石佛寺人工濕地不同營養特征淤積物對水生植物生長的影響

周林飛, 樊海川, 徐 也

(沈陽農業大學 水利學院, 沈陽 110866)

生態修復技術可以讓湖泊中水生植物生長趨勢得到提升，從而使湖泊所面臨的富營養化問題得到有效的控制，其對于水生植物所在湖泊的生態系統恢復有著十分重要的意義。水生植物可以通過自身的吸收和根系環境的構建來改善環境壓力，在一定程度上可以說水生植物生長的越好，富營養化湖泊的修復進展越快[1]。周圍環境中的營養元素會對水生植物的生長及分布產生影響，大多數研究表明，環境中營養元素與水生植物的茂盛程度呈正比，水生植物也更多分布在周邊營養元素較多的區域。影響水生植物生長的營養元素有很多，其中對水生植物生長產生影響較大的為氮和磷[2]，水生植物在生長過程中，其根系主要從淤積物中吸收氮(N)、磷(P)、鐵(Fe)、錳(Me)和一些微量元素，而如鈣(Ca)、鎂(Mg)、鈉(Na)和鉀(K)等元素通常是通過地上部分進行吸收的[3]。通過研究來發現水生植物生物量與淤積物營養特征之間的關系，對于了解水生植物生長特性和人工濕地的治理都具有一定意義。目前國內關于環境營養水平與水生植物生長之間關系的研究較少，且存在一定的局限性。

石佛寺水庫位于沈陽市新城子區、法庫縣依牛堡鄉和鐵嶺市鐵法縣境內，距離遼寧省沈陽市約47 km，是遼河干流上唯一的大型控制性水利工程。為改善生態環境，在水庫的基礎上于2009年開始逐步建成石佛寺人工濕地，主要栽植的水生植物包括：蘆葦(Phragmitescommunis)、蒲草(Typhaangustifolia)和荷花(Nelumbonucifera)，周邊栽植其他旱生植物，同時進行生態蓄水，對環境的改善起到了積極的作用，水生植物面積擴大，種類增多，2016年調查表明：蘆葦、荷花和蒲草面積分別為173.33，133.33，366.66 hm2，為優勢種；此外，還出現了許多新的水生植物。生態水面積16.13 km2，濕地植物與生態水面，一起構成了石佛寺湖泊型人工濕地，是遼河自然保護區的重要濕地。

本研究主要是將石佛寺人工濕地中覆蓋面積相對較大的蒲草與蘆葦作為研究對象，以TN和TP為淤積物中營養含量的主要指標，研究淤積物中營養物質含量對蒲草、蘆葦生長的影響，通過比較同一濕地不同樣點淤積物中蒲草與蘆葦的生物量，來研究淤積物營養物質含量與水生植物生長的關系。

1 材料與方法

1.1 采樣點布設

為充分了解淤積物營養成分對水生植物生長狀況的影響，在2018年對石佛寺人工濕地分別選取蘆葦、蒲草區域采樣點各5個，分別用T1—T5和P1—P5表示，具體采樣點如圖1所示。分別于4月、5月、7月、9月和10月月初，通過活塞式柱狀采樣器對各個樣點內的表層0—10 cm深度的淤積物進行采集后，將采集的淤積物裝入密封袋內并貼好標簽，帶回實驗室，分析淤積物中N和P的含量。按照水生植物的生長階段，將1年劃分為4個時期：蓄積期(1—3月)；生長期(4—6月)；成熟期(7—9月)；枯萎期(10—12月)。通過對比，研究相同環境條件淤積物營養特征對水生植物生長的影響。

圖1 淤積物采樣點布設

1.2 數據測定與處理

對于兩個區域內水生植物生物量的測定，在各采樣點內隨機選取1 m2樣方來進行研究，統計水生植物的密度后，從中隨機選取10株水生植物植株，齊地收割地上部分植株，并挖除根部(0—70 cm)土樣篩選出地下根莖部分，標記后帶回實驗室，切割后用80℃恒溫將水生植物植株烘干至少48 h，待其恒重時稱得10株樣本的重量，然后求平均，以平均重量乘以密度就得到樣點淤積物內水生植物的生物量。

