喀斯特濕地空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)時空變化特征

陳芃利， 張婷， 楊濤， 張晨， 溥麗華， 張建利,2,3*， 龍秀琴

(1.貴州民族大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院， 貴陽 550025； 2.貴州民族大學(xué)喀斯特濕地研究中心， 貴陽 550025； 3.貴州省工程地質(zhì)災(zāi)害防治工程研究中心， 貴陽 550025； 4.貴州省植物園， 貴陽 550004)

空心蓮子草[Alternantheraphiloxeroides(Mart.)Griseb]屬于多年生宿根草本植物，通常生長在水生和陸地的交界線，適生性和迅速繁殖能力強，是最早入侵中國的物種之一，是世界公認(rèn)的惡性雜草之一[1-2]。20世紀(jì)30年代，空心蓮子草作為飼料引入中國，而后在江浙地區(qū)蔓延，隨后入侵到云貴川地區(qū)[3]。2002年，威寧草海引進(jìn)家禽養(yǎng)殖，空心蓮子草也被帶入威寧草海濕地。當(dāng)?shù)貎?yōu)勢物種無法與其競爭，空心蓮子草在草海短時間內(nèi)大量繁殖[4]。目前，空心蓮子草已在草海形成入侵趨勢，破壞濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，使草海濕地的生物多樣性降低，嚴(yán)重威脅草海濕地生態(tài)安全。

濕地生態(tài)系統(tǒng)作為地球上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，有“自然之腎”之稱，其具有調(diào)蓄水量、調(diào)節(jié)氣候、凈化水質(zhì)及生物多樣性保育等功能。然而自20世紀(jì)70年代以來，濕地環(huán)境不斷遭到破壞從而引起大量退化，其中生物入侵是造成濕地退化的重要原因之一[5]。貴州草海濕地是中國西南地區(qū)最大的喀斯特高原典型濕地，是重要鳥類的重要越冬地和遷徙中轉(zhuǎn)站，其中包括許多特別珍稀的鳥類如黑頸鶴、灰鶴等228種鳥類[6]。草海濕地在1958年、1972年兩次大規(guī)模排水，因此，出現(xiàn)了氣候失常、候鳥他遷、濕地退化等問題，于1982年重新恢復(fù)，后又建立了草海自然保護(hù)區(qū)[4]。草海濕地受到人為嚴(yán)重破壞，而后又經(jīng)人為努力而恢復(fù)，因此，對草海濕地的研究，是分析人類活動對自然環(huán)境影響的重要參考，對于保護(hù)和改善人類生存環(huán)境具有重要意義。草海自然保護(hù)區(qū)成立初期，中國大力發(fā)展工業(yè)，處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展時期，人們對于環(huán)境保護(hù)的意識薄弱，濕地的經(jīng)濟(jì)價值也未得到重視，因此，草海濕地受到工業(yè)、農(nóng)業(yè)及城鎮(zhèn)生活污水的污染導(dǎo)致水質(zhì)惡化[7-8]，從而加重了其富營養(yǎng)化程度，水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致一系列的生態(tài)安全問題。秦趣等[9]研究表明，草海濕地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)處于不健康等級。作為典型的高原濕地，長時間的監(jiān)測和研究草海的水環(huán)境質(zhì)量十分重要。

為此，以草海濕地空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)為研究對象，通過對其富營養(yǎng)化狀態(tài)及水質(zhì)時空變化特征進(jìn)行分析，探討空心蓮子草入侵對草海濕地水質(zhì)的影響，為降低草海濕地空心蓮子草入侵區(qū)域水體富營養(yǎng)化程度及水生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域概況

草海國家級自然保護(hù)區(qū)(26°47′32″N～26°52′52″N，104°10′16″E～104°20′40″E)位于貴州省威寧彝族回族苗族自治縣，海拔2 200～2 250 m，該地區(qū)屬于典型的亞熱帶半濕潤氣候，冬干夏濕特征分明，年平均溫10 ℃，年平均降水量950～1 000 mm。草海蓄水面積約為20.98 km2，最大水深5 m，水體整體偏堿性。草海濕地是由喀斯特盆地積水演變而來的高原典型濕地，是我國Ⅰ級重要保護(hù)濕地[10]。草海屬長江水系湖泊，主要靠降雨補給水源，降雨主要集中在夏季，是貴州省降雨最少的地區(qū)[11-12]。

1.2 采樣點設(shè)置

分別于2018年1月(冬)、2018年4月(春)、2018年7月(夏)及2018年10月(秋)，在草海濕地上游、中游、下游，按照空心蓮子草入侵狀態(tài)設(shè)置濕地水樣采集區(qū)，分別為上游輕度入侵(S-Mi)、上游中度入侵(S-Mo)、上游重度入侵(S-Se)、中游輕度入侵(Z-Mi)、中游中度入侵(Z-Mo)、中游重度入侵(Z-Se)、下游輕度入侵(X-Mi)、下游中度入侵(X-Mo)、下游重度入侵(X-Se)，共計9個采樣點，每個采樣點鄰近采集3個水體樣品，采用保鮮箱保存樣品帶回室內(nèi)進(jìn)行檢測，采樣點分布如圖1所示。

