沉水植物在持续氮、磷负荷条件下对上覆水营养盐含量的影响

周茂飞， 郑建伟， 关保华， 张 雪， 殷春雨

(1.南京信息工程大学应用气象学院，江苏南京 210044； 2.中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室，江苏南京 210008)

通信作者：郑建伟，副教授，主要从事水生植物以及湖泊生态修复研究。E-mail：jwzheng@163.com。

水体富营养化是当前突出的环境问题，我国大部分湖泊、水库、河流都处于富营养化甚至超富营养化状态[1]。富营养化破坏了水生态系统的结构，导致水体丧失自净能力，饮用水水质受到严重威胁[2-4]。近年来，我国已经开展了大量工作，在流域范围内控制湖泊的外源污染，但很多湖泊依然存在持续不断的外源污染，导致湖泊水质难以好转甚至持续恶化[5-6]。

沉水植物是水生态系统的重要组成部分[7]，能够通过促沉降、吸收营养盐、抑制沉积物释放营养盐并提高沉积物滞留营养盐能力等作用，降低水体营养盐含量，维持水体清澈，减少水体的内源负荷，是富营养化水体生态修复的关键工具种[8-10]。但在水生态修复的过程中，是否需要完全切断外源污染依然存在争议[11]。

由于大量草型湖泊和生态修复后的湖泊依然存在持续外源污染，沉水植物在持续外源污染条件下能否继续维持上覆水低营养盐是一个值得探讨的问题，因此本研究设置室外控制试验，分为刺苦草组与无草组，持续添加氮、磷营养盐，定期监测上覆水营养盐、浮游植物和附着植物的变化，分析持续氮、磷负荷对沉水植物系统上覆水营养盐含量和浮游植物的影响，为保护和修复水生态系统提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计及样品处理

试验于中国科学院南京地理与湖泊研究所太湖863实验基地开展。将8个52 L蓝色塑料桶统一放置在一块土质平台上，下部埋入土10 cm，用于固定试验桶并减缓试验水体温度过高。塑料桶上内径41 cm，下内径33 cm，桶高56 cm。每个塑料桶中铺设6 cm沉积物，沉积物采自太湖梅梁湾的芦苇带，拣出沉积物中的蛳螺、杂物和植物残体，混匀后铺入塑料桶中。每个桶中加入40 cm深的水(水来自太湖，泵入湖边的水泥池中澄清7 d后使用)，水体总氮含量为0.8 mg/L，总磷含量为0.1 mg/L。沉积物和水放入试验桶后，为避免附着和浮游藻类生长盖上桶盖遮光澄清24 h。之后，在其中4个塑料桶中均匀种植10株来源相同、大小一致、由块茎萌发的刺苦草幼苗(平均生物量±标准差=0.060 5±0.008 g/株，平均高度±标准差=16.74±1.90 cm；平均叶数±标准差=7.6±0.81张)。另外4个塑料桶中不种植植物作为无植物对照，并在水深10 cm处悬挂 80 cm2的塑料片作为附着植物的附着基。采集试验桶20 cm深处水样和0～3 cm表层沉积物，测定初始总氮(TN)、总磷(TP)含量，并留取刺苦草草样。

设置2个试验处理(表1)，模拟太湖等湖泊外源负荷氮、磷含量[12-13]，处理组分别每3 d添加1次营养盐(NH4Cl与KH2PO4)，外源氮负荷量为80 mg/(m2·d)，外源磷负荷量为4 mg/(m2·d)，并在添加营养盐之前定时测定上覆水pH值和水温。试验过程中定期刷洗桶壁，避免附着生物生长；每隔3 d添加蒸馏水至试验桶中，弥补蒸发散失的水分，使水深保持40 cm；下雨时，用雨布遮盖试验桶。

1.2 样品分析

表1 试验处理

1.3 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 20.0软件对所有数据进行统计分析，差异显著性检验采用单因素方差分析(one-way ANOVA)。当P<0.05时，表示有显著性差异；当P>0.05时，表示没有显著性差异。

2 结果与分析

2.1 上覆水各形态氮含量的变化

2.2 上覆水各形态磷含量的变化

与氮一样，种植刺苦草也能降低上覆水中各种形态磷的含量，但与无草组无显著差异(P>0.05)。其中，有草组的TP、TDP、PO4-P含量低于无草组16.67%、36.33%、47.75%(图2)。

