苦草(Vallisneria natans)移植對沉積物再懸浮后的水質控制效果研究

谷 嬌，寧曉雨，靳 輝，2，朱小龍，2，談冰暢，3，李寬意*

（1.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環境國家重點實驗室，江蘇南京210008;2.江南大學，江蘇無錫214122;3.貴州大學動物科學學院，貴州貴陽 550025）

水體富營養化和水生植被衰退是當前全世界面臨的生態環境問題［1-3］。水生植被尤其是沉水植被作為湖泊生態系統的重要初級生產者，對維護湖泊生態系統及凈化水質有著重要的意義［4-9］。因此，重建和恢復沉水植被是控制湖泊富營養化、恢復水生態系統結構的有效途徑之一［10-11］。近年來，關于沉水植被對水體修復效果的野外調查研究較為集中。Horppila［12］通過對希登韋西湖(芬蘭西南部，總面積30.3 km2)的調查發現，沉水植物區內底泥再懸浮量為 793 g DW/m2，而沉水植物區外同時刻底泥再懸浮量可達1 701 g DW/m2。Houwing等［13］也發現植物區水體濁度和懸浮固體濃度明顯低于周圍水體，認為沉水植物抑制底泥再懸浮是由于植物有效地衰減了風浪波，抑制了水流的紊動。吳振斌等［14］利用富營養淺水湖泊——武漢東湖中建立的大型試驗圍隔系統，證明重建后的沉水植物可顯著改善水質。與無沉水植被覆蓋區相比，沉水植被區對沉積物再懸浮的抑制是植被密度、覆蓋度、種類等綜合作用的結果，涉及機理較多，而關于植被本身的作用尚需進一步研究。除此之外，沉水植被區水體底泥沉降特性除了取決于植物本身外，是否與沉積物性質有關?因此，筆者利用造浪泵模擬風浪擾動，選取太湖不同性質的沉積物，根據太湖苦草平均密度，設計單因子(苦草密度)影響試驗和雙因子(有無苦草、沉積物性質)受控試驗，研究苦草移植后短時間內對沉積物再懸浮后的水質控制機理，旨在為湖泊富營養化治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設置 試驗于2013年10月21日～11月12日在蘇州東山試驗基地進行。試驗分為兩部分，一部分研究移植不同密度苦草對沉積物再懸浮后水體懸浮濃度及水體營養鹽的影響，一部分研究移植苦草對不同性質沉積物再懸浮后水體懸浮濃度及水體營養鹽的影響。試驗所選用的沉水植物苦草是東太湖的優勢種之一，苦草植株高度約30 cm。兩試驗均在聚乙烯塑料桶(桶高56 cm，上下底直徑分別為50、38 cm)中進行，桶內沉積物厚度為10 cm，注入50 cm深經過濾的東太湖湖水，水體總氮(TN)、總磷(TP)的初始濃度分別為0.68 ±0.06 mg/L、0.06 ±0.01 mg/L，平均水溫為 16 ℃(范圍為13～19℃)。試驗均在露天條件下進行，如遇下雨天氣，及時加蓋桶蓋，以免雨水影響桶內營養鹽濃度。

