太湖东部湖湾大型水生植物分布对水质的影响

向速林,朱梦圆,朱广伟*,许 海(.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 20008；2.华东交通大学环境工程系,江西 南昌 33003)

太湖东部湖湾大型水生植物分布对水质的影响

向速林1,2,朱梦圆1,朱广伟1*,许 海1(1.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；2.华东交通大学环境工程系,江西 南昌 330013)

调查了太湖东部湖湾(贡湖湾、光福湾、渔洋湾)秋季沉水与浮叶植物的种类组成、覆盖度及水体理化性质,分析了大型水生植物的生长与分布对湖水总氮、总磷、透明度与叶绿素(Chl-a)等水质因子的影响.结果表明,太湖东部不同湖湾大型水生植物的分布状况具有明显差异,其分布频度在4.8%～95.2%,并以马来眼子菜分布频度最高.大型水生植物的生长对水体营养盐含量、理化因子等具有较为明显的影响,水生植物生长区湖水不同形态营养盐含量均低于无水生植物生长区,其总氮与总磷平均含量分别低约39%与51%.此外,蓝藻水华首先会在有水生植物生长的区域堆积,且沉水植物生长优势区蓝藻水华堆积程度要高于浮叶植物生长优势区,表现为该区域Chl-a平均浓度最高,达11.15µg/L,而浮叶植物区Chl-a平均浓度为9.98µg/L,无水生植物区的水华堆积程度最低,其Chl-a平均浓度为7.19µg/L.因此,针对不同水生植物生长区,其水体富营养化治理策略亦不同.

太湖东部湖湾；沉水植物；浮叶植物；营养盐

水生植物作为湖泊生态系统的重要组成部分,具有显著的初级生产功能和保护生物多样性的生态功能,并可作为反映湖泊生态健康的指标[1-4].水生植物对营养盐的吸收有利于湖泊的营养平衡,并能抑制低等藻类的生长,控制湖泊水华的爆发.太湖是我国第三大淡水湖泊,是一个典型的大型浅水湖泊[5],其水生植物主要分布在东部湖湾及东太湖地区.太湖东部的贡湖湾、光福湾、渔洋湾等曾是由沉水与浮叶植物控制的草型湖区[6],但随着近年来该区域社会经济的快速发展及水环境污染与富营养化程度的加剧,沉水与浮叶植物群落受到严重影响,大片沉水与浮叶植物群落衰退甚至消亡[7].太湖东部湖湾水生植物的物种组成和优势群落类型等均受到严重影响[8].当草型湖泊逐渐过渡为草-藻混合型湖泊时,特别是群落结构发生改变时,就会引发湖泊的水质恶化、生态系统破坏等一系列生态环境问题[9].水生植被的消退也可能是太湖贡湖湾水生态系统内其他生物群落结构变化的重要因素[10].因此,探讨湖泊大型水生植物分布与水质的关系,对掌握湖泊富营养化机理以及富营养化湖泊生态修复均具有重要意义.

目前,关于太湖大型水生植物的研究大多是针对东太湖[9],而对处于过渡带的光福湾、渔洋湾的系统研究则很少,而这些湖湾的大型水生植物分布及水质、蓝藻水华状况,都处于高度动态变化阶段.针对这一草型、藻型生态系统转化敏感期,本研究调查了太湖东部湖湾秋季大型水生植物的分布及水质状况,探讨了水生植物分布对水质的影响,以期为湖泊生态保护及湖泊富营养化控制提供科学依据.

1 材料与方法

于2012年9月23～24日,在太湖东部贡湖湾、光福湾、渔洋湾共设置了28个采样点(其中,贡湖湾G01-G18,光福湾F01-F04,渔洋湾Y01-Y06) (图1),样点主要设置在大型水生植物分布区,并在水生植物分布较宽区域设置垂直剖面.现场记录调查点附近沉水与浮叶植物的种类与覆盖度,用便携式多参数水质分析仪(YSI6600V2)现场测量水面下50cm处水体的溶解氧(DO) 等理化指标,利用赛氏盘测定水体透明度(SD),并采集水面下50cm处的水样,带回实验室测定水样的悬浮颗粒物含量(SS)、形态氮、形态磷及叶绿素a(Chl-a)等指标含量.

水样中的营养盐指标分析按《水和废水监测分析方法》[11]进行,总氮(TN)、溶解性总氮(DTN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;硝态氮(NO3--N)采用酚二磺酸分光光度法;氨氮(NH4+-N)采用纳氏试剂比色法;总磷(TP)、溶解性总磷(DTP)采用碱性过硫酸钾消解钼锑抗分光光度法;溶解性磷酸盐(PO43--P)采用钼锑抗分光光度法.其中,DTN、DTP、NO3--N、NH4+-N、PO43--P需要在原水样经过Whatman GF/C滤膜过滤后按上述方法测定;叶绿素a的测定采用陈宇炜等[12]改进的乙醇提取法.

