沉水植物与水相互作用的太赫兹光谱研究

李 晓 阎 萍＊

（1、深圳大学学报理工版编辑部，广东 深圳 518060 2、深圳新青春科技发展有限公司，广东 深圳 518001）

沉水植物是在湖泊生态环境中维持能量循环，净化湖泊水质的重要环节之一。沉水植物可以减少湖泊中氮、磷含量，去除浮游植物，在沉水植物含量较多的江河湖泊中通常水质较好。同时，沉水植物还可以为部分藻类植物提供附着条件，为湖泊中的浮游动物、各种鱼类以及其他生物提供栖息地和部分食物。因此，沉水植物在保护生态环境中具有重要作用。太赫兹光谱是一种新型的相干探测技术，其测量灵敏度高，可以与红外技术、拉曼技术等互相补充[1-2]。应用太赫兹光谱技术，分析出材料在其波段下的物理信息和化学信息。因此，提出沉水植物与水相互作用的太赫兹光谱研究。

1 实验准备

选择沉水植物与水相互作用的实验仪器和试剂，主要仪器如表1 所示，主要试剂为硝酸钾（KNO3） 和硝酸二氢钾（KH2PO4）。

表1 实验仪器示意表

2 实验步骤

2.1 选取太赫兹光谱成像参数

使用太赫兹光谱成像法，研究沉水植物与水相互作用，需要选取太赫兹光谱成像参数，用于测量水体内各指标含量和沉水植物的生物量、表面附着物以及叶绿素含量[3]。在一定频率下，太赫兹光谱形成的正弦波叠加为其成像结果。对沉水植物和水体进行函数变换，得到太赫兹光谱成像信息如公式（1）所示[4]。

其中，Δp 表示步进电机的移动距离；Δw 表示太赫兹光谱成像参数；s 表示真空光速。

2.2 设计实验流程

研究沉水植物对水体水质的作用，水体营养盐对沉水植物的作用，两组实验共同进行[5]。共需要准备9 组实验进行对比，第一组在培养器中加入黑藻和正常水，第二组加入苦草和正常水，第三组不加入任何植物，每隔8h 进行一次水体取样并保存[6]。第四组、第五组和第六组加入黑藻和三种浓度营养盐水体，每隔10h 进行一次取样并添加适量营养盐。完成样品保存后即可用太赫兹光谱成像法，研究沉水植物和水体水质的相互作用[7]。首先取少量样品过滤水体中悬浮物后进行称重，然后使用马沸炉中和1h，待样品冷却后再次进行称重，对比前后重量即可测得各有机物的含量。

3 沉水植物对水体水质的作用

3.1 沉水植物的生长影响水体内氮含量

检测沉水植物的正常生长对水体内氮含量的影响，取不加入黑藻和苦草两种沉水植物的水体作为对照组，测量加入黑藻和苦草以及对照组，十次取样后的水体内氮含量，检测结果如表2 所示。

表2 黑藻、苦草和对照组水体氮含量示意表（mg·L-1）

根据表2 数据可知，有沉水植物的培养器中含氮量明显低于对照组。其中，黑藻培养器中含氮量第一次检测为2.14mg·L-1，比对照组第一次检测的4.52mg·L-1低2.38mg·L-1。随着黑藻的生长，黑藻培养器中水体氮含量逐渐降低，检测到第十次取样的水体后含氮量为0.23mg·L-1。苦草培养器中含氮量第一次检测为1.87mg·L-1，比对照组低2.65mg·L-1，随着苦草的生长，水体中的含氮量也在逐渐降低，第十次取样的水体含氮量为0.29mg·L-1。由此可见，随着黑藻和苦草两种沉水植物的生长，可以逐渐减少水体中的氮含量。

3.2 沉水植物的生长影响水体内磷含量

检测沉水植物的正常生长对水体内磷含量的影响，保证其他条件相同，取上述3.1 中水样检测。十次取样检测后黑藻、苦草和对照组的水体中磷含量结果如表3 所示。

根据表3 数据可知，有沉水植物黑藻、苦草生长的水样和对照组水样第一次取样检测出的磷含量分别为0.24mg·L-1、0.36mg·L-1、0.56mg·L-1，黑 藻 培 养 组 比 对 照 组 中 磷 含 量 低0.22mg·L-1，苦草培养组比对照组中磷含量低0.20mg·L-1。随着沉水植物黑藻和苦草的生长，两组水体含磷量都在降低，到第十次取样的水体含磷量检测，黑藻培养组为0.05mg·L-1，苦草为0.11mg·L-1。由此可见，沉水植物可以影响水体内磷含量，并且黑藻比苦草处理水体内磷的效率更高。

