駱馬湖水質對菹草不同生長期的響應研究

華祖林，朱 翔，沈 健，聶永平，倪效欣

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098； 2.河海大學水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，江蘇 南京 210098； 3.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098；4.江蘇省南水北調工程建設領導小組辦公室，江蘇 南京 210098)

菹草(Potamogetoncrispus)是一種多年生沉水植物，秋季發芽，夏季衰亡并生成繁殖體石芽[1]。關于菹草對湖泊水質的影響，有正面的報道，也有負面的報道，目前存在著諸多爭議。關于菹草對水質的正面影響，Zhou等[2]研究表明，菹草生長時，能夠直接通過莖和葉吸收水體中營養鹽，其漂浮在水面上的植株片段也能對水質起到凈化作用。Gao等[3]的試驗表明，30 d內菹草可去除水體中76.16%的總磷、86.09%的總溶解態磷和74.37%的顆粒態磷，同時降低沉積物中磷濃度，有利于減少湖泊磷的內源負荷。Li等[4]通過25 d的試驗，發現菹草對水體中總磷、磷酸鹽、總氮、氨氮、硝氮和亞硝氮的去除率均超過75%。菹草還對藻類具有抑制作用，Pakdel等[5]發現菹草生長能釋放化感物質，抑制多變魚腥藻(Anabaenavariabilis)等藻類的生長。由于具有水質凈化功能，菹草常被用于淺水富營養化湖泊的恢復。Zeng等[6]移植菹草等沉水植物修復富營養化湖泊，結果水體氮磷負荷減少，浮游植物優勢種由藍綠藻轉變為綠藻，浮游動物的密度和數量逐年增加。

菹草對水質的負面影響同樣不可忽略。菹草在湖泊中易暴發性生長，堵塞河道，并壓縮其他水生植物的生長空間。菹草衰亡時，植物組織腐爛分解消耗水體溶解氧，并向水體釋放出氮磷。楊文斌等[7]通過試驗指出，生物量大于3 kg/m2的菹草腐爛會產生比較嚴重的氮磷污染。同時，菹草缺氧降解還會釋放二甲基硫醚等揮發性有機硫化合物[8]，散發出惡臭。Cao等[9]認為，菹草的移植可能對富營養化湖泊產生負的環境效應。盡管菹草生長過程中提高水體透明度，降低總磷和葉綠素a濃度，但是其植株的衰亡分解導致水體溶解有機磷濃度增加，為裸藻和甲藻提供了適宜的生長環境，并導致了擬多甲藻的暴發。

關于菹草對水質影響的研究大多在實驗室中進行，很少在湖泊原位條件下研究不同密度菹草的生長衰亡對水質的影響，且現場觀測多位于污染較嚴重的水域[10-11]，由于污染源的干擾，難以確定菹草對水質的影響所占比例。本文通過原位觀測的方法，解析駱馬湖不同生長階段水質指標對菹草密度的響應，探尋既能最大程度發揮菹草生長期凈水作用，又將菹草衰亡期危害最小化的最優菹草密度，以期為駱馬湖的生態保護和沉水植物管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 采樣點及采樣時間

駱馬湖(34°0′N～34°11′N，118°06′E～118°18′E)位于江蘇省北部，總面積375 km2，是宿遷、新沂兩市的飲用水水源地，也是南水北調東線的重要蓄水湖泊。駱馬湖沿岸基本無直接排污口，外源污染少，水質較好，湖區及出入湖河道水質滿足Ⅲ類水標準[12]。菹草是駱馬湖的優勢物種之一，每年3—5月暴發性生長，優勢度可達95%～100%[13]。

圖1為駱馬湖采樣點分布及菹草密度情況，圖中綠色部分表示水面以上的植物。駱馬湖北部多為灘涂、島嶼，植物為挺水或陸生植物，因此不設采樣點。由于采樣期間菹草為駱馬湖的絕對優勢種，采樣區域的綠色部分表示長至水面的菹草。A點水深約6 m，無菹草生長，該點可作為湖區各項水質指標的背景點；B、C、D、E、F、G點水深分別為2 m、2 m、3.8 m、3.2 m、1.9 m、3.6 m，均有菹草生長，代表湖泊中不同密度的采樣點位。