2.3 上覆水pH值的变化

在持续添加氮、磷负荷20 d内，刺苦草组上覆水中的pH值与无草组没有差别，此后则开始高于无草组(图3)，整个试验期间平均高出无草组9.4%，整体显著高于无草组(P<0.05)。

2.4 浮游植物和附着植物的变化

刺苦草系统上覆水中浮游植物叶绿素a含量一开始低于无草组，但20 d后开始略高于无草组，试验后期高出较多(图4)，但二者并无显著差异(P>0.05)。刺苦草系统中附着植物叶绿素a含量显著低于无草组(P<0.05)。

3 讨论

“草清型”稳态的水体指沉水植物丰富、透明度高、水质较好的稳定水体状态，而“藻浊型”稳态的水体指藻类大量生长、浑浊、水质差的水体[15-16]。富营养化导致许多浅水湖泊从“草清型”稳态转变为“藻浊型”稳态，在这个过程中，沉水植物消失和藻类暴发的先后顺序是一个值得研究的问题。从本试验结果来看，在总氮含量为0.8 mg/L，总磷含量为 0.1 mg/L 的水体中(接近我国长江中下游大部分湖泊水体营养盐含量[17])，持续添加氮、磷80、4 mg/(m2·d)负荷20 d后，沉水植物已经无法抑制浮游植物生长。可以预见，随着浮游植物的大量生长，遮蔽了沉水植物能够获得光照，从而导致沉水植物生长受限直至消失。因此，藻类的暴发可能是先于沉水植物消失的。

研究表明，沉水植物通过促进沉降、提高沉积物滞留能力以及吸收等作用，能显著降低富营养化水体中的营养盐含量[18-20]。在本研究相同的氮、磷负荷情况下，刺苦草组上覆水中各形态的氮、磷含量都低于无草组。因此，在富营养化水体的生态修复过程中，沉水植物常常作为工具种使用[20-21]；对自然湖泊的生态修复，也常常把促进沉水植物恢复作为水质恢复的必要前提[22]。但是，在生态修复的过程中，很多水体依然有很高的营养盐含量[23]。由于我国富营养化水体的营养盐本底值已经很高，外源营养盐的持续输入，将会在短期内破坏沉水植物构建的清水稳态，重新转变为浮游藻类占优势的浊水稳态，因此在富营养化水体的生态修复过程中必须严格切断外源负荷。

沉水植物对水体的pH值也会有影响[24]。在本研究相同的氮、磷负荷情况下，刺苦草组上覆水中的pH值显著高于无草组，且越到后期越明显。赵联芳等研究表明，水体的pH值是由游离的CO2含量与碳酸之间的平衡决定的，其他条件不变，CO2的含量越低，水体pH值就越高[25-26]。刺苦草可以通过光合作用吸收水体中的CO2，从而提高水体的pH值。

沉水植物也可以影响水体的附着植物[27]。在本试验的后期，有草组的叶绿素含量高出无草组，可见在持续氮、磷负荷条件下，刺苦草并不能抑制浮游植物的生长，特别是在生长晚期，这主要是由于刺苦草分解释放的营养盐增加而导致浮游植物增加。刺苦草能显著抑制附着植物的生长，但这种抑制作用随氮、磷营养盐含量的不断增加和植物由盛到衰而大大降低。黄瑾等研究发现，高浓度营养盐的情况下，沉水植物对附着藻类有显著的抑制作用，但是不能抑制浮游植物[28]。随着营养盐浓度的升高，沉水植物对浮游植物的营养竞争就会减弱，从而造成浮游植物大量生长[29-31]。有研究学者推测，沉水植物向水体中分泌化感物质或者通过吸收富营养化水体中的氮、磷营养盐，从而抑制了附着藻类的生长，这有待于进一步研究[32-34]。

4 结论

持续氮、磷负荷的情况下，刺苦草能够有效缓解外源负荷持续增加，从而导致上覆水营养盐升高和水体酸化。低浓度营养盐环境下，刺苦草能有效抑制浮游植物和附着植物生长，但当外源污染持续一段时间后，对浮游植物不再具有抑制作用。因此，在富营养化水体的生态修复过程中，为了保证修复效果，须要严格控制外源负荷。

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