表3 黑藻、苦草和对照组水体磷含量示意表（mg·L-1）

3.3 沉水植物的生长影响水体内悬浮物含量

检测沉水植物的生长对水体内悬浮物含量的影响，依次取3.1 中的水样进行检测，十次取样检测后黑藻、苦草和对照组的水体中悬浮物含量结果如表4 所示。

表4 黑藻、苦草和对照组水体悬浮物含量示意表（mg·L-1）

根据表4 数据可知，黑藻培养器中悬浮物含量明显较低，第一次取样的水体中悬浮物的含量，黑藻培养器中为4.15mg·L-1，苦草培养器中为8.23mg·L-1，对照组为6.55mg·L-1，其中黑藻培养器中悬浮物含量最低，苦草培养器中最高。但随着黑藻和苦草的生长，水体中的悬浮物逐渐在降低。第三次取样后，苦草培养器中悬浮物含量开始低于对照组。直至第十次取样，三组水体中悬浮物含量依次为0.54mg·L-1、2.01mg·L-1、2.08mg·L-1，黑藻培养器中悬浮物最少，苦草培养器中悬浮物含量虽比对照组少，但差距较小。由此可见，沉水植物的生产对水体内悬浮物含量有影响，其中黑藻的影响较大，苦草的影响较小。

3.4 沉水植物的生长影响水体内叶绿素含量

检测沉水植物的正常生长对水体内叶绿素含量的影响，保证其他条件相同，继续取上述3.1 中水样进行检测。十次取样检测后黑藻、苦草和对照组的水体中叶绿素含量结果如表5 所示。

根据表5 数据可知，在黑藻生长的培养器中水体中叶绿素的含量最低，对比较为明显。第一次取样的水体中黑藻培养组叶绿素含量为15.34mg·L-1，苦草培养组为65.48mg·L-1，对照组叶绿素含量最高为89.04mg·L-1。随着沉水植物黑藻和苦草的生长，水体内叶绿素含量在不断降低，第十次取样水体中叶绿素含量分别为2.52mg·L-1、11.75mg·L-1以及15.46mg·L-1。由此可见，沉水植物的生长可以影响水体内叶绿素含量，其中黑藻的生长可以降低水体内叶绿素的含量，且效用较大，效果明显，苦草的生长虽可以降低水体内叶绿素含量，但效果不显著。

表5 黑藻、苦草和对照组水体叶绿素含量示意表（mg·L-1）

4 沉水植物生物量的影响

4.1 水体营养盐对沉水植物生物量的影响

检测水体营养盐对沉水植物生物量的影响，选取黑藻和苦草两种沉水植物并加入低、中、高三种不同浓度的营养盐作为黑藻组和苦草组，分别对比不同浓度的营养盐水体下，沉水植物的总生物量。为保证实验结果准确，每组进行5 次检测，表6为三种浓度下黑藻和苦草的总生物量检测结果。

表6 不同浓度营养盐水体下黑藻、苦草总生物量检测表（g）

根据表6 数据可知，在低浓度营养盐水体下苦草的总生物量最高，平均为19.932g，其次是中浓度营养盐水体，平均总生物量为14.732g，最后为高浓度营养盐水体下，苦草总生物量最低，平均为8.098g；在中浓度营养盐水体下黑藻的总生物量最高，平均为26.134g，其次为低浓度营养盐水体，平均为15.744g，在高浓度营养盐水体下黑藻的总生物量最低，平均为7.392g。由此可见，苦草的总生物量随着营养盐浓度增高而降低，而黑藻的总生物量在高浓度营养盐下会得到抑制。

4.2 太赫兹健康水仪对沉水植物生物量的影响

检测太赫兹健康水仪对沉水植物生物量的影响过程中，为保证实验的一致性，设置为同一水体和同一营养盐浓度，对比使用太赫兹健康水仪处理水体前后黑藻和苦草两种沉水植物的总生物量。为保证实验结果准确，每组进行5 次检测，表7 为使用太赫兹健康水仪处理水体前后黑藻和苦草的总生物量检测结果。

表7 黑藻、苦草总生物量检测表（g）

分析表7 数据可知，使用太赫兹健康水仪处理水体后的黑藻和苦草的总生物量均有一定程度的升高。其主要原因是使用太赫兹健康水仪处理后的水体中，为沉水植物生物提供了更优质的水体环境和营养条件，促进其更好的生长。

5 结论

通过完整的实验，基于太赫兹光谱成像法研究沉水植物与水相互作用。随着沉水植物的生长，可以净化水体内氮、磷含量，一定程度上去除水体悬浮物，减少水体中叶绿素含量。本文从沉水植物和水体的两个角度出发，研究两者的相互作用，但在水体对沉水植物的影响上，没有考虑到沉水植物生长形态的变化，下一步将以沉水植物的形态变化为变量进行研究，进一步完善实验结论。