水深梯度对苦草生长和生物量的影响

曹昀，张素娟，刘燕燕，国志昌，陈冰祥

1. 江西师范大学，鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西 南昌 330022；2. 江西师范大学地理与环境学院，江西 南昌 330022

水深梯度对苦草生长和生物量的影响

曹昀1，2*，张素娟2，刘燕燕2，国志昌2，陈冰祥2

1. 江西师范大学，鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室，江西 南昌 330022；2. 江西师范大学地理与环境学院，江西 南昌 330022

将采用沙壤土培育的苦草幼苗(Vallisneria natans)放置于60～170 cm的水深范围内，每10 cm一个处理，使用光照计测定不同水深的光照强度并用 Skalar水质流动分析仪测定试验水体的理化指标，观测苦草在不同的水深梯度下形态及叶片、叶绿素含量的变化，以研究水深梯度对沉水植物的个体生长发育及生物量的影响。试验结果表明：（1）试验30 d后，在60～130 cm的水深范围内，苦草株高随水深的增加而增高，在130～170 cm的水深范围内，随水深增加而降低，130 cm处苦草的平均高度最大，达67.9 cm；试验60 d，苦草的叶片长度、宽度、面积都随着水深的增加而减小，且在150～170 cm水深范围内叶片长度明显变小，苦草的生长速率随水深的增加显著下降；（2）不同试验组苦草的叶片长度、宽度、面积以及生长速率与水深呈明显的负相关（P＜0.01），而叶绿素含量与水深呈明显的正相关（P＜0.01），叶片面积在140～150 cm水深范围内减小最明显，且在140～160 cm水深范围内苦草各叶绿素指标较高，尤其是chl a+b在水深160 cm处高达1.876 mg·g-1；（3）苦草叶片叶绿素含量随着水深的增加（光强降低）而升高，其变化幅度为0.369～1.876 mg·g-1，其中叶片叶绿素a随着水深的增加呈波动递增的趋势，且在水深80 cm处较低（0.268 mg·g-1)，而叶绿素b在60～170 cm水深范围内总体较平稳，在水深160 cm处达到最高（0.505 mg·g-1），chl a/b变化幅度较小，仅在2.49～2.84 mg·g-1之间；（4）试验60 d后，各试验组总生物量的较大值主要集中在100～140 cm水深范围内，其中地上部分生物量平均占全株生物量的89.5%，地下部分生物量只占10.5%，生物量的分配随水深梯度变化不明显。说明水深梯度的变化对苦草的叶片生长及叶绿素含量有影响，但对生物量的分配作用不明显。研究表明在100～140 cm的水深范围内苦草生长较好，因此在透明度较好的水域生态恢复中应考虑100～140 cm的水深范围恢复苦草种群，这样有利于促进种群生物量和水下草坪的形成以及水生生态系统的恢复。

苦草；水深梯度；生物量；叶绿素

沉水植物在水体净化过程中具有重要的地位(Zheng等, 2013)，它能吸收大量的营养物质从而达到净化水质的作用，但是由于水体的富营养化以及人类的不合理活动，沉水植物在全球范围内大量减少（Zhu等, 2014），沉水植物的恢复和重建已成为水域生态学研究的重点内容之一(Ewel, 1987)。基质类型、水深梯度、光照强度、水温、流速是影响沉水植物生长的重要因素，其中水深作为沉水植物生长状况和生物量变化的指示器(Karl, 2003)，对沉水植物幼苗生长、光合作用有重大影响(Xiao等, 2010)。Karl E. Havens(2003)认为水深与光照强度的降低密切相关，在一定水深条件下，当光照强度达不到植物生长的补偿点时，沉水植物就会通过改变其叶片特征和生理适应能力从而对变化的环境做出反应。

