水溫和磷濃度對滿江紅氮磷吸收的影響

易厚燕，吳愛平，龐燕，儲昭升*

1.中國環境科學研究院湖泊生態環境創新基地，北京 100012

2.環境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環境科學研究院，北京 100012

3.湖南農業大學生物科學技術學院生態研究所，湖南 長沙 410128

富營養化是由于水體中氮磷營養物的富集，引起藻類及其他浮游生物異常增多，水體溶解氧濃度和透明度下降，魚類及其他生物大量死亡，水質惡化的現象［1］。湖泊富營養化問題一直備受關注［2］，我國湖泊水體富營養化日趨嚴重，已影響到湖泊水環境質量和功能，造成湖泊生態失衡，加速湖泊老化和消亡，由此帶來嚴重的經濟損失，影響當地社會經濟的可持續發展。

水生植物可對受污染水體起到一定的凈化作用［3-7］。近年來，利用水生植物對湖泊過剩營養物(主要是N 和P)進行吸收、富集、凈化以改善湖泊水質已經成為研究熱點之一，植物組織的氮磷濃度是評價植物獲取營養能力的指數［8］。水生植物能極大地從水體環境中吸收氮磷和改變營養物的循環。研究人員在世界各地的各種生境對淡水水生植物的生物種類［9-10］、分布［11-12］以及營養含量［8，13］都進行了研究，主要包括水生植物生物量，營養物含量與水柱，沉積物中化學、物理指標的相關研究［14-16］。滿江紅(Azolla imbricata)是我國南方富營養化湖泊水體中常見的漂浮植物，它的應用很廣泛，可以作為生物肥、動物飼料、生物過濾器、生物除草劑以及對洪水中重金屬進行植物修復［17-18］，可以去除造成水體富營養化的氮磷元素，還可以去除磺胺類化合物［19］。滿江紅是一種固氮植物，已被廣泛用作亞洲各國稻谷作物的氮肥和綠肥［20］。滿江紅通常呈綠色，在低溫、缺磷等脅迫下，由于花青素含量的增加而呈紅色［17］。不論按照植物組織水平還是分子水平的敏感度，滿江紅都可確定為耐污種類，其生態敏感水平高于挺水植物，低于沉水植物［21］。國內外對滿江紅的研究主要集中于對污水中的重金屬去除［18，22-23］。滿江紅對Cr、Cd、Cu、Mn、Zn 等重金屬離子有強烈的吸附作用［24-25］，對Se 元素有還原揮發作用［26］，而用于去除水中氮磷的研究報道很少［27］，對富營養化湖泊水中氮磷去除的研究更是鮮有報道。

云南洱海是我國重要的高原湖泊之一，目前處于富營養化初期，其湖濱區總磷濃度為0.030 ～0.039 mg/L［28］。滿江紅是洱海常見的漂浮植物，常年可見，一般都伴隨在菰或菱等植物周圍生長。觀察發現，洱海滿江紅從3月溫度回升后開始增多，7—8月開始下降，9月又開始增多，11月底達到最高峰，9月下旬—11月是其生長的高峰期。筆者通過研究滿江紅在不同水溫和不同磷濃度條件下的生長狀況，分析其在9月下旬—11月瘋長的原因，評估滿江紅生長對氮磷的吸收效果，找出其對水體中氮磷去除的最佳條件，以期為湖濱區滿江紅的打撈管理提供基礎。

1 材料與方法

試驗前，沿洱海湖濱帶隨意選定3 個典型相似生境(湖汊、湖灣或廢棄池塘)的滿江紅群落樣點，于滿江紅群落的中心以及距滿江紅群落邊緣200 m外無滿江紅生存的2 種生境下分別取水樣測定各生境下的總磷濃度，評估洱海適合滿江紅生長的總磷濃度，同時比較2 種生境間總磷濃度的差異。

