典型沉水植物修復富營養水體的最優種植密度

張萌+李雄清+鄒新+周慜+劉足根

摘要：沉水植物因其完全水生的特點使得其在水生植物各生活型中對環境脅迫的反應最為敏感，它的存在對水域生態系統中的結構和功能的穩定性起著支撐作用。因此，沉水植物對于生態修復中水生植物群落的構建起著關鍵作用。通過室內人工栽培的模擬試驗，研究不同種植密度下中國典型沉水植物耐污種金魚藻（Ceratophyllum demersum L）和穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum L）對氮、磷營養鹽的去除能力，并篩選最優定植密度。結果表明，金魚藻種植密度為4.0 g/L時，對總氮（TN）、總磷（TP）去除率最高，分別達86.78%和91.82%；穗花狐尾藻種植密度為2.0 g/L和4.0 g/L時，對總氮、總磷去除率最高，分別達91.60%和92.10%。通過氮磷去除率-密度的非線性擬合模型，金魚藻和穗花狐尾藻的最優種植密度分別為4.5～5.0 g/L和3.0 g/L?；诔杀?效率均衡考慮，最終確定了兩種沉水植物的單一種植最優密度為3.0 g/L。

關鍵詞：富營養化；沉水植物耐污種；最優種植密度；金魚藻（Ceratophyllum demersum L）；穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum L）；模擬試驗

中圖分類號：X171.4；X524 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）20-5218-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.20.014

Abstract： Because of its completely aquatic characteristics， which makes submerged plant all life forms in aquatic plant responses to environmental stresses in the most sensitive. And submerged plants exists of water ecological system plays a supporting role in the structure and function of the stability. Therefore， the submerged plant plays a key role for the construction of ecological restoration of aquatic plant community. Through indoor simulation test of artificial cultivation，2 pioneer tolerant submersed macrophytes（Ceratophyllum demersum L and Myriophyllum spicatum L） were chosen and 5 planting densities （0～4.0 g/L） were set in the experiments. Removal capacity of nitrogen and phosphorus were determined and calculated. The results showed that in C. demersum and at the plant density of 4.0 g/L，the removal rates of TN and TP in eutrophic water were both the maximum（86.78% and 91.82%， respectively）； In M. spicatum，the removal rates of TN and TP in eutrophic water were the maximum （91.60% and 92.10%） at the plant density of 2.0 g/L and 4.0 g/L，respectively. The optimum planting densities of C. demersum and M. spicatum were 4.0～4.5 g/L and 3.0 g/L， respectively，through the nonlinear fitting models of removal rate of TN or TP plant density. Based on the cost-efficiency tradeoff and traits of two plants，the optimum planting density of the two submerged plants was suggested at 3.0 g/L.

Key words： eutrophic； tolerant submersed macrophytes； optimal plant density； Ceratopedhyllum demersum L； Myriophyllum spicatum L； simulation experiment

作為水生態系統中重要初級生產者，沉水植物在水生生態系統中的重要生態功能廣受認同[1，2]，該類群能起到維持湖泊清水穩態與改善水質的關鍵作用，因此沉水植物應用于水體生態修復受到國內外普遍青睞[3-7]。大量研究表明，沉水植物生態恢復可顯著改善富營養化水體水質、綜合性修復受損水生態系統、施工方便、破壞性小、治理成本低廉[3-8]，面對中國眾多富營養化湖泊、水庫、池塘、淺水河流、門前屋后水塘亟待治理的巨大需求，其應用前景極為廣闊。

然而，在沉水植物生態修復過程中，種植密度過大，不僅面臨種質資源的不足，而且因種群間競爭激烈、水下光照條件受到限制，致使種群長勢不佳，修復效果往往較差；在工程實踐中，沉水植物密度過大時還需適時收割，才能顯著降低湖泊營養負荷，并防止二次污染[8，9]。當種植密度稀疏時，植物的種間競爭或牧食作用能極大影響沉水植物的生長和恢復[8，9]。由此可見，在利用沉水植物進行生態修復時，合理的種植密度對修復成敗、效果及提高投資性價比均具顯著影響。

