沉水植物在持續氮、磷負荷條件下對上覆水營養鹽含量的影響

周茂飛， 鄭建偉， 關保華， 張 雪， 殷春雨

(1.南京信息工程大學應用氣象學院，江蘇南京 210044； 2.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)

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

水體富營養化是當前突出的環境問題，我國大部分湖泊、水庫、河流都處于富營養化甚至超富營養化狀態[1]。富營養化破壞了水生態系統的結構，導致水體喪失自凈能力，飲用水水質受到嚴重威脅[2-4]。近年來，我國已經開展了大量工作，在流域范圍內控制湖泊的外源污染，但很多湖泊依然存在持續不斷的外源污染，導致湖泊水質難以好轉甚至持續惡化[5-6]。

沉水植物是水生態系統的重要組成部分[7]，能夠通過促沉降、吸收營養鹽、抑制沉積物釋放營養鹽并提高沉積物滯留營養鹽能力等作用，降低水體營養鹽含量，維持水體清澈，減少水體的內源負荷，是富營養化水體生態修復的關鍵工具種[8-10]。但在水生態修復的過程中，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修復后的湖泊依然存在持續外源污染，沉水植物在持續外源污染條件下能否繼續維持上覆水低營養鹽是一個值得探討的問題，因此本研究設置室外控制試驗，分為刺苦草組與無草組，持續添加氮、磷營養鹽，定期監測上覆水營養鹽、浮游植物和附著植物的變化，分析持續氮、磷負荷對沉水植物系統上覆水營養鹽含量和浮游植物的影響，為保護和修復水生態系統提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計及樣品處理

試驗于中國科學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藍色塑料桶統一放置在一塊土質平臺上，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。塑料桶上內徑41 cm，下內徑33 cm，桶高56 cm。每個塑料桶中鋪設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、由塊莖萌發的刺苦草幼苗(平均生物量±標準差=0.060 5±0.008 g/株，平均高度±標準差=16.74±1.90 cm；平均葉數±標準差=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。

設置2個試驗處理(表1)，模擬太湖等湖泊外源負荷氮、磷含量[12-13]，處理組分別每3 d添加1次營養鹽(NH4Cl與KH2PO4)，外源氮負荷量為80 mg/(m2·d)，外源磷負荷量為4 mg/(m2·d)，并在添加營養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，彌補蒸發散失的水分，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 數據處理

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

2 結果與分析

2.1 上覆水各形態氮含量的變化

2.2 上覆水各形態磷含量的變化

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

在持續添加氮、磷負荷20 d內，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”穩態的水體指沉水植物豐富、透明度高、水質較好的穩定水體狀態，而“藻濁型”穩態的水體指藻類大量生長、渾濁、水質差的水體[15-16]。富營養化導致許多淺水湖泊從“草清型”穩態轉變為“藻濁型”穩態，在這個過程中，沉水植物消失和藻類暴發的先后順序是一個值得研究的問題。從本試驗結果來看，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鹽含量[17])，持續添加氮、磷80、4 mg/(m2·d)負荷20 d后，沉水植物已經無法抑制浮游植物生長。可以預見，隨著浮游植物的大量生長，遮蔽了沉水植物能夠獲得光照，從而導致沉水植物生長受限直至消失。因此，藻類的暴發可能是先于沉水植物消失的。

研究表明，沉水植物通過促進沉降、提高沉積物滯留能力以及吸收等作用，能顯著降低富營養化水體中的營養鹽含量[18-20]。在本研究相同的氮、磷負荷情況下，刺苦草組上覆水中各形態的氮、磷含量都低于無草組。因此，在富營養化水體的生態修復過程中，沉水植物常常作為工具種使用[20-21]；對自然湖泊的生態修復，也常常把促進沉水植物恢復作為水質恢復的必要前提[22]。但是，在生態修復的過程中，很多水體依然有很高的營養鹽含量[23]。由于我國富營養化水體的營養鹽本底值已經很高，外源營養鹽的持續輸入，將會在短期內破壞沉水植物構建的清水穩態，重新轉變為浮游藻類占優勢的濁水穩態，因此在富營養化水體的生態修復過程中必須嚴格切斷外源負荷。

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，可見在持續氮、磷負荷條件下，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鹽增加而導致浮游植物增加。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。黃瑾等研究發現，高濃度營養鹽的情況下，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]。隨著營養鹽濃度的升高，沉水植物對浮游植物的營養競爭就會減弱，從而造成浮游植物大量生長[29-31]。有研究學者推測，沉水植物向水體中分泌化感物質或者通過吸收富營養化水體中的氮、磷營養鹽，從而抑制了附著藻類的生長，這有待于進一步研究[32-34]。

4 結論

持續氮、磷負荷的情況下，刺苦草能夠有效緩解外源負荷持續增加，從而導致上覆水營養鹽升高和水體酸化。低濃度營養鹽環境下，刺苦草能有效抑制浮游植物和附著植物生長，但當外源污染持續一段時間后，對浮游植物不再具有抑制作用。因此，在富營養化水體的生態修復過程中，為了保證修復效果，須要嚴格控制外源負荷。

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