg/(m2·d)，外源磷負(fù)荷量為4 mg/(m2·d)，并在添加營養(yǎng)鹽之前定時測定上覆水pH值和水溫。試驗過程中定期刷洗桶壁，避免附著生物生長；每隔3 d添加蒸餾水至試驗桶中，彌補(bǔ)蒸發(fā)散失的水分，使水深保持40 cm；下雨時，用雨布遮蓋試驗桶。

1.2 樣品分析

表1 試驗處理

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 20.0軟件對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，差異顯著性檢驗采用單因素方差分析(one-way ANOVA)。當(dāng)P<0.05時，表示有顯著性差異；當(dāng)P>0.05時，表示沒有顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 上覆水各形態(tài)氮含量的變化

2.2 上覆水各形態(tài)磷含量的變化

與氮一樣，種植刺苦草也能降低上覆水中各種形態(tài)磷的含量，但與無草組無顯著差異(P>0.05)。其中，有草組的TP、TDP、PO4-P含量低于無草組16.67%、36.33%、47.75%(圖2)。

2.3 上覆水pH值的變化

在持續(xù)添加氮、磷負(fù)荷20 d內(nèi)，刺苦草組上覆水中的pH值與無草組沒有差別，此后則開始高于無草組(圖3)，整個試驗期間平均高出無草組9.4%，整體顯著高于無草組(P<0.05)。

2.4 浮游植物和附著植物的變化

刺苦草系統(tǒng)上覆水中浮游植物葉綠素a含量一開始低于無草組，但20 d后開始略高于無草組，試驗后期高出較多(圖4)，但二者并無顯著差異(P>0.05)。刺苦草系統(tǒng)中附著植物葉綠素a含量顯著低于無草組(P<0.05)。

3 討論

“草清型”穩(wěn)態(tài)的水體指沉水植物豐富、透明度高、水質(zhì)較好的穩(wěn)定水體狀態(tài)，而“藻濁型”穩(wěn)態(tài)的水體指藻類大量生長、渾濁、水質(zhì)差的水體[15-16]。富營養(yǎng)化導(dǎo)致許多淺水湖泊從“草清型”穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤霸鍧嵝汀狈€(wěn)態(tài)，在這個過程中，沉水植物消失和藻類暴發(fā)的先后順序是一個值得研究的問題。從本試驗結(jié)果來看，在總氮含量為0.8 mg/L，總磷含量為 0.1 mg/L 的水體中(接近我國長江中下游大部分湖泊水體營養(yǎng)鹽含量[17])，持續(xù)添加氮、磷80、4 mg/(m2·d)負(fù)荷20 d后，沉水植物已經(jīng)無法抑制浮游植物生長?？梢灶A(yù)見，隨著浮游植物的大量生長，遮蔽了沉水植物能夠獲得光照，從而導(dǎo)致沉水植物生長受限直至消失。因此，藻類的暴發(fā)可能是先于沉水植物消失的。

研究表明，沉水植物通過促進(jìn)沉降、提高沉積物滯留能力以及吸收等作用，能顯著降低富營養(yǎng)化水體中的營養(yǎng)鹽含量[18-20]。在本研究相同的氮、磷負(fù)荷情況下，刺苦草組上覆水中各形態(tài)的氮、磷含量都低于無草組。因此，在富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)過程中，沉水植物常常作為工具種使用[20-21]；對自然湖泊的生態(tài)修復(fù)，也常常把促進(jìn)沉水植物恢復(fù)作為水質(zhì)恢復(fù)的必要前提[22]。但是，在生態(tài)修復(fù)的過程中，很多水體依然有很高的營養(yǎng)鹽含量[23]。由于我國富營養(yǎng)化水體的營養(yǎng)鹽本底值已經(jīng)很高，外源營養(yǎng)鹽的持續(xù)輸入，將會在短期內(nèi)破壞沉水植物構(gòu)建的清水穩(wěn)態(tài)，重新轉(zhuǎn)變?yōu)楦∮卧孱愓純?yōu)勢的濁水穩(wěn)態(tài)，因此在富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)過程中必須嚴(yán)格切斷外源負(fù)荷。

沉水植物對水體的pH值也會有影響[24]。在本研究相同的氮、磷負(fù)荷情況下，刺苦草組上覆水中的pH值顯著高于無草組，且越到后期越明顯。趙聯(lián)芳等研究表明，水體的pH值是由游離的CO2含量與碳酸之間的平衡決定的，其他條件不變，CO2的含量越低，水體pH值就越高[25-26]。刺苦草可以通過光合作用吸收水體中的CO2，從而提高水體的pH值。