1為上游輕度入侵；2為上游中度入侵；3為上游重度入侵； 4為中游輕度入侵；5為中游中度入侵；6為中游重度入侵； 7為下游輕度入侵；8為下游中度入侵；9為下游重度入侵圖1 草海采樣點分布Fig.1 Location of sampling points in Caohai

1.3 水體理化指標(biāo)測定

1.4 富營養(yǎng)化分析

選用湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范中綜合營養(yǎng)指數(shù)法(comprehensive nutrition index method，TLI)對草海水體進(jìn)行富營養(yǎng)化分析[17]，其表達(dá)式為

TLIChl a=10×(2.5+1.086 lnChl a)

(1)

TLITP=10×(9.46+1.624lnTP)

(2)

TLITN=10×(5.453+1.694lnTN)

(3)

TLISD=10×(5.118-1.94lnSD

(4)

TLICODMn=10×(0.109+2.661lnCODMn)

(5)

(6)

(7)

以Chl a作為基準(zhǔn)參數(shù)，按照表1計算各指標(biāo)的Wj。

表1 中國湖泊的Chl a與其他參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系Table 1 Correlation between Chl a of Chinese lakes and other parameters

湖泊(水庫)營養(yǎng)狀態(tài)分級：<30.00為貧營養(yǎng)；30.00～50.00為中營養(yǎng)；50.00～60.00為輕度富營養(yǎng)；60.00～70.00為中度富營養(yǎng)；>70.00為重度富營養(yǎng)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析，采用SPSS 25對草海濕地水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行單因子方差分析(采用Turkey 進(jìn)行顯著性檢驗)，利用Origin 2018進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 草海不同季節(jié)空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)變化特征

不同小寫字母表示在各采樣點不同季節(jié)之間差異顯著(P<0.05)圖2 草海空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)季節(jié)性特征Fig.2 Seasonal characteristics of water quality in the invasion site ofAlternanthera philoxeroides in Caohai

2.2 草海不同水域空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)變化特征

不同小寫字母表示在各季節(jié)不同采樣點之間差異顯著(P<0.05)圖3 草海空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)指標(biāo)空間變化特征Fig.3 Spatial variation characteristics of water quality indexes of Alternanthera philoxeroides invaded sites in Caohai

2.3 草海空心蓮子草入侵跡地水體營養(yǎng)狀態(tài)分析

對草海濕地空心蓮子草入侵跡地各季節(jié)水體TLI及氮磷比分析如圖4所示。

春季，上游輕度入侵水體為重度富營養(yǎng)狀態(tài)(70.49)，下游水體為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)(54.77～58.20)，其余水體均為中度富營養(yǎng)狀態(tài)(63.05～68.97)。夏季，上游、中游水體均為中度富營養(yǎng)狀態(tài)(61.03～63.14)，下游水體為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)(54.87～56.70)。秋季，上游輕度入侵水體為中度富營養(yǎng)狀態(tài)(62.86)，下游水體為中營養(yǎng)狀態(tài)(48.13～49.76)，其余均為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)(51.73～54.50)。冬季中上游水體為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)(50.46～59.00)，下游水體處于中營養(yǎng)狀態(tài)(40.36～44.84)。草海濕地相同水域空心蓮子草入侵跡地水體TLI隨季節(jié)變化呈逐漸降低趨勢，春季水質(zhì)最差；從上游到下游TLI呈降低趨勢，上游水質(zhì)最差。

ρTN為總氮的含量；ρTP為總磷的含量圖4 草海富營養(yǎng)化季節(jié)變化趨勢及ρTN/ρTP值Fig.4 Seasonal trend of eutrophication and the value of ρTN/ρTP in Caohai

草海空心蓮子草入侵跡地水體氮磷比最小為6.71(秋季上游輕度入侵水域)，最大為56.56(秋季下游重度入侵水域)，秋、冬兩季氮磷比高(20.23～56.56)，春、夏兩季氮磷比低(8.23～39.17)。

3 討論

3.1 草海不同季節(jié)空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)變化特征

春季水體中的TP含量較高，TN含量不高。草海地區(qū)春季降水少，水力停留時間較長。因此，土壤中的氮元素進(jìn)入草海量少，且此時大氣氮沉降低，這一結(jié)果與周晨等[18]的研究結(jié)論一致。草海濕地空心蓮子草入侵跡地水體中的CODMn含量較高，由于春季水溫低，微生物活性低，因此，水體中營養(yǎng)元素的利用率低，這與李興等[19]的研究結(jié)果相似。