目前，對沉水植物種植的最優密度研究仍鮮有深入報道，不同物種和水質情況采用何種密度更優成為困擾水體生態恢復工程研究中的一大因素。本研究通過微系統人工模擬試驗方法，研究不同種植密度下的沉水植物生物量累積速率、株長變化規律以及對氮、磷營養鹽的去除能力，來確定沉水植物在修復富營養化水體時最優種植初始密度，為工程實踐及深入研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 植物材料的篩選

以優先選取長江中下游鄉土常見種、拒絕入侵種以防次生災害的原則，篩選出兩種對氮、磷營養鹽具有較強耐受性、較好去除能力且在修復富營養化水體中常見的物種作為本研究中的沉水植物先鋒種。

1.1.1 金魚藻（Ceratophyllum demersum L） 金魚藻屬金魚藻科，為多年生沉水性水生植物，以營養繁殖為主，春、夏至秋季生長，屬于強分支能力的高體型植物[10]，且為多裂葉型（Dissected-leaf）植物。在中國長江中下游流域的湖泊及江西境內均有廣泛分布[11-13]。金魚藻作為沉水植被中對水生態修復的先鋒物種，有較強的凈化水質的能力且可分離再利用[14]，在武漢東湖、江蘇太湖等湖泊原位修復中消減水體氮磷效果良好，春、夏兩季對總磷（TP）去除率分別可達91.75%和92.44%[15，16]，且能改善水質觀感、克藻效應明顯[7，14，16，17]。

1.1.2 穗花狐尾藻（Myriophyllum spicatum L） 穗花狐尾藻屬小二仙草科，為多年生沉水性雙子葉植物，多裂葉型，春季生長，在夏季生物量達到最大[10]。中國狐尾藻屬植物常見有4～5種，穗花狐尾藻在長江中下游流域均有廣泛的分布[11-13]。穗花狐尾藻具有較低的CO2補償點和對pH較高的耐受能力（pH>9），去除水體中N、P的作用明顯，對總氮（TN）、總磷去除率分別可達90.50%和88.00%，且克藻效應明顯[18-20]。

1.2 植物材料采集

金魚藻和穗花狐尾藻取自南昌玉帶河上游。在采回的植物樣中，選用生長狀態良好且性狀基本統一的成熟植株頂端，用自來水洗凈，在自來水中預培養10 d后進行氮磷去除試驗，以使植物適應新的環境。

1.3 供試水體

根據國家環境保護總局發布的2011年中國環境狀況公報，中國出現富營養化的湖泊（庫）水質大部分在Ⅳ～Ⅴ類，供試水體是依據《地表水環境質量標準》（GB3838-2002），使用硝酸鉀和磷酸二氫鉀進行氮、磷濃度的配制，初始指標為TN=1.619 0 mg/L、TP=0.709 0 mg/L，處于Ⅴ類水質。因此本研究的供試水體最終確定為Ⅴ類水質。配制水體為自來水，水體中TP濃度為0.007 7 mg/L，TN濃度為0.449 0 mg/L。

1.4 試驗方法

試驗體系供試水體為45 L的富營養化水，石英砂（均長6.923 mm，寬5.653 mm，重0.226 g/粒）作為植物固定基質，兩種植物初始長度為20 cm，枝條均一，試驗期間盡可能保證其采光、通風條件的一致性。本次試驗金魚藻和穗花狐尾藻均設置5個種植密度梯度處理，分別為0、0.5、1.0、2.0、4.0 g/L，即金魚藻種植的生物量分別為0、22.5±2.5、45.0±3.6、90.0±1.8、180.0±4.5 g，穗花狐尾藻種植的生物量分別為0、22.5±3.8、45.0±2.6、90.0±5.5、180.0±4.1 g。每個密度處理設置3個重復，隨機設計，試驗共使用30個內表面光滑的塑料箱（長×寬×深：47.5 cm×35.0 cm×28.0 cm）。試驗期間通過加去離子水來補充蒸發和植物蒸騰所耗的水分。試驗周期為18 d（7月8～25日，氣溫25～37 ℃，光照充足），每6 d檢測一次水樣。試驗結束后，稱取各個處理組植物鮮重，同時量取植物的長度和莖的直徑。