数据的处理使用Excel 2010完成,并利用SPSS 18.0进行单因素方差分析,P<0.05为差异性显著,P<0.01为差异性极显著.

2 结果

2.1 大型水生植物的分布特征

本次调查太湖东部湖湾共采集到大面积分布的沉水植物与浮叶植物7种,漂浮植物1种(表1),均为太湖的常见种,沉水植物主要为马来眼子菜(Potamogeton wrightii Morong)、轮叶黑藻(Hydrilla verticillata Royle)、苦草(Vallisneria natans (Lour.)Hara)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum L.)、狐尾藻(Myriophyllum verticillatum Linn.)等,浮叶植物主要为野菱(Trapa maχ imowicsil Korsh)和荇菜(Nymphoides peltatum (Gmel.) O.Kuntze),漂浮植物为槐叶萍(Salvinia natans (L.)).种类数大大小于东太湖的调查结果,原因是本次调查主要关注较大范围出现的种群及重点针对敞水区的调查.在28个样点中,有7个样点没有大型水生植物生长,其中6个在贡湖湾,1个在渔洋湾,其余21个样点均有水生植物分布.

从表1可知,太湖东部各湖湾沉水植物马来眼子菜的分布频度最高,在有水生植物分布的21个样点中,有20个样点都分布有马来眼子菜,这体现出马来眼子菜在过渡带的生态特征.马来眼子菜株高长,能伸展到水面上,对浑浊水体具有较高的适应性.有轮叶黑藻分布的样点为14个,且轮叶黑藻分布区植被的总体密度较高.狐尾藻的分布点有8个,苦草与荇菜的分布样点均为7个,金鱼藻分布样点有5个,野菱的分布频度约为14.3%,而槐叶萍只在一个样点发现.其中,马来眼子菜、黑藻、狐尾藻、金鱼藻等沉水植物及野菱等浮叶植物在三个湖湾均有大量分布,并且马来眼子菜在光福湾的分布频度达到近100%.苦草只在贡湖湾与渔洋湾见到,而浮萍只在贡湖湾见到.

结果显示,太湖东部湖湾大型水生植物分布不均匀,不同湖湾水生植物生长与分布状况有明显差异,在21个有水生植物分布的样点中,分布范围最大的样点有G03、G04、G06、F03与Y04,其覆盖度达90%～100%,其中G04与F03样点的覆盖度达近100%.其次为G12、Y01与Y02,覆盖率约为60%～70%,最小为站点G01与G11,水生植物覆盖率不到5%,只有零星分布,其他样点的覆盖率约为20%～40%不等.从水生植物的分布种类看,以马来眼子菜与轮叶黑藻分布最多,可能是因为这些湖湾区域底质较为贫瘠,水深相对较浅,比较适合马来眼子菜与轮叶黑藻的生存,且它们能适应扰动较强、浑浊度高的水体,而金鱼藻、狐尾藻等则更适应清洁的水体.

表1 太湖东部湖湾大型水生植物种类与分布Table 1 Distribution of different types of macrophytes in the eastern bays of Lake Taihu

2.2 水质特征

2.2.1 理化特征 湖泊水环境因子可作为水环境质量的性质表征,研究显示,太湖水体的DO、SD等主要水环境因子的季节差异性较小[13].从图2可知,太湖贡湖湾水体SS、DO平均含量分别为19.84mg/L、8.30mg/L,SD平均为66cm,各站点具有一定的空间差异,其空间变异系数分别为61.61%、15.69%与73.44%,并且以SD的空间差异最为明显,可能与不同站点底泥特性及水动力扰动有关,透明度高的区域其底泥主要以硬底为主,风浪的扰动对底泥的影响相对较小,故而这些区域水体的透明度很高,此外,透明度的空间差异也可能反映了不同区域水体污染程度不同.光福湾水体SS、DO平均含量分别为31.81mg/L、10.38mg/L,SD平均为51cm,各站点亦具有一定的空间差异,其空间变异系数分别为21.14%、6.26%与30.20%,并且以DO的平均含量差异最小.渔洋湾水体中SS、DO平均含量分别为21.91mg/L、9.85mg/L,SD的平均值为81cm,各站点SS、DO、SD空间变异系数分别为50.61%、9.08%与62.03%,同样以DO的平均含量差异最小.

图2 太湖东部湖湾水体SD,SS,DO的分布Fig.2 Transparency, suspended solids and dissolved oxygen concentration in observation sites

2.2.2 氮磷含量特征 氮、磷是植物生长所必需的营养元素[14],但湖泊水体中含有过量的氮、磷时,则会造成藻类、浮游植物等大量繁殖,对湖泊系统的初级生产力和湖泊营养状态有着重要影响.

