鄱阳湖湿地水体与底泥重金属污染及其对沉水植物群落的影响

2015-12-05简敏菲李玲玉余厚平熊建秋余冠军

生态环境学报 2015年1期

简敏菲，李玲玉，余厚平，熊建秋，余冠军

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. 江西师范大学生命科学学院，江西省亚热带植物资源保护与利用重点实验室，江西南昌330022；3. 江西师范大学科学技术处，江西南昌 330022；4. 江西鄱阳湖南矶湿地国家级自然保护区管理局，江西南昌 330009

简敏菲1,2*，李玲玉2，余厚平1，熊建秋3，余冠军4

对鄱阳湖南矶山湿地、吴城自然保护区、白沙洲国家湿地公园及鄱阳湖龙口等典型湿地进行沉水植物群落的调查与采样，并测定各样点水样及底泥重金属含量，采用地累积指数法和潜在生态危害指数法对底泥重金属污染进行评价，采用Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数等方法对研究区沉水植物群落结构进行评价，对水体、底泥重金属含量与沉水植物的生物量、物种多样性等进行Pearson相关性分析，评价鄱阳湖湿地水土环境重金属污染现状，探讨水体与底泥重金属Cu、Pb、Cd等污染物对其水体沉水植物群落的影响。结果表明：各采样点水体与底泥中Cu、Pb、Cd等3种重金属元素中含量最高的为Pb；各样点水体（除白沙洲水体ρ(Pb)外）ρ(Cu)、ρ(Pb)和ρ(Cd)等均未超出地表水环境质量Ⅲ类标准限值，水体重金属含量最高的区域为鄱阳湖东部的白沙洲（ρ(Cu)为50.826 μg·L-1，ρ(Pb)为68.660 μg·L-1，ρ(Cd)为0.337 μg·L-1），最低的区域为鄱阳湖西南部的南矶山湿地（ρ(Cu)为4.316 μg·L-1，ρ(Pb)为7.301 μg·L-1，ρ(Cd)为0.167 μg·L-1）。两种重金属污染评价方法的结果均表明，受纳乐安河下游来水的龙口区域为底泥重金属污染最严重区域；但两种评价方法的结果存在一定差异，地累积指数法评价龙口区域的结果为偏中度或轻度污染，潜在生态危害指数法的评价结果为轻度污染。研究区野外调查中共发现11种沉水植物，隶属7科9属，其中南矶山湿地的沉水植物物种多样性较丰富，但其物种分布的均匀度较低，水体与底泥重金属含量与其水体中沉水植物的生物量或物种多样性间无显著相关性。

鄱阳湖；沉水植物；重金属污染；群落结构；地累积指数；潜在生态危害指数

鄱阳湖是我国最大的淡水湖，其流域主要为赣江、修水、饶河、信江、抚河等5大水系的集水范围（赵其国等，2007）。流域内矿产资源丰富，主要有乐安河流域的德兴铜矿、信江流域的永平铜矿以及赣南有色金属采矿区等。采矿过程中，可能产生大量的重金属酸性废水，排放后随地表径流汇入各河流域，逐渐衰减后入鄱阳湖。鄱阳湖重金属污染的来源还有冶炼厂的排水、城市工业排放的污废水、农业活动及水土流失与泥沙冲击等（简敏菲等，2004；Gupta等，2009）。由于重金属存在难降解、毒性大且易累积等特点，在环境研究中备受关注（Coz等，2008；Ghrefat和Yusuf，2006）。水体重金属污染是多层次的，且不易降解，会逐步转移、沉至底泥，因此底泥是湿地水环境中重金属的主要蓄积库，可反映水体受重金属污染的状况（Rajkumar等，2009；Mario等，2014）。水环境条件的变化可能会使吸附在底泥沉积物中的重金属解吸释放并重新进入水体，底泥中的重金属对湖水及水生生物均具持久影响（Feng等，1998；Woods等，2012；鲁成秀和成杰民，2014）。

