喀斯特湿地空心莲子草入侵迹地水质时空变化特征

陈芃利， 张婷， 杨涛， 张晨， 溥丽华， 张建利,2,3*， 龙秀琴

(1.贵州民族大学生态环境工程学院， 贵阳 550025； 2.贵州民族大学喀斯特湿地研究中心， 贵阳 550025； 3.贵州省工程地质灾害防治工程研究中心， 贵阳 550025； 4.贵州省植物园， 贵阳 550004)

空心莲子草[Alternantheraphiloxeroides(Mart.)Griseb]属于多年生宿根草本植物，通常生长在水生和陆地的交界线，适生性和迅速繁殖能力强，是最早入侵中国的物种之一，是世界公认的恶性杂草之一[1-2]。20世纪30年代，空心莲子草作为饲料引入中国，而后在江浙地区蔓延，随后入侵到云贵川地区[3]。2002年，威宁草海引进家禽养殖，空心莲子草也被带入威宁草海湿地。当地优势物种无法与其竞争，空心莲子草在草海短时间内大量繁殖[4]。目前，空心莲子草已在草海形成入侵趋势，破坏湿地生态系统稳定，使草海湿地的生物多样性降低，严重威胁草海湿地生态安全。

湿地生态系统作为地球上最重要的生态系统之一，有“自然之肾”之称，其具有调蓄水量、调节气候、净化水质及生物多样性保育等功能。然而自20世纪70年代以来，湿地环境不断遭到破坏从而引起大量退化，其中生物入侵是造成湿地退化的重要原因之一[5]。贵州草海湿地是中国西南地区最大的喀斯特高原典型湿地，是重要鸟类的重要越冬地和迁徙中转站，其中包括许多特别珍稀的鸟类如黑颈鹤、灰鹤等228种鸟类[6]。草海湿地在1958年、1972年两次大规模排水，因此，出现了气候失常、候鸟他迁、湿地退化等问题，于1982年重新恢复，后又建立了草海自然保护区[4]。草海湿地受到人为严重破坏，而后又经人为努力而恢复，因此，对草海湿地的研究，是分析人类活动对自然环境影响的重要参考，对于保护和改善人类生存环境具有重要意义。草海自然保护区成立初期，中国大力发展工业，处于经济快速发展时期，人们对于环境保护的意识薄弱，湿地的经济价值也未得到重视，因此，草海湿地受到工业、农业及城镇生活污水的污染导致水质恶化[7-8]，从而加重了其富营养化程度，水体富营养化导致一系列的生态安全问题。秦趣等[9]研究表明，草海湿地生态系统现处于不健康等级。作为典型的高原湿地，长时间的监测和研究草海的水环境质量十分重要。

为此，以草海湿地空心莲子草入侵迹地水质为研究对象，通过对其富营养化状态及水质时空变化特征进行分析，探讨空心莲子草入侵对草海湿地水质的影响，为降低草海湿地空心莲子草入侵区域水体富营养化程度及水生态环境保护与治理提供科学的参考依据。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

草海国家级自然保护区(26°47′32″N～26°52′52″N，104°10′16″E～104°20′40″E)位于贵州省威宁彝族回族苗族自治县，海拔2 200～2 250 m，该地区属于典型的亚热带半湿润气候，冬干夏湿特征分明，年平均温10 ℃，年平均降水量950～1 000 mm。草海蓄水面积约为20.98 km2，最大水深5 m，水体整体偏碱性。草海湿地是由喀斯特盆地积水演变而来的高原典型湿地，是我国Ⅰ级重要保护湿地[10]。草海属长江水系湖泊，主要靠降雨补给水源，降雨主要集中在夏季，是贵州省降雨最少的地区[11-12]。

1.2 采样点设置

分别于2018年1月(冬)、2018年4月(春)、2018年7月(夏)及2018年10月(秋)，在草海湿地上游、中游、下游，按照空心莲子草入侵状态设置湿地水样采集区，分别为上游轻度入侵(S-Mi)、上游中度入侵(S-Mo)、上游重度入侵(S-Se)、中游轻度入侵(Z-Mi)、中游中度入侵(Z-Mo)、中游重度入侵(Z-Se)、下游轻度入侵(X-Mi)、下游中度入侵(X-Mo)、下游重度入侵(X-Se)，共计9个采样点，每个采样点邻近采集3个水体样品，采用保鲜箱保存样品带回室内进行检测，采样点分布如图1所示。