从图3可知,太湖贡湖湾调查区水体中TN、DTN平均含量分别为0.95,0.57mg/L,具有较明显的空间差异,其空间变异系数分别为45.26%与22.30%.光福湾TN、DTN平均含量为0.92, 0.47mg/L,各样点TN含量具有一定的空间差异,而DTN含量的空间差异则不明显,其变异系数分别为20.35%与12.54%.渔洋湾TN、DTN平均含量分别为0.81,0.46mg/L,变异系数分别为31.65%与15.35%.从各湖湾TN、DTN的对比来看,贡湖湾TN、DTN平均含量均略高于光福湾,而光福湾TN、DTN平均含量又略高于渔洋湾,呈现自北向南逐渐递减的趋势,反映出太湖西北部藻型湖区向东南部草型湖区过渡的水质特征.贡湖湾水体中TP、DTP平均含量分别为0.065, 0.024mg/L,具有明显的空间差异,变异系数分别为64.66%与38.11%.光福湾水体TP、DTP平均含量分别为0.071,0.022mg/L,各站点差异不明显,变异系数为17.46%与6.30%.渔洋湾TP、DTP平均值分别为0.051,0.018mg/L,各站点TP具有一定差异,而DTP差异不明显,变异系数分别为45.93%与12.13%.此外,各湖湾TP的含量具有一定差异,其中以贡湖湾TP平均含量最高,而以渔洋湾最小,这在一定程度上可反映区域污染程度不同,并可能与湖泊水动力过程有关.贡湖湾与光福湾水体TP较高的原因,与周边居民较多,生活污水排放量大及河流输入等有关,而渔洋湾周围都是山体,外源污染相对较小.贡湖湾水体NH4+-N、NO3--N与PO43--P平均含量分别为0.11,0.015,0.0051mg/L,变异系数分别为29.40%、68.70%与39.23%,并且以NO3-N含量差异最为明显.光福湾水体中NH4-N、NO3-N与PO4-P平均含量分别为0.064,0.0033,0.006mg/L,变异系数分别为22.52%、64.27%与12.83%,同样以NO3-N含量差异最明显,而PO43--P的差异最小.渔洋湾NH4+-N、NO3--N与PO43--P的平均含量分别为0.074,0.024,0.006mg/L,变异系数分别为34.79%、64.19%与26.16%,各站点NH4-N具有一定的差异,而PO43--P含量差异不明显.此外,各湖湾NH4+-N与NO3--N含量具有一定的差异,PO4-P差异极小,并以贡湖湾NH4+-N平均含量最高,渔洋湾NO3--N平均含量最高,而以光福湾NH4+-N与NO3--N平均含量最小.

图3 太湖东部湖湾水体氮、磷的分布Fig.3 Concentration of nitrogen and phosphorus in observation sites

3 讨论

3.1 水生植物的分布对水华堆积的影响

近年来,太湖蓝藻水华频繁发生[15],严重威胁太湖水生态系统及城市饮水安全[16-17].在蓝藻水华生长旺季,反映浮游植物生物量的Chl-a指标(浮游植物群落中微囊藻占绝对优势)与水质富营养化指标TN、TP等呈极显著正相关关系[18],且水华的直接标志是藻类急剧增殖[19],而Chl-a在藻类物质中所占比例相对稳定[20-21],故本研究以Chl-a浓度间接反应蓝藻水华的堆积程度.

太湖东部湖湾大型水生植物生长区的蓝藻水华堆积具有较大的差异,以沉水植物生长为优势的区域蓝藻水华堆积程度(以Chl-a浓度间接反映,图4)高于浮叶植物生长优势区和无水生植物生长区,表现为该区域Chl-a的平均浓度最高,达到11.15µg/L,浮叶植物生长优势区次之,Chl-a平均浓度为9.98µg/L,无水生植物区最低,其Chl-a平均浓度为7.19µg/L,反映了蓝藻水华首先会在有水生植物生长的湖区堆积,并且沉水植物生长优势区对蓝藻水华的捕获能力要略强于浮叶植物生长优势区,其原因是本次调查的区域大多处于草-藻型湖区的交错带,调查的大型水草分布区外围紧靠着蓝藻水华大量分布区,当水草的覆盖度不够高或在较大风浪影响下,水华向大型水生植物区的入侵非常严重,而沉水植物区的表面覆盖往往不及浮叶植物区的覆盖稳定,从而导致这些区域沉水植物分布区水华堆积程度更严重,这也反映了沉水植物对水质要求更高,其系统相对更加脆弱.此外,水生植物生长引起的环境因子变化,亦对蓝藻水华堆积有着直接或间接影响.水生植物生长过程及藻类生物量变化可导致溶解氧的变化,同时,溶解氧变化又可能会影响藻类的生长与消亡,进而影响蓝藻水华的堆积.蓝藻水华堆积亦受到水体透明度与悬浮颗粒物浓度等的影响.综上表明,有水生植物分布水域中蓝藻水华堆积水平与无水生植物生长的水域存在一定程度的差异,反映了水生植物的分布对蓝藻水华堆积具有一定的影响.