1.5 分析方法

水質指標測定參照水和廢水監測分析方法（第四版），總氮采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定，總磷采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測定。

試驗結束后，植物樣品先用自來水沖洗干凈，再用吸水紙將植物表面的水吸干凈，隨后稱取植物鮮重。用直尺和數顯游標卡尺測量植物的株長和莖徑。

1.6 數據處理及有關計算方法

數據采用SPSS 17.0、Excel2003統計分析軟件進行數據處理與統計分析，采用Tukey HSD檢驗顯著性差異，氮磷去除率隨時間的動態波動關系采用Tablecurve 2D軟件進行非線性方程擬合。

去除率=（C0-Ci）/C0×100%

其中，C0為初始水體中污染物的濃度，Ci為水體中污染物的濃度；

植物相對生長速率（RGR）=t-1ln（W2/W1）

其中，W1為試驗前植物干重，W2為試驗后植物干重，t為試驗天數；

植物長度相對生長速率=t-1ln（L2/L1）

其中，L1為試驗前植物株長，L2為試驗后植物株長，t為試驗天數。

2 結果與分析

2.1 不同種植密度下金魚藻和穗花狐尾藻的生長狀態

處理18 d后，不同種植密度下金魚藻和穗花狐尾藻生長狀況均良好。穗花狐尾藻可迅速適應高營養環境，在種植密度為1.0 g/L時，其生物量由45±2.6 g增加至112.0±14.8 g（圖1），RGR達到（0.051±0.007）/d，增長幅度為所有試驗組中最高。金魚藻生物量RGR最高達到（0.035±0.014）/d，其對應種植密度為0.5 g/L。由此推斷，在種植密度較小時，沉水植物所需的營養充足，且可利用的生長空間相對較大，故利于生物量的累積。

對不同種植密度處理18 d后的金魚藻和穗花狐尾藻生長性狀進行比較發現，穗花狐尾藻株長均大于金魚藻，尤其是低密度處理組差異更大（圖2），表明穗花狐尾藻相同處理條件下莖干伸長速度較金魚藻快，且種植密度1.0 g/L及以下條件時伸長速度相對更快。處理18 d后，兩物種的生物量僅在種植密度為1.0 g/L時具有顯著性差異（P<0.05）；金魚藻和穗花狐尾藻的株長在種植密度為0.5 g/L和1.0 g/L時具有顯著性差異（P<0.05），其他種植密度無顯著性差異（圖2，P>0.05）；金魚藻與穗花狐尾藻的莖徑長在4個處理組間均呈顯著性差異（圖3，P<0.05）。

不同密度處理下生長狀態比較發現，在處理期間，金魚藻和穗花狐尾藻生物量，除金魚藻在0.5 g/L和1.0 g/L處理組間、穗花狐尾藻在1.0 g/L和2.0 g/L處理組間無顯著性差異外，均隨處理密度增加而顯著增大（P<0.05），在增加幅度上僅金魚藻隨處理密度增加而增大，穗花狐尾藻則在處理密度1.0 g/L時生物量增加幅度最大，其他處理組增幅相對較??；金魚藻的株長隨處理密度增加而增加，且種植密度≥2.0 g/L處理下其株長顯著增加（P<0.05），而種植密度≤1.0 g/L處理下增幅較?。≒>0.05）；穗花狐尾藻的株長隨處理密度增加而微幅增加（P>0.05）；金魚藻的莖徑長呈現隨種植密度增加而微幅增加的趨勢（P>0.05），穗花狐尾藻的莖徑長除2.0 g/L與4.0 g/L兩處理間無顯著差異外，呈現隨種植密度增加而顯著降低的趨勢（P<0.05）（圖1、圖2、圖3）。同一處理組下，金魚藻、穗花狐尾藻的初始和最終生物量間、初始株長和最終株長間均呈顯著性差異（P<0.05）（圖1、圖2）。

