石佛寺人工湿地不同营养特征淤积物对水生植物生长的影响

周林飞, 樊海川, 徐 也

(沈阳农业大学 水利学院, 沈阳 110866)

生态修复技术可以让湖泊中水生植物生长趋势得到提升，从而使湖泊所面临的富营养化问题得到有效的控制，其对于水生植物所在湖泊的生态系统恢复有着十分重要的意义。水生植物可以通过自身的吸收和根系环境的构建来改善环境压力，在一定程度上可以说水生植物生长的越好，富营养化湖泊的修复进展越快[1]。周围环境中的营养元素会对水生植物的生长及分布产生影响，大多数研究表明，环境中营养元素与水生植物的茂盛程度呈正比，水生植物也更多分布在周边营养元素较多的区域。影响水生植物生长的营养元素有很多，其中对水生植物生长产生影响较大的为氮和磷[2]，水生植物在生长过程中，其根系主要从淤积物中吸收氮(N)、磷(P)、铁(Fe)、锰(Me)和一些微量元素，而如钙(Ca)、镁(Mg)、钠(Na)和钾(K)等元素通常是通过地上部分进行吸收的[3]。通过研究来发现水生植物生物量与淤积物营养特征之间的关系，对于了解水生植物生长特性和人工湿地的治理都具有一定意义。目前国内关于环境营养水平与水生植物生长之间关系的研究较少，且存在一定的局限性。

石佛寺水库位于沈阳市新城子区、法库县依牛堡乡和铁岭市铁法县境内，距离辽宁省沈阳市约47 km，是辽河干流上唯一的大型控制性水利工程。为改善生态环境，在水库的基础上于2009年开始逐步建成石佛寺人工湿地，主要栽植的水生植物包括：芦苇(Phragmitescommunis)、蒲草(Typhaangustifolia)和荷花(Nelumbonucifera)，周边栽植其他旱生植物，同时进行生态蓄水，对环境的改善起到了积极的作用，水生植物面积扩大，种类增多，2016年调查表明：芦苇、荷花和蒲草面积分别为173.33，133.33，366.66 hm2，为优势种；此外，还出现了许多新的水生植物。生态水面积16.13 km2，湿地植物与生态水面，一起构成了石佛寺湖泊型人工湿地，是辽河自然保护区的重要湿地。

本研究主要是将石佛寺人工湿地中覆盖面积相对较大的蒲草与芦苇作为研究对象，以TN和TP为淤积物中营养含量的主要指标，研究淤积物中营养物质含量对蒲草、芦苇生长的影响，通过比较同一湿地不同样点淤积物中蒲草与芦苇的生物量，来研究淤积物营养物质含量与水生植物生长的关系。

1 材料与方法

1.1 采样点布设

为充分了解淤积物营养成分对水生植物生长状况的影响，在2018年对石佛寺人工湿地分别选取芦苇、蒲草区域采样点各5个，分别用T1—T5和P1—P5表示，具体采样点如图1所示。分别于4月、5月、7月、9月和10月月初，通过活塞式柱状采样器对各个样点内的表层0—10 cm深度的淤积物进行采集后，将采集的淤积物装入密封袋内并贴好标签，带回实验室，分析淤积物中N和P的含量。按照水生植物的生长阶段，将1年划分为4个时期：蓄积期(1—3月)；生长期(4—6月)；成熟期(7—9月)；枯萎期(10—12月)。通过对比，研究相同环境条件淤积物营养特征对水生植物生长的影响。

图1 淤积物采样点布设

1.2 数据测定与处理

对于两个区域内水生植物生物量的测定，在各采样点内随机选取1 m2样方来进行研究，统计水生植物的密度后，从中随机选取10株水生植物植株，齐地收割地上部分植株，并挖除根部(0—70 cm)土样筛选出地下根茎部分，标记后带回实验室，切割后用80℃恒温将水生植物植株烘干至少48 h，待其恒重时称得10株样本的重量，然后求平均，以平均重量乘以密度就得到样点淤积物内水生植物的生物量。

对于采样点淤积物中营养元素的测定，先将取回的样品淤积物自然风干变得干硬后，将其全部粉碎并过100目筛。淤积物中TN和TP含量分别用水杨酸法和钼锑抗比色法，通过全自动间断式化学分析仪测定。采集的数据利用Microsoft Excel 2007和SPSS软件进行整理与分析，用Photoshop CS 6软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同淤积物中芦苇的生长

石佛寺人工湿地5个芦苇样点淤积物TN与TP含量见表1。其中5个样点淤积物内TN平均含量均超过0.90 g/kg，TP平均含量均超过0.40 g/kg。其中T3样点的TN，TP的平均含量均为5个样点之首，而T5样点中TN，TP平均含量均为最小。对比发现，石佛寺人工湿地芦苇样点淤积物中TN与TP含量，与目前国内研究较多的东太湖淤积物中TN和TP的含量相接近[4]。