沉水植物是水体生态系统主要的初级生产者，整个植株都生活在水体中使得其具有独特的生态功能，且多数沉水植物都是当地水域的优势种，其根、叶均可累积较高含量的重金属（Kumar等，2008；Mishra等，2008），重金属能在植物器官中大量累积，进入细胞内的重金属离子可致生物大分子结构改变、干扰细胞的正常代谢过程及其它生理过程，从而影响植物的生长发育（马剑敏等，2007；Wang等，2005；易冕等，2013），并对沉水植物的群落结构及生物多样性造成一定影响。因此，研究湖泊重金属污染与沉水植物群落间的相互关系具有重要科学意义。本文在以往研究工作的基础上（简敏菲等，2006；弓晓峰等，2006；李鸣等，2008），选择鄱阳湖湿地重金属污染中较突出的 Cu、Pb、Cd等污染因子，研究鄱阳湖典型湿地水土环境中重金属污染及其对沉水植物群落结构的影响，探讨重金属Cu、Pb、Cd等关键环境因子影响下沉水植物群落结构的差异性，为鄱阳湖湿地重金属污染的防治和沉水植物的保护与恢复提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 采样点选择与布设

在对鄱阳湖沉水植物进行全面调查的基础上，分别在鄱阳湖的吴城、南矶山、白沙洲、龙口等典型湖泊进行布点。吴城已建立“江西鄱阳湖国家级自然保护区”，南矶山已建立“鄱阳湖南矶湿地国家级自然保护区”，吴城与南矶山已成为鄱阳湖鸟类越冬的主要场所，目前均得到较好保护，受人工破坏的影响日趋减少，白沙洲已建立“鄱阳湖国家湿地公园”并成为鄱阳湖旅游度假区。龙口为饶河汇入鄱阳湖的过渡区域，饶河是乐安河与昌江在鄱阳县境内的姚公渡汇合后的河流总称，在一定程度上受乐安河上游矿山开采重金属污染的影响（简敏菲等，2006），并受人工采砂活动干扰的影响较严重。实际研究中，根据各湖区地形条件，在吴城选择朱市湖，南矶山选择白沙湖、三泥湾和常湖等 3个典型湖泊，龙口和白沙洲各选择一个湖泊进行布点，研究区所在位置如图1所示。

图1 鄱阳湖研究区各采样点位置图Fig. 1 Location of sampling sites in study area of Poyang Lake

1.2 样品采集与处理方法

2013年9月在研究区各采样点应用随机采样法与系统取样法对沉水植物进行调查，在各湖区租用当地渔船进行作业，采集沉水植物、水样与底泥样。在每个调查湖泊均按样带法选取样点，每个采样点均采用多次重复的随机小样方法（崔心红等，1999；马凯等，2003），小样方面积为100 cm×100 cm，重复5～6次。每个小样方圴采集并调查全部沉水植物，记录物种，现场称湿质量，测生物量；采集0～5 cm底泥表层样，采集不同深度湖水混合样，分别用塑料封口袋与塑料瓶装存，将全部样品编号、记录，带回实验室待测处理。本文4个研究区域6个采样点共调查小样方34个，采集水样34份，底泥样品34份。

1.3 样品消解与测定

采用上海新仪 MDS-8G型多通量密闭微波消解仪消解水样及底泥备测样。水样采用优级纯浓硝酸消解体系进行消解处理（国家环境保护总局，2002）；底泥样采用HNO3-HCl-H2O2三酸消解体系消解处理（简敏菲等，2013），采用美国 varian公司的 AA-240Z型原子石墨炉分光光度计测定样品中的重金属含量ρ(Cu)、ρ(Pb)和ρ(Cd)等。分析测试过程中均用 GSS-3标准参考土样进行全程质量控制，根据标样给出的重金属元素参考值以及该元素的实测值计算回收率，得到Cu、Pb和Cd的回收率分别为98.5%、96.4%和97.6%。

1.4 数据统计与分析

1.4.1 底泥重金属污染评价方法

1）地累积指数评价法。地累积指数（Igeo）法是德国学者 Muller提出的一种广泛应用于重金属污染评价的方法（Muller，1969），是利用重金属质量含量与其地球化学背景值关系来确定底泥中重金属污染程度的定量指标。该方法可较直观地反映外源重金属在底泥中的累积程度，数据具有较高的可比性。计算公式为：

式中：win为底泥重金属实测质量分数，mg·kg-1；βin为本底土壤环境重金属背景值质量分数，mg·kg-1。本文采用鄱阳湖流域底泥重金属背景值（张本等，1988）作为评价标准，βin值分别见表1；考虑到造岩运动可能引起背景值变化，将常数K值取1.5（方明等，2013）。