1.1 試驗材料和設計

洱海屬亞熱帶高原氣候，年平均氣溫為16.2℃，全年日照時間為2 250 ～2 480 h，多年平均降水量為1 000 ～1 100 mm，太陽總輻射量583.64 ～625.97 kJ/cm2［29］。沒有明顯的嚴冬酷熱，四季如春。試驗時間為2011年11月中旬—12月初，日均溫度為17.5 ℃，地點在大理市才村碼頭中國環境科學研究院科研基地。

在大理市才村碼頭附近洱海湖濱帶水域，選取綠色滿江紅植株為試驗材料。將打撈的植物材料先用自來水沖洗數次，再用蒸餾水沖洗3 ～4 次，用去離子水培養3 d 之后取出，用蒸餾水沖洗3 次，用無磷濾紙吸干表面的水分，備用。

取洱海湖中心的水經Whatman 膜(周長為47 mm)過濾，去除水中的藻類和一些雜質，測得水中總磷濃度為 0.015 mg/L，加入不同劑量的NaH2PO4·2H2O，將總磷濃度調至0.015、0.075 和0.150 mg/L 的培養液裝入大桶中備用。將上述處理好的滿江紅準確稱取(1.00 ±0.05)g，放入裝有上述各濃度培養液600 mL 到1 L 燒杯中，每天更換燒杯中50%培養液，以維持培養液中供滿江紅生長所需的總磷濃度。分別設置5 個溫度10、15、20、25、30 ℃，光源為熒光燈，光照強度為5 500 ～6 000 lx，光暗比為12 h∶12 h，pH 為6.5 ～7.5，每個處理做4 個平行，總計60 個處理組，試驗持續15 d，即最大生物量增長到試驗前的3 倍時結束。

1.2 測定指標和方法

滿江紅生物量測定采用鮮重法。經預培養的滿江紅用濾紙吸干稱重，培養中每3 d 測一次生物量。滿江紅生物量的累積指標以相對生長率(RGR)表示:

式中，w0為0 時期滿江紅的質量，g;wi為i 時期滿江紅的質量，g;t 為時間間隔，d［21］。

總磷濃度采用過硫酸鉀消煮-鉬銻抗分光光度法測定;總氮濃度采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定［30］;pH 采用DELTA-320 pH 計水質測定儀直接測定;光照強度用LI-250A 光照計測定。

鮮樣在105 ℃烘箱中殺青15 min，取出在(65 ±5)℃烘箱中烘干至恒重，記下先后的質量，計算出含水率。干樣經粉碎過80 目篩(孔徑為0.2 mm)測定植物組織中的總氮和總磷濃度，其中總氮濃度采用全自動定氮儀(UDK152)測定;總磷濃度采用H2SO4-H2O2消煮，再用釩鉬黃法測定［31］。

根據滿江紅試驗前后組織中總磷濃度的不同，計算出試驗前后植物組織中總磷的增加量，同時計算出添加到水體培養液中的總磷濃度，計算出滿江紅對水體中磷的吸收率，其計算公式如下:

磷吸收率=植物組織中磷的增加量/水中磷濃度×100%

采用SPSS 13.0 分析軟件對試驗數據進行方差分析(ANOVA)和相關分析。

2 結果

2.1 有無滿江紅生境中磷濃度的差異

在各相似生境中，有滿江紅生長的生境總磷濃度為0.053 ～0.093 mg/L，無滿江紅生長的生境總磷濃度為0.096 ～0.175 mg/L，各采樣點有滿江紅生長的生境其總磷濃度都低于無滿江紅生長的生境(表1，P ＜0.05)。

表1 滿江紅各典型生境中總磷濃度Table 1 The phosphorus concentration in water with typical habitats of A． imbricata