對于采樣點淤積物中營養元素的測定，先將取回的樣品淤積物自然風干變得干硬后，將其全部粉碎并過100目篩。淤積物中TN和TP含量分別用水楊酸法和鉬銻抗比色法，通過全自動間斷式化學分析儀測定。采集的數據利用Microsoft Excel 2007和SPSS軟件進行整理與分析，用Photoshop CS 6軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同淤積物中蘆葦的生長

石佛寺人工濕地5個蘆葦樣點淤積物TN與TP含量見表1。其中5個樣點淤積物內TN平均含量均超過0.90 g/kg，TP平均含量均超過0.40 g/kg。其中T3樣點的TN，TP的平均含量均為5個樣點之首，而T5樣點中TN，TP平均含量均為最小。對比發現，石佛寺人工濕地蘆葦樣點淤積物中TN與TP含量，與目前國內研究較多的東太湖淤積物中TN和TP的含量相接近[4]。

表1 5個蘆葦樣點淤積物TN，TP含量 g/kg

5個樣點不同時期蘆葦的生物量變化如圖2所示。4月初，蘆葦處于生長初期，此時期內T2和T5兩個樣點中蘆葦的生物量略微高于其他采樣點，總的來看各個樣點內蘆葦生物量較接近，并沒有表現出明顯的差異，此階段各樣點蘆葦生物量比較：T5>T2>T1>T3>T4；之后隨著蘆葦的逐漸發育，5個樣點內蘆葦的生物量均開始平穩上升，各個樣點內蘆葦的生物量逐漸有了差距，其中T1和T3樣點內蘆葦的生物量增長趨勢最為明顯，而T5樣點內蘆葦生物量增長趨勢最緩，其蘆葦生物量變為5個樣點內最低，此階段各樣點蘆葦生物量比較：T1>T3>T4>T2>T5；7—9月，蘆葦進入成熟期，5個樣點內蘆葦生物量的增長趨勢都逐漸放緩，并于9月達到峰值，此時T1樣點中蘆葦的生物量均明顯高于其他4個區域，T3次之，T5樣點內蘆葦生物量仍為最低，但已與T2樣點內蘆葦的生物量較接近，此階段各樣點蘆葦生物量比較：T1>T3>T4>T2>T5。10月以后，進入枯萎期的蘆葦開始死亡腐解，各樣點內蘆葦生物量均逐漸下降，T2樣點蘆葦生物量下降趨勢相對較緩，但對總體生物量的變化影響不大?？傮w來看，5個樣點淤積物中蘆葦生物量為：T1>T3>T4>T2>T5。

結合表1和圖2來看，蘆葦的生物量與淤積物中TN和TP的含量有關，蘆葦的生物量會隨著淤積物中營養物質含量的增高而增加，這種現象在蘆葦的成熟期更為顯著。但5月之后，淤積物中TP和TN平均含量最高的T3樣點中蘆葦的生物量，始終低于T1樣點。

圖2 5個樣點不同時期蘆葦生物量

2.2 不同淤積物中蒲草的生長

各采樣點淤積物內TN，TP含量見表2。蒲草區域5個樣點淤積物中TN和TP的平均含量較接近，但也存在差別，其中P3樣點淤積物中TN和TP的平均含量都略微低于其他采樣點?？傮w來看，蒲草樣點淤積物中TN，TP的平均含量均明顯低于蘆葦樣點。