苦草（Vallisneria natans）隶属于水鳖科苦草属多年生沉水草本，广泛分布于各种类型的水生生态系统中，能吸收水体中的氮磷等营养元素，对弱光的适应能力强（Li和Xie, 2013），对维持水生生态系统的稳定具有重要意义(朱丹婷等, 2010)。关于苦草的研究主要集中在光照强度(黎慧娟等, 2008; 谢云成等, 2012)、藻类生长(He等, 2014; 何虎等, 2012)、土壤基质(Lu等, 2014; Zhu等, 2014)、水质(张来甲等, 2013)等方面，关于水深梯度对苦草生长发育影响的研究甚少。本试验研究苦草在不同水深梯度下的生长发育过程，测定叶片特征、生物量及叶绿素含量等指标，探寻适合苦草生长的水深环境，从而为水体沉水植物恢复及水生生态系统重建提供一定的参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验在水深2.50 m的实验池进行，选取萌发一致，长势良好，根茎无损的苦草幼苗（株高20 cm，每株3～4片叶）栽培到塑料盆（长15 cm×宽11 cm×高10 cm）中试验(土壤基质为沙壤土)，每盆种植苦草 10株。试验水体取自人工湖泊，去除杂质澄清之后注入实验池（位于玻璃温室内），水体的透明度为80 cm，使水位达到170 cm并尽量保持水环境不变，而后将苦草幼苗置于水深为60～170 cm条件下。该试验于6月1日到9月10日进行，水温按照室外的温度控制在15～25 ℃之间，整个试验在自然光照下进行。

1.2 试验方法和参数测定

将萌发一致的苦草幼苗栽培到塑料盆中并悬挂于60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170 cm（盆上端开口距水面的距离）共12组水深条件下，每组重复3次。试验水质条件在试验过程中基本一致，平均水质指标见表1（每周测定1次）。使用光照计测定不同水深的光照强度；用溶解氧仪测定相应水深的水温和DO等；试验水体的理化指标TN、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TP用 Skalar水质流动分析仪（荷兰）测定，CODMn采用高锰酸钾氧化法测定。

表1 试验水体平均水质指标Table 1 The average quality index in different water depths mg·L-1

水体中影响水生植物生长的首要因素是光照条件。光在水中的传输可以近似表示成指数衰减：Iz=I0e-Ez，其中Iz与I0分别为水面下z深度处和水面处的光强。垂直方向的衰减系数E表明光在水体中衰减快慢。光在试验水体中的分布可以拟合为：y = 342.98e-0.113x(r2= 0.9522)。光照在水中的衰减系数E＝0.1130，100 cm水深处的光照为11.22 klx，光照强度与水深呈明显的负相关(图1)。

每隔7天测定苦草的形态学参数。植株的形态学参数(植株高度、叶片长度、宽度、面积)采用直接测量法；待各形态趋于稳定时，采集植物样本，测定叶、根生物量（湿）、生物量（干）采用烘干称重法（精确到0.01 g），叶绿素和类胡萝卜素含量的测定采用丙酮提取比色法（张志良, 2003）。

1.3 数据处理

图1 试验水体水下平均光照变化Fig. 1 The changes of underwater light in experiment

试验数据采用Excel和SPSS 19.0软件进行分析处理，采用Pearson对苦草的各指标进行相关性分析，其中P＜0.01表示极显著相关，P＜0.05表示显著相关。

2 结果与分析

2.1 水深梯度对苦草株高的影响

不同水深条件下的苦草生长状况不同，并主要通过光照强度的变化作用于植物。苦草在 60～170 cm的水环境中能正常生长，但平均株高变化各异。试验30 d后，在60～130 cm(光照强度8.59～16.84 klx)水深范围内，苦草的植株高度随水深的增加而增高，且在130 cm水深处达到最大值62.79 cm。由于水深增加限制水下光强，影响了苦草的生长和空间分布，使得在130～170 cm（光照强度3.94～8.59 klx）水深范围内，光强达不到苦草的光补偿点，植株高度随水深的增加而降低，尤其在 160～170 cm水深范围内，株高骤然下降了10.89 cm，且最小植株高仅为42.88 cm（170 cm）；在60～100 cm水深范围内，苦草株高增加不明显，增加的最大值仅为1.28 cm。试验60 d后，苦草的株高变化与试验30 d的变化一致（图2）。