1为上游轻度入侵；2为上游中度入侵；3为上游重度入侵； 4为中游轻度入侵；5为中游中度入侵；6为中游重度入侵； 7为下游轻度入侵；8为下游中度入侵；9为下游重度入侵图1 草海采样点分布Fig.1 Location of sampling points in Caohai

1.3 水体理化指标测定

1.4 富营养化分析

选用湖泊富营养化调查规范中综合营养指数法(comprehensive nutrition index method，TLI)对草海水体进行富营养化分析[17]，其表达式为

TLIChl a=10×(2.5+1.086 lnChl a)

(1)

TLITP=10×(9.46+1.624lnTP)

(2)

TLITN=10×(5.453+1.694lnTN)

(3)

TLISD=10×(5.118-1.94lnSD

(4)

TLICODMn=10×(0.109+2.661lnCODMn)

(5)

(6)

(7)

以Chl a作为基准参数，按照表1计算各指标的Wj。

表1 中国湖泊的Chl a与其他参数之间的相关关系Table 1 Correlation between Chl a of Chinese lakes and other parameters

湖泊(水库)营养状态分级：<30.00为贫营养；30.00～50.00为中营养；50.00～60.00为轻度富营养；60.00～70.00为中度富营养；>70.00为重度富营养。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel进行数据整理与分析，采用SPSS 25对草海湿地水质指标进行单因子方差分析(采用Turkey 进行显著性检验)，利用Origin 2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 草海不同季节空心莲子草入侵迹地水质变化特征

不同小写字母表示在各采样点不同季节之间差异显著(P<0.05)图2 草海空心莲子草入侵迹地水质季节性特征Fig.2 Seasonal characteristics of water quality in the invasion site ofAlternanthera philoxeroides in Caohai

2.2 草海不同水域空心莲子草入侵迹地水质变化特征

不同小写字母表示在各季节不同采样点之间差异显著(P<0.05)图3 草海空心莲子草入侵迹地水质指标空间变化特征Fig.3 Spatial variation characteristics of water quality indexes of Alternanthera philoxeroides invaded sites in Caohai

2.3 草海空心莲子草入侵迹地水体营养状态分析

对草海湿地空心莲子草入侵迹地各季节水体TLI及氮磷比分析如图4所示。

春季，上游轻度入侵水体为重度富营养状态(70.49)，下游水体为轻度富营养状态(54.77～58.20)，其余水体均为中度富营养状态(63.05～68.97)。夏季，上游、中游水体均为中度富营养状态(61.03～63.14)，下游水体为轻度富营养状态(54.87～56.70)。秋季，上游轻度入侵水体为中度富营养状态(62.86)，下游水体为中营养状态(48.13～49.76)，其余均为轻度富营养状态(51.73～54.50)。冬季中上游水体为轻度富营养状态(50.46～59.00)，下游水体处于中营养状态(40.36～44.84)。草海湿地相同水域空心莲子草入侵迹地水体TLI随季节变化呈逐渐降低趋势，春季水质最差；从上游到下游TLI呈降低趋势，上游水质最差。

ρTN为总氮的含量；ρTP为总磷的含量图4 草海富营养化季节变化趋势及ρTN/ρTP值Fig.4 Seasonal trend of eutrophication and the value of ρTN/ρTP in Caohai

草海空心莲子草入侵迹地水体氮磷比最小为6.71(秋季上游轻度入侵水域)，最大为56.56(秋季下游重度入侵水域)，秋、冬两季氮磷比高(20.23～56.56)，春、夏两季氮磷比低(8.23～39.17)。