3.2 水生植物的分布对氮磷含量的影响

从太湖东部湖湾沉水和浮叶植物分布可知,贡湖湾、光福湾、渔洋湾的大型水生植物优势种略有差异,其水体中氮、磷含量亦有差异.通过对比分析,水生植物生长区水体中营养盐含量均低于无水生植物区,其TN、TP平均含量分别低约39%与51%,除DTP外,其他指标的差异都达到显著水平(P<0.05),这一结果说明大型水生植物生长对水体中氮、磷含量存在明显影响,与已有结果一致[1,3,22],主要是由于水生植物可通过茎叶拦截、吸附水中颗粒物质且通过颗粒物质吸收水中可溶性营养盐[23-25].这其中又以苦草分布区NO3--N、DTN含量相差最为明显,研究表明[26],苦草在夏季进入快速生长期,且其最大生物量一般出现在九月,这说明苦草生长旺盛期间对水体中氮元素的吸收相对较高,从而导致水体NO3--N、DTN含量相对较低.对于铵态氮,调查中发现渔洋湾的大型水生植物分布水域NH4+-N平均含量与无大型水生植物分布水域NH4+-N平均含量相差极小,说明大型水生植物对NH4+-N的影响较小,这与已有的室内模拟试验研究结果相一致[1,27].另外,大型水生植被形成的相对静水环境降低了水体悬浮物含量,也抑制了底泥中营养盐再悬浮,也是水体氮磷含量较低的主要原因.

4 结论

4.1 通过对太湖东部湖湾藻型、草型湖区过渡带大型水生植物分布的调查表明,由北向南,随着藻型湖区蓝藻水华威胁不同,大型水生植物的优势种、覆盖度均有所不同,覆盖度最高达近100%,最小不到5%.各湖湾以马来眼子菜的分布频度最高,轮叶黑藻次之,苦草只在贡湖湾局部与渔洋湾局部区域有分布,反映出不同类型水生植物的环境适应能力不同.

4.2 即便是在湖湾的过渡带区域,大型水生植物的存在对水质的影响也非常明显.水生植物分布区水体氮、磷含量明显下降,其TN、TP平均含量分别低约39%与51%,且悬浮物浓度降低,透明度提高.由于处在蓝藻水华区域的边缘,蓝藻水华向水生植物生长区的入侵十分普遍,并且沉水植物区水华的入侵强度高于浮叶植被区, 表现沉水植物区Chl-a的平均浓度最高,达到11.15µg/L,而浮叶植物区Chl-a平均浓度只有9.98µg/L.

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Influence of macrophytes on water quality in the eastern bays of Lake Taihu, China.

XIANG Su-lin1,2, ZHU Meng-yuan1, ZHU Guang-wei1*, XU Hai1(1.State Key Laboratory of Lake Science and Environment, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China；2.Department of Environment Engineering, East China JiaoTong University, Nanchang 330013, China). China Environmental Science, 2014,34(11)：2881～2887

Effects of macrophyte growth and water quality distribution factors such as total nitrogen (TN), total phosphorus (TP), transparency and chlorophyll a were studied in an investigation on specie compositions, coverage of macrophyte and physicochemical properties of water body in eastern bays of Lake Taihu (Gonghu Bay, Guangfu Bay and Yuang Bay). The results showed that Potamogeton wrightii Morong was the most popular specie amony three bays. The coverage of macropyhte was spatially different among survey sites, with the coverage ranged from 4.8% to 95.2%. Nutrients in the macrophyte-coverage area were significantly lower than those in the non-macrophyte area with a decrease of TN and TP concentration of 39% and 51%, However, being locates at the border of Microcystis bloom region, the macrophytes also easy to catch the floating bloom, in which the submerged macrophytes showed higher ability to catch the bloom than floating macrophytes did. Therefore, different aquatic vegetation zones of Lake Taihu need the corresponding strategies to restore water quality.

eastern bays of Lake Taihu；submerged macrophytes；floating-leaved macrophytes；nutrient

X173

A

1000-6923(2014)11-2881-07

向速林(1978-),男,江西东乡人,副教授,博士,主要从事湖泊富营养化过程与机制研究.发表论文20余篇.

2014-02-12

国家自然科学基金资助项目(41171368,41230744);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101-010)

* 责任作者, 研究员, gwzhu@niglas.ac.cn