沉水植物也可以影響水體的附著植物[27]。在本試驗的后期，有草組的葉綠素含量高出無草組，可見在持續(xù)氮、磷負(fù)荷條件下，刺苦草并不能抑制浮游植物的生長，特別是在生長晚期，這主要是由于刺苦草分解釋放的營養(yǎng)鹽增加而導(dǎo)致浮游植物增加。刺苦草能顯著抑制附著植物的生長，但這種抑制作用隨氮、磷營養(yǎng)鹽含量的不斷增加和植物由盛到衰而大大降低。黃瑾等研究發(fā)現(xiàn)，高濃度營養(yǎng)鹽的情況下，沉水植物對附著藻類有顯著的抑制作用，但是不能抑制浮游植物[28]。隨著營養(yǎng)鹽濃度的升高，沉水植物對浮游植物的營養(yǎng)競爭就會減弱，從而造成浮游植物大量生長[29-31]。有研究學(xué)者推測，沉水植物向水體中分泌化感物質(zhì)或者通過吸收富營養(yǎng)化水體中的氮、磷營養(yǎng)鹽，從而抑制了附著藻類的生長，這有待于進(jìn)一步研究[32-34]。

4 結(jié)論

持續(xù)氮、磷負(fù)荷的情況下，刺苦草能夠有效緩解外源負(fù)荷持續(xù)增加，從而導(dǎo)致上覆水營養(yǎng)鹽升高和水體酸化。低濃度營養(yǎng)鹽環(huán)境下，刺苦草能有效抑制浮游植物和附著植物生長，但當(dāng)外源污染持續(xù)一段時間后，對浮游植物不再具有抑制作用。因此，在富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)過程中，為了保證修復(fù)效果，須要嚴(yán)格控制外源負(fù)荷。

參考文獻(xiàn)：

[1]秦伯強(qiáng)，高 光，朱廣偉，等. 湖泊富營養(yǎng)化及其生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)[J]. 科學(xué)通報，2013，58(10)：855-864.

[2]張振華，高 巖，郭俊堯，等. 富營養(yǎng)化水體治理的實踐與思考——以滇池水生植物生態(tài)修復(fù)實踐為例[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報，2014，30(1)：129-135.

[3]Frumin G T，Gildeeva I M. Eutrophication of water bodies—a global environmental problem[J]. Russian Journal of General Chemistry，2014，84(13)：2483-2488.

[4]Pavlidou A，Simboura N，Rousselaki E A，et al. Methods of eutrophication assessment in the context of the water framework directive：examples from the eastern mediterranean coastal areas[J]. Continental Shelf Research，2015，108：156-168.

[5]吳紅飛，關(guān)保華，姚思鵬，等. 氮磷負(fù)荷比對淺水湖泊初級生產(chǎn)者的影響[J]. 生態(tài)科學(xué)，2014，33(6)：1041-1046.

[6]Free C M，Jensen O P，Mason S A，et al. High-levels of microplastic pollution in a large，remote，mountain lake[J]. Marine Pollution Bulletin，2014，85(1)：156-163.

[7]潘保原，楊國亭，穆立薔，等. 3種沉水植物去除水體中氮磷能力研究[J]. 植物研究，2015，35(1)：141-145.

[8]Steffens B，Steffen-Heins A，Sauter M. Reactive oxygen species mediate growth and death in submerged plants[J]. Frontiers in Plant Science，2013，4：179.

[9]曹 磊，宋金明，李學(xué)剛，等. 濱海鹽沼濕地有機(jī)碳的沉積與埋藏研究進(jìn)展[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2013，24(7)：2040-2048.

[10]董 悅，霍姮翠，謝文博，等. 上海后灘濕地沉水植物群落系統(tǒng)對底泥的生態(tài)修復(fù)效應(yīng)[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報，2013，13(2)：147-153.

[11]董文龍，閔水發(fā)，楊杰峰，等. 湖泊富營養(yǎng)化防治對策研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2014，39(11)：82-85.

[12]張丹蓉，邵廣文，管儀慶，等. 太湖流域河網(wǎng)地區(qū)湖泊氮磷污染負(fù)荷研究——以江蘇常熟南湖蕩為例[J]. 水資源保護(hù)，2016，32(2)：106-110.