表1 5个芦苇样点淤积物TN，TP含量 g/kg

5个样点不同时期芦苇的生物量变化如图2所示。4月初，芦苇处于生长初期，此时期内T2和T5两个样点中芦苇的生物量略微高于其他采样点，总的来看各个样点内芦苇生物量较接近，并没有表现出明显的差异，此阶段各样点芦苇生物量比较：T5>T2>T1>T3>T4；之后随着芦苇的逐渐发育，5个样点内芦苇的生物量均开始平稳上升，各个样点内芦苇的生物量逐渐有了差距，其中T1和T3样点内芦苇的生物量增长趋势最为明显，而T5样点内芦苇生物量增长趋势最缓，其芦苇生物量变为5个样点内最低，此阶段各样点芦苇生物量比较：T1>T3>T4>T2>T5；7—9月，芦苇进入成熟期，5个样点内芦苇生物量的增长趋势都逐渐放缓，并于9月达到峰值，此时T1样点中芦苇的生物量均明显高于其他4个区域，T3次之，T5样点内芦苇生物量仍为最低，但已与T2样点内芦苇的生物量较接近，此阶段各样点芦苇生物量比较：T1>T3>T4>T2>T5。10月以后，进入枯萎期的芦苇开始死亡腐解，各样点内芦苇生物量均逐渐下降，T2样点芦苇生物量下降趋势相对较缓，但对总体生物量的变化影响不大。总体来看，5个样点淤积物中芦苇生物量为：T1>T3>T4>T2>T5。

结合表1和图2来看，芦苇的生物量与淤积物中TN和TP的含量有关，芦苇的生物量会随着淤积物中营养物质含量的增高而增加，这种现象在芦苇的成熟期更为显著。但5月之后，淤积物中TP和TN平均含量最高的T3样点中芦苇的生物量，始终低于T1样点。

图2 5个样点不同时期芦苇生物量

2.2 不同淤积物中蒲草的生长

各采样点淤积物内TN，TP含量见表2。蒲草区域5个样点淤积物中TN和TP的平均含量较接近，但也存在差别，其中P3样点淤积物中TN和TP的平均含量都略微低于其他采样点。总体来看，蒲草样点淤积物中TN，TP的平均含量均明显低于芦苇样点。

表2 5个蒲草样点淤积物中TN，TP含量 g/kg

5个蒲草采样点淤积物中，水生植物的生物量变化趋势如图3所示。在4月初，P1采样点中蒲草的生物量略高于其他采样点，整体来看5个采样点中蒲草的生物量比较接近，此阶段各样点蒲草生物量比较：P4>P3>P1>P5>P2。之后，随着蒲草进一步发育，各采样点间生物量的差异逐渐体现。P1采样点的生物量逐渐呈现出较大优势，其他4个样点内蒲草的生物量以相近的趋势平稳增加；而进入5月后，P5样点内的蒲草生物量的增长趋势相对于其他样点明显增高，并于6月整体生物量超过P1样点，成为5个样点之首，此阶段各样点蒲草生物量比较：P1>P5>P2>P4>P3。蒲草进入成熟期以后，各样点内蒲草生物量增长趋势逐渐降低，并达到最大值，之后各样点内蒲草生物量开始以较接近的趋势逐渐降低，此阶段各样点蒲草生物量比较：P5>P1>P4>P2>P3。之后随着蒲草进入枯萎期后逐渐死亡，5个采样点中蒲草的生物量都逐渐减少，并趋近于同一数值。在整个蒲草的发育过程中，P3样点内蒲草的生物量始终保持较低水平。

图3 5个样点不同时期蒲草生物量

结合表2与图3可以发现，当采样点淤积物内TN含量小于0.993 g/kg，TP含量小于0.437 g/kg时，样点内蒲草的生物量会随淤积物中营养元素含量的降低而减少，这说明淤积物中营养物质的含量会对水生植物的生长产生一定影响。

2.3 综合分析

结合不同采样点的芦苇和蒲草两种水生植物的生长情况可以发现，采样点中的N，P营养水平与水生植物的生物量存在某种联系：通常淤积中营养元素含量较低的采样点上所生长的水生植物，其生物量处于相对较低的水平；水生植物的生物量会随着采样点淤积物中TN，TP含量的增长而增长，直到达到某一个临界值；之后随着采样点淤积物中TN，TP含量的增加，水生植物的生物量会呈降低趋势，但仍高于那些淤积物中营养元素较少的采样点。

在水生植物的生长过程中，将水生植物的生物量与淤积物中TN和TP含量进行Pearson相关分析，发现在不同的生长时期，水生植物生物量与淤积物中营养元素含量有不同的相关关系。结果见表3。