移植不同密度苦草對沉積物再懸浮影響的試驗于10月21日～10月28日進行。設計了1個影響因子(苦草密度)3組處理(低密度882 g/m2，中密度1 764 g/m2，高密度3 528 g/m2)，每組處理4個重復?？嗖菝芏仍O定參考太湖的分布情況，將低密度組作為對照，其他兩組處理均與低密度組進行比較。沉積物來自梅梁灣一河道表層底泥為高營養底泥(表1)，經過60目的篩絹網過篩混勻后使用。移植苦草對不同性質沉積物再懸浮影響的試驗于11月5日開始，11月12日結束。設計2個影響因子(有無苦草與沉積物性質)4個處理組，即低營養底泥+無草、低營養底泥+有草(3 528 g/m2)、高營養底泥 +無草、高營養底泥 +有草(3 528 g/m2)，每個處理4個重復。高營養底泥來自梅梁灣一河道表層底泥，低營養底泥來自同一河道深層底泥(表1)，經過60目的篩絹網過篩混勻后使用。高、低營養底泥根據沉積物中總氮、總磷以及有機質含量來劃分(表1)。兩試驗均采用森森造浪泵(6 W)模擬風浪擾動，置于水面下15 cm處。擾動強度根據太湖年平均懸浮濃度40 mg/L(10～150 mg/L)［15］來確定，6 W造浪泵置于該試驗水面下15 cm處，可使水體懸浮濃度達到152 mg/L。試驗前開啟水泵擾動底泥，每隔半天采集一次水樣，測定懸浮物濃度，觀察模擬風浪擾動引起沉積物再懸浮特征。待水體懸浮濃度穩定后，分別稱量不同生物量苦草種入各試驗桶，種植完畢后關閉造浪泵，采集初始值，試驗開始。試驗期間，觀察沉積物再懸浮沉降以及苦草生長情況。

1.2 測定項目 采樣于試驗開始后第0.5、1、2、4、8 d進行，依據《湖泊生態調查觀測與分析》，測定水體氮、磷濃度和葉綠素含量，分析沉積物中總氮、總磷及有機質的含量;計算懸浮物濃度，樣品懸浮顆粒物分析主要參照《湖泊營養化調查規范》。

1.3 數據處理與分析 所有試驗數據的描述性統計和檢驗統計均采用SPSS 19.0進行，重復測量數據采用Repeated Measures進行分析，非重復測量數據采用One-way ANOVA進行分析，顯著性水平為P＜0.05;所有圖形均由Origin8.0生成。

2 結果與分析

2.1 移植不同密度苦草對沉積物再懸浮的影響 重復測量方差分析表明，移植不同密度苦草對水體懸浮物濃度的影響有顯著差異(P＜0.05)，即低密度組＞中密度組＞高密度組。由圖1可知，試驗結束時低、中、高密度處理組懸浮濃度分別為 10.00、7.05、4.73 mg/L，其中高密度處理組懸浮濃度從161.63 mg/L降至4.73 mg/L，顯著低于低密度處理組(P＜0.01)。各處理組懸浮物濃度隨時間變化呈逐步下降趨勢(P＜0.01)，且不同處理組的下降速率存在極顯著差異(P＜0.01)，高密度組大于中、低密度組。說明種植苦草促進沉積物再懸浮的沉降，并且密度越大，對水體懸浮濃度影響越明顯。

試驗期間，不同處理組懸浮濃度在0～0.5 d快速下降，0.5～4 d緩慢下降，2～8 d趨于穩定。在 0～0.5 d，高密度處理組懸浮濃度下降速率高達11.1 mg/(L·h)，懸浮濃度下降了82.7%，顯著高于低密度處理組(P＜0.05)。說明苦草密度越大，懸浮濃度下降越快，下降幅度越大。0.5～4 d，各處理組懸浮濃度下降變緩，其中低密度處理組波動較大，在0.5～2 d下降速率僅是中、高密度處理組的1/3和1/5，而2～4 d時下降速率是中、高密度處理組的2.98和2.57倍。說明苦草密度越大，懸浮濃度下降越平穩。4～8 d，低、中、高密度處理組懸浮濃度下降速率分別為0.09、0.11和0.11 mg/(L·h)，各處理組趨于穩定。

2.2 移植不同密度苦草對水體TN、TP的影響 移植不同密度苦草對水體中TN、TP的去除效果均有顯著差異(P＜0.05)。由圖2可知，試驗結束時高密度處理組的水體TN濃度下降了83.70%，顯著高于低密度(P＜0.01)和中密度處理組(P＜0.05)的下降幅度;高、中密度處理組中水體TP濃度比低密度處理組多下降了18%和21%(P＜0.01)，而高、中密度處理組差異不顯著。說明苦草密度越大，越有利于水體TN、TP的去除和沉降。