表1 底质背景重金属参考值βin和生物毒性系数TirTable 1 Reference values of βinin the sediment background in Poyang Lake and toxic coefficient of Tirin different heavy metals mg·kg-1

2）潜在生态危害指数评价法。1980年瑞典学者 Hakanson等提出潜在生态危害指数法，生态危害指数是结合重金属的生物学特征、毒理学特征和沉积学特征来研究某一重金属的潜在生态危害程度，可综合反映底泥重金属对生态环境的影响潜力（赵胜男等，2013；Yin等，2011）。

单因子污染参数Cif计算公式：

单因子潜在生态风险参数Eir计算公式：

潜在生态风险指数：

式中：win与βin分别同（1）式；Tir为重金属i的生物毒性系数；RI为底泥中n种重金属的综合生态危害指数，βin与Tir的值见表1（弓晓峰等，2006）。

1.4.2 沉水植物群落的数量分析方法

沉水植物的优势度根据植物的相对频度和相对生物量进行确定（崔心红等，1999），计算公式为：

优势度=（相对频度+相对生物量）/2×100%（5）

物种多样性指数的测定选用 Shannon-Wiener多样性指数（H）和Pielou均匀度指数（J），其计算公式为：

Shannon-Wiener多样性指数（H）：

Pielou均匀度指数（J）：

式中：N为群落物种数，Pi为第i物种的相对生物量（高伟等，2010）。

根据水、土环境中重金属污染因子的含量与沉水植物群落的结构特征值，运用软件SPSS18.0进行Pearson相关性分析，绘图软件origin 8.0进行制图。

2 结果与分析

2.1 鄱阳湖不同湖区水体重金属含量

将各样点采集的水样带回实验室并测定其重金属含量，统计各水体重金属含量ρ的均值，结果分别如图2中a、b、c所示。

图2 鄱阳湖各样点水体重金属含量ρ(Cu)、ρ(Pb)与ρ(Cd)Fig. 2 Average contents of heavy metals ρ(Cu)、ρ(Pb)and ρ(Cd)in the water of the sampling sites in Poyang Lake

分析以上结果，除白沙洲湖区水体 ρ(Pb)超出GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准（ρ(Cu)为1000 μg· L-1、ρ(Pb)为50.00 μg·L-1、ρ(Cd)为5.00 μg·L-1）外，其他各湖区水体ρ(Cu)、ρ(Pb)和 ρ(Cd)均未超标，且各湖区水体重金属含量最高值均出现在湖区东部的白沙洲，ρ(Cu)为 50.826 μg·L-1，ρ(Pb)为68.660 μg·L-1，ρ(Cd)为0.337 μg·L-1。各水体中ρ(Cd)最低，ρ(Cu)和ρ(Pb)值较接近，综合比较水体ρ(Cu)、ρ(Pb)和ρ(Cd)等均值与地表水Ⅲ类标准对应指标的比值，分别为 1.97%、38.48%、4.81%。因此，研究区水体中 3种重金属的污染状况最严重的是Pb，其次是Cd，污染最轻的是Cu，这与李鸣和刘琪璟（2010）在对鄱阳湖水体和底泥重金属污染评价的结果基本一致，但本研究所测水体重金属含量均较李鸣和刘琪璟（2010）的结果高，部分区域如白沙洲与龙口等湖区水体重金属含量更高，其原因可能有以下3点：期间水体中不断有外源重金属污染物汇入；5月禁渔期的人为干扰活动较9月少，且2013年9月调查区湖体水位偏低；有些湖区如南矶山等 3个湖泊的沉水植物种类较丰富，而龙口与白沙洲等湖区则较少发现活体沉水植物。

对各湖区水体不同重金属污染进行比较，发现上述4个湖区水体ρ(Cu)或ρ(Cd)存在一定差异性且两者表现一致：白沙洲>龙口>吴城>南矶山；各湖区水体 ρ(Pb)的差异则表现为：白沙洲>龙口>南矶山≈吴城。总体分析表明：白沙洲水体重金属污染最高，其次为龙口或吴城，污染最低的区域为南矶山。