2.2 不同種植密度下金魚藻和穗花狐尾藻對水體TN的去除效果

由圖4可知，不同種植密度下的金魚藻和穗花狐尾藻對富營養化水體中TN均具有明顯去除效果，去除率均明顯高于對照組（0 g/L）。在金魚藻和穗花狐尾藻所有處理組間，第12天種植密度為 2.0 g/L的穗花狐尾藻，TN去除效果最好，水體總氮含量由1.619 mg/L降到0.136 mg/L，去除率達91.60%；而在金魚藻處理組中，TN去除效果最好的是第18天種植密度為4.0 g/L，水體中總氮含量由1.619 mg/L降到0.214 mg/L，去除率達86.78%?？傮w來看，穗花狐尾藻對水體TN的去除效果略優于金魚藻。

在第18天時，金魚藻除種植密度為0 g/L的處理水體中TN去除率為67.79%外，其他處理組TN去除率均在80.89%～86.78%之間，種植密度為4.0 g/L的處理水體中TN去除率最高（86.78%）；穗花狐尾藻的種植密度1.0、2.0、4.0 g/L處理組的TN含量有所回升，去除率有所降低，分別為84.88%、83.88%和85.11%（圖5）。兩種先鋒種植物的TN去除率與種植密度之間均逐漸呈現正相關的非線性關系。去除率與種植密度之間均呈現相關性極高的非線性響應關系（圖5），通過擬合曲線發現，穩定處理狀態下，金魚藻和穗花狐尾藻最優種植密度分別約為5.0 g/L和3.0 g/L（圖5b、圖5c）。

綜合來看，水體中總氮去除效果最明顯的處理時間段發生在6～12 d，金魚藻和穗花狐尾藻水體中總氮的含量均有顯著下降，各試驗組之間差異極顯著（P<0.001），隨后逐漸平穩，在第18天時，除對照組中總氮含量與其他處理存在顯著性差異外，其他各處理組之間無顯著性差異。由于在后期穗花狐尾藻部分處理組出現植物死亡，因此該系列處理組水體TN含量稍有升高。

2.3 不同種植密度下金魚藻和穗花狐尾藻對水體TP的去除效果

由圖6可知，不同種植密度下的金魚藻和穗花狐尾藻對富營養化水體中TP都有明顯的去除效果，去除率均明顯高于對照。在金魚藻和穗花狐尾藻所有處理組中，第18天，穗花狐尾藻種植密度為4.0 g/L時，TP去除效果最好，水體中TP含量由0.709 mg/L降至0.056 mg/L，去除率達92.10%；而金魚藻在第18天種植密度為4.0 g/L時，TP去除效果最好，水體中TP含量由0.709 mg/L降至0.058 mg/L，去除率達91.82%。綜合18 d處理情況，穗花狐尾藻對水體中TP的去除效果略好于金魚藻。

兩種先鋒種植物的水體TP去除率與種植密度之間均呈現相關性極高的非線性響應關系（圖7），通過擬合曲線發現，穩定處理狀態下，金魚藻和穗花狐尾藻的最優種植密度分別約為4.5 g/L和3.0 g/L（圖7c左、右）。