[13]章 銘，于謹(jǐn)磊，何 虎，等. 太湖五里湖生態(tài)修復(fù)示范區(qū)水質(zhì)改善效果分析[J]. 生態(tài)科學(xué)，2012，31(3)：240-244.

[14]程艷坤，閆志謙，伊麗麗，等. 水環(huán)境中氮、磷含量的測定及方法研究進(jìn)展[J]. 河北化工，2008(1)：77-78.

[15]毛國柱，侯長勝，柴立和，等. 基于最大流原理的草型與藻型湖泊富營養(yǎng)化驅(qū)動因子識別[J]. 環(huán)境工程學(xué)報，2016，10(2)：768-774.

[16]程冬梅. 太湖草型/藻型湖區(qū)底棲微生物群落結(jié)構(gòu)及其對碳源利用的比較研究[D]. 廣州：暨南大學(xué)，2014.

[17]郭 婭，于 革. 長江中下游典型湖泊營養(yǎng)鹽歷史變化模擬[J]. 湖泊科學(xué)，2016，28(4)：875-886.

[18]宋玉芝，楊美玖，秦伯強(qiáng). 刺苦草對富營養(yǎng)化水體中氮磷營養(yǎng)鹽的生理響應(yīng)[J]. 環(huán)境科學(xué)，2011，32(9)：2569-2575.

[19]Meerhoff M，Mazzeo N，Moss B，et al. The structuring role of free-floating versus submerged plants in a subtropical shallow lake[J]. Aquatic Ecology，2003，37(4)：377-391.

[20]葛緒廣，王國祥，陳成忠，等. 刺苦草生長對沉積物中磷遷移轉(zhuǎn)化的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報，2014，34(20)：5802-5811.

[21]周彥鋒，胡庚東，徐東坡，等. 水體營養(yǎng)水平對3種沉水植物吸收磷的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2011，27(7)：390-394.

[22]謝雯穎. 沉水植物在水生生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用研究[J]. 中國農(nóng)業(yè)信息，2014(12)：62，64.

[23]毛 杰，管 超，黃文浩，等. 淺談湖泊河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)[J]. 資源節(jié)約與環(huán)保，2014(1)：155.

[24]Hood J A. The role of submersed macrophytes in river eutrophication and biogeochemical nutrient cycling[D]. Ontario：University of Waterloo，2012.

[25]宋 紅，陳 瑋，何興元，等. 三種水(濕)生植物對渾河水體氮去除能力研究[J]. 水生態(tài)學(xué)雜志，2014，35(2)：14-19.

[26]Minett D A，Cook P L，Kessler A J. Root effects on the spatial and temporal dynamics of oxygen in sand-based laboratory-scale constructed biofilters[J]. Ecological Engineering，2013，58(13)：414-422.

[27]Soana E，Bartoli M. Seasonal regulation of nitrification in a rooted macrophyte (VallisneriaspiralisL.) meadow under eutrophic conditions[J]. Aquatic Ecology，2014，48(1)：11-21.

[28]黃 瑾，宋玉芝，秦伯強(qiáng). 不同營養(yǎng)水平下苦草對附著和浮游藻類的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33(11)：17-21.

[29]Cao J J，Ruan H H. Responses of the submerged macrophyteVallisnerianatansto elevated CO2and temperature[J]. Aquatic Biology，2015，23(2)：119-127.

[30]Bartoli M，Naldi M，Viaroli P，et al. Radial oxygen loss from roots ofVallisneriaspiralisL.：biogeochemical implications in eutrophic aquatic ecosystems[D]. Italian：Uiversity of Parma Department of Life Science，2013.

[31]Arrigo K R，Perovich D K，Pickart R S，et al. Massive phytoplankton blooms under Arctic sea ice[J]. Science，2012，336(687)：1408.

[32]胡凱泉，許振成，曾 東. 8種水生生物對富營養(yǎng)化水體的凈化效果[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44(3)：328-332.

[33]劉 喆，錢 新，高海龍，等. 沉水植物群落配置對太湖貢湖生態(tài)修復(fù)區(qū)的調(diào)水效果[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44(5)：480-483.

[34]李 佩，謝從新，何緒剛，等. 水體營養(yǎng)水平及附著藻類對刺苦草生長的影響[J]. 漁業(yè)現(xiàn)代化，2012(1)：11-17.