对上述6个小湖泊中34个样方各重金属含量进行Pearson相关性分析，结果见表2。

表2 鄱阳湖水体各重金属含量的相关性Table 2 Correlation of heavy metalsof water in Poyang Lake

由表2可知，ρ(Cu)与ρ(Pb)、ρ(Cd)之间存在极显著相关性（P<0.01)，ρ(Pb)与 ρ(Cd)也存在显著相关，可推测鄱阳湖水体重金属污染的来源相似，特别是Cu与Pb的来源相似，乐安河有较多矿产开采产生含重金属废水流入，且Pb与Cu多伴生而存在。

2.2 鄱阳湖不同区域底泥重金属含量

对研究区水环境中各采样点对应水体下底泥样品进行重金属含量的测定，分别计算各湖区各重复小样方的变化范围及其平均值，并与鄱阳湖底泥的背景值进行比较，结果如表3所示。

表3 鄱阳湖底泥重金属含量变化范围及平均值Table 3 Ranges and averages of heavy metals contents in the sediments of Poyang Lake mg·kg-1

上述各湖区样点中，除南矶山3个湖泊与朱市湖底泥中 w(Cd)低于背景值外，其他样点底泥的w(Cu)、w(Pb)与 w(Cd)等各值均高于背景值，底泥中w(Cu)、w(Pb)与w(Cd)的最大值均出现在龙口。龙口区域底泥中的3种重金属含量均高于2012年的研究结果（简敏菲等，2013），表明龙口底泥重金属污染呈加重趋势。与弓晓峰等（2006）2003年的数据进行比较发现：2013年龙口湖区底泥中w(Cu)和w(Pb)高于2003年；而2013年南矶山各样点底泥中3种重金属w(Cu)、w(Pb)和w(Cd)均低于2003年。引起这些反常的原因可能是南矶山湿地自从建立自然保护区后，湿地水生植被及湿地生态环境有所好转，且大部分湖区均有沉水植物分布，沉水植物对重金属有吸附和富集作用（李国新等，2011；焦轶男和朱宏，2014；颜昌宙和曾阿妍，2009）。调查中还发现龙口近年来受频繁的采砂活动影响甚严重，加剧了湖区的重金属污染，因在相关文献中提到底泥中可提取态的重金属占总量比例越高，重金属越易释放造成二次污染（陈春霄等，2011；王鸣宇等，2010）；本研究底泥样主要指湖泊的表层沉积物，而采砂活动可能会促进底泥沉积物中可提取态重金属重新释放，随后经过沉降等过程再形成沉积物，从而导致湖区表层沉积物重金属含量的增加。

南矶山3个湖泊底泥中重金属含量平均值均较接近，与水体情况表现一致，即 w(Cu)和 w(Cd)均是4个湖区样点中最低（除w(Pb)外）。各湖区底泥中 w(Pb)的差异表现为：龙口>南矶山>吴城>白沙洲，4个湖区样点中底泥重金属污染较严重的属龙口区域。

表4 地累积指数Igeo与污染程度分级Table 4 Index of Geo accumulation and series of degree

2.3 底泥重金属污染评价

2.3.1 地累积指数评价结果

根据底泥中3种重金属Cu、Pb、Cd等含量的测定值及背景值计算地累积指数，与地累积污染程度分级标准（余辉等，2011）进行比较，结果如表4，比较各样点重金属的地累积指数与污染程度分级，结果见表5。

由表5可知，大部分样点底泥中Cu、Pb的地累积指数小于 2，属于偏中度或轻度污染；而 Cd污染最轻，除个别样点的地累积指数大于0外，其余样点皆小于0，属于清洁等级。Cu、Pb两种重金属元素在不同区域的地累积指数大小差异较大（各样点Cd的污染程度均为清洁），各样点Cu的地累积指数大小次序为：龙口>白沙洲>吴城>南矶山，龙口有样点Cu的污染程度达到偏重度；各样点Pb的地累积指数大小次序为：龙口>南矶山>吴城>白沙洲。综合比较龙口与其它湖区样点，重金属的地累积指数值相对较高一些，反映出龙口地区的重金属在底泥中的累积较严重。

表5 各采样点重金属的地累积指数Igeo与级数Table 5 Igeo and Series of Igeo in high-water and low-water periods in each sampling site

针对不同重金属种类进行分析，Cu污染属于偏中度污染或以上的样点占所有样点比例的73.73%，Pb、Cd所占比例分别为48.48%和0。总体结果表明，3种重金属在采样区底泥中的累积程度为：Cu>Pb>Cd。