2.2 不同水溫和磷濃度下滿江紅的生長狀況

滿江紅在試驗設定的溫度范圍內(10 ～30℃)均能生長，溫度為10 ℃時生長最緩慢，其次是15 ℃，再次是30 ℃，滿江紅在20 和25 ℃生長相對較快，在此溫度下的滿江紅生物量顯著高于其他溫度(圖1，P ＜0.01)，表明20 ～25 ℃是滿江紅生長的適宜溫度。滿江紅生物量隨著水中磷濃度的升高而增大，生長于磷濃度為0.075 和0.150 mg/L 水中的生物量沒有顯著差異(P ＞0.05)，但都顯著高于生長于0.015 mg/L 水中的生物量(圖1，P ＜0.05)。

圖1 滿江紅生物量隨水溫和水中磷濃度的變化Fig.1 Biomass of A． imbricata increasing with temperature and P concentration increase

水溫和磷濃度均是影響滿江紅生長的重要因子，且二者對滿江紅的生物量交互影響也顯著(表2，P ＜0.01)。5 個溫度處理組(10、15、20、25 和30℃)中，滿江紅的生物量隨著水中磷濃度升高而增加，同時滿江紅生物量在磷濃度處理組間差異顯著(圖1，表2，P ＜0.01)。

表2 水溫和磷濃度對滿江紅生物量、植物組織中氮磷濃度的影響統計分析Table 2 Effects of biomass，nitrogen and phosphorus content of A．imbricata at different temperature and phosphorus concentration

試驗結束后(15 d)，發現滿江紅的相對生長率在不同磷濃度條件下都隨水溫的升高呈先升高后下降趨勢，在20 和25 ℃達到最大，滿江紅的相對生長率隨水中磷濃度的升高而升高，滿江紅的相對生長率在磷濃度為0.075 和0.150 mg/L 時比磷濃度為0.015 mg/L 要高(圖2，P ＜0.01)。

圖2 不同水溫下滿江紅的相對生長率Fig.2 The relative growth rate of A． imbricata in five temperature treatments

2.3 溫度和水中磷濃度對滿江紅植物體內氮磷濃度的影響

培養前(對照)滿江紅植物組織中氮和磷濃度分別為20.1 和1.31 mg/kg。溫度為10 ～25 ℃，生長在磷濃度為0.075 ～0.150 mg/L 下植物組織中的磷濃度隨著溫度的升高而增加，30 ℃時有下降趨勢，在磷濃度為0.015 mg/L 下則相反，各溫度下植物組織的磷濃度沒有顯著差異(P ＞0.05)，各溫度處理組中植物組織的磷濃度都隨著水中磷濃度的升高而增加，水中磷濃度對植物組織中磷濃度影響顯著(圖3，P ＜0.05)。

植物組織中的氮濃度隨著溫度的升高而增加，30 ℃呈下降趨勢，各溫度下植物組織中的氮濃度表現出顯著差異(P ＜0.05);植物組織中氮濃度在水中磷濃度為0.075 mg/L 時最大，與0.150 mg/L 沒有顯著差異(P ＞0.05)，顯著高于0.015 mg/L(P ＜0.05);水溫和水中磷濃度對植物組織中氮和磷濃度交互影響顯著(圖3，表2，P ＜0.01)。

圖3 滿江紅植物組織中氮磷濃度隨水中磷濃度的變化Fig.3 Tissue N and P concentrations of A． imbricata with temperature and P concentration increase

2.4 植物組織增加的氮磷濃度及對磷的吸收率

各處理組中的氮磷總量= 各處理組質量(干重)×植物組織氮磷濃度。植物組織氮磷總量隨溫度的升高先增加，到30 ℃時下降;在磷濃度為0.075 和0.150 mg/L 處理中植物組織磷濃度升高的幅度要大于磷濃度為0.015 mg/L 的處理(圖4)。

圖4 各處理中滿江紅中氮磷增加量Fig.4 The increasing nitrogen and phosphorus amount of A． imbricata in each treatment