表2 5個蒲草樣點淤積物中TN，TP含量 g/kg

5個蒲草采樣點淤積物中，水生植物的生物量變化趨勢如圖3所示。在4月初，P1采樣點中蒲草的生物量略高于其他采樣點，整體來看5個采樣點中蒲草的生物量比較接近，此階段各樣點蒲草生物量比較：P4>P3>P1>P5>P2。之后，隨著蒲草進一步發育，各采樣點間生物量的差異逐漸體現。P1采樣點的生物量逐漸呈現出較大優勢，其他4個樣點內蒲草的生物量以相近的趨勢平穩增加；而進入5月后，P5樣點內的蒲草生物量的增長趨勢相對于其他樣點明顯增高，并于6月整體生物量超過P1樣點，成為5個樣點之首，此階段各樣點蒲草生物量比較：P1>P5>P2>P4>P3。蒲草進入成熟期以后，各樣點內蒲草生物量增長趨勢逐漸降低，并達到最大值，之后各樣點內蒲草生物量開始以較接近的趨勢逐漸降低，此階段各樣點蒲草生物量比較：P5>P1>P4>P2>P3。之后隨著蒲草進入枯萎期后逐漸死亡，5個采樣點中蒲草的生物量都逐漸減少，并趨近于同一數值。在整個蒲草的發育過程中，P3樣點內蒲草的生物量始終保持較低水平。

圖3 5個樣點不同時期蒲草生物量

結合表2與圖3可以發現，當采樣點淤積物內TN含量小于0.993 g/kg，TP含量小于0.437 g/kg時，樣點內蒲草的生物量會隨淤積物中營養元素含量的降低而減少，這說明淤積物中營養物質的含量會對水生植物的生長產生一定影響。

2.3 綜合分析

結合不同采樣點的蘆葦和蒲草兩種水生植物的生長情況可以發現，采樣點中的N，P營養水平與水生植物的生物量存在某種聯系：通常淤積中營養元素含量較低的采樣點上所生長的水生植物，其生物量處于相對較低的水平；水生植物的生物量會隨著采樣點淤積物中TN，TP含量的增長而增長，直到達到某一個臨界值；之后隨著采樣點淤積物中TN，TP含量的增加，水生植物的生物量會呈降低趨勢，但仍高于那些淤積物中營養元素較少的采樣點。

在水生植物的生長過程中，將水生植物的生物量與淤積物中TN和TP含量進行Pearson相關分析，發現在不同的生長時期，水生植物生物量與淤積物中營養元素含量有不同的相關關系。結果見表3。

表3 淤積物中營養元素含量與水生植物生物量的相關系數

注：*表示水生植物的生物量與淤積物中營養含量的相關性達到顯著水平(p<0.05)；**表示相關性達到極顯著水平(p<0.01)。

從表3中可以看出，在4月第一次取樣時，蘆葦和蒲草的生物量與淤積物中TP含量的相關性均為負顯著相關，且與淤積物中TN含量也呈負相關，這說明在生長初期過高的營養元素含量會抑制水生植物的發育。在5月，蒲草的生物量與淤積物中TP含量的相關性達到了顯著水平，而在7月和9月，蘆葦和蒲草的生物量均與淤積物中TN含量顯著相關，這說明當水生植物處于成熟期時，較高的營養元素含量可以促進水生植物的發育；同時期淤積物內TP含量僅在9月與蒲草的生物量顯著相關，可見其對水生植物生長的促進作用次于TN。而在10月，水生植物處于枯萎期，此時期內淤積物內營養元素含量對水生植物的生物量的影響相對較小?？傮w來看，較高的淤積物營養元素含量有利于水生植物的生長發育，特別是在成熟期，這種促進現象最為明顯。但不論是蘆葦還是蒲草，淤積物中TN和TP含量最高的樣點(T3樣點和P1樣點)，其生物量均不是5個樣點之最，故推測當淤積物中營養元素含量超過某一臨界值時，反而會抑制水生植物的生長發育，目前國內關于此臨界值的界定的文獻較少，還有待進一步研究。