2.3.2 潜在生态危害指数评价结果

根据表 3中各样点底泥中重金属含量测定值，分别计算各采样点综合参数和风险指数以及各单因子污染参数与潜在风险参数，结果见表6。潜在生态风险指数Cif、Eir和RI值（邴海健等，2010；万金保等，2008）相对应的污染程度，结果如表7。

表6 采样点潜在生态风险指数及单因子污染参数Table 6 Index of potential risk and single factor pollution parameters insampling sites

表7 Cif、Eir和RI值相对应的污染等级与潜在生态风险等级Table 7 Values of Cif, Eir, RI and the corresponding class of pollution and potential ecological risk

比较表6中各重金属单因子污染指数Cif值：龙口区域底泥中Cu的污染程度已达到严重，其他个各湖（除常湖外）底泥中CCu都在3左右，属于重度；Cd因子的污染程度除龙口和白沙洲两个区域为中度外，其他研究区均为轻度；南矶山和龙口地区的 Pb污染程度表现为重度，其余区域为中度。不同研究区的单因子污染参数的评价结果表现为两种：南矶山3个湖泊的单因子污染参数评价结果为CPb>CCu>CCd；其余3个地区各采样点的污染程度为CCu>CPb>CCd。

单因子潜在生态风险参数Eir值显示，南矶山3个湖泊底泥Pb的潜在生态风险最大，其他样点Pb的潜在生态风险最小，各样点Cu、Pb和Cd的Eir值均小于40，属轻度污染。比较各样点底泥的潜在生态风险指数 RI值，除龙口的评价结果表现为中度污染外，其余均为轻度污染。各区域潜在生态风险指数评价结果为：RI（龙口）>RI（白沙洲）>RI（吴城）>RI（南矶山），因南矶山各湖区沉水植物比较丰富，且沉水植物对重金属具有富集作用（潘义宏等，2010；薛培英等，2014），可推测是其潜在生态风险指数最低的原因之一。

与地累积指数进行比较，研究区底泥的重金属污染程度Cd最小，而潜在生态危害程度不太稳定，虽然两者均采用鄱阳湖的底泥背景值做参考，但潜在生态危害指数还考虑到不同重金属的毒性参数，Cd的生物毒性效应最大（Ti=30），而Cu与Pb的生物毒性效应较低（Ti=5）。两种评价方法均显示，除龙口表现为中度污染外，其它区域的污染程度均在中度以下。两种评价方法的侧重点虽不同，地累积指数侧重于各类重金属与背景值的对比，反映各种外源重金属污染的累积程度；而潜在生态风险指数法考虑到重金属含量的同时也考虑到不同重金属的生物毒性，但二者的评价结果相似，同时又可以相互补充与验证。

2.4 沉水植物群落结构

鄱阳湖4个研究区的沉水植物调查中共发现11种沉水植物，隶属7科9属，其中包括3种具有水上叶与沉水叶的水生植物：穗状狐尾藻（Myriphyllum spicatum）、轮叶狐尾藻（Myriphyllum veticillatum）与石龙尾（Limnophila sessiliflora）。以上沉水植物绝大所数分布在南矶山与吴城，在龙口只发现少量漂浮的竹叶眼子菜（Potamogeton malaiaus），白沙洲发现较多已枯萎的苦草（Vallisneria natans），其它物种未发现。此外，在南矶山还发现荇菜（Nymphoides peltatum）、菱（Trapa bispinosa）、芡实（Euryale ferox）等浮叶植物。对南矶山与吴城部分湖泊的沉水植物群落及物种的调查结果见表8，并对南矶山白沙湖、三泥湾、常湖和吴城朱市湖等4个典型湖泊沉水植物物种优势度进行分析，结果如图3所示。

表8 研究区各样点沉水植物的种类与分布Table 8 Species and distribution of submerged macrophytes in the sampling sites of study areas

图3 鄱阳湖研究区典型湖泊沉水植物的优势度Fig. 3 Species dominance of submerged macrophytes in the typical lakes in Poyang Lake