表3 淤积物中营养元素含量与水生植物生物量的相关系数

注：*表示水生植物的生物量与淤积物中营养含量的相关性达到显著水平(p<0.05)；**表示相关性达到极显著水平(p<0.01)。

从表3中可以看出，在4月第一次取样时，芦苇和蒲草的生物量与淤积物中TP含量的相关性均为负显著相关，且与淤积物中TN含量也呈负相关，这说明在生长初期过高的营养元素含量会抑制水生植物的发育。在5月，蒲草的生物量与淤积物中TP含量的相关性达到了显著水平，而在7月和9月，芦苇和蒲草的生物量均与淤积物中TN含量显著相关，这说明当水生植物处于成熟期时，较高的营养元素含量可以促进水生植物的发育；同时期淤积物内TP含量仅在9月与蒲草的生物量显著相关，可见其对水生植物生长的促进作用次于TN。而在10月，水生植物处于枯萎期，此时期内淤积物内营养元素含量对水生植物的生物量的影响相对较小。总体来看，较高的淤积物营养元素含量有利于水生植物的生长发育，特别是在成熟期，这种促进现象最为明显。但不论是芦苇还是蒲草，淤积物中TN和TP含量最高的样点(T3样点和P1样点)，其生物量均不是5个样点之最，故推测当淤积物中营养元素含量超过某一临界值时，反而会抑制水生植物的生长发育，目前国内关于此临界值的界定的文献较少，还有待进一步研究。

通常，处于同一相对密闭环境区域的淤积物中，其营养成分的组成、含量和来源都会比较接近，但由于水体处于流动状态，会与其他河流及外界条件产生交互，故不同的采样点中淤积物的各营养元素含量会有较大区别，在某些湖泊和流域甚至差异会达到显著程度[5]。由于水生植物在不同的生长阶段都要从水体及淤积物中吸取大量的N，P等营养物质从而满足自身的生长需要，故生长在不同采样点的水生植物，其长势及生物量都会因此而产生差异[6]。当芦苇、蒲草等挺水植物处于生长初期时，周围环境中过多的如N，P等营养元素会对水生植物的生长起到抑制作用，降低水生植物的生物量。这是因为当淤积物中的营养元素较高时，处于生长初期的水生植物幼苗中的丙二醛(MDA)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性会降低，从而对水生植物的发芽率、幼芽和幼根的生长起到抑制作用，降低水生植物的生物量[7]。随着水生植物的进一步生长，其对营养物质的需求逐渐增加，淤积物中TN，TP含量不足会导致水生植物的发育迟缓，这种现象产生的原因可能与光照及温度有关。姜瑞芳等[8]研究发现，当植物处于遮荫环境下生长时，其植株的生长和地径生长都会受到不同程度的限制。当植物所受到的光照足够时，光能可以促进植物部分细胞的分裂与增长，可以加快植株体各结构器官的生长，从而加快植物生长发育的速度。杨梅娇[9]通过对不同光照程度下油樟的生物量进行研究发现，不同光照处理下的植物生长情况有较大差异，适宜的光照更适合植物生物量的累积，而当光照不足时，植物的生物量增长会受到一定程度的限制。同时在植物生长过程中，光照和N元素还会形成交互作用，光照可以通过调控植株内硝酸还原性酶的活性来控制植物对于N元素的吸收，在一定光照强度的范围内，光照越强，植物对N元素的吸收就越快，植物的生物量也越高[10]，这可能是芦苇在成熟期的生物量与淤积物中N元素显著相关的原因。目前有关温度与水生植物生物量变化之间的关系，学术界还没有得出完全统一的结论，但是在适宜温度范围内，水生植物的生物量与温度的增长呈正比这是不争的事实，同时温度的升高也会增加土壤(淤积物)中营养元素的供应能力。王苗[11]将5种水生植物放在不同温度条件下生长，对比发现在30℃以下时，水生植物的生长会受到温度影响，温度越高植物长势越好。闫志强等[12]的研究发现，温度与水生植物的生长之间的关系达到了极显著相关(p<0.01)的程度。在5—9月期间，日照时间延长，石佛寺人工湿地的水温会逐渐升高至20℃以上，光照和温度会共同调节芦苇与蒲草的生长，同时影响淤积物中N，P等营养元素的释放，淤积物中营养元素较高的采样点所种植的水生植物生物量相对较大，而到了秋季以后，淤积物中营养物质含量对水生植物生物量的影响不再明显。

从本文的研究来看，不同营养特征的淤积物对于芦苇和蒲草的发育情况确实有影响，随着淤积物中营养元素含量的提高，水生植物的发育总体情况得到改善。而当淤积物中营养元素进一步增加，过高的营养元素会对植物的发育产生威胁。目前关于淤积物营养特征对水生植物不同阶段生长发育影响的研究十分迫切，淤积物中过高的营养物质含量可能对于湿地中水生植物的衰减负有较大责任。

3 结 论

石佛寺人工湿地内不同采样点淤积物的营养水平有所不同，淤积物中营养元素的含量会对水生植物的生长造成影响，淤积物中较高的营养水平会使水生植物的生物量增加。这种影响在水生植物的不同生长时期有所差异。当水生植物处于生长初期时，N，P等营养元素会抑制水生植物的生长，这种抑制会随着水生植物的进一步发育逐渐变成促进作用，尤其是当水生植物进入成熟期后，淤积物内营养元素含量与水生植物的生物量的相关性达到显著水平(p<0.05)。之后水生植物进入枯萎期，逐渐死亡，淤积物中营养水平对水生植物生长的作用不再明显。淤积物中营养物质含量对于不同水生植物的影响有所差异，从本文来看，蒲草的生物量与淤积物中营养元素含量的相关性更高。此外，光照、温度、pH值和水体中溶解氧含量等因素均会对水生植物的生长产生影响。