2.3 苦草對不同性質沉積物再懸浮的影響 重復測量方差分析表明，沉積物性質和種植苦草對水體懸浮物濃度均有顯著影響(P＜0.05)，并且二者具有交互作用(P＜0.01)。沉積物性質不同，苦草對水體懸浮物濃度的作用也不同。由圖3可知，試驗結束時低營養底泥+無草、低營養底泥+有草、高營養底泥+無草、高營養底泥+有草4個處理組的懸浮物濃度分別為 8.00、5.13、7.86、4.33 mg/L。高營養底泥中，有草組的水體懸浮物濃度下降了316.74 mg/L，比無草組多下降了70.27 mg/L，苦草對懸浮物的去除率為22.19%;低營養底泥中，有草組的水體懸浮物濃度下降了144.87 mg/L，比無草組多下降了11.89 mg/L，去除率僅為8.21%。說明種植苦草促進了再懸浮的沉降，底泥性質會影響苦草對底泥再懸浮的控制作用。無草時，高營養底泥組懸浮物物濃度下降速率為 30.81 mg/(L· d)，比 低 營 養 底 泥 組 高 了 13.38 mg/(L·d);有草時，高營養底泥組懸浮物濃度下降速率高達 39.59 mg/(L· d)，比 低 營 養 底 泥 組 高 了 22.18 mg/(L·d)，說明沉積物營養含量越高，沉積物再懸浮沉降越快，并且種植苦草更加速沉降。試驗期間，不同處理組懸浮物濃度在0～0.5 d快速下降，0.5～4 d緩慢下降，4～8 d趨于穩定。

2.4 苦草對水體TN、TP的影響 沉積物性質和苦草對水體TN、TP均有顯著影響(P＜0.05)，并且二者有交互作用(P＜0.01)。由圖4可知，高營養底泥中，有草組TN濃度比無草組多下降了10.94%(P＜0.01);低營養底泥中，有草組TN濃度僅比無草組多下降了2.97%。說明種植苦草能夠降低水體TN的含量，且高營養底泥中苦草的去除作用更明顯。高營養底泥中，有草組TP濃度比無草組多下降了4.51%(P＜0.05);低營養底泥中，有草組TP濃度比無草組多下降了5.74%。說明移植苦草能夠降低水體TP含量，但是沉積物營養含量對苦草去除TP的作用影響不大。

3 討論

3.1 水體懸浮物濃度下降的機理 水體懸浮物濃度降低與苦草的移植密切相關。Madsen等［16］認為，水生植物抑制再懸浮的能力取決于其單位生物量所占的水體體積，沉水植物對再懸浮的抑制作用既受其生物量在水體中配置特點的影響，同時也受其密度的影響。試驗0～0.5 d期間，苦草對水體泥沙沉降的影響主要是通過改變水體上下水動力條件，減小水力挾沙能力實現的。因為水泵雖然停止，但是水體運動不會馬上停止，而種植的苦草具有發達的根系和繁密的葉片，能夠有效地減小上覆水的流速和水體擾動，降低了擾動能量，并阻礙其進一步向下傳導［17］，而苦草密度越大，對水流運動的阻礙作用也大，沉降越快。試驗4～8 d期間，沉積物再懸浮沉降減緩，苦草開始扎根生長，依靠莖葉的過濾吸附作用去除懸浮泥沙是此時懸浮物濃度降低的主要原因。首先，苦草繁密的枝葉可以形成密集的過濾層，部分懸浮泥沙被截留，有效地充當懸浮物的“陷阱”。黃宜凱等［18］研究認為，懸浮物中的細小顆粒攜帶電荷，在靜電作用下常被吸附在植物的根莖葉上，吸附能力一般與植物表面積有關，面積越大，吸附能力越強。試驗中也發現苦草葉片上覆蓋了一層泥沙，并且苦草密度越大、葉片越多，富集的泥沙顆粒也越多，導致高密度苦草處理組懸浮物濃度顯著低于其他各組。其次，苦草表面分泌助凝物質，促使懸浮泥沙顆粒由分散的懸移質向絮凝團轉化，當浮力小于重力時下降沉積于植物根部周圍［19-20］。最后，苦草與浮游藻類競爭光照和營養鹽，分泌化感物質，抑制藻類生長，可以有效降低水體中的有機懸浮顆粒。