圖1 駱馬湖采樣點分布及菹草密度

駱馬湖菹草生長過程如表1所示，分為石芽越夏期、石芽萌發期、幼苗生長期、幼苗越冬期、指數生長期、石芽生成期和植株衰亡期。在指數生長期以前，菹草幼苗生長緩慢，密度較小，對水質的影響也較?。恢笖瞪L期后菹草密度迅速變化，對水質產生較為顯著的影響。菹草的指數生長期、石芽生成期及植株衰亡期是其生命周期內影響水質的關鍵時段，為此采樣時間分別設為2017年4月21日、5月24日及6月20日。

表1 駱馬湖菹草生長過程

1.2 樣品采集與處理

采樣前用去離子水將聚乙烯瓶洗滌3次，采樣時再用水體沖洗3次。使用水質采樣器采集水下1 m 的水樣，置于聚乙烯瓶中，每個采樣點采3瓶水樣(3個重復)。為了防止水體礦質元素氧化，迅速用硫酸將采集的水樣pH調節至小于2，運到實驗室進行分析。

1.3 分析方法

采樣時，原位監測水體的pH(采用哈希HydrolabDS5)、DO(采用哈希HQ3d溶氧儀)、氧化還原電位(oxidation-reduction potential，ORP)(采用哈希HydrolabDS5)。水樣COD、TN、氨氮、硝氮和TP在實驗室測定，方法參考《水和廢水監測分析方法》[14](第四版)。

2 結果分析

2.1 菹草密度分布

前人的研究中菹草分布情況多用單位面積水域中的菹草質量來表征，稱為菹草生物量[10,15]。但實際上天然湖泊中各采樣點的水深不同，本研究采用單位體積水體中的菹草質量(鮮重)表征菹草分布情況，稱為菹草密度。圖1中B、C、D點為菹草稀疏區，而E、F、G點為菹草密集區。在指數生長期，從B點到G點菹草密度依次增加，B、C、D點的菹草密度分別為50.50 g/m3、55.25 g/m3和66.70 g/m3，E、F、G點的菹草密度則分別為83.75 g/m3、123.20 g/m3和173.30 g/m3。與指數生長期相比，石芽生成期各采樣點的菹草密度均有所升高，而D點由于菹草稀疏，且水位較高，抑制了菹草生長，因此菹草密度增加幅度低于其他采樣點。在植株衰亡期，各采樣點菹草植株基本腐爛沉入水底，僅有少量殘枝漂浮在水面，因此未計算菹草密度。

2.2 理化指標變化

在菹草不同的生長階段監測了水體中pH、DO、ORP和COD等理化指標的變化情況(圖2)。由圖2可見，菹草光合作用吸收水中的碳源，導致水體中CO2質量濃度降低[16]，水體堿性增強，因此有菹草生長的采樣點pH在指數生長期和石芽生成期均高于無草的A點。植株衰亡期，各點pH值均大幅下降。由于菹草光合作用向水體中釋放氧氣，指數生長期時有菹草生長的采樣點DO質量濃度均高于A點，菹草密集區E、F、G點的濃度高于菹草稀疏區B、C、D點。與指數生長期相反，石芽生成期菹草密集區的濃度反而低于菹草稀疏區。植株衰亡期，在升溫和菹草植株腐爛消耗DO的協同作用下，各點DO質量濃度均大幅下降。ORP變化情況與DO類似，但是菹草密度對其影響不大。在指數生長期和石芽生成期，菹草密集區水體COD低于菹草稀疏區。在植株衰亡期，各采樣點水體COD普遍升高，菹草密集區的COD質量濃度依舊低于菹草稀疏區，但是高于A點。