从表8可知，南矶山3个湖泊的优势植物为苦草、黑藻和小茨藻；吴城朱市湖的优势种为石龙尾和水车前。4个湖区调查中发现的沉水植物主要有苦草、黑藻、小茨藻与水车前等4种沉水植物，均在鄱阳湖各湖区广泛分布，与张萌等（2013）研究中所调查的植物相比，除多年生的微齿眼子菜未发现外，其余物种皆有出现；苦草和黑藻为优势植物，与之相一致，且发现水车前和大茨藻等较罕见的物种。但与 2001年彭映辉等（2003）的调查相比，科、属基本一致，但植物的种类相对少一些，如眼子菜属仅有竹叶眼子菜。反映出鄱阳湖的沉水植物种类组成相对较稳定，而种类减少的可能原因是受人工过度捕鱼的影响，沉水植物的分布范围正在进一步缩小；有些物种已较罕见，且本次调查的时间与范围比彭映辉等（2003）2001年的少。

2.4.1 沉水植物群落及物种多样性

群落的物种多样性是其重要特征，研究任何一种干扰因子对群落结构的影响都需要分析其物种多样性，多样性指数是在物种水平上多样性和异质性程度的度量，均匀度指数反映各群落中物种分布的均匀程度。采用Shannon-Wiener多样性指数（H）和 Pielou均匀度指数（J）计算南矶湿地与吴城等相关湖泊沉水植物物种多样性，结果如表9。

表9 4个典型湖泊沉水植物的Shannon-Wiener多样性指数与Pielou均匀度指数Table 9 The Shannon-Wiener diversity index and Pielou venness index of submerged macrophytes in the four lakes of Poyang Lake

从表9可以看出，4个湖泊的Shannon-Winner指数较接近，以三泥湾的 Shannon-Winner指数较大，其次为白沙湖和常湖，朱市湖。而均匀度与多样性指数有一定差异，常湖的均匀度指数最低，朱市湖的较高。一般情况下，具有单优和寡优势种的群落其均匀度较小，具有多优或优势不明显的群落均匀度较大（王正文等，2002）。这与图 3中显示的沉水植物优势度情况相吻合，反映出白沙湖的多样性虽高，但分布不均匀。总体上，南矶湿地沉水植物多样性较丰富，但物种均匀程度较低，以水鳖科的苦草与黑藻及茨藻科的小茨藻为主。

2.5 水体与底泥重金属污染对沉水植物群落的影响

底泥重金属的潜在生态风险指数综合了重金属的生物毒性与沉积特征，利用该指数能更好地反映底泥重金属对沉水植物群落的影响。因此，本研究采用底泥重金属的生态风险指数与水体重金属含量共同研究水土环境中重金属污染对沉水植物的影响。

2.5.1 重金属污染对沉水植物鲜重的影响

根据表 8中的结果，黑藻、苦草、水车前与小茨藻在 4个湖泊皆有出现，因此，本文分别测定各样点中上述 4种沉水植物的鲜重，对上述 4个湖泊中所有样点的黑藻、苦草、水车前与小茨藻的鲜重与底泥重金属单因子潜在生态风险指数（Eir）、底泥重金属潜在生态风险指数（RI）及水体重金属含量（Wi）等进行Pearson相关性分析，结果如表10。

表10 重金属污染与沉水植物鲜重的相关性Table 10 Correlation of heavy metals pollution and fresh weight of submerged macrophytes

上述结果表明，水体重金属含量或底泥重金属各因子与不同沉水植物生物量间的显著相关性不明显，仅有底泥中Cd单因子潜在生态风险指数与黑藻鲜重呈显著负相关性但相关系数较小（r=0.453）；水中重金属Cu含量与水车前鲜质量呈极显著正相关（r=0.815），由于Cu是植物生长的其他微量元素之一，且水中Cu的污染相对最小，水体中的Cu在一定条件下能促进水车前的生长；除上述两种情况外，重金属与沉水植物鲜质量的相关性均不显著，且相关系数均较小。其中水体中的镉与黑藻、苦草和水车前的鲜质量相关系数较小（r=0.127，0.126和0.094），与许秋瑾等（2006）研究水体中Cd的质量浓度均低于0.1 mg·L-1时，镉对黑藻的胁迫不明显的研究结果以及张饮江等（2012）研究水体中Cd的质量浓度在0～5 μg·L-1、pH 7.5时，苦草基本能正常生长的研究实验结果等相一致；在徐勤松等（2001）的研究中水车前在0.1 mg·L-1处理下抗氧化酶（CAT和POD）会出现一抗性峰，而南矶山与吴城水体中 Cd质量浓度在 0.3 μg·L-1以内，因此其与水车前的相关性较小。