3 討論

多裂葉型的沉水植物狐尾藻屬物種（Myriophyllum spp.）、金魚藻屬物種（Ceratophyllum spp.）比其他葉形如披針葉型（Lanceolate-leaf）眼子菜屬物種（Potamogeton spp.）和黑藻屬物種（Hydrilla spp.）和線形葉型（Linear-leaf）的物種能耐受更多附著生物的不利影響，并能產生競爭優勢[21]，在先鋒種植物修復實踐中具有比較優勢。在武漢東湖的富營養水體生態修復實踐中，具有K-選擇性對策的多年生的微齒眼子菜（P. Maackinaus）卻難以成功地大面積恢復，這與該種所具有的地下莖發育不良、再生能力或營養繁殖能力弱、種子庫相對較小等特性有關[22]。而對于r-選擇性對策的沉水植物物種，如穗花狐尾藻，大茨藻（Najas marina），金魚藻和苦草（Vallisneria spp.）而言，種群的快速恢復是顯而易見的[22，23]。

本試驗所選用的多裂葉型沉水植物穗花狐尾藻和金魚藻，在處理的各種植密度（0.5～4.0 g/L）下均能生長良好，且對富營養化水體中TN、TP都有明顯的去除效果，去除率均明顯高于對照組（種植密度0 g/L），也優于其他沉水植物處理效果，如菹草（P. crispus）處理時間24 d的TN、TP的去除率，分別為82.80%、90.10%[24]；也優于挺水植物蘆葦（Phragmites australis）處理的TN、TP的去除率，分別為76.00%、86.00%[25]。其中金魚藻種植密度均為4.0 g/L的處理組，TN、TP去除率分別為86.78%和91.82%；穗花狐尾藻種植密度為2.0 g/L和4.0 g/L的處理組，TN、TP去除率分別為91.60%和92.10%；而數據模擬結果顯示，穗花狐尾藻的總氮、總磷去除率最高的峰值均出現在種植密度約3.0 g/L的處理水平，金魚藻的總氮、總磷去除率最高的峰值分別出現在種植密度約5.0 g/L和4.5 g/L的處理水平。在試驗期間，對照組在6 d后出現藻類，水體逐漸變綠；而處理組可通過沉水植物根系分泌化感物質抑藻，同時沉水植物和藻類在營養和光能上存在競爭關系，因此處理組只是在塑料整理箱壁上有部分藻類，隨著種植密度的增大，藻類出現的時間較晚，且藻類較少，在種植密度為4.0 g/L的兩種植物處理組內，水體在試驗的18 d中均保持較高的透明度（見底）。吳潔等[26]利用穗花狐尾藻對西湖小南湖區進行生態修復，結果表明水質得到顯著改善，葉綠素a大幅下降。王瑜等[19]的研究表明穗花狐尾藻和金魚藻對水體中的TN、TP去除作用明顯，能在一定程度上抑制藍、綠藻的生長，降低葉綠素a（Chla），提高水體透明度，與本研究結論一致。

綜合不同種植密度下沉水植物對水體中TN、TP的去除效果，在保障高效、快速修復的前提下，需控制修復成本，并防止密度過大帶來其他危害。因此從效率-成本權衡考慮，建議選擇3.0 g/L為穗花狐尾藻的最優種植密度，4.5～5.0 g/L為金魚藻的最優種植密度?？紤]到金魚藻分枝能力強，生物量累積快，當在種植密度3.0 g/L的處理下，可18 d內達到4.0～5.0 g/L的種群密度，TN和TP去除率均可高達80%以上。黃子賢等[27]通過室內模擬分析比較輪葉黑藻、馬來眼子菜等4種常見沉水植物在6個種植密度梯度（0.5～3.0 g/L）下對污染水體中TN、TP的去除率，種植密度為3.0 g/L的處理組去除率最高。陳中義等[28]研究了梁子湖之一滿江湖的6種沉水植物種群數量和生物量動態，發現沉水植物群落的最大生物量為4 676 g/m2，且沉水植物過密時，行船易受阻礙。因此，綜合考慮成本或材料資源量與營養鹽去除效率和兩種植物的物種性狀特征，在生態修復實踐中，金魚藻和穗花狐尾藻單一種植的最優密度宜選擇3.0 g/L。

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