在水中磷濃度為0.015 ～0.150 mg/L 的3 個處理中，滿江紅對水中磷的吸收率隨濃度的增大而下降，在磷濃度為0.015 mg/L 條件下除了10 ℃，其他溫度下的吸收率均達到99.5%以上;在磷濃度為0.075 mg/L 條件下，20 和25 ℃時，滿江紅對水中磷的吸收率分別達到92.27%和97.63%，而在磷濃度高達0.150 mg/L 條件下滿江紅對水中磷的吸收率最高不到60%(圖5)。

圖5 滿江紅植物組織對水中磷的吸收率Fig.5 Absorption rate of phosphorus in water by A． imbricata

3 討論

相關研究表明，低溫和高溫都不利于滿江紅的生長，在低于5 ℃和高于40 ℃時滿江紅會停止生長;一般情況下，8 ～12 ℃滿江紅開始生長，其生長的最適溫度為20 ～25 ℃［32］。另外，低溫下滿江紅體內的花青素會增多，使其葉片呈現紅褐色［17］，與觀察到滿江紅植物紅色比例在10 ℃時最高的現象一致。文中結果表明，滿江紅植物生物量、相對生長率都先隨溫度的升高而增加，到30 ℃時二者均有下降，這主要是因為高溫或低溫會引起植物光系統的光活性降低，光合作用過程降低，光合產物積累減少，從而減少植物生物量，降低相對生長率［33］。

隨著培養液中磷濃度的升高，植物生物量、相對生長率、組織中氮磷濃度以及各處理組植物組織中增加的氮磷總量都呈增加趨勢，但是植物對磷的吸收率是下降的，說明水中磷濃度為0.015 mg/L 還不能完全滿足滿江紅的生長和繁殖。水中磷濃度為0.075 ～0.150 mg/L 適合滿江紅的生長，且能完全滿足滿江紅的生長需求，該濃度范圍與野外采樣時測定的滿江紅各生境的磷濃度相符，表明洱海湖濱帶水域的磷濃度非常適合滿江紅的生長，可能是滿江紅近年在洱海快速擴散的一個重要原因。

洱海野外調查以及室內試驗都表明，滿江紅是一種能大量吸收水中氮磷等營養鹽的漂浮植物。首先，滿江紅體內組織相對高的氮磷濃度，使其在同等生物量的情況下能去除更多的氮和磷［34］;其次，滿江紅是蕨類植物，生活史周期短，無性繁殖能力強，相對其他高等水生植物，滿江紅生長速率更快，短時間內能積聚更大的生物量;再次，洱海年平均氣溫為15.7 ℃，最高氣溫為34 ℃，最低氣溫為-2.3 ℃，一年中大部分時間都適合滿江紅的生長，更有利于滿江紅對水體中氮和磷的吸收。洱海水位每年7月開始上漲，10月底達到最大，隨著水位的上漲，洱海湖濱淹沒區增大，形成大片污染較重的滯水區［28］，非常適宜滿江紅的生長。而此時，湖濱區其他水生植物已基本停止生長，部分水生植物開始枯萎、衰敗并被微生物降解，盡管秋冬季并不是滿江紅的最適生長季節，由于其相對短的生活史周期，滿江紅仍然能保持較快的生長和繁殖速率，至11月湖濱滯水區往往形成一層很厚的覆蓋層，有可能加速沉水植物缺氧死亡，形成二次污染。另外，在3—4月溫度開始回升后，滿江紅又開始增加，影響了沉水植物的出苗生長。因此，為不影響湖濱區沉水植物的生長和消除二次污染，建議每年在11月及3—4月對滿江紅進行打撈管理。

4 結論

水溫和水體中磷的濃度是影響滿江紅生長的重要因子，兩因子對滿江紅的生長存在交互作用。水體中磷濃度為0.075 mg/L、溫度為25 ℃時，滿江紅生物量和植物組織中的氮磷濃度達到最高水平，對水中磷吸收效果最好。建議洱海每年11月及3—4月對滿江紅進行打撈管理，以免造成二次污染和影響湖濱區沉水相物的生長，同時打撈出的滿江紅可作為優良綠肥。

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