2.2 水深梯度对苦草叶片特征的影响

苦草是一种叶基生型的植物，其地上部分主要为叶。因此，光强减弱对植株叶表型的影响显著大于根、茎（谢云成等, 2012）。试验60 d，苦草的叶片长度、宽度、面积都随着水深的增加而减小，其中叶片长度在 60～140 cm水深范围内变化幅度较小，在水深80cm处植株达到最高（67.9 cm），在150～170 cm水深范围内叶片长度明显变小；苦草的生长速率随水深的增加而降低，在水深60 cm处最大值为 0.90 cm·d-1，在水深 170 cm处仅为 0.19 cm·d-1。叶片面积随水深的增加而减少，在150 cm处其骤然减小到16.85 cm2，而且在170 cm处最小（11.6 cm2），说明在150～170 cm的水深范围内苦草的生长发育过程已受到影响（图3）。

图2 苦草平均高度变化Fig. 2 The changes of average height of V. natans

2.3 水深梯度对苦草叶绿素含量的影响

图3 60 d 不同条件下苦草形态特征比较Fig.3 The comparison of characteristics of V. Natans in different depths 60 days later

叶绿素是植物光合作用捕获光能的重要物质，其含量多少是植物生理特征的重要标志（何伟等, 2009）。苦草叶片叶绿素含量及叶绿素a，b的比值(chl a/b)随水深的变化趋势大体一致。在植物的生长过程中，叶绿素 a，b会影响植物对光照的吸收，从而对光合作用产生影响。苦草叶片叶绿素a随着水深的增加呈波动递增的趋势，在水深140～160 cm之间叶绿素含量较高，在水深160 cm处含量达到最大(1.371 mg·g-1)而在水深 80cm 处较低（0.268 mg·g-1)；叶绿素b在水深60～170 cm范围内总体较平稳，在水深160 cm处达到最高（0.505 mg·g-1）；叶片叶绿素含量在140～170 cm的水深范围内偏高，在水深160 cm处达到最高（1.876 mg·g-1）；chl a/b变化幅度较小，仅在2.49～2.84 mg·g-1之间，说明植物对光照的利用率较为稳定。胡萝卜素随水深呈波状增加的趋势，胡萝卜素在光合作用中具有重要作用，能传递叶绿素 a、b等所吸收的光学能量，从而保护植物的组织，减少植物受水深环境和营养变化的影响(表2)。叶绿素含量增多使植物能充分吸收光合有效辐射。在浅水区由于强光对叶绿素的破坏作用较大，使浅水区叶绿素含量低于深水区，深水环境中苦草叶片叶绿素含量的增加有利于苦草更有效地吸收光能，从而利于植物光合作用，是植物适应深水环境的一种响应。

2.4 水深梯度对苦草生物量的影响

2.4.1 生物量模型

苦草收获后，获得准确的生物量，结合收获时测得的形态参数，进行相关性分析，结果发现叶片生物量与叶片长×叶片宽×叶片数量有较强的线性关系（图4）。设叶片长×叶片宽×叶片数量=x用于估计苦草叶片生物量，由于苦草地上部分主要是叶片，据此估算苦草地上部分的生物量是可行的，结合试验过程中测定的形态学参数，利用拟合方程，可估算出苦草在生长过程中的生物量变化。

表2 不同水深条件下苦草叶绿素含量Table 2 The biomass of V. Natans in different depths mg·g-1FW

2.4.2 生物量比较

图4 苦草叶片生物量模型Fig.4 The biomass models of V. natans’leaves

生物量是植物生长状态的最主要衡量指标，植物的生长状况可以通过生物量的变化直接表现出来（杨鑫等, 2014），而植物生物量的分配又可以反映植物生长过程中资源或能量分配的一般特性（Bostock和Benotn, 1997）。从不同水深条件下生物量的变化（表3）可以看出，试验60 d后，苦草地上部分的生物量平均占全株生物量的89.5%，地下部分生物量占10.5%。两部分生物量的分配随水深梯度无明显的变化，说明水深不是影响地上和地下部分生物量分配的主要因子，这一结果与崔心红等（1999）关于不同水深条件下竹叶眼子菜的研究一致。但各试验组总生物量的最大值主要集中在100～140 cm水深范围内，且占整个试验生物量的51.8%，说明苦草在此水深范围内生长良好。