(a)pH值

(b)DO

(c)ORP

(d)COD

2.3 TN、TP質量濃度變化

在菹草不同的生長階段監測了水體中TN、TP的質量濃度，結果如圖3所示。在指數生長期，水體TN質量濃度隨菹草密度增加而減少，F點降至0.24 mg/L。雖然G點的菹草密度最大，但是由于菹草過于茂盛，個體間對光照、營養鹽等資源的競爭產生較強的負作用[17]，菹草生長緩慢，可能造成了對水體TN吸收能力的降低，使TN質量濃度反而高于E、F點。石芽生成期變化情況與指數生長期類似，但是由于菹草密度增加，有草區域TN質量濃度大幅下降。在植株衰亡期，各采樣點水體TN質量濃度低于前兩個生長階段，有草區TN質量濃度均低于無草的A點。

(a)TN

(b)TP

水體TP質量濃度的變化情況與TN有所差異。在指數生長期，菹草密集區TP質量濃度低于菹草稀疏區，說明菹草生長對磷的吸收和對沉積物磷釋放的抑制等作用共同導致了水體中的磷濃度的降低。對于石芽生成期，TP質量濃度分布情況與指數生長期類似。在指數生長期和石芽生成期，有菹草生長的采樣點TP平均質量濃度分別比A點濃度低18.2%和34.1%，而TN平均質量濃度則分別比A點濃度低23.1%和51%，說明菹草對水體中TN的凈化效果優于TP，這與萬蕾等[18]的研究結果一致。在植株衰亡期，無菹草生長的A點TP質量濃度降低，而有菹草生長的B、C、D、F、G點TP質量濃度與石芽生成期相比普遍升高，這與菹草腐爛向水體中釋放出磷密切關聯。

3 討 論

3.1 不同形態氮濃度變化

水體中的TN包括硝氮、氨氮、亞硝氮等無機氮和氨基酸、蛋白質等有機氮。由于亞硝氮的不穩定性，湖泊中亞硝氮濃度較低[19]，因此將亞硝氮與有機氮并稱為其他形態氮，其濃度等于總氮濃度減去硝氮、氨氮濃度。圖4為不同采樣點硝氮及氨氮質量濃度變化，圖5為不同生長階段各形態氮在TN中所占的比例。

(a)硝氮

(b)氨氮

在指數生長期，硝氮質量濃度變化情況與TN類似，隨菹草密度增加而減少，F點硝氮質量濃度最低，為0.34 mg/L。各采樣點水體中的氮均以硝氮為主，占TN的比例超過60%，但是菹草密集區E、F、G點硝氮所占比例低于菹草稀疏區B、C、D點。有菹草生長的采樣點水體氨氮濃度均低于無草的A點，氨氮所占的比例也低于A點，但是不同密度的采樣點之間相差不大。以上結果表明，菹草密度主要影響駱馬湖菹草對硝氮而非氨氮的吸收。水體中氨氮質量濃度小于0.35 mg/L時，菹草優先選擇吸收硝氮[20]，因此駱馬湖菹草直接吸收水體中的硝氮，氨氮濃度降低則可能為間接影響。菹草通過光合作用向水體釋放氧氣，促進硝化反應，將氨氮轉化為硝氮并吸收。

在石芽生成期，各采樣點水體硝氮質量濃度均降低，菹草密集區低于菹草稀疏區。A、B、C點氨氮質量濃度降低，而D、E、F、G點氨氮質量濃度則升高，原因是菹草較密集的D、E、F、G點已經有部分菹草衰亡，殘枝腐解初期水體氨氮質量濃度迅速升高[21]。該生長階段菹草密集區硝氮所占比例低于菹草稀疏區，但是氨氮所占比例高于菹草稀疏區。