通常，處于同一相對密閉環境區域的淤積物中，其營養成分的組成、含量和來源都會比較接近，但由于水體處于流動狀態，會與其他河流及外界條件產生交互，故不同的采樣點中淤積物的各營養元素含量會有較大區別，在某些湖泊和流域甚至差異會達到顯著程度[5]。由于水生植物在不同的生長階段都要從水體及淤積物中吸取大量的N，P等營養物質從而滿足自身的生長需要，故生長在不同采樣點的水生植物，其長勢及生物量都會因此而產生差異[6]。當蘆葦、蒲草等挺水植物處于生長初期時，周圍環境中過多的如N，P等營養元素會對水生植物的生長起到抑制作用，降低水生植物的生物量。這是因為當淤積物中的營養元素較高時，處于生長初期的水生植物幼苗中的丙二醛(MDA)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性會降低，從而對水生植物的發芽率、幼芽和幼根的生長起到抑制作用，降低水生植物的生物量[7]。隨著水生植物的進一步生長，其對營養物質的需求逐漸增加，淤積物中TN，TP含量不足會導致水生植物的發育遲緩，這種現象產生的原因可能與光照及溫度有關。姜瑞芳等[8]研究發現，當植物處于遮蔭環境下生長時，其植株的生長和地徑生長都會受到不同程度的限制。當植物所受到的光照足夠時，光能可以促進植物部分細胞的分裂與增長，可以加快植株體各結構器官的生長，從而加快植物生長發育的速度。楊梅嬌[9]通過對不同光照程度下油樟的生物量進行研究發現，不同光照處理下的植物生長情況有較大差異，適宜的光照更適合植物生物量的累積，而當光照不足時，植物的生物量增長會受到一定程度的限制。同時在植物生長過程中，光照和N元素還會形成交互作用，光照可以通過調控植株內硝酸還原性酶的活性來控制植物對于N元素的吸收，在一定光照強度的范圍內，光照越強，植物對N元素的吸收就越快，植物的生物量也越高[10]，這可能是蘆葦在成熟期的生物量與淤積物中N元素顯著相關的原因。目前有關溫度與水生植物生物量變化之間的關系，學術界還沒有得出完全統一的結論，但是在適宜溫度范圍內，水生植物的生物量與溫度的增長呈正比這是不爭的事實，同時溫度的升高也會增加土壤(淤積物)中營養元素的供應能力。王苗[11]將5種水生植物放在不同溫度條件下生長，對比發現在30℃以下時，水生植物的生長會受到溫度影響，溫度越高植物長勢越好。閆志強等[12]的研究發現，溫度與水生植物的生長之間的關系達到了極顯著相關(p<0.01)的程度。在5—9月期間，日照時間延長，石佛寺人工濕地的水溫會逐漸升高至20℃以上，光照和溫度會共同調節蘆葦與蒲草的生長，同時影響淤積物中N，P等營養元素的釋放，淤積物中營養元素較高的采樣點所種植的水生植物生物量相對較大，而到了秋季以后，淤積物中營養物質含量對水生植物生物量的影響不再明顯。

從本文的研究來看，不同營養特征的淤積物對于蘆葦和蒲草的發育情況確實有影響，隨著淤積物中營養元素含量的提高，水生植物的發育總體情況得到改善。而當淤積物中營養元素進一步增加，過高的營養元素會對植物的發育產生威脅。目前關于淤積物營養特征對水生植物不同階段生長發育影響的研究十分迫切，淤積物中過高的營養物質含量可能對于濕地中水生植物的衰減負有較大責任。

3 結 論

石佛寺人工濕地內不同采樣點淤積物的營養水平有所不同，淤積物中營養元素的含量會對水生植物的生長造成影響，淤積物中較高的營養水平會使水生植物的生物量增加。這種影響在水生植物的不同生長時期有所差異。當水生植物處于生長初期時，N，P等營養元素會抑制水生植物的生長，這種抑制會隨著水生植物的進一步發育逐漸變成促進作用，尤其是當水生植物進入成熟期后，淤積物內營養元素含量與水生植物的生物量的相關性達到顯著水平(p<0.05)。之后水生植物進入枯萎期，逐漸死亡，淤積物中營養水平對水生植物生長的作用不再明顯。淤積物中營養物質含量對于不同水生植物的影響有所差異，從本文來看，蒲草的生物量與淤積物中營養元素含量的相關性更高。此外，光照、溫度、pH值和水體中溶解氧含量等因素均會對水生植物的生長產生影響。