2.4.3 苦草各指标的相关性分析

对苦草各指标进行相关性分析，结果表明（表4），水深与叶片的形态学参数及光照强度在P＜0.01水平上显著负相关，而与Chl-a、Chl-b、Car、Chl a+b在P＜0.01水平上显著正相关，随着水深梯度的增加苦草叶片及生长速率受到一定的限制。各生物特征之间相关系数的绝对值为0.75＜r＜0.99，说明各生物指标之间强相关或者是极强相关。苦草生长速率与叶片 Car含量在统计学意义上显著正相关（P＜0.05）。苦草的Chl-a、Chl-b、Car、Chl a+b在P＜0.01水平上相关性极显著，并且与水深的相关性几乎一致，说明水深是其生活史过程中一个重要的影响因子。

表3 不同水深条件下60 d苦草生物量的分配Table 3 The distribute of V. Natans’biomass in different depths 60 days later

表4 生物特征值的相关性Table 4 The correlation between the biological characteristic value

3 讨论

苦草属于阴生植物，对光强具有敏感的反应（王旭和陈新芳, 2013），较弱的光强能使叶片的光合作用达到饱和，过饱和的光强可能抑制苦草的生长。本试验中，苦草的最大株高(67.9 cm)位于水深80 cm处，因为在60～70 cm水深范围（16.84～15.48 klx）内，苦草叶片接受的光照强度过饱和，从而抑制了苦草的光合作用，且当水下光强低于植物的光补偿点时，植物生长也将受到不同程度的抑制(潘国权等, 2007)。季高华等（2007）认为，当光照强度大于5 klx时，由于光照强度超过苦草的饱和光照强度，导致光合速率下降，光合作用减弱，苦草叶片呈黄色或者白色，导致进行光合作用的叶片面积减少，苦草的生理机能受到影响。本研究中，在150～170 cm水深范围内，苦草的株高明显下降，可见此水深范围不利于苦草的生长。

沉水植物需要适宜生长的深度，当水深环境适合其生长时，能对水生生态系统起到最大的修复作用。杨鑫等认为，水下光强随着水深增加而衰减，且低光胁迫条件下苦草会通过激活未激活的反应中心将光能向活跃化学能转变，其研究表明水深1.3 m较适合苦草生长但2.0 m水深对苦草的生长有抑制作用。本试验显示水深与叶绿素及胡萝卜素在P＜0.01水平上相关性极显著，因为叶绿素的多少直接影响光合作用的强弱，在弱光条件下苦草通过增加叶绿素以适应弱光环境，但苦草作为沉水植物对光的需求较低，所以一定的弱光环境反而有利于苦草生长，于是在100～140 cm水深范围内，苦草的总生物量最大。

沉水植物的叶片叶绿素含量在不同的水深范围内有一定的差异。倪乐意等(2001)研究了水深0.6、1.1、1.2、1.3、1.4、1.6和1.7 m处弱光对微齿眼子菜生理生态的影响，发现水深1.3 m处的微齿眼子菜叶绿素含量最高。Barko等(1981, 1983)研究了光强对黑藻、聚草等沉水植物生理的影响，发现叶绿素含量均随着光强降低而升高，本试验中140～160 cm水深范围内叶绿素含量较高，苦草已经对弱光产生响应机制。