(a)指數生長期

(b)石芽生成期

(c)植株衰亡期

尹傳寶等[22]的試驗表明，菹草衰亡導致水體TN和硝氮質量濃度升高，而本研究的結果則恰恰相反。在植株衰亡期，有草區水體TN和硝氮質量濃度均低于無草的A點，且顯著低于前兩個生長階段，原因是水溫升高和DO降低促進了反硝化作用，水體中部分硝氮和亞硝氮被還原為氣態氮。菹草密集區硝氮質量濃度低于稀疏區，而氨氮質量濃度高于稀疏區，說明菹草密度是菹草衰亡影響水體氮濃度的重要因素。該階段硝氮不再是水體中氮的主要存在形式，而氨氮成為水體中最主要的氮形態，有機氮等其他形態氮所占比例與前兩個生長階段相比也顯著增加。與菹草稀疏區相比，菹草密集區硝氮所占比例更小，而氨氮所占比例更大。產生這種變化的原因主要有兩方面，一是菹草腐爛后植株中的蛋白質被微生物分解，產生大量氨基酸等有機氮，隨后有機氮進一步分解成氨氮，二是水體環境抑制微生物的硝化反應，水中被氧化的氨氮減少。

3.2 相關性分析

采用Pearson相關系數法分析菹草密度與水質指標的相關性。圖6為菹草指數生長期和石芽生成期COD、TN和硝氮質量濃度與菹草密度的線性擬合結果。由圖6可見，在菹草指數生長期和石芽生成期，水體COD質量濃度與菹草密度顯著負相關(r=-0.68，P<0.05)，TN質量濃度與菹草密度顯著負相關(r=-0.74，P<0.01)，硝氮質量濃度與菹草密度顯著負相關(r=-0.78，P<0.01)；pH、DO、ORP、TP、TN質量濃度與菹草密度的相關性不顯著(P>0.05)，相關系數分別為0.37、-0.11、-0.57、-0.01、0.39。

(a)COD

(b)TN

(c)硝氮

3.3 最優密度

由于研究的水質指標較多，利用基于魚群算法優化的指數公式[23]對各采樣點進行水質綜合評價，將水質綜合評價結果與菹草密度建立聯系，從而得到最優密度。水質評價公式為

(1)

其中

式中：IWQ為水質綜合指數；n為參與評價的指標個數；Ii為單指標i的營養狀態分指數；ci為指標i的質量濃度值；cia為指標i的評價標準。參與評價的指標為DO、COD、TN、TP和氨氮，評價結果見表3。

表3 水質評價結果

IWQ值越低表示水質越好。在石芽生成期，通過菹草對水質的凈化，菹草密集區IWQ值低于菹草稀疏區，其中G點最低，而E點次之。在菹草衰亡時，有草區IWQ值普遍升高，其中E點最低。根據以上分析，E點的菹草在衰亡時對水質危害最小，在生長過程中又具有較好的凈化水質效果。指數生長期菹草密度大，且石芽尚未成熟，是菹草收割的最佳時段，確定該生長階段的菹草密度最具有實際意義。因此指數生長期E點的菹草密度，即83.75 g/m3為最優密度，該時段及時將菹草收割至最優密度，有利于保障駱馬湖良好的水質狀態。

4 結 論

a. 在指數生長期和石芽生成期，菹草的生長使駱馬湖水體pH、ORP值和DO質量濃度升高，COD、TN、TP質量濃度降低。各采樣點水體中的氮以硝氮為主，菹草直接吸收水體中的硝氮，而對氨氮的去除則為間接作用。當菹草衰亡時，水體中COD質量濃度升高，而pH、ORP值和DO質量濃度則降低；同時菹草腐爛釋放氨氮，消耗DO，促進了微生物反硝化，抑制了硝化反應，導致水體TN與硝氮濃度降低；氨氮濃度升高，成為氮的主要存在形態。菹草腐爛還向水體中釋放出磷，導致有草區水體TP質量濃度升高。

b. 菹草密度是影響水體各形態氮濃度的重要因素。在菹草生長過程中，水體TN和硝氮質量濃度與菹草密度顯著負相關(P<0.01)。在植株衰亡期，與菹草稀疏區相比，菹草密集區TN和硝氮質量濃度更低，而氨氮質量濃度更高。通過水質綜合評價發現，指數生長期菹草密度為83.75 g/m3時，既能有效發揮生長期凈水作用，又將衰亡期的危害最小化，是駱馬湖中最優的菹草密度。該時段及時將菹草收割至最優密度，十分有利于保障駱馬湖良好的水質狀態。