2.5.2 重金属污染对沉水植物多样性的影响

将所有样点的 Shannon-Wiener多样性指数（H）、Pielou均匀度指数（J）与水体重金属含量、底泥重金属的潜在生态风险指数等进行相关性分析，结果如表11所示。

底泥和水体重金属与沉水植物多样性以及底泥重金属与均匀度的相关系数大小依次均为：Cu>Pb>Cd；而水体重金属与均匀度的相关系数的大小依次为：Pb>Cu>Cd；Cd与沉水植物的多样性与均匀度指数的相关性最小，原因是Cd的毒性虽大，但含量很小，因此其对沉水植物群落的影响较小。沉水植物的多样性指数、均匀度指数与水体重金属含量、底泥重金属的潜在生态风险指数等均无显著相关性，且各相关系数均较小；但总体上水体重金属与沉水植物 2个指数的相关系数均大于底泥，可能原因是沉水植物的植株浸没在水体中。

表11 重金属污染与沉水植物多样性、均匀度的相关性Table 11 Correlation of heavy metals pollution and the species diversity of submerged macrophytes

综合上述，除个别情况外，水体和底泥重金属污染对沉水植物的鲜重和物种多样性的影响不显著，其原因可能是南矶山与吴城湖泊底泥重金属的潜在生态危害为轻度污染；沉水植物可通过合成植物肽、改变重金属在植物组织中的分布等策略，从而对重金属有一定的耐受性与抗性（Elisa等，2013）；相关文献表明黑藻与苦草对重金属Cu、Pb、Cd具有吸附和耐受性，加上本身的植物生长特性如苦草地下茎繁殖力强，种子萌发率高等及黑藻生长范围广，可无性繁殖等特点，使得黑藻与苦草成为分布较广的种类（颜昌宙和曾阿妍，2009；焦轶男和朱宏，2014；李国新等，2011；张饮江等，2012）；不同形态的重金属对植物有不同生物有效性和毒性，其中以弱酸溶解态中的水溶态与可交换态的生物有效性和毒性最强（卢少勇等，2010；王鸣宇等，2010；Fan等，2002），而本研究的重金属含量表示重金属的总量，可能可提取态重金属比例不多。下一步将对不同形态重金属对沉水植物的影响来研究重金属对沉水植物群落的影响。

3 结论

1）鄱阳湖研究区 4个湖泊的水体重金属含量（除白沙洲的ρ(Pb)外），均未超过地表水Ⅲ类标准。且各湖区水体中ρ(Cu)、ρ(Pb)与ρ(Cd)最高值均出现在湖区东部的白沙洲。水体中 ρ(Cd)含量最低，各样点水体ρ(Cd)与南矶山水体中的ρ(Cu)和ρ(Pb)平均值均在Ⅰ类水的范围内。

2）地累积指数和潜在生态危害指数等不同评价方法对各样点底泥中重金属污染程度的评价结果表明：龙口湖区底泥重金属污染程度为中度，是重金属污染最严重的区域，其余区域的污染程度均为中度以下。南矶山3种重金属元素的地积累指数评价结果与其单因子潜在生态危害指数的评价结果表现一致：Pb>Cu>Cd；其它样区地积累指数最小的均为Cd，而单因子潜在生态危害指数最小的为Pb，不同区域重金属的污染情况有所不同。

3）野外调查中共发现11种沉水植物，隶属7科9属，南矶山各湖的优势植物有苦草、黑藻和小茨藻；吴城朱市湖的优势植物为石龙尾与水车前。4个湖泊群落物种多样性指数（H）的大小次序为：白沙湖>三泥湾>常湖>朱市湖；均匀度指数（J）的大小次序为：朱市湖>三泥湾>白沙湖>常湖。可见，南矶山湿地沉水植物的物种多样性高，但分布不均匀，主要为黑藻、苦草与小茨藻。除底泥中Cd的单因子潜在生态风险指数与黑藻鲜质量呈显著负相关性但相关系数较小与水中重金属Cu含量与水车前鲜质量呈极显著正相关外，水体和底泥重金属污染对沉水植物的鲜质量和物种多样性的影响均不显著；总体上水体重金属污染比底泥对沉水植物群落的影响更大，其中Cd对沉水植物群落的影响最小。因此，对鄱阳湖沉水植物的生长及其影响因素还有待更深入的研究。