4 结论

（1）苦草的叶片长度、宽度、面积随着水深的增加而减小，生长速率随水深的增加显著下降，其与水深呈明显的负相关（P＜0.01），而叶绿素含量与水深呈明显的正相关（P＜0.01），且在140～160 cm水深范围内苦草各叶绿素指标较高，尤其是chl a+b在水深160 cm处高达1.876 mg·g-1，说明苦草已经对弱光产生响应机制。试验60 d后，各试验组总生物量的较大值主要集中在100～140 cm水深范围内，且占整个试验组生物量的51.8%，其中地上部分的生物量平均占全株生物量的89.5%，地下部分生物量只占10.5%，而且生物量的分配随水深梯度无明显变化。

（2）水深梯度的变化对苦草的叶片生长及叶绿素含量有影响，但对生物量的分配作用不明显，综上所述，在透明度较好的水域生态恢复中应考虑100～140 cm的水深范围恢复苦草种群，这样有利于促进苦草种群生物量及水下草坪的形成以及水生生态系统的恢复。

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Effects of Water Gradient on Seedlings Growth and Biomass of Vallisneria natans

CAO Yun1,2*, ZHANG Sujuan2, LIU Yanyan2, GUO Zhichang2, CHEN Bingxiang2

1. Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China;
2. School of Geography and Environment, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China

In order to study the influence of water depths on seedlings growth and biomass of Vallisneria natans，seedlings of V.natans were studied by the way of culturing experiment under submersed condition in the depths range from 60 cm to 170 cm, each 10 cm a treatment, then the variation of chlorophyll content and leaves’s morphological feature were observed, the light intensity of various depths and the physical chemistry indexes were investigated using pulse-amplitude modulated fluorometer (PAM) and Water flow analyzer Skalar. The results showed that: (1) 30 days later, the height of the V. natans increased gradually with the water depth within 60～130 cm, however, within the 130～170 cm, the height decreased with the depth.The maximal average height was at the depth of 130 cm which peaked at 67.9 cm; 60 days later, the blade length, width, area and growth rate were decreased toward the water depth, otherwise, a significant decrease of blade length was shown within 150～170 cm; (2) There is a negative correlation between water depth and blade length,blade width,blade area,growth rate respectively. But a positive correlation with chlorophyll content (P＜0.01); the blade area decreased significantly within 140～150 cm，while each index of chlorophyll was high within 140～160 cm，especially the chla+b peaked to 1.876 mg·g-1at the depth of 160cm；(3)The chlorophyll content of V. natans leaves has an increasing tendency with the light intensity decreasing, and the change range is 0.369～1.876 mg·g-1；the chl-a fluctuate increased with the water depth and reduced to 0.268 mg·g-1at the depth of 80cm, but the chl-b had no significant change within 60～170 cm and peaked at 0.505 mg·g-1at the depth of 160 cm while the chl a/b had a little change within 2.49～2.84 mg·g-1;（4）60 days later, the maximum value of biomass focused on the depth of 100～140 cm and the underground biomass of per treatment is 89.5% and 10.5%, furthermore, the distribution of the biomass has no obvious change with water depth. The results indicated that the water depth has significantly effect on leaves and chlorophyll content, but has no obvious influence on the distribution of biomass, otherwise the V. Natans grew well within 100～140 cm. So, it was suggested that in the high transparency water, the depth of 100～140 cm were favorable for the recovery of V. natans population and also beneficial to population biomass, underwater turf formation and the restoration of aquatic ecosystem.

V. natans; water depth gradient; biomass; chlorophyll

Q948.8

：A

：1674-5906（2014）08-1332-06

曹昀，张素娟，刘燕燕，国志昌，陈冰祥. 水深梯度对苦草生长和生物量的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(8): 1332-1337.

CAO Yun, ZHANG Sujuan, LIU Yanyan, GUO Zhichang, CHEN Bingxiang. Effects of Water Gradient on Seedlings Growth and Biomass of Vallisneria natans [J].Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(8): 1332-1337.

国家自然科学基金项目（41361017）；鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室（江西师范大学）开放基金项目（PK2013010）；江西省自然科学基金计划（20142BAB204006）

曹昀，(1974年生)，男，副教授，从事植物生态与环境生态修复研究。Email: yun.cao@163.com

*通讯作者

2014-05-20