沉積物性質會影響苦草對懸浮泥沙的控制作用。試驗結果表明，高營養底泥中苦草對懸浮物的去除率顯著高于低營養底泥中的去除率。因為懸浮泥沙本身具有自我沉降作用，擾動停止后，懸浮物懸浮的動態平衡狀態被打破，在重力作用下不斷發生絮凝沉降。而絮凝的直接原因在于泥沙顆粒的碰撞，碰撞導致泥沙顆粒粘結。懸浮體系泥沙濃度越大，顆粒平均距離越小，單位時間內顆粒自由無碰撞運動距離就越小，碰撞的概率也就越大，絮凝作用越強烈，泥沙絮凝沉降較快［21］。高營養底泥粒徑小、粘性大、有機質含量高，擾動后水體懸浮物濃度遠遠高于低營養底泥處理組，更容易發生顆粒粘結;再加之移植的苦草表面分泌助凝物質，更加速了懸浮物的沉降。

3.2 水體營養鹽濃度下降的機理 苦草通過吸附沉淀、吸收代謝、富集濃縮等各種綜合作用，影響水體營養鹽濃度，且其程度受植物種植密度與沉積物性質的影響。首先，苦草對水體氮磷有吸附作用，因為苦草根系發達、具有較大的接觸面積，不溶性膠體、附著于根系的細菌(部分凝集的菌膠體)容易被根系粘附或吸附而沉積，使得底泥中的N、P含量升高而減少向上覆水的釋放。其次，移植苦草促進懸浮物的沉降從而攜帶大量顆粒態氮、磷，是短期內水體氮、磷快速下降的主要原因［22］。種植苦草時，高營養底泥組TN的下降幅度遠遠大于低營養底泥組，一方面可能與沉積物中的營養物質含量有關，高營養底泥TN含量為3.15±0.09 mg/g，低營養底泥僅為1.58±0.05 mg/g，因此苦草促進高營養底泥再懸浮沉降時攜帶的TN含量更多;另一方面可能與水體初始懸浮物濃度有關，試驗開始時高營養底泥組的懸浮物濃度是低營養底泥組的2倍。研究表明，水體懸浮物濃度與水體N含量呈負相關關系，水中顆粒懸浮物大多帶負電荷，NH4+-N帶有正電荷［23］。因此，大量顆粒物對NH4+-N的吸附可能也是高營養底泥組TN下降較多的原因之一。最后，苦草及其葉表面的附著藻類與水體浮游植物競爭營養鹽，吸收水體N、P，并抑制藻類生長，也會促進水體TN、TP濃度的降低［24］。另外，王傳海等［25］的研究表明，沉水植物的光合作用增加了上覆水和沉積物-水界面氧的含量，不但降低了水體氨氮濃度，而且鐵、錳、鋁等金屬氧化物通過吸附和離子交換也控制磷酸鹽的遷移。這可能也是該試驗水體移植苦草后TN、TP下降的原因。

沉水植物是淺水湖泊生態系統中的重要組成部分，一場風浪過后，其密度、覆蓋度以及種類等的不同會直接改變其對生態系統的影響。因此，了解沉水植被對沉積物再懸浮的抑制作用，有利于明晰水質改善的機理，加強對沉水植物在生態系統中作用的認識，為治理淺水湖泊富營養化提供理論依據。

4 結論

苦草移植對沉積物再懸浮后的水質控制有明顯作用，不僅可以加速沉積物再懸浮的沉降、降低水體懸浮顆粒物濃度、改善水下光照條件，還可以有效降低水體總氮、總磷含量?？嗖菀浦矊λ|的控制效果與苦草密度及其沉積物性質密切相關，苦草密度越大，沉積物營養含量越高，有利于沉積物再懸浮的沉降和水體TN、TP的去除?？傊嗖菀浦矊Τ练e物再懸浮后的水質控制效果顯著，對于湖泊富營養化治理有重要的意義。

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