3 讨论

3.1 草海不同季节空心莲子草入侵迹地水质变化特征

春季水体中的TP含量较高，TN含量不高。草海地区春季降水少，水力停留时间较长。因此，土壤中的氮元素进入草海量少，且此时大气氮沉降低，这一结果与周晨等[18]的研究结论一致。草海湿地空心莲子草入侵迹地水体中的CODMn含量较高，由于春季水温低，微生物活性低，因此，水体中营养元素的利用率低，这与李兴等[19]的研究结果相似。

夏、秋两季水体中TN含量高，夏、秋两季为草海地区的丰水期，降水多，因此，大气氮沉降较高，且土壤中的氮磷元素随地表径流进入草海。Chl a含量相较于春季并未增加，这可能是大量泥沙随地表径流进入草海，水体透明度降低，从而影响藻类生长导致的。CODMn含量随季节变化持续降低，水体温度升高，微生物活性增强，从而导致CODMn含量下降[20]。

冬季，Chl a、TP、TN及CODMn含量降低。可能由于水温较低，藻类生长缓慢导致Chl a含量下降。冬季为草海枯水期，降水少，地表径流输入的氮磷元素减少；水体pH呈碱性，限制了底质中不溶性磷转化为可溶性磷的速度；冬季水力停留时间长，水体驱动力减弱，氮磷元素沉积进入底质的速度大于其释放速度，这些都会导致TP、TN含量降低。尽管冬季微生物活性低，但没有新的、大量的有机污染物在冬季输入草海，这可能是造成冬季水体中CODMn含量较低的原因。

3.2 草海不同水域空心莲子草入侵迹地水质变化特征

从上游到下游，各项水质指标的浓度均降低，这与张珍明等[20]的研究结果相似。入湖河流向草海输送了大量的农业及生活废水，上游采样点处于旅游码头附近，人类活动影响较多，码头航运及人类活动在一定程度会影响水质[21]。因此，靠近入湖口区域的水体污染较为严重。随着水域的变化，污染物向下游迁移，在此过程中，一部分污染物会因水体的自净作用被净化，污染物浓度降低。

空心莲子草的入侵程度对水体的pH无影响，中度入侵、重度入侵水体中TN、TP、Chl a含量降低。空心莲子草作为入侵植物，比土著植物有更高的生长速率，更强的营养繁殖，更强的竞争能力，其大量生长会降低生长水域光照、溶解氧及生物多样性，破坏草海的植物群落结构[22-24]，但其生物量的增加，从水体中吸收的养分量也会增加。因此，空心莲子草中度入侵、重度入侵区域的TN、TP、Chl a含量低，水体富营养化程度轻，水质良好。

3.3 草海空心莲子草入侵迹地水体营养状态分析

本研究表明，2018年间，草海空心莲子草入侵迹地水体基本处在富营养化状态，春季水质最好，冬季最差。结合周晨等[18]、王灿等[25]的研究结果来看，2014—2018年，草海水体富营养化逐渐加重。草海周边居民在生产中长期使用化肥，农村地区生活污水分散，不能收集统一处理，威宁县城污水处理系统不完善等，致使大量污染物进入草海，引起水体富营养化逐渐加重[10,20]。污染物的持续增加，超出了草海的环境容量，同时受季节影响，水体的自净能力也会有变化，水体不能完全净化污染物时，草海水体污染物会累积，使得氮磷元素含量及Chl a含量升高，加剧了其富营养化程度[26]。

根据本研究区域内的氮磷比，草海湿地空心莲子草入侵迹地属于磷限制型，磷元素是影响藻类植物生长的主要因素。刘小波等[27]、王振强等[28]研究表明，氮磷元素是湖泊富营养化的限制因子，氮磷比对水生植物的生长有重要影响，氮磷比超过或低于12∶1～13∶1时藻类生长会受影响。因此通过限制磷元素的输入可有效降低草海空心莲子草入侵迹地水体富营养化程度。

4 结论

对草海湿地空心莲子草入侵迹地2018年水质时空变化特征及水体营养状态进行分析，得出以下结论。

(3)草海湿地空心莲子草入侵迹地水体呈中度富营养化状态，随时间变化呈降低趋势，从上游到下游呈降低趋势。草海湿地空心莲子草入侵迹地属于磷限制型，通过限制磷元素的输入可有效降低水体富营养化程度。