夏、秋兩季水體中TN含量高，夏、秋兩季為草海地區(qū)的豐水期，降水多，因此，大氣氮沉降較高，且土壤中的氮磷元素隨地表徑流進(jìn)入草海。Chl a含量相較于春季并未增加，這可能是大量泥沙隨地表徑流進(jìn)入草海，水體透明度降低，從而影響藻類生長導(dǎo)致的。CODMn含量隨季節(jié)變化持續(xù)降低，水體溫度升高，微生物活性增強，從而導(dǎo)致CODMn含量下降[20]。

冬季，Chl a、TP、TN及CODMn含量降低。可能由于水溫較低，藻類生長緩慢導(dǎo)致Chl a含量下降。冬季為草海枯水期，降水少，地表徑流輸入的氮磷元素減少；水體pH呈堿性，限制了底質(zhì)中不溶性磷轉(zhuǎn)化為可溶性磷的速度；冬季水力停留時間長，水體驅(qū)動力減弱，氮磷元素沉積進(jìn)入底質(zhì)的速度大于其釋放速度，這些都會導(dǎo)致TP、TN含量降低。盡管冬季微生物活性低，但沒有新的、大量的有機污染物在冬季輸入草海，這可能是造成冬季水體中CODMn含量較低的原因。

3.2 草海不同水域空心蓮子草入侵跡地水質(zhì)變化特征

從上游到下游，各項水質(zhì)指標(biāo)的濃度均降低，這與張珍明等[20]的研究結(jié)果相似。入湖河流向草海輸送了大量的農(nóng)業(yè)及生活廢水，上游采樣點處于旅游碼頭附近，人類活動影響較多，碼頭航運及人類活動在一定程度會影響水質(zhì)[21]。因此，靠近入湖口區(qū)域的水體污染較為嚴(yán)重。隨著水域的變化，污染物向下游遷移，在此過程中，一部分污染物會因水體的自凈作用被凈化，污染物濃度降低。

空心蓮子草的入侵程度對水體的pH無影響，中度入侵、重度入侵水體中TN、TP、Chl a含量降低。空心蓮子草作為入侵植物，比土著植物有更高的生長速率，更強的營養(yǎng)繁殖，更強的競爭能力，其大量生長會降低生長水域光照、溶解氧及生物多樣性，破壞草海的植物群落結(jié)構(gòu)[22-24]，但其生物量的增加，從水體中吸收的養(yǎng)分量也會增加。因此，空心蓮子草中度入侵、重度入侵區(qū)域的TN、TP、Chl a含量低，水體富營養(yǎng)化程度輕，水質(zhì)良好。

3.3 草海空心蓮子草入侵跡地水體營養(yǎng)狀態(tài)分析

本研究表明，2018年間，草海空心蓮子草入侵跡地水體基本處在富營養(yǎng)化狀態(tài)，春季水質(zhì)最好，冬季最差。結(jié)合周晨等[18]、王燦等[25]的研究結(jié)果來看，2014—2018年，草海水體富營養(yǎng)化逐漸加重。草海周邊居民在生產(chǎn)中長期使用化肥，農(nóng)村地區(qū)生活污水分散，不能收集統(tǒng)一處理，威寧縣城污水處理系統(tǒng)不完善等，致使大量污染物進(jìn)入草海，引起水體富營養(yǎng)化逐漸加重[10,20]。污染物的持續(xù)增加，超出了草海的環(huán)境容量，同時受季節(jié)影響，水體的自凈能力也會有變化，水體不能完全凈化污染物時，草海水體污染物會累積，使得氮磷元素含量及Chl a含量升高，加劇了其富營養(yǎng)化程度[26]。

根據(jù)本研究區(qū)域內(nèi)的氮磷比，草海濕地空心蓮子草入侵跡地屬于磷限制型，磷元素是影響藻類植物生長的主要因素。劉小波等[27]、王振強等[28]研究表明，氮磷元素是湖泊富營養(yǎng)化的限制因子，氮磷比對水生植物的生長有重要影響，氮磷比超過或低于12∶1～13∶1時藻類生長會受影響。因此通過限制磷元素的輸入可有效降低草海空心蓮子草入侵跡地水體富營養(yǎng)化程度。

4 結(jié)論

對草海濕地空心蓮子草入侵跡地2018年水質(zhì)時空變化特征及水體營養(yǎng)狀態(tài)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

(3)草海濕地空心蓮子草入侵跡地水體呈中度富營養(yǎng)化狀態(tài)，隨時間變化呈降低趨勢，從上游到下游呈降低趨勢。草海濕地空心蓮子草入侵跡地屬于磷限制型，通過限制磷元素的輸入可有效降低水體富營養(yǎng)化程度。