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Heavy Metals Pollution on the Water and Sediments and Its Influence on the Submerged Macrophyte Community in the Wetland of Poyang Lake

JIAN Minfei1,2*, LI Lingyu1, YU Houping1, XIONG Jianqiu3, YU Guanjun4
1. Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China; 2. College of Life Science, Jiangxi Normal University, Jiangxi Provincial Key Lab of Protection and Utilization of Subtropical Plant Resources, Nanchang 330022, China; 3. Science and Technology Department, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China; 4. Jiangxi Nanji Wetland National Nature Reserve Bureau, Nanchang 330009, China

Based on the typical wetland included Nanji Wetland, Wucheng National Nature Reserve, Baishazhou National Wetland Park and Longkou Wetland of Poyang Lake, we investigated the submerged macrophyte communities and sampled the water and sediment specimens in September of 2013. We also determined the contents of copper, lead and cadmium in water and sediment specimens and evaluated the heavy metals pollution in sediments by using both the Geo-accumulation index methods and the potential ecological risk index methods. According to the census data of submerged plant communities, we calculated the submerged macrophyte community structure by using both Shannon-Wiener diversity index and Pielou evenness index, and analyzed the correlation of the biomass and diversity of submerged plants and the heavy metals pollution in the water and sediment with Pearson correlation analysis. We also aimed to reveal the status of heavy metal pollution in the wetland of Poyang Lake and explore the influence of copper, lead and cadmium on submerged macrophytes in order to prevent and control the pollution of heavy metals and protect and restore the submerged macrophytes preferably. The results indicated that the highest content of heavy metals in water and sediment samples is Lead. All heavy metals in the water specimens were lower than the surface water environmental quality standard of class Ⅲ criterion except the content of lead in the sampling sites of Baishazhou. The highest content of heavy metals in the water of the sampling sites was in Baishazhou National Wetland Park located in the east of Poyang Lake, and the contents values of ρ(Cu), ρ(Pb) and ρ(Cd) were 50.826 μg·L-1, 68.660 μg·L-1and 0.337 μg·L-1separately, while the lowest content of heavy metals in Nanji Wetland which located in the southwest of Poyang Lake, and the contents values of ρ(Cu), ρ(Pb) and ρ(Cd) were 4.316 μg·L-1, 7.301 μg·L-1and 0.167 μg·L-1separately. The results indicated that Longkou was the severest heavy metal-polluted areas in sediments, probably because the water from the downstream of Lean River. But some differences exist in both evaluation methods: the Geo-accumulation index showed moderate pollution or light pollution in the sediments for all sampling sites, while the potential ecological risk index showed slight pollution in the sediments in all sampling sites. On the other hand, there were 11 submerged macrophyte species in 7 families and 9 genera in the investigated areas. The species diversity of submerged macrophytes in Nanji wetland was rich but the evenness of species distribution was relatively low. The results of Pearson correlation analysis suggested that there was no significant correlation among the biomass, species diversity and the heavy metal contents in the water and sediments.

Poyang Lake; submerged macrophytes; heavy metals pollution; community structure; geo accumulation index; potential ecological risk index

X52

1674-5906（2015）01-0096-10

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.01.015

简敏菲，李玲玉，余厚平，熊建秋，余冠军. 鄱阳湖湿地水体与底泥重金属污染及其对沉水植物群落的影响[J]. 生态环境学报, 2015, 24(1): 96-105.

JIAN Minfei, LI Lingyu, YU Houping, XIONG Jianqiu, YU Guanjun. Heavy Metals Pollution on the Water and Sediments and Its Influence on the Submerged Macrophyte Community in the Wetland of Poyang Lake [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(1): 96-105.

国家自然科学基金项目（41161035；41461042）；国家“十二五”科技支撑计划项目（2011BAC13B02）；江西省科技支撑计划项目（20133BBG70005）

简敏菲（1969年生），女，教授，博士，从事鄱阳湖湿地生态过程与环境评价研究。E-mail: jianminfei0914@163.com